全液压矫直机的四缸同步协调控制.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S J u 1 ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 2 0 全液压矫直机的四缸同步协调控制 陈伟，尹家凡 中冶赛迪电气技 术有限公司，重庆 4 0 0 0 1 3 摘要矫直机主液压缸辊缝的控制效果直接影响到系统稳定性、产品质量、设备安全。重点研究主液压缸的辊缝控制 策略，针对矫直机主液压缸平行压下的同步要求，提出一种基于单缸辊缝闭环控制与倾摆辊缝闭环控制的改进的4缸同步 控制策略。该策略不仅能够实现矫直机的倾斜、摆动辊缝控制，也能提高 4缸平行压下的同步性。通过在东北某厂热处理 生产线的成功应用 ，证明该控制策略及技术的有效性 ，可在矫直机上广泛应用。 关键词 矫直机；辊缝控制；4缸同步控制；倾斜与摆动控制 中图分类号T G 3 3 3 ． 2 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 4 0 6 8 4 S y nc h r O ni z a t j O n Co nt r o l S t r a t e g y o f Ful l Hy d r a ul i c Pr e s s u r e Le v e l l e r C HE N We i ，YI N J i a f a n C I S D I E l e c t fi c s T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t R u n n i n g s t a b i l i t y o f l e v e l l e r ，p r o d u c t q u a l i t y，e q u i p me n t s a f e t y a r e d i r e c t l y aff e c t e d b y t h e p e rfo r ma n c e o f ma i n h y - d r a u l i c c y l i n d e r s g a p c o n t r o l o f l e v e l l e r ．T h e r e s e a r c h i s ma i n l y f o c u s e d o n r o l l g a p c o n t r o l s t r a t e g y o f l e v e l e r ma i n h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ai mi n g a t s y n c h r o n o u s r e q u i r e me n t o f l e v e l e r ma i n c y l i n d e r s p a r a l l e l d e p r e s s i n g ，t h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l o f f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s w a s p r o p o s e d，i n wh i c h c o o r d i n a t i o n c o n t r o l b a s e d o n i n d i v i d u a l g a p c l o s e d l o o p c o n t r o l a n d t i l t i n g s w i v e l i n g g a p c l o s e d l o o p c o n t r o l w a s a d o p t e d ．