连轧机组液压辊缝控制系统的设计

连轧机组液压辊缝控制系统的设计
(内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头 014010)
摘要：通过对连轧机组液压辊缝控制系统的研究，推理其数学模型并进行仿真，了解了PID参数对系统的影响，近而掌握了伺服阀、PID控制及系统软件在该系统中所起的
关键词：连轧HGC系统；仿真；伺服阀；PID；系统软
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(XX)20—0075—02
包钢无缝钢管厂ф180机组连轧机辊缝控制，采用当今世界先进的液压伺服控制系统,电气控制采用INNSE公司基于X-Pact ProBAS结构的新CARTA MPM-HGC系统。

该系统的核心是液压辊缝控制(HGC)，本设计通过对HGC系统的研究，推理数学模型并仿真，了解了伺服阀及P ID控制在该系统中的影响和应用，加强了对该系统薄弱环节的预防和改造,提高了产品质量和轧制节奏，对该厂有着重要的意义。

1 HGC
HGC是一种闭环控制功能，提供液压缸的快速和精确定
位。

位置控制环给出伺服阀的给定，接收位置传感器和压力传感器来的反馈信号，每个缸都有一套独立的液压位置调节［1 ］。

为了保护系统，当出现轧制过载或操作员干预的主机停车时，控制系统立即将辊缝打开到安全位置，在轧制过程中，如果控制系统检测到报警，通过电磁阀锁定当前液压缸位置，直到完成当前钢管的轧制。

当轧制力超过设定极限时，系统产生报警提醒操作员注意，并且通过调整液压缸位置来防止轧制力继续增大。

高速控制器将执行以下功能：①缸位置控制；②轧制力计算；③自动流量补偿控制；④位置同步控制；⑤自动辊缝控制；⑥伺服阀漂移调节；
⑦自动缸位置传感器归零；⑧报警程序；⑨和一级自动化
2
2.1 连轧液压辊缝控制的电气控制原理框图
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2.2
在HGC系统中，调整压下是厚度控制的主要方式，它通过改变辊缝的大小来保证轧机出口钢管的壁后。

液压缸自动位置闭环控制系统作为HGC系统的核心，其性能指标直接决定HGC的指标。

在对HGC系统的研究中,对轧机APC系统
2.2.1
由于存在液压扰动和输出漂移，故对APC的辨识采用闭环辨识技术。

本文所用的为伪随机信号。

2.2.2
经过对伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、位移传感器及二次仪表的机理方程的分析可得A PC系统动态结构如图1所示。

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图中Ui为位置给定，Uf为实测位置，式中Ka为放大器增益，Ap为液压缸活塞有效面积；Ka为总流量压力系数；K为平均变形抗力，ωr为一阶环节转折频率，ω0为综合固有频率，ξ0为综合阻尼比，KSV为伺服阀放大系数，ωsv 为伺服阀等效固有频率，ξSV为伺服阀等效阻尼比。

［2］
很显然，所得5阶传递函数过于复杂，将其近似成一个二阶系统对分析系统的稳定性影响不大，本设计将运用递推最小二乘法辨识APC
2.2.3
间接辨识法不适应本系统，故采用直接辨识法。

鉴于工程实现的考虑，采用M序列作为输入信号，进行辨识前要先确定M序列的长度和游程Δt，由n级移位寄存器产生的M 序列长度为N=2n-1个码。

M序列的选择要遵循以下两个标
1/3Δt ≥fmax(1)；Δt＞ts ，式中，fmax为过程的最高频率，ts为过渡过程时间，M为序列长度，Δt 为M序列
3
2.2.4
考虑到位置闭环是通过改变PID调节器参数来使系统具有良好的响应特性，因此需要确定PID参数对系统辨识的影响情况。

以二阶振荡环节为被控对象进行研究。

仿真结构如图2
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图2中，r为系统阶跃输入信号，u为M序列输入信号，y为被控对象输出。

被
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得ωn=3r/s，ξn=0.2 ,ts=3.5/(ωnξn)≈6s，
选M序列为6阶，游程Δt=0.05s,即可满足和式，M序列幅值取为0.2V
当采样周期为0.05S时，待辨识模型对应的离散模型为：
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y(k)+a1y(k-1)+a2y(k-2)=b1u(k-1)+b2u(k-2) (5)
式中，a1,a2,b1,b2
考察在不同的PID调节器参数值下，辨识模型的参数估
计值，可知PID调节器参数不同时对模型参数估计值影响很小，因此可用闭环辨识方法直接辨识液压缸位置闭环模
2.2.5
在压力闭环控制状态下，手动给定轧制力500KN，将缸位移给定置为零，切入缸位移闭环状态，由下位机经D/A 输出信号，叠加到伺服放大器输入端。

