基于AMEsim的热轧带钢液压活套建模与控制仿真

王智雷

摘要：热轧带钢活套控制系统的优劣对轧制产品的质量与产量具有重大的影响。在实际轧制过程中，受各种因素的干扰，带钢张力并不等于液压缸的输出压力，而是存在某种非线性关系。为了研究和解决液压活套控制中的问题，本文提出了一种基于AMEsim搭建热轧带钢液压活套系统模型的方法，推导出液压缸输出压力与带钢张力之间的数学关系。通过AMEsim建立液压系统模型，由simulink建立控制系统模型，设计了专家PID控制器。联合仿真表明系统具有较强的鲁棒性。

Abstract：  The advantages and disadvantages of hot-rolled strip loop control system have a significant impact on the quality and yield of rolled products. In the actual rolling process， due to various factors， the strip tension is not equal to the output pressure of the hydraulic cylinder， but there is some nonlinear relationship. In order to study and solve the problems in the control of hydraulic looper， this paper proposes a method based on AMEsim to construct the hydraulic looper model of hot-rolled strip steel， and derives the mathematical relationship between the output pressure of the hydraulic cylinder and the tension of the strip. The hydraulic system model is established by AMEsim， and the control system model is established by simulink， and the expert PID controller is designed. Co-simulation shows that the system has strong robustness.

關键词：液压活套;专家PID控制器;AMEsim/matlab联合仿真

Key words： hydraulic looper;expert PID controller;AMEsim/matlab co-simulation

中图分类号：TP271                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0157-03

0  引言

活套系统是带钢热连轧生产系统中的一个关键子系统，运行状态的优劣对轧制产品的质量与产量都具有重大的影响。其主要的控制量是活套高度和带钢张力。活套高度控制是通过调节上游机架的电机速度达到很好的跟随性能，而为了更好的控制带钢张力，最终保证机架间带钢的微张力轧制是通过控制液压缸的压力实现的。法国IMAGINE公司开发的AMEsim为流体（液体及气体）、机械、控制、电磁等工程系统提供一个较完善的综合仿真环境及灵活的解决方案[1]。

本文利用AMEsim搭建热轧带钢液压活套系统模型，由simulink建立控制系统模型，通过AMEsim/simulink联合仿真对带钢张力控制进行了仿真分析。为进一步提高带钢张力控制提供了一种有效的研究方法。

1  模型建立

在每个精轧机机架之间都装有一个活套，目的是为了确保带钢在两机架之间有一个特定的张力。液压活套机构示意图如图1所示。

图1中各点定义如下：E-活套臂支撑点;L-液压缸支撑点;AE -活套的工作臂（长度为R）;EH-活套的动力臂（长度为r′）;？兹-活套的角度;？准-动力臂与工作臂夹角（已知定值）;？孜-液压缸与垂直向夹角;？啄-活套动力臂切线与液压力夹角;L，E是固定的，AE和EH的长度以及？准角是已知且不变的[2]。

1.1 液压缸压力与带钢张力间的关系

在实际轧制过程中，由于外界的干扰，负载张力会不断的发生变化，并且所要控制的带钢张力不等于液压缸的输出压力，而是存在某种非线性关系。下面我们将通过理论推导，得出液压缸输出压力与带钢设定张力之间的关系式。

活套所需力矩M由负载张力力矩MT，带钢自重力矩MW1，活套辊及框架重量自重力矩MW2构成[3]。如图1液压活套机构示意图，选择E点为作用点，计算力矩平衡关系。

①液压缸提供的液压力矩计算，由力矩公式可得：

其中FL为液压缸输出力，LH为力臂;？兹0为活套工作角度最低值;？孜0是指？兹=？兹0时，液压缸与竖直向的角度;考虑到在活套运动过程中，？孜变化量非常小，一般为计算方便可将其看作常数？孜0。

②张力力矩MT与活套角高度的关系。

张力力矩MT计算，由力矩=力*力臂以及三角函数积化和差公示，可以求得：

式中，MT为张力力矩;FT为合成张力;a为张力力臂。

—带钢与轧制线的夹角

综上，为保证带钢张力恒定，液压缸输出的张力力矩MT应随？兹的变化而调节。

③重量力矩MW包括带钢自重力矩MW1和活套辊及框架自重力矩MW2。

由图1可以求得带钢自重产生之力矩。

式中W1为两个机架之间带钢自重;

