（机械工程专业论文）全液压地下卷取机工艺研究及液压系统仿真.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 论文介绍了踏步控制( q o c ) 原理，并深八分析研究了其影响钢卷卷取质量 的主要原因。q o c 是全液压地下卷取机的关键核心技术，该技术将直接影响钢卷 的卷取质量。论文重点对全液压地下卷取机系统进行动态建模与仿真，这对于分 析踏步控制系统的动态特性有着重要的意义。 为了建立全液压地下卷取机的卷筒液压系统、助卷辊液压系统、夹送辊液压 系统和侧导板液压系统各系统的数学模型，得到各系统的传递函数。论文结合系 统工程、流体力学和经典控制论等理论，并利用m a t l a b 的仿真工具箱s i m u l i n k ， 建立了全液压地下卷取机液压系统的计算机仿真模型。在此基础上，对模型作了 计算机仿真，并应用仿真结果对全液压地下卷取机的卷筒液压系统、助卷辊液压 系统、夹送辊液压系统和侧导板液压系统各系统工作稳定性分析。 在建模过程中，控制油路技术的关键是控制液压油何时流动以及如何流动， 本系统重点研究控制油路中液控单向阀的开扁、闭合和电磁换向阀的换向动作关 键技术，研究表明，卷筒真正进行卷取工作时控制油路不会对卷取任务有所影响； 单向阀开关动作只起变换液流通路的作用时节流作用很弱；减压阀实质上就是节 流口，它的主要作用是减压并保持阀的出口压力基本恒定；因此，控制油路和减 压阀在建立数学模型时可以忽略。 但是，系统的动态特性分析涉及多个学科的知识，难免有考虑不周之处，这 正是今后需要进一步完善之处。 关键词：踏步控制，液压卷取机，动态建模与仿真，s i m u l i n k 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h et h e o r yo f q o c ( q u i c ko p e nc o n t r 0 1 ) i si n t r o d u c e d a n dt h ec a u s eo fr o l lq u a l i t y i s d e e pa n a l y z e d q o ci st h ek e yc o r et e c h n o l o g ya n dt h et e c h n o l o g ya f f e c t t h er o l l q u a l i t yd i r e c t l y t h ee m p h a s i si n t h i sa r t i c l ei s e s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i cm o d e la n d s i m u l a t i o no f t h er e e lh y d r a u i i cs y s t e m i ti si m p o r t a n tf o rt h ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oe s t a l ：) l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ed o w nt o i l e rh y d r a u l i cs y s t e m s r e e lh y d r a u l i cs y s t e m ，u n i tr o l l sh y d r a u l i cs y s t e m ，p i n c hr o l lh y d r a u i i cs y s t e ma n ds i d e g u i d eh y d r a u l i cs y s t e m ，a n do b t a i ns y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o n ，s y s t e m se n g i n e e r i n g 、 h y d r o d y n a m i c sa n dc l a s s i c a lc y b e m e t i c se t ck n o w l e d g ea r eb e e na p p l i e d w i t ht h e s o f t w a r ep a c k a g es i m u l i n k ，s i m u l a t i o nm o d e lo nc o m p u t e ro fr e e lh y d r a u l i cs y s t e mi s b e e ne s t a b l i s h e da n da tt h es a m et i m eg a i nt h er e s u l ta n dc o n c l u s i o n o nt h eb a s eo f t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ef o u rh y d r a u l i cs y s t e m s s t a b i l i t ya r ea n a l y z e