以轧机液压压下为负载的恒压源特性研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 0 7 以轧机液压压下为负载的恒压源特性研究 J u 1 ． 2 0 1 0 V0 I ． 3 8 No ． 1 3 陈春明 ，王益群 ，韩松杉 ，杨阳 1 ．燕山大学，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 ；2 ．河北科技师范学院欧关学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要在电液伺服阀控缸系统中，液压压下系统是控制复杂、负载力大、扰动因素多、交联耦合严重、控制精度和响 应速度要求高的设备。以该系统作为负载，研究恒压源的特性具有代表性。以轧机液压压下控制系统为负载，建立恒压 源 一轧机压下系统仿真模型。通过仿真分析恒压源压力波动对控制系统产品精度的影响规律，通过实验分析轧制力变动与 恒压源压力波动的相互关系。结果表明恒压源压力波动越大，负载频率变化越快 ，控制系统的控制精度越低。为合理确 定设备参数，改进供油系统的质量，提高系统控制精度提供依据。 关键词恒压源；轧机压下系统；动特性分析；控制精度 中图分类号T G 3 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 0 1 9 3 The Cha r a c t e r Re s e a r c h o n Co ns t a nt Pr e s s ur e S o ur c e wi t h t he Lo a d o f AGC S y s t e m CHEN Chu n mi n g ， W ANG Yi q u n。 ， HAN S o n g s ha n ， YANG Ya n g。 1 ． Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a ； 2 ． E A C o l l e g e o f H e b e i N o r m a l U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ，Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o v a l v e c o n t r o l l e d c y l i n d e r s y s t e m ，t h e h y d r a u l i c a u t o ma t i c g a u g e c o n t r o l s y s t e m h a s t h e c h a r a c t e r s o f c o mp l e x i t y， h e a v y l o a d， ma n y d i s t u r b a n c e f a c t o r s ， s t r o n c o u p l i n g ， h i g h c o n t r o l p r e c i s i o n a n d f a s t r e s p o n s e s p e e d ． T a k i n g t h e s y s t e m a s t h e l o a d， t h e c h a r a c t e ri s t i c r e s e a r c h o f c o n s t a n t p r e s s u r e s o u r c e h a s g r e a t s i g n i fi c a n c e ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f c o n s t a n t p r e s s u r e s o u r c e - AGC o f r o l l i n g mi l l w a s c o n s t r u c t e d ． T h e i n fl u e n c e r u l e s o f p r e s s u r e fl u c t u a t i o n o n p r o d u c t a c c u r a c y w e r e s i m u l a t e d ． Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n r o l l i n g f o r c e an d o i l s o u r c e p r e s s u r e w a s a n a l y z e d t h r o u g h e x p e rime n t s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t l a r g e r p r e s s u r e fl u c t u a t i o n o f c o n s t a n t p r e s s u r e s o u r c e a n d f a s t e r l o a d f r e q u e n c y l e a d t o