板帶軋機電動及液壓壓下聯(lián)合控制系統(tǒng)

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進步，我國經(jīng)濟得到了快速的發(fā)展，汽車、電子等行業(yè)對板帶鋼材的質(zhì)量要求越來越高。厚度是板帶材最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，厚度自動控制AGC控制性能的優(yōu)劣將直接影響軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。本文對該軋機采取的改造方案為電動壓下和液壓壓下聯(lián)合控制板厚，由電動壓下進行輥縫粗調(diào)，液壓壓下系統(tǒng)負(fù)責(zé)輥縫精調(diào)。

關(guān)鍵詞：板厚自動控制；電動壓下；液壓壓下；聯(lián)合仿真

1板帶軋機厚度控制理論

1.1.影響軋制產(chǎn)品厚度的因素

軋制過程中，影響軋制產(chǎn)品厚度的因素很多，根據(jù)彈跳方程，生產(chǎn)實際中影響軋制產(chǎn)品厚度的因素主要如下：

1.1.1.軋機的機械裝置和液壓裝置

在軋機加工裝配過程中，零部件之間的誤差對軋機的剛度和空載輥縫造成直接影響，從而使得軋制產(chǎn)品的厚度偏離目標(biāo)值。軋機開始運作之后，其零部件會發(fā)生變形或扭曲，這都會改變軋機輥縫的大小和形狀。一般情況，軋機的剛度越大，軋機的彈跳量越小，輥縫的變化程度和軋制產(chǎn)品厚度偏差都越小，產(chǎn)品尺寸精度就越高。

1.1.2.軋件的來料特性

厚度不均、硬度變化、截面變化、平直度變化等來料特性會對軋制生產(chǎn)過程中的軋制力大小和輥縫值變化產(chǎn)生一定影響。當(dāng)影響因素已知，而來料特性未知，這就難以滿足軋制產(chǎn)品的厚度要求，此時，只有軋機的厚度自動控制系統(tǒng)才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.1.3.軋機的控制系統(tǒng)

軋機的控制系統(tǒng)分為軋機硬件設(shè)備和控制模型。限制軋機厚度控制精度的硬件因素主要有計算機的速度與精度、傳感器的精度與穩(wěn)定性等。

2. 板帶軋機壓下控制系統(tǒng)

2.1 .電動壓下自動控制系統(tǒng)

2.1.1.電動壓下控制過程

本軋機的傳動側(cè)和操作側(cè)分別安裝一臺西門子直流電機，用于空載時粗調(diào)軋機輥縫，當(dāng)接收到粗調(diào)輥縫設(shè)定值后，將電動輥縫調(diào)到目標(biāo)設(shè)定值，此外，通過進行傾斜度的監(jiān)控，使得傳動側(cè)和操作側(cè)的壓下位置偏差控制在允許的范圍內(nèi)，即上輥的傾角保持在允許的偏差范圍內(nèi)。電動壓下位置控制系統(tǒng)示意如圖1。

圖1 電動壓下位置控制系統(tǒng)原理圖

電動壓下控制方式為電機帶動齒輪、蝸桿、渦輪傳動，壓下兩臺50HP電機帶動齒輪嚙合。由于通過大齒輪連接軸上的蝸桿帶動軋機兩側(cè)蝸輪，蝸輪與壓下螺絲轉(zhuǎn)動，蝸輪旋轉(zhuǎn)是，壓下螺絲上下運動。電機之間的電磁離合器可以同步控制兩邊的壓下，離合器離開時，兩邊壓下電機可以進行單獨調(diào)節(jié)。

2.1.2.電動壓下定位過程的控制算法

在此調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使控制電機的轉(zhuǎn)速時刻隨著給定電壓發(fā)生變化而變化，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定控制電機的最大允許電流，穩(wěn)態(tài)運行時可以對負(fù)載的變化起抗擾作用，從而實現(xiàn)無靜差轉(zhuǎn)速。

2.2 .液壓壓下控制

傳統(tǒng)電動AGC存在很多問題，比如響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)精度差、壓下效率低等。此案待會的軋機一般都采用液壓壓下控制方式或者電液相結(jié)合的控制方式。液壓壓下控制系統(tǒng)可以根據(jù)軋制實際情況改變，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，從而保證軋制產(chǎn)品的厚度保持不變。其優(yōu)點主要有以下幾點：

2.2.1.液壓 AGC 的響應(yīng)速度快，調(diào)整精度高。液壓AGC系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)靈敏度高、摩擦力小，使得系統(tǒng)的慣性大幅度降低，得以快速響應(yīng)控制信號。相對于電動AGC來說，其具有較高的階躍響應(yīng)頻率，這個數(shù)值一般在25Hz 左右。同時，液壓采用先進的反饋方式，控制精度可以達(dá)到2.5um，這遠(yuǎn)抄電動裝置的精度。

