热轧E1轧机短行程液压伺服系统动态性能测试与研究.PDF

问题讨论 热轧E1轧机短行程液压伺服系统动态性能测试与研究 甄茂新 宝钢股份公司 热轧厂,上海 200941 摘要通过对大型立辊轧机侧压短行程电液伺服控制系统动态性能的测试与分析,提出了 该系统的目前性能和存在的问题,探讨了此类测试研究的一般方法和应注意的问题,并介绍了 一种新型的动态测试装置。 关键词电液伺服系统;动态特性;测试 中图分类号TH137152 文献标识码B 文章编号1008 - 0716200301 - 00056 - 04 Dynamic Perances Test and Research on SHST Servohydraulic Control System for E1 Rolling Mill of Hot Strip Mill ZHEN Mao2xin Baosteel Hot Rolling Mill ,Shanghai China ,200941 Abstract By test and research on the dynamic perance of SHST servohydraulic control system for E1 rolling mill of hot rolling strip mill ,the problems existing in the system at present are put forward. Discussion on the normal and points for attention of this are made.Meanwhile ,a new kind of dynamic perance test set is introduced. Key WordsServohydraulic control system;Dynamic perances;Test 1 前言 国内某热轧厂的E1立辊轧机采用短行程控 制方式来控制板坯的宽度变形。其作用是控制板 坯头、 尾的形状,使之尽可能接近矩形,避免鱼尾 的形成。其原理是在板坯到达E1立辊轧机前, 通过测宽仪来测得板坯的宽度变化,将该测定值 反馈给过程机按照一定的轧制模型进行给定值计 算,并将该计算值传给粗轧基础自动化,由粗轧基 础自动化按照一定的步长将宽度设定值传给伺服 控制电路,控制伺服阀的输出压力和流量,使液压 压下油缸动作,实现对E1立辊轧机立辊开档宽度 的控制,然后,通过短行程控制系统油缸内的位置 传感器,将立辊实际宽度反馈给基础自动化,从而 实现闭环控制。该短行程液压伺服系统属于典型 的位置控制系统。 甄茂新 助工 1973年生 1997年毕业于华东冶金学院 现从 事液压专业 电话 26645807 目前,该短行程液压伺服系统的液压元件已 使用多年,其性能难以准确把握,尤其是随着热轧 产品市场竞争的日趋激烈,对热轧产品的宽度质 量要求越来越高,对宽度控制设备的能力也提出 了新的要求。E1立辊轧机液压短行程的调节速 度设计为40 mm/ s ,目前,实际使用为30 mm/ s ,该 设备的最大能力无法准确把握。因而,有必要对 该短行程液压系统的性能进行测试和评估,以期 对下一步系统的调整、 改造以及开展检测和诊断 做先期准备。 2 测试对象分析和测试手段与测试方案[1] 热轧厂的生产在整个钢铁公司处于非常关键 的位置。而E1立辊轧机短行程液压控制系统是 机、 电、 液的综合系统,其动态特性的测试关系到 设备的运行、 生产安全、 产品质量等重大问题。因 而,对其系统的理解和测试方案的选择、 测试信号 参数的选定都要慎重考虑。 65 宝 钢 技 术 2003年第1期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2. 1 测试系统的分析 电液伺服系统的动态特性测试的信号获取较 方便,主要是测得系统的输入信号、 输出信号,最 好还能在输入信号中叠加入激励信号。E1立辊 轧机的操作侧和传动侧各有一套短行程电液伺服 控制系统图 1 。由图1可知,系统输入和输出 信号的采样点可以在 ①②③ 点中选取。