（机械电子工程专业论文）e2轧机awc液压控制系统的建模仿真与校正.pdf

摘要 摘要 热轧厂的生产在整个钢铁公司处于非常关键的位置，而板带宽度的精 确控制可以降低轧件的切边、切头和切尾损耗，提高板带的成材率，为进 一步剪切加工、准确控制切边量创造条件。因此，宽度控制技术一直是热 连轧机中重要的研究课题之一。 本文主要研究了攀钢e 2 轧机的自动宽度控制液压系统，介绍了宽度控 制的发展概况，并详细论述了e 2 轧机宽度自动控s t j ( a w c ) 系统的组成及原 理针对轧制力变化引起立辊轧机有载辊缝波动而相应调节侧压位移量 以补偿辊缝波动。 在系统数学建模过程中采用了合乎实际的简化，运用经典的理论，使 其模型既简便，又正确的反映了系统各主要环节对整体控制效应的影响。 在进行实验之前，将系统运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱对系统进行了 仿真研究，从仿真模型的建立到仿真参数的选取，均以实际系统为标准，因 此也保证了系统仿真的可行性。 最后通过m a t l a b 中的又一个专门用于系统校正的s i s o t o o l 工具箱， 基于开环系统传递函数与单位正反馈一一对应的原理，根据系统的伯德图 对系统进行了校正研究，得到的结果通过s i m u l i n k 仿真与实验得到了验证。 由此也验证了s i s o t o o l 工具在系统补偿器设计中的快速性和合理性，为 s i s o t o o l 工具的推广应用提供了一个事例参考。 关键词a w c ；建模；仿真；校正；s i s o t o o l 茎生查兰三兰堡圭堂堡垒塞 a b s t r a c t t h ep r o d u c t i v i t yo fh o tr o l l i n gm i l li sv e r yi m p o r t a n ti nt h ew h o l ei r o na n d s t e e li n d u s t r y b a s e do nt h ep r e c i s ec o n t r o lo ft h ew i d t ho ft h er o l l i n gm i l l ，t h e a m o u n to fe d g ec u t t i n g ，h e a dp a r t sc u t t i n ga n dt a i lp a r t sc u t t i n gc a l lb ed e c r e a s e d ， a tt h es a m et i m e ，i tc a ni n c r e a s et h ec o n v e r t e dt i m b e rr a t eo ft h es t r i pa n dm a k e c o n d i t i o n sf o rf u r t h e rm a c h i n i n g s ot h et e c h n i q u eo fw i d t hc o n t r o lh a sb e e n a l w a y st h eo n eo fi m p o r t a n ts m d yq u e s t i o n sf o rd i s c u s s i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h et e c h n i q u eo ft h ew i d t hc o n t r o lo fe 2e d g e r m i l lw h i c hb e l o n g st op a n z h i h u ai r o na n ds t e e li n d u s t r y i ti n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea u t o m a t i c w i d t hc o n t r o l ( a w c ) t e c h n i q u ei nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ec o m p o s i n ga n dt h e c o n t r o lp r i n c i p l eo ft h ea w ch y d r a u l i cs y s t e m a w cc a nb ee x p l a i n e da s f o l l o w s ：b e c a u s eo ft h ec h a n g eo fr o l l i n gf o r c e ，t h es p a c eb e t w e e nt w or o l l e r so f e d g e rm i l lc h a n g ef o l l o w e d ，a n dt h e nt h ee q u i p m e n ti n s t a l l e da w ca d j u s tt h e s i d ed i s p l a c e m e n tt oc o m p e n s a t et h ec h a n g i n g b e f o