式中，为带钢的比重;B为带钢的宽度;h为带钢的厚度;g为重力加速度。

活套辊以及框架重量产生的力矩MW2

式中W2為活套及框架的自重。

④活套装置所需要的综合力矩M为张力力矩MT和重力力矩MW之和，即：

代入上式整理可得期望的带钢张力与液压缸输出压力之间的关系式（15）。由关系式可知当活套角？兹确定的情况下，对应特定的非线性系数;当活套角？兹变化时，系数随之发生改变，即系数为？兹的函数式。

其中：

1.2 液压活套张力模型的建立

在AMEsim环境中，利用Sketch模式并调用系统所提供的液压库、机械库和信号库建立液压活套系统模型。用弹簧模拟负载张力的变化，将求得的带钢张力设定值与液压缸输出压力的关系式加入模型。

以某钢厂液压活套参数及其它轧制参数为例，其中轧制宽度B =1275mm，钢坯厚度为10mm，？孜0=11.8°，？准=45°，角度？兹0=9°，r′=0.26m，活塞直径D1=0.42m，杆直径D2=0.296m，l=5.5m，la=1.975m;hd=0.27m，R=0.75m，r=0.138m，带钢的比重？籽=7.85*9.8（kN/m3），分别设定不同的活套高度工作点参数，带入公式（16）（17）得到关系式系数与活套角？兹的对应关系见表1。

现取？兹=24°，在大范围内选择PID参数，最终得到最佳的？兹PID参数。可得当P=85，I=34，D=0.02时，得到的仿真曲线如图2所示。

在不改变PID参数的情况下，研究不同活套角？兹时，带钢张力的响应曲线。在模型中改变k，b系数，得到不同活套角度时，相同PID参数下的进行仿真，通过曲线可得出结论：常规的PID控制器，由于PID参数是固定的，在带钢张力出现波动时，即活套角度变化时，很难得到满意的控制效果，故需要采用先进的智能控制策略。

2  AMEsim/matlab联合仿真

考虑到AMEsim在控制运算方面的缺陷，本文采用联合仿真模型设计，既发挥了AMEsim突出的流体机械的仿真效能，又能借助MATLAB/simulink强大的数值处理能力，取长补短，取得更好的控制仿真效果。

AMEsim/simulink联合仿真是利用AMEsim对simulink的接口技术，在AMEsim中的界面菜单下创建接口模块，与simulink中的S函数实现连接[4]。具体实现过程是在AMEsim中经过系统编译、参数设置等生成供simulink使用的S函数，在simulink环境中，创建一个S函数模块，将该函数名字命名为AMEsim模型名称加“_”的形式，这样就实现了带钢张力仿真平台和Simulink算法模型的连接。AMEsim模型被当作一个普通的S函数，通过AMEsim/simulink Interface进行数据交换，从而实现联合建模与仿真。在AMEsim中搭建液压活套联合仿真模型，在simulink中编写S函数设计专家PID控制器模块[5]。专家PID是指将专家系统理论和技术同普通PID控制理论技术相结合，模拟专家的控制智能，在未知情况下，提高系统的智能控制性能。联合仿真模型模型如图3所示。

运行仿真，得到仿真曲线如图4所示，分析曲线可知，在？兹=24°时采用专家PID控制器对张力的控制效果与普通PID控制相比，在响应时间、控制精度、及超调量等方面都取得了很好的控制效果。当？兹改变时，也能得到很好的跟踪和快速响应。

由此可知：专家PID控制相对于普通PID控制具有更好的动态和稳态性能，即采用专家PID控制具有更好的自适应性和鲁棒性。

3  结论

①液压活套是个复杂的非线性系统，鉴于AMEsim在控制运算方面的缺陷，本文采用联合仿真，在matlab中搭建控制模型，设计智能控制器，得到了较好的控制效果。②AMEsim/matlab联合仿真具有模型与实际情况更加逼真，仿真计算速度和精度高，模型算法设计修改灵活，对于机电液压系统的准确仿真及优化设计具有良好的指导意义。

参考文献：

[1]付永领.祁晓野.AMEsim系统建模与仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[2]R Stücher，M Tuschhoff，S Brombach.Hydraulic Looper Simulations and Measurements for MAGIC Benchmark Tests [C]// IAR-ICD/ FATIS/MAGIC  Workshop， 2003. Germany， 2003：107-112.

[3]童朝南，武延坤，宗胜悦，王浩然.热连轧中液压活套系统数学模型的研究系统[J].仿真学报，2008，20（6）.

[4]李谨，邓卫华.AMEsim与MATLAB/simulink联合仿真技术及应用[J].情报指挥控制系统与仿真技术，2004，10（5）：61-64.

[5]刘金瑶.先进PID控制MATLAB仿真[M].电子工业出版社，2006.