現代化冷軋機組機電液一體化控制仿真平臺分析研究

楊威，曾凌霜

（1.寧波韻升股份有限公司；2.浙江吉利汽車有限公司，浙江 寧波 315800）

軋制過程仿真系統能夠對軋制生產過程，運行控制以及模型計算等進行研究。該仿真系統包含過程控制，虛擬帶鋼以及仿真管理等，因此屬于結構比較復雜的仿真系統。當前我國所研究的軋制仿真系統主要是針對某部分而建立的。在軋制理論的基礎上仿真研究系統的機械部分。還有部分學者基于不同條件分析和研究液壓伺服系統的靜態與動態特性。鮮少有學者致力于研究主電機速度控制及卷取機張力控制。本次所研究的現代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺，在液壓部分考慮到液壓缸和伺服閥的管道動態特性、流量特性以及板帶塑性變形等。在此基礎上建立軋機液壓系統的數學模型。并且合理應用磨損補償，彈跳補償以及監控弧長等方式提升控制線系統的性能，并且比較分析了液壓系統的板厚問題，希望能夠對相關研究學者起到參考性價值。

1 機械形變系統數學模型

1.1 軋件變形抗力模型

采用以下公式能夠計算出軋件的變形抗力：

其中K 表示變形抗力；Qf表示屈服強度；hY 表示硬化系數，mh 表示出口厚度，H 為入口厚度。

1.2 軋制壓力模型件

采用下列公式能夠表示出軋制壓力模型件：

1.3 軋制力矩模型

2 電氣轉速與直接張力控制模型

2.1 電機控制模型

定義下列時間常數：

此公式為電樞回路時間常數

此公式為電力拖動系統時間常數。在以上公式，lT 為電樞回路時間常數，mT 為電力拖動系統時間常數，R 表示電樞回路電阻，L 表示電感整流裝置內阻以及平波電抗器電阻。Cε表示額定勵磁下轉速電壓比；2GD 表示電力運動部分折算到電機軸山的飛輪力矩； Cm表示額定勵磁下轉矩電流比。

2.2 主電機轉速控制模型

其主要應用雙閉環調速系統實現轉速控制，內環屬于電流環，可以有效擾動電網電壓波；電機過載狀態下，會對電樞電力最大值進行限制，實施安全防護。外環為轉速環，能夠有效控制轉速，還可以擾動負載變化。晶閘管整流電流等效為一階慣性環節：

在上式當中，kv表示電壓放大系數，vT 表示延遲時間，s 表示液壓缸活塞與缸體間相對位移。

轉速檢測反饋器和電流檢測反饋器能夠等效為一階慣性環節：

在上式當中，kfn表示轉速電壓轉換比， Tfn表示電流電壓轉換比。

2.3 卷取直接張力控制模型

在該控制系統中，實現張力控制時主要依靠恒功率或者最大力矩方式實現，已經被廣泛應用到設備器械中。為了全面提升張力控制精度，嘗試應用直接張力閉環控制系統，還有部分學者嘗試采用智能化控制方法，以上技術均得以成熟發展，顯著提升了張力精度。通過上述技術的應用，能夠優化卷取直接張力控制的應用環境，顯著提升冷軋機組生產效率。

對于轉速檢測轉換、電流調節器以及電流轉換環節來說，其中轉速調節器與主電機在函數傳遞形式方面相同。張力調節器應用比例積分方式。張力計采用一階慣性環節的包含非線性部分，通過三層神經網絡映射函數：

3 液壓控制系統仿真模型

按照傳感器不同配置，可以將板帶厚度控制系統分為側厚儀反饋、磨損補償以及缸位移反饋等。此次研究主要是分析壓上系統動態特性。選擇軋制力和缸位移模擬量閉環方式。壓上系統組成元件包含測厚儀、液壓管路、電液伺服閥以及壓力傳感器等。其中伺服放大器能夠將電壓轉化為電流，控制伺服閥。在分析期間可以忽略時間常數。因此，增量函數方式如下：

使用長管道連接液壓缸和電液伺服閥，管道采用分布參數模型設計。液壓缸的連續性方程如下：

在上式中，QL表示液壓缸連續性方程，1A 表示液壓缸桿腔面積， Ci表示流量系數，eβ 表示壓壓剛體積彈性模量，V0表示液壓缸腔體積， X( s) 表示液壓缸位移， Pc( s )表示液壓缸控制壓力。

4 機電液一體化系統仿真

4.1 冷軋機組設備布局

表1 為該冷軋機組工藝能力參數，表2 為開卷機，卷取機和主電機性能參數。

表1 冷軋機組工藝能力參數

表2 開卷機、卷取機和主電機性能參數

4.2 軋機機電液一體化控制仿真結果

傳動初始時期，先將開卷機啟動，后將張力投入卷取機中。實際張力等于設定值后需要投入液壓系統中。在調整軋制力閉環和位置閉環后，能夠確保壓下量與設定數值相同，此時將主電機啟動后可以對板帶進行軋制，再投入液壓前饋補償環節，此時就會破壞卷取機和開卷機，張力閉環投入運行中，確保張力穩定于設定值周邊。

通過比較分析軋機檢測結果與不同仿真數據，張力誤差控制在5%以內，主電機線速度誤差小于6%，軋制力誤差小于8%，出口厚度誤差小于4%。之所以會產生誤差數據，主要是因為檢測期間存在干擾因素以及模型線性化舍入所致。仿真結果與實際運行數據比較接近，由此可以說明，現代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺具備可行性。

5 結語

綜上所述，此次研究主要是圍繞現代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺展開討論，并且通過實際冷軋機作為案例分析。長期以來，關于冷軋機組的研究主要是針對系統某一具體部分而展開，沒有詳細分析整個系統的優勢與不足。基于以上方面，此次研究提出機電液一體化改變，并且立足于整體發展觀，分析和研究軋機性能與產品需求之間的有效配合，為軋制過程工藝的研發提供參考性價值。在此次研究中，從具體冷軋機中選取液壓模型參數和電控模型參數，結果顯示，實驗過程與仿真結果相似度非常高，因此說明現代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺具備可行性。但是在此次研究分析中，沒有論述模型與模型之間的耦合關系，還需要依靠軋制工藝設定確保仿真過程的獨立使用效果。因此在后續研究中還需要深入分析和研究系統耦合關系。本次研究的冷軋機主題為現代化冷軋機組的機電液一體化控制仿真平臺，通過對實際冷軋機的分析研究，并以此作為階段性研究開發基礎，希望相關人員在后續研究中能夠深入研發大型連軋機的數字化平臺。