l o we r c o n t r o l p r e c i s i o n ． I t p r o v i d e s t h e b a s i s t o o p t i mi z e t h e d e v i c e p ara me t e m ， i mp r o v e t h e q u ali t y o f o i l s u p p l y s y s t e m a n d t h e c o n t r o l p r e c i s i o n ． Ke y wo r d sCo n s t a n t p r e s s u r e e n e r g y s o u r c e ；Hy d r a u l i c a u t o ma t i c g a u g e c o n t r o l s y s t e m； D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ； C o n t r o l p r e c i s i o n 在 电液伺服 阀控缸 系统 中 ，轧机液压压下系统是 控制复杂 、负载力大 、扰动因素多 、交联耦合严重、 控制精度和响应速度要求高的设备。以该系统作为负 载 ，研究恒压源的特性具有代表性。随着电液控制系 统对其动态 品质要求 的提高 和广泛应用 ，对恒压源 的 构成要素和品质的研究 ，受到专家学者的重视。 1 恒压源轧机压下系统的组成 在高 响应 电液控制 系统 中 ，油源一般为 由恒压变 量泵、蓄能器、长管道等组成的恒压源，其功能是为 电液控制 系统提供压力稳定 、流量充足 、清洁 的工作 介质 。 轧机液压压下系统是液压 A G C A u t o m a t i c G a u g e C o n t r o 1 的电液位置 或力伺服系统 ，它的任务 是接受 A G C系统的指令值，进行压下缸的位置闭环 控制 ，使压下 缸 实时 准 确地定 位 在指 令所 要 求 的位 置 ，达 到设定 和控制空载辊缝 的 目的。压下控制系统 由压下 位置控 制和力 控制两 种方式 所组成 ，压下控制 系统一般采用 液压伺 服系统 。液压 压下 系统 的动作执 行机构是液压缸。液压压下伺服系统由控制器、电液 伺服阀、液压缸 、轧机负载 、位移传感器 、压力传感 器等元件构成。测厚仪闭环作为监控外环 ，对板厚差 作最后 修正⋯。其控 制功能示意图如图 1 。 位 移传 感器 背 压 ’ 篓 阿 程 一 _ f ] 一 计 、 算 ． 秘 二 口 桃 控 ’ 机架左侧带钢厚度压力 磊一 感器测厚仪 测厚t 制 ． 系 机架右 侧带 钢厚 度 统 一 l L_ 、 厂_ 一 图 I 冷带轧机板厚控制 系统 功能示意 图 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 0 6 7 5 1 8 9 作者简介陈春明 1 9 7 4 一 ，男，博士研究生，主要研究方向为电液伺服控制。电话1 3 1 7 1 9 6 1 2 8 3 ，Em a i l g e n t l e w i n d c h e n 1 6 3． c o r n。 2 0 机床与液压 第 3 8卷 2 恒压源压下系统的仿真模型 在以往的研究中，为突出主要 目标，控制模型中 供油压力设为常数，但在实际系统中，由于存在着 1 构成压力油源的容积式泵本身存在高频脉动； 2 现有压力补偿泵的伺服变量机构存在变量时间 常数 ，泵 口容腔越大 ，时间常数越大 ，响应速度就越 低； 3 电液伺服阀所驱动的伺服液压缸，在负载 变动或位置变动时对油源的流量需求相应地引起油源 压力波动 ；当液压缸 的负载或位置 变动速度快时 ，压 力波动更大。供油压力的波动导致瞬时流量欠缺，进 而影 响系统控制精度 。 。 采用基理建模方法 ，将 系统分 为恒压变量泵 、蓄 能器 、连接管路 、轧机压下几个部分 。分析各 自的工 作机理 ，各部分 的联系 ，对其进行 系统化研究 ，参考 文献 [ 4 5 ] ，恒压源 一轧机压下整体的计算机仿真 模 型框图如图 2所示 。 定弹 压力 模 型 萼 舳n l 山 ； 。 I n 长 管 道 模 型 L J一 u A N G 轧 机模 型 制 压力 板厚 图2 恒压源 一轧机液压压下计算机仿真模型框图 负载输入一方波指令信号 ，恒压源压力输 出为恒 值和恒压源有压力波动 系统的输 出对 比如 图 3所示 ， 恒压源压 力波动对轧机压下控制精度是有影响的 ，有 压力波动，系统控制精度降低。 图 3 恒压源有无压力波动压下仿真精度对 比 3 以轧机压下为负载的恒压源动特性实验研究 为分析恒压源与轧机压下负载间的相互影响规 律 ，选择某校 的实验 设备 3 0 0可 逆冷 轧机 为研 究对 象 ，进行测试实验。 3 ． 1 以轧机压下为 负载的恒压源动特性分析 轧机液压压下系统输入一阶跃指令信号时，泵调 定压力为 9 ． 2 M P a ，出 口压力如 图 4所示 压力传感 器测量 为 电 压 ，通 过 标 定 转 化 为 MP a ，B A X 1 ． 0 4 3 41 ． 0 0 2 1 1 0 ／ 3 ． 1 4 1 5 9 X 2 5 。可 看 出 ，稳态泵 出 口压力 波 动 范 围为 9 ． 