综合实训六辊板带可逆冷轧机液压伺服控制系统.docx
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综合实训六辊板带可逆冷轧机液压伺服控制系统
1150mm
六
辊
板
带
可
逆
冷
轧
机
液
压
伺
服
控
制
系
统
目录
目录
第1章绪论1
1.1轧机位置控制系统发展情况1
1.1.1液压位置控制系统发展情况1
1.1.2控制理论及技术的发展1
1.2国内外研究情况简介6
1.2.1国外概况6
1.2.2国内概况7
第2章液压系统原理的设计8
2.1技术及工艺要求8
2.1.1系统的要求8
第3章液压伺服控制系统设计9
3.1液压伺服板厚控制的基本原理9
3.2轧机数字闭环厚度控制10
第1章绪论
1.1轧机位置控制系统发展情况:
第一种是手动压下调节板厚。
最早的轧机是靠手动调节压下螺丝来进行辊缝调节的。
这种调节方式仅能设定原始辊缝,无法达到厚度控制精度的要求,因而在板带轧机上已经基本不再采用。
第二种是电动压下调节板厚。
手动压下的调节方式缺点很多,所以在电机出现之后,人们就将它用到轧机上.不仅采用电机驱动,而且压下调节也采用电动方式,由电机通过减速装置驱动压下螺丝来设定原始辊缝。
这种调节方式一般不能在线调节,无法保证严格的厚度精度,因而目前只在开坯和厚板轧机上使用,板带轧机上很少用。
第三种是液压压下调节板厚。
1.1.1液压位置控制系统发展情况:
(1)是电—液双压下系统调节装置。
电—液双压下系统也是由粗调和精调两部分组成的,其中粗调部分就是一般的电动压下装置,用它来设定原始辊缝。
精调部分采用液压系统,其具体结构方式有多种。
如用液压缸推动扇形齿轮以带动压下螺丝以及将液压缸直接放在轴承座与压下螺丝或压下横粱之间等方式。
这种调节方式的精调系统较为灵活,调节精度高。
特别是这种系统的粗调系统可以是一般的电动压下,因而这种方式特别适用于对旧轧机的改造,目前仍在采用。
(2)是全液压压下调节装置。
全液压压下的厚度调节系统取消了传统的压下螺丝,用液压缸直接压下,这种厚度调节方式结构简单,灵敏度高,能够满足很严格的厚度精度要求.并可根据需要,改变轧机的当量刚度,是现代化轧机上普遍采用的厚度调节方式。
但这种方式也存在着—些缺点,如系统复杂、对系统各部分及各元件的精度要求严格、制造困难、成本高等。
1.1.2控制理论及技术的发展:
板厚调节方式的发展中也伴随人们对轧制理论的研究,大致经历了几个阶段:
在手动调节和简单的电动压下阶段轧制理论开始建立;后来1925年卡尔门提出了轧制力微分方程,1950年英国人发明了轧机弹跳方程,引入轧机刚度概念,使轧制理论和技术发生了一次飞跃,即轧制理论从以力学为基础研究轧件变形规律,进入以力学和控制论为基础的轧件与轧机互相作用变形规律统一研究,并且随着自动调节理论和技术的发展,并逐步应用于轧制过程,使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。
1952年,英国Hessenberg等,根据出口板厚决定于轧机弹性曲线与轧件塑性曲线交点而推导出的出口板厚表达式,奠定了板厚控制的理论基础。
此后,基于该解析式的所谓“厚度计”式板厚自动控制方式,几乎被这一阶段所有新建轧机所采用;60年代起,随着计算机技术的发展及应用,计算机技术也逐步渗透到钢铁制造业,使板带产品的生产发生了变革,形成了60至80年代的计算机控制阶段,即板厚控制的第三阶段。
这段时间内以弹跳方程为基础的厚度自动控制理论(AGC)得到广泛应用。
在人工操作阶段,轧机的调整和过程的实时调节主要是凭经验进行的。
由于连轧过程是非常复杂的物理过程,轧制条件和状态不断地发生变化,而且该过程又必须保持各机架间金属秒流量相等和遵从能量守恒定则,过程特性更趋复杂和难以掌握,则单凭经验操作不易达到上述要求,致使轧机的各项技术经济指标都比较低,连轧技术的进一步发展也很因难。
