1450冷連軋機彎輥力伺服控制系統(tǒng)仿真分析

方桐

摘 要 本項目以1450冷連軋機彎輥力伺服控制統(tǒng)仿真分析為對象重點，利用amesim軟件搭建系統(tǒng)并仿真分析，驗證了該系統(tǒng)的良好性能。

關(guān)鍵詞 液壓伺服 板形 彎輥力伺服控制

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

1項目簡介

板形控制是冷軋板帶加工的核心控制技術(shù)之一，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，先進的板形控制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并日臻完善，板形控制技術(shù)得到了發(fā)展，并促進了冷軋板帶工業(yè)的裝備進步和產(chǎn)業(yè)升級，生產(chǎn)效率和效益大幅提升。板形控制是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)日益廣泛采用和致力于深入研究的課題，而液壓彎輥系統(tǒng)作為最常用的板形控制手段之一，液壓彎輥裝置是為了改變工作輥的凸度來控制板型，當(dāng)凸度增加時成為正彎，當(dāng)凸度減小時成為負彎。工作輥彎輥系統(tǒng)能夠在軋制期間及閉環(huán)控制回路的設(shè)置期間動態(tài)地修正輥縫，以便在整個帶鋼長度上板形恒定。

當(dāng)輥縫有載荷狀態(tài)，由軋制力使工作輥壓靠支承輥，當(dāng)輥縫無載荷狀態(tài)，該任務(wù)由工作輥平衡系統(tǒng)所取代。因此在工作輥和支撐輥之間確保了安全摩擦鎖緊及消除了上，下工作輥軸承裝配的間隙。當(dāng)增加液壓壓力時，該平衡缸作為工作輥彎輥而起作用。如沒有工作輥彎輥，那么輥縫形狀將是凹形即輥縫取決于輥凸度、帶寬和軋制力，輥縫變成凸形。因此通過規(guī)定的工作輥彎輥，工作輥的作用形狀改變，隨之輥縫形狀也改變。目前廣泛應(yīng)用于軋機的板形控制之中，但由于其技術(shù)上的難度和基礎(chǔ)研究起步較晚，目前國內(nèi)設(shè)計的軋機大多數(shù)都是采用類比方法進行彎輥液壓系統(tǒng)的設(shè)計，或者是成套引進國外的技術(shù)，這種類比設(shè)計方法由于缺乏足夠的設(shè)計理論和依據(jù)，存在很多缺陷，不是難以滿足設(shè)計要求，就是造成設(shè)備能力和資源的浪費。因此，深入研究板形控制液壓彎輥系統(tǒng)弄清其設(shè)計思想和原理，無疑具有重要的理論意義和實際價值。基于上述思想，本項目以1450冷連軋機彎輥力伺服控制統(tǒng)仿真分析為對象重點。

2系統(tǒng)組成和工作原理

彎輥力控制系統(tǒng)是由液壓缸產(chǎn)生一定的彎輥力，這個彎輥力作用于工作輥，使工作輥瞬間改變其撓度，進而改變輥縫形狀，從而實現(xiàn)對于板材形狀的調(diào)整。實際工作中，是用液壓缸中的工作壓力來表示彎輥力的，再通過壓力傳感器反饋給控制單元，控制單元將反饋信號和已經(jīng)設(shè)置好的壓力數(shù)值做深入的分析和比較，然后通過伺服閥的開度去控制液壓缸輸出的彎輥力，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制

控制彎輥力的系統(tǒng)相對復(fù)雜的一個系統(tǒng)，在查閱了有關(guān)該系統(tǒng)的一些資料后，將彎輥力控制系統(tǒng)化簡成為一個壓力控制伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)組要是由以下幾部分組成，分別是伺服放大器，計算機控制部分，電液伺服閥，液壓缸，以及負載及壓力傳感器等組成部分。經(jīng)過分析得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖見下圖1：

圖1 彎輥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖1中壓力傳感器將采集到的彎輥液壓缸壓力值反饋至伺服閥的控制單元，組成彎輥力閉環(huán)控制系統(tǒng)。在整個板帶的軋制過程中，要根據(jù)板帶的實際形狀來實時的去調(diào)節(jié)彎輥力的大小，使得在預(yù)設(shè)定的彎輥力值附近波動。由圖1可以畫出電液伺服彎輥力控制系統(tǒng)的原理圖，見圖2。

圖2 電液伺服彎輥力控制系統(tǒng)的原理圖

3項目數(shù)據(jù)與設(shè)計任務(wù)

4系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

（1）控制器采用PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：

式中，E0為控制器的輸出電壓，PI 控制器中的比例、積分系數(shù)Kp、KI，采樣時間為t，E（t）為輸出的偏差電壓。

（2）伺服放大器的傳遞函數(shù)：

伺服放大器是將電壓轉(zhuǎn)換為電流對伺服閥進行控制的，可把傳遞函數(shù)近似的看成是一個比例環(huán)節(jié)。

I=KaE0

I為放大器輸出的電流，Ka放大器的放大系數(shù)。

（3）電液伺服閥閥芯位移與放大器輸出電流的關(guān)系：

xv為伺服閥的閥芯位移，wsv為伺服閥固有頻率，為伺服閥阻尼比，Ksv為伺服閥位移對電流的放大系數(shù)。

（4）伺服閥流量與伺服閥閥芯位移的關(guān)系為：

W為伺服閥閥芯面積梯度，伺服閥的流量為伺服閥的工作壓力為PL，流量系數(shù)為Cd， Ps為供油壓力。

（5）液壓缸的連續(xù)性方程：

Vt為液壓缸控制腔初始容積，液壓缸無桿腔面積為Ah，液壓缸位移為xp，Ctp為液壓缸總泄露系數(shù)，液壓油等效容積模量為%[e。

（6）對負載進行受力分析得到負載平衡方程：

彎輥力為Fg，液壓缸有桿腔面積為A'，折算到液壓缸活塞上的等效質(zhì)量為m1，液壓缸的背壓為Pb，負載阻尼系數(shù)為Bp，負載等效彈簧剛度為kL。

（7）壓力傳感器選用的是美國PARKER公司的SCP系列，其傳遞函數(shù)可以看做是一階慣性環(huán)節(jié)：

Kfp為壓力傳感器放大系數(shù)，tfp為壓力傳感器時間常數(shù)。

根據(jù)以上所建立的數(shù)學(xué)模型以及所繪制的原理圖繪出系統(tǒng)的方框圖：