冷连轧机液压APC系统半实物仿真.pdf

T o t a 1 N o ． 1 4 7 冶金设备 总第 1 4 7期 O c t o b e r 2 0 0 4 ME T A L L U R G I C A L E Q U I P M E N T 2 0 0 4年 1 0月第 5期 冷连轧机液压 A P C系统半实物仿真① 王为人② 孙一康王正林 北京科技大学 自动控制研究所北京 1 0 0 0 8 3 摘要液压 A P C是现代宽带钢冷连轧机组板带质量控制的关键设备之一 ， 是一个快速响应的复杂动态 系统 。调试过程周期长而且风险大。设计的半实物仿真能大大减少调试时间和降低调试风险。以一米七冷 连轧机组的液压 A P C为研究对象 ， 建立了液压 A P C系统的半实物仿真模型并进行了半实物仿真试验 ， 试验 表明该方法是有效 的。 关键词液压 A P C冷连轧机半实物仿真 中图分类号T P 3 9 1 文献标识码A Th e Ha r d wa r e-- - i n-- - t h e-- - l o o p S i mu l a t i o n o f Hy d r a uli c APC S y s t e m i n Ta n d e m Co l d-- - Ro l l i n g W a n g We i r e n S u n Yi k a n g W a n g Z h e n g l i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ABS TRACT Hy d r a u l i c AP C s y s t e m i s o n e o f t h e k e y e q u i p me n t f o r w i d e s t r i p q u a l i t y c o n t r o l o f mo d e r n t a n d e m c o l dr o l l i n g mi l 1 ．I t i s a c o mp l e x s y s t e m w i t h c r i t i c a l d y n a mi c c h a r a c t e r i s ti c s a n d a d j u s t i n g t h e c o n t rol p a r a me t e r s i s t i m ec o n s u mi n g a n d o f g r e a t r i s k ．Ha r d w a r eI nt h eL o o p HI Ls i m u l a t i o n C a l l r e d u c e d e v e l o p m e n t t i me a n d e n s u re s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f c o mp o n e n t s wi t h c o mp l e x be h a v i o r ．A HI L mo d e l i s p r e s e n t e d b a s e d o n t h e s y s t e m i n 1 7 0 0 mm t a n d e m c o l drol l i n g mi l l a n d a HI L s i mu l a t i o n i s t e s t e d ．Th e r e s u l t p rov e s t h a t t h i s me t h o d i s v a l i d ． KEYW ORDS Hy d r a u l i c AP C T a n d e m Co l dRo l l i n g Ha r d wa r ei nt h el o o p S i mu l a t i o n 1 引言 随着用户对带钢的质量精度要求 日趋严格 ， 液压 A P C以其具有响应速度快 ， 控制精度高和过 载保护简单可靠 的显著特点在宽带钢冷连轧的 改造和新建 中得到 了广泛的应用。由于液压系 统复杂的动特性和非线性 ， 实际中一般采用非线 性控制 ， 比如 分段 P I D， 模糊 P I D ， 调节器参数的 整定非常耗时需要反复地加 以调整， 而且 ， 调节 的参数是未经过验证 的而直接 在大功率 的机电 系统上调试， 危险性很大。常规的调试方法是先 采用软件仿真调试 ， 然后到现场去调试 ， 该方 法 主要存在以下问题 ①仿真的实时性不够， 例如 对液压压下这样复杂、 高阶、 快速响应过程来说 ， 从输入控制信号到位置传感器检测 出其变化所 需时间只有几个毫秒， 而常规的仿真在几个毫秒 内根本无法完成这一动态过程的计算 ， 这也是仿 真结果与实际情 况相差很 大的原 因之一。