d a st h em a i nf u n c t i o no ft h ec o n t r o lo i ll o o pi st oc o n t r o lt h eo i l sf l o w i n gt i m ea n d d i r e c t i o nd u r i n gt h em o d e lp r o c e s s t h et u r no na n dc l o s ea c t i o no fp i l o tc h e c kv a l v e a n de l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e d i r e c t i o nc h a n g ea r ec o n t r o l l e db yt h ec o n t r o lo i ll o o pi n t h i ss y s t e m n e x ta c t i o no c c u r r e da f t e rp r e v i o u s s oi nt h er e a lr o l lt i m e ，c o n t r o ll o o p w i l ln o ta f f e c tt h er e e lt a s k p i l o tc h e c kv a l v eo n l yc o n t r o lt h et u r no na n dc l o s ea c t i o n o ft h es y s t e m r e d u c i n gv a l v eo n l yk e e pt h ep r e s s u r eo ft h es y s t e mi n v a r i a n t w h e n e s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i cm o d e l t h ec o n t r o lo i ll o o pa n d t h er e d u c ev a l v ea r eb e e n o m i t t e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e ro f h y d r a u l i ci n v o l v em o r e t h a no n es u b j e c t ，i ti si n e v i t a b l e o m i ts o m ef a c t o r sa n dt h i si u s tn e e d sc o n s i d e ri n 也ef u t u r e k e y w o r d s ：q u i c ko p e nc o n t r o l ，h y d r a u l i cr e e l ，d y n a m i c m o d e la n ds i m u l a t i o n ， s i m u l i n k i i 重庆大学硕士学位论文 l绪论 1 1 液压仿真技术的国内外发展概况 2 】 5 1 2 2 6 液压传动因其功率重量比大、运动平稳、调速方便且范围大等突出优点，应 用越来越广泛，现在几乎涉及国民经济的各个领域。特别是随着微电子技术、计 算机技术的迅速发展，液压传动与控制已成为机电一体化产品和系统中一个重要 的组成部分。随着计算机仿真技术的不断发展，液压系统仿真技术已越来越广泛 地应用于液压系统的设计上，从7 0 年代初开发的一些通用的液压系统动、静态仿 真分析软件包，到利用通用图形软件进行液压元件及系统原理和工程图的绘制， 液压基本图形的建立，通用的液压系统仿真和优化软件包的继续发展和不断智能 化，液压系统仿真技术正越来越显示出其蓬勃的生命力，目前国内外已开发出了 许多通用或专用软件包。 国外在这方面起步较早，比较具有代表性的专用仿真系统如麦道公司开发的 用以预测液压元件和系统性能的a f f s s ( a d v a n c e df l u i ds y s t e ms i m u l a t i o n ) 仿真 软件包，该软件包可对飞机液压系统的稳定流量、瞬态响应等性能进行分析，使 液压系统设计从经验估计过渡到定量分析。 1 2 液压系统动态特性研究概述【2 】【5 【8 1 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，液压传动与 控制系统本身越来越复杂，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。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特性要求的系统设 计远远不能满足上述要求。因此对于现代液压系统的设计研究人员来说，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。 液压系统动态特性是其在失去平衡状态到达新的平衡状态这一过程，所表现 出来的特性，引起此动态过程的原因归纳起来主要有两个：一个是传动与控制系 统的过程变化引起的；另一个是由外界干扰引起的。