为了消除初始状态的影响，采样是在M序列周期的第2个周期开始的，取数据长度为3个M序列周期长度，认为被控对象是二阶系统，如前所述,将反馈环节的滤波时间常数定为0.06s，用递推最小二乘法进行系统参数辨识，可得APC的离散化被控对象模型为式，式中，uP为被控对象输出，yP为被控对象输入。

yp(k)-1.645y p(k-1)+0.6484y p(k-2)
=［6.902up(k-1)+3.449up(k-2)］×10-3 (6)
保持PID参数不变，对500KN和原系统响应过程一并仿真如图3
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图中“—”曲线表示机理模型响应曲线，“……”为500KN
2.2.6
从图中可以看出辨识的数学模型曲线和原系统曲线相
差在允许范围内，即不同的轧制力对辊缝几乎没有影响，故此模型认为可作为HGC
2.3 D791系列伺服阀在HGC
2.3.1 D791
伺服阀是HGC系统中最重要，最基本的组成部分。

伺服阀的阀芯性能、额定流量、阶跃响应、频率特性等参数是选用的重要标准。

HGC系统中使用了力反馈式、带喷嘴挡板系统的 D791伺服阀。

其主阀芯的换向不是靠电磁铁来推动，而是靠前置级先导阀输出的液压力来推动，它的前置先导阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀。

当不进行辊缝设定时，主阀芯应在中间位置，而当设定辊缝时，电气信号施加到伺服阀内的集成控制放大器上，由放大器驱动前置先导阀动作，喷嘴挡板偏离中间位置，造成阀芯两端的压力发生变化，主阀阀芯因此而产生位移，挡板的运动由力矩马达来调节。

阀芯位移通过反馈杆产生反馈力矩，使挡板在某个位置达到平衡。

而主阀芯的位移实现了对流量的调节进而控制了液压缸的移动，伺服阀内的位移传感器检测到主阀芯的位置，维护人员可以由此判断阀芯的偏离程度。

根据液压系统的控制原理可知,力矩马达产生的电磁力矩为:T=K*I，式中T—电磁力矩，K—力矩马达的力矩系数，I—输入电流，当阀芯处于动态平衡位置时，其电磁力矩与挡板组件的阻尼力矩、阀芯两端不平衡压力所产生的力矩相平衡，如果
忽略挡板组件的阻尼力矩，则马达电磁力矩与阀芯两端不平衡压力产生的力矩相平衡。

由上面公式可知，力矩马达的电磁力矩和输入电流成正比，所以阀芯的位移与输入的电流成正比，也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比，并且电流的极性决定液流的方向，这样便满足了对电液伺服阀的功能要求。

［4］从上面我们也可以看出D791伺服阀属于多级伺服控制元件。

主滑阀、前置级先导阀和阀内位移检测器构成了D791
2.3.2
伺服阀的入口压力不足；伺服阀的±15伏电源故障;伺服阀的零部件磨损及油液污染。

3
3.1 PDA
HGC系统的客户端使用了德国iba公司的PDA，它是基于PC的高性能数据采集系统，可运行在 WINDOWS NT4.0及WINDOWS XP 上。

通过PDA ，系统实现了生产过程数据的高速数
3.2 在线诊断工具软件winHMI
HGC系统提供了在线诊断工具winHMI,它具有如下功能：①可远程访问所有的测量值及控制参数;②测试控制系统的线路以及液压系统元件的某些功能;③在线观察和记录事
3.3
iba Analyzer软件可以分析和编辑由PDA记录的多种数据。

iba Analyzer一些主要功能如下:①信号分析的模板会话功能;②图形过滤功能;③分析 D OS格式和压缩的PDA数据文件;④可用Windows操作系统设定的打印机打印并有打印预视功能; ⑤可用内置公式编辑器进行计算;⑥自动识别数据格式;⑦可选择 Y/T, Y/X 和 FFT 的视窗显示;⑧功能强大的3D分析;
4
无缝厂HGC系统运行一年以来，经过本设计的指导，同时利用HGC强大的信号采集和故障分析功能，缩短了处理
［1］M
XX ：机械工业出版社， 20 05，(10).
［2］M］.XX：机械工业出版社，1999.
［3］J］
XX增刊.
［4］M］.XX：化学工业出版社，XX.。