強(qiáng)力卷取機(jī)液壓系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定性探究

包國(guó)華，陳建林

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

強(qiáng)力卷取機(jī)液壓系統(tǒng)壓力控制穩(wěn)定性探究

包國(guó)華，陳建林

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

通過(guò)對(duì)液壓伺服控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析與計(jì)算，分析了八鋼熱軋3#強(qiáng)力卷取機(jī)1#助卷臂在動(dòng)作過(guò)程中壓力控制不穩(wěn)定的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校正消除這種震動(dòng)現(xiàn)象，使其伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定高效。

伺服控制系統(tǒng)；壓力控制；傳遞函數(shù)；PID調(diào)節(jié)器；穩(wěn)定性

1 前言

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，電液伺服控制技術(shù)在大型冶金設(shè)備使用的越來(lái)越廣泛，八鋼熱軋卷取機(jī)使用伺服控制系統(tǒng)來(lái)完成助卷輥位置、壓力的閉環(huán)控制。

液壓伺服控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)控制過(guò)程中的系統(tǒng)快速性、精確性和穩(wěn)定性有著很高的要求。但是對(duì)于同一個(gè)液壓伺服控制系統(tǒng)而言，其穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的。提高快速性，可能會(huì)引起強(qiáng)烈的震蕩；改善了穩(wěn)定性，控制過(guò)程有可能過(guò)于遲緩，甚至精度也會(huì)變差。因此在設(shè)計(jì)液壓伺服控制系統(tǒng)是要對(duì)其穩(wěn)定性、精確性和快速性進(jìn)行校正。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，控制系統(tǒng)的校正多采用PID（Proportional Integral Derivative）調(diào)節(jié)器校正，其參數(shù)設(shè)定方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，應(yīng)用效果良好。通過(guò)對(duì)八鋼熱軋3#卷取機(jī)1#助卷臂的控制系統(tǒng)的分析，探討保證精度和快速性穩(wěn)定不變的情況下，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 3#卷取機(jī)1#助卷臂存在的主要問(wèn)題

熱軋3#卷取機(jī)作為厚規(guī)格帶鋼的卷取設(shè)備，由于其長(zhǎng)時(shí)間的使用，其當(dāng)初的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生了一些變化。如卷取機(jī)工作壓力的調(diào)整，機(jī)械設(shè)備的銹蝕磨損及相對(duì)應(yīng)的安裝配合間隙的變化，使原有的控制系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)不符合伺服液壓控制系統(tǒng)的要求。因此，3#卷取機(jī)在工作使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動(dòng)，這種震動(dòng)主要存在于1#助卷臂在打開(kāi)最大位置開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)候，持續(xù)時(shí)間大約為2s。這種高頻震動(dòng)一方面導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的疲勞失效加?。涣硪环矫嬖斐删砣C(jī)所有的螺紋緊固在這種震動(dòng)下失效；嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致高壓油管焊縫開(kāi)裂，引起成火災(zāi)。

3 故障原因分析

通過(guò)對(duì)3#卷取機(jī)1#助卷臂（以下簡(jiǎn)稱(chēng)助卷臂）控制系統(tǒng)各檢測(cè)元件記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖1。發(fā)現(xiàn)當(dāng)助卷臂處于工作狀態(tài)下，在最大位置開(kāi)始動(dòng)作抱緊卷筒時(shí)，伺服閥開(kāi)口度發(fā)生變化，在大約T=1.869s的時(shí)間內(nèi)，伺服閥的開(kāi)口度是高頻次變化的，是不穩(wěn)定的，與此同時(shí)液壓缸的壓力也在劇烈波動(dòng)。由于壓力的波動(dòng)，其相關(guān)液壓設(shè)備會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)沖擊。因此認(rèn)為助卷臂的這種高頻震動(dòng)是由于液壓缸的壓力波動(dòng)所導(dǎo)致，而這種壓力波動(dòng)是由于伺服閥的啟閉特性決定的。由于助卷臂采用的是伺服液壓控制系統(tǒng)來(lái)完成動(dòng)作，因此處理好液壓伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就能有效地防止或減緩這種有害震動(dòng)。