②实 物控制器与仿 真回路缺少直接的连接。控制器 ①基金项 目 国家经贸委“ 九五” 攻关项 目 编号 9 7 3 1 6一 O 2 一 O 2 0 2 ②作者简介 王为人 ， 男 ， 1 9 5 9年出生 ， 毕业于北京科技大学仪表专业 ， 博士研究生 ， 从事工业过程仿真与控制方向研究 一 5 一 维普资讯 第1 4 7 期 冶金设备 2 0 0 4 年 1 0月第 5期 的参数不能在仿真回路 中调试 。近年来 ， 随着计 算机计算能力的提高以及高速通信接 口的出现 ， 出现了半实物仿真 H a r d w a r e I n t h e L o o p ， 简 称 H I L j ， 它仿真实际系统， 仿真模型的运行时 间和实际时间存在着严格的协调关系， 仿真系统 的输入和输出也是实 时时钟同步； 而且 ， 实物控 制器直接接人仿真回路， 能够快速有效地调节控 制参数 ， 对实际系统进行最初的测试和调节 ， 能 加快控制系统的设计和减少调试时间， 降低运行 风险。因此研究冷连轧机液压 A P C系统的半实 物仿真具有重要的意义。 2 冷连轧机液压压下系统模型 冷连轧液压 A P C系统框 图见图 1 ， 它是一个 复杂的动态系统 ， 由控制器 、 伺服放大器、 电液伺 服阀、 液压缸和位移传感器组成。控制器一般采 用 P L C， 控制算法一般采用分段 P I 调节 ， 一般分 两段或三段。伺 服放 大器把输入 电压转换 为电 流， 可视为比例放 大环节 ； 电液伺服阀的模 型可 简化为二阶振荡环节 ； 液压缸模型可简化成一个 二阶振荡环节和一个惯性环节的串连 ； 位移传感 器采用的是磁尺， 可认为是比例环节。整个液压 A P C系统模 型是一个高阶环节 ， 时 间常数小 ， 动 态响应速度快。 图 1 冷连轧机液压 A P C系统框图 3 半实物仿真系统的组成及功能 设计的冷连轧机液压 A P C半实物仿 真硬件 系统是基于现场实时控制网 R F M 的， 它是网 上的一个节点， 由3个子系统组成 仿真计算机系 统、 实物控制器 P L C、 通信接 口模块 ， 系统 的框 图 如图2所示 。 仿真计算机是整个仿真系统的核心， 采用主 从结构 ， 系统 的硬件 由一 台主机 和协处理 机组 成。不同于一般的半实物仿真计算机， 它不需要 任何复杂繁多的 I／ O接 口， 仅需一块实时控制网 网卡。所有的 I／ O数据 和控制信号都来 自实时 控制网的各节 点。主机是高性能 的工业控制计 算机 ， 用来实现人机交互界面、 仿真预处理 、 仿真 6 后台处理和管理 D S P与控制器 P L C之间的数据 交换。人机交互界面的主要功能包括 显示和修 改模型参数以及仿真参数、 控制仿真的开始和停 止、 实时仿真过程数据的图表和曲线显示、 保存 仿真结果 以及有用 的中间数据。仿 真预处理包 括接收用户输人的模型及仿真相关参数并转化 成 D S P的运算参数、 把运算初始数据和仿真程序 下载到 D S P的内部 R A M 中； 后 台处理包括对大 量仿真中间数据和结果 的分析和处理 ， 例如阶跃 响应的调节时间和超调量的记 录等。主机通过 周期性地读写 D S P的主机接 口 H P I 和实时控制 网网卡来实现 D S P与控制器 P L C之 间的数据交 换 。协 处 理 机 采 用 T I公 司 的 D S P处 理 板 T M S 3 2 0 C 6 7 0 1 E V M， 主芯片是高性能浮点 3 2位 D S P处理器 T MS 3 2 0 C 6 7 0 1 ， 它采用的 V L 1 w 体 系 结构是一种并行计算机体系结构 ， 八个运算单元 并行执行运算 ， 最高处理速度可达 1 G F L O P S ， 具有强大的实时计算能力。在存储器方面， D S P 芯片内的数据和程序存储器各为 6 4 K B y t e ， 板上 有 1 2 8 K B y t e 的 S B S R A M和 8 M B y t e的 S D R A M， 满足了仿真过程中数据空间的需求。协处理板 是基于 P C I 接 口的， 直接插在工业计算机上 ， 它用 于实时解算仿真对象的动态模型。 图 2系统 组成 框 图 4 仿真试验 试验 以某大型钢厂冷连轧 1 7 0 0 ra m 的液压 A P C为对象， 表 1 是该对象的一些参数。在实际 的 A P C对象中， 轧辊的动作是两个液压缸同时作 用的， 因此， 实际调试时， 除了调试控制器的控制 参数外 ， 还要调节两个液压缸 的同步动作 。进行 半实物仿真时 ， 控制器的控制周期是 2 m s ， 仿真的 数据在主机 中实时保存 ， 仿真结束后通过 MA T ． L A B进行后 台显示 处理 和分析。