轧机液压AGC系统动态模型的研究.pdf

1998年3月16日收到.国家 “九五” 攻关项目95 - 528 - 01 - 02 - 01E和博士点基金资助项目9521601 . 高英杰Gao Yingjie ,王益群Wang Yiqun ,孔祥东 Kong Xiangdong ,燕山大学机械工程学院,秦皇岛066004 The College of Mechani2 cal Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 . 轧机液压AGC系统动态模型的研究 The Study on The Dynamic Model of Hydraulic AGC System in a Strip Mill 高英杰 王益群 孔祥东 摘 要 根据液压AGC系统的构成,同时考虑轧机辊 系及回油背压管道的影响,建立了板带轧机液压AGC 系统的动态模型.分析结果表明,所建立的动态模型简 单且利于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度的 影响,为系统的优化设计及系统控制性能的研究提供 了基础. 关键词 板带轧机,轧制过程,液压AGC ,系统仿真. Abstract Considering the composition of the HAGC system and the effects of the roller sys2 tem and the back return line , a new dynamic model for hydraulic AGC system in a strip mill was presented . The simulation results based on this model showed that the model is simple and beneficial to analyzing the influences of the pro2 cessing factors on the thickness accuracy.It is significant for designing the controller reasonably and studying on the response capacities of the system. Key wordsstrip mill , rolling process , HAGC , system simulation. 0 引言 由于对板带材的质量要求越来越高,对轧机液 压AGC Automatic Gauge Control系统的控制要求 也越来越高,因此,对轧机液压AGC系统控制性能 的研究具有重要意义.以往对轧机液压AGC系统控 制性能的分析大多集中于仅研究液压系统本身的响 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[1 ,3 ,4].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,将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 板带轧机液压AGC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. 图1 厚控系统结构框图 Fig 1. Structure Diagram of the HAGC System 如图1所示,一个完整的液压AGC系统应完成 若干个功能,其中最主要的是 1 压下缸位置闭环1 随轧制条件变化及时准 确地控制压下位移.xp1, xp2分别是操作侧和传动侧 活塞相对缸体的位移,取其平均值xpd作为实测位 移值, xps为给定信号,Δxp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. Pd是轧制压力的实测值, Ps为初 始给定值,ΔP为修正值. 3测厚仪监控闭环3 消除轧辊磨损、 热膨胀 第22卷 第3期 1998年7月 燕山大学学报 Journal Of Yanshan University Vol. 22 No. 3 July 1998 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 及设定值误差等的影响. MP为轧机纵向刚度系数, W为轧件的塑性刚度系数, hd为实测轧件厚度, hs 为设定轧制厚度. 此外,如果增加油膜厚度变化补偿、 轧辊偏心补 偿、 前馈控制、 物流控制及速度张力优化等功能后, 可使板厚精度得到进一步的提高[1]. 2 液压AGC控制系统的动态模型的建立 构成一个完整液压AGC系统的六种主要动态 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 伺服阀 伺服阀具有高度非线性特点,其输出流量QL 的线性化方程为 ΔQL Qsv0-KcΔpL1 式中 Qsv0 伺服阀的空载流量, Qsv0KsvΔIc Ic 输入电流信号 Ksv 伺服阀的静态流量放大系数 Kc 伺服阀的压力流量系数 ΔpL 负载压力变化 通常,当液压执行机构的固有频率 ωh低于 50Hz时,伺服阀的动态特性可用一阶环节表示 Qsv0 Ic Ksv 1 s/ωsv 2 式中,ωsv为伺服阀固有频率,可从伺服阀制造厂提 供的频率响应曲线获得. 2. 2 液压缸 传递到油缸内油液的总体积是流量 ΔQL的积 分.而控制容积的实际变化量是 ΔV VQ-ΔVc-Vcl xpAp3 VQ∫ΔQLdt4 ΔVc Ve-EoΔpL5 式中 VQ 传递到油缸内油液的总体积 ΔVc 控制容积中油液的压缩量 Vcl 控制容积中油液的泄漏量可忽略 xp 液压缸活塞的位移 Ap 液压缸活塞面积 Ve 液压缸的等效控制总容积 Eo 油液的弹性模量 在当前的液压AGC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 积内压力变化为 ΔpL EoΔVc/ Ve6 油缸输出力的变化为 ΔF ΔFP-ΔFbΔpLAp-ΔpbAb7 式中 ΔFp 作用于油缸无杆腔力的变化 ΔFb 作用于油缸有杆腔力的变化 ΔFb 作用于油缸有杆腔力的变化 Δpb 油缸有杆腔压力背压的变化 Ab 油缸有杆腔的工作面积 2. 