秒流量液压AGC系统的动态仿真研究.pdf

设计与研究 秒流量液压AGC系统的动态仿真研究 ① 杨景明 ② 韩宗刚 徐雅洁 尹春霞 燕山大学电气工程学院 河北 秦皇岛066004 摘要 详细阐述了应用光电编码器实现秒流量液压AGC系统的原理,建立了板带冷轧机秒流量液压 AGC系统的动态模型及其动态结构并通过仿真试验分析了恒值扰动对系统动态特性的影响。 关键词 冷轧机 秒流量 动态特性 仿真试验 中图分类号 TG333. 72 文献标识码 A Study on the Dynam ic Si mulation of Hydraulic AGC System Usi ngMass Flow Principle Yang Jingming Han Zonggang Xu Yajie Yin Chunxia Institute of Electrical Engineering, Yanshan University ABSTRACT Hydraulic AGC system usingmass flow principle based on photoelectric encoder was detailedly introduced, in which a dynamic structure of hydraulic AGC system using mass flow principle in cold strip mill was built and analyzed.Finally, the effect of constant disturbing signal for the dynamic characteristic of hydraulic AGC system was studied on the basis of the simulation experimentation. KEYWORDS Cold rollingmill Mass flow Dynamic characteristic Si mulation experimentation 1 引言 冷轧机板带材的厚度自动控制系统又称为 AGC Automatic Gauge Control系统。AGC系统 由若干厚度自动控制系统组成,其中最主要的是 压下位置闭环系统、 轧制力闭环系统、 测厚仪监 控系统、 秒流量控制系统等。秒流量控制被公认 为是一种较理想的控制方式。由于实际中轧制 过程扰动因素多种多样,轧制过程的动态特性是 很难保持理想的,所以分析秒流量系统动态特性 是非常有实际意义的。 实现秒流量液压AGC系统的关键是如何快 速精确测量带材出口厚度。带材冷轧过程中由 于轴向摩擦力非常大,一般宽展是可以忽略的, 由于带材体积不可压缩性可得到秒流量恒等 公式 vINHvOUTh1 式中 vIN 带材的入口速度; H 带材的入口厚度; vOUT 带材的出口速度; h 带材的出口厚度。 因此,带材的出口厚度为 hHvIN/vOUT2 在某一时刻能测得带材的入口厚度H、 带材 的入口速度vIN和带材的出口速度vOUT,则可以通 过式2计算出当时刻的带材出口厚度h。带材 的入口厚度H可以由入口测厚仪测得,可见要精 1 TotalNo. 158 August 2006 冶 金 设 备 METALLURGI CAL EQU IPMENT 总第158期 2006年8月第4期 ① ② 基金项目河北省科学技术研究与发展计划基金No. 03213543D 作者简介杨景明,男, 1957年出生,燕山大学毕业,教授,博士,主要从事轧钢自动化方面的研究 确的计算带材出口厚度,关键是如何精确的测量 带材的出入口速度。 2 带材速度测量与误差分析 国外为了精确测量带材的出入口速度,常采 用激光测速的方法。激光测速的优点是精度非 常高、 可进行连续测量、 不存在打滑现象,但激光 测速装置价格十分昂贵,不便于推广使用。所 以,国内常采用的是安装在轧机两侧导向辊上的 光电编码器来测量带材出入口速度。 光电编码器测量带材的出入口速度是通过 计算每测速区段内光电编码器输出脉冲的个数 就能反映当前导向辊的转速及带材的运行速度, 一般情况下为了及时进行厚度控制,测量速度的 区段应很小一般在50～80mm。 将式2分子、 分母同乘以相同的时间段t, 得 hHvINt/vOUTtHL0/L13 式中 L0 t时间内,入口带材任意一点移动 的距离; L1 t时间内,出口带材任意一点移动 的距离。 