液压系统在轧机中的应用研究.pdf

液压系统在轧机中的应用研究 李迎春1,付兴建2,张 飞3 The Application Study of Hydraulic Systemfor Rolling Mill LI Ying2chun1,FU Xing2jian2,ZHANG Fei3 1 1 中国矿业大学 北京校区机电工程系,北京 100083;21 北京信息科技大学 计算机与自动化系,北京 100085; 31 北京科技大学 信息工程学院,北京 100083 摘 要重点介绍了在轧制过程中液压AGC Automation Gauge Control系统的功能、 调节方式和工作原 理。就某中宽带厂的液压压下位置调节系统及其特点进行了简单分析。最后归纳指出了液压系统的几个发 展方向。 关键词液压;热连轧;厚度自动控制 中图分类号TG333 文献标识码B 文章编号10002485820051220003203 1 引言 目前,液压伺服系统在自动化领域占有重要地位, 特别是需要大功率、 快速、 精确反应的系统大多采用液 压控制。在冶金工业中,现在不仅新建的轧机都采用 了带计算机系统的液压控制,众多旧的轧机也改造成 液压AGC轧机。计算机系统和液压AGC已成了板带 轧机装备水平的标志。 最初,轧钢轧机的压下机构为电动压下,电动压 下装置由于电动机和减速齿轮等运动部分的转动惯 量大,有反应速度慢、 调整精度低、 传动效率低等缺 点。随着带钢轧制速度的逐步提高,产品的尺寸精 度要求日趋严格,特别是采用厚度控制系统之后,电 动压下装置已经不能满足工艺的要求。而液压压下 系统由于具有惯性小、 精度高、 响应快等优点,逐步 取代了电动压下装置,这就是液压压下厚度控制系 统HAGC HAGCHydraulic Automation Gauge Control 见表 1 。 现在,随着轧制速度和自动化程度的提高,为了更 有效的控制带钢纵向厚度公差,提高成品带钢质量,液 压压下已成为压下系统的发展方向。其主要优点 表1 液压压下系统与电动压下系统性能比较 操作电动压下液压压下比较 空载运行速度 满负载运行速度 018 mm/ s 315 mm/ s 215 mm/ s 快3～4倍 达到全速所需时间016 s01006 s快100倍 无负载时各道次调 整011/ 015/ 110 mm 217/ 710/ 1315 s 0142/ 2102/ 4102 s 快3～5倍 频率响应015 Hz10 Hz快20倍 1惯性小、 反应快、 截止频率高,系统对外来干 扰跟随性好,调节精度高; 2由于系统响应快,因此对轧辊偏心引起的辊 缝发生高频周期变化的干扰能进行有效清除; 3可实现轧机刚度系数调节,可依据不同的轧 制条件选择不同的刚度系数,获得更高的成品 质量。 收稿日期2005205231 作者简介李迎春 1976 , 女,湖北钟祥人,博士研究生,主要 从事计算机监控、 智能控制等控制理论与应用的研究工作。 有杆腔 A2 π 4 D 2 -d2 914210- 4 m2 3液压缸最大工进流量的确定 Qmax A1vmax12119 L/ min 4液压缸工作循环中,各阶段的压力、 流量和功 率的实际使用值见表 1 。 参考文献 [1] 任建勋,韩尚勇,等 1 液压传动计算与系统设计[M]1 北 京机械工业出版社,19821 [2] 机械设计手册编写组 1 机械设计手册下 [M]1 北京化 学工业出版社,19871 [3] 徐灏 1 机械设计手册第5卷 [M]1 北京机械工业出版 社,19921 32005年第12期液压与气动 2 轧机液压AGC系统 轧机液压自动厚度控制系统主要用来克服带钢工 艺参数波动对厚差的影响,并对轧机参数的变动给予 补偿。轧机液压压下装置,主要由执行机构 压下 油缸、 动力源 液压泵站及其伺服阀台、 电控装置及 各种检测装置组成。