1450冷连轧机弯辊力伺服控制系统仿真分析

方桐

摘 要 本项目以1450冷连轧机弯辊力伺服控制统仿真分析为对象重点，利用amesim软件搭建系统并仿真分析，验证了该系统的良好性能。

关键词 液压伺服 板形 弯辊力伺服控制

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

1项目简介

板形控制是冷轧板带加工的核心控制技术之一，近年来随着科学技术的不断进步，先进的板形控制技術不断涌现，并日臻完善，板形控制技术得到了发展，并促进了冷轧板带工业的装备进步和产业升级，生产效率和效益大幅提升。板形控制是现代钢铁企业日益广泛采用和致力于深入研究的课题，而液压弯辊系统作为最常用的板形控制手段之一，液压弯辊装置是为了改变工作辊的凸度来控制板型，当凸度增加时成为正弯，当凸度减小时成为负弯。工作辊弯辊系统能够在轧制期间及闭环控制回路的设置期间动态地修正辊缝，以便在整个带钢长度上板形恒定。

当辊缝有载荷状态，由轧制力使工作辊压靠支承辊，当辊缝无载荷状态，该任务由工作辊平衡系统所取代。因此在工作辊和支撑辊之间确保了安全摩擦锁紧及消除了上，下工作辊轴承装配的间隙。当增加液压压力时，该平衡缸作为工作辊弯辊而起作用。如没有工作辊弯辊，那么辊缝形状将是凹形即辊缝取决于辊凸度、带宽和轧制力，辊缝变成凸形。因此通过规定的工作辊弯辊，工作辊的作用形状改变，随之辊缝形状也改变。目前广泛应用于轧机的板形控制之中，但由于其技术上的难度和基础研究起步较晚，目前国内设计的轧机大多数都是采用类比方法进行弯辊液压系统的设计，或者是成套引进国外的技术，这种类比设计方法由于缺乏足够的设计理论和依据，存在很多缺陷，不是难以满足设计要求，就是造成设备能力和资源的浪费。因此，深入研究板形控制液压弯辊系统弄清其设计思想和原理，无疑具有重要的理论意义和实际价值。基于上述思想，本项目以1450冷连轧机弯辊力伺服控制统仿真分析为对象重点。

2系统组成和工作原理

弯辊力控制系统是由液压缸产生一定的弯辊力，这个弯辊力作用于工作辊，使工作辊瞬间改变其挠度，进而改变辊缝形状，从而实现对于板材形状的调整。实际工作中，是用液压缸中的工作压力来表示弯辊力的，再通过压力传感器反馈给控制单元，控制单元将反馈信号和已经设置好的压力数值做深入的分析和比较，然后通过伺服阀的开度去控制液压缸输出的弯辊力，从而实现了系统的闭环控制

控制弯辊力的系统相对复杂的一个系统，在查阅了有关该系统的一些资料后，将弯辊力控制系统化简成为一个压力控制伺服系统，系统组要是由以下几部分组成，分别是伺服放大器，计算机控制部分，电液伺服阀，液压缸，以及负载及压力传感器等组成部分。经过分析得到系统的结构简图见下图1：

图1 弯辊控制系统结构简图

图1中压力传感器将采集到的弯辊液压缸压力值反馈至伺服阀的控制单元，组成弯辊力闭环控制系统。在整个板带的轧制过程中，要根据板带的实际形状来实时的去调节弯辊力的大小，使得在预设定的弯辊力值附近波动。由图1可以画出电液伺服弯辊力控制系统的原理图，见图2。

图2 电液伺服弯辊力控制系统的原理图

3项目数据与设计任务

4系统数学模型的建立

（1）控制器采用PI调节器传递函数：

式中，E0为控制器的输出电压，PI 控制器中的比例、积分系数Kp、KI，采样时间为t，E（t）为输出的偏差电压。

（2）伺服放大器的传递函数：

伺服放大器是将电压转换为电流对伺服阀进行控制的，可把传递函数近似的看成是一个比例环节。

I=KaE0

I为放大器输出的电流，Ka放大器的放大系数。

（3）电液伺服阀阀芯位移与放大器输出电流的关系：

xv为伺服阀的阀芯位移，wsv为伺服阀固有频率，为伺服阀阻尼比，Ksv为伺服阀位移对电流的放大系数。

（4）伺服阀流量与伺服阀阀芯位移的关系为：

W为伺服阀阀芯面积梯度，伺服阀的流量为伺服阀的工作压力为PL，流量系数为Cd， Ps为供油压力。

（5）液压缸的连续性方程：

Vt为液压缸控制腔初始容积，液压缸无杆腔面积为Ah，液压缸位移为xp，Ctp为液压缸总泄露系数，液压油等效容积模量为%[e。

（6）对负载进行受力分析得到负载平衡方程：

弯辊力为Fg，液压缸有杆腔面积为A'，折算到液压缸活塞上的等效质量为m1，液压缸的背压为Pb，负载阻尼系数为Bp，负载等效弹簧刚度为kL。

（7）压力传感器选用的是美国PARKER公司的SCP系列，其传递函数可以看做是一阶惯性环节：

Kfp为压力传感器放大系数，tfp为压力传感器时间常数。

根据以上所建立的数学模型以及所绘制的原理图绘出系统的方框图：