在这一过程中，系统中各参 变量都在随时间变化，这种变化过程性能的好坏，就决定系统动态特性的优劣。 研究液压系统动态特性的主要问题有两个方面：一方面是稳定性问题，即高压系 统中压力瞬间峰值与波动情况，主要分析液压系统是否会因为压力峰值过高而产 重庆人学硕士学位论文 生压力冲击，或系统经过动态过程后，是很快到达新的平衡状态，还是形成较持 续的振荡；另一方面是过渡过程品质问题，即执行机构和控制机构的响应品质和 响应速度，主要研究系统达到新的稳定状态所经历的过渡时间，达到压力峰值的 时间以及速度、位移等参数随时间的变化等。 研究液压系统动态特性的主要方法有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研 究法和数字仿真法等。 传递函数分析法是基于经典控制理论的一种研究方法。用经典的控制理论对 液压系统进行动态特性分析通常只限于单输入、单输出的线性系统，一般先建立 系统的数学模型，写出其增量形式，然后进行拉普拉斯变换，从而写出传递函数， 再将传递函数用波德图表示。通过相频曲线或幅频曲线分析其响应特性，或是进 行拉普拉斯逆变换。遇到非线性问题，常常不考虑其非线性或简化成线性系统。 因此用这种方法分析液压系统的动态特性具有一定的局限性，也不可避免的会出 现误差。 模拟仿真法是在计算机特别是微型计算机还未发展到如今这样普遍的时候， 用模拟计算机或模拟电路来进行液压系统动态特性的模拟分析方法。该方法具有 接近实际情况、系统参数调整和调试简单以及运算速度快等优点，但最大的缺点 是运算精度低。 用实验研究法分析液压系统的动态特性也是一种行之有效的研究手段，特别 是过去还没有数字仿真等实用的理论研究方法是，只能依靠实验方法进行分析。 通过实验研究可以直观地、真实地了解液压系统动态特性和参数变化，但是用这 种方法分析系统周期长、费用高、且往往不具有通用性。如今，实验研究法常常 作为对重要的液压系统动态特性的数字仿真或其他理论研究结果进行验证的手 段，或是作为对液压系统动态建模与仿真方法、对所建模型与仿真结果进行验证 的方法与手段。 随着控制理论的进步和计算机技术的发展，数字仿真法便是利用计算机技术 研究液压系统动态特性的一种新方法。此方法先是建立液压系统动态过程的数字 模型一一状态方程，然后在计算机上求出各种主要变量在动态过程的时域解。数 字仿真具有周期短和费用低等优点。 1 3 液压系统动态仿真的意义7 1 0 2 0 常规的、单调的和重复性的工作交由计算机来完成，解放了工程技术人员， 他们可以从事创造性的工作。 通过计算机仿真可以在液压系统设计过程中，通过计算机仿真，分析比较 不同的液压回路，选择合理的液压回路完成特定的功能。 薅庆大学硕士学位论文 为滚压设套黪调试提供技术指导。调试入虽可以棂握仿毖结爱有趣放矢黪 调节各个环节的参数。 傍真技术可以完成走于仪器、设器费用太蠢难予实现，或不能实现匏试验， 如多方案对比试验，极限试验以及破坏睫试验等。 实现多疆标、多方案优选。 t 4 本课题磺究的内容、豳的和意义 目前世界上新建的热轧卷取机，其控制技术均采用先进的踏步控制( o o c ： q u i c ko p e nc o n t r 0 1 ) 技术，如国内宝钢1 5 8 0 ，珠钢等钢铁公司的新建热轧项髫中 也采用了卷取枫踏步控制技术。板厂新增的3 # 、4 # 地下港取机也采用了全液压控 制系统和踏步控制技术，采用此技术能更好的保证卷取质量，减少带钢表面压痰 鞠塔形等质量缺陷。在热牟l 板厂三期投敬中，新增加了两台全液压地下卷取机。 一方面在2 0 0 3 年里必须完成该项目的工程建设和顺利达产工作，两台卷取机一旦 建成就必须应很快投入生产并要球在三个月内运产；男一方面这套系统对板厂来 讲是全新的，我们没有现成的模忒可寻。故如何保证项目的建设质量和在项目建 成后要鼓短豹时润内潸纯吸收各颟新技术，并针对熟轧缀厂的舆体情况铡定一套 合理的生产操作模式是非常重要和必要的。 秘蓠熬辊板厂皇产憨镧卷一帮分产晶壹按努镑，两质量怒一个厂的生命， 没有好的质量就根本谈不上发展，所以成品的质量就显得很重要了；另一方面钢 豢送茬冷筑箨道一步豹熬工楚毯以渍是不蓠静生产要隶，卷取载矮量对经们毽麓 相当重要的了，褥则将直接影响到下一生产环节的质量。 渡薪蹭懿设备煮避舀懿氆毒国产翡，鄂各个部分采震豹是不潜厂家懿产 品，经过安装、调试，这些设备旗本匹配，但是发现仍然有不完全匹配、不稳定 酶现象。爨磐：豢取兹囊霪挽然不够稳定；松卷瓣瑷蒙袋然存在( 2 0 卷中藏鸯l 器出现松襁没达到9 8 ) ；带钢表两还有较小的划痕，据观察所知1 0 卷中就有1 卷 爨理划痰瑷象；l o 卷中就有1 卷瞧现产熬豹塔影累诗超过2 0 m m 瓣凌象。 熙然国内已有几家钢铁公司采用了卷取机踏步控制技术，但毕竟此项技术 还未被广泛使鼹，嚣昱该套系统 蠡著不一定毙完全逶应攀锶的安嚣生产壤凝。热 聚能先行步对这套全新的系统进行分析研究、弄清机璎并根据生产的实际情况 嫩出某些改善，然后将其擦囱枣场( 技术辕基) 。这撵，公司烧获褥巨大瓣经济秘 社会效益。而且，热轧板厂在这方面已有先例( 热卷箱技术输出) ，取得了重要的 成果，褥到了颁学的好详。由此可见，对该套全凝的系绞进行分摄硒突楚摄必要 的。 