全液压伺服控制矫直机的辊缝控制策略.pdf

全液压伺服控制矫直机的辊缝控制策略 陈伟 ， 等 全液压伺服控制矫直机的辊缝控制策略 陈伟，尹家凡 中冶赛迪电气技术有限公司 重庆 ，4 0 0 0 1 3 摘要矫直机主液压缸辊缝的控制效果直接影响到系统稳定性、产品质量、设备安全。针对矫直机主液压缸平行压 下的同步要求，提出一种基于单缸辊缝闭环控制与倾摆辊缝闭环控制的改进的四缸同步控制策略，该策略不仅能够实现矫 直机的倾斜 、摆动辊缝控制，也能提高4 6平行压下的同步性。针对机架弹性变形，提出了在基础 自 动化系统中直接进行 A GC刚度补偿来提高辊缝的控制精度。针对矫直机的结构特点，论述了矫直机碾压与碰撞监测的实现方法，其能够进一步 有效保护矫直机的上下辊系。通过在东北某厂热处理生产线的成功应用，证明本文所论述的控制策略及技术的有效性，可 在矫直机上广泛应用。 关键词矫直机；HG C四缸同步控制；AG C刚度补偿；碾压与碰撞监测 Ab s t r a c t R u n n i n g s t a b i l i t y o f l e v e l e r , p r o d u c t q u a l i t y ,e q u i p me n t s a f e ty a r e d i r e c t l y a ffe c t e d b y t h e p e r f o r ma n c e o f ma i n h y d r a u l i c c y l i n d e r s g a p c o n t r o 1 ． Ai m e d a t s y n c h r o n o u s r e q u i r e me n t o f l e v e l e r m a i n c y l i n d e r s p a r a l l e l d e p r e s s ． T h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l o f f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s i s p r o p o s e d ，wh i c h a d o p t s c o o r d i n a t i o n c o n t r o l b a s e d o n i n d i v i d u a l g a p c l o s e d - l o o p c o n tr o l a n d t i l t i n g - s wi v e l i n g g ap c l o s e d l o o p c o n t r o 1 ． I n a d d i t i o n t o i mp l e me n t t i l t i n g s wi v e l i n g g ap ， t h e s t r a t e g y c a n i mp r o v e s y n c h r o n i c i ty wh e n f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s p r e s s d o wn ． Ac c o r d i n g t o th e e l a s t i c d e f o r mati o n p r o b l e m o c c u r r e d i n s t r a i g h t e n i n g p r o c e s s ， AGC s t i ffn e s s c o mp e n s a t i o n i s d i r e c t l y i n t r o d u c e d i n b a s i c a u t o ma t i o n s y s t e m t o i mp r o v e a c c ura c y o f r o l l g ap c o n tr o 1 ． Ai m a t