铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系统及方法

摘要

本发明涉及铝镁合金热挤压时采用预测控制和模糊控制的方式调整挤压速度，进而保证型材出口温度相对恒定的一种闭环控制系统。所述系统包括红外测温仪及等温挤压PLC；所述红外测温仪采集铝镁型材的出口温度；所述等温挤压PLC由微分预测控制单元和模糊控制单元组成；所述微分预测控制单元获取红外测温仪采集的型材出口温度值作为输入，启动内置的预测算法估算下一采集点处的出口温度，并以此预测值作为该单元的输出；所述模糊控制单元在获取微分预测单元的预测输出值后，通过温度偏差模糊数三角形隶属度函数和挤压速度柱形隶属度函数采用加权平均法将模糊化后的温度偏差转换为速度调整量，输入挤压机控制系统调整挤压速度。

说明书

技术领域

本发明涉及铝镁合金挤压生产过程采用的一种先进控制系统，尤指铝镁合金 热挤压时采用预测控制和模糊控制的方式调整挤压速度，进而保证型材出口温度 相对恒定的一种闭环控制系统。

背景技术

随着经济发展和科技进步，铝镁合金型材向大型整体化、薄壁扁宽化、尺寸 高精度化、形状复杂化和外形轮廓美观化方向发展，其应用也由低精度、低技术、 低附加值方向扩展到航天航空、汽车船舶、石油化工、家用电器等高精密、高性 能、高附加值的工业型材领域。工业铝镁合金型材要求其组织性能和尺寸形状在 长度和截面，尤其是长度方向上具有高的均匀性和一致性，这严格限制了工业铝 镁型材挤压生产的工艺范围，设计工艺必须保证型材在挤压出口时温度相对恒 定。

传统人工操作的恒速挤压生产铝镁合金型材时，金属坯料受到挤压机施加的 挤压力而发生剧烈的塑性变形，同时还与挤压筒和模具之间摩擦而产生很大的损 耗，将近90～95％的变形功和摩擦功都转化为热量。若这些热量未能及时排出和 消散，就会造成模孔处的出口温度随挤压进行而不断升高。这是传统恒速挤压生 产面临的最严重的问题之一，将造成铝镁合金型材质量和性能的严重缺陷。首先 型材出口温度(间接反映模孔附近金属变形区的温度)随挤压的发展而逐渐升高， 这将导致型材头尾部的组织性能与尺寸形状都不同，造成无法修复的质量缺陷； 其次，为避免挤压过程后段型材出口温度过高，必须降低挤压速度，这却严重限 制了企业的生产效率。

中国专利CN 102049426A公开了这样一种交通运输用工业铝型材调速等温 挤压方法，通过首先对各种铝合金型材进行大量的试挤，得到相应的“挤压速度 V-行程L”的等温挤压曲线，然后以该曲线为基准控制挤压速度，同时检测型 材出口温度反馈调整挤压速度，最终达到等温挤压的要求，实现型材出口温度基 本恒定的目标。

发明内容

本发明的目的在于克服传统恒速挤压工艺的缺点，提供一种控制系统和方 法，采用不同于上述专利的新型控制系统通过直接测温后趋势预测模糊控制方法 调速实现等温挤压，即在型材出口处直接测温后传送至等温挤压控制系统的温度 反馈环来调节挤压速度，最终维持型材出口温度恒定，实现铝镁合金的等温挤压， 使铝镁合金型材在长度方向的性能一致。

一种铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系统采用等温挤压PLC这一 核心组件将红外测温仪和挤压机PLC连接为一套实现等温挤压的闭环控制系统。 所述系统包括红外测温仪及等温挤压PLC；所述红外测温仪采集铝镁型材的出口 温度；所述等温挤压PLC由微分预测控制单元和模糊控制单元组成；所述微分 预测控制单元获取红外测温仪采集的型材出口温度值作为输入，启动内置的预测 算法估算下一采集点处的出口温度，并以此预测值作为该单元的输出；所述模糊 控制单元在获取微分预测单元的预测输出值后，通过温度偏差模糊数三角形隶属 度函数和挤压速度柱形隶属度函数采用加权平均法将模糊化后的温度偏差转换 为速度调整量，输入挤压机控制系统调整挤压速度。

