板带轧机液压AGC系统的动态模拟.pdf

盐⋯ ⋯ 一⋯ 一⋯ 板带轧机液压 AG C系统的动态模拟 ， ， ～ ～ { 、 ／ I } 三 一 露 ■ 摘要 建立1板带轧机液压AGc束蜕的动态模型，研先1系境参数变 ■■■■■■■ 化对轧制厚度及亲兢动态品质的影响。结果表明，所建立的动态模型简单且 ■■■■■■● 利于分析札制过程中各种目素对最后轧制精度的影响，为亲境的优化设计提 ■■■■■_ 供了基础。■■ 】 - 关键词 堑堂 垫 劁过器 堕堡垒鱼 ．墨缠盟墓- _ 中国团书资料分类法分类号T P 2 7 l 3 1 TG3 3 3 7 2 高荚杰博士研究生 由于轧机 自动化水平及对板带材的质量要求 越来越 高 ， 对 轧机 液压 AG C Au t o ma t i c Ga u g e C o n t r o 1 系统的控制要求也越来越高。因此， 对系 统的动态模拟具有重要意义。但对系统的分析和 模拟多集中于仅研究液压系统的响应特性 ， 将 轧 机辊系及 轧件的变形因素作 为系统的恒值干扰 量， 或是对系统的设定进行补偿 ， 而未考虑轧机辊 系及轧件本身的特性变化 ] 。因此， 建立一种全 面且利于分析轧制过程中各种 因素对最后轧制精 度影响的模型． 为系统的优化设计及对轧制过程 的动态模拟提供基础 。 1 液压 AGC系统 的构成 板带材的液压 A G C系统通过测厚仪、 位移 传感器和压力传感器等对相应参数的连续测量 ， 连续调整压下缸位移 、 压力以及张力或轧制速度 等 ， 控制板带材的厚差。 一个完整的厚度 自动控制 系统应完成若干个功能 其中最 主要的是 见图 1 1 压 下枉拉 王碍环 l 随轧制条件变化及 时准确地控制压下位移。 分别是操作侧和 传动侧活塞相对 缸体 的位移 ， 取其平均值 z 作 为实测位移值， 为给定信号， ， 是测厚仪监 控环的反馈量． 2 轧制压力闭环 2 通过控制轧制压力来 达到控制厚度的目的。 是轧制压力的实测值， 为韧 始给定值， △ P为修正值 。 3 州耳佴直址碍环3 消除轧辊磨损 、 热膨 胀及设定值误差等的影响 。 M 为轧机纵向刚度 ， 为轧件的塑性刚度系数 ， 为实测轧件厚度 ， ． *圄聿 九五 攻关璜 目 9 5 5 2 8 一O l ～O 2 0 l E 和博士 点基 垒赞聃理目 9 5 2 1 6 0 1 收璃 日期 l 9 9 7 一 ～0 s 为设定轧制厚度 。 图 I厚控 系统结构框 图 此外油膜厚度变化补偿 、 轧辊倔心补偿、 前馈 控制、 物流控制及速度张力诧化等功能使板厚精 度得到进一步的提高啪。 2 液压 AGC控制 系统动 态模型和方块 圈 构成一个完整液压 AG C系统的 6种主要动 态元件为伺服阀、 供油管道、 液压缸 、 轧机 、 回油管 道、 传感器、 控制调节器。 2 ． 1 伺服闫 伺服阀具有高度非线性特点， 其输出流量 日 的线性化方程为 △ QL 一 1 龟 一 K 2 式中， 为伺服阀的空载流量 L为输入电流信 号{ K 为伺服阀的静态流量放大系数} K 为伺服 阀的压力流量系数} △ 九 为负载压力变化。 通常， 当液压执行机构的固有频率 低于 5 0 Hz时， 伺服阀的动态特性可用一阶环节表示 3 1 J 。三 式中， 为伺服阀固有频率 t s 为拉酱拉斯算子。 伺服阀固有频率 可从伺服阀制造厂提供 的频率响应曲线获得 23 维普资讯 中国机械工程 1 9 9 8年第 9卷第 7期 2 ． 2 液压缸 传递到油缸 内油液的总体积是 流量 △ Q 的 积分， 而控制容积的实际变化量是 一 一 一 A 4 。 