几种液压AGC方式的图形化仿真比较
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1) Mat erials Science and Engineering School, Universit y of Science and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) Met allurgy an d Energy Sources School, Hebei Polyt echnic University, Tangshan 063009, Ch ina
2 液压 AGC 轧制仿真模型
用基本框图按照轧制配合顺序, 组成测厚仪 反馈厚度控制的轧机仿真系统结构图( 见图 2) . 使用这种方法可以方便地组成各种 AGC 控制算 法, 压力 测 厚计 反 馈控 制 ( GM- AGC) 、绝对 值 AGC、动态设定 AGC、测厚仪前馈等.
图 2 单机架测厚仪反馈厚度控制系统的 MATLAB 模型 Fig. 2 MATLAB model of a si ngle st and gaugemet er2 feedback gauge cont rol system
311 GM- AGC 系统
GM- AGC 控制算法表达式如下[5] :
Dhn= DS n+ DP n / K m
( 5)
DSn+ 1=
DS n-
(
K
m+ M) Km
Dhn
( 6)
式中, Dhn 为厚度偏差, DSn 为辊缝调整增量, DP n
为轧制力增量. 式( 5) 和式( 6) 表示 轧制力增量 得到的弹跳增量与辊缝调整增量构成厚度偏差, 该偏 差 经 刚 度 比 值 变 换, 成 为 新 的 辊 缝 调 整 增量 DSn+ 1.
图 3 所示 为形 象图 表示的 GM- AGC 系统 图. 图中, 轧机方框包含各种轧机设备参数和轧 制方程, 其左侧入口包含板坯来料参数输入模块 和工艺参数输入模块, 它们是一种组合输入, 如轧 机参数输入与输出为板厚、板宽、温度、速度、材料 表面、抗力六元数组, 仅用表示板带轧入和轧出的 连线表示即可. 该系统成功仿真出当来料厚度或 温度变化时有无反馈控制的出口厚度变化情况. 调试时可以任意设置参数输出监视窗口, 仿真完 毕从窗口查询连续曲线、任意时刻数据.
Dhn = hn - h0
( 10)
量反算的力增量偏差, 式( 8) 将轧制力增量换算成 厚度偏差, 送到液压缸进行调整.
DS n+ 1= DSn -
K
m+ Km
M
Dh n
( 11)
313 绝对值 AGC
其核心是由实测轧制力计算的弹跳值与调整
绝对值 AGC 控制算法表达式为:
后的辊缝相加, 得到预报出口厚度, 再与目标厚度
( 4) 未 来可 以搭 建 全连 轧系 统, 实 现 系统
仿真.
参考文献
[ 1] M cdonald I R, Spoon er P D, Cockerell R, et al. Dynamic mill simulat or. Ironmaking St eelmaking, 1993, 20( 4) : 286
和绝对值 AGC 基本相同, 对逐渐升高的抗力不能 限制, 但动态设定 AGC 效果较好, 能够锁定出口 厚度. 动态设定是先减去辊缝调整增量的影响, 得出较接近目标的辊缝修正值, 因而对来料厚度 储存偏差和抗力上升都有纠正作用.
图 6 三种压力厚度计系统仿真输出曲线 Fig. 6 Simulation curves of GM- AGC, absolut e AGC and dynami c set AGC systems
hn= Sn- 1+ P n / K m
( 9) 相比较, 得到绝对厚度偏差, 与辊缝相加送给液压 缸. 图 5 是绝对值 AGC 的仿真示意图.
图 5 绝对值 AGC 系统 Fi g. 5 Single stand absolut e AGC syst em
# 996 #
北京科技大学学报
2006 年第 10 期
4 结论
(1) 图形化仿真可以像搭积木一样, 达到轻 易改进控制组成的目的, 因而适合复杂多变的轧 制控制方案的比较.
( 2) 各控制环节建立的独立模块, 类似设备, 易于整体更换升级, 有利于不断改进精度.
( 3) 所建立的单机架动态设定 AGC, 绝对值 AGC 和 GM- AGC 三种不同反馈控制中, 在同样 厚度波动和轧件温降下, 动态设定 AGC 波动小, 目标偏差也较小.