若取 ③ 点 为输入点、 ② 点为输出点,则构成闭环性能测试; 若取 ① 点为输入点、 ② 点为输出点,则构成开环性 能测试。考虑到闭环测试能够更好地反映系统的 实际性能,此处选取闭环测试方案。在测试油缸 最大运行速度时,直接通过 ② 点记录其时域信号 即可。 图1 短行程电液伺服系统控制框图 Fig.1 Control chart of SHST servohydraulic control ①② 点是模拟信号,可以直接用仪器采集,而 ③ 点是由过程机传来的数字信号,对它的采样只 有通过在基础自动化内进行D/ A转换后由模拟 通道输出才可以实现。同样,当对该系统进行外 加激励信号测试时,也要将外加的模拟信号经过 A/ D转换后叠加在 ③ 点处来实现。 2. 2 测试设备的选用 测试液压伺服系统动态特性的一套仪器所具 备的基本要求是对电压或电流的采样频率超过 系统估计频率的5倍以上,一般在50 Hz左右;记 录信号的数据量要在20 000点以上;采样通道数 不应少于2个;具有产生正弦扫频信号和阶跃信 号的功能;记录的数据应能进入计算机进行处理 等。 老一点的测试设备大都由信号记录仪、 示波 器、 信号发生器、 隔离放大器、 计算机等数量多、 体 积大的设备组成[2]。国内也开发了一些用于信号 采集和处理的仪器、 软件,但一般仍存在采样频率 低、 通道量少、 仪器笨重、 数据处理能力差等缺点。 此次测试选用由美国DACTRON公司生产的 PHOTON动态信号记录分析装置,PHOTON提供 强大的实时信号分析功能,动态范围110 dB ,实时 4通道同步分析,频率高达21 kHz。配置有4通 道采集内置ICP调理电路 , 所有通道差分输入, 阻抗为220 kΩ,无需另设隔离装置,输入电压范 围 10 V ,最大电压 40 V ,对绝大多数现场控制 信号的采集无需分压。1通道信号源输出,所有 的信号处理均由DSP数字系统处理器完成,具 有真正的多任务机制,提供在线信号的时域、 频域 分析功能,并有其他丰富的软件处理数据功能。 作为激励信号的信号源输入至被测系统的输入 端,输入波形类型可以是正弦、 方波、 正弦扫频、 随机信号等多种信号。并且该测试装置体积小、 能耗低、 使用方便[3]。 2.3 测试方案的拟定 测试分在线和离线两部分。在线测试,直接 采集图1所示的 ②③ 点的信号,进行实时分析,同 时,测量油缸位置变化的时域信号,进行最大动作 速度的测定;离线测试,采用方波、 正弦波作为激 励信号,同样采集图1所示的 ②③ 点的信号,进行 实时分析。在离线测试中,考虑到测试对象E1立 辊轧机的立辊质量和系统机械设备的强度,选取 75甄茂新 热轧E1轧机短行程液压伺服系统动态性能测试与研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 激励信号的最大幅值为油缸最大行程 30 mm的 3 左右,即幅值为 1 mm。而采取方波测试却 未采用常用的阶跃信号的原因是为了缩短测试时 间。 由于E1立辊轧机短行程电液控制系统共有 四套,此处选取传动侧的上下两套进行测试分析。 3 测试结果 采用在线、 离线正弦扫频,离线阶跃信号激励 和油缸位移时域信号大步长测试的测试结果分别 如图2～5所示。 图2 油缸位移对大步长 位移设定值跟踪的测试图 Fig.2 Displacement tracing curve of the cylinder to a large pace setting value 图3 短行程电液控制系统的波德图在线测试 Fig.3 Bode chart of the SHST servohydraulic control systemon2line test 图4 输入幅值1mm正弦扫频 信号时的波德图离线测试 Fig.4 Bode chart of swept sine whose magnitude is 1mmoff2line test 图5 离线幅值1mm阶跃激励的时域响应曲线 Fig.5 Responding chart in the time domain of 1mm magnitude square waveoff2line test 4 测试结果分析 1由以上的测试结果图可以直接得出E1立 辊轧机短行程液压伺服系统的各项主要性能参 数。