掰增的设备对热毒i 板厂来说是全掰鲍，这方蟊完全没有缎验，鼓缀有必要 重庆大学硕士学位论文l 绪论 对其进行研究分析、弄清机理，否则板厂将永远受制于人，永远将在激烈的市场 竞争中处于劣势，这些都是热轧板厂面临的压力。 本项目的研究内容： 对全液压地下卷取机的工艺进行较深入的研究，目的在于工艺更好地指导 控制、设备维护、管理，稳定和提高产品质量。 对全液压地下卷取机踏步控制原理进行研究，掌握卷取机控制的关键核心 技术踏步控制技术，从而保证卷取机最佳质量。 建立全液压地下卷取机液压系统各部分的数学模型，通过拉普拉斯变换得 到传递函数，然后对其进行仿真和动态特性分析。全液压地下卷取机液压系统包 括下几部分： 1 ) 卷筒伺服液压系统； 2 ) 助卷辊伺服液压系统； 3 ) 夹送辊伺服液压系统； 4 ) 侧导板伺服液压系统。 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 2 卷取机工艺和踏步控制原理研究 2 1 卷取机工艺描述及工艺参数 攀钢原有i # 2 # 卷取机，为了企业的竞争和可持续发展，兴建了3 # 4 # 两套全 液压地下卷取机。卷取机是将成品带钢在有芯卷取方式下，采用张力卷取，以获 得热轧线的成品带卷的设备。这套卷取机是3 助卷辊式、固定式、除转动设备外 其它动力源采用液压驱动的全液压地下卷取机。卷取机区域主体设备有热输出辊 道、机上辊道、两套侧导板、两套夹送辊、两套卷筒、六套助卷辊；辅助设备有 卸卷小车、打捆机、翻卷机和钢卷运输设备。热输出辊道和机上辊道分1 4 段控制。 夹送辊、助卷辊的辊缝以及侧导板的开口度采用液压伺服系统，可精确进行位置 和压力控制。卷简涨缩采用液压伺服系统，实现无级调整。卸卷由卸卷小车完成， 带卷经打捆、钢卷移送车输送到步进梁上。正常情况下，3 # 4 # 两台卷取机交替在 线工作；1 # 2 # 卷取机则在生产极薄规格或特殊产品时才投入工作。 卷取机相关工艺参数为： 卷取材料：普碳钢、优质碳钢、低合金钢、x 7 0 、不锈钢 卷取宽度：7 5 0 1 3 0 0 m m 卷取厚度：1 5 - 1 2 m m 带卷重量：2 3 t ( m a x ) 带卷内径：7 6 2 m m 带卷外径：1 0 0 0 m m 一2 0 0 0 m 卷取温度：4 5 0 7 5 0 0 c 卷取速度：1 5 m s ，m a x 2 2 自动化系统配置 卷取机基础自动化系统由3 套g ei n n o v a t i o n 控制器、6 套g e 9 0 7 0p l c 、2 套g e 9 0 3 0 p l c 组成；其上级由a l p h a 组成过程控制自动化系统。p l c 4 0 0 为层流冷 却控制；p l c 4 0 1 为i # 2 # 卷取机速度主令控制：p l c 4 0 2 为1 # 2 # 卷取机位置控制； p l c 4 0 3 为1 # 2 # 卷取机助卷辊控制；p l c 4 0 4 为3 # 4 # 卷取机速度主令控制；p l c 4 0 5 为3 # 卷取机控制；p l c 4 0 6 为4 # 卷取机控制；p l c 4 0 7 为钢卷输出设备控制；p l c 4 0 8 为3 # 4 # 卷取机与过程自动化系统的接口控制。卷取机区域基础自动化系统还配有 若干台h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 。其系统配置见图2 1 。 霞庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 图2l 卷取机自动化系统配置简图 f i g 2 1c o n f i g u r ec h a r to f a u t o m a t i c a l l y s y s t e mo f d o w n c o i l e r 2 3 几点控制策略 2 3 1 自动位置控制( a p c ) 原理 卷取机入口侧导板开口度的设定、夹送辊辊缝设定、助卷辊辊缝设定都是自动 位置控制系统。它们要求a p c ( a u t o m a t i cp o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 系统能够在最短的 时间内平稳地将被控对象的位置调整到预先给定的目标值上，使控制结束后被控对 象的实际位置与目标位置之差保持在允许的偏差范围内。 图2 2a p c 控制框图 f i g 2 2f r a m eo f c o n t r o la p c 位置传感器 a p c 控制的原理方框图如图2 2 所示。图中编码器输出的位置实际值是按格雷 码( g r a yc o d e ) 编码，格雷码又称循环码，是一种变权码，其特点是相邻两位数值 的编码中只改变一位的状态。因此，从一个位置的编码变换为相临位置的编码过程 中，不会由于多位改变状态而引起其它编码状态的出现，导致错误的位置实际值检 测。但是p l c 的c p u 处理的数据只能是二进制码，必须将格雷码转换为二进制码， 经过初始位置校准，才能得到被控对象的实际位置，参与控制算法的处理。 控制算法根据每个扫描周期检测到的位置实际值与目标位置之间的误差s ，给 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 出被控对象传动系统的速度基准值v 。