1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 河北理工大学冶金与能源学院, 唐山 063009
摘 要 为提高 计 算机 进行 轧 制仿 真 时的 结 构 灵活 性 和扩 展 方便 性, 以 控 制 系统 常 用的 软 件 MAT LAB/ Simulink 为平台, 将主要轧制设备建立传递函数模型, 用有 相应输入 输出端口 的简单 框 图表示, 类似实际设备可以自由调度组合, 搭建出不同控制系统, 从而开 发出既便于 独立建模 研究 又易于构 建不同控制方案的轧制形象化仿真方法. 通过输入同 种原始条件, 对几种液压 AGC 系统 进行了仿真比较, 结果表明动态设定 AGC 响应更好. 关键词 轧制设备; 控制系统; 液压 AGC; 传递函数; 仿真比较; 结 构图 分类号 TG33317
[2] 穆志纯. 热带钢轧制 速度 和厚度 控制的 计算机 仿真研 究. 北京科技大学学报, 1995, 17( 1) : 17
[3] 金兹伯格 V B. 高精度板带材轧制理论与实 践. 姜 明东 等 译. 北京: 冶金工业出版社, 2000: 132
[ 4] 杨海波, 李明义, 杨成, 等. 薄板坯连铸连轧中的板带厚度 控制及仿真分析. 北京科技大学学报, 2001, 23( 2) : 140
第 28 卷 第 10 期 2006 年 10 月
北京 科技 大 学学 报 Jour nal of Univer sity of Science and Technology Beijing
Vol. 28 No. 10 Oct. 2006
几种液压 AGC 方式的图形化仿真比较
郑申白1, 2) 韩静涛1) 杨跃辉1)
图 1 中液压缸各环节在不同现场有不同参 数[4] , 输入阶跃信号可以检验液压缸输出响应快 慢, 由此能反映液压系统结构的组成好坏. 最后, 图 1 所示液压缸系统压缩为一个双输入单输出的 小框图. 113 检测体系
检测体系包括各种测厚仪, 如射线或激光测 厚仪. 它们本身有惯性, 一般用一阶惯性环节表 示, 但测厚仪还有与放置位置及轧件运动速度有 关的延迟. 它们作为独立功能模块, 分别用不同
( 3)
式中, K H 为液压系统刚度, kN#m- 1; K S 为轧机
的自然 刚度, kN # m- 1; M 为 轧件 的塑 性刚 度,
kN#m- 1; K q 为压力传感器刚度, kN#m- 1.
112 压下装置
液压缸在轧机压下设备中是具有快速调整压
下的一种装置, 现场普遍用作板带在线厚度调整
但上述子模块构建的 AGC 系统结构图虽然 原理直观, 组合和输入设备参数却不够方便. 将 它们缩为只有输入输出的图块, 这样就可使系统 结构图成为更为形象的实物图, 每个实物图里面 包含任意子模块, 如轧机系统就包含轧机、轧辊、 受力时产生变形的轧件, 接近实际现场的环境.
3 形象化框图表示的几种 AGC 系 统
力变形的响应, 可取 015~ 019.
轧机弹跳系统响应频率为:
f
R=
1 2P
Kmg G
( 2)
式中, K m 为轧机等效刚度, kN#m- 1; g 为重力加
速度, m#s- 2; G 为轧机每侧结构等效重量, kN.
轧机系统等效刚度 K m 可从下式计算:
1 Km
=
1 KH
+
1 KS
+
1 M
+
1 Kq
的图块标记表示.
114 轧制模块
各种轧制模型来自轧制原理.
( 1) 轧制力模型. 轧制力计算公式热轧采用
Sims 公式.
( 2) 弹跳模型. 仿真系统主要依靠弹跳方程
设置辊缝或计算轧件出口厚度, 常用模型为:
h=
S 0+
P Km
( 4)
式中, h 为轧件出口厚度, mm; S 0 为辊缝仪测量 结果, mm; P 为轧制力, kN.