s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f l e v e l e r , th e s q u e e z e a n d c o l l i s i o n mo n i t o r o f l e v e l e r i s a d dr e s s e d ， wh i c h c a n e ffe c t i v e l y p r o t e c t t h e l e v e l e r r o l l e r s y s t e m． T h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n i n o n e h e a t t r e a t me n t l i n e i n the No r t h e a s t o f C h i n a i n d i c a t e s t h a t the c o n t r o l s t r a t e g y a n d t e c h n o l o g y i s v a l i d ． I t c a n b e wi d e l y a d o p t e d i n the l e v e l e Ke y wo r d s Le v e l e r ； HGC S y n c h r o n o u s c o n t r o l o f fou r h y d r a u l i c c y l i n d e r ； AGC s t i f f n e s s c o mp e n s a t i o n ； S q u e e z e a n d c o l l i s i o n m o ni t o r 中图分类号T P 2 7 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 - 9 2 2 7 2 0 1 3 0 5 - 0 1 6 0 - 0 4 0 引 言 随着我 国国民经济的高速发展 ，工程机械行业及汽车行业 对超高强板材、高附加值板材需求量将大为提高，而我国在高 质量的超高强板材方面还存在严重缺口。辽宁衡业热处理机组 正是利用热轧卷材 ，通过开卷 、感应加热 、气雾淬火 、感应 回 火、矫直等工艺技术连续性生产高性能超高强板材，最终使板 材强度、平直度等达到或超过同类产品，满足我国相关行业对 该类产品的迫切需求。 本机组采用第三代全液压压下四重九辊冷矫直机进行板材 矫直 ，该矫直机是由中冶赛迪独立设计制造、自主系统集成 的机 电液一体化设备 ，矫 直后板型平直度 达到 3 ‰，整体装备 和技术指标达到 国内外 同类机组先进水平 。该矫直机具有全液 压伺服压下，可前后倾斜左右摆动，弯辊分组调节，入出口边 辊调节，以及快速 换辊 等特 点。 矫直机 的4 个 主液 压缸共 同作用在平衡 梁上 ，其位置控制 精度、响应时间以及同步性能与平衡梁 含弯辊盒、上辊盒1 的 重量分布情况 、平衡梁各球面垫与牌坊 间的摩擦力大 小、主液 压缸 自身摩擦及泄露、伺服阀性能以及辊缝控制参数等有关。 伺服阀、液压缸、负载的工作特性在长时问运行后发生改变或 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 7 作者简介 陈伟 1 9 7 8 一 ，男，重庆人，硕士，工程师 主要研究方向为机电 系统的 自动化控 制、冶金 自动化等 。 6 0 者系统受到外界干扰也会影响4 个主液压缸的同步性。若4 个 主液压缸 不 同步压下 不共面 ，则平衡 梁的变形 阻力、平衡 梁与牌坊间的摩擦力等也会发生变化，从而使辊缝的同步性进 一 步恶化，导致辊缝偏差过大快开或倾斜摆动偏差交替变化而 出现振荡现象。可见，需要采取合理的控制策略使4 缸同步压 下。其次，带钢矫直过程中，机架也会由于弹性形变而使实际 辊缝大于矫直需要的设定辊缝 ，为 了保证辊缝的控制精度和矫 直质量 ，必须通 过 A GC自动 辊缝控制 刚度 补偿控制 进行 补偿。