，使之按匀减速运动到达目标位置： v 。= n 2 a a s( 2 1 ) 式中：a 一减速度。 p l c 编程时，按标么值作出平方根曲线。这样，定位过程的控制分三个阶段： 位置误差a s a s 。，( s 。为减速点) v 。= v o 。；，传动系统按最大速度运行； s 。 1 ；钢卷的圈数( 两位数$ ) 当l = l 时，卷筒就以最大的速度开始胀。 当卷筒的膨胀达到卷筒卷钢最大位的8 2 时，脉冲发生器就产生一个信号使得 卷筒膨胀速度从最大速度变成慢速。 液压缸的最大速度设定为3 5 m m s e c ，慢速设定为6 r i l r a s e c ，这个值是从p l c 上设定的一个固定值。 再回到以前，当夹送辊电机产生“咬钢”信号时，就开始记时t 。 t 所表示的是在计算出是v l 速度下，通过l 的水平距离加上b 的和的时间。 其中：b 表示从h m d 4 0 2 到i # d c 夹送辊上辊中心线的距离。 从h m d 4 0 1 到h m d 4 0 2 之间的距离表示为a ，给定一个记时器t ，当h m d 4 0 1 一 检测到带钢的头部是就开始记时；当t = t 时，使卷筒胀的信号才有效。 v 1 的计算： v l = a t 1 ( 2 3 ) 其中：t l = 从h m d 4 0 1 检测到带钢头部开始到h m d 4 0 2 检测到带钢头部止的时 间。 重庆大学硕士学位论文 2 工艺和踏步控制原理研究 其中：0 3 是在p l c 中设定的一个安全常数。 b = 从h m d 4 0 2 到1 # d c 夹送辊上辊中心线的距离。 2 _ 3 _ 3 助卷辊自动控制 助卷辊的自动顺序控制 开始条件： 助卷辊是打开的，且已经通过伺服系统调节好初始辊缝。 控制阶段： 在位置控制有效后，快速抱拢助卷辊，随后抱拢逐渐减速直至慢速进行定 位；当压力门槛值出现时，控制方式就从位置控制切换到压力控制。这样在主操 作台上指示“准备好”信号的指示灯就亮了，这就表明某一台地下卷取机的开始 条件已经具备，等待接收带钢。 开始卷钢；踏步控制发生作用，交替出现位置控制和压力控制方式；缠绕 在卷筒上的带钢圈数大于3 以后，助卷辊转为压力控制，直至带钢的张力建立。 卷筒张力建立后，1 # 、3 # 助卷辊转为随着钢卷卷径作位置随动控制；2 # 助 卷辊打开至最大位置； 开始尾部跟踪，1 # 助卷辊和3 拌助卷辊抱拢，这一步是位置控制，进入压力 控制； 尾部定位；保持压力控制； 尾部定位完成；l 拌助卷辊和3 # 助卷辊打开。 2 4 卷取机张力控制 卷取机的张力控制分为三个阶段：轧件被精轧末机架咬入至卷取机前夹送辊 咬入之前，轧件依靠热输出辊道的逐段增加的速度超前率，形成轧件与精轧末机 架之间的张力；轧件被卷筒咬入、卷筒张力建立后，由卷筒与精轧末机架之间形 成张力，此时，卷筒、夹送辊、助卷辊跟随精轧末机架速度；轧件被精轧末机架 抛出后，轧件依靠热输出辊道逐段滞后的速度，夹送辊处于发电工作方式，轧件 在夹送辊与卷筒之间形成后张力，保证卷取尾部的质量。计算轧件在精轧末机架 与夹送辊之间、夹送辊与卷筒之间、卷筒与精轧末机架之间不同时段的张力值， 对张力控制进行惯量补偿和卷径补偿，保证卷取的顺利进行。 当n n b t - - - - - - t d( 2 5 ) i = - - - t v( 2 6 ) 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 i ：卷取机电枢电流 n ：卷取机当前速度 n 。：卷取机基速 t ：带钢张力 d ：d 带卷直径 v ：带钢线速度 因此，根据卷取机的转速，改变电枢电流的切换，即可保证张力的准确控制。 2 5 带钢尾部定位 带钢在卷取结束时，其尾部要进行尾部定位，便于下一个工序的操作。 带尾离开精轧末架后，根据f 5 f 6 出口速度，开始计算减速距离，在一定的时 刻，发出减速命令，使带尾在到达夹送辊时其速度正好是预定的尾部定位的起始 速度，尾部定位确定以后，从开始到带卷停止期间带钢走过的长度与卷径的关系： a 图2 3 卷径与带钢长度的关系 f i 9 2 3r e l a t i o no f d i a m e t e ra n dl e n 昏h a 点到b 点的带钢长度l ，为面+ d b ，其中： a d 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 d b ：理一旦l f2 1 ：二里加一c d “ 2v3 6 0 0 一=wdcd = f e - = 型一 d m d o 。= j 面2 一等 水4 + 黑3 6 0 石塑d o + 矗0 0 胪眦矗c 龀，dmdm一域 ? q 角确定后，长度l 仅为卷径d 的函数。将l 换算为卷取机卷筒脉冲数p p ：三 i p 。 z r d ( 2 8 ) d 一实际卷径 i 一传动比 p 。一脉冲数圈 根据与编码器连接的脉冲计数模板h s c 7 0 0 的读入值，即可发出准确停车命令。 2 6 踏步控制技术原理分析研究 2 6 1 q o c 技术的实质 q o c ( q u i c ko p e nc o n t r 0 1 ) 技术的实质是对助卷辊实施定位、定压交替控制。 