l △ 母 ￡ 5 J V △ 一 L 6 式中， 口 为 传 叠到油缸 内油液的总体积； △ 为 控 腻 窖 【积中 油 耀的 压缩 量} 为 控制容 积中 油 液 的泄精釜 可怎略 ； 为液压缸活塞的位移； A ， 为液压缸活塞面积； 为液压缸的等效控制总容 积； 为油液的弹性模量。 在当前的液压A G C系统中， 压力管道都力求 尽可能短 ， 一般地， 按集总模型把供油管道中的液 压油与油缸中的液压油一起作为控制容积， 而忽 略压 力波的 传播 时间和供油管道 的固有频 率特 性。 控制容积内压力变化 △ 九 为 “ P z Eo 7 ●‘ 油缸输 出力的变化为 AF 一 △F ，一 A 一 △九 A 一 △ 声6 A5 8 式 中， AF 为作用于油缸无杆腔力的变化 ； △ 为 作 用于油缸有杆腔 力的变化 } 卸 为油缸有杆腔 压力 背 压的变化} A 为油缸有杆腔 的工作 面 积 。 2 ． 3轧机辊系 油缸输出的轧制力 △ F与辊 系运动部件的惯 性力、 粘性摩擦力、 弹性负载力及其它．负载力平 衡 。 其力平衡方程为 A F B 鲁 K x ， 凡 9 式中， 肛 为轧机辊系运动部件的等效总质量 为 时间 ； B，为活塞及 负载等运动都件的牯性系数 为负载遣动时的弹性负载刚度； 凡 为作用在活 塞上的其它负载 如库仑摩擦 力、 轧件变形抗力 等 。 如 只考虑 轧件变形抗力而忽略其它因素时， 则 ， 可表示为 FL一 W h 。 一 1 0 式中， 为轧件的塑性耐度 系数 i , S h为轧件的厚 度变化 ； 为轧件的入 口厚度 ； 为轧件的出口 厚度 。 若 忽略轧件 轧后的弹性恢复量， 则 轧件的出 口 J 享度 等于工作辊的负载辊缝 h ， 而 h L h 一 A h ，一 一 。一 △ ， 1 1 △ AF 1 2 式中， h ． 为辊缝的设定值 △ ， 为轧制时辊缝的变 24 化量 ； △ 为 由于轧制时轧制力的变化 而引起 的 轧机弹跳量 t Me为轧机的纵向刚度。 轧机的纵 向刚度 Me随压下油缸工作行程的 增加而减小 ， 可用下式估算0 1 一 面 1 盎 1 3 M P M q E A P ⋯ LP L。 ．2 7 ， 1 4 式中 ， M 为轧机零工作行程的纵 向刚度r } 为 压下油缸工作行程} 厶 为压下油缸预压行程。 2 ． 4 背压回油管道 液压 AG C系统中的背压回油管道 可以有多 种设计方式， 而由一溢流减压阀控制形成一恒值 背压是其中最简单常用的一种[ 。 背压是低压， 管 道中的油液 可视为不可压缩流体 。 利用连续性方 程和伯努利方程 ， 可推出背压为 一 声 皿 孥 1 5 ／ A， 1 6 式中 ， 户 为初始背压} 虬 为回油管道 中油液的质 量} P为油液的密度 ； L ， 为回油管道 的长度} A， 为 回油管道的横截面积} R ， 为压力差系数 。 2 ． s 位移传感器和压力传感器 位移传感器可视为惯性环节 皇一 ．_ 1 7 墨 1 j ⋯ 式中， 墨 为位移反馈系数 为位移传感器的时 间常数。 压力传感器可视为比例环节 1 8 式中， KI为压力反馈 系数。 2 ． 6控制调节器 当控制器采用 P I D调节器 时， 其动态传递 函 数为 e K 1 T 1 9 2 ． 