基于AMESim的軋鋼機液壓AGC系統(tǒng)仿真研究

魏冬，陳奎生，郭媛

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081;2.武鋼大學信息工程學院，湖北武漢 430081)

0 前言

我國雖然已經(jīng)應用板厚控制技術多年，但軋機的壓下控制技術綜合了眾多學科領域知識，問題依然較大［1］。國內(nèi)在板厚自動控制系統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)元件、檢測儀器儀表、軟件開發(fā)的生產(chǎn)精度和生產(chǎn)水平等方面都存在著較大的問題，即便板厚自動控制系統(tǒng)是由西方發(fā)達國家引入，但是在實際應用中也存在著不能充分利用的問題。此外，原料的隨機變化、工藝的瞬時條件、自動控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)等多種因素都會影響到板帶材厚度，這樣就導致板厚自動控制系統(tǒng)存在著較大的不確定性。為了掌握板厚精度受這些因素影響的規(guī)律，并提出相應的解決措施，仿真研究整個軋制過程，具有非常積極的意義。本文作者就基于AMESim對液壓AGC系統(tǒng)進行仿真研究。

1 液壓AGC系統(tǒng)結構分析

液壓AGC系統(tǒng)利用壓力傳感器、位移傳感器、測厚儀等設備來實時測量相應參數(shù)，對壓下缸壓力、位移等參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，從而對板帶材的厚差精度進行有效地控制。完整液壓AGC系統(tǒng)主要由控制調(diào)節(jié)器、傳感器、管道、伺服閥、軋機、液壓缸等動態(tài)元件構成［2］，其控制原理簡圖如圖1所示。

圖1 液壓AGC系統(tǒng)控制原理示意圖

液壓AGC系統(tǒng)是現(xiàn)代板帶軋機中不可缺少的，主要包括液壓系統(tǒng)、通信與控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等［3］。

(1)液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是液壓動力元件、泵站和控制閥組［4］。在操作側和傳動側分別裝上兩個活塞式液壓油缸，由各自控制閥組來控制操作。另外，為了保證背壓相對穩(wěn)定，背壓腔 (有桿腔)的工作壓力通常利用溢流減壓閥來進行控制。蓄能器和恒壓變量泵組成泵站，還有一系列的相關輔件。

(2)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是執(zhí)行液壓AGC系統(tǒng)閉環(huán)控制的底層核心單元，控制系統(tǒng)目前有PLC控制和計算機控制兩種形式。

(3)電氣系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由信號轉換放大環(huán)節(jié)、信號反饋系統(tǒng)、低壓供電系統(tǒng)等組成。信號轉換放大環(huán)節(jié)主要放大和轉換各種信號，其中影響系統(tǒng)的動態(tài)性能的元件為伺服閥的功率放大元件，它會直接影響到液壓伺服效果。信號反饋系統(tǒng)用于檢測張力、速度、流量、壓力、厚度等物理量，它是液壓AGC系統(tǒng)中的傳感設備。在液壓AGC系統(tǒng)中，低壓供電系統(tǒng)的主要作用就是供電給計算機、伺服閥、伺服閥放大元件和相關輔件等。

(4)機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)主要是指軋機本體，它是由軋機的支撐輥、軋輥、機架、機座、和其它元件組成，軋制精度會受到機械系統(tǒng)的彈性變形影響。

2 基于AMESim的液壓AGC系統(tǒng)仿真分析

2.1 AMESim 簡述［5］

AMESim是多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真解決方案的簡稱，是集液壓/機械系統(tǒng)動力學分析、仿真、建模于一體的軟件。AMESim能夠讓廣大用戶通過其面向?qū)嶋H應用、人機交互友好的方案來對回路和元件的動力學特性進行研究。AMESim主要具有以下一些特點:(1)多學科的建模仿真平臺;(2)多種仿真運行模式;(3)齊全的分析工具;(4)功能強大的智能求解器;(5)圖形化物理建模方式;(6)靈活的接口技術;(7)多種優(yōu)化工具［6－7］。

2.2 液壓AGC系統(tǒng)的動態(tài)模型的建立

2.2.1 系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的建立

液壓AGC系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型可用圖2所示的方框圖表示。圖中的動態(tài)數(shù)學模型既包含了軋制過程中變化較大的因素 (如背壓管道動特性、軋機變形抗力、軋機入口厚度、軋機彈性變形、油液控制容積等)，又考慮了用于監(jiān)控環(huán)節(jié)中的滯后因素和預控環(huán)節(jié)中的滯后因素。因此，它是一個比較全面的動態(tài)數(shù)學模型，使系統(tǒng)更加接近實際模型。

圖2 液壓AGC系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型示意圖

2.2.2 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)圖1，再利用AMESim軟件建立如圖3所示的液壓AGC系統(tǒng)仿真模型。

圖3 液壓AGC系統(tǒng)仿真模型

2.2.3 系統(tǒng)控制參數(shù)的確定

在軋制過程中，隨著軋制條件的變化，軋件的塑性剛度系數(shù)、軋機縱向剛度、軋件的入口厚度等參數(shù)都會隨著變化，軋件的縱向剛度、控制油液容積的大小會被液壓缸的初始行程所影響，這些因素都會影響到軋制厚度。通過仿真研究，能夠為軋制過程的動態(tài)模擬及液壓AGC系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供參考。文中以1 780 mm熱軋生產(chǎn)線中的單機架作為研究對象，初始仿真參數(shù)見表1。

表1 初始仿真參數(shù)