最后，主液压缸压下时的矫直力极限保护、倾斜偏差、 摆动偏差等安全保护也极其重要，特别是防止上下辊盒损坏的 碾压及碰撞检测。 1 辊缝控制策略 1 ． 1 H G C 四缸 同步控 制 由于液压系统泄漏 、执行元件非线性摩擦阻力 、控制 元件 问的性能差异、负载各组成部分的制造误差等因素的影响， 当 两个或两个 以上液压缸驱动 同一负载 时，必然存在位置 同步精 度 不高 的问题 。 由于不 同步 ，液压 缸之 间势必存 在着 相互作 用，这种相互作用使系统的动态性能恶化，严重时可使系统失 稳，必须采取合适的同步控制策略来提高同步精度 [2 - 3 1 。对于 液压同步闭环控制来说，“同等方式 ”和 “ 主从方式”是通常 采 用的两种控制 策略 。“ 主从方式 ”的 同步 误差取决于其 余元 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表 2 0 1 3 年第 期 总第 1 6 9 期 件的跟踪误差，但对给定信号的跟踪误差要加上被跟踪系统的 跟踪误差，并且从缸对给定信号的跟踪相对于主缸具有明显的 时滞性。而 “ 同等方式”的同步误差取决于同步系统的跟踪误 差的差值，由于其对同一给定信号的跟踪，因此该方式对给定 信号的跟踪误差要比 “ 主从方式”的跟踪误差小，所有液压缸 时滞 基本相 同 。 。为防止倾 斜摆动压 下时 由于受力变化 或其 他 因素 导致矫直机控制系 统不稳定 ，压下 时采取 平行压下 ，等 到达设定辊缝后再进行倾斜和摆动。由于矫直机的倾斜设定或 摆 动设 定通 常不 为零 ，矫直 机 4 个液 压缸 的参考位 置不 一致 ， 不能采用 “ 主从方式”控制策略，只能采用合适 的 “同等方 式”控制策略来实现四缸同步协调控制和倾斜摆动功能。 对于全液压压下矫直机， 经零辊缝标定后的辊缝实际值为 g p 一 P 1 式中，P 为主液压缸位移传感器实际值，mm；p 一为主 液压缸辊缝标零时位移传感器测量值，mm。 以零辊缝为参考，设g ⋯ 为平均辊缝实际值，mm； g 为倾斜辊缝实际值，mi n ；g ⋯ 为摆动辊缝实际值，mm；并 定 义如下 竺 竺 曼 竺 量 b ⋯ d g2 ⋯g4 一gl ⋯一g3 ⋯ 6 d gl ⋯ g2 一g3 一g4 ⋯ g⋯ 广一 2 式中， g 。 一 、g ⋯ 、g ， ～ 、g ⋯ 分别为传动侧入 口、传 动侧出口、操作侧入 口、操作侧出口4个主液压缸的辊缝实际 值，mm。 设 g ⋯ 为主 液压缸平均辊缝 设定值 ，mm； g ⋯ 为倾斜辊 缝设定值 ，mm； g ⋯ 为摆动辊 缝设定值 ，mm。由式 2 反 推可得到 4 个主液压缸辊缝设定值如下 gl 一 g⋯ 一g 一 g⋯ g2 ⋯ g ⋯ g一“ g ⋯ 3 g3 一 “g⋯ 一g卜倒一g⋯ g4 一 g⋯ g卜删一g⋯ 矫直压 下时 ，由于 4 个 主液压缸都 压靠在平衡框 架 的同一 平面上，故出口侧辊缝相对入 口侧辊缝应有相同的倾斜偏差 值，传动侧辊缝相对操作侧辊缝应该有相同的摆动偏差值，但 实际上，由于4 缸并不一定同步，我们重新定义倾斜、摆动辊 缝实际值如下 g2 一 一g1 ⋯ g 2 1 一 厶 g4 ⋯ 一g3 g 4 3 f 一 二 4 g1 一g3 一 g 1 3 一 g2 ⋯一g4 ⋯ g ⋯ 一 以g ⋯ 、g 、g ⋯ 以及4 个主液压缸辊缝设定值经过 斜坡处理后分别作为参考，可以得到平均辊缝闭环控制、倾斜 辊缝闭环控制、摆动辊缝闭环控制以及单缸辊缝闭环控制。 采用平均辊缝闭环控制只能保证平均辊缝实际值趋于参考 值，不能保证各个液压缸的辊缝实际值趋于相应的参考值，故 不能实现平行压下，但可以结合倾摆辊缝闭环 倾斜辊缝闭环 和摆动辊缝闭环控制来实现同步压下。相对平均辊缝控制而 言，采用单缸辊缝闭环控制能够保证各个液压缸的辊缝实际值 趋于参考值，并可 以通过调节参数来提高4 个主液压缸的同步 性，故其得到较为广泛的应用 ，武钢第二热轧厂横切线矫直 机、马钢第四钢轧总厂热轧横切线矫直机等采用该方式 [8 - 9 1 。 但由于该方式各个闭环问不耦合，四缸同步性在系统长时间运 行或者外 界干扰情 况下 同步性能会逐渐 降低 。