RH頂升閥控液壓缸同步系統分析

張永鋒,丘銘軍,陳國防，寧 博

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

RH頂升閥控液壓缸同步系統分析

張永鋒,丘銘軍,陳國防，寧 博

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

針對RH頂升液壓缸在頂升過程中的恒速、同步的技術要求，有針對性的建立了閥控非對稱缸的simulink模型，利用速度負反饋PID和同步誤差正反饋PID控制，實現了四缸穩定的恒速同步運動。

閥控非對稱缸；Simulink；同步誤差；PID控制器

0 前言

RH爐外精煉設備是某鋼廠主要的爐外精煉設備，其鋼包頂升過程是由四個液壓缸同步恒速工作，通過頂升臺架將鋼包頂起。其原設計同步回路來源于新日鐵技術，由泵控同步馬達來實現的(圖1)，由于同步馬達存在長行程同步誤差較大(一般都超過30 mm)和累積誤差不可消除，啟停沖擊大，抗偏載能力差，更換維修費用大等弊端。因此現改造成采用比例閥控系統來實現頂升過程的同步和恒速問題，如圖2所示。

圖1 改造前原理圖Fig.1 Schematic diagram before reformation

由原理圖可以看出，在鋼包提升缸的上升和下降運動過程中，比例閥僅僅做單邊節流控制，上升時的背壓P2和下降時的驅動壓P2由其他液壓元件控制，因此，此比例閥控液壓缸模型與傳統對稱閥控制對稱液壓缸模型有很大不同，必須建立新的模型進行仿真研究。

1 閥控非對稱缸模型建立

目前，有關對稱閥控制對稱缸的傳遞函數和動態特性分析的研究已經很成熟了，但由于對稱閥和非對稱缸的不相容性，需要對對稱四通閥控制非對稱缸重新建立傳遞函數模型。

圖2 改造后原理圖Fig.2 Schematic diagram after reformation

圖3 閥控缸模型簡圖Fig.3 Schematic diagram of valve-controlled cylinder

圖3是閥控非對稱缸模型簡圖，Ps和Pt分別表示閥入口壓力和出口壓力，ΔP1和ΔP2表示閥口壓降，P1，P2分別表示液壓缸桿腔和塞腔壓力，PL表示負載壓力，A1表示桿腔環面積，A2表示塞腔活塞面積。

設

根據能量守恒，NL=Q1(P1-ηP2),其中NL表示系統的功率，忽略泄露等因素，則等于缸的功率

PL=P1-ηP2

藉由傳統閥控對稱缸的建模過程，可以得出閥控非對稱缸的三大方程如下

連續性方程

負載方程

由流量方程可得：P2=η2(Ps-P1)

(1)

QL(S)=KqXV(S)-KCPL(S)

(2)

A1PL(S)=(MS2+BS+K)Y(S)+FL(S)

(3)

由公式(1)～( 3)可得出閥控非對稱缸的傳遞函數方框圖如圖4所示。

圖4 閥控缸傳遞函數Fig.3 Transfer function of valve-controlled cylinder

化簡方框圖后可得輸出Y與輸入XV及外負載FL力之間的關系

式中，Kt為總流量-壓力系數。

2 單缸恒速提升運動建模仿真

在RH鋼包提升過程中，要求提升臺架的四套液壓缸可以根據工藝流程的不同采用不同的速度勻速上升，同時必須保證四缸同步，使提升臺架一直處于水平狀態。根據工藝要求可知，在提升過程中，初始階段采用高速運行，速度控制模式，當接近工作位時采用低速運行，位置控制模式。初始階段的高速同步控制模式最為困難，因此本文將利用MATLAB和Simulink工具分析四缸勻高速同步運行過程的動態特性，如圖5所示。

圖5 單缸PI速度控制Simulink模型Fig.5 Simulink model of PI velocity controlling for one cylinder

參數A1A2MtKf數值0.10050.1385150000160

未加PI控制器系統速度響應。對于大慣量的速度控制系統而言，微分環節會調整加速度的大小，從而影響輸出力和輸出速度，因此加入微分環節后的速度對負載干擾更加敏感，同時由于大慣量負載因素，速度調節不穩定，因此對于此速度控制系統利用PI控制器最為妥當。

根據系統要求，高速提升時速度0.05 m/s，斜坡輸入時間0.5 s，仿真結果如圖6所示。

圖6 PI校正前系統閉環速度時間曲線Fig.6 Velocity-time response curve of the feedback system without PI controller

圖6表示系統未加PI校正時的速度-時間曲線，由曲線可知此大慣量系統在閉環控制時速度是不可控的，因此必須采取校正手段或者開環控制，但是開環控制系統的輸出量對外干擾量較敏感。

加入PI控制器后系統速度響應。PID控制器是目前工業領域應用最為廣泛和成熟的控制器，只要找到合適的匹配參數，PID控制器的魯棒性等特性也非常好，經濟高效。圖7是采用PI控制器后的速度-時間曲線。

圖7 PI校正后系統閉環速度時間曲線Fig.7 Velocity-time response curve of the feedback system with PI controller

由圖可得，當加入PI控制器后，調整比例系數Kp=0.1和積分系數KI=0.1后，系統能夠平滑加速，加速度小沖擊小，且能夠穩定在0.05 m/s的目標值。

有外負載干擾力的情況。在實際的生產現場，外界干擾負載很多，因此有必要研究此PI控制器抗干擾負載的能力。分別設干擾負載力FL=10 000 N，FL=50 000 N和FL=100 000 N，保持控制器參數不變觀察干擾負載對速度的影響，速度-時間仿真曲線如圖9所示。

圖8 不同干擾負載下的速度時間曲線Fig.8 Velocity-time response curve under different disturbing force