I n a d d i t i o n t o i mp l e me n t t i l t i n g - s w i v e l i n g g a p c o n t r o l ，t h e t e c h n o l o gy c o u l d b e u s e d t o i mp r o v e s y n c h r o n i c i t y w h e n f o u r h y d r a u l i e c y l i n d e r s w e r e p r e s s e d d o w n ．T h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n i n o n e h e a t t r e a t me n t l i n e i n No r t h e a s t o f C h i n a i n d i c a t e s t h a t t h e c o n t r o l s t r a t e gy a n d t e c h n o l o gy a r e v a l i d ．I t c a n b e w i d e l y a d o p t e d i n l e v e l e r ． Ke y wo r d s L e v e l l e r ；G a p c o n t r o l ；S y n c h r o n o u s c o n t r o l o f f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e r s ；T i l t i n g a n d s w i v e l i n g c o n t r o l 近年来，为提高工程机械的能力、延长其使用寿 命 ，国内外大型工程机械设备重要构架及汽车车身结 构件、悬架件等零部件广泛采用高强度钢板 。随着 我国国民经济 的高速发展 ，超高强板材 、高附加值板 材需求量将大为增加 ，而我国在高质量、高性能的超 高强板材方面还存在严重缺口。辽宁衡业热处理机组 正是通过带材矫直、感应加热、气雾淬火 、感应回火 等工艺技术连续性生产高性能超高强板材的生产线 ， 利用我 国钢铁企业先进冶金和轧钢设备所生产的热轧 卷材 ，通过热处理等工艺环节 ，最终使板材强度 、平 直度等达到或超过同类产品，满足我国工程机械及汽 车行业对该类产品的迫切需求。 该机组采用第三代全液压压下 四重九辊冷矫直机 进行板材矫 ，该矫直机是由中冶赛迪独立设计制 造 、自主系统集成 的机电液一体化设备 ，矫直后板型 平直度达到3 ％ 0 ，整体装备和技术指标达到国内外同 类机组先进水平 。 矫直机的4个主液压缸共同作用在平衡梁上，其 位置控制精 度、响应 时间 以及同步性能 与平 衡梁 含弯辊盒、上辊盒的重力分布情况、平衡梁各球 面垫与牌坊间的摩擦力大小、主液压缸 自身摩擦及泄 漏、伺服阀性能以及辊缝控制参数等有关。伺服阀、 液压缸 、负载的工作 特性在 长时间运行后 发生改 变或 者系统受到外 界 干扰也 会 影 响 4个 主 液压 缸 的 同步 性 。若 4 个 主液压缸不同步压下 不共 面 ，则平衡 梁的变形阻力、平衡梁与牌坊间的摩擦力等也会发生 变化 ，从而使辊缝 的同步性进一步恶化 ，导致辊缝偏 差过大快开 或倾 斜 摆动 偏差 交替 变 化而 出现 振 荡现 象。可见，需要采取合理的控制策略使4个缸同步压 下 。 1 4个缸同步控制 由于液压 系统 泄漏 、执行 元件 非线性 摩擦 阻力 、 控制元件 间的性能差异 、负载各组成部分 的制造误差 等因素的影 响 ，当两个或两个 以上 液压缸 驱动同一 负 载时，必然存在位置同步精度不高的问题。由于不同 步，液压缸之间势必存在着相互作用，这种相互作用 使系统的动态性能恶化，严重时可使系统失稳，必须 采取合适的同步控制策略来提高同步精 。对于 收稿 日期 2 0 1 3 0 52 6 作者简介 陈伟 1 9 7 8 一 ，男，硕士，工程师，主要研究方向为机电系统的自动化控制、冶金 自动化等。E ma i l C W x j t u 1 2 6． c o n。 第 1 4期 陈伟 等 全液压矫直机的四缸同步协调控制 6 9 液压同步闭环控制来说 ， “ 同等方式”和 “ 主从方 式”是通常采用的两种控制策略。