CVC控制系統(tǒng)振動分析與優(yōu)化研究

張澤朋，王超

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司熱軋作業(yè)部，河北 唐山 063200）

熱軋帶鋼生產(chǎn)線的一個重要指標(biāo)是板型控制，板型控制的質(zhì)量直接影響著帶鋼的成材率、生產(chǎn)成本及產(chǎn)品表面質(zhì)量，進而影響帶鋼產(chǎn)品的市場競爭力。隨著軋鋼技術(shù)的不斷發(fā)展，CVC（Continuosly Variable Crown）控制系統(tǒng)在現(xiàn)代熱軋帶鋼生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中普遍存在控制系統(tǒng)振動問題，控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)振動，將造成板型控制的異常，進而影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定。

1 CVC（Continuosly Variable Crown）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

CVC控制系統(tǒng)又稱為連續(xù)凸度控制系統(tǒng)，工作輥磨制成S形。上下兩個軋輥都同樣地磨制，但是，上軋輥的輥型與下軋輥交錯180°，因此，它們互相補充以形成一個對稱的輥縫凸度。軋輥互相逆著軸向移動產(chǎn)生了一個連續(xù)可變凸度（CVC）的結(jié)果，如圖1所示。

圖1 CVC控制系統(tǒng)運動簡圖

CVC控制系統(tǒng)的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，上、下工作輥通過不同的液壓缸進行驅(qū)動。每個液壓缸體安裝有檢測位移的磁尺，磁尺作為CVC控制系統(tǒng)的反饋部分，可以實時檢測液壓缸的伸出量并反饋至PLC系統(tǒng)進行運算。PLC系統(tǒng)根據(jù)位置設(shè)定值與反饋值，實時比較出設(shè)定位置與現(xiàn)場實際反饋位置的偏差E(t)，通過對偏差進行比例、積分運算后輸出控制信號，控制伺服閥驅(qū)動液壓缸動作，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。

CVC控制系統(tǒng)的工作模式分為操作工手點動控制、手動APC控制和自動給定設(shè)定值控制（通過二級系統(tǒng)進行設(shè)定）三大模式。不同模式下，雖然CVC控制系統(tǒng)的位置控制目標(biāo)來源不同，但都需要限定在一定的位置動作范圍，防止對機械結(jié)構(gòu)造成損傷，其位置動作范圍為±150mm，一旦超出動作范圍，將觸發(fā)控制系統(tǒng)的連鎖保護切斷控制系統(tǒng)的輸出，鎖定液壓缸。通過以上描述可以發(fā)現(xiàn)，CVC控制系統(tǒng)是控制液壓缸實現(xiàn)上、下工作輥進行對稱逆向位置控制，位置控制過程中出現(xiàn)振動，將導(dǎo)致整個CVC控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動（如圖2所示），位置控制的穩(wěn)定性與否將直接影響整個帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

圖2 CVC控制系統(tǒng)振動圖示

2 CVC控制系統(tǒng)振動原因分析

2.1 不同工作模式下的位置控制速率問題

CVC控制系統(tǒng)有三大工作模式，不同的工作模式對應(yīng)不同的工藝需求，不同模式下的位置控制的目標(biāo)值來源不同，原有的控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一階躍下發(fā)的模式，在PLC的一個掃描周期50毫秒內(nèi)將位置控制的目標(biāo)值進行快速下發(fā)，快速下發(fā)位置控制目標(biāo)位置后，PLC系統(tǒng)快速處理目標(biāo)位置任務(wù)，會對系統(tǒng)產(chǎn)生一個階躍沖擊，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定并產(chǎn)生振蕩。

2.2 位置控制過程中的參數(shù)整定問題

CVC控制系統(tǒng)采用比例、積分的傳統(tǒng)閉環(huán)控制方式進行位置控制，傳統(tǒng)控制的缺點就是不能準(zhǔn)確地對描述出系統(tǒng)模型中各個變化量的關(guān)系，因此，不能應(yīng)對變量的各種變化?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性較差，一旦系統(tǒng)中的某個或者某幾個狀態(tài)發(fā)生變化，將造成控制系統(tǒng)的失控，引發(fā)位置控制出現(xiàn)振蕩。另外，原控制系統(tǒng)在積分作用的投用條件，積分作用限幅方面無任何限制，與比例作用一同進行運算，存在較大隱患。一旦現(xiàn)場機械、液壓設(shè)備動作卡阻或者控制信號丟失，極易引發(fā)積分作用遠遠超過伺服閥的執(zhí)行能力的情況，產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，進而引發(fā)CVC控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)、失控。