带钢头部绕上卷筒一圈后，第二次达到助卷辊之前，助卷辊预先抬至某一高度( 定 位控制) ，当带钢头部通过后，助卷辊重新压靠住带钢( 定压控制) ，带钢头部每次通 过助卷辊时均采用此控制方法，直至带钢绕上卷筒达到设定圈数( 通常是3 5 圈) 时，由q o c 方式切换至恒压方式进行控制。助卷辊达到“打开定时”后，即自动摆 开。 2 6 2 q o c 技术的优点 采用q o c 技术后，大大减轻了由于带钢头部处厚度跳跃差造成的带钢表面压 痕( t o p m a r k ) ；同时与传统的定压控制方式相比，采用q o c 技术有利于提高卷形质 量，减轻对设备的冲击，避免因冲击力过大造成的设备故障。本q o c 技术与2 0 5 0 m m 热轧类似的踏步控带u ( s t e pc o n t r o l ) 技术相比，由于增加了高精度的带钢头部位 置检测器( l a s e r ) ，采用了更高响应速度的伺服阀控制系统；增加了一套电磁阀系统 用作安全回路，用于紧急状态下卷取，控制技术更成熟，控制效果更好。 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 2 6 3 q o c 控制系统的组成 q o c 控制系统由带钢头部跟踪回路、q o c 控制回路、异常卷取用安全回路三 部分组成，见图2 4 。实现q o c 控制的关键在于精确地检测带钢头部的位置，同时应 采用高响应的伺服阀控制系统。带钢头部跟踪回路通过对带钢头部位置的检测、 跟踪，向q o c 发出定位、定压两种控制方式的切换指令：q o c 控制回路负责助卷辊定 位、定压控制：安全回路是指q o c 控制回路发生异常时，关闭q o c 回路，切换至安全 回路继续卷取。 图2 4o o c 控制系统组成框图 f i g 2 4f r a m e o f q o c c o n t r o ls y s t e m 2 6 4 q o c 控制系统功能 2 6 4 。1 带钢头部跟踪 头部检测系统的组成头部检测系统由分别安装在上、下夹送辊上的加速度 计与脉冲发生器，以及安装在2 号助卷辊框架内的带钢头部检测器组成。带钢头部 跟踪当带钢头部咬入夹送辊，加速度计接通时，脉冲发生器开始计数，带钢头部行 进距离可由下式计算： l = 3 1 4 d x n n( 2 9 ) 式中：d 下夹送辊直径，f i l m n 下夹送辊旋转脉冲数 n 下夹送辊旋转一圈的脉冲数 n n 下夹送辊旋转圈数 当带钢头部到达2 号助卷辊，头部检测器接通时，如果上述l 值与夹送辊至检 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 测器的距离之差小于某一值，脉冲发生器计程有效。如果偏差大于某一值，脉冲发 生器计程无效，计程数改为夹送辊至检测器的间距，然后继续跟踪。q o c 控制指令的 发出，当跟踪带钢头部离助卷辊e l 距离时，向q o c 发出定位控制指令：当带钢头部 离开助卷辊e 2 距离时，发出定压控制指令。 e 1 、e 2 由下列公式计算： e l = a v + b e 2 = c x v + d 式中：a ，b ，c ，d 为系数：v 为带钢速度，m m s 随着圈数的增加，钢卷卷径、助卷辊压紧带钢时的位置将发生变化，为了保证 控制精度，q o c 控制回路将对e 1 ，e 2 进行修正。 2 6 4 2 q o c 控制 位置及压力控制的实现助卷辊辊缝位置的检测是由安装在助卷辊旋转支轴 上的角度式位置传感器来实现的。由角度检测值就可以通过几何关系推算出辊缝 值( s ) ，由此辊缝实际值就可以实现任意辊缝控制。辊缝与旋转角度的关系见下式： s ：屑i f 瓦5 嗣一掣 眩 式中：l ，为旋转支点与助卷辊轴心间距 i 2 为旋转支点与卷筒轴心间距 d o 为卷简直径 d 为助卷辊直径 0o 为助卷辊与卷筒压靠时，两轴心与旋转支点连线间夹角 0 为角度检测器检测角度 在助卷辊控制油缸的顶侧及端侧装有压力传感器，由此两个压力传感器的压 力信号，可计算出油缸对助卷辊的压紧力。再由此压紧力、助卷辊框架自重及力臂 关系，可计算出助卷辊对带钢的压紧力，将此压紧力作为实际压紧力，实现助卷辊 任意压力控制。助卷辊压紧力计算公式如下： f = ( 只s l 一最是) l 4 厶w x 厶厶 ( 2 1 1 ) 式中：p l 为顶侧压力 s t 为顶侧横断面面积 p 2 为端侧压力 s z 为端侧横断面面积 l 3 为助卷辊框架重心与旋转支点间的水平距离 l 4 为助卷辊控制油缸中心线与旋转支点间的垂直距离 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 l 5 为助卷辊对带钢压紧力的方向线与旋转支点间的垂直距离 w 为助卷辊框架自重力 为1 ，3 号助卷辊采用正号，2 号助卷辊采用负号 2 6 4 3 助卷辊踏步控制 踏步控制方式。助卷辊踏步方式如图2 5 所示。在卷取张力建立前的3 5 圈卷取过程中采用踏步控制方式可大大提高产品的成材率，降低对卷筒的冲击。 助卷辊踏步控制是指在带钢头部到来之前，助卷辊先抬起比带钢厚度稍大的一段 行程，即带钢厚度h 加上一个叠加量6 ，待带钢头部越过以后，再以恒定的压紧力 压靠在带钢上，从而使卷取平稳可靠，大大减小带钢冲击和头部损陷，提高了带钢 的表面质量，避免了传统卷取方式下发生的卷取时因助卷辊压紧带钢而产生的塌 陷，保护了卷筒、助卷辊等机械设备。