軋機液壓AGC系統故障特性數值模擬研究

張海濤，江 濤

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司軌交材料科技有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

鋼鐵產業對于國家的經濟發展至關重要。中國是一個擁有豐富鋼鐵資源的國家，在過去多年中一直保持著世界鋼鐵產量第一的地位。由于經濟的增長，各個行業都對鋼材有大量需求，在板帶材生產行業中，軋機是重要的設備之一。現代軋機要實現高要求的一個主要內容是板厚控制系統，厚度自動控制（Automatic Gage Control，簡稱AGC）系統是控制板厚精度的重要手段。在航空工業的發展下，液壓伺服控制得到了進一步完善，并運用于厚度控制技術中。液壓AGC 具有明顯優勢：具有高調整精度、響應快速、高機械傳動效益的特點；過載保護簡單、可靠性高；相比電傳動體積小，重量輕。由于以上優點，現代軋機板厚控制多采用液壓AGC 系統，并與計算機技術結合，使板厚控制技術達到成熟。

在現代鋼鐵業發展中，軋機液壓AGC 系統已成為核心設備，液壓系統是完成位置閉環主控制、帶鋼張力控制、軋制壓力反饋等功能的復雜控制系統［1］，整個軋機的運行效率和生產質量會受到液壓系統工作性能的影響。液壓AGC 系統的組成元件規格相對精密，且具有良好的矯正特性，因此液壓AGC 系統的故障難以發現［2］，尤其在系統并發多種故障的情況下，查找和排除故障的難度較大，所以開展有關軋機液壓AGC 系統故障診斷的研究顯得尤為重要。

1 軋機液壓AGC系統分析

1.1 軋機液壓AGC系統工作原理

軋機液壓壓下裝置結構如圖1 所示，軋機液壓AGC 系統主要由泵站、計算機控制系統以及軋機機體、輥系、控制器、放大器、傳感器、電液伺服閥、液壓缸、管道等部件組成［3］。通過以上各個組成部分的協同作用，軋機液壓AGC 系統可以實現對軋機壓下系統的精確控制，從而保證軋制產品的厚度及形狀的精確性和穩定性。該系統能夠實時監測缸內的位移、壓力和張力，并能夠持續地進行調節，參數由位置傳感器、壓力傳感器和測厚儀等提供。軋機液壓AGC系統由以下閉環控制系統組成［4］。

圖1 軋機液壓壓下裝置結構示意圖

（1）軋制壓力閉環：通過對軋制壓力進行實時控制來達到對軋制板材厚度的精確控制。系統根據生產需要設定一個初始的軋制壓力給定值Ps，然后通過對厚度的實時測量，得到當前厚度與目標厚度之間的修正值ΔP，再將該修正值加到初始給定值Ps上，得到實際的軋制壓力Pd，從而實現厚度控制。

（2）壓下缸位置閉環：通過使用位移傳感器，可以實時監測壓下位移隨軋制條件的變化。Xp1和Xp2分別指的是操縱桿與傳動器之間的活塞與缸體之間的距離，其中Xpd可以用來估算實際的距離，而Xps則是一個特定的參數，ΔXp則是一個反映出這種距離的指標。

（3）測厚儀監控閉環：通過使用測厚儀來實現閉環管理，能夠有效地防止軋輥的磨損和熱膨脹，這樣就能達到良好的管理效果，并且還能夠降低測壓元件和位移傳感器的誤差。Mp代表軋機的縱向剛度，W則是軋件的塑性剛度系數，而hd則是實際測量的軋件厚度，hs是預先設定的軋制厚度。通過比較器得到厚度偏差Δh。

1.2 軋機液壓AGC系統數學模型分析

隨著計算機技術和現代控制理論的進步，許多控制方法已被應用于液壓AGC 系統，PID 控制作為國內最早開發的一種經典算法，又稱比例-積分-微分控制器，圖2為系統控制原理圖。

圖2 軋機液壓AGC系統PID控制原理圖

PID 控制器通過比較給定值與實際值，得到偏差表達式：

當系統受到各種不同類型的外部干擾時，PID控制器的輸入e（t）與輸出u（t）的相互作用可以用下面的公式表示：

式中：e(t)—控制器輸入的偏差信號，V；

u(t)—控制器輸入的電壓，V；

KP—比例系數；

Kt—積分系數；

Kd—微分系數。

根據上述公式，PID 控制器的控制表現取決于3個參數（Kp、Kt、Kd）的選擇。但一般在工業系統中，運用PID 系統時會忽略微分環節，即其傳遞函數的表達式為：

式中：Ti—積分時間系數；

Td—微分時間系數。

2 軋機液壓AGC系統故障數值模擬

2.1 AMESim仿真模型搭建

通過AMESim 仿真軟件，建立軋機液壓AGC 系統的仿真模型。當軋機的液壓AGC 系統處于閉環狀態時，位移傳感器會檢測到液壓缸的行程，進行反饋，獲得差值信號，并將信號傳給PID 控制器。差值信號反饋至伺服閥，控制開口度進行調節。

2.2 軋機液壓AGC系統故障模擬

軋機液壓AGC 系統的各部件聯系緊密，若系統部件出現異常磨損情況，將會對系統的性能和結構產生不可忽視的影響，進而影響后續生產。在實際情況下對故障進行模擬，成本大且風險高，因此通過改變相關參數對現場典型故障進行模擬及分析。