轧制过程实现动态仿真, 就必须对轧制力及 力矩、轧机、拖动电机、压下等设备建立准确的静 态或动态数学模型. 现有模型中许多误差很大, 更需要这种功能模块独立, 便于以后开发研究, 不 断提高模型精度. 111 轧机体系
轧钢机系统从宏观角度可以视为机架、轧件、
收稿日期: 2005 06 28 修回日期: 2006 06 16 作者简介: 郑申白( 1956 ) ) , 男, 教授, 博士
轧辊、轴承多部件三自由度体系. 但在特性分析
时, 应注意轧件产生变形吸收大部分能量, 相当于
很大的阻尼. 因而在建立传递函数时必须用较为
贴切的等效弹性体才能反映出轧件变形对振动的
吸收. 轧机弹跳特性可以用以下传递函数[3] 表示:
WR( $) =
1+
1 2NT R $+
( T R$) 2
( 1)
式中, $ 为拉普拉斯算子; T R 为轧机弹跳系统响 应周期, s; N为轧机弹跳系统阻尼度, 体现轧件受
[5] 王君, 王国 栋. 各种 压力 AGC 模型 的分 析与 评价. 轧 钢, 2001, 18( 5) : 51
Simulation and comparison of several hydraulic AGC systems
ZHEN G Shenbai 1, 2) , HAN Ji ngtao1) , YANG Yuehui 2)
Vol. 28 No. 10
郑申白等: 几种液压 AGC 方式 的图形化仿真比较
# 995 #
图 3 形象化单机架 GM- AGC 系统
312 动态设定 AGC
Fi g. 3 Visual single stand GM- AGC syst em
表达式为:
动态设定 AGC 系统见图 4, 它是由液压缸输 出的辊缝值先反馈回一个数值, 增加调整量, 由此 提高系统的响应速度. 动态设定 AGC 控制算法
的设备.
液压缸系统包括伺服阀放大器、伺服阀线圈、
连接管道、液压缸本体, 还要考虑在有负荷的情况
下液压缸的内外泄漏和液压缸刚度. 其动态模块
# 994 #
北京科技大学学报
2006 年第 10 期
内部仿真结构图如图 1 所示.
图 1 液压缸系统控制仿真框图 Fi g. 1 Simulat ion frame of a hydrauli c control syst em
板带轧制时, 厚度、板形都有多种方式进行自 动控制. 文献[ 1- 2] 使用模块化方法分析轧制问 题, 对轧制仿真有所启迪. 轧制过程比较理想的 仿真平台应当是将轧机、压下装置、测厚仪、压力 传感器、给定值比较等环节制成画面上可以移动 及缩放的功能模块. 每个模块代表一个装置, 有 独立的参数表格, 内部用相应的数学模型描述装 置的动态特性, 外部有输入输出接口, 只要用信号 连线把它们按规则和实际可能连接起来, 就组成 系统. 这样的编程仿真方式十分适合用于复杂多 变的连轧控制, 便于操作者输入众多的现场实际 设备与工艺数据, 因而具有广泛的实用性.
DP dn= DP n - MK m DS n / ( M+ K m) ( 7)
DS n+ 1=
-
( M+
Km)
DP
dn /
K
2 m
( 8)
图 4 动态设定 AGC 系统
Fi Hale Waihona Puke Baidu. 4 Single stand dynamic set AGC syst em
式( 7) 表示轧制力增量中先减去辊缝调整增
MATLAB/ Simulink 软件特别适合在控制系 统分析中应用, 而且开放性好、普及广泛. 其图标 做成实物形状就更加形象, 容易理解, 计算结果既 可用图表或曲线显示, 还有各种稳定性分析. 本 文介绍采用 Simulink 平台构建的连轧系统仿真, 并用来比较几种 AGC 效果.