由圖8可看出，此控制器魯棒性較好，在不同干擾力下均能保持輸出速度穩定在0.05 m/s。

系統質量變化的情況。在RH精煉過程中，每次高爐或者電爐來的鋼水重量都不盡相同，因此將影響模型的等效質量Mt，進而影響系統固有頻率和阻尼系數，因此有必要研究不同來料重量下系統的穩定性。設來料重量分別為12 t、13.5 t、15 t、16 t和18 t四種情況，在相同參數的PI控制器下，速度時間曲線如圖9所示。

圖9 不同質量下的速度時間曲線Fig.9 Velocity-time response curve under different mass

由圖9可知，在其他仿真參數不變的情況下，當來料質量在一定范圍內變化時其對速度的影響較小。

3 四缸同步提升運動過程建模仿真

通過對單缸勻速運動的建模仿真可知，通過PI控制器能夠對其速度進行精確控制，理論上四缸在相同PI控制器的參與下可以達到系統的同步要求。然而實際過程中由于每個油缸的泄露量摩擦力不同、每個閥參數的不同、機械結構不同導致的四個缸的穩態負載不均勻等干擾因素使得四個油缸可能會出現同速但不同步的情況，因此必須對其在進行速度控制外還要設計控制器進行同步控制。

本次設計中擬定一個油缸作為基準，其他油缸位置與其比較，利用比較后的位置偏差反饋給控制器來控制閥芯位移，實現四缸同步運動。利用Simulink搭建誤差正反饋PID模型如圖10所示。

圖10 四缸PID同步控制Simulink模型Fig.10 Simulink model of PID asymmetric controlling of four cylinder

此四缸同步控制模型是基于上文單缸速度控制模型發展而來的，因此各種閥參數不變。設定第一個油缸為參考，其他油缸的位置都以第一個油缸為基準，將誤差值通過PID控制器傳輸給比例閥來控制油缸運動。為了體現更一般的現場情況，為四個油缸分別加載一定的穩態干擾力，FL={-10000,0, 10000,20000}N。

(1)未加PID校正的情況。首先研究系統在為加入PID校正時的同步回路動靜態特性。圖11是系統未加PID校正前的同步閉環回路速度-時間曲線圖。圖12是系統未加PID校正器時系統同步誤差曲線圖。由圖可以看出在投入同步閉環后，各油缸的位置同步誤差會對速度產生干擾，速度的變化進而又引起同步誤差的變化，在FL=-10 000 N時同步誤差甚至超過5 mm，系統表現出抗干擾能力變差，同步性能變壞，因此必須加入PID控制器或其他控制器加以校正。

圖11 四缸未加PID時的速度時間曲線Fig.11 Velocity-time curve of the system without PID controller

圖12 系統未加PID時的同步誤差-時間曲線Fig.12 Asymmetric errors-time curve of the system without PID controller

(2)加入PID校正后的情況。PID控制器具有簡單、穩定、易實現等特點被廣泛應用于工業控制領域，因此RH四缸同步控制也將采用PID控制器來實現。同步誤差控制其實質也是位置控制，而對于本系統而言，由于負載慣量特別大，位置糾偏就會存在滯后，因此PID控制器里應主要有比例和微分環節參與控制。對于本系統，三個PID控制器參數優化后為：比例系數KP=500，積分系數KI=1，微分系數KD=500，在此參數下系統穩定性和控制精度最好，如圖13和圖14分別是速度-時間曲線和同步誤差-時間曲線。

圖13 四缸加入PID時的速度-時間曲線Fig.13 Velocity-time curve of the system with PID controller

圖14 系統加入PID時的同步誤差-時間曲線Fig.14 Asymmetric errors-time curve of the system with PID controller

從圖中可以看出，加入PID控制器后，四套液壓缸速度穩定，同步誤差只在油缸初始加速運動時比較大，最大誤差不超過1 mm，達到預期設計要求。

4 現場調試結果

通過理論分析和仿真模擬，對現場調試起到了非常大的指導作用，同時印證了仿真的可靠性和可行性。由于鋼包噸位達到300 t，同步調節非常困難，需要不斷增大比例系數Kp值，但由于鋼包工作過程中需要頻繁點動，過大的Kp值雖然可以減小同步誤差但不利系統點動工作，因此將Kp限制為100左右并解除微分環節，同步誤差可縮小至2 mm，同時滿足點動過程的穩定性。下圖為改造后油缸實際位移曲線圖。

圖15 改造后油缸位移曲線圖Fig.15 Position curve of four cylinders after reformation

5 結束語

本文通過針對RH閥控缸頂升系統進行數學建模，并通過Simulink模塊搭建單缸速度PI控制模型和四缸同步PID控制模型。根據實際生產情況，模擬各種條件下系統恒速特性和同步性能的動靜態特性，并得出優化后的最佳參數，對實際生產調試起到了非常大的促進作用，使得RH鋼包頂升閥控系統在國內首次應用獲得成功。

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Analysis of the synchronization lifting process by RH lift-up cylinders

ZHANG Yong-feng, QIU Ming-jun, CHEN Guo-fang, NING Bo

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd.，Xi’an 710032，China)

For the technical requirements of the constant speed and the synchronization of movement during the lifting process by RH lift - up cylinders, and for which the valve-asymmetric cylinder model is established by matlab simulink, using speed negative feedback PID and synchronization errors positive feedback PID controllers to achieve stability constant and synchronous movement of the four lift-up cylinders.

valve-asymmetric cylinder model; simulink; synchronization errors; PID

2015-11-12；

2015-12-16

張永鋒(1985-)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師，研究方向流體傳動與控制。

TH137

A

1001-196X(2016)03-0097-06