2.3 動態(tài)仿真結果及分析

影響液壓AGC系統(tǒng)的因素很多，但最主要的是軋件的塑性系數(shù)M、回油質(zhì)量參數(shù)mr、液壓缸AGC缸的活塞面積A、軋機剛度Km、初始的壓下行程L0這5個參數(shù)［8］，因此，以下重點就這些參數(shù)分析液壓AGC系統(tǒng)。

基于圖3所建立的仿真模型，再通過表1所設定的初始參數(shù)，獲得軋件入口板厚H與軋件出口板厚h之間的對照圖，如圖4所示。

圖4 輸入板厚H對應的輸出板厚h曲線

由于軋件入口板厚在軋機軋制過程中往往是不確定的，也就是說軋件入口板的輸入板厚是沒有被確定的，所以，軋件入口板厚在仿真參數(shù)設定時被設為一個隨機信號源，值為 (160±1)mm。軋件出口板厚值在動態(tài)仿真試驗中被設定為40 mm，經(jīng)過一系列的仿真計算，得到的曲線如圖4所示，可以明顯地看出，軋件出口板厚的波動量為0.01 μm。

軋件的塑性系數(shù)M也會對軋件出口板厚精度造成影響。通過AMESim的批處理工具，將軋件的塑性系數(shù)M分別設為 1.8×1011、2.5×1010、1.8×1010、1×1010，仿真結果 (圖5)表明:液壓AGC系統(tǒng)特性較好處 (即軋件出口板厚h值的偏差值與波動量最小)通常是在M=1×1010～1.8×1010之間，但是軋件出口板厚h值的偏差值與波動量會隨著M取值增大而增大，這充分說明了軋件出口板厚的波動會受到出入口軋件塑性系數(shù)變化的直接影響。

圖5 不同M值條件下h值情況

液壓缸的回油管路管徑及管長同樣會影響到液壓AGC系統(tǒng)的響應速度、控制性能。文中用回油質(zhì)量參數(shù)mr來表示回油管路管徑及管長對液壓AGC系統(tǒng)的影響。將mr分別取值2 000、1 000、800、500 kg進行仿真。仿真結果 (圖6)表明:液壓AGC系統(tǒng)輸出板厚波動量會隨著mr值的增大而增加，換而言之，液壓AGC系統(tǒng)的控制性能會隨著回油管路油量的增加而變差。

圖6 不同mr值情況下h值變化情況

另外，液壓缸面積A是影響液壓AGC系統(tǒng)響應速度的主要因素之一，利用AMESim模型對液壓缸面積A進行批運算，將A分別取值2.56、1.92、1.28、0.64 m2。仿真結果 (圖7)表明:輸出板厚波動量隨著A值逐漸增大而增大，但是很好的系統(tǒng)特性沒有得以顯示。這是由于軋制力在增加缸徑的同時是減小的。同時，流入液壓缸的流量日益增大，這就使得流經(jīng)伺服閥的流量和液壓流源都處于增大狀態(tài)。因此，通過增大液壓缸缸徑來進行改善液壓AGC系統(tǒng)響應速度時，應綜合全面考慮對軋制精度的影響。

圖7 不同A值情況下h值變化情況

基于彈跳曲線，軋出板帶材的厚度大小會受到軋機剛度變化的直接影響，影響軋出厚度精度的重要因素就是軋機的剛度。仿真分析軋機剛度Km，將Km分別取值650、1 625、3 250、6 500 kN/mm，仿真結果(圖8)表明:當軋機剛度增大時，輸出板厚精度提高，但是輸出板厚的波動量卻逐漸增大。

圖8 不同Km值情況下h值變化情況

值得注意的是，為了保持初始壓力，液壓缸在軋制板帶材的過程中通常都會有初始的壓下行程，文中用L0代表初始壓下行程進行仿真分析，將L0的值分別設為40、20、10、5 mm。仿真結果 (圖9)表明:輸出板厚波動量隨著L0值的增大而增大，呈現(xiàn)出正比關系，但是輸出板厚的精度卻在降低。

圖9 不同L0值情況下h值變化情況

3 結論

軋機輸出板厚精度受到多種因素的影響，文中基于AMESim建立的模型對液壓AGC系統(tǒng)進行了仿真分析，包括軋件的塑性系數(shù)M、液壓缸初始壓下行程L0、液壓缸面積A、軋機剛度Km、回油質(zhì)量參數(shù)mr等。這必將為提高軋鋼機液壓AGC系統(tǒng)控制精度、指導液壓AGC系統(tǒng)的調(diào)試安裝起到積極的作用。

［1］王國棟，劉相華，王軍.我國中厚板生產(chǎn)技術進步二十年［J］.軋鋼，2004，21(5):5－8.

［2］管帥.軋機液壓厚控系統(tǒng)建模及算法研究［D］.蘭州:蘭州理工大學，2008.

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［4］陳奎生.液壓與氣壓傳動［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2001.

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［6］ SHARMA U，PARFITT G I.Application of Fuzzy Logic Technology to Tandem Mill Transitional Gauge Variation［J］.Iron and Steel Engineer，2008，75(6):40－43.

［7］KIM I S，CHANG Y S，LEE M H.Subspace Model Identification and Infinity Servo Control of Tandem Cold Mill［J］.Proceedings of the 2010 38th SICE Annual Conference，2012:951－920.

［8］FRANK F.Application of Fuzzy Logic Technology to Tandem Mill Transitional Gauge Variation［J］.Iron and Steel Engineer，2012(6):40－43.