1 各种轧制基本组件的仿真模型
以上三种压力厚度计, 输入相同原料( 入口厚 度 50 mm, 出口厚度 30 mm) 及其干扰( 温度递减 和厚度 1 mm 正弦微动) , 得到图 6 所示的曲线. 由图可见, 响应起始有超调, 这是因为咬入方程没 有考虑轧件前端的外端缺失影响. 另外, 稳定以 后, 三种控制方式的响应还是有区别, GM- AGC
2 液压 AGC 轧制仿真模型
用基本框图按照轧制配合顺序, 组成测厚仪 反馈厚度控制的轧机仿真系统结构图( 见图 2) . 使用这种方法可以方便地组成各种 AGC 控制算 法, 压力 测 厚计 反 馈控 制 ( GM- AGC) 、绝对 值 AGC、动态设定 AGC、测厚仪前馈等.
图 2 单机架测厚仪反馈厚度控制系统的 MATLAB 模型 Fig. 2 MATLAB model of a si ngle st and gaugemet er2 feedback gauge cont rol system
311 GM- AGC 系统
GM- AGC 控制算法表达式如下[5] :
Dhn= DS n+ DP n / K m
( 5)
DSn+ 1=
DS n-
(
K
m+ M) Km
Dhn
( 6)
式中, Dhn 为厚度偏差, DSn 为辊缝调整增量, DP n
为轧制力增量. 式( 5) 和式( 6) 表示 轧制力增量 得到的弹跳增量与辊缝调整增量构成厚度偏差, 该偏 差 经 刚 度 比 值 变 换, 成 为 新 的 辊 缝 调 整 增量 DSn+ 1.
图 3 所示 为形 象图 表示的 GM- AGC 系统 图. 图中, 轧机方框包含各种轧机设备参数和轧 制方程, 其左侧入口包含板坯来料参数输入模块 和工艺参数输入模块, 它们是一种组合输入, 如轧 机参数输入与输出为板厚、板宽、温度、速度、材料 表面、抗力六元数组, 仅用表示板带轧入和轧出的 连线表示即可. 该系统成功仿真出当来料厚度或 温度变化时有无反馈控制的出口厚度变化情况. 调试时可以任意设置参数输出监视窗口, 仿真完 毕从窗口查询连续曲线、任意时刻数据.
Dhn = hn - h0
( 10)
量反算的力增量偏差, 式( 8) 将轧制力增量换算成 厚度偏差, 送到液压缸进行调整.
DS n+ 1= DSn -
K
m+ Km
M
Dh n
( 11)
313 绝对值 AGC
其核心是由实测轧制力计算的弹跳值与调整
绝对值 AGC 控制算法表达式为:
后的辊缝相加, 得到预报出口厚度, 再与目标厚度
( 4) 未 来可 以搭 建 全连 轧系 统, 实 现 系统
仿真.
参考文献
[ 1] M cdonald I R, Spoon er P D, Cockerell R, et al. Dynamic mill simulat or. Ironmaking St eelmaking, 1993, 20( 4) : 286
和绝对值 AGC 基本相同, 对逐渐升高的抗力不能 限制, 但动态设定 AGC 效果较好, 能够锁定出口 厚度. 动态设定是先减去辊缝调整增量的影响, 得出较接近目标的辊缝修正值, 因而对来料厚度 储存偏差和抗力上升都有纠正作用.
图 6 三种压力厚度计系统仿真输出曲线 Fig. 6 Simulation curves of GM- AGC, absolut e AGC and dynami c set AGC systems
hn= Sn- 1+ P n / K m
( 9) 相比较, 得到绝对厚度偏差, 与辊缝相加送给液压 缸. 图 5 是绝对值 AGC 的仿真示意图.
图 5 绝对值 AGC 系统 Fi g. 5 Single stand absolut e AGC syst em
# 996 #
北京科技大学学报
2006 年第 10 期
4 结论
(1) 图形化仿真可以像搭积木一样, 达到轻 易改进控制组成的目的, 因而适合复杂多变的轧 制控制方案的比较.
( 2) 各控制环节建立的独立模块, 类似设备, 易于整体更换升级, 有利于不断改进精度.
( 3) 所建立的单机架动态设定 AGC, 绝对值 AGC 和 GM- AGC 三种不同反馈控制中, 在同样 厚度波动和轧件温降下, 动态设定 AGC 波动小, 目标偏差也较小.
