板帶軋機電動及液壓壓下聯合控制系統

摘要：隨著科學技術的進步，我國經濟得到了快速的發展，汽車、電子等行業對板帶鋼材的質量要求越來越高。厚度是板帶材最重要的質量指標之一，厚度自動控制AGC控制性能的優劣將直接影響軋制產品的質量。本文對該軋機采取的改造方案為電動壓下和液壓壓下聯合控制板厚，由電動壓下進行輥縫粗調，液壓壓下系統負責輥縫精調。

關鍵詞：板厚自動控制；電動壓下；液壓壓下；聯合仿真

1板帶軋機厚度控制理論

1.1.影響軋制產品厚度的因素

軋制過程中，影響軋制產品厚度的因素很多，根據彈跳方程，生產實際中影響軋制產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，從而使得軋制產品的厚度偏離目標值。軋機開始運作之后，其零部件會發生變形或扭曲，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品厚度偏差都越小，產品尺寸精度就越高。

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過程中的軋制力大小和輥縫值變化產生一定影響。當影響因素已知，而來料特性未知，這就難以滿足軋制產品的厚度要求，此時，只有軋機的厚度自動控制系統才能保證產品的質量。

1.1.3.軋機的控制系統

軋機的控制系統分為軋機硬件設備和控制模型。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、傳感器的精度與穩定性等。

2. 板帶軋機壓下控制系統

2.1 .電動壓下自動控制系統

2.1.1.電動壓下控制過程

本軋機的傳動側和操作側分別安裝一臺西門子直流電機，用于空載時粗調軋機輥縫，當接收到粗調輥縫設定值后，將電動輥縫調到目標設定值，此外，通過進行傾斜度的監控，使得傳動側和操作側的壓下位置偏差控制在允許的范圍內，即上輥的傾角保持在允許的偏差范圍內。電動壓下位置控制系統示意如圖1。

圖1 電動壓下位置控制系統原理圖

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蝸輪，蝸輪與壓下螺絲轉動，蝸輪旋轉是，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節。

2.1.2.電動壓下定位過程的控制算法

在此調速系統中，轉速調節器是主導調節器，它使控制電機的轉速時刻隨著給定電壓發生變化而變化，轉速調節器的輸出限幅值決定控制電機的最大允許電流，穩態運行時可以對負載的變化起抗擾作用，從而實現無靜差轉速。

2.2 .液壓壓下控制

傳統電動AGC存在很多問題，比如響應速度慢、調節精度差、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合的控制方式。液壓壓下控制系統可以根據軋制實際情況改變，實現動態調節，從而保證軋制產品的厚度保持不變。其優點主要有以下幾點：

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

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，實現過載保護。

采用液壓壓下方式可以根據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量剛度進行控制，實現軋機的“恒輥縫控制”與“恒壓力控制”之間的轉換，以滿足不同軋制階段對機架當量剛度的要求，適應各種金屬、各種規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、工作平穩的優點，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，上述優點的體現尤為明顯。

2.2.4.液壓 AGC 裝置均采用標準液壓元件，結構簡單，使繁雜的機械結構得以簡化，更能節約成本。

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

根據液壓壓下伺服系統的物理模型特點，在 AMESIM 環境下構造其機械液壓模型，具體步驟如下所述：

3.1.1.建立系統模型：首先選擇 AMESIM 的“繪圖模式”，根據軋機液壓壓下系統的實際物理模型，搭建好液壓壓下系統框架如圖3所示。利用 AMESIM 能夠實現與 MATLAB/Simulink 進行聯合仿真的接口，在已經搭建好的液壓壓下模型中搭建進行聯合仿真控制模塊。下圖 4所示為接口圖標的設置界面。

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

3.1.3.設置系統參數：根據實際設置系統的參數，進行聯合仿真時使用這一步驟生成的S函數。

3.1.4.運行系統：點擊菜單“Tools”中的“start MATLAB”選項，這時系統的 AMESIM 物理模型被MATLAB 軟件當作一個普通的S函數，完成數據交換，實現液壓壓下系統的聯合仿真。

圖3 液壓 AGC 位置閉環系統模型

圖4 聯合仿真模型

接著上節的步驟在 MATLAB 環境中完成控制系統模型，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 Simulink 模型

Simulink 模型及參數準備好之后，點擊運行按鈕，則系統開始運行，進行仿真。

3.2 .仿真結果與分析

當空載時，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 PID 控制階躍跟蹤曲線如下圖6.

圖6 模糊 PID 控制和傳統 PID 控制階躍響應曲線

由仿真結果圖7可以得到：模糊 PID 控制效果明顯優于常規 PID，常規 PID 超調量為 37%，而模糊 PID 無超調，無振蕩，上升時間比較快。與常規 PID 控制相比，模糊 PID 系統響應快，穩態誤差小，能夠有效改善系統的動態性能，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 PID 控制階躍響應曲線

由于電液伺服控制系統是典型的非線性系統，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 PID 算法時，難以選擇控制參數，系統存在抗擾能力低、超調量大等缺點；試驗結果表明該模糊 PID 自動厚度控制系統，能使厚度控制偏差快速接近目標值，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點。

參考文獻：

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