r e b u i l d i n g t h em a t hm o d e l i n go ft h ea w cs y s t e m ，r e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o nw a sm a d e a n da l s ob e c a u s eo ft h ea d o p t i o no fc l a s s i c a lt h e o r i e s ， t h em o d e l i n go ft h ea w ch y d r a u l i cs y s t e mi sn o to n l ys i m p l e ，b u ta l s o r e f l e c t i n g t h ea f f e c t i o no ft h em a i nf a c t o r so ft h es y s t e m w i t ht h e m a t l a b s i m u l i n k ，t h es i m u l a t i o nh a sb e e nm a d e b e c a u s ea l lt h ep r o c e s sa n d d a t ac o r r e s p o n dt or e a ls y s t e m ，t h er e s u l t sa r ec o r r e c t b a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tt h et r a n s f e rf u n c t i o no fo p e n l o o ps y s t e mh a s o n l yo n ec l o s e d l o o pc o n f i g u r a t i o nw i t hu n i tf e e d b a c k ，c o m p e n s a t o ro f t h ea w c h y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h et o o lb o xo fm a t l a b s i s o t 0 0 1 f i n a l l yt h e e x p e r i m e n t a t i o nv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so ft h e s i m u l a t i o na n dc o m p e n s a t o r t h i sp a p e ra l s op r o v e st h eu s a g eo ft h es i s o t o o l ，a n dp r o v i d e sa ne x a m p l ef o r a b s t r a c t f u r t h e rs p r e a d i n gu s eo ft h es i s o t 0 0 1 k e y w o r d sa w c ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；c o m p e n s a t e ：s i s o t o o l m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( e 2 轧机a w c 液压控制 系统的建模、仿真与校正，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字：来周超日期：2 ( ) 明年了月日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 e 2 轧机a w c 液压控制系统的建模、仿真与校正系本人在燕山大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：采闩超 导师签名：。孩墁j 爨 日期：2 0 彳净s 月1 1 日 日期：2 田年蜘1 1e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 立辊轧机宽度控制技术概述 板带宽度的精确控制可以降低轧件的切边、切头切尾损耗，提高板带 的成材率，为进一步剪切加工、准确控制切边量创造条件。因此，宽度控 制技术的开发和应用一直是热连轧机中重要的研究课题之一。 1 1 1粗轧宽度控制技术的必要性 随着连铸坯的普遍使用，浇注太多不同宽度板坯将过多地降低连铸机 的效率和生产率，提高库存费用。浇注较少的几种宽度并根据订货做大幅 度压缩宽度可以解决这些问题，但要求扩大热轧立辊轧机的宽度变化量， 而立辊轧机的大幅度减宽将会引起尾部严重变窄，这将导致过度纵裂或切 头损失 i , 2 1 。同时，由于加热炉再加热不均匀，当为提高产量将纵裂间距减 小时，轧件宽度变化就变得非常明显。因此，如何控制办宽变化量、减小 切损、解决连铸坯与粗轧之间的工艺过渡问题，是热带钢厂改造必须解决 的重要课题。 板坯宽度不均，温度不均都将带来带钢宽度误差。精确地控制带钢宽 度可以减少切边量，提高带材收得率。