油源壓力波動對軋機壓下控制精度影響的實驗研究

陳春明 王益群 楊 陽 陳 剛 韓松杉

1．燕山大學，秦皇島，066004 2．河北科技師范學院，秦皇島，066004

0 引言

在電液伺服系統中，軋機液壓壓下系統是控制復雜、負載力大、擾動因素多、交聯耦合嚴重、控制精度和響應速度要求高的設備。供油系統一般為恒壓變量泵、蓄能器、管道等組成的恒壓源，其功能是為電液控制系統提供壓力穩定、流量充足、清潔的工作介質。在現有的文獻中通?？刂颇Ｐ椭泄┯蛪毫槌?，但在實際系統中存在以下情況：①構成高壓油源的容積式泵本身存在高頻脈動；②恒壓變量泵的伺服變量機構存在變量時間常數，泵口容腔越大，時間常數越大，響應速度越慢；③電液伺服閥所驅動的伺服液壓缸存在負載沖擊，這種負載變化反過來又影響油源壓力波動，供油壓力的波動導致瞬時流量變化，進而影響系統的控制精度［1－2］。

1 恒壓源軋機壓下系統組成

軋機液壓壓下電液位置（或力）伺服系統是板帶軋機板厚自動控制（AGC）系統的基本內環，接收AGC系統的控制，進行壓下缸的位置（或力）閉環控制，使壓下缸實時準確地定位在指令所要求的位置上，達到控制輥縫（或力）的目的。液壓壓下伺服系統由控制器、電液伺服閥、液壓缸、軋機負載、位移傳感器、壓力傳感器等元件構成。測厚儀閉環是作為AGC的監控外環，對板厚差作最后修正［3］。其控制功能如圖1所示。

圖1 冷帶軋機板厚自動控制系統功能示意圖

圖2 油源軋機液壓壓下系統框圖

2 恒壓源壓下系統的仿真

2．1 仿真模型

采用基理建模方法，將系統分為恒壓變量泵、蓄能器、連接管路、軋輥壓下、軋件變形等幾個部分，然后分析各自的工作機理，對其進行系統化研究［4－5］。油源軋機壓下系統框圖如圖2所示。

基于Si mulink軟件平臺，構建的恒壓源—軋機液壓壓下計算機仿真模型框圖如圖3所示。

圖3 恒壓源－軋機液壓壓下計算機仿真模型框圖

2．2 模型檢驗

圖4 300 mm可逆冷軋機

表1 主要仿真測試參數

模型驗證有兩個方面的含義：一是檢查所建立模型是否準確地描述了實際系統；二是考察模型輸出是否接近實際系統的行為過程。對于設定值跟蹤型系統來說，最常用的方法是通過檢驗模型與過程輸出殘差序列的白色性，以此來判定模型的好壞［6－7］。

為驗證仿真模型，在燕山大學的300 mm四輥可逆冷軋機上（圖4）進行實驗測試，主要仿真與實驗系統參數如表1所示，壓下實測曲線與仿真曲線如圖5所示。

如果輸出殘差序列 ｛ε（k）｝是（或近似是）零均值的白噪聲序列，則認為所獲得的模型是較好的模型；否則認為所獲得模型是不好的模型［8］。本文采用自相關函數檢驗法來驗證輸出殘差序列的白色性。根據以上提出的模型檢驗方法，計算輸出殘差序列｛ε（k）｝的均值和自相關函數系數，得E｛ε（k）｝＝0．001 65和｜ρ（l）｜≤0．1475，自相關曲線如圖6所示。

圖5 壓下系統實測與仿真曲線

圖6 壓力殘差自相關函數

從圖6可知，輸出殘差序列｛ε（k）｝的均值近似為零，自相關函數系數ρ（l）全部落于置信區間內，可以判定殘差序列｛ε（k）｝為白噪聲序列，驗證了模型的正確性。

3 油源壓力波動對軋機壓下精度影響的仿真與實驗

3．1 油源波動對壓下系統輸出影響的仿真研究

在仿真系統中輸入一階躍指令信號，在油源壓力為恒值和油源壓力波動幅值為10%兩種情況下，求得的壓下系統輸出壓力曲線如圖7所示。從圖7可見，恒壓源壓力波動對軋機壓下控制精度是有影響的，有壓力波動，壓下控制系統輸出超調量由原來的10%增大至17．8%，控制系統動態性能變差，系統控制精度降低。