在相同的时间内,能测量出带材入出口移动 的距离L0、L1,由式3可以计算出瞬时的带材出 口厚度。如果带材与导向辊不出现打滑现象,L0、 L1与入出口测量编码器记录的脉冲个数完全对 应,设分别为N0、N1,则式3简化为 hHN0/N14 由式4可见,带材出口厚度H的测量精度 完全取决于编码器在L0、L1区段内记录的脉冲个 数。由于L0、L1区段要求很小,记录的脉冲个数 必须保证非常准确才能满足H的测量精度要求。 下面说明实际轧制过程中测量脉冲误差给板厚 控制精度带来的影响。 列举实际轧制过程中较为代表性的两种情 况① 入口带材厚度H1mm,目标出口带材厚度 H0. 65mm时;②入口带材厚度H 0. 2mm,目 标出口带材厚度H0. 18mm时。当测量脉冲有 误差ΔN0、 ΔN1产生时,由式4得到 hΔh H N 0ΔN0 N1ΔN1 5 从而推出 Δh HΔN0-hΔN1 N1 6 在第一种情况时,如果带材入口运行速度vIN 5m /s,则出口带材速度vOUTvINH /h,把H 1mm,H 0. 65mm代入式中得到vOUT 7. 7m /s。 假设入口带材运行长度L0 50mm,则入口带材 运行L0的长度所需时间tL0/vIN0. 05m /5m /s 10ms,故出口带材在t 10ms内运行的长度L1 vOUTt7. 710 77mm。那么如果测量脉冲误 差ΔN0、 ΔN1都为 1个脉冲,采用周长为0. 5m,每 转1024个脉冲的光电编码器进行带材速度测量, 可得到N110240. 077m /0. 5m 158个脉冲, 将上述各个参量值带入式6得到带材出口厚度 误差Δh0.002mm或 0. 010mm,可见如果光 电编码器测量带材速度误差在一个脉冲时,会产 生最大10μm的带材出口厚度误差,这是不符合 冷轧机板带材厚度控制要求的,为了使板带材厚 度控制精度在2μm以下,通过式6反推回去 得,应采用每转5000线的光电编码器来测量带材 速度。同理在第二种轧制情况下采用每转2000 线的光电编码器就能满足板带材厚度控制精度 要求。由上述分析可见,如果光电编码器测量速 度误差在1个脉冲以内时,采用每转5000线以上 的光电编码器进行带材速度测量还是能够满足 板带材控制精度要求的。目前已研究出一种在 光电编码器上附加高频时钟的方法来实现带材 速度测量,其测量精度高于光电编码器测量速度 精度1000倍以上,完全符合实际轧制过程中板厚 控制精度的要求。 目前由于秒流量液压AGC控制系统的采用, 既可较高精度地获得变形区出口厚度又可以没 有滞后地进行反馈控制。 3 秒流量液压AGC系统的组成及控制原理 单机架或连轧机的第一机架厚度控制精度 取决于有载辊缝调控精度,通常是计算出液压压 下的设定值,为此考虑到以下因素轧制力作用 下轧机的弹跳;轧机升降速过程中支撑辊油膜轴 承的油膜厚度变化;弯辊力对轧制力的影响等。 视机架状态而定,不可能对上述诸多因素进行足 够精确的计算,因此一个起修正作用的监控控制 对几乎所有的控制系统来说是必不可少的。其 自动厚度控制系统等效结构图如图1所示。 2 总 第 158 期 冶 金 设 备 2006年8月第4期 图1 自动厚度控制系统等效结构图 其中H s为液压AGC系统的控制器传递函 数,为测厚仪的时滞时间,速 pL /V, L为轧机中心 线到测厚仪的距离,V为轧制速度,Th为测厚仪 二次仪表及数据处理的滞后时间,Cp为轧机弹性 系数,Q为轧件弹性系数。液压位置闭环系统如 果稳定,稳态后的输入输出之间关系仅由反馈环 节的系数决定,而它们之间的动态关系较为复 杂。但从响应过程上看可以近似为一个二阶系 统,如果位置闭环系统调整的比较好,也可以用 一阶惯性环节来近似,为了简化问题将其近似为 一阶惯性环节。设位置闭环系统的调节时间为 tp,则位置闭环系统传递函数可以简化为 Φps 1/Kf tps/3 1 此类常规液压AGC系统厚度反馈属于闭环 控制,即出口厚差产生后通过出口测厚仪加以检 测并反馈回去控制,它将使厚差越来越小,但由 于存在滞后,特别是低速轧制时控制效果将受到 很大的影响。因此如何减小滞后是反馈控制成 败的关键。 为了减小滞后带来的影响,改善轧制精度, 引入了秒流量液压AGC系统。完整的一套秒流 量液压AGC系统由按秒流量相等原理计算轧出 带厚的厚度反馈环以及厚度监控环组成。 