現(xiàn)代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺分析研究

楊威，曾凌霜

（1.寧波韻升股份有限公司；2.浙江吉利汽車有限公司，浙江 寧波 315800）

軋制過程仿真系統(tǒng)能夠?qū)堉粕a(chǎn)過程，運行控制以及模型計算等進行研究。該仿真系統(tǒng)包含過程控制，虛擬帶鋼以及仿真管理等，因此屬于結(jié)構比較復雜的仿真系統(tǒng)。當前我國所研究的軋制仿真系統(tǒng)主要是針對某部分而建立的。在軋制理論的基礎上仿真研究系統(tǒng)的機械部分。還有部分學者基于不同條件分析和研究液壓伺服系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)特性。鮮少有學者致力于研究主電機速度控制及卷取機張力控制。本次所研究的現(xiàn)代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺，在液壓部分考慮到液壓缸和伺服閥的管道動態(tài)特性、流量特性以及板帶塑性變形等。在此基礎上建立軋機液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型。并且合理應用磨損補償，彈跳補償以及監(jiān)控弧長等方式提升控制線系統(tǒng)的性能，并且比較分析了液壓系統(tǒng)的板厚問題，希望能夠?qū)ο嚓P研究學者起到參考性價值。

1 機械形變系統(tǒng)數(shù)學模型

1.1 軋件變形抗力模型

采用以下公式能夠計算出軋件的變形抗力：

其中K 表示變形抗力；Qf表示屈服強度；hY 表示硬化系數(shù)，mh 表示出口厚度，H 為入口厚度。

1.2 軋制壓力模型件

采用下列公式能夠表示出軋制壓力模型件：

1.3 軋制力矩模型

2 電氣轉(zhuǎn)速與直接張力控制模型

2.1 電機控制模型

定義下列時間常數(shù)：

此公式為電樞回路時間常數(shù)

此公式為電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù)。在以上公式，lT 為電樞回路時間常數(shù)，mT 為電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù)，R 表示電樞回路電阻，L 表示電感整流裝置內(nèi)阻以及平波電抗器電阻。Cε表示額定勵磁下轉(zhuǎn)速電壓比；2GD 表示電力運動部分折算到電機軸山的飛輪力矩； Cm表示額定勵磁下轉(zhuǎn)矩電流比。

2.2 主電機轉(zhuǎn)速控制模型

其主要應用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，內(nèi)環(huán)屬于電流環(huán)，可以有效擾動電網(wǎng)電壓波；電機過載狀態(tài)下，會對電樞電力最大值進行限制，實施安全防護。外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，能夠有效控制轉(zhuǎn)速，還可以擾動負載變化。晶閘管整流電流等效為一階慣性環(huán)節(jié)：

在上式當中，kv表示電壓放大系數(shù)，vT 表示延遲時間，s 表示液壓缸活塞與缸體間相對位移。

轉(zhuǎn)速檢測反饋器和電流檢測反饋器能夠等效為一階慣性環(huán)節(jié)：

在上式當中，kfn表示轉(zhuǎn)速電壓轉(zhuǎn)換比， Tfn表示電流電壓轉(zhuǎn)換比。

2.3 卷取直接張力控制模型

在該控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)張力控制時主要依靠恒功率或者最大力矩方式實現(xiàn)，已經(jīng)被廣泛應用到設備器械中。為了全面提升張力控制精度，嘗試應用直接張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，還有部分學者嘗試采用智能化控制方法，以上技術均得以成熟發(fā)展，顯著提升了張力精度。通過上述技術的應用，能夠優(yōu)化卷取直接張力控制的應用環(huán)境，顯著提升冷軋機組生產(chǎn)效率。

對于轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)換、電流調(diào)節(jié)器以及電流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)來說，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與主電機在函數(shù)傳遞形式方面相同。張力調(diào)節(jié)器應用比例積分方式。張力計采用一階慣性環(huán)節(jié)的包含非線性部分，通過三層神經(jīng)網(wǎng)絡映射函數(shù)：

3 液壓控制系統(tǒng)仿真模型

按照傳感器不同配置，可以將板帶厚度控制系統(tǒng)分為側(cè)厚儀反饋、磨損補償以及缸位移反饋等。此次研究主要是分析壓上系統(tǒng)動態(tài)特性。選擇軋制力和缸位移模擬量閉環(huán)方式。壓上系統(tǒng)組成元件包含測厚儀、液壓管路、電液伺服閥以及壓力傳感器等。其中伺服放大器能夠?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)化為電流，控制伺服閥。在分析期間可以忽略時間常數(shù)。因此，增量函數(shù)方式如下：

使用長管道連接液壓缸和電液伺服閥，管道采用分布參數(shù)模型設計。液壓缸的連續(xù)性方程如下：

在上式中，QL表示液壓缸連續(xù)性方程，1A 表示液壓缸桿腔面積， Ci表示流量系數(shù)，eβ 表示壓壓剛體積彈性模量，V0表示液壓缸腔體積， X( s) 表示液壓缸位移， Pc( s )表示液壓缸控制壓力。

4 機電液一體化系統(tǒng)仿真

4.1 冷軋機組設備布局

表1 為該冷軋機組工藝能力參數(shù)，表2 為開卷機，卷取機和主電機性能參數(shù)。

表1 冷軋機組工藝能力參數(shù)

表2 開卷機、卷取機和主電機性能參數(shù)

4.2 軋機機電液一體化控制仿真結(jié)果

傳動初始時期，先將開卷機啟動，后將張力投入卷取機中。實際張力等于設定值后需要投入液壓系統(tǒng)中。在調(diào)整軋制力閉環(huán)和位置閉環(huán)后，能夠確保壓下量與設定數(shù)值相同，此時將主電機啟動后可以對板帶進行軋制，再投入液壓前饋補償環(huán)節(jié)，此時就會破壞卷取機和開卷機，張力閉環(huán)投入運行中，確保張力穩(wěn)定于設定值周邊。

通過比較分析軋機檢測結(jié)果與不同仿真數(shù)據(jù)，張力誤差控制在5%以內(nèi)，主電機線速度誤差小于6%，軋制力誤差小于8%，出口厚度誤差小于4%。之所以會產(chǎn)生誤差數(shù)據(jù)，主要是因為檢測期間存在干擾因素以及模型線性化舍入所致。仿真結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)比較接近，由此可以說明，現(xiàn)代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺具備可行性。

5 結(jié)語

綜上所述，此次研究主要是圍繞現(xiàn)代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺展開討論，并且通過實際冷軋機作為案例分析。長期以來，關于冷軋機組的研究主要是針對系統(tǒng)某一具體部分而展開，沒有詳細分析整個系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足?；谝陨戏矫?，此次研究提出機電液一體化改變，并且立足于整體發(fā)展觀，分析和研究軋機性能與產(chǎn)品需求之間的有效配合，為軋制過程工藝的研發(fā)提供參考性價值。在此次研究中，從具體冷軋機中選取液壓模型參數(shù)和電控模型參數(shù)，結(jié)果顯示，實驗過程與仿真結(jié)果相似度非常高，因此說明現(xiàn)代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺具備可行性。但是在此次研究分析中，沒有論述模型與模型之間的耦合關系，還需要依靠軋制工藝設定確保仿真過程的獨立使用效果。因此在后續(xù)研究中還需要深入分析和研究系統(tǒng)耦合關系。本次研究的冷軋機主題為現(xiàn)代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺，通過對實際冷軋機的分析研究，并以此作為階段性研究開發(fā)基礎，希望相關人員在后續(xù)研究中能夠深入研發(fā)大型連軋機的數(shù)字化平臺。