鋼坯加熱爐步進梁模擬器研究

魯照權(quán)，洪 志，季 亮

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009）

鋼坯加熱爐步進梁模擬器研究

魯照權(quán)，洪 志，季 亮

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009）

鋼坯加熱爐在鋼鐵工業(yè)中廣泛使用，其中步進梁是步進式加熱爐的核心部件。為了更好地控制步進梁，以提高鋼坯加熱工藝水平，研究了步進梁的結(jié)構(gòu)、運行機理，建立了步進梁的數(shù)學(xué)模型。基于數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了步進梁的模擬器電路，仿真實驗表明模擬器電路能較好地模擬步進梁運行過程。為后序針對步進梁的控制方法研究、工程調(diào)試提供了試驗條件。

步進式加熱爐；步進梁；模擬器；電路

0 引言

鋼坯在鍛造或軋制之前需通過加熱爐加熱以提高鋼坯的塑性，改變鋼坯的結(jié)晶組織。鋼坯的加熱工藝對加熱溫度、加熱時間、鋼坯運行速度，爐內(nèi)氣氛等有很高的要求。步進式鋼坯加熱爐靠專用的步進機構(gòu)在爐內(nèi)逐步移送鋼坯，鋼坯之間可以留出空隙消除粘鋼現(xiàn)象，鋼坯和步進梁之間沒有摩擦避免了滑軌擦痕。通過控制步進速度來控制鋼坯的加熱時間并配合鍛造或軋制節(jié)奏，實現(xiàn)連續(xù)出鋼。生產(chǎn)過程符合高產(chǎn)、低效、低耗、節(jié)能及生產(chǎn)操作自動化等工藝要求[1]。步進梁是步進式鋼坯加熱爐的核心設(shè)備，主要由固定梁與移動梁構(gòu)成。其中固定梁用來支撐鋼坯，移動梁由液壓缸驅(qū)動做上升、前進、下降、后退矩形運動，從而托起數(shù)百噸重的鋼坯在加熱爐中逐步地自入爐側(cè)向出爐側(cè)移動。步進梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 步進梁結(jié)構(gòu)示意圖

移動梁運動示意圖如圖2所示。移動梁正循環(huán)時由“1”工位上升到“2”工位，再前進到“3”工作，再下降到“4”工位，最后返回到“1”工位，使支撐的鋼坯前進一個步距，完成一個正循環(huán)周期。等高線是移動梁和固定梁在同一水平面時的高度線，移動梁超過此高度線時托起固定梁上的鋼坯，低于此高度線時放下鋼坯至固定梁上。移動梁由“1”工位到“2”工位做上升運動的速度變化如下：開始時速度勻加速至v1，接著勻速運行一段時間，再勻減速至低速v2，以速度v2運行到等高線處托起鋼坯，待運行穩(wěn)定后，勻加速至v3，勻速運行一段時間，最后勻減速運行到最高點時移動梁停止運行。前進、下降、后退過程移動梁速度變化也已在圖2標示。一些特殊工況下，步進梁能進行踏步、中間保持、逆循環(huán)。因此，按照生產(chǎn)要求，步進梁具有正循環(huán)，逆循環(huán)，踏步和中間保持等工作模式。

圖2 移動梁運動示意圖

步進梁滿載時總質(zhì)量達到數(shù)百噸，另外還存在負載階躍式變化、油液泄漏等不確定干擾因素。因此，步進梁是一個典型的大慣性、非線性、強負載擾動的系統(tǒng)。為了滿足生產(chǎn)工藝要求，要對步進梁運動速度進行準確控制[2]。但生產(chǎn)實踐中針對步進梁控制方法研究很難有真實的步進梁系統(tǒng)作為控制對象進行試驗，且工程調(diào)試時間緊迫，也較難使得每一臺不同參數(shù)的步進梁獲得滿意的控制效果。本文通過對步進梁結(jié)構(gòu)、運行機理分析，建立了步進梁數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了步進梁模擬器電路。仿真實驗表明該模擬器電路能較好地模擬步進梁運行過程，為后序針對步進梁的控制方法研究、控制設(shè)備開發(fā)、工程調(diào)試等奠定了基礎(chǔ)。

1 步進梁系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述

步進梁系統(tǒng)由電液比例方向閥、非對稱液壓缸、雙輪斜軌式步進機構(gòu)、移動梁和固定梁構(gòu)成[3]。雙輪斜軌式步進機構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙輪斜軌式步進機構(gòu)

電液比例方向閥閥芯位移Xv(s)與控制電壓信號U(s)之間傳遞函數(shù)近似為一階慣性環(huán)節(jié)：

其中，Ksv、Tsv分別為電液比例方向閥的增益和時間常數(shù)，s為動態(tài)因子。

活塞位移XPX(s)與閥芯位移Xv(s)之間的傳遞函數(shù)為[4,5]：

其中，等效內(nèi)泄露系數(shù)Cp=2Ci/(1+η)，Ci為液壓缸內(nèi)泄露系數(shù)，η=A2//AA1，1A1、A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效面積，Vt1=4V1/(1+η)，V1為液壓缸無桿腔的容積，V1=A1L/2，L為液壓缸行程長度，Kq為流量增益系數(shù)，Kc為流量壓力系數(shù)，βe為有效體積彈性模量，s為動態(tài)因子；