带钢的宽度在精轧区是难以调整的， 宽度调整主要靠初轧区的立辊轧机来完成。粗轧区的宽度自动控制对于节 约材料和能源以及提高对来料板坯的适应性具有重要的意义。对于一般轧 机来说，宽度偏差每减小1m m ，成材率就可以提高0 1 口l ，因此，宽度控 制技术可显著提高经济效益。 采用宽度控制技术后，就会减小轧机和连铸机的生产计划的限制，增 加加热炉料热装量，提高连铸机的生产率，减少板坯库存量，降低纵裂损 失和减少卷曲机修理和订货的再请求( 重新排产) 的次数。所以在热带钢生产 过程中，为了扩大产品规格，提高产品质量，粗轧宽度控制技术正在得到 燕山大学工学硕士学位论文 越来越多国家、企业的重视。 1 1 2 粗轧宽度控制技术的研究现状 轧材的宽度变化基本有两种情况：一是轧边过程中形成的板材端部宽 度短缺；二是板坯加热不均或加热炉滑道黑印造成的宽度偏差。因此，世 界范围安装的宽度控制系统配置各不相同，但大多使用类似的方法用两种 独立的控制策略控制轧件头尾和中部，即头尾部的短行程控制和轧件定常 部的宽度自动控制系统( 包括前馈控制、轧制力反馈控制、宽度动态设定等) ， 这两种策略各有其应用范围，也是目前研究的重点。 日本、德国等国家相继开发了一系列宽度自动控制系统，例如日本三 菱重工开发了前馈宽度自动控制系统：日本新日铁、德国西门子公司也都 相继开发了自动宽度控制系统；德国赫斯钢铁公司开发了应用于三机架精 轧机的自动宽度控制系统等。宽度自动控制系统在热连轧机机组中得到了 广泛的应用并取得了明显的效果。多法斯科2 号热带钢轧机在1 9 9 0 年采用 宽度自动控制系统获得了极大的成功，使精轧机出口处的平均头部变窄， 由于精轧机宽度反馈，这一减小使直接产量损失减少了0 2 ，从而确保了 设定目标。日本鹿岛制铁所粗轧机组应用宽度控制技术后，宽度得到了明 显的提高。 近年来，我国各大型钢铁公司连铸坯比例逐年增加，宝钢2 0 5 0 和1 5 8 0 热轧生产粗轧机组均采用了短行程控制、反馈自动控制、前馈自动控制等 宽度控制技术，1 5 8 0 热轧生产线还采用来当今世纪最先进的板坯定宽侧压 机( 简称s p ) 及精轧机前小立辊f l e 、粗轧r i e 1 、r 2 e 2 等控制设备和相 应的检测设备m “。 1 1 3 宽度控制技术的作用与分类 宽度控制系统的主要作用是：在轧制过程中，对轧辊进行精确定位， 控制板材的轧制宽度，提高板形质量。 宽度控制技术主要包括以下三种： 2 第l 章绪论 ( 1 ) 短行程控制技术短行程控制技术简称s s c ( s h o r ts t r o k ec o n t r 0 1 ) ， 它的作用是动态地修正立辊轧制的开口度，达到克服大侧压过程中产生的 头尾失宽，从而控制轧件头尾部形状和减少切损，提高热轧带钢的成材率。 短行程控制基本思想是：根据大侧压造成的板坯头尾失宽轮廓曲线，在轧 制过程中不断改变立辊轧机的辊缝，使辊缝的改变恰好补偿头尾失宽量， 从而使水平辊轧制后的头尾宽度接近目标宽度。 ( 2 ) a w c 技术a w c ( a u t o m a t i cw i d t hc o n t r 0 1 ) 技术即宽度自动控制技 术，它是针对轧制力变化引起立辊轧机有载辊缝波动而相应调节侧压位移 量以补偿辊缝波动的技术。该技术保持了有载辊缝的恒定，从而确保轧出 的带坯在全长上宽度均等。由此可见，a w c 是一种反馈控制，可以对水印 或黑印以及清理凹陷引起的宽度波动起补偿控制作用。 ( 3 ) p w c 技术p w c ( p r o g r e s s i v ew i d t hc o n t r 0 1 ) 技术称为“连续宽度控 制”，它是用前一架水平辊轧机最末道次# l 错f j 力实测值来控制立辊辊缝，因 此，它是一种压力前馈宽度预控。p w c 技术主要是用于修正由于加热炉产 生的水印、火焰清理等引起的宽度不均匀以及板坯在连铸后因局部火焰清 理造成的局部缺肉等引起的公差睁1 2 1 。 1 2 液压系统建模与仿真概述 目前国内钢铁企业在对现有粗轧带钢宽度控制系统的技术改造中，主 要采用在线试验手段，既影响生产进度，又存在巨大的试验风险。离线仿 真技术提供了一种快速、廉价、低风险的试验手段。 1 2 1 液压系统建模与仿真的必要性 随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，液压 系统本身要求向高压、高性能和高的可靠性发展，要求的传递动力范围更 大、控制精度更高，系统柔性化与系统各种性能要求更高，所有这些都对 液压系统的设计提出了新的更高的要求。因此，对液压传动与控制系统进 行动态特性研究，了解和掌握液压系统工作过程中动态工作特性和参数变 燕山大学工学硕士学位论文 化，以便进一步改进和完善液压系统，提高液压系统的响应特性，提高运 动和控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 对于液压系统动态特性的分析，采用传统的以完成执行机构预定动作 循环和满足系统静态性能要求的系统设计边远不能满足上述要求。而随着 控制理论研究的进步及计算机技术的发展，利用计算机技术研究液压系统 的动态特性( 即数字仿真法) 将具有明显的优点。此方法先是建立液压系统动 态过程的数字模型，然后在计算机上求出系统中各种主要变量在动态过程 的时域解。