2 4～9 ． 3 6 M P a ， 波动频率在2 0 0 H z 左右，恒压变量泵的动态特性具 有二 阶系统 的特 征 。Z e i g e r 和 A k e r曾表示 ，在 线性 化的四阶变量泵动态模型的 4个有负实部的特征值 中，其中有两个比另两个离 s 平面的实轴负方向远的 多 ，这也暗示 了 变 量 泵 的动 态 模 型具 有 二 阶 的 特 性 一 。这和所建数学模型和仿真分析的结果相符。 l 0 0 日 9 ．6 皇9 ．2 杂 8 , 8 幽 8 ．4 8 ． 0 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 数 据采 集个 数 图 4 泵 出口压力 变化曲线 2． 8 出 2 ． 1 1 ． 4 3 0 0 6 0 0 9 0 0 数 据采 集个 数 图5 泵出口压力、操作侧 压力设定及实测曲线 闭压力环，轧机压下系统输入均值 6 8 ． 6 k N，幅 值 1 9 ． 6 k N，周期为 2 S 的方波指令信号时，泵出口 压力及操作侧压力设定值、跟随值如图 5 所示，在负 载压力阶跃上升段，泵出口压力下降，然后波动至设 定值，当操作侧压力实际值达到峰值时，泵出口压力 最小，因负载压力阶跃上升，系统快速供油，泵出口 压力下降，经蓄能器快速补油，恒压变量泵的调节机 构共 同作 用 ，压力 又进入 稳态 ，当负载 压 力 阶跃 下 降，负载流量减小，系统供油随之减少，泵出口压力 稍有上升。 根据实验分析可知 ，作者所建立的恒压源系统满 足 3 个条件 1 恒压源输出的压力油 足够用 ； 2 压力保持恒定 ，波动在一定的范围内； 3 恒压源 的响应能够跟得上控制系统的响应。可见，作者所建 立的恒压源系统是能够满足高响应电液控制系统的工 作要 求的 ，是可行的油源方案 。 数据 采集 个数 a 0 - 5 Hz 数据采集个数 b 2Hz 数据 采集 个数 c 4Hz 数 据采 集个 数 d 8Hz 图6 频率变化泵出口压力、操作侧压力设定及实测曲线 匿 第 1 3 期 陈春明 等以轧机液压压下为负载的恒压源特性研究 2 1 闭压力 环 ，轧 机 压 下 系 统 分别 输 入 频 率 为 0 ． 5 H z 、2 H z 、4 H z 、8 H z 指令信号 时 ，泵 出 口压力及操 作侧压力设定值 、跟随值如图 6所示 ，当负载呈 正弦 规律变化时，泵出口压力为同频率的正弦脉动，相位 相差 1 8 0 。 ，负载压 力为最大 时 ，泵 出 口压力为最 小 ， 这符合恒压变量泵的特性。从图 6可求出当负载幅值 相同时，其泵出口压力脉动幅值、压力控制精度随负 载频率变化 的规律如表 l 所示。 表 1 幅值 为 2 T时频 率变化 时的测试结果 恒压 源有一 个工作 极限频 率 ，在低 于工 作极 限频 率时，随着指令信号波动频率的增大，泵出口压力波 动幅值增加 ，比较不同频率时的设定值与被控量对 比，可知指令信号波动频率越大，被控量的精度越 低。恒压 源的压力 波动直 接影 响着系 统的控 制精度 ， 两者关 系是 恒压源压力波动越大 ，控制 系统 的控制 精度越低 。 4结论 恒压 能源的输 出特性决定 于泵 、蓄能器 和管道 的 综合作用 ，还 和负载 的变化有关 ，通 过仿真 和实验 分 析得出 1 负载变化对恒压源压力脉动的影响规 律即负载频率变化快，压力脉动的幅值增加； 2 恒压源压力脉动对控制精度的影响恒压源压力波动 越大 ，控制 系统 的控制精度越低 。仿真与实验结果表 明所建仿真模型 的正确性 ，为 能源 系统 中元件选择 与 功率 匹配 以及动态特性研究提供参考 。 参考文献 【 1 】 张伟． 基于冷连轧过程的虚拟轧制关键技术研究[ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 4 ． 【 2 】 郭湖彬． 高响应电液控制系统恒压源特性研究[ D ] ． 武 汉 武汉科技大学 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 J i n X i a o h o n g ， C h e n Y a s h e n ， G u o H u b i n g ． D y n a m i c S i m u l a - t i o n o n Hy d r a u l i c S u p p l y S y s t e m o f HAGC B a s e d o n E AS Y 5 [ C] ／ ／ T h e P r o c e e d i n g s o f t h e C h i n a A s s o c o a t i o n f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 7 ． 1 3 2 73 3 0． 【 4 】 王益群， 张伟， 高英杰 ， 等． 虚拟冷连轧机数字仿真研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 1 0 1 7 7 01 7 7 3 ． 【 5 】战兴群， 张炎华， 赵克定， 等． 