2.2.1 液壓缸內泄漏故障模擬

液壓缸泄漏可導致液壓系統性能下降，嚴重情況下，系統甚至無法正常工作。液壓缸泄漏分外泄漏和內泄漏兩種類型，外泄漏通常可由觀察法直接判斷，而內泄漏發生在元件內部，不易直接觀察，需進行進一步測試。在AMESim 中調整液壓缸泄漏系數進行仿真，分別設定泄漏系數為0 MPa·L∕min、3 MPa·L∕min、4 MPa·L∕min、6 MPa·L∕min。

不同泄漏系數下液壓缸活塞桿局部時間位移見圖3，可以看出，隨著液壓缸內部的泄漏參數值增大，其影響也更加明顯，導致位移反應的時間、峰值的延遲和調節時間都會相應縮短，而且在泄漏狀態下，液壓缸的位移輸出平均值也會低于正常水平。

圖3 不同泄漏系數下液壓缸活塞桿局部時間位移

2.2.2 液壓缸活塞偏擺過大故障模擬

在軋機液壓AGC 伺服缸運行時，活塞桿和缸筒之間夾角變化可以被視為液壓缸的偏擺，這種偏擺的大小影響運行狀態。當偏擺過大時，活塞桿在上下運動時容易發生摩擦力變大的情況。液壓油缸的摩擦力系數可以用于來模擬偏擺過大的故障，分別設置參數為0 N·s∕m、2 000 N·s∕m、4 000 N·s∕m。

當靜摩擦力增大時，系統的測量結果會更接近實際情況，雖然會略有延遲，但這種延遲并不會影響到實際的工作效率。當靜摩擦力超過某個特定閾值時，伺服閥的輸出流量會急劇減少，甚至接近零，此時，由于液壓缸的壓力無法被有效地調節，從而使得整個系統失去了運行能力。由圖4 可知，閥芯卡滯為突發性故障，在輕微阻塞時，伺服閥驅動功率比靜摩阻力大，但不會出現顯著的故障現象。當阻塞度大于某一臨界值，伺服閥的驅動功率小于其靜態摩擦阻力時，則可能造成閥芯被卡住，進而造成系統失效。

圖4 不同摩擦力系數下的液壓缸活塞桿位移

2.2.3 油液混入空氣故障模擬

70%的液壓故障源自油質的問題，而當空氣混入到液壓油中，就會以氣泡的形式出現，從而嚴重降低液壓油的可壓縮性，通過設定油液的體積彈性模量參數來模擬油液混入空氣故障。

最初狀態的體積彈性模量設為850 MPa，隨著空氣含量的增加，這一數值會受到顯著影響，最終降至較低水平。仿真中故障模擬分別設定該值為450 MPa 和50 MPa，在上文提到的三種情況下液壓缸位移輸出的相應曲線如圖5所示。

圖5 不同程度油液污染下液壓缸活塞桿時間位移

從圖5 中的液壓缸位移輸出曲線可以看出：當油液的彈性模量降低時，液體在液壓缸內的傳遞速度會變慢，這將會影響液壓缸的動態響應。這種情況下，液壓缸的位移輸出曲線會發生變化，導致響應時間減少，峰值時間增加，穩態時間延長。

2.2.4 伺服閥位移傳感器增益異常故障模擬

位移傳感器是用于精確測量液壓缸運動位置的磁致伸縮式傳感器。位移傳感器可能出現數據線及電源線斷線、松動、中斷的故障，直接導致反饋的數值非常大。當位移傳感器出現時鐘斷線故障時，反饋數值會變為0。初次安裝或機械設備檢修后，位移傳感器可能出現較大偏移。通過設定位移傳感器的信號輸出增益參數來模擬位移傳感器故障。當伺服閥正常工作時，位移傳感器的信號輸出增益為1，分別設定模擬值為1、1.5、2、2.5。

從圖6 中可以看出，當傳感器發生增益異常故障時，系統液壓缸活塞的位移和壓力都小于正常工作時，系統的性能發生明顯下降。

圖6 不同增益下液壓缸活塞桿位移

3 總結

利用AMESim 軋機液壓AGC 系統仿真模型，結合實際工況，對液壓系統進行了故障模擬，得到標準模型下液壓AGC 系統的故障特性曲線。通過調整多種故障參數，可以有效地改善已構建的系統模型，從而獲得更加準確的故障仿真結果，得出以下結論。

對多種外部故障進行模擬，得到階躍曲線及頻率特性曲線；液壓缸內泄漏的影響隨泄漏程度增大而增大，輸出位移小于初始值0.301 m 的趨勢增大；液壓缸存在活塞偏擺時缸內運行靜摩擦值增大，但不影響系統工作效率，僅當系統卡死時出現故障；油液混入空氣時，50 MPa 的體積彈性模量對時間響應變化明顯延長；位移傳感器故障時，隨著信號增益變化增大，輸出位移變化明顯，其中增益為2 時，輸出位移只有0.15 m。在上述故障模擬中，油液混入空氣、液壓缸內泄漏等是主要影響液壓系統正常運行的因素。最終，結合故障機理和仿真結果，得到系統發生故障時的參數值，為現場實踐提供參考。