2.2.2.液壓 AGC 的過載保護簡單可靠。液壓壓下系統(tǒng)有防止軋機過載的安全閥等，這可以方式損壞軋輥與軸承。在出現(xiàn)異常狀況時，如卡鋼、堆鋼等，可以快速排出液壓缸中的壓力油，實現(xiàn)過載保護。

采用液壓壓下方式可以根據(jù)工藝需要靈活地進行控制。液壓壓下方式可以方便的對軋機的當(dāng)量剛度進行控制，實現(xiàn)軋機的“恒輥縫控制”與“恒壓力控制”之間的轉(zhuǎn)換，以滿足不同軋制階段對機架當(dāng)量剛度的要求，適應(yīng)各種金屬、各種規(guī)程及不同厚度的軋制要求。

2.2.3.液壓 AGC 的體積小、重量輕，具有慣性低、工作平穩(wěn)的優(yōu)點，在功率相同的情況下，特別是在大功率工況下，液壓 AGC 與電動 AGC 相比，上述優(yōu)點的體現(xiàn)尤為明顯。

2.2.4.液壓 AGC 裝置均采用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，結(jié)構(gòu)簡單，使繁雜的機械結(jié)構(gòu)得以簡化，更能節(jié)約成本。

3. 基于 AMESIM 和 MATLAB 的 HAPC 仿真研究

3.1. 電液伺服位置仿真模型建立

根據(jù)液壓壓下伺服系統(tǒng)的物理模型特點，在 AMESIM 環(huán)境下構(gòu)造其機械液壓模型，具體步驟如下所述：

3.1.1.建立系統(tǒng)模型：首先選擇 AMESIM 的“繪圖模式”，根據(jù)軋機液壓壓下系統(tǒng)的實際物理模型，搭建好液壓壓下系統(tǒng)框架如圖3所示。利用 AMESIM 能夠?qū)崿F(xiàn)與 MATLAB/Simulink 進行聯(lián)合仿真的接口，在已經(jīng)搭建好的液壓壓下模型中搭建進行聯(lián)合仿真控制模塊。下圖 4所示為接口圖標(biāo)的設(shè)置界面。

3.1.2. 選擇系統(tǒng)子模型：根據(jù)實際需要，對系統(tǒng)中各個模塊選擇合適的子模型并進行儲存。

3.1.3.設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：根據(jù)實際設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，進行聯(lián)合仿真時使用這一步驟生成的S函數(shù)。

3.1.4.運行系統(tǒng)：點擊菜單“Tools”中的“start MATLAB”選項，這時系統(tǒng)的 AMESIM 物理模型被MATLAB 軟件當(dāng)作一個普通的S函數(shù)，完成數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)液壓壓下系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

圖3 液壓 AGC 位置閉環(huán)系統(tǒng)模型

圖4 聯(lián)合仿真模型

接著上節(jié)的步驟在 MATLAB 環(huán)境中完成控制系統(tǒng)模型，圖5為在 MATLAB中建立的仿真模型。

圖5 模糊 PID 控制電液伺服位置系統(tǒng) Simulink 模型

Simulink 模型及參數(shù)準(zhǔn)備好之后，點擊運行按鈕，則系統(tǒng)開始運行，進行仿真。

3.2 .仿真結(jié)果與分析

當(dāng)空載時，液壓缸位移的變化就是輥縫的變化，取輸入階躍信號rin=0.15mm，模糊 PID 控制和常規(guī) PID 控制階躍跟蹤曲線如下圖6.

圖6 模糊 PID 控制和傳統(tǒng) PID 控制階躍響應(yīng)曲線

由仿真結(jié)果圖7可以得到：模糊 PID 控制效果明顯優(yōu)于常規(guī) PID，常規(guī) PID 超調(diào)量為 37%，而模糊 PID 無超調(diào)，無振蕩，上升時間比較快。與常規(guī) PID 控制相比，模糊 PID 系統(tǒng)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)誤差小，能夠有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，得到比較滿意的控制效果。

圖7 加入干擾信號后模糊 PID 控制和傳統(tǒng) PID 控制階躍響應(yīng)曲線

由于電液伺服控制系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，存在時變性、不確定性、外界干擾以及多種外界因素等的影響，采用傳統(tǒng) PID 算法時，難以選擇控制參數(shù)，系統(tǒng)存在抗擾能力低、超調(diào)量大等缺點；試驗結(jié)果表明該模糊 PID 自動厚度控制系統(tǒng)，能使厚度控制偏差快速接近目標(biāo)值，大大提高了厚度控制精度，既保留了 PID 控制器無靜差的特點，又能獲得模糊控制魯棒性強的優(yōu)點。

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