二次调节系统中液压蓄能 器数学模型的研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 1 5 4 5 46． 【 6 】Z e i g e r G， A k e r s A． D y n a m i c A n a l y s i s o f a n A x i a l P i s t o n P u m p S w a s h p l a t e C o n t r o l [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c al E n g i n e e r s， 1 9 8 6． 1 0 4 95 8 ． 【 7 】 S c h o e n a u G J ， B u r t o n R T ， K a v a n a g h G P ． D y n a m i c A n a l y s i s o f a V a ri a b l e D i s p l a c e m e n t Pum p [ J ] ． T r a n s a c t i o n o f t h e AS ME J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e m， Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l ， 1 9 9 0 ， 1 1 2 3 1 2 21 3 2 ． 上接第 1 2页 参考文献 【 1 】 吴孝俭 ， 闫荣鑫． 泄漏检测[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 05 49． 【 2 】 彭光正， 纪春华， 葛楠． 气密性检测技术现状及发展趋势 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 1 7 21 7 4 ． 【 3 】 L G H a ru s ， M a o l i n C a i ， K e n j i K a w a s h i m a ， e t a 1 ． D e t e r m i n a ． t i o n of t e mp e r a t u r e r e c o v e r y t i me i n d i f f e r e n t i a l -p r e s s u r e -- b a s e d a i r l e a k d e t e c t o r[ J ] ．Me a s u r e m e n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 6 1 7 4 1 1 4 1 8 ． 【 4 】R o b e rt C ， M c M a s t e r ． L e a k T e s t i n g [ M] ． A m e ri c a n S o c i e t y f o r N o n d e s t r u c t i v e T e s t i n g ．Ame r i c a n S o c i e t y for Me t als ， 1 9 82 8 91 0 0． 【 5 】李建藩． 气压传动系统动力学[ M] ． 广州 华南理工大学 出版社 ， 1 9 9 1 4 8 4 9 ． 【 6 】杨世铭， 陶文铨． 传热学[ M] ． 高等教育出版社， 2 0 0 6 ． 8 1 3 上接 第 8 4页 置的安全值 ，报警区的 L E D就变成红色报警；选择 控制 区主要是生成 Wo r d报表 时加载 报表模板 ，指 定 保存文件路径，“ 停止采集并保存数据”按钮用于控 制整个系统的运行状态 。 系统的框图程序是整个监测系统的灵魂 。整个程 序 由一个顺序结构 实现 ，首 先通过 D A Q m x函数库 中 相关的 V I 节点采集 8路传感器信号，在 Wh i l e 循环 中实现 8 路信号 的提取 ，然后 分别进 行数 据处 理 、标 尺转换后传至波形控件与仪表中显示，在后面的顺序 结构 中生成报表等 。 4 结束语 该系统已经应用于变转速液压试验系统的在线实 时监测 中，系统运行稳定可靠 ，各参数测量准确性达 到9 8 ％，符合系统实际要求，可靠性和可扩展性 良 好。在以后的实际应用中，只需根据所测传感器参数 的要求略加修改，增减模拟通道，即可应用于其它工 业生产参数的实时监测上。 参考文献 【 1 】王磊， 陶梅． 精通 L a b V I E W 8 ． 0 [ M] ． 电子工业出版社， 2 00 7． 【 2 】 彭天好 ， 徐兵， 杨华勇． 变频液压技术的发展及研究综述 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 4 ， 3 8 2 ． 【 3 】N a t i o n al I n s t r u m e n t s C o r p o r a t i o n ． L a b V I E W U s e r M a n u al 『 M] ． Ap ri l 2 0 0 3 E d i t i o n P a r t ． Nu mb e r 3 2 0 9 9 9 E - 01 ．