圖7 油源有無壓力波動壓下系統仿真曲線對比

3．2 傳輸管路對油源輸出影響的實驗研究

通常從泵站到伺服閥入口設有一段較長的傳輸管道，此管道對伺服閥供油質量平穩性的影響是不可忽視的，為此進行如下實驗測試：在泵出口和閥前各接一壓力傳感器，壓力傳感器選用意大利GEFRAN公司的TK E1B02CMV，量程為20 MPa，輸出為4～20 mA電流，經阻容網絡調制成直流電壓后接入采集卡；在軋機液壓壓下系統輸入端輸入一階躍指令信號，泵出口壓力與伺服閥前壓力對比如圖8所示，穩態時泵出口壓力脈動幅值為0．2 MPa，閥前壓力脈動幅值為0．04 MPa。恒壓源輸出壓力波動主要來自于伺服閥流量變動和柱塞泵本身的高頻脈動，因此階躍信號實驗充分說明：現有300 mm可逆冷帶軋機恒壓源中泵與閥之間連接的管道，對泵的高頻壓力脈動具有很好的抑制作用。從實驗可知要想提高恒壓源的動特性，從而進一步提高系統控制精度，必須合理配置恒壓源系統的管道參數。

圖8 泵出口與閥前壓力變化實測曲線

3．3 閥前蓄能器對油源壓力輸出影響的實驗研究

在軋機液壓壓下系統輸入端輸入一方波指令信號，在伺服閥前連接蓄能器（容積0．63L）和閥前蓄能器不接入兩種情況下測試的閥前油壓曲線如圖9所示。從圖9可看出，伺服閥前連接蓄能器，在壓力階躍上升段，蓄能器能對系統短時間內補油，使系統壓力變化平穩，壓力下降至9 MPa，超調量小。無閥前蓄能器時，壓力下降至8．2 MPa，超調量大?？梢娝欧y前的蓄能器能夠明顯地吸收由于伺服閥開口變化所造成的壓力波動。

圖9 閥前接入和不接入蓄能器閥前壓力實測曲線

閥前蓄能器充氣壓力為4 MPa，容積分別為1L、0．63L，在軋機液壓壓下系統輸入端輸入一方波指令信號，閥前壓力變化如圖10所示，可看出，在相同充氣壓力下，輸入同一信號，閥前蓄能器容積為1L時，閥前壓力變化量小，壓力變化平穩，閥前蓄能器對系統壓力波動有很好的抑制作用。因此，合理配置閥前蓄能器對提高恒壓源系統壓力輸出的穩定性有非常重要的作用。

圖10 閥前蓄能器容積變化對油源壓力輸出的影響

3．4 油源壓力波動對壓下系統控制精度（壓力控制）影響的實驗研究

由于泵出口與伺服閥距離比較遠，對壓下控制精度產生影響的是伺服閥前的壓力波動，故需測量閥前壓力波動對壓下負載控制精度的影響。在軋機液壓壓下系統輸入端輸入一方波指令信號，伺服閥前接入和不接入蓄能器造成的壓力波動不同，據此可測試閥前壓力變化對系統壓力控制精度的影響。伺服閥前壓力變化及軋機操作側油缸壓力實測曲線如圖11所示。從圖11中可看出，壓力波動影響控制系統的動態性能，閥前壓力波動小，控制系統的動態性能就好。這和仿真結果是相符的。

圖11 閥前壓力波動對壓下系統控制精度影響的測試

圖12所示為封閉壓力環進行的軋制實驗，當閥前壓力波動不同時（圖12a），從圖12b可看出，閥前壓力脈動小時，操作側壓力跟蹤精度就高，從圖12中可求出閥前壓力波動幅值不同對軋機壓下壓力控制精度的影響，如表2所示。

圖12 壓力波動對控制精度影響的實驗測試

表2 不同閥前壓力波動下油缸壓力控制誤差

從表2可見，隨著閥前壓力波動幅值的增大，被控制量控制誤差增大，控制精度降低。

4 結論

（1）恒壓能源的輸出特性決定于泵、蓄能器和管道的綜合作用，還和負載的變化有關。

（2）閥前蓄能器、連接管道對減小壓力波動幅值有重要作用。

（3）恒壓源輸出壓力波動影響軋機壓下控制系統的精度，壓力波動幅值大時，控制系統的控制精度就低，進而降低產品的精度。

（4）仿真與實驗結果表明，本文所給出的仿真模型是可行的，其結論為油源系統結構優化和系統調試提供了有益的參考。

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