轧机液压压下系统是机、 电、 液综 合系统,由于采用电液伺服技术,使液压压下动态响应 速度得以大幅度提高,厚度控制所需的时间大大缩短, 正由于液压压下具有快速响应的特点,所以它在厚度 控制过程中对提高成品带钢的精度具有重要的现实意 义。同时,由于液压压下系统实现轧机刚度的动态调 节,这样不仅可以做到在轧制过程中的实际辊缝值固 定不变,即 “恒辊缝控制”,从而保证了实际轧制厚度不 变,并且还可以根据生产实际情况的变化,相应的控制 轧机刚度来获得所要求的轧出厚度。 液压AGC系统有压下式和推上式两种形式。无 论哪种形式均是通过液压伺服阀对液压缸的油量和压 力的调节来控制液压缸上下移动的行程和调节轧辊辊 缝值以实现厚度自动控制的目的。 211 液压AGC的调节方式 1调节压下量 改变辊缝是AG C控制的主要方 式,一般用来消除因轧制压力的波动而造成的厚度偏差; 2调节张力 通过改变带钢的张力改变轧件变 形抗力即塑性曲线斜率以实现厚度自动控制的目的; 3调节轧制速度 轧制速度的变化将影响到张 力、 摩擦系数等的变化,即影响轧制压力变化。可通过 调速改变轧制压力以实现厚度自动控制的目的。 图1 自动厚度控制 212 液压AGC控制的基本原理 自动厚度控制功能的目的是通过精轧机压下机构 的调整以及其他一些补偿措施,消除在轧制过程沿带 钢长度方向因各种原因产生的带钢厚度偏差,保证精 轧成品带钢纵向沿中心线厚度满足精度要求。带钢 液压AGC系统必须由计算机预先设定一个目标值与 所测量的实际厚度进行比较,得到偏差信号δh,或者 通过改变张力、 压力等得到偏差信号δh,再利用厚度 自动控制装置或计算机功能程序改变压下位置或带钢 张力或轧制速度,将带钢的实际轧出厚度控制在允许 范围内。弹跳方程是分析厚度自动控制系统的一个有 效工具,通过它,不但可以弄清各种因素对厚度的影 响,而且还可以定量地分析各种厚度控制方案。当采 用电动压下时,自动厚度控制系统采用的是位置内环、 厚度外环方式图1a ,由于长期以来热轧厚差精度都 在50μm以上,对偏心影响往往采用死区回避。 现代热连轧机普遍采用全液压压下,其厚度自动 控制系统可以采用常规的位置内环、 厚度外环方式,或 采用单恒轧制力环来消除偏心影响图 1b 。但是单 恒轧制力环将放大带钢带来的外扰来料厚差等 , 因 此,一般很少采用单恒轧制力环,而是采用轧制力内 环、 厚度外环方式图 1c 。轧制力内环用来消除偏 心,而在轧制力环外再加上厚度环以消除轧件带来的 外扰。 213 某轧机液压AGC系统 某公司中宽带厂的液压压下装置是在最近的轧机 改造中新增加的,压下液压缸设置在电动压下螺丝头 部与上支撑辊轴承座之间,轧机液压压下的位置调节 系统如图2所示。 图2 液压压下位置调节系统 图中,HMI给定为APC位置设定值;AGC给定为 位置补偿量;摆动环节是人工调节轧辊位置,防止带钢 跑偏;同步环节是用两侧位置差,调节两侧位置平衡, 使活塞同步运行,同步环节和摆动环节会产生矛盾,为 4液压与气动2005年第12期 此必须将摆动偏差摆动偏差等于操作侧摆动给定与 传动侧摆动给定之差引入同步环节,使其按摆动设定 保持同步关系。 该液压压下系统特点 1压下液压缸的位置传感器采用分辨率为2μm 的磁尺,能够快速准确地检测出液压缸位移; 2位置闭环精度高。位置调节器采用数字PI 控制,PI参数是在调试过程中经过多种方法检验的最 优参数;系统中还采用高精度运放、 稳压源、 精密电阻 等,使液压缸位置闭环精度在1μm左右; 3液压系统较关键的伺服阀采用高性能的Moog 电流伺服阀,额定电流小、 灵敏度高,恒流驱动克服了 线圈电感阻力,频率响应在15 Hz左右,上升时间10 ms 左右,系统最高移动速度时响应时间在15 ms左右,经 过对各机架的实际测定011 mm位置阶跃给定,空载 时下压响应曲线如图3所示,反馈数据是通过磁尺对 液压缸位移进行采样得到的,采样周期5 ms。