数字仿真法既适用于线性系统，又适用于非线性系统，可以模 拟出任何输入函数作用下系统中各参变量的变化情况，从而获得对系统动 态过程直接的全面的了解。使得设计人员在设计阶段就可以预测液压系统 动态性能，以便及时对设计结果进行验证和改进，以保证系统的工作性能 和可靠性。与其他研究系统动态性能的手段和方法相比，计算机仿真技术 具有精确、可靠、适应性强、周期短和费用低等优点。 模型在使用之前必须验证，亦即在硬件上测试，若模型预到的输出与 硬件上测出之信号符合的程度满意，则认为模型有效，否则须修改模型。 建模与仿真结备可使设计者用为数很少构元件模型综合成多种多样的系 统。虽然在系统验证时须做几个试验，但一旦完成，则系统的模型可以接 受多种不同的输入，用计算机仿真即可研究其行为。因此建模加仿真的费 用与在硬件( 系统，元件) 上接受所有可以预见到的输入而作试验所需的费用 相比，节约不少“。 1 2 2 液压系统建模与仿真的发展与应用 现今最常用的模型有两大类：一是古典的传递函数，另一种是新发展 的状态变量模型。传递函数在一定的范围内有独到的优点。如它能反映在 频率域内的特性，这在研究振动、噪声时很是需要。另外其函数中的参数 与系统的性能有直接的关系，很直观，加之以往多年发展中形成的判据很 完整，使用方便。但是它一般仅适合于单输入，单输出的线性系统，即常用 的伺服系统。至于状态变量模型，则应用面广得多。既能用于线性的单输 4 第1 章绪论 入单输出的系统，又可用于非线性的多输入多输出系统，也就是既可用于 伺服系统，又可用于传动系统，从而成为两类系统通用的方法。而且它能 求出时域响应，比在频域用判据分析更准确。 开发通用的建模与仿真软件，一方面可以尽量降低数字仿真技术对于 专业技术人员在计算机知识水平方面的要求，另一方面也减少从事数字仿 真工作人员在液压技术专业知识方面的要求，减少其在仿真研究中的非本 质性的工作，缩短仿真研究工作周期，提高工作效率。近2 0 年来具有各类 专业特点的通用仿真软件不断推出，并得到较快的推广与发展。 在国外，第一个直接面向液压技术领域的专用液压系统仿真软件 h y d s 蹦于1 9 7 3 年研制成功，它是由俄克拉荷马州立大学的史密斯 ( c k s m i t h ) 等人研制的，该软件首次采用了液压元件功率口模型方式进行 建模，并且所建模型可重复使用。2 0 世纪8 0 年代是西欧国家和美国在液压 系统仿真方面取得初步成效的时代，首先是d s h 和h a s p 研制成功。d s h 和h a s p 软件包的问世，标志着液压技术领域内仿真技术的发展进入了一 个新的阶段。d s h 软件在建模上具有面向原理图建模、模型直观、物理意 义强、模型包含非线性等优点。h a s p 软件使用功率键合图的建模方法，采 用f o r t r a n 子程序自动生成数学模型。这两个软件的共同点是均采用了预建 模型库的方法预先建立液压系统各种常用典型元件的动态模型，并备有功 能完善的建模管理程序和模型程序发生器，根据用户输入的以特定表达规 则编制的研究对象的描述文件，程序系统可自动从模型库中调出相应子模 型，并将其归并成仿真计算所要求的标准数学模型形式，即系统状态方程， 完成自动建模。到了2 0 世纪9 0 年代，液压系统仿真软件又有了新的发展。 1 9 9 2 年英国巴斯大学以全新面貌推出了h a s p 的升级b a t h f p ，它吸收了 d s h 面向液压原理图的特点，扩大了软件的功能和适用性，在算法上，实 现了自动选择算法的积分器，但仍未解决模型简化问题，算法的自适应不够。 1 9 9 4 年德国亚琛工业大学推出了d s i + 的测试版软件它对原d s h 进行了 较大改进，除具有面向液压原理图和模型库丰富的优点外，增加了人机交 换功能，采用w i n d o w s 界面，并用c “语言对软件进行了重写，从中可 以看出未来液压系统仿真软件的特征和发展趋势。 燕山大学工学硕士学位论文 在我国，液压仿真研究是从2 0 世纪7 0 年代末开始的。浙江大学于1 9 8 1 年引进了德国的d s h 软件，并配合国家“六五”、“七五，、“八五”科技 攻关计划进行二次开发，取得了多项成果，推出了s i m u l z d 液压仿真专用 软件。大连理工大学在国内率先采用了功率键合图建模方法，在全面了解 和总结国内外液压系统动态仿真通用软件研究开发的现有成果和水平的基 础上，实现了一种以键合图技术与液压系统基本特点相结合为特征的行之 有效的自动建模方法。开发出了名为s i m 1 的液压系统仿真通用软件包。 总之，随着液压技术的普遍应用和人们对液压系统动态响应的要求越 来越高，液压系统数字仿真技术也越来越受到重视，而数字仿真技术的发 展也必将推动液压技术的加速发展【悼1 ”。 1 2 3 液压系统m a t l a b s i m u l i n k 软件简介 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司开发的大型数学计算软件，它提供了 强大的矩阵处理和绘图功能，可方便地进行科学与工程计算，大大地减小 了计算工作量。而且，m a t l a b 所采用的算法都是最新最成熟的算法，并 能够与各种程序语言进行融合编程，大大地加快了实际开发的速度。