在线测试时,上下油缸控制系统的幅频宽均 85 宝 钢 技 术 2003年第1期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 为f- 3dB 1. 8 Hz。离线正弦扫频测试时频域指 标为上油缸控制系统的幅频为f- 3dB 3. 0 Hz , 下油缸控制系统的幅频为f- 3dB 2. 3 Hz。离线 阶跃响应的时域指标为上升时间tr 0. 20 s ,峰 值时间tp 0.23 s;油缸最大动作速度咬钢过程 Vmax 34. 82 mm/ s ,抛钢过程Vmax 43. 73 mm/ s , 空载过程Vmax 35.44 mm/ s。 2油缸处于不同的三个过程其最大速度的 差别是由运动方向与作用力的关系决定的。在咬 钢过程,油缸承受逆向负载,故最大速度较小;在 抛钢过程,油缸承受正向负载,故运行速度较快; 而空载过程,油缸的负载仅为较小的轨道摩擦力, 其运动介于上述两者之间。 3通过把时域的阶跃响应图和频域的正弦 响应Bode图与二阶系统的相应标准响应曲线对 照,该系统阻尼比应该大于0.85 ,系统阻尼偏大。 4空载离线测试与在线有载测试的系统频 宽相差达28 ～67 ,原因在于液压系统本身存 在非线性环节的影响,非线性包括变PI参数、 油 缸内泄、 液压蓄能器、 摩擦力等。但测试结果仍有 参考价值,说明系统动态性能较差。根据以往对 精轧机液压压下系统的测试,液压压下系统频宽 f- 3dB在7 Hz左右。 5针对空载测试时,传动侧上下两个油缸对 应的系统频宽相差较大的情况,对这二个油缸做 了静态保压实验,结果为频宽低的油缸内泄量明 显较大,更说明了油缸内泄对系统动态性能的影 响。 5 液压伺服系统动态测试中需注意的几个问题 1加窗短时Fourier变换法的运用。由于傅 立叶变换从原理上要求信号记录的时间无限长, 为了防止系统信息的泄漏,使用加Hanning窗的 方法,可以提高求取系统功率谱的精度[3]。 2无论是阶跃响应测试还是扫频测试,都采 取多次采集取平均的方法,以减少测试曲线的毛 刺和偶然因素的影响。 3由于液压系统具有非线性,故频率响应与 输入扫频信号的幅值有关,一般规律是输入幅值 越大,频率响应越低。试验中,在条件允许的情况 下,尽量采用在不同幅值正弦扫频信号激励下系 统的频率响应,并应尽量使扫频幅值接近系统实 际工作时的信号幅值,以更具实际参考价值。 4有条件的话,应考虑在线测试时叠加入幅 值为系统信号幅值2 左右的正弦扫频信号,从 而使测试结果更具可比性;并要尽量采取不同激 励信号多次测试进行结果比较。 5在性能测试的同时,应对系统进行理论上 的建模仿真,提供对照,为发现系统存在的问题提 供手段[1]。 6 结论 1我们采用了离线与在线结合的方法对系 统性能进行了测试,并适当结合了油缸保压试验 等方法,对系统的动态性能有了较准确的把握。 2该液压伺服系统频响较低、 阻尼比过大, 且油缸动作速度达不到设计值,今后可以从增大 系统流量、 改善油缸性能、 提高系统增益等方面考 虑改进方案。 3此次测试是PHOTON动态信号记录分析 装置在热轧厂的首次使用,测试和分析过程说明 该套装置具有方便、 快捷、 功能丰富等优点,可以 广泛应用于有关动态信号的测试分析实践中去。 4此次测试后,可以形成规范的测试流程, 为重要的液压伺服系统的在线动态性能的测试和 把握提供范例。 参考文献 1 向树春等 1 四辊轧机液压压下系统动态特性的测试与研究 1 液压与气动,1998;2 30～32 2 上海交通大学630教研组.液压测试 1 上海上海交通大学出 版社,198059～64 3 Dactron Incorpotated. RT PRO Dynamic Signal Analysis USER G UIDE.USA1997～2000 Dactron Incorpotated8～20 编辑 李仁江 收稿日期2002 - 06 - 17 95甄茂新 热轧E1轧机短行程液压伺服系统动态性能测试与研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.