3 轧机辊系 油缸输出的轧制力ΔF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 ΔF Me d2xp dt2 Bp dxp dt Kxp FL8 式中 Me 轧机辊系运动部件的等效总质量 Bp 活塞及负载等运动部件的粘性系数 K 负载运动时的弹性负载刚度系数 FL 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 FL可表示为 FL WΔh W hin-hout9 式中 W 轧件的塑性刚度系数 Δh 轧件的厚度变化 hin 轧件的入口厚度 hout 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 厚度hout便等于工作辊的负载辊缝hL,而 hL hs-Δhr hs- xp-Δhj10 式中 hs 辊缝的设定值 Δhr 轧制时辊缝的变化量 Δhj 由于轧制时轧制力的变化而引起的 轧机弹跳量 ΔhjΔF/ MP11 式中 MP 轧机的纵向刚度系数 轧机的纵向刚度MP系数随压下油缸工作行程 的增加而减小,可用下式估算[5] 062燕山大学学报1998年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1 Mp 1 M0 LP EoAP 12 式中 M0 轧机零工作行程的纵向刚度系数[5] LP 压下油缸的工作行程 LP L0 xp13 式中 L0 压下油缸的预压行程 2.4 背压回油管道 液压A GC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[5].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 pd pd0 Mor d2xp dt2 Rr dxp dt 14 式中 pd0 初始背压 Mor 回油管道中油液的质量 MorρLrAb/ Ar ρ 油液的密度 Lr 回油管道的长度 Ar 回油管道的横截面积 Rr 压力差系数 2.5 位移传感器和压力传感器 位移传感器可视为惯性环节 Xd/ XpKs / 1 Ts s 15 压力传感器可视为比例环节 pd/ pLKf16 式中 Ks 位移反馈系数 Ts 位移传感器的时间常数 Kf 压力反馈系数 2.6 控制调节器 当控制器采用PID调节器时,其动态传递函数 为 GCs Kp1 1 Tis Tds的总 17 3 液压AGC系统的动态模型 根据上述液压AGC系统的六种主要元件的动 态模型,液压AGC系统位置闭环的动态模型如图2 所示. 图2 液压AGC系统位置闭环的动态模型 Fig. 2 The dynamic model of the HAGC system 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,回油管道尺寸也影响 液压AGC系统的响应能力.相比以往液压AGC系 统的动态模型[1 ,3 ,4],图2所示动态模型包含了轧 件入口厚度、 油液控制容积、 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.并且,基于图2所示模型,可对轧制过程中 各变化因素对液压AGC系统性能的影响分别进行 162第3期高英杰等轧机液压AGC系统动态模型的研究 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 研究.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.通过研究这些 因素对轧制过程的影响,可为液压AGC系统的优化 设计及轧制过程的动态模拟提供基础. 4 液压AGC系统的动态模拟分析 基于图2所示模型,对轧制过程中变化因素对 液压AGC系统性能的影响进行了仿真.仿真参数见 表1 ,其中PID控制器的参数是通过寻优得出的. 仿真示例结果见图3～4. 表1 仿真主要参数 Tab. 1 The main parameters for simulation 参数数 值参数数 值 Me 2.36105kg Ap 0.41 m2 Ad 0.11 m2 Kc 78 mm3/ Ns Ks1 V/ mK 5.3109N/ m W9.434109N/ mE0800 MPa Ve 0.00639 m3 KP1000A/ V Bp 3.64107Ns/ m Ki5001/ s pb6 MPaKd40 s Ts0.025 s 图3 轧件塑性刚度系数变化的影响 Fig. 3 The effects on the strip gauge when the plasticity coeddicient of the strip varies 图4 回油管道长度的影响 Fig. 4 The effects on the strip gauge when the retum line length varies 图3的结果表明,轧件塑性刚度系数W变大使 轧制厚度增大而偏离设定值.由式9～11可看 出,当W增大时,轧件变形抗力FL及轧机弹跳量 Δhj增大,从而使得轧制厚度偏离设定值.上述结果 与轧制理论相一致[1].图4显示了背压回油管道对 轧制结果的影响,研究表明,回油管长在0～30m内 时对轧制过程影响较小,当回油管长大于50m时, 动态过程中有滞后且振荡加剧.这一结果与文献[5] 中的实验结果一致. 5 结论 本文通过分析构成液压AGC系统主要元件的 动态特性,建立了板带轧机液压AGC系统的动态模 型,研究结果显示表明,基于这种模型所进行的动态 模拟结果与理论和实验相一致,因此,该动态模型是 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. 参 考 文 献 1 连家创,刘宏民.板厚板形控制.北京兵器工业出版社,1996. 2 Prodip BHOWAL , et al.Modeling and simulation of hydraulic gap control system in a hot strip mill.ISIJ international , 1996 ; 36 5 553～562. 3 Diumlija G, et al.Mill modernization for improvements in strip quality and yield.Steel Time International , September 1995 , 12. 4 刘长年.液压伺服系统的分析与设计.北京科学出版社,1985. 5 Remn - Min Guo.uation of dynamic characteristics of HA GC system.Iron and steel Engineer , 1991 ; 7 52～63. 高英杰 男,1965年12月出生.讲师.硕士.主要研究方向流体传 动及控制,轧机液压AGC系统及其状态监测与故障诊断技术已有 研究成果完成轧机液压AGC系统设计及应用调试等多项科研项 目.发表科技论文12篇. 262燕山大学学报1998年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.