活塞位移Xpf(s)與步進機構(gòu)對液壓缸產(chǎn)生的負載力FL(s)之間的傳遞函數(shù)為：

其中，F(xiàn)L=Mg，g為重力加速度，上升、下降過程中負載質(zhì)量作用在液壓缸上的分量M=Mssin θ，Ms為鋼坯與步進梁框架的總質(zhì)量，前進、后退過程中M為Ms作用時的摩擦力，θ為雙輪斜軌式步進機構(gòu)的斜坡角度；

活塞位移Xpp(s)與油源壓力Ps(s)之間的傳遞函數(shù)為:

其中，等效外泄露系數(shù)Cs=Ci(1?η)/(1+η)，結(jié)合式(1)～式(4)得到活塞位移Xp(s)為：

移動梁垂直位移為：

移動梁上升過程數(shù)學(xué)模型的表達式為：

2 步進梁系統(tǒng)模擬器電路

不同物理系統(tǒng)，其復(fù)雜程度不同。但從系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來看，一般可將系統(tǒng)看成由若干個比例、積分、微分、慣性、時滯等典型環(huán)節(jié)構(gòu)成。利用電子元器件可設(shè)計這些典型環(huán)節(jié)，再構(gòu)成模擬系統(tǒng)，以達到模擬實際物理系統(tǒng)的目的[6,7]?，F(xiàn)構(gòu)建步進梁上升過程模擬器，其它運動過程構(gòu)建模擬器方法類似。

令流量增益Kq=1.08m2/s，無桿腔有效面積A1=0.0616m2，有桿腔有效面積A2=0.0301m2，面積比

用電路模擬系統(tǒng)，把閥芯位移、負載、漏油系數(shù)等效為電壓激勵信號，在系統(tǒng)輸入端加電壓，通過系統(tǒng)輸出電壓來模擬步進梁的位移[8]。步進梁系統(tǒng)上升過程的電路模擬圖如圖4所示。

圖4 步進梁系統(tǒng)上升過程電路模擬圖

3 模擬器電路仿真實驗

上節(jié)構(gòu)造出了步進梁系統(tǒng)的模擬器，為了驗證其準確性，采用Saber仿真軟件進行實驗驗證。計算各個模塊的電阻、電容的參數(shù)，使其與數(shù)學(xué)模型的參數(shù)完全匹配。在Saber軟件中配置好各個模塊的電阻、電容的參數(shù)，設(shè)置好輸入端的電壓曲線，模擬上升過程的運行情況。

3.1 階躍響應(yīng)仿真

設(shè)置輸入信號為階躍信號，對構(gòu)造的步進梁上升模擬器做階躍響應(yīng)實驗，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 階躍響應(yīng)速度曲線與位移曲線

圖5 (a)和(c)分別是空載及帶載時的階躍響應(yīng)速度曲線，圖(b)和圖(d)分別是空載及帶載時的階躍響應(yīng)位移曲線。從圖(a)中看出系統(tǒng)在0.6秒已經(jīng)趨于穩(wěn)定，說明構(gòu)造的步進梁模擬器動態(tài)響應(yīng)過程良好。在圖(c)中第0.6秒加上負載，1.2秒除去負載，響應(yīng)曲線明顯在這兩點之間有跌落，說明模擬器對負載變化有良好的響應(yīng)。通過空載和帶載位移曲線的對比，可以看出負載的突變對位移的影響。

3.2 給定信號響應(yīng)仿真

設(shè)置給定信號為步進梁在上升過程速度曲線，即引言所述梯形曲線，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 給定信號響應(yīng)速度曲線與位移曲線

由圖6可看出，在第6秒加上負載，速度響應(yīng)曲線有明顯跌落，模擬了移動梁在托起鋼坯時的沖擊。位移響應(yīng)曲線在負載加上之后，斜率變小，也驗證了負載加上之后速度的跌落。

3.3 參數(shù)攝動仿真

對模擬器進行參數(shù)攝動仿真實驗，攝動的參數(shù)選取慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)T，理論分析增加T值，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間增加。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 參數(shù)攝動階躍響應(yīng)速度曲線

定義標稱系統(tǒng)響應(yīng)曲線為2，其他系統(tǒng)時間參數(shù)選取為標稱系統(tǒng)的80%、120%、140%。由圖7可看出系統(tǒng)時間常數(shù)越小，調(diào)節(jié)時間越短；時間常數(shù)越大，調(diào)節(jié)時間越長。但響應(yīng)曲線偏離程度不大，即模擬器對系統(tǒng)參數(shù)攝動有較好的魯棒性。

3.4 負載變化仿真

在0.6秒給模擬器加上大小不同的負載信號，1.2秒去除負載。給定信號為階躍信號，可得到負載變化時模擬器的響應(yīng)曲線。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 負載變化階躍響應(yīng)速度曲線

由圖8可看出負載越大速度下降越明顯，即模擬器對負載變化有靈敏的響應(yīng)。以上仿真結(jié)果表明，構(gòu)造的步進梁上升模擬器有良好的模擬效果。

4 結(jié)論

步進梁是步進式加熱爐的核心部件。通過對步進梁結(jié)構(gòu)、運行機理的分析建立了較精確的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上用電路設(shè)計的模擬器能較好地模擬步進梁的物理特征。為針對步進梁的控制算法研究、控制設(shè)備開發(fā)、工程調(diào)試等提供了試驗條件。

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Research on simulator of walking beam in billet heating furnace

LU Zhao-quan, HONG Zhi, JI Liang

TP271.31

A

1009-0134(2017)04-0135-04

2017-01-19

魯照權(quán)（1962 -），男，安徽人，教授，博士，研究方向為復(fù)雜系統(tǒng)與優(yōu)化控制、復(fù)雜工業(yè)過程自動化系統(tǒng)等。