但 也可 以结合倾 摆辊缝 闭环控制来提高平行压下 时的同步性 。 由于单缸辊缝闭环叠加倾摆辊缝闭环的控制模式，相对平 均辊缝叠加倾摆辊缝闭环而言，更能够实时跟踪 自身的位置目 标值，故采用单缸辊缝闭环叠加倾摆辊缝闭环的四缸同步控制 策略 。另外 ，考虑 到矫 直机 在辊缝标定时采用 的矫直 力控制模 式，以及轧制时由于机架形变的刚度补偿，最后可以得到如图 1 所示的矫直机闭环控制框图。 ’瞄 0 l 妊。 曩 叠 篷 0 _| 乜 ’ 略 一 妊． j 簟 醢 譬 ■ 喀 ■ _ 舞 越 0 ■ 谨 ≮ 誊 选 链 C- 一 一一 冀 量 ’ if _ 0 、 口 。 ‘ 0 7■■。 ⋯． _L 一 - 、 电 - I E _ _ 毒 四缸 同步控 制策略通 过 2 个倾斜 辊缝 闭环 和 2 个摆 动辊缝 闭环实现了各个液压缸辊缝控制相互间的耦合，既能实现同步 压下，又能实现倾斜摆动功能。在轧制模式下，倾斜设定或摆 动设定不为零，单缸辊缝闭环控制时自动投入倾斜辊缝、摆动 辊缝闭环。单缸辊缝闭环能够快速跟踪自身的位置参考，而 1 号、2 号缸 间倾斜辊 缝 闭环 的输 出通 过对该 2 个 液压缸 伺服 阀 相反的开口度调节值，使 1 号、2 号缸间的实际倾斜值快速跟 随倾斜 设定值 ， 同理，3 号 、4号缸 间 ，1 号 、3 号缸 间 以及 2 号、4 号缸间的闭环也将使倾斜实际值、摆动实际值快速跟随 对应的参考。当辊缝平行动作，即倾斜参考 g 和摆动参考 g ⋯ 分 别为零 时 ，若 1 号、2 号缸 间 出现 位置偏 差 ，通 过其倾 斜 辊缝 闭环对 该2 个 液压缸伺服 阀相反的开 口度调 节值 ，使该 2 个液压缸位置偏差减小，从而实现同步。同理，3 号、4 号缸 同步通过其倾斜闭环实现，1 号、3 号缸同步通过其摆动闭环 实现，2号、4 号缸同步通过其摆动闭环实现，倾斜摆动辊缝 闭环在平行压下时可以看作同步控制器。可见，通过该方式实 现了4 个液压缸的相互耦合，既可以实现倾斜摆动的调节，也 可以实现四缸同步平行压下。 由于P I D控制算法具有结构简单、稳定性好、可靠性高等 优点，在工程实际中得到广泛应用，其控制误差e ￡ 与输出“ 的关系为 1 6I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 全液压伺服控制矫直机的辊缝控制策略 陈 伟， 等 毒 胁 5 式 中， k 为 比例系数； 为积分时间； 为积分时间。 虽然微分环节能够改善系统的动态特性，对偏差的变化进 行提 前预报，但其抗干扰能力差，极易产生高频震荡，故在伺 服压下系统中，一般采用P I 或P控制。调试时，首先对4 个主 液压缸的单缸辊缝闭环进行参数优化，尽量使其具有近似的 动、静态特性，系统工作后再投入倾斜摆动辊缝闭环控制，并 进行相应的参数优 化。 1 ． 2 A G C刚度补偿控制 根据 带钢 轧制理论 ，带钢 的实际轧出厚度与预调辊缝 值 5 和轧机弹跳值 A S之间的关系可以用弹跳方程描述 。计算公 式如下 hsASs 6 nm 式中，P为轧制力，k N； K 为轧机刚度，k N／ mm。 与轧机类似，矫直机在矫直带钢过程中，由于受到较大矫 直力的反作用影响 ，机架会产生弹性形变而使实际辊缝大于矫 直需 要 的设 定辊 缝 。为 了保 证 辊缝 的 控制 精 度 ， 必须 通 过 AG C自动辊缝控制 刚度补偿控制进行补偿。 机 架刚度补偿 可 以通过 L 2 进 行补偿 ，也可 以直接通 过 L l 进行补偿。根据工艺要求和 自动化配置，本矫直机在L1 进行 刚度补偿。设矫直机当前设定辊缝为 s 。 ，mm；当前矫直力为 P ，k N。当经过 时 间变 化 A t ，S ；矫直 力变 为 P △ P ，k N， 辊缝变化量为 Ahh 一h ． AS 7 n 为 了消除该辊缝变化量 ，可 以对辊缝进行相应 的补偿 ，设 辊缝修正量为 ，其应与弹跳变化量成正比，方向相反，即 舭 一 △S 一 C A P 8 nm 式中，C为补偿系数，k N／ mm。 