四辊冷轧机液压AGC系统研究.pdf

科研与生产 四辊冷轧机液压 A G C系统研究 王 贤琳 武钢科技大学 湖北 武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 分析 了系统 的组成 ， 设计 了系统的控制方案 。同时采用二 自由度 系统 分析 方法对四辊 冷轧 机液压 A G C系统的物理模 型进行 简化 ， 建 立了系统 的数 学模 型， 在 实际应用 中， 该 方法简便 、 实用。 关键词 四辊 冷轧机 ； 液压 A G C ； - ． 计 ； 数 学模 型 中图分类号 T G 3 3 3 ． 1 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 4 3 7 1 2 0 0 4 0 1 0 0 2 2 0 3 Re s e a r c h o n Fo u rh i lg h Co l d Mi l l Hy dr a u l i c AGC S y s t e m W ANG Xi a nl i n Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ． C h i n a Ab s t r a c t Th e c o n s t i t u t i o n o f t h e c o l d mi l l h y d r a u l i c AGC s y s t e m a n d d e s i g n o n i t s c o n t ml me tho d a r e i n t r o d u c e d．At the S a l T l e t i me t h e t w o d e g r e e f r e e d o m an a l y s i s me thod h a s b e e n a p p l i ed t o the s i mp l i fi c a t i o n o f the p h y s i c al mod e l o f t h e s y s t e m and a ma the ma t i c al mode l h as b e e n a c c o r d i n g l y s e t u p as we l 1 ． Th i s me thod i s p mv e d t o b e s i mp l e an d mo r e p r a c t i c al i n a c t u al a p p l i c a t i o n． Ke y wo r d s c o l d mi l l ； h y d r a u l i c AGC； d e s i gn ； ma th mod e l 液压 A G C和其他控制方式相 比有 响应速度 快 ， 在高速轧制的情况下 ， 轧机的辊缝能够根据所 测得的板 、 带材厚度偏差得到及时的调整 ； 可 以改 变和控制轧机工作 机座的刚度 ； 可得到较高的轧 辊位置精度 ； 可保证轧机 的安全操作等优点 。正 因为液压 A G C系统具有上述优点 ， 因此 ， 随着 市 场对钢板质量要求的不断提高以及伺服阀和检测 元件性能的不断提高 ， 液压 A G C系统 已是现代板 带材轧机的重要组成部分H J 。 A G C油缸活塞的位移 ， 其分辨率为 1 t a n ， 同时 ， 在 每个 A G C油缸的活塞侧 和活塞杆侧均配有压力 传感器 ， 检测 A G C油缸两侧的压力 ， 从而得 出轧 机的轧 制力。为 了提高 系统 的 响应速 度， 控制 A G C油缸动作 的伺 服阀及其控 制阀块直接安装 在缸体上 ， 为了减少系统压力的脉动 ， 每个伺服阀 还配有一组蓄能器组 。所有轧机共用 1 个液压泵 站 ， 向每个机架的 A G C系统和弯辊系统及轧机的 中间辊串辊和弯辊系统供油。 1 轧机液压A G C系统的组成 2 系统的方案设计 液压 A G C系统的主要设备 由一套 以计算机 、 检测元件为主的控制装置和 以一 套液压系统 包 括泵站 、 控制阀台等 、 液压伺 服油缸为主的执行 机构组成 。每架 机架配有 2个 A G C油缸 。 每 个 A G C油缸的 中心安装 一个 索尼磁 尺。 