1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 河北理工大学冶金与能源学院, 唐山 063009
摘 要 为提高 计 算机 进行 轧 制仿 真 时的 结 构 灵活 性 和扩 展 方便 性, 以 控 制 系统 常 用的 软 件 MAT LAB/ Simulink 为平台, 将主要轧制设备建立传递函数模型, 用有 相应输入 输出端口 的简单 框 图表示, 类似实际设备可以自由调度组合, 搭建出不同控制系统, 从而开 发出既便于 独立建模 研究 又易于构 建不同控制方案的轧制形象化仿真方法. 通过输入同 种原始条件, 对几种液压 AGC 系统 进行了仿真比较, 结果表明动态设定 AGC 响应更好. 关键词 轧制设备; 控制系统; 液压 AGC; 传递函数; 仿真比较; 结 构图 分类号 TG33317
[2] 穆志纯. 热带钢轧制 速度 和厚度 控制的 计算机 仿真研 究. 北京科技大学学报, 1995, 17( 1) : 17
[3] 金兹伯格 V B. 高精度板带材轧制理论与实 践. 姜 明东 等 译. 北京: 冶金工业出版社, 2000: 132
[ 4] 杨海波, 李明义, 杨成, 等. 薄板坯连铸连轧中的板带厚度 控制及仿真分析. 北京科技大学学报, 2001, 23( 2) : 140
第 28 卷 第 10 期 2006 年 10 月
北京 科技 大 学学 报 Jour nal of Univer sity of Science and Technology Beijing
Vol. 28 No. 10 Oct. 2006
几种液压 AGC 方式的图形化仿真比较
郑申白1, 2) 韩静涛1) 杨跃辉1)
图 1 中液压缸各环节在不同现场有不同参 数[4] , 输入阶跃信号可以检验液压缸输出响应快 慢, 由此能反映液压系统结构的组成好坏. 最后, 图 1 所示液压缸系统压缩为一个双输入单输出的 小框图. 113 检测体系
检测体系包括各种测厚仪, 如射线或激光测 厚仪. 它们本身有惯性, 一般用一阶惯性环节表 示, 但测厚仪还有与放置位置及轧件运动速度有 关的延迟. 它们作为独立功能模块, 分别用不同
( 3)
式中, K H 为液压系统刚度, kN#m- 1; K S 为轧机
的自然 刚度, kN # m- 1; M 为 轧件 的塑 性刚 度,
kN#m- 1; K q 为压力传感器刚度, kN#m- 1.
112 压下装置
液压缸在轧机压下设备中是具有快速调整压
下的一种装置, 现场普遍用作板带在线厚度调整
但上述子模块构建的 AGC 系统结构图虽然 原理直观, 组合和输入设备参数却不够方便. 将 它们缩为只有输入输出的图块, 这样就可使系统 结构图成为更为形象的实物图, 每个实物图里面 包含任意子模块, 如轧机系统就包含轧机、轧辊、 受力时产生变形的轧件, 接近实际现场的环境.
3 形象化框图表示的几种 AGC 系 统
力变形的响应, 可取 015~ 019.
轧机弹跳系统响应频率为:
f
R=
1 2P
Kmg G
( 2)
式中, K m 为轧机等效刚度, kN#m- 1; g 为重力加
速度, m#s- 2; G 为轧机每侧结构等效重量, kN.
轧机系统等效刚度 K m 可从下式计算:
1 Km
=
1 KH
+
1 KS
+
1 M
+
1 Kq
的图块标记表示.
114 轧制模块
各种轧制模型来自轧制原理.
( 1) 轧制力模型. 轧制力计算公式热轧采用
Sims 公式.
( 2) 弹跳模型. 仿真系统主要依靠弹跳方程
设置辊缝或计算轧件出口厚度, 常用模型为:
h=
S 0+
P Km
( 4)
式中, h 为轧件出口厚度, mm; S 0 为辊缝仪测量 结果, mm; P 为轧制力, kN.