2.3 控制設(shè)備異常老化問題

磁尺在CVC控制系統(tǒng)中擔(dān)任位置實時反饋的重要角色，一旦磁尺檢測出現(xiàn)跳變、數(shù)值失真，將會造成整個控制系統(tǒng)的異常，引發(fā)閉環(huán)控制出現(xiàn)振動。在位置控制過程中，原控制系統(tǒng)無磁尺異常的連鎖，在磁尺異常時對系統(tǒng)無有效保護手段。對磁尺出現(xiàn)的跳變無濾波功能，磁尺檢測的位置一旦跳變，極易對系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。伺服閥是CVC控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行機構(gòu)，伺服閥的精度將直接影響系統(tǒng)精度，CVC控制系統(tǒng)的伺服閥選用500Hz的高靈敏度伺服閥，響應(yīng)時間達2毫秒，一旦伺服閥出現(xiàn)飄移動，將會對系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。原系統(tǒng)對伺服閥的控制無任何補償功能，是系統(tǒng)發(fā)生振動的一個潛在因素。

3 CVC控制系統(tǒng)防振動優(yōu)化

綜合考慮以上影響因素，筆者梳理出針對CVC控制系統(tǒng)振蕩的優(yōu)化措施，具體如下。

3.1 不同工作模式下的位置控制速率優(yōu)化

針對位置控制目標(biāo)的下發(fā)，在不同工作模式下采用不同的下發(fā)斜率進行目標(biāo)位置下發(fā)。操作工點動工作模式時，處于非軋鋼狀態(tài)，只是用于測試設(shè)備的動作狀態(tài)，而且動作保護連鎖不完善，速度快極易引發(fā)現(xiàn)場設(shè)備振動、損壞，因此，采用較小的位置下發(fā)速度，根據(jù)實際測試將位置下發(fā)速度的斜率定在±10mm/s。手動APC時，已比較接近二級自動下發(fā)位置控制目標(biāo)值的狀態(tài)，因此，二者進行統(tǒng)一優(yōu)化，將原有的目標(biāo)值階躍式下發(fā)，修改為±50mm/s的速度進行目標(biāo)確定。

3.2 位置控制過程中的參數(shù)整定優(yōu)化

為應(yīng)對變量的各種變化，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，對控制系統(tǒng)的比例、積分參數(shù)進行了重新整定。熱軋帶鋼生產(chǎn)線的產(chǎn)品規(guī)格變化較多，每天的變化規(guī)格可達上百種，為適應(yīng)不同厚度、寬度、鋼種的帶鋼，開發(fā)了參數(shù)自整定功能，該功能可以根據(jù)不同的帶鋼厚度、寬度、鋼種進行比例、積分參數(shù)的自動選擇，進而實現(xiàn)參數(shù)整定優(yōu)化功能。另外，為防止積分作用投用過早，產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，對積分作用的投用進行了嚴(yán)格的限定。

3.3 控制設(shè)備異常老化補償、檢測

為對磁尺狀態(tài)進行實時檢測，巧妙地通過PLC的掃描周期的變化進行磁尺狀態(tài)監(jiān)控，將磁尺前一個掃描周期（50mm）和當(dāng)前掃描周期的檢測值進行比對，當(dāng)差值超過±100mm/s時，做出相應(yīng)的報警提示，提示磁尺存在的異常。對于出現(xiàn)的一個掃描周期的碼值跳變，增加濾波功能，減少磁尺跳變對系統(tǒng)的影響。針對伺服閥的老化飄移現(xiàn)象，對伺服閥增加了零點飄移補償功能，具體為位置控制設(shè)定與反饋偏差小于0.1mm時，對私服閥的輸出進行記憶鎖定，將其作為對后續(xù)輸出的參考。

經(jīng)過以上措施優(yōu)化后，CVC控制系統(tǒng)的振動現(xiàn)象得到了徹底抑制，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的CVC控制系統(tǒng)曲線

4 結(jié)語

本文通過對熱軋產(chǎn)線CVC控制系統(tǒng)進行介紹，分析了其日常應(yīng)用中出現(xiàn)的振動異常問題，通過位置控制下發(fā)速率和執(zhí)行速率優(yōu)化，閉環(huán)控制參數(shù)整定優(yōu)化，設(shè)備異常檢測、補償優(yōu)化等手段解決了CVC控制系統(tǒng)的振動問題，保障了穩(wěn)定生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。