冷軋機(jī)液壓輥縫控制系統(tǒng)分析

何英春(本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 117000)

冷軋機(jī)液壓輥縫控制系統(tǒng)分析

何英春
(本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 117000)

HGC(液壓輥縫控制)系統(tǒng)是AGC(厚度自動(dòng)控制)系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是與軋制速度控制系統(tǒng)、帶鋼張力控制系統(tǒng)一起保證板帶材縱向厚度的均勻性和較高的厚度精度。本文針對(duì)某四機(jī)架冷連軋機(jī)液壓壓下系統(tǒng)軋制力方式下的控制模型仿真分析，研究其在軋制力控制方式下的動(dòng)態(tài)特性，并為如何提高控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

冷連軋機(jī)； HGC系統(tǒng)； Simulink仿真；動(dòng)態(tài)特性

板厚是板帶材質(zhì)量的主要衡量指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。己成為國內(nèi)外軋鋼行業(yè)普遍關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)〔1,2〕?，F(xiàn)代高速、高效的板帶材的加工，要求HGC系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓下并達(dá)到精度要求。這就要求控制系統(tǒng)滿足兩點(diǎn)〔3〕：1.控制模型的準(zhǔn)確性；2.HGC系統(tǒng)的快速性。其工作原理：HGC液壓輥縫監(jiān)控系統(tǒng)為一負(fù)反饋控制流程，可依定AGC厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定的輥縫間距，通過控制反饋系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)的糾錯(cuò)調(diào)整，帶動(dòng)液壓缸動(dòng)作，位移調(diào)整軋機(jī)工作輥之間的輥縫，進(jìn)而通過軋制力大小的改變來消除厚度誤差。

1 HGC系統(tǒng)建模

某四機(jī)架冷連軋機(jī)液壓輥縫監(jiān)控系統(tǒng)主要由PID控制調(diào)節(jié)器、放大系統(tǒng)、電液伺服閥、液壓缸(輥系)負(fù)載和位移傳感器等部分組成。進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析及PI控制參數(shù)的優(yōu)化，建立各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)其傳遞函數(shù)為：

(1)

式中 ξsv—伺服閥阻尼系數(shù)；

ωsv—伺服閥固有角頻率；

Ksv—伺服閥增益系數(shù)；

s—拉普拉斯算子；

ωr—慣性環(huán)節(jié)角頻率；

ω0—振蕩環(huán)節(jié)無阻尼自振頻率；

ξ0—振蕩環(huán)節(jié)阻尼比。

此外，KV=KpKaKsvKfA/KceKi，各參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

2 HGC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

液壓輥縫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析為頻域響應(yīng)和時(shí)域階躍響應(yīng)兩種分析方法。通過Simulink軟件仿真分析，做出Kp=600，Ki=0.02時(shí)系統(tǒng)的伯德圖和階躍響應(yīng)曲線，如圖1- 圖3所示。

由圖可見，當(dāng)Kp=600，Ki=0.02時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為27%，幅值裕量Gm=18dB，相位裕量Pm=48.5deg，上升時(shí)間為9.5ms，調(diào)整時(shí)間為58.2ms。由此可知，本系統(tǒng)是穩(wěn)定的且響應(yīng)速度也很快。

圖1 系統(tǒng)頻域幅值圖

圖2 頻域相位圖

圖3 系統(tǒng)時(shí)域階躍響應(yīng)曲線

3 PID控制參數(shù)優(yōu)化及動(dòng)態(tài)特性影響因素分析

3.1 PID控制參數(shù)優(yōu)化

通過調(diào)節(jié)Kp、Ki參量使系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。當(dāng)Ki=0.02時(shí)，不同的Kp值對(duì)系統(tǒng)各性能指標(biāo)的影響曲線如圖4所示；當(dāng)Kp=600時(shí)，不同的Ki值對(duì)系統(tǒng)各性能指標(biāo)的影響曲線如圖5所示。

由圖4和圖5可知，當(dāng)Kp>500，Ki=0.02時(shí)，各曲線趨于平緩，變化的幅度不大；同時(shí)當(dāng)Ki∈[0.02,0.08]，Kp=600時(shí)，調(diào)整時(shí)間有所大幅變化之外，其余曲線趨于平緩，變化的幅度仍然不大。因此，本系統(tǒng)的PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的取值范圍：Kp>500且Ki∈[0.02,0.08]。優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)為Kp=600，Ki=0.03左右時(shí)，上升時(shí)間為8.28ms，超調(diào)量為24.6%，調(diào)整時(shí)間為75ms，幅值裕量18.2dB，相角裕量為56.2deg，壓下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性達(dá)到最優(yōu)。

圖4 Kp值對(duì)系統(tǒng)各性能指標(biāo)的影響曲線

圖5 Ki值對(duì)系統(tǒng)各性能指標(biāo)的影響曲線

3.2 動(dòng)態(tài)特性影響因素分析

影響液壓輥縫監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的因素，除PID控制參數(shù)外，主要還有伺服閥響應(yīng)頻率、液壓缸固有頻率對(duì)液壓輥縫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響〔5〕。

當(dāng)伺服閥響應(yīng)頻率逐漸增大時(shí)，通過計(jì)算和階躍響應(yīng)超調(diào)量可知，隨著響應(yīng)頻率的增大，幅值裕量增大，而階躍響應(yīng)超調(diào)量減小。因此應(yīng)用中選擇響應(yīng)頻率高的伺服閥，可提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

當(dāng)液壓缸固有頻率增大時(shí)，幅值裕量增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變快。因此，可以增大液壓缸固有頻率，主要可以通過改善優(yōu)化液壓缸的有效工作結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

本文建立了四機(jī)架冷連軋機(jī)液壓輥縫監(jiān)控系統(tǒng)的模型。通過仿真技術(shù)對(duì)HGC液壓輥縫監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，分析影響液壓輥縫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的因素，找出了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的途徑，取得了最優(yōu)PID控制參數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)性。

〔1〕連家創(chuàng),劉宏民.板厚板形控制〔M〕.北京：兵器工業(yè)出版社，1996.4.

〔2〕肖白.我國冷軋(寬)板帶生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢〔J〕.中國冶金，2004，14(4)：14-16.

〔3〕董國江.冷連軋機(jī)壓下系統(tǒng)建模及仿真的研究〔D〕.燕山大學(xué)碩士論文，2001.11.

〔4〕鄒家祥，徐樂江，等.冷連軋機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)控制〔M〕.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

〔5〕李光勝，肖凱鳴，等.影響液壓壓下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的因素研究〔J〕.液壓氣動(dòng)與密封，2001，12(6)：4-7.

Analysis of Hydraulic Roll Gap Control System for Cold Rolling Mill

HE Ying-chun

(SteelPlateCo.Ltd.BenxiSteel,Benxi,Liaoning, 117000,China)

HGC(hydraulic gauge control) system is an important part of AGC(automatic gauge control)system, and its function is to ensure the uniformity of longitudinal thickness of plate and strip, and the higher thickness accuracy together with the rolling speed control system and the strip tension control system. By using the simulating and analyzing the four stand cold tandem rolling with the control model, the paper studies the dynamic characteristics under rolling force mode of hydraulic system. It provides theoretical basis for how to improve the dynamic characteristics of the control system and optimize the parameters.

Tandem cold rolling mill; HGC system; Simulink simulation; Dynamic characteristics.

2017-02-15

何英春(1970-)，男，遼寧盤錦人，本鋼板材股份有限公司工程師。

1008-3723(2017)02-002-03

10.3969/j.issn.1008-3723.2017.02.002

TG333

A