轧制过程实现动态仿真, 就必须对轧制力及 力矩、轧机、拖动电机、压下等设备建立准确的静 态或动态数学模型. 现有模型中许多误差很大, 更需要这种功能模块独立, 便于以后开发研究, 不 断提高模型精度. 111 轧机体系
轧钢机系统从宏观角度可以视为机架、轧件、
收稿日期: 2005 06 28 修回日期: 2006 06 16 作者简介: 郑申白( 1956 ) ) , 男, 教授, 博士
轧辊、轴承多部件三自由度体系. 但在特性分析
时, 应注意轧件产生变形吸收大部分能量, 相当于
很大的阻尼. 因而在建立传递函数时必须用较为
贴切的等效弹性体才能反映出轧件变形对振动的
吸收. 轧机弹跳特性可以用以下传递函数[3] 表示:
WR( $) =
1+
1 2NT R $+
( T R$) 2
( 1)
式中, $ 为拉普拉斯算子; T R 为轧机弹跳系统响 应周期, s; N为轧机弹跳系统阻尼度, 体现轧件受
[5] 王君, 王国 栋. 各种 压力 AGC 模型 的分 析与 评价. 轧 钢, 2001, 18( 5) : 51
Simulation and comparison of several hydraulic AGC systems
ZHEN G Shenbai 1, 2) , HAN Ji ngtao1) , YANG Yuehui 2)
Vol. 28 No. 10
郑申白等: 几种液压 AGC 方式 的图形化仿真比较
# 995 #
图 3 形象化单机架 GM- AGC 系统
312 动态设定 AGC
Fi g. 3 Visual single stand GM- AGC syst em
表达式为:
动态设定 AGC 系统见图 4, 它是由液压缸输 出的辊缝值先反馈回一个数值, 增加调整量, 由此 提高系统的响应速度. 动态设定 AGC 控制算法
的设备.
液压缸系统包括伺服阀放大器、伺服阀线圈、
连接管道、液压缸本体, 还要考虑在有负荷的情况
下液压缸的内外泄漏和液压缸刚度. 其动态模块
# 994 #
北京科技大学学报
2006 年第 10 期
内部仿真结构图如图 1 所示.
图 1 液压缸系统控制仿真框图 Fi g. 1 Simulat ion frame of a hydrauli c control syst em
板带轧制时, 厚度、板形都有多种方式进行自 动控制. 文献[ 1- 2] 使用模块化方法分析轧制问 题, 对轧制仿真有所启迪. 轧制过程比较理想的 仿真平台应当是将轧机、压下装置、测厚仪、压力 传感器、给定值比较等环节制成画面上可以移动 及缩放的功能模块. 每个模块代表一个装置, 有 独立的参数表格, 内部用相应的数学模型描述装 置的动态特性, 外部有输入输出接口, 只要用信号 连线把它们按规则和实际可能连接起来, 就组成 系统. 这样的编程仿真方式十分适合用于复杂多 变的连轧控制, 便于操作者输入众多的现场实际 设备与工艺数据, 因而具有广泛的实用性.
DP dn= DP n - MK m DS n / ( M+ K m) ( 7)
DS n+ 1=
-
( M+
Km)
DP
dn /
K
2 m
( 8)
图 4 动态设定 AGC 系统
Fi Hale Waihona Puke Baidu. 4 Single stand dynamic set AGC syst em
式( 7) 表示轧制力增量中先减去辊缝调整增
MATLAB/ Simulink 软件特别适合在控制系 统分析中应用, 而且开放性好、普及广泛. 其图标 做成实物形状就更加形象, 容易理解, 计算结果既 可用图表或曲线显示, 还有各种稳定性分析. 本 文介绍采用 Simulink 平台构建的连轧系统仿真, 并用来比较几种 AGC 效果.
1 各种轧制基本组件的仿真模型
以上三种压力厚度计, 输入相同原料( 入口厚 度 50 mm, 出口厚度 30 mm) 及其干扰( 温度递减 和厚度 1 mm 正弦微动) , 得到图 6 所示的曲线. 由图可见, 响应起始有超调, 这是因为咬入方程没 有考虑轧件前端的外端缺失影响. 另外, 稳定以 后, 三种控制方式的响应还是有区别, GM- AGC