7 液压 AG C控制系统的动态方块图 根据上述液压 AGC系统的 6种主要元素的 动态模 型， 可得液压 AGC系统位置 闭环的 动态 方块图 见图 2 图 2 液压 AG C系统位置『哥 } 环的动态方块 图 相比以往液压 AG C系统的动态模型r 】 ， 图 维普资讯 板带轧机液压 A G C系统的动态模拟高荚杰赵静一孔样东等 2包含了轧件入 口厚度 、 油} 葭 控制容积 、 轧机弹性 变形 、 轧件变形抗力及背压管道动特性等在轧制 过程 中变化较大的因素， 因此 ， 是一种较全面且利 于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度影响 的模型。 3 液压 A GC系统的动态模拟分析 轧制过程 中， 轧件的入 口厚度 ， 轧机纵 向刚 度、 油缸的初始行程 油液的控制容积 及轧件塑 性刚度等参数随着轧制条件的变化而变化， 这些 因素对轧制厚度有不同的影响。 另外 ， 回油管道也 影 响液压 AGC系统的响应 能力， 通过研究这些 因素对 轧制过程的影响 ， 可为} 匮压 AGC系统的 优化设计及轧制过程的动态模块提供基础 。对应 1 8 5 0单机架轧机的技术参数见表 1 和表 2 。 衰 1 轧机技术参藏 衰 2 液 压系统主要技术参藏 液压 AGC系统中位置 闭环控制系统的仿真 结果见图 3 ～图 6 。仿真参数见表 3 ， 其中 P I D控 制器的参数是通过寻优得出的 衰3 仿真主要参数 E。 V X m MP a MP a m mm ／ N s 图 3 为轧件入口厚度的变化对轧制厚度的影 响。结果显示出轧件入口厚度的变化对轧嗣厚度 的影响较大 ， 因此 ， 为获得高的板厚精度必须控制 来料厚度误 差[ ” 。 但厚度误差变化由轧制前的 4 5 ～1 6 0 m 减 小为 轧制后 的 2 2 ～4 5 脚 ， 其 中 O ． 1 ～0 ． 2 s 段表示轧件带头进入轧机时对压下 缸有一个反冲作用 。 、 ．／ 、 八 n l 一一 - 。m 5 1 ． 01 ． 5 2 ． 0 2 ．5 3． 0 雷 3 轧件凡 口辱度变化 的髟响 1 ． 0 目 o ． 8 0 ． 6 链 m 4 碴 0． 2 广] ⋯一- ～ l l 、- 一 | 一、． - ～ l _ O E m 6 { 仉 4 鑫 叭羞 0 -m 2 l _ 0 量 0 ． 6 啦 m 萤 争 时问t ／ s 圈 4 压下油缸初始位置变化时的髟响 厶 一1 5 ram_一一 厶 一 3 0 mm { 也 0 ． 厂] 一⋯一 。 ’ ． 一 1 一 O 。 量 6 婚 茧 2 圈 5 轧件塑性f I I 度系致变化的髟响 一 w 9 ． 4 3 1 0 。 N／ m一 一 一1 2 1 0 N E 】 { { m 差 m 】 _ O 垦 毒 4 。 田6 回油管道长度变化的影响 L 一 3 m一 一一 L 8 O m 图4 ～图6 模拟了稳定轧制过程中各变化因 素的影响 。图 4显示油缸的初始行程虽对位置系 统响应速 度影 响不大 ． 但 由于对轧机纵 向剐度 的影响较大， 因此， 将使轧制厚度偏离设定值 。虽 然可通过测厚仪团环进行补偿 ， 但不能完全 消除 其影响。图 5的结果表明轧件塑性刚度系数变大 使轧制厚度增大而偏离设定值。上述结果与轧制 理论相一致[ 。图 6显示了背压回油管遭对轧制 结果的影响， 研究表明 ， 回油管长在 O 3 0 m 内 时对 轧制过 程影响较小 ， 当回油管长大 于 5 0 1 1 “I 时动态过程中有滞后且振荡加剧 。这一结果与文 献E 3 ] 中的实验结果一致。 4结论 本文通过分析梅成液压 AG C系统主要元件 的动态特性， 建立了板带轧机 液压 AG C系统的 2 5 O 8 6‘Z O 2 l n 0 0 0 n E目 I ／ ． 圣 j 斟陆 ～ 维普资讯 维普资讯