用 于检 测 收 稿 日期 2 0 o 30 r 7 2 5 作者 简介 王 贤琳 1 9 6 8 ， 女 ， 湖北松 滋市 ， 武汉科技 大学机械 自动化 学 院讲 师， 主要研 究方 向 机 电一 体 化 、 2 ． 1 控制方式选择 常见的冷连轧机液压 A G C系统 的控制方式 有以下 3 种 。 1 以轧机 出口测厚仪 检测带钢 出口厚 度偏 差所得信号作为主反馈量来控制液压压下装置。 这种系统有时间滞后 ， 因而控制精度低 ； 2 以辊缝位移传感器的位置信号和测 压仪 所测得的轧制力信号作为主反馈量来控制液压压 下装置 ， 并 以出 口测厚仪所测得的厚度偏差信号 作为监控反馈量 ， 输人到液压压下装置 中， 对辊缝 维普资讯 王贤琳 四辊 冷 轧机 液压 A G C系统 研 究 进行必要的修正 ； 3 在上述系统上增加入 口测厚仪 ， 将所测得 入 口带坯的厚度偏差信号输入到液压压下控制系 统中， 进行预控。具有预控系统的轧机控制系统 控制精 度可 以提高 ， 但 系统 复杂 ， 不易稳定 。 目 前 ， 在现代化高速轧机上 ， 以辊缝位置和轧制力作 为主反馈信号， 以入 口测厚仪作为预控 ， 以出口测 厚仪作为监控的控制系统应用最广。 2 ． 2 系统控制原理 由计算机实现对该系统 的控制 ， 整个系统采 用双闭环进行控制， 一个闭环是位置闭环 ， 通过位 移传感器检测 A G C油缸的位移 ， 实现对轧辊辊缝 的高精度的调整 ； 另一个闭环是力闭环 ， 通过力传 感器测 出因各种 因素的影响而引起 的轧制压力的 变化 ， 实现对 因轧制压力的变化而引起的轧机机 架弹跳的补偿。其控制原理框 图如图 1 所示 。为 了使系统具有更好 的调节性能 ， 在系统 中设 置了 P I D调节器 ， 且通过计算机软件实现。 给 图 1 系统控制原理框 图 3 系统数学模型的建立 度 动 3 ． 1 系统模型的简化 在对轧机液压 A G C系统进行建模分析时， 由 于轧机机架为一分 布质量 的运动系统 ， 即为无 穷 自由度的系统 ， 分析起来十分复杂， 人们往往按 5 个或 7个 自由度进行简化分析， 测定或估算 ， 最终 仍需简化。本文结合 实际工程使用情况， 采用 二 自由度 系统 分析方法对 四辊轧机液压 A G C系统 进行简化建模 ， 这种简化分析方法 易于对系统进 行分析 、 试验和测定其参数。采用二 自由度系统 分析方法可将 四辊轧机液压 A G C系统简化 为如 图 2所示 的模型 ， 即将 A G C油缸活塞及与之相连 的下辊系视为一个运 动的整体 ； 将油缸及轧机机 架 、 上辊系作 为另一运动的整体 ， 在轧制过程 中， 此两系统作相对运动。考虑到轧辊两端对称 的各 有一个推上油缸 ， 因而， 每一侧均取 轧制力的 半。 a 一次简化模 型 i b 二次简化模型 图 2 四辊轧机液压 A G C系统简化模 型 Mp A G C油缸活塞及 与其相 同运动 的辊系等价质量一半 之 和 B A G C油缸活塞及 与其 相同运动 的辊 系的阻尼系数 A p A G C油缸 的活塞面积 PL A G C油缸活塞 的负载压 力 F 轧制过程中 ， 使坯料产生塑性 变形 的轧制力 的一半 机架及与其相同运动的辊系的等价质量 的一半 K 轧机机架固有 的刚性 系数 单侧刚度 B ． 机架及与其相同运动 的辊 系的运动粘性阻尼系数 K 。 被轧板材的弹性系数之半 3 ． 2 系统的数学模型 3 ． 2 ． 1 力平衡 方程 根据图 2 a ， 我们可以得到图 2 b 所示的物 理模型 ， 由图 2 b 可以写 出力平衡方程 AP △JPL 』 l s AX BP SAXp ． KL AX 一AX AFL AR 1 AF L AR Mm S △ m Bm SAXm K L A X 一AX。 2 在上述表达式 中， 没有考虑 A G C油缸 的摩擦 力 ， 它是一个非线性量 ， 其绝对值远远 小于轧制 力 ， 对 A G C系统 的静态特性影响较小 ， 但 对动态 特性影响较大 。实践表明 ， 如果 A G C油缸 的摩擦 力值小于油缸活塞侧 1 0 0 P a油压所产生的力 ， 那 么摩擦力对系统的动态特性的影响可以忽略。 3 ． 2 ． 2 轧 制 力模 型 根据轧 制工艺 原 理可 知， 总轧 制压力 之半 F 。 ．为下列参数的函数 F L F L H， h ， T l ， T o ， R 1 ， u ， K 。 ， Qi ， P 式中 日 进 口板材毛坯 的厚度 板材的出口厚度 武钢技术2 O O 4 年第 4 2 卷第 1 期2 3 维普资讯 科研 与 生产 7 1 。 ， 轧机进口侧及出口侧的板材张力 尺． 轧棍的半径 “ 摩擦系数 板材轧制 时产生塑性变形 的屈服 应力 Q 轧制时板材与工作辊的接触应力 P 轧制时接触面的压力分布 显然 ， 上式为一非线性表达式 。由于在轧制 过程中， 上述各参变量的变化范围很小 ， 为便于分 析， 将上式中 F 与各参变量关系在很小的变化 范围内看成是线性 的， 于是将上式按泰勒级数在 某一点展开 ， 由于变化量很小 ， 只取一价项 ， 忽略 二阶及 以上各项 ， 有 AF I O F L ／ a o △ O F L ／ O h o △ O F I l O T 1 o △T l O F L l O T o △T⋯ 3 由于本文所讨论 的重点是在轧制过程 中， 通 过液压压下系统来控制被轧板材的出 口厚度 ， 因 而可以认为， 在这 里 ， △ 是被控 参数 ， 其它参 变 量为不可控参数 ， 从而可全部将其看作是外 干扰 量 ， 引起轧制压力的变化。故上式可写成 AF L△F L RAFL AFI j { 一 Kw △ 4 式 中 一 O F ／ O h 。 出口板材的塑性 系数之半 x h 板厚 的增 量 AF 为除 △ 以外其它不可控参数引起 的轧 制压力的变化 ， 可以假定外干扰 △F 全部包含在 上述式 1 和 2 中的 △ 尺之中而近似地认 为轧制 力的变化仅与轧制 的厚差有关 ， 于是可以得 到如 下近似线性方程 AF I 一 K w △ h 5 3 ． 2 ． 3 A G C油缸 的模 型 伺服阀控制 A G C油缸， 根据流量连续性方程有 AQ I K q A X 一K、 A P“ 6 AQ I A P S AX p v o S API C l A P“ 7 式中 Aq 。 伺服阀输出负载流量的变化 量 AX 伺服阀主阀芯的位移变化量 K 。 伺服阀的流量增益 伺服阀的压力流量增益系数 A G C油缸无杆腔 中的油液及伺服 阀到 A G C油缸 的连接管路 中油液 的体积之和 油液的弹性模量 C ． 油缸总的泄漏系数 x X A G C油缸活塞杆位移的变化量 3 ． 2 ． 4机 架 的运动 方程 由于在轧制过程 中， 钢板的主要变形 系数 为 塑性变形 ， 产生塑性阻力即轧制压力 ， 其弹性变形 极小 ， 与轧制压力相 比， 其弹性阻力可忽略不计 ， 即近似地认为 K 0， 于是， 2 式变为 x X x X l x X 位 x F L 1 x R ／ ， 5 B x F L △ 尺 G I K 8 式中 G I s 】1 1 S 2 ／ 2 ／ 1 轧机的动特陛 √K I M ， 轧机机架系统 固有频 率 B 1 2 ／ K ， M 机架系统运动阻 力系数 ． A X ㈦， AX 分别为 由 △ n ， AR所 引起 的机架位移增量 3 ． 2 ． 5 电液伺 服 阀的传 递 函数 电液伺服阀的传递函数可按二阶振荡环节取 用。其传递函数写为 AX ㈥I Al s K ／ 5 ／ 。2 ／ 51 9 式中 △， 输入伺服阀的电流变化量 、 伺服阀的电流 一 位移增益 伺服阀的固有频率 伺服阀的阻尼比 3 ． 2 ． 6 位 移传 感 器的传 递 函数 位移传感器的传递函数可用下式表示 △ [ ／ 7 1 1 ] AX 式中 △ 。 A G C油缸输 出位移的增量 △ 位移传感器输出电信号的变化量 ． 位移传感器的增益 | r ． 电路时间常数 4 结 语 分析 了液压 A G C系统的组成 ， 设计了系统的 控制方案 ， 同时采用二 自由度系统方法建立 了四 辊冷轧机液压 A G C系统的数学模型 ， 得到 了系统 下转第 4 8页 维普资讯 计 算机应 用 安装在 6 R A 7 0的 C B P P R O nB u S 模块实现 ， 软件 配置通过 M P I 网通讯 的波 特率为 1 8 7 ． 5 k b p s ， 通 过 P R O F I B U S通讯的波特率是 1 ． 5 M b p s 。通讯 的 建 立 图 3 掏 S I I T I C 4 0 0 1 萱 S I T I C 3 0 0 u S I J b T I C 3 00 F R O F I B I 懿{2 {} 缸 {2 图2建 立 工程文 件 _ l 箍 脚 _ f 蕊 脚 陬 ■ 窿 刚 ■ ■ I l ■ ， I I 它 I I 图3通讯的建立 3 ． 