从三十年代起,自动调节理论和技术迅速发展,并逐步应用于连轧过程。
采用的常规模拟式调节系统有速度调节系统(简称SC系统)、自动张力调节系统(简称ATC系统)、自动厚度调节系统(简称AGC系统)和自动位置调节系统(简称APC系统)等。
这些自动调节系统可对连轧过程进行有效的实时调节,从而在改善过程的稳定性,提高轧机的产量、质量指标,以及简化操作和减少事故等方面都取得了明显的效果,使连轧生产和连轧技术获得了迅速发展。
从60年代开始采用计算机控制技术以后连轧技术获得了具有划时代意义的发展。
因为,计算机不仅可对生产过程进行更有效的调节和控制,而且还可加强管理,统盘调度生产,同时还有可能采用现代控制技术(自适应控制和最优控制)、发展新的连轧技术(如阶梯带钢)和新的连轧生产方式(全连续轧制)等。
电子计算机具有高速、准确的运算能力、庞大的储存记忆能力和准确的逻辑判断能力,在配置有完善的程序系统(管理程序和应用程序)的条件下,就可以完成人们所设计的各种工作。
将电子计算机应用于轧制过程,由它按预先制定的程序来处理和加工与过程有关的信息,对过程进行有效的监督、控制和管理,就是轧制过程的计算机控制。
计算机控制轧制过程可以分为开环控制和闭环反馈控制两种形式。
计算机的控制功能经历了几个发展阶段。
在和模拟式调节系统共存的初级阶段,它只作预设定控制,而不直接参预过程调节。
其后,在模拟式调节系统为计算机系统所取代的阶段,它不仅作预设定控制,而且还直接参与过程调节。
近年来,随着电子计算机向低成本、小型化方向迅速发展,使直接数字控制技术(简称DDC)大大发展,同时也出现了运行稳定、高性能和大容量的大型电子计算机,陆续出现多种分级控制系统,使控制功能进一步扩大和完善,实现了计算机综合控制。
其主要的控制功能有:
(1)设定及最优控制;
(2)自适应控制;(3)直接数字控制;(4)程序控制(操作自动化);制表显示等。
由于实现了计算机综合控制,现代化的五、六机架冷连轧机的轧制速度已分别达到30~40m/s以上,卷重可达60吨,年产量已超过150万吨,升降速阶段和稳定轧制阶段的厚差可分别控制在±0.01和±0.004毫米的水平,头部超差长度大大缩短(30米),板形也有一定程度的改善。
80年代末至现在,板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展,成为板厚技术发展的第四个阶段。
这一阶段已将板厚板形控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。
在过程控制级的控制中,一方面采用最优控制,多变量控制,自适应控制,解耦控制,∞H控制等控制理论的最新成果,以追求控制性能的更高水平。
在监控层的设定计算中,一方面采用人工智能,模糊控制,神经网络等知识工程的手法,以追求系统的灵活性和多样性。
以上两方面的不断追求融合在一起,开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统是这一阶段轧机的目标。
在轧制领域中,过程控制技术以板厚及张力控制为主要代表。
在这些控制中,充分采用多年来控制理论的新成果,在高速控制器上构筑控制系统。
在张力控制方面,60年代建立了精确的连轧张力微分方程。
70年代发现连轧张力状态方程的A矩阵是常阵,得到了多机架张力公式的解析解,并证明了连轧张力系统是可测量、可控制、渐近稳定的线性系统,张力测厚精度比压力测厚精度高1个数量级。
另外,还以多机架解析张力公式为基础对冷连轧过程的模拟方法、动态变规格、穿带过程速度和辊缝的设定等进行了研究。
1997年,在宝山钢铁(集团)公司2050热连轧机上完成了恒张力控制试验,并进一步提出了热连轧张力复合控制系统方案。