图 3是单侧实 时仿真和实际情况的阶跃响应对 比情况 ， 实线是 实时仿真曲线 ， 点线是实际运行曲线。仿真的 P 1 系数与实际的 P I 系数相差不到 2 0 ％， 调节时间 维普资讯 王为人等 冷连轧机液压 A P C系统半实物仿真 2 0 0 4年 l 0月第 5 期 和超调量也基本接近。图4是传动侧和工作侧同 步调试的情况 ， 从 曲线 可以看 出， 两侧 的动作是 同步的。以上仿真表明半实物仿真是有效的， 仿 真结果具有一定的可信度。 表 1 某 1 7 0 0 ra m冷连轧机液压 A P C的参数 油缸直径 ／ m m 轧机 自然刚度的 1 ／ 2 ／ N m 伺服阀阀芯直径／ m 伺服阀至油缸受压油液的最大体 9 , ／ m 轧辊辊 系总质量／ k g 压下油缸活塞质量／ k g 伺服系统用油的绝对黏度／ P a S 液压弹性模数／ M P a 伺服阀阀芯与阀套的间隙／ m 压下油缸的阻尼系数 阀的额定流量／ m S 阀线圈的额定 电流／ A 阀的角频／ r a d S 阀的阻尼系数 1 0 5 0 31 0 0． 0 l 9 1 7． 31 0一 l 5 01 0 41 0 1 ． 81 0一 7l 0 。 1 ． 01 0一 0． 2 4． 11 0一 0． 0 l 6 0 o 0． 7 重 ＼ 一 毒 } 群 时间／ s 图 3 液压 A P C单侧阶跃响应对 比情况 4结论 本冷连轧液压A P C 半实物仿真能实时地仿 真液压 A P C对象的动态行为， 而且， 实物控制器 P L C嵌入到实时仿真 回路 ， 可以对控制器的参数 进行实时的调试和验证 ， 大大加快 了调试过程和 降低了调试风险 ， 具有很高 的实用价值。当然， 若达到仿真效果和实际情况更接近， 则要建立更 为精确的数学模型， 增加在线辨识对象模型功 能 ， 充分考虑各种现场可能 的噪声干扰 ， 对信号 采用更高的采样频率 ， 更快 的D S P 处理器以及接 图 4 液压 A P C双侧 同步动作图 口等等 ， 这些不仅需要在理论 上的深入研究 ， 而 且需要在仿真的算法和硬件设备上做进一步的 改进和完善。 参考文献 [ 1 ] D ． M a c l a y ． S i m u l a t i o n g e t s i n t o t h e l o o p ． I E E R e v i e w ， Ma y 1 9 9 7 [ 2 ] V M I C P r o d u c t S u m m a r y ． R e a l t i m e N e t w o r k R t n e t ． 1 9 9 8 [ 3 ] T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d ． T M s 3 2 0 C 6 2 0 l ／ 6 7 0 l E v a l u a t i o n Mo d u l e Us e r S Gu i d e ． 2 0 0 2 收稿 日期 2 O o 4 o 6 一l 4 接 3 4页 实践中加以修正和改进。同时 ， 在各种复杂情况 下的定位精度公式及影响因素的研究还需要 进 一 步深人 ， 以确保天车定位的高精度与高效率。 参考文献 [ 1 ] 魏国辰． 物流机械设备的运用与管理． 北京 中国物资 出版社 ． 2 0 0 2 [ 2 ] 秦同瞬 ， 杨承新 主编． 物流机械技术． 北京 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 [ 3 ] 周全申． 现代物流技术与装备实务． 北京 中国物资出 版社 ， 2 0 0 2 [ 4 ] 高林奎， 宋玮． 激光测距． 北京 人民铁道出版社， 1 9 7 7 [ 5 ] 李苏剑 ， 常志 明． 连铸 一连轧生产物流． 北京 冶金工 业 出版社 ， 2 0 0 1 [ 6 ] 武汉钢铁 集团 公司第二热轧带钢厂可行性研究报 告． 重庆 重庆钢铁设计研究 院， 1 9 9 4 [ 7 ] 武汉钢铁 集团 公司第二热轧带钢厂初步设计． 重 庆 重庆钢铁设计研究 院， 2 0 0 0 [ 8 ] 武汉钢铁 集团 公司第二热轧带钢厂三级计算机系 统附件 1 ． 重庆 重庆钢铁设计研究院， 2 0 0 1 [ 9 ] 王启华． 激光实用测量． 北京 中国铁道出版社 ， 1 9 8 9 [ 1 0 ] 丁俊华等． 激光原理及应用． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 8 7 收稿 日期 2 0 o 4 o 5 1 7 一 7 一 维普资讯