“ 主从方式”的同 步误差取决于其余元件的跟踪误差，但对给定信号的 跟踪误差要加上 被跟踪系统的跟踪误差 ，并且从缸对 给定信号 的跟踪相对于主缸具有明显 的时滞性。而 “ 同等方式” 的同步误差取决 于同步 系统 的跟 踪误差 的差值，由于是对同一给定信号的跟踪 ，因此该方式 对给定信号的跟踪误差要 比 “ 主从方式” 的跟踪误 差小 ，所有液压缸 时滞 基本相同 。 。 为防止倾斜 摆动压下时 由于受力变化或其他 因素 导 致矫直机控制系 统不稳 定 ，压下 时采 取平 行压下 ， 等到达设定辊缝后再进行倾斜和摆动。由于矫直机的 倾斜设定或摆动设定通常不为0 ，矫直机 4个液压缸 的参考位置不一致 ，不能采用 “ 主从方式”控制策 略 ，只能采用合适 的 “ 同等方式 ”控制策 略来 实现 4 个 缸同步协调控制和倾斜摆动功 能。 对于全液压压下矫直机 ，经零辊缝标定后的辊缝 实际值为 g p 一 一 P 1 式中P a c t 为主液压缸位移传感器实际值，m m；P 一 为主液压缸辊缝标零时位移传感器测量值，m m。 以零辊缝 为参 考，设 g 。 为平均辊 缝 实际值 mm ，g t -a c t 为倾斜辊缝实际值 m m ， g 为摆动辊 缝实际值 m m ，定义如下 gl 们tg2 tg3 _a c tg4 丑 c t 0 - F,e t 4 g t- a c t A 2 0 ＼ 一 ／ g1 一 a c tg2 ． a c t - g3 ．a c t 。 g4 一 a c t 0 a c t 4 式中 g g 、g ， 。 、g 分别为传动侧入 口、传 动侧 出 口、操作侧人 口、操作侧出 口4个主液压缸的 辊缝实际值 m m 。 设 g 为主液压缸平均辊缝设定值 m m ；g 。 。 为倾斜辊 缝 设 定 值 m lT 1 ，g 。 为摆 动 辊 缝 设 定 值 m m ，由式 2 反 推可 得 到 4个 主液 压缸 辊缝 设 定值 如下 gl t ga t ‘ gt噜 e t g g2 讹tg 噜 e tg【． 自 e t gs 唱 e t g3 t ga 吗 e t 。 gt噜 e t ge t g 4 mt ga t g h t g e t 3 矫直压下时，由于4个主液压缸都压靠在平衡框 架的同一平面上，故出口侧辊缝相对人 口侧辊缝应有 相同的倾斜偏差值 ，传动侧辊缝相对操作侧辊缝应该 有相同的摆动偏差值 ，但实际上，由于4缸并不一定 同步 ，作者重新定义倾斜 、摆动辊缝实际值如下 g z a c t ’ g1 ． a c t gt2 1 ∽ t 一 厶 g4 ． a c t ’ g3 一 a c t gt4 3 ．a c t 一 4 gl a c t - g3 ．a c t g 1 3 t ■一 厶 g2 ． a c t g 4 ． a c t g日 2 4 一 以 4 个 主液压缸辊缝 设定值 经过斜坡处理后作为 参考 ，可以得到单缸辊缝闭环控制。以 g 、g 。 为 参考，以式 4 的4个计算值为反馈，可以构建相 应的同步控制闭环。另外 ，考虑到矫直机在辊缝标定 时采用 的矫直力控 制模式 ，以及轧 制时补偿机架形变 的刚度补偿 ，最后 可以得 到如图 1 所示 的矫直机闭环 控制框图。 单缸辊缝 闭环控制方式在武钢第二热轧厂横切线 矫直机、马钢第四钢轧总厂热轧横切线矫直机等得到 应用 。采用该方式时，各控制闭环不相互耦合 ， 4个缸的 同步性直接与液压 系统摩擦及泄漏 、负载特 性 、外界干扰以及 自身控制参数等有关。虽然可以通 过调节参数来提高4个主液压缸的同步性 ，但由于伺 服阀 、液压 缸的性 能在长时间运行后会 发生改变 ，其 同步性会逐渐降低，纯粹的单缸辊缝闭环控制不能保 证 4个液压缸平行运行 时有较高 的同步性能 。 4缸 同步闭环控制策略通过 2个倾 斜 同步 闭环 和 2个摆动 同步闭环实现 了各个 液压缸辊缝控 制相互 间 的耦合，既能实现同步压下，又能实现倾斜摆动功 能。当辊缝平行运行时，即倾斜参考g 和摆动参考 g t - f 分别为 0时 ，若 1号 、2号缸 间 出现辊 缝 同步偏 差，倾斜同步闭环的输出一正一负叠加到这2个液压 缸的辊缝参考上 ，再通过 各 自的辊缝 闭环进 行调 节 ， 从而消除同步偏差。