上抬时 上升时间略长5～10 ms。负载与空载测试结果接近, 在无给定积分器阶跃输入时,有一定超调量10 ～ 20 ,它有利于对负载扰动的抑制。 图3 空载时下压响应曲线 4采用控制周期为5 ms的数字系统进行控制。 经实际检验,这样的周期能较好地满足液压系统的快 速要求。同时,数字系统能够灵活机动的实现各种控 制算法,对程序的监控十分方便,因而具有模拟系统无 可比拟的优点。 3 液压系统的发展 当前,液压伺服系统的发展方向,有以下几个方面 1高压大功率。高压的目的主要是为了减轻系 统的重量及结构尺寸,大功率是为了解决大惯量与重 负载的拖动问题; 2高可靠性。液压控制装备一般都是高性能 的,对油的污染和温度变化都很敏感,为了提高可靠 性,一方面除对设备本身的研究和改良以及增加监测 与诊断技术外,目前正在采用余度技术和重构技术; 3理论解析与特性补偿。理论解析近期的研究 倾向是利用计算机对复杂系统、 复杂因素进行仿真分 析研究,其中,大量的研究是围绕动态特性进行的; 4与计算机的结合。电液伺服控制与计算机的 结合,提供了伺服控制之间牢固的、 精确的、 高性能的 联系,产生了各种所谓的电液伺服智能控制系统。通 过计算机辅助测试系统对液压伺服元件、 伺服系统静 态、 动态特性进行测试、 辨识和数据处理,通过屏幕显 示出来或通过打印机将响应的数据和曲线打印出来, 可进一步地把这种系统扩展成故障监测和预报系统; 5多功能集成电液元件的开发;具有数字接口 的电液元件和检测元件开发; 6在液压伺服控制的应用过程中,近代的控制策 略纷纷一显身手,同时,也提出了下列要求①应尽量 满足系统的动静态特性,严格的优化设计使系统做到快 速而无超调;②对各种非线性因素引起的不确定性,控 制系统应具有较强的鲁棒性;③控制策略本身要具有 智能;④控制算法要简单可行,实时性强;⑤系统要有 高的效率。满足上述要求对液压伺服系统是个关键。 开展这方面的研究,建立近代液压伺服控制的理论与控 制方法,寻求工程实用的设计,对推广液压控制的应用, 促进液压伺服控制的发展将有重要的意义。 另外,近代液压伺服控制的特点还必须考虑① 环境和任务复杂,普遍存在较大程度的参数变化和外 界干扰以及交联耦合的影响;②非线性的影响,特别 是阀控动力机构流量非线性的影响;③对于有高的频 宽要求及静动态精度的要求,需优化系统的性能;④ 微机控制与数字化及离散化带来的影响。 参考文献 [1] 付兴建,童朝南 1 冷连轧机液压系统的H∞混合灵敏度鲁 棒控制器设计[J ]1 液压与气动,20055 24261 [2] 童朝南,戈兰,陈百红,张海波 1 电动压下控制系统中的 关键技术[J ]1 冶金自动化, 20026 60621 [3] 孙一康 1 带钢热连轧的模型与控制[M]1 北京冶金工业 出版社,20021 [4] 王君,王国栋 1 各种压力AGC模型的分析与评价[J ]1 轧 钢, 2001 ,185 51541 [5] Kunio Sekiguchi , Y oshiro Seki1The advanced set - up and con2 trol system for Dofasco’s tandem cold mill[J ]1IEEE Transac2 tions on Industry Application , 1996 ,323 6086151 [6] Frank Feldmann1Mathematical modelsfor simulation and control in flat rolling mill[J ]1MPT International , 19971 9094. 52005年第12期液压与气动