它带 有一些强大的具有特殊功能的工具箱( t o o l b o x ) ，均由名家编写，如美国学者 l o r e ns h u r e 编写的信号处理工具箱( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) ，瑞典学者 l e o n a r dl j u n g 编写的系统辨识工具箱( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x ) 等，这些 著名的工具箱都是与电子仿真有着密切关系的。目前，m a t l a b 已经成为 国际上最流行的电子仿真计算机辅助设计的软件工具，现在的m a t l a b 不 仅仅是一个“矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ”，更已经成为一种实用的全新 的计算机高级编程语言。 s i m u l i n k 是一个针对动力学系统建模、仿真和分析的软件包，可以处 理线性和非线性系统，离散、连续和混合系统，以及单任务和多任务系统， 并在同一系统中支持不同的变化速率。 s i m u l i n k 具有非常高的开放性， 或者将已有的模型添加组合到一起， 提倡将模型通过框图形式表示出来， 或者将自己创建的模块添加到模型当 6 第1 章绪论 中。s i m u l i n k 具有较高的交互性，允许随意修改模块参数，并且可以直接 无缝地使用m a t l a b 的所有分析工具。对最后得到的结果可进行分析，并 能够将结果可视化显示。 对于建模，s i m u l i n k 提供了非常方便的图形建模方式( g u i ) ，通过单击 和拖放鼠标搭建框图来完成仿真模型的建立。通过s i m u l i n k 提供的窗口， 搭建框图就如同用铅笔在白纸上画图一样方便快捷。s i m u l i n k 包括非常全 面的模块库及工具箱。模块库包括s i n k s 、s o u r c e s 、l i n e a r 和n o n l i n e a r c o m p o n e n t s 以及c o n n e c t o r s 。工具箱包括r e a lt i m ew o r k s h o p 、 s i m m e c h a n i c s 、s t a t c f l o w 、s i m u l i n kc o m t r o ld e f i g n 和v i r t u a lr e a l i t yt o o l b o x 等。而且s i m u l i n k 是非常开放性的程序包，用户可以方便地建造自己的模 块库，定制满足特殊功能的模块或者模块组1 1 8 , 1 9 1 。 1 3 课题的来源、主要内容和意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于企业项目，主要根据第二重型机械集团公司的e 勰2 改造e 2 轧机a w c 系统动态仿真计算项目立项报告。本项目主要内容包括： e 2 轧机力参数计算、液压环路系统的建模仿真研究、形变系统的建模与动 态仿真几个内容。由第二重型机械集团公司通过攀钢原e 2 r 2 轧机设计提 供有关轧机刚度、液压系统构成及其特性参数，提供温度、速度、轧制力 参数。本课题的主要研究的是此项目中关于液压环路系统的建模与仿真。 1 3 2 课题的主要内容 本课题以热轧板宽度自动控制技术为目标，建立e 2 立辊轧机a w c 计 算模型，实现e 2 轧机轧制过程的液压系统的动态模拟，应用m a t l a 山中 的s i s o t o o l 工具对系统进行校正。 ( 1 ) 构建e 2 轧机a w c 系统功能框图从e 2 轧机a w c 系统的控制功 能出发，将一个完整的控制系统分解为若干个自动控制子系统组成，并对 7 燕山大学工学硕士学位论文 最主要的控制环的功能进行动态特性分析。 ( 2 ) 分析e 2 轧机a w c 系统主要元件的动态特性分析e 2 轧机a w c 系统中控制环节、执行元件、检测元件等的动态特性，列出动态特性方程， 重点分析伺服阀、a w c 液压缸、管道动态、位移传感器、控制调节器等主 要控制、检测等元件的动态特性。 ( 3 ) 建立e 2 轧机a w c 系统的动态模型并进行动态模拟仿真依据上述 e 2 轧机a w c 系统主要元件的动态特性建立e 2 轧机a w c 系统的动态模型， 还需建立e 2 轧机a w c 系统随液压缸的位置变化的位置、压力伺服动态模 型。 “) 分析e 2 轧机a w c 系统的动态模型存在的问题针对动态模拟仿真 结果分析模型存在的问题，分析模型存在问题的原因，并分析应采取的手 段和措施。 ( 5 ) 分析e 2 轧机液压a w c 系统特性根据系统的仿真模型，求出系统 的频率响应特性，对系统稳定性、响应速度和控制精度进行分析；分析负 载压力变化对伺服阀的控制负载流量变化的特性的影响，并计算在相同的 伺服阀控制基准条件下e 2 轧机负荷变化引起液压缸的速度变化的补偿增益 值。 ( 6 ) 对e 2 轧机液压a w c 系统进行校正基于m a t l a b 先进的校正补 偿工具箱s i s o t o o l ，对系统进行校正，使系统各项指标符合要求。 