1990年8月投产的日本新日铁八幡制铁所的冷连轧机生产线,其板厚控制系统由31个回路的自动板厚控制AGC和8回路的自动张力控制ATC构成。
该系统使用实时数字滤波校正环节,使压下AGC和速度AGC互不干涉,AGC和ATC互不干涉,在所有机架安装厚度计和速度计,构成高精度的秒流量(MassFlow)控制,最大限度的发挥液压压下装置。
高性能交流传动装置的应用及优越性,使板厚精度控制在±0.5%以内,成为这一阶段冷连轧机计算机网络控制的典型代表。
自动厚度控制系统中,带钢的厚度精度主要取决于道次计划设定模型计算精度及AGC控制精度。
前者决定了钢板头部厚度精度,后者决定了钢板全长厚度精度。
以高精度道次计划设定模型轧制时,每道次压下量及速度由过程计算机道次计划设定模型进行自动计算及设定。
设定模型包括:
钢板温度预测模型、轧制力预测模型(含变形抗力预测模型)、轧机辊缝设定模型,即弹跳方程式。
为了提高设定模型的精度,设定模型除具有块与块之间的自适应功能外,还具有道次与道次之间的自适应功能。
采用前道次温度、轧制力、厚度的实测值,对下道次的轧制力、温度预测值进行修正,重新计算辊缝值,以提高下道次的设定精度。
如果某道次轧后实测厚度与模型预测值偏差较大,启动道次计划再计算功能,对后续各道次压下制度重新进行计算。
这一阶段中在板厚控制的单一技术方面的开发,也产生了相当多的成果。
许多板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动厚度控制器;如GM-AGC(GaugeMeterAGC),监控AGC,张力AGC,前馈AGC,反馈AGC等。
可根据工艺需要,选择其中几种组合形成某种轧机的AGC系统,以满足板带厚度控制之用。
为了提高头部板厚控制精度,开发出绝对值AGC,这种形式的系统以GM-AGC为基础,采用液压压下,利用各种补偿功能和绝对值锁定方式,实现绝对值AGC。
对于冷连轧机还开发了MF-AGC(质量流AGC)板厚控制系统,如图1-3所示。
在冷连轧机的任意两个机架(单机架亦可)中的MF-AGC,考虑带钢在机架间的运行速度,将厚度计TG实现的带钢厚度值延迟至第i+1机架,根据秒流量定律:
计算带材出口厚度hi+1。
其中H是入口厚度,h是出口厚度,V是入口带材速度,v是出口带材速度,VR是轧辊圆周速度,f是前滑率,i是机架号。
第i+1机架出口的带材厚度希望值hR(i+1)与上述的MassFlow带厚hi+1之差通过PI控制,反馈至第i机架的轧辊位置驱动装置来控制带材厚度。
机架间的张力借助于张力极限控制,加在第i+1的液压压下之上。
新开发的MF-AGC可使板厚精度达到0.1%以内,是当前AGC发展的一个方向。
、
质量流AGC
近年来,为进一步提高冷连轧产品质量,广泛采用成品带钢凸度测量仪(沿带宽多点X-射线源及矩阵式接收,以获得沿宽度方向的厚度分布)和带钢激光测速仪。
激光测速仪的使用为流量AGC的发展创造了条件。
在20世纪最后的十年,世界轧钢技术发展迅速,轧钢生产实现了高度的自动化、连续化和高精度化。
由于对冷轧薄板质量的要求越来越严,因此计算机控制系统已是冷轧不可缺少的组成部分。
随着液压控制系统的广泛应用加上全部控制都将作用于轧辊-轧件形成的变形区,因此冷轧自动控制系统需满足下列两个要求:
一是高速控制,二是高速通讯。
这个“二高”的特点决定了控制系统应是“快速”分布式计算机控制系统。
目前能为冷连轧机提供计算机控制系统的仅有6~7家大电气公司(美国GE、德国西门子、法国ALSTOM、日本日立和三菱以及瑞典的ABB公司)。
各钢铁企业都加快了薄板生产线改造和建设的步伐。
人工智能技术在轧钢工艺中应用,在热轧带钢轧制中利用ANN与数学模型结合进行轧制力控制已经开始应用于工业生产。
液压压下装置的特点