采用压力、位移双环电液伺服系统控制方式。 助卷辊采用电动液压调节系统，每个系统包括驱动液压缸、位置传感器、压力传感 器、调节阀、位置调节系统、压力调节系统。 图2 5q o c 工作方式 f i g 2 5w o r k i n go f q o c 调节控制系统。助卷辊自动化控制系统把压力调节回路作为内环，位置调节 回路作为外环，两者之间通过限幅器衔接起来。这种控制方式与电动机的速度、电 流双环控制方式原理类似，可有效避免由两个独立调节回路组成的系统中存在由 于调节回路切换而造成的冲击现象，从而保护了设备，提高了系统的稳定性和调节 系统响应的快速性。调节控制系统框图见图2 6 。 重庆大学硕士学位论文2 工艺和踏步控制原理研究 图2 6q o c 踏步调节控制系统 f i g2 6a d j u s tc o n t r o ls y s t e mo fq o c 1 4 重庆大学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元什动态建梗 3 卷取机系统液压元件动态建模 任何一个复杂的液压系统都是由一些基本的液压元件组合而成的，只要弄懂 了组成该系统的所有液压元件的性能，那么也就知道了系统的性能。 热轧板厂新增的3 # 、4 # 全液压地下卷取机液压系统主要由卷筒、助卷辊、 夹送辊和侧导板的液压系统四部分组成。而每部分又是相对独立的液压系统，且 它们的液压系统组成也非常相似。 以下是卷筒的液压系统简图： 避穗跚掰淮 l 图3 1 卷筒的液压系统简图 f i g 3 1h y d r a u l i cs y s t e mo f m a n d r e l 图中实线代表主回路，虚线部分代表控制回路，其中右半部分的回路工作在 设备检修时。 由于控制油路( 上图虚线部分) 的主要作用是控制液压油何时流动以及如何 流动。本系统中就是控制“控制油路”中液控单向阀的开启、闭合和电磁换向阀 的换向动作，一动作完成后便保持一定时间直至下一动作，所以卷筒真正进行卷 取工作时控制油路便不会对卷取过程有所影响。单向阀只有开关动作，只起变换 重庆大学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元件动态建模 液流通路的作用，节流作用很弱。减压阀实质上就是节流口，它的主要作用是减 压并保持阁的出口压力基本恒定。所以控制油路和减压阀在建模时可以忽略不计。 由上述理由知，分析卷筒在卷取过程中的动态特性时，为了简化分析可将控 制部分去掉，只分析主油路部分。组成该回路的液压元件有：液压缸、减压阀和 电液伺服阀。 下面分别介绍液压缸、减压阀和电液伺服阀的动态模型： 3 1 液压缸的动态模型 1 1 1 2 4 1 1 9 1 1 1 3 】 1 4 1 6 】 液压缸按机构分为活塞缸和柱塞缸，本系统是双通口的活塞缸。液压缸是使 执行机构实现往复运动的元件，其输入参量为液体压力和液体流量，输出参数为 执行机构运动速度、力和输出功率等。 当液压缸输出力与负载相等，且输入的液体流量恒定时，若缸固定，则活塞 作匀速运动，液压缸具有稳定特性。当输入流量不变而负载变化，或负载不变而 流量发生变化时，活塞运动速度就会发生变化，这一过程中负载或输入流量变化 与活塞速度变化之间的关系就是液压缸的动态特性。此外，液压缸活塞在低速度 下移动时，可能产生爬行现象，这也是缸的动态特性之一。 以下是双活塞缸简图： 图3 2 双活塞液压缸简图 f i g 3 2c h a r to f d o u b l ep i s t o n sh y d r a u l i cc y l i n d e r 若用1 表示活塞及负载的质量，只为负载力，p l 和q 分别为液压缸输入液体 压力和流量，则液压缸输入油液连续性方程为 q 砷扎”鼍鲁 ， 式中：沩活塞的速度 a 为液压缸进油腔活塞面积 a ，为液压缸泄漏系数 v 为液压缸高压腔及进油管路油液体积 1 6 重庆大学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元件动态建模 助油液体积弹性模量 活塞运动动力平衡方程为： 们一言协+ 只 式中：b 为粘性阻尼系数 将以上两式写成增量形式，并进行拉式变换，可得 q ( s ) = 4 v ( s ) + ( a 。+ 鼍s ) 只( s ) 4 p 。( s ) = ( m s + 功“s ) + 鼻( s ) 由此可绘出液压缸动态方块图，如下： 图3 - 3 液压缸动态方块图 f i g3 3d y n a m i c f r a m eo f h y d r a u l i cc y l i n d e r ( 32 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 邪) 2 器2 再f 阿4 而 3 5 ) ki 。k 、。7 哪嘲一可蒜 s ， 由以上两式可得液压缸得固有频率酊。和阻尼比 x c b ，可以忽略不计， 于是液压缸的固有频率可写成下式： f 群k 吼。