1 3 3 课题意义 本课题的主要研究对象是攀钢e 2 轧机液压a w c 系统，通过对系统中 典型环节的建模与仿真研究，找出系统处存在的问题，合理确定系统的参 数，以求对实际生产有一定的指导作用。 液压系统模型主要是考虑管道的对称阀控制非对称液压缸模型。基本 模型采用教材中的经典原理和公式，保证了数学模型的正确性，通过仿真 进行离线分析，由实验验证其有效性，对阀控非对称液压缸的建模进行了 进一步的探索，更考虑了管道对系统的影响，使系统模型更接近于实际。 第1 章绪论 s i s o t o o i 工具箱是m a t l a b 中专门用于对系统进行补偿校正的工具箱， 它操作简单方便，补偿效果直观，补偿函数的产生与实现均能快速生成， 省却了大量的计算与分析时间。本课题采用s i s o t o o l 对系统进行补偿，更能 方便的找到改善系统性能的方法，节省了人力和物力资源。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章e 2 轧机宽度自动控制a w c 系统 宽度控制系统是套先进的自动化设备，安装于某粗轧机的e 1 、e 2 立 辊轧机上，其主要作用是：在轧制过程中，对轧辊进行精确定位，控制板 材的轧制宽度，提高板形质量。液压宽度控制系统的主要作用是为e 1 、e 2 立辊轧机提供动作的动力源。 本章将主要以攀钢e 2 立辊轧机的自动宽度控制系统为研究对象，给出 其实物组成，解释其控制原理，为以后的建模、仿真和校正打下基础。 2 1 宽度控制系统组成 宽度自动控制系统安装在e 2 立辊轧机上，立辊轧机的位置是其主要的 控制对象，液压宽度自动控制系统控制性能的好坏将直接反映在立辊轧机 对带材的宽度控制上。因此，本节将主要介绍立辊轧机侧压系统组成和液 压宽度自动控制系统组成，e 2 轧机控制阀台原理图参见附录图1 。 2 1 1 立辊轧机侧压系统组成原理 宽度控制系统的压下量分为两个部分，一部分是电动压下部分，在轧制 时该量不作调节，一部分是液压压下部分，在轧制时可调节，一般立辊位 置先由电动压下部分调节到位，液压系统对位置进行适当的修正，在轧制 时，可以根据轧制策略需要通过液压压下装置实现对立辊辊缝的动态调节。 一般情况下，每台立辊轧机后面紧跟一台水平辊轧机，两台轧机联成 一体实现连轧。各立辊轧机由主传动装置、万向接轴、轧辊、滑架、侧压 装置、机架牌坊、导板、平台等组成。 各立辊轧机的侧压装置每侧都有两根侧压螺丝。e 2 采用立式电机传动， 每侧的一台立式电动机通过蜗杆互相串连的两台蜗轮减速机分别带动两根 侧压螺丝转动。实现上、下侧压螺丝的机械同步。 1 0 第2 章e 2 轧机宽度自动控制a w c 系统 侧压螺丝的精确位置通过插在侧压螺丝中心长孔中的位置传感器来测 量，这种传感器最大测量长度为1 0m ，测量精度优于0 1m m ，侧压缸活塞 也装有同类传感器。 侧压平衡缸在正常工作状态下始终将滑架拉靠在侧压螺丝上，以消除 侧压螺丝和侧压螺母及其它承压件之间的间隙。侧压螺丝的行程只能保证 轧辊在正常开口度下移动，而平衡油缸的行程比侧压螺丝大的多。 电动侧压装置只用在空载情况下预调轧辊开口度，而在轧制时电机侧 压装置是不工作的。 每台立辊轧机上各有4 个侧压缸，侧压缸的缸体固定在牌坊上。侧压 螺丝穿过侧压缸的活塞和装在活塞上的侧压螺母通过导向键连接在一起， 使侧压螺母和活塞相对于缸体只能作轴向移动而不能转动。侧压螺丝与电 动侧压装置的蜗轮之间通过花键联接，因此在电动侧压装置不动的情况下， 侧压缸活塞也可通过侧压螺母带动侧压螺丝作轴向运动，来改变轧辊的开 口度。侧压缸在板坯轧制过程中充分发挥了液压伺服系统惯性小、反应速 度快、传动效率高的优越性进行宽度自动控制。另外，液压缸在预调轧辊 开口度时还具有辅助电动侧压装置精调开口度的作用。 粗轧立辊机组的操作侧和传动侧各有一套电液伺服控制系统，每侧各 有一套p i 调节器、调节伺服阀来控制液压缸位置，从而达到控制立辊开度 的目的。液压宽度控制装置是宽度控制控制的核心机构，自动宽度控制 ( a w c ) 、前馈宽度控$ o ( p w c ) 、短行程控n ( s s c ) 等宽度控制策略都要通过 液压宽度控制系统来实现。 2 1 2 液压宽度控制系统的组成 液压侧压系统是由油源、伺服阀、管道和液压缸等液压元件构成的液 压伺服系统，该系统为粗轧带钢宽度控制的关键设备，本课题所研究的自 动宽度控常j j ( a w c ) 策略就是由该设备物理实现的。 液压宽度自动控制系统得主要设备为四台( 三用一备) 通轴斜盘式恒压 变量柱塞泵，系统正常工作时，主泵打出的压力油通过泵出口控制阀分为 燕山大学1 = 学硕士学位论文 两路：一路为主油路，压力3 1 5m p a ；一路为减压控制回路，压力1 8m p a 。 轧机正常工作时，主油路的压力油经过伺服阀控制液压缸工作，以达到轧 机轧辊定位和控制板坯轧制宽度的目的；当轧机停机检修时，伺服阀关闭， 旁通回路打开，主油路的压力油通过电液换向阀来控制液压缸动作。 液压宽度控制系统有二个主要的任务：第一是他们在轧制过程中实现 带钢的宽度调整，第二是当轧制力发生变化造成带钢宽度变化时自动调整， 补偿由此产生的负载变化对带钢宽度的影响。这两个任务对产品的生产产 量和产品质量都有巨大的影响。