国外把实现厚度自动控制的系统称为“AGC”,而国内多称之为液压压下装置。
与电动压下装置比较,液压压下装置有以下特点:
1.快速响应性好,调整精度高。
液压压下装置有很高的辊缝调整速度和加速度。
尤其是很大的加速度潜在能力。
在频率响应、位置分辨率诸方面都大大优于电动压下装置。
下表给出了两者动态特性方面的比较。
液压压下与电动压下动态特性比较
项目
速度
mm/s
加速度
mm/s2
辊缝改0.1mm的时间s
频率响应宽度范围Hz
位置分辨率
mm
电动压下
0.1~0.5
0.5~2
0.5~2
0.5~1.0
0.01
液压压下
2~5
20~120
0.05~0.1
6~20
0.001~0.0025
改善系数
10~20
40~60
10~20
12~20
4~10
动态性能大幅度提高,使得产品的精度提高,质量更有保证,缩短了加速减速阶段带钢头尾的超差长度,节约了金属及能源,提高了合格率。
2.过载保护简单、可靠。
液压系统可以有效地防止轧机过负载,保护轧辊和轴承免遭损坏。
当事故停车时,可迅速排出液压缸的压力油,加大辊缝,避免轧辊烧裂或被刮伤。
3.采用液压压下实现对轧机的“恒辊缝”和“恒压力”的控制,以适应各种轧制及操作情况。
4.采用标准液压元件,简化了机械结构。
5.较机械传动效率高。
6.便于快速换辊,提高轧机作业率。
1.2国内外研究情况简介
近年来,国内外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展,大大提高了板带材的几何尺寸精度。
为满足汽车制造、食品、包装、家用电气、机械和军事工业等各领域的需要,生产出更高精度的板带材产品占领国际市场,各国相继投入了大量的人力物力,开发研制了多种现代化大型轧机。
1.2.1国外概况
具有代表性的有日本日立公司研制的工作辊可轴向移动的HC轧机、CVC轧机、中间辊既可弯曲又可移动的UC轧机,日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的PC轧机,德国曼内斯曼德马科公司的UPC轧机等。
这些轧机配以现代化控制手段可实现多功能精密轧制,生产出微米级厚度精度的板带材产品。
随着国民经济的快速增长,各国对冷轧带钢质量、品种和数量提出了新的要求,为轧制过程的控制进一步增加了难度,用传统方法已经很难进一步提高控制水平了。
因此一些国家开始全面有计划的开发智能控制,如模糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求。
在这方面日本、美国、德国、法国等,在烧结、炼钢、连铸及轧钢等钢铁生产领域已获得了成功应用。
尤其是日本投入了很大力量,并获得了许多成果。
例如日本神户钢铁公司加古川厂五机架冷轧机的神经模糊板形控制系统,日本日立公司森吉米尔轧机的神经模糊板形控制系统等等。
1.2.2国内概况
我国在高精度轧制技术方面也作了大量的研究开发工作。
新中国成立后为实现工业化,从国外引进了大型冶金设备和技术。
我国技术人员经过多年的学习与消化,在此基础上结合我国的实际情况,自行开发出一些有关提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备,其中有些技术已达到或超过国外的先进水平,并且我国将智能控制技术在轧机中也得到了一定的应用。
像鞍钢中板厂23.50四辊轧机智能控制的开发研究、济钢中板轧机液压APC系统中模糊控制技术的应用等这些国内外的例子,均说明智能控制具有极好的前景。
但总体来说我国自行研制的轧机技术含量不高,生产出的产品竞争力不强,每年尚需要进口大量的高精度板带产品,许多轧机的生产状况尚不能令人满意,厚度精度急待提高,许多理论问题以及所采用的先进技术尚待进一步消化研究。
第2章液压系统原理的设计