图2 秒流量AGC控制框图 在秒流量液压AGC控制系统中,轧机前后各 设一台X射线测厚仪和一台安装在导向辊上的 光电编码器附加高频时钟 , 如图2所示秒流量 液压AGC控制框图。由图2可以看出,系统的控 制信号并非带钢入口厚度增量 ΔH,而采用的是 出口厚度增量Δh。 出口厚差算法 出口厚差由两部分组成一部分是按秒流量 相等原理计算的轧出带厚偏差,系统依据此偏差 对带材进行控制。其控制原理如下 由系统反馈回来的出口厚度H经由轧机本 身满足秒流量相等系数k再与入口设定厚度H 相比较得到入口厚度偏差,通过秒流量方程式 vINHSETvOUThSET,若有来料厚度增量 ΔH,则必有 出口厚度增量Δh,即 vIN H SETΔ H vOUT h SETΔ h 式中 HSET 入口厚度设定值; hSET 出口厚度设定值。 则可得出 ΔhvIN/vOUT H SETΔ H -hSET 当轧制力恒定时,由厚度方程可知 ΔS CpQ Cp H SETΔ H vIN vOUT -hSET 另一部分出口厚差是由出口测厚仪测得的 厚度经二次仪表与给定厚度比较得到的厚差,此 部分借助于出口测厚仪所组成的监控环实际相 当于秒流量反馈控制环的外环,主要用来削除秒 流量反馈控制环不能消除的较小偏差以及秒流 量计算过程中的系统误差。出口测厚仪测出带 材的厚度,再与目标厚度比较,最后根据这一偏 差定期对秒流量计算公式进行修正。 图3为秒流量液压AGC系统的动态模型 图3 秒流量液压AGC控制系统动态结构图 4 秒流量液压AGC控制系统与常规液压AGC 控制系统动态性能比较 扰动下常规液压AGC控制系统与秒流量液 压AGC控制系统动态结构图见图4、 图5。 3 杨景明等秒流量液压AGC系统的动态仿真研究2006年8月第4期 图4 扰动下的常规液压AGC控制系统动态结构图 图5 扰动下的秒流量液压AGC控制系统动态结构图 以某中厚板轧机为例,采用Matlab对系统的 动态性能进行仿真,主要仿真参数如表1。 表1 仿真参数 参数数值参数数值 Cp 2. 51010N /m Th0. 05s Q3. 5109N /mKf83. 3V /m p 0. 16sKh84. 2V /s 在Matlab中利用Simulink仿真工具箱建立 如下的仿真模型 厚度闭环调节器采用积分调节器 H s 1/ 0. 35s。近似处理可将e - ps用两个多相式去逼近, 即 e - ps P s Q s 1 - ps 2 1 12 ps 2 1 ps 2 1 12 ps 2 将恒值扰动量 N s 0. 1mm的阶跃信号在 第1秒时分别加到图4和图5所示系统当中,则扰 动下的常规液压AGC控制系统和秒流量液压AGC 控制系统仿真结果如图6所示。 结果分析由图6中可以看出,不论是常规液 压AGC闭环系统还是秒流量液压AGC闭环系统, 对阶跃扰动都能够自动抑止,使稳态误差为零。相 比之下,秒流量闭环抑止扰动比常规AGC系统要 快得多,这说明秒流量闭环具有很强的实时性,能 够准时响应系统变化,达到消除扰动偏差的目的。 同时也可以看出秒流量液压AGC控制系统大大地 改善了系统暂态性能,系统的调节时间比常规液压 AGC控制系统快了很多,系统超调也有明显的减 少,进一步显示出秒流量液压AGC控制方法的优 越性,这也符合板带轧制过程的实际生产情况。对 于现场实际中的其它恒值扰动,也都可以通过物理 量变换转换成等量的值,然后加到本系统中,在这 里不作分析。另外,由于图6给出的只是扰动量为 0. 1mm的情况,并且系统中其它各个参数的取值 都很具体,对于实际生产中的复杂情况,还需要对 这些参数做出相应调整后进行试验验证。 a 常规液压AGC闭环 b 秒流量液压AGC闭环 图6 扰动下常规AGC与秒流量AGC系统 动态性能仿真图 5 结束语 综上所述,秒流量液压AGC系统较常规液压 AGC系统动态性能有很大的优越性并且能够很快 的消除扰动给系统带来的偏差。在设备结构及系 统设计方面均较简单,无需设置任何诸如轧辊偏 心、 油膜厚度等补偿系统。该系统可适用于各种类 型的液压可逆式冷轧机。系统检测分辨率高,检测 精度可达0. 001mm,最终成品控制精度可达4μm 以下,并且能迅速逼近目标厚度,使成材率大幅度 提高。从而显示出了秒流量液压AGC系统的应用 价值。 参考文献 [1] Tomoyuki Tezuka, TakasHi YamasHita. 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