完成这2 项任务任务需要有一个高响应速 度与非常精确的位置和力的测量相结合为先决条件。尤其在高速的轧制速 度下。 图2 1 为自动宽度控制液压系统的组成原理图。 图2 - 1自动宽度控制液压系统的组成原理图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r em a po fh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do na u t o m a t i cw i d t hc o n t r o l 液压宽度控制系统的液压源采用恒压变量泵，用皮囊式蓄能器提供附 1 2 第2 章e 2 轧机宽度自动控制a w c 系统 加的油源储备和压力储备。泵打出的压力油通过电液伺服阀控制其流入液 压缸的流量、压力和方向。电液伺服阀是一种响应迅速的电液转换元件， 是本系统的关键部件。流量进入液压缸后推动活塞干运动，进而控制立辊 e 2 轧机。图2 - 1 中的压力和位移传感器分别用来检测系统中压力和位移的 变化，将他们反馈给电液伺服阀，形成闭环控制回路，提高系统的控制精 度。 基于以上对液压宽度控制系统液压回路的原理分析，结合现代控制论 关于系统组成的思想，将系统用框图的形式将能更清晰的表示出控制系统 的组成，如图2 2 所示。 图2 - 2a w c 系统组成框图 f i g 2 - 2 t h es k e t c ho f a w ch y d r a u l i cs y s t e mf o rs t r u c t u r e 2 2e 2 轧机宽度控制系统控制原理 e 2 轧机位于r 2 轧机之前，e 1 r i 轧机之后。e l 轧机采用s s c ( 短行程 控制) 策略，已经很好地修i e t 车l 材头尾宽度的缺陷，因此，e 2 轧机的主要 作用将是针对轧材全长上的宽度波动进行修正，达到减少切变量，提高轧 材成材率的目的。 2 2 1 立轧时板坯的变形特点 为了更好地研究板材的a w c 控制，有必要对立轧时板坯的变形特点进 行了解。 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 板坯立轧时形成狗骨形断面在立辊轧制时，由于板坯在宽度方向 上受到压缩变形，使得板坯向长度方向延伸，同时材料向厚度方向流动。 但由于宽度方向的压缩不能穿透板坯的整个宽度，所以材料向厚度方向的 流动集中的板坯的良策边缘上形成了所谓的狗骨形断面。 ( 2 ) 假t j 压时板坯的头部和尾部产生严重的宽度不均在立辊轧制时，板 坯头部由于两侧材料长度方向上的延伸所受限制较小亦即狗骨突起较小， 由于板坯宽度方向的压缩变形不能穿透整个宽度，所以板坯两侧的延伸大 于中间，因而使得板坯头部两侧形成扣向中间的圆弧形，造成头部宽度收 缩，而端部也形成内凹的圆弧形。随着轧出长度的增加、板坯两侧在长度 方向的延伸所受到的限制不断增加，并在轧出长度约等于板宽之半时达到 稳定。与此同时，板坯两侧的狗骨凸起也由d , n 大，并达到稳定。 ( 3 ) 板坯的宽厚比对立轧影响宽厚比越大，立轧时板坯越容易由于失 去稳定而发生弯曲和扭转。 2 2 2 液压宽度控制系统控制原理详述 根据e 2 轧机在连轧机中所处的位置，考虑板材的变形特点，本课题 所研究的e 2 轧机将采用a w c ( i l p 宽度自动控制) 技术，它是针对轧制力变化 引起立辊轧机有载辊缝波动而相应调节侧压位移量以补偿辊缝波动的技 术。该技术的关键就是保持有载辊缝的恒定，从而确保带材在全长上宽度 均等。采用a w c 技术的另一个重要原因是此控制策略的结果与e 2 立辊轧 机最终的目的一致。 粗轧e 2 轧机液压a w c 系统是非常典型的四通阀控制非对称液压缸结 构形式，它通过改变伺服阀的电流输入来改变伺服阀的阀芯位移，从而调 节流入液压缸的流量，实现控制液压缸活塞位移，以达到控制立辊辊缝的 目的。 e 2 轧机主控计算机接受由二级计算机的辊缝给定，先由电动压下进行 定位粗调，电动粗调同时液压压下回归基准零位，电动粗调结束后液压压 下系统根据电动压下的位置偏差进行定位精调，从而完成了粗轧宽度控制 1 4 第2 章e 2 轧机宽度自动控制a w c 系统 之前的定位调整。当立辊咬钢后，投入粗轧宽度控制。 液压a w c 系统( 即液压宽度自动控制系统) 的组成在前一节已经有了 比较详细的说明，由分析可知粗轧带钢液压a w c 系统采用液压闭环控制， 通过对轧制力和侧压缸活塞位移的实时测量，连续调节侧压缸输出位移和 压力，控制带钢宽度偏差。整个宽度控制系统包含两个基本闭环回路： ( 1 ) 轧制力的闭环控制回路压力传感器将检测到的轧制力反馈到补偿 环节，由补偿环节对机架弹跳进行补偿计算。 ( 2 ) 阀控缸的位移控制回路给定位移值与侧压油缸实际位移的差值作 为伺服控制电路的输入，控制伺服阀的输出压力和流量，驱动侧压油缸活塞 运动。 实现自动控制的液压环路的控制系统框图如图2 3 所示。 力控制 图2 - 3 液压环路的控制框图 f i g 2 3 t h es k e t c ho f h y d r a u l i cl o o p 图2 3 清楚的表示了e 2 轧机a w c 液压系统的控制过程。