1 蔷 ( 3 9 ) 在式3 1 与3 _ 2 中，令等= o ，- d d f _ v = o ，消除p 1 后可得到，、q 、v 的稳 鱼：a + 生! 生墨! !( 3 1 0 ， 卜季v t 6 ) 2 带1 + e 萄c r u 。 ( 3 g l ( 川- 1 + 捣豳 b 1 2 ) l n l n 10 三0l 占 00 l # 纠 0l101 01 0 0 ， 图3 ，4 卷筒液压缸的波德图 重庆大学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元件动态建模 f i g 3 4t h eb o d ed i a g r a mo f m a n d r e l h y d r a u l i cc y l i n d e r 由上图可以看出，当 i 时曲线平滑过渡。当 。 1 时，g i ( 扣) 逐 渐减小，v 的脉动率小于q 的脉动率。 当e 为常数= 鼻。) ，管路入口处流量q 由零阶跃升至q o 时，液压缸活塞 运动速度v 的响应和过渡过程为 由式3 1 和3 2 可求得： 旦+ t c t c m + v c b 一d v + 茎垫! 里生2 ，：墨f 垒鱼二生墨! ! f 3 1 3 ) d m d t mm 由式3 1 0 可得稳态液压缸的速度碥 ：掣善乒 ( 3 1 4 )。 旯日+ a 2 、 由式3 9 和式3 1 4 ，将式3 1 3 改写成 等噬鲁城2 y 碱2 ( 3 ，1 5 ) 若启动时静摩擦力为b ，则启动需压力为( b + f 1 。) 4 ，在初始条件t = 0 ， y = 0 ，p ，= ( b + f l 。) 4 的情况下，可以求得式3 1 5 在 1 范围内上式的曲线如图所示 v ( 3 1 6 ) 图3 5 液压缸响应速度曲线 f i g 3 5d y n a m i c r e s p o n s es p e e do f h y d r a u l i cc y l i n d e r 从图中可以看出，从零开始震荡，并逐渐接近于，液压缸活塞运动速度逐 1 9 重庆人学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元件动态建模 渐趋于平稳，但若v o 很小，即使在 0 时，液压缸活塞也不能平稳运动，而要产 生爬行现象。 液压缸活塞在极低速度下运动时，摩擦力与液压缸活塞运动速度呈负斜 率关系，在负斜率范围内，液压缸活塞的运动方程式为： p , 4 = m 罟+ 一引+ ( 3 1 7 ) 式中：匕为刚开始启动时的静摩擦力 b ，为摩擦力降落特性阻尼系数，其值为负 将b 用一p ，l 夕入式3 - 1 3 和3 1 4 在相同初始条件下，可推跫 y ：“l 尘墅害竽s i n c o , 玎t - - v o c o s c o n f 再l ( 3 1 8 ) in 蚴。v 1 一 2 。 i 式中：。= k ( 群+ a 。p ，) k m = k 2 。m 一慨归厄司万i 翮 v o = 4 q 。一a 。( f o 一氏) 一九。) 由式3 1 8 可画出液压缸低涑爬行凉序一时间曲线如下图所示 瞧3 b 5o 。s0 了s1 0 0 釉) 图3 6 液压缸爬行现象及发生区域 f i g 3 6s t i c k s l i po f h y d r a u l i c c y l i n d e r 毒 由图3 6 a 可见，液压缸活塞的运动速度随时间作周期性变化，即活塞作周期 性的停顿或阶跃式运动，这就是爬行现象。 d v ：0 ，且y ：0 时，由式3 1 8 可解得爬行现象发生的边界条件为： d t 唧高譬 - 南= 。 聊 重庆大学硕士学位论文3 卷取机液压系统液压元件动态建模 象。 根据式3 1 9 可做出图3 6 b ，由图可以看出，当 或c 较小时，易发生爬行现 3 _ 2 减压阀的动态模型1 】 2 【4 】 9 】【1 7 】 1 8 】 2 1 】 减压阀的出口压力稳定，用于调定泵排出的油到主油路。作用是减压并当进 口压力出现波动和流过阀的流量发生变化时，仍能保持阀的出口压力基本恒定。 流量与输出压力的关系如下： q = c z c d x p , 一p 。( 3 2 0 ) c ：c d 丝( 3 2 1 ) y 式中：q 为阀口的流量 c 为常系数 妫阀芯工作时的实际开口位移 n 为阀的入口压力 p o 为阀的出口压力 c d 为节流口的流量系数( 取值0 6 - - 0 6 5 ) 伪重度( n i m 3 ) 减压阀流量与输出压力特性曲线 o p 。 图3 7 减压阀流量与输出压力特性曲线 f i g3 7f l u xa n dp r e s s u r ec h a r a c l e ro f r e d u c i n gv a l v e 3 3 电液伺服阀的动态模型1 【2 】 4 】【9 】【2 2 】 2 3 2 9 【3 2 电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服控制元件，它能将微弱的电 信号转换成大功率的液压能。 电液伺服阀的反馈有：位置反馈、压力反馈、流量反馈。 电液伺服阀是一种三级放大伺服阀，其前两级的结构与两级伺服阀相同，输 重庆大学硕士学位论文3