一种铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压方法，其特征在于所述方法具 体步骤如下：

1)红外测温仪采集铝镁的出口温度；

2)微分预测控制单元获取红外测温仪采集的型材出口温度值作为输入，启 动内置的预测算法估算下一采集点处的出口温度，并以此预测值作为该单元的输 出；

3)模糊控制单元在获取微分预测单元的预测输出值后，通过温度偏差模糊 数三角形隶属度函数和挤压速度柱形隶属度函数采用加权平均法将模糊化后的 温度偏差转换为速度调整量，输入挤压机控制系统调整挤压速度。

进一步的，所述步骤2)的预测算法具体如下式(1)所示：

T_pre＝T_m+k·Δt          (1)

式中，T_pre——出口处下一温度采集点处的温度预测值；

T_m、T_m-1——出口处当前采集点和前一采集点型材的温度；

k——温度预测微分系数，通常

Δt——两个采集点之间的间隔周期。

进一步的，所述步骤3)中，模糊控制单元的输入温度偏差模糊数三角形隶 属度函数、挤压速度调整量的柱形输出隶属度函数以及将温度偏差与速度调整量 联系的加权平均法，其具体公式分别如下式(2)、(3)和(4)所示：

$\mathrm{\Delta u}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{{\mu }_i^{\mathrm{in}}\left(x\right)·{\mu }_i^{\mathrm{out}}\left(x\right)}{{\mu }_i^{\mathrm{in}}\left(x\right)}---\left(4\right)$

式中，——温度偏差值x的输入和输出隶属度函数；

δv——温度偏差值x在区间[a，b]上对应的速度调整量；

i——大、中、小三个温度偏差模糊数；

n——温度偏差模糊数总个数，n＝3；

a、b、c——中的最小温度偏差值、顶点对应的温度偏差值 和最大温度偏差值；

Δu——最终从模糊控制单元输出，反馈至速度闭环的速度给定值处 的精确的速度调整量。

本发明所述的铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系统具有以下优点：

1、成本低，改造方便，易于实现；

2、适用范围广，对如今国内主要挤压机型都合适；

3、实现等温挤压，型材出口温度可以控制在±5℃范围内；

4、消除停机散热时间，提高效率；

5、减少型材挤压缺陷，增加成材率；

6、提高自动化程度，降低工人劳动强度。

附图说明

图1为铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系统控制结构图。

图2为温度偏差区域三角形隶属度函数图象。

图3为挤压速度柱形隶属度函数图象。

图4为铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系统温度速度调整监测图。

具体实施方式

下面以一个实施例来详细说明铝镁合金预测模糊控制温度闭环等温挤压系 统的实现过程。采用的具体试验参数如下所示：

坯料合金类型：AA6063-T5铝合金

坯料尺寸：Φ270mm×720mm

模具挤压比：43.82

断面复杂系数：0.23

型材目标温度：520

温度控制精度：±5℃

挤压机型号：2700t

初始挤压速度：2.0mm/s

最大挤压速度：4.5mm/s

红外测温仪采集型材出口温度，将此采集点温度T_m和前一采集点温度T_m-1传 至等温挤压PLC中，等温挤压PLC中的微分预测单元先通过当前温度T_m和前一 点温度T_m-1计算趋势然后可得下一采集点的预测温度 T_pre＝T_m+k·Δt，将此温度T_pre传至模糊控制单元。模糊控制单元首先比较T_pre与 目标温度T_tag，计算温度偏差ΔT＝T_pre-T_tag，其次将此温度偏差ΔT模糊化为大、 中、小三个模糊数之一，根据温度偏差区域角形隶属度函数(其函数图象见图2) 查找ΔT对应的温度偏差模糊数隶属度分别为和同 时对应温度偏差ΔT查找挤压速度隶属度函数(其函数图象见图3)，其隶属度分 别为和再次采用加权平均法计算最终速度调整量 最后将所得到的 速度调整量Δu的值送入挤压机控制系统进行挤压速度调整，如此测温调速循环 往复，从而实现等温挤压，在整个控制过程中对型材的出口温度、等温挤压挤压 速度调整量以及实时挤压速度值进行监控，如图4所示。