首先给定一 个参考位移量，经过位置控制器转换成与f ( p ) 传回的量可以比较的量输入 量，此量经过p i d 调节器后输出给电液伺服阀，控制伺服阀的阀芯位移动 作，从而控制流入液压缸的流量和压力。当板材的宽度发生变化时，位移 传感器将位移量传回与给定位移量进行比较，其偏差值在通过p i d 调节器 加到电液伺服阀上控制阀芯向减少偏差的方向动作，此过程完成了立辊轧 燕山大学工学硕士学位论文 机第一个控制环路，即位置反馈控制，保证了液压缸输出位移与参考位移 成一定的比例。当板材由于浇注过程中出现的缺陷，使立辊轧机轧制力发 生变化时，此时轧制力的变化通过力控制器传回与系统输入量进行比较从 而控制系统的输出压力与轧制力相平衡，进而控制辊缝在一定值，此过程 完成立辊轧机第二个控制环路，即力反馈控制，保证了系统在给定位移输 入下，系统的辊缝在一定值。 2 3 本章小结 通过本章的阐述，我们对a w c 系统的组成以及控制原理有了比较详细 的了解。本章内容对e 2 轧机系统进行了适当的简化，为以后系统的建模和 仿真奠定了基础。 1 6 第3 章a w c 系统的建模 第3 章a w c 系统的建模 本课题研究的中心内容就是通过对a w c 系统的离线仿真，找到影响系 统的关键参数，合理选择参数，以达到对系统的有效控制。要达到此目的， 模型的正确建立是前提，仿真的正确运行是根本，本章将针对这两个根本 问题予以详细论述。 3 1 系统建模与仿真的一般步骤 在开始对系统进行正式的建模与仿真之前，本节将给出系统建模与仿 真的一般步骤，以其对以后各节有一个穿针引线的作用。 系统建模与仿真的一般步骤如下： ( 1 ) 描述仿真问题，明确仿真目的； ( 2 ) 项目计划、方案设计与系统定义根据仿真目的确定相应的仿真结 构( 实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等) ，规定相应仿 真系统的边界条件与约束条件； ( 3 ) 数学建模根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物 理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要 确保模型的有效性和经济性； ( 4 ) 仿真建模根指数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或 其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型， 也即获得系统的仿真模型； ( 5 ) 试验设定实验环境，条件和记录数据，进行实验，并记录数据； ( 6 ) 仿真结果分析根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理 ( 整理及文档化) 。根据分忻结果修正数学模型、仿真模型或仿真程序或者修 正，改变原型系统，以进行新的实验。模型是否能够正确地表示实际系统， 并不是一次完成的，而是需要比较模型和实际系统的差异，不断地修正和 验证而完成的。 燕山大学工学硕士学位论文 图3 - 1 为系统建模与仿真流程图。 i 是 亟堑口 图3 - 1系统建模与仿真流程图 f i g 3 1 t h ef l o wc h a r to fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs y s t e m 前两章已经对a w c 系统进行了描述，明确了仿真的目的，所以本章主 要对a w c 系统进行建模与仿真。 3 2a w c 液压系统数学模型概述 3 2 1 数学模型结构及特点 模型采用连续系统时域建模的方式，根据系统的微分方程建立系统模 型，依靠m a t 】a b s i m u l i n k 软件系统的自身解算器，实现对系统模型的求解。 建模过程物理，数学关系清晰、明确，模型便于修改、扩充，有利于模型 维护和调整。系统建模采用模块化策略，模块的划分遵循以下原则：一是 建模的物理原则，模块的划分以独立的物理设备或部件为基础，描述某一 1 8 第3 章a w c 系统的建模 物理设备或部件特性的数学模型全部包含在对应的模块内；二是软件设计 的原则，现代软件设计的核心内容是把系统依层次分解至能够独立处理的 最小的功能单元，并以信息流为基础，逐步模块化的过程，要求模块具有 单一的功能和相对的独立性。这里先将大系统分解成若干个子系统，子系 统的划分根据实际物理系统的功能进行区分，整个液压宽度控制系统分解 成p i d 控制模块、电液伺服阀模块、液压缸模块、管道模块、液压缸模块 等子模型，子模型建立完毕后，根据模型问能量交流通道，将多个子模型 连接起来，子模型间接口有明确的物理量体现( 如电流、压力、流量、位移 等) 。 3 2 2 理论数学模型的前提条件 要对一个真实系统的性能进行研究，必须建立对应该系统的模型，通 过对模型的详细研究，从中抽取出系统的基本性能。系统仿真能否达到预 期效果，数学模型起着关键的作用。也就是说数学模型若不能有效充分地 表示过程系统特性，仿真试验将无法取得成功，因此建立快速准确的数学 模型是系统仿真工作的基础。液压宽度控制系统是典型的低阻尼、非线性 时变系统，在建模过程中，选择有利于非线性大系统建模的分析方法 机理模型方法，使用多种学科知识相交叉，建立包括机械、液压、电气