原理设计至关重要,以后所做的工作都是在原理图的基础上进行的,原理设计有问题,就不能完成所要求的动作要求。
2.1系统的要求
技术参数
◆液压压下位置分辨率为:
1um;
◆液压压下缸位置控制系统响应速度:
0.1mm阶跃输入响应时间≤40ms;
◆液压压下位置控制精度:
2um;
◆液压压下轧制力控制静态精度:
<±1.0%(相对于最大轧制力);
◆液压压下轧制力控制响应速度:
100T阶跃输入响应时间≤35ms
冷轧成品厚度精度保证值:
厚度
公差
公差
总长公差
范围(%)
范围
稳定轧制
加/减速时
(mm)
无模型(%)
无模型(%)
0.300-0.499
±2.5
±5.0
95
0.500-0.799
±2.5
±5.0
95
业性、互换性。
3.适用标准、法规
4.安全性、可靠性
(1)用户在安全性方面有无特殊要求。
(2)明确保用期、保用条件。
5.经济性
不能只考虑投资费用,还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。
2.2系统所需功能及选型
要求能够控制液压缸推进的位置进而控制辊缝的大小。
伺服阀选型:
1150mm冷轧机选用德国MOOGD661G二级伺服比例阀,该阀采用伺服射流管先导技术:
伺服射流管先导主要由力矩马达、射流管和接收器组成。
当线圈中有电流通过时,产生的电磁力使射流管喷嘴偏离零位,管内的大部分液流集中射向一侧的接收器,接收器所得到的流量减少,由此造成两接收器内主阀阀芯因此压差而产生位移。
先导级的泄漏油通过喷嘴环区域处的排除通道直接流回油箱。
MOOGD661G结构如图:
根据所需要求传感器选型如下:
位移传感器选型:
选用MTSRP3G8105152。
压力传感器选型:
选用HDA3800。
三:
液压伺服控制系统设计
3.1液压伺服板厚控制的基本原理
轧件进入轧辊辊缝前,轧辊的开口度(空载或原始辊缝)为0S;当轧件进入辊缝后,在轧制压力P的作用下,轧机机座在轧辊辊身中部处产生弹性变形,使辊缝增大,同时轧辊产生弯曲变形。
弹性变形的结果,使实际压下量减小,轧件出口厚度大于空载辊缝,带材的实际出口厚度h与预调辊缝值0S和轧机弹跳量S∆之间的关系可用弹跳方程描述:
式中P--轧制力(N)
M--轧机纵向刚度(N/mm),M代表使轧机产生单位弹跳量所需的轧制力
改变辊缝控制出口厚度:
当∆F1中的某些因素引起出口厚度变化∆h时,通过测量厚度偏差,改变辊缝∆S0时,即可维持厚度不变。
由此机理构成的厚度控制系统称为自动厚度控制系统,简称AGC。
如果从干扰量中可测量出某些影响出口厚度的因素,如入口厚度∆H,则改变辊缝∆S0,即可保持∆h=0。
3.2轧机数字闭环厚度控制
控制系统原理图:
在该系统内实际的输出分别由缸位移传感器,压力传感器检测,将实际反馈量与给定量相比较,由相应闭环状态的PID调节器进行控制。
PID调节器:
闭环控制是整个控制系统最为核心的部分,它是通过计数卡的定时器产生时间间隔为5ms的中断信号,使下位机周期地作出响应,调用中断处理子函数来完成PID控制运算,并将运算结果通过D/A输出,达到控制的目的。
标准数字PID的位置表达式为:
从
可见,当系统误差较大时(例如系统由静止状态启动时),会造成很大的误差积累,这时由于系统的非线性造成输出量饱和,使输出不能提供足够的控制量给执行机构,反馈的结果造成系统的不正常的误差积累过多,而使系统过超调,甚至引起振荡产生。
为了防止这种现象的产生,在编程时使用了积分分离式控制的方法。
当误差小于一定范围δ时,系统处于线性区,这时系统可按正常PID进行控制;当误差大于δ时,为防止误差的不正常积累,可将积分项去掉不参加控制,此即所谓的积分分离式PID控制。
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