同理，3号、4号缸间同步通过 其倾 斜 同步闭环实现 ，1 号 、3 号缸 间 ，2号 、4号缸 间 同步通过其摆动 同步 闭环实现 。当倾斜和摆动设定 不为 0时 ，单缸辊缝闭环能够快速跟踪 自身的位置参 考 ，而 1 号 、2号缸 间倾斜 同步闭环 的输 出一 正一负 叠加到这 2个液压缸的辊缝参考上，使 1号、2号缸 间的实际倾斜值快速跟随倾斜设定值。同理，3号、 4号缸间倾斜同步闭环，1号、3号缸间的摆动同步 闭环、2号、4号缸 间的摆动同步闭环也将使倾斜实 际值、摆动实际值快速跟随对应的参考。可见，通过 该方式实现了4个液压缸的相互耦合 ，既可以实现倾 斜摆动的调节 ，也可以实现4个缸同步平行压下。 7 0 机床与液压 第 4 2卷 斜坡发生器 号缸 度补偿 鱼 ‘ ． i 面 1 ． ， 主 _ g 1 斜坡 发 生器 4 号 缸 ⋯ ] g t -s et L圊 ． 倾斜 刚度 补 偿值 H G c 兰 笙 辊缝控 制 ， 矫 直力控 制选 择 度补 偿值 t 一 譬 ⋯ H G C 2 塑 辊 『 度补偿值 岛 P H G C 3 辊 『 度补 偿值 乳 t 一 g IG C 4 位 置 控 制 器辊 l1 1 I 步控制器 『l 十t 一 ]l L g s x 3 ． _ c l 1 - { 一 ⋯ 偿一I l 舌 ／ I i ．HGC 1 矫直力控制器 主 _ ， 1 ， 『广 ] ， 一 HGC2 矫直 力控 制 器 ， 2 一 主 - ⋯一 l广 l j B d ．HGC 3 矫 直 力控 制器 ， 1 一 。 ￡ ] 主 _ ， 3 一 I厂 ] I I，。 一 l ￡ 1．HGC4 矫直 力控 制 嚣 一 主 _ I广 _ 二 ] 制／ 娇直 力控 制选 择 补 偿 l 号 伺服 阀 号 压 力粕 1 卜_ ． Ⅱ 皿 ． HGC 4 补 服补倒 ] I - l 3 号 伺 服 阀 。 侧 压 力 测 量 佃 口 3 、4 号缸 被压 杆侧。 压力 测 量 图 1 矫直机闭环控制框 图 由于 P I D控制算法具有结构简单 、稳定性好 、可 为进一步提高同步性能，多采用模糊 P I D控制、 靠性高等优点 ，在工程实际 中得到广泛应用 ，其控 制 神经网络 P I D控 制等先 进控制方式 。此工程 中 ，倾 误差 e t 与输 出 t 的关系为 斜 和摆 动同步闭环采用一种变增益非线性 P控制 ，其 k p T d ] 5 式中k 为比例系数；T i 为积分时间； 为积分时 间 。 虽然微分环节能够改善系统的动态特性 ，对偏差 的变化进行提前预报，但其抗干扰能力差，极易产生 高频震 荡 ，在 伺服 压 下 系统 中，一 般采 用 P I 控 制 。 又由于控制系统的输出对应于伺服阀开口度，亦即对 应于液压系统的流量，而位置和压力的增量为流量的 时间积分，即对以位置或压力为控制目标的整个控制 系统而言，已经包含积分环节，因此控制器不再需要 积 分环节 ，一般 只采用 比例控制 。 调试 时 ，首先对 4个 主液压缸 的单缸辊缝 闭环进 行参数优化，尽量使其具有近似的动、静态特性 ，系 统工作后再投入倾斜摆动同步闭环控制 ，并进行相应 的参数优化。 比例增益参数采用如下函数 k o b 1 一 S e c h C p e 6 式中 o b 、C 。 为正实常数 ；e t 为倾 斜 闭环 或摆 动闭环的输入误差 。 当 e 一 ∞ 时 ，后 。取 最 大 值 。 b ，当 e t O时 ，k 取最小值 。 ，调整 c 的大小可 以改变 k 的变化速率。选择合适的参数 ，可以使倾斜同步 和摆动 同步闭环既能快速响应 ，又减 小超调。倾斜 和 摆动辊缝闭环采用相同的比例参数k 函数。 其次，由于伺服阀的流量与其入 口、出口间压力 差的平方根成正比，使得伺服阀在控制系统表现为一 个非线性环节 ，必须对其进行 非线性 补偿 。另外 ，液 压缸以及伺服阀在长期运行后性能会下降，主要反映 为泄漏 或零漂 增加 ，需要进行相应 的补偿 。 2实际控制效果 为了保证矫 直机位置控制精度及 响应 速度 ，采用