120t电渣重熔炉电极升降液压控制系统研究

中国冶金装备网中国冶金人的网120t电渣重熔炉电极升降液压控制系统研究宋锦春1，王长周 1，张建刚2，佟琨1（1：东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110004；2：上海宝山钢铁集团，上海 201900）摘要 本文对传统的电渣炉电极升降系统进行了改进设计；采用液压缸取代传统的滚珠丝杠系统，并采用电液比例调速阀进行液压缸速度控制，实现对电渣炉电极升降的传动和调速控制；建立了系统的数学模型，进行了控制系统仿真分析，获得了较好的控制效果。关键词 电渣重熔炉 电极升降 比例调速 建模仿真Research on Hydraulic Control System Electrode Position of 120t Electroslag Remelting FurnaceSong Jinchun1 Wang Changzhou1 Zhang Jiangang2 Tong Kun1(1: School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University; 2: Shanghai Baoshan Steel & Iron Co. , Ltd.)ABSTRACT In this paper, traditional electrode position control system was improved, hydraulic cylinder was used to , and hydraulic proportional system was used to obtain accurate control results. The system mathematical model was established and simulated with PID control method.KEYWORDS Electroslag Remelting; Electrode Position; Proportional Control; Modeling and Simulation1、引言电渣重熔的主要目的获得结晶组织均匀致密的钢锭。决定电渣炉产品质量的关键因素是熔化速度，而熔化速度的控制主要体现在电极升降速度的控制上1。传统电渣炉的电极升降系统是采用滚珠丝杠系统进行传动，此种传动系统易受机械加工误差、机械结构磨损、控制响应频率低等问题的影响，而不能实现熔速的精确控制，从而影响产品质量2。因此，设计一种控制精度高、稳定性高的电极升降传动系统已成为大型电渣炉系统设计的重点之一。本文采用液压系统实现电极的升降控制，采用大尺寸液压缸作为电极升降的传动执行元件，采用电液比例控制系统进行电极升降的速度控制。采用液压系统作为动力装置具有系统刚度大、结构简单、故障率低、可靠性高且易于操作和维护等优点。2、电极升降液压系统原理大型电渣炉电极升降液压控制系统原理如图1所示。根据电渣炉的工艺要求，对电极升降速度采用了快慢速控制回路。当电极需要快速下降时，电液换向阀6右位接通，油液通过单向节流阀5进行节流调速。液控单向阀2在电磁换向阀3的作用下能保证液压缸在任意位置停止和锁定。蓄能器7在此处作为辅助动力源，用以实现电极的快速升降。当电极需要慢速下降时，电液换向阀6处于中位，电磁换向阀3带电打开液控单向阀2，油液通过比例调速阀9流回油箱，从而实现电极的慢速控制。本系统中的比例调速阀和供油系统均为一备一用。图1 液压系统原理1. 液压缸 2. 液控单向阀 3. 换向阀 4、5. 单向节流阀 6. 换向阀7.蓄能器 8. 过滤器 9. 比例调速阀 10. 电磁溢流阀3、电极升降控制系统数学模型本文主要对比例调速阀控制电极下降的过程进行系统建模。由于电渣重熔是一个十分庞大复杂的过程，涉及物理、化学、控制等理论，本文仅研究电极升降的慢速控制过程，且忽略控制过程中电极重量的变化。则控制系统的控制原理方框图如图2所示3-5。图2 控制原理方框图系统传递函数的建立：考虑到比例放大器频宽较比例阀频宽高的多，可将比例放大器简化为比例环节，则（1）式中 比例放大器传递函数；放大器的比例增益；s复变量。根据所选比例阀，可确定比例调速阀的传递函数为（2）式中 比例调速阀的额定电流，A；比例放大器额定电压，V。比例调速阀的传递函数为（3）式中 Kq比例调速阀流量增益，；v比例调速阀固有频率，rad/s；v比例调速阀阻尼比，取值范围为0.50.7。比例调速阀固有频率及流量增益的确定：由文献【5】可知比例调速阀响应时间为30ms，则（4）（5）式中 qom比例调速阀的空载流量，L/min；In比例调速阀的额定电流，A；取v=0.7，则比例调速阀的传递函数为：（6）液压缸的传递函数为（7）式中 Ah液压缸有效作用面积，m2；h液压缸负载质量系统的阻尼比，取值范围为0.10.2；h液压缸负载质量系统的固有频率，rad/s；=33.4rad/s（8）式中 E液压油的体积弹性模量，Pa；mt包含负载和液压执行元件运动部分的总质量，kg；Vt比例调速阀至液压缸两腔的总容积，m3。（9）取h=0.15，则液压缸的传递函数为（10）反馈环节传递函数为： （11）式中 传感器增益，；传感器电压，V；液压缸速度，m/min。根据系统的工作原理方框图和所确定的数学传递函数，可得出控制系统的方框图6,7如图3所示。图3 控制系统方框图4、控制系统仿真分析系统的开环传递函数：（13）式中 K0系统开环增益，K0=KaKqKf/Ah；Ka放大器增益；Kq伺服阀流量增益；Kf反馈环节增益；Ah液压缸有效作用面积。代入参数可得 （14）这是个零型有差系统，对速度阶跃输入是有差的。根据上式，编写MATLAB程序8，做出系统开环Bode图如图4所示。图4 未加校正的系统开环Bode图由图4可以看出，系统在上述参数下是稳定的，但相位裕度只有6.06，不满足系统设计要求，需要加校正环节进行校正。本文通过设计PID控制器，设计了带PID控制器的电液比例调速系统。系统的开环传递函数为：(15)加入PID校正以后的系统开环Bode图如图5所示：图5 引入PID校正的系统开环Bode图由图5可以看出，系统在加入PID校正以后稳定性增强，其相位裕度达到90.1，满足系统对稳定裕度的要求。经过PID参数调试，得知当Kp=0.06，KI=4，KD=0.02时系统获得最好的效果，其响应曲线如下：图6 引入PID校正的阶跃响应曲线从响应曲线可以看出，加入PID控制器的系统，控制曲线超调量几乎为零，由于加入了积分环节，稳态误差也消除了，能更好的实现速度的实时控制，满足系统要求。5、结论本文采用液压系统实现对电渣炉电极升降的传动和调速控制，即采用液压缸取代传统的滚珠丝杠系统，并采用电液比例调速阀进行液压缸速度控制。建立了系统的数学模型，进行了控制系统仿真分析，获得了较好的控制效果，实现了电极升降速度的高频响，高精度控制。参考文献1 李正邦.电渣冶金原理及应用M，北京:冶金工业出版社，1996，104-120.2 陆锡才,赵渭国.电渣重熔原理与实践M,沈阳:东北工学院出版社,1990,1-4.3 吴振顺. 液压控制系统M,北京:高等教育出版社,2008,1-3.4 Merritt HE. hydraulic control systemsM:John Wiley & Sons,1967,145-150.5 BOSCH公司. 电液比例技术与电液比例闭环技术的理论与应用M,上海:上海博世代表处,1997,13-15.6 Eryilmaz B, Wilson BH. Unified modeling and analysis of a proportional valveJ, Journal of the