3 H a r d w a r e的设置和 B l o c k的设计 在控制倍尺飞剪所在的站 S I M A T I C 3 0 0 2 中 主要有 H a r d w a r e的设置和 B l o c k的设计 。 H a r d w a r e 是关于与实际物理位置相对应的设 置 ， H a r d w a r e 设 置 如 图 4 。 B l o c k的没计 即程序的设计。整个程 序包 含 的 B l o c k 见 图 5 。 其中， F C 2 ， F C 3 ， F C 4 ， F C 5 ， U D T 1为 F M 3 5 02 模块带的专用软件 ， 主要完成对增 量编码器的计 数 、 读数 、 写数等 工作。D B 5 2是根 据 U D T 1生成 的用户定义类型数据块 D a t a B l o c k ， D B 2 1 为存放 通讯信息的数据块 ， D B 2 3 为存放其他数据的数据 块。O B I O 0为初始化组织块 O r g a n i z a t i o n ， O B 1 为 循环扫 描 组织 块 ， O B 4 0为 中断组 织 块。F C 6 1 ， FC6 2， FC 6 3， F C6 4，F C6 5， FC 9 0， F C91 ，F C6 6， FC 6 7， F C 7 1 ， F C 7 2 ， F C 7 3 ， F C S 1 ， F C 2 0分别是完成通讯数 据的接收 、 发送 、 数据 的处理 、 确定工作方式 定 位 、 手动启动 、 自动剪切 、 延时时间的计算 、 飞剪 图4 H a r d wa r e 的设置 x 0 ■ S l 1 1 1 “ C‘ ∞ I ■ S I II A T I C 3 0 0 I ■ B A T I C 3 0 0 日m C U 3 1 5 2 D P s翊s T P r o r m 仨 蠹 1 o c k 3 ‘ ●0 B 1 0 r c 2 0 P c s 0 艘 0 麟 B ml ‘ | l 甜 0I I B 21 口 U D TI 图5 Bl o c k 的设计 - 0 B ． 0 0 ， c 3 Q F C 2 0 0 嘲 0 嘣 0 m2 0 瑚 0 加 2 3 速度的计算 、 测总长、 确定优化剪切方案、 定位 、 手 动启动 、 自动剪切 、 飞剪的位置闭环等功能的功能 块。程序的调用关系如下 4 结 语 F C 9 0 F C 6 7／ F C 7 F C 6 F C7 2 F C 8 1 一 F c 2 0 劓 r_ 一 1 一F c ＼ F c 7 3 ／ 我们利用 P L C完善 的内部功 能和有效 的控 制策略及方案， 按用户 的要求实现了飞剪 的电控 设计。从运行情况来看 ， 整个系统运行可靠 ， 达到 了设计的要求 ， 获得 了用户的好评。这表 明我们 的软 、 硬件设计均是成功的， 在高速飞剪设备国产 化的道路上迈出了一步。 口 上接 第 2 4页 的典型环节的传递函数 ， 通过上述数学模型 ， 很容 易对系统的动态和静态特性进行分析。在实际工 程 中进行液压 A G C系统设 计时 ， 可采用上述方法 建立数学模型 ， 确定系统的有关参数 ， 并对系统的 动态指标进行分析 上述建模方法还可推广到平 整机和六辊轧机的液压 A G C系统。 参 考文献 [ 1 ] 孙中禹 ． 舞钢 42 0 0 n l rl l 轧机 A G C液压系统分析[ J ] ． 宽厚板 ， 2 0 o o 2 ． [ 2 ] 板带车间机械设备设计 上 、 下册 [ M] ． 冶金工业部武 汉钢铁 设计研究院主编 ， 1 9 8 6 ． [ 3 ] 王贤琳 ， 杜胜品 ． 四辊 冷轧板带 轧机液压 A G C系统 数学模 型[ J ] ． 武汉科技大学学报 ， 2 0 0 1 3 2 6 0 ～2 6 3 ． [ 4 ] 孙文质 ． 液压控制 系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 1 9 9 0 ． 【 5 ] 李连升 ． 液压伺服理论与 实践 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． 口 n n 瑚 K 盯 盯 _I曩 汀 豳 雷图 ． ．1 t． 维普资讯