圖1 1#助卷輥位置控制時(shí)的壓力波動(dòng)圖與伺服閥的開(kāi)口度

4 液壓伺服控制系統(tǒng)穩(wěn)定性校正

已知助卷臂的控制原理及各環(huán)節(jié)的穿的函數(shù)如圖2所示，助卷臂的動(dòng)力元件采用的是四通閥控液壓缸，由于不考慮有彈性負(fù)載，因此其動(dòng)力元件的傳遞函數(shù)包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)，與此同時(shí)系統(tǒng)中還有伺服放大器、電液伺服閥及位移傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖2 控制原理及各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

由圖2計(jì)算助卷臂控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

式中K0為系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，K0=KfKsvKa/Ap

3#機(jī)1#助卷臂原始數(shù)據(jù)：液壓缸控制腔作用面積Ap=4.91×10-2m2；電液伺服閥增益Ksv=84.5× 10-3m3/(s.A)；伺服閥的固有頻率ωsv=483.7rad/s；伺服閥阻尼比 ωsv=0.7；液壓動(dòng)力元件的固有頻率ωh=734.8rad/s；液壓動(dòng)力元件的阻尼比Vhsv=0.2；位移傳感器的增益Kf=1000V/m。

因?yàn)橄到y(tǒng)要調(diào)整，所以Ka伺服放大器增益待定。

經(jīng)計(jì)算，KfKsv/Ah=1720V/A伺服放大器增益待定。未經(jīng)系統(tǒng)校正的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：

為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，必須使相位裕量γ和幅值裕量Kg均為正值。還要有一定的穩(wěn)定裕量。因此保證系統(tǒng)的穿越頻率ωc小于除ωr外的所有其他環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)之和ΣT的倒數(shù)，即

一般取ωc≈1/（2ΣT），此處取ωc=70.75rad/s。由于ωc處的漸近線斜率為-20db/dec，所以相位裕量為正值。增益裕量為正值時(shí)，系統(tǒng)就可以穩(wěn)定了。因此：

則系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益為：K0=294.12

將Ka的值設(shè)計(jì)為0.171時(shí)，滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。通過(guò)PID調(diào)節(jié)器將伺服放大器的總增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定為0.171時(shí)，對(duì)3#卷取機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，其各檢測(cè)元件的檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示，前面出現(xiàn)的壓力波動(dòng)減弱，伺服閥的跟隨性變好。

圖3 經(jīng)過(guò)PID調(diào)整后的伺服閥開(kāi)度參數(shù)

如圖3所示，伺服閥的反饋值明顯穩(wěn)定，壓力波動(dòng)減弱。3#卷取機(jī)1#助卷臂在動(dòng)作時(shí)沖擊減小，高頻震動(dòng)現(xiàn)象消失，狀態(tài)明顯改善，優(yōu)于沒(méi)有通過(guò)PID調(diào)節(jié)之前的設(shè)備狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)助卷臂的控制系統(tǒng)的分析，了解控制系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)其穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性的影響，經(jīng)過(guò)對(duì)3#卷取機(jī)1#助卷臂的震動(dòng)分析，對(duì)控制其的傳遞函數(shù)的分析和計(jì)算，找出了產(chǎn)生震動(dòng)的原因，通過(guò)開(kāi)環(huán)增益的調(diào)整，在不影響設(shè)備的精確性和快速性的前提下對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行校正，減弱或消除這種不良的機(jī)械振動(dòng)，使設(shè)備運(yùn)行在良好的工作環(huán)境下。同時(shí)為今后伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，改善設(shè)備狀態(tài)積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]張也影.流體力學(xué).北京：高等教育出版社，1999.9.

[2]楊征瑞.電液比例與伺服控制.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.8. [3]王積偉.控制工程基礎(chǔ).北京：高等教育出版社2000.1.

Study on the Stability of Pressure Control of Hydraulic System of the Powerful Coiler

BAOGuo-hua，CHENJian-lin
（XinjiangBayi Iron&Steel Co.,Ltd）

Through the analysis and calculation of the transfer function of the hydraulic servo control system,this paper analyzes the instability of the pressure control in the process of the No.1 winding arm of the No.3 strong coiler of hot rollingmill.The stabilityofthe servocontrol systemis more stable and efficient bycorrectingits stability

servocontrol system;pressure control;transfer function;PIDregulator;stability

TG333.2+4

B

1672—4224（2016）04—0046—03

聯(lián)系人：包國(guó)華，男，本科，冶金機(jī)械工程師，烏魯木齊（830022）新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠

E-mail：baogh@bygt.com.cn