补偿后，辊缝变化量为 Ahhh - 一c 9 lC 将式 1 0 离散化 r T p j s n 5 一 -s 一 1 0 l X - C S 式 中， 为扫描周期，S ； T为积分 时间参数 ，S ； P 为 n 时刻的矫直力，k N；S 为1 1 时刻的辊缝补偿计算值，mm。 计 算 出的补 偿量 通过 限幅和斜 坡处理 后 ，直接参 与位 置闭环控制 即可 。由式 9 可知 ，补偿系数 影响到最终 刚度 补偿 的效果 ，当C为零时不补偿 ，0 C l 时部分补偿 ，当 C I 时，完全补偿，从而通过修改C值可以完全或部分的补偿机架 弹性变形引起的辊缝变化 。另外 ，由式 1 0 可知 ，积分时间 常数 影响补偿的收敛速度 。 在实际应用时，首先要对平均辊缝进行补偿，并将其补偿 量叠加入平均辊缝设定中，其次，由于矫直机具有前后倾斜和 左右摆动功能，需要对其进行相应的补偿 。最终可 以得到控制 框图如图2 所示。矫直时，一般摆动辊缝设定为零，所以摆动 1 6 2 轧制力差较小，在控制中可不考虑摆动轧制力差的刚度补偿。 R ‰ - 。 曲一 ⋯ ⋯一 J 印 姻 ⋯ 图2 矫直机 A G C刚度补偿控制原理图 1 ． 3 碰 撞 与碾 压 监 测 由于矫直机的特殊结构，当工作辊辊径变小且实际辊缝过 小时，工作辊及其轴承座有碰撞的可能，由于矫直力较大足以 以损坏辊系和轴承设备 。为 了防止碰撞 ，上下相邻矫直辊轴承 中心 间距将实 时在线监测 ，如果监测显示矫直辊轴承 中心 间距 过小将有相互碰撞的危险，将禁止辊缝继续压下 。 另外，进入矫直机的带钢只能被矫直，不应被压制 或碾 压 。碾压检测功能主要是防止矫直机不能像轧机那样使钢带 厚度减薄 ，如果监测到碾压 ，将 禁止辊缝继续压下 。 以第5 辊为零点建立直角坐标系，下辊盒的入出口边辊可 以通 过其位移传感器得 到轴 心的坐标 ，第 3 、5 、7 辊坐 标可 以 根据 设备设 计尺 寸直接 得到 。上 辊盒 4个辊 第 2 、4 、6 、8 辊的轴心坐标可以由相应的几何公式通过4 个主液压缸实际 辊缝值计算得到，最后通过勾股定理得到相邻辊问中心距 R 12 、 R 2 3 、 3 4 、 4 5 、 R 5 6 、 6 7 、 7 8 、 尺 8 9 ，单位 mm。 碾压监测判断公式 为 Mi n R ⋯⋯ ， R 8 DT h N． 1 1 式 中， D为工作辊辊径 ，mm； T h为带钢厚度 ，mm； N． 为碾压的安全间隙值 ，mm。 碰撞监测判断公式 为 f M i n R 2 3 ，⋯． ． ， R D d Ⅳ ， ， l Mi n Rl2 ，R 8 9 D ， v 3 “一 式中， D 为轴承座的外接圆直径， mm； N 。 为中间辊轴承座 碰撞的安全间隙值， mm； D 为边辊轴承座最小中心距 ， mm； N 为边辊轴承座碰撞的安全间隙值 ， ml T l 。 当检测到碾压和碰撞时停止并禁止主液压缸的压下，并保 持当前辊缝。当检测到 l 、2 辊间的碾压或碰撞时停止并禁止 入 口边辊 的上 升， 并保持 当前位置 ，同理 ，当检 测到 8 、9 辊问 的碾压或碰撞 时停止并禁止入 口边辊的上升， 并保持当前位 置。 2 实际控制效果 为了保证矫直机位置控制精度及响应速度， 采用功能模板 F M4 5 8 ． 1 D P及扩展模板E XM 4 3 8 ． 1 组成的基于 s 7 ． 4 1 6 2 DP 相对独立的基础 自动化控制系统。采用MT S生产的S S I 接口的 磁致性位 移传 感器进行 液压缸位置测 量 ，其测 量精度为 0 ． 0 0 5 mm。伺服阀采用MO OG公司的D 6 3 4 高性能直动式伺服 阀，避免了先导级的泄漏损失，并且其动态响应与系统工作压 力无关。通过对单缸辊缝控制闭环、平均辊缝控制闭环、倾摆 辊缝控制闭环等控制参数的精调，采用四缸同步控制策略的矫 直机辊缝控制同步性强、控制精度高、系统稳定，达到了很好 的控制效果；AG C刚度补偿控制以及弯辊补偿使矫直机辊缝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m