板带轧机电动及液压压下联合控制系统

  随着科学技术的进步，我国经济得到了快速的发展，汽车、电子等行业对板带钢材的质量要求越来越高。厚度是板带材最重要的质量指标之一，厚度自动控制AGC控制性能的优劣将直接影响轧制产品的质量。本文对该轧机采取的改造方案为电动压下和液压压下联合控制板厚，由电动压下进行辊缝粗调，液压压下系统负责辊缝精调。
    板带轧机厚度控制理论
    1.1.影响轧制产品厚度的因素
     轧制过程中，影响轧制产品厚度的因素很多，根据弹跳方程，生产实际中影响轧制产品厚度的因素主要如下：
    1.1.1.轧机的机械装置和液压装置
    在轧机加工装配过程中，零部件之间的误差对轧机的刚度和空载辊缝造成直接影响，从而使得轧制产品的厚度偏离目标值。轧机开始运作之后，其零部件会发生变形或扭曲，这都会改变轧机辊缝的大小和形状。一般情况，轧机的刚度越大，轧机的弹跳量越小，辊缝的变化程度和轧制产品厚度偏差都越小，产品尺寸精度就越高。
    1.1.2.轧件的来料特性
    厚度不均、硬度变化、截面变化、平直度变化等来料特性会对轧制生产过程中的轧制力大小和辊缝值变化产生一定影响。当影响因素已知，而来料特性未知，这就难以满足轧制产品的厚度要求，此时，只有轧机的厚度自动控制系统才能保证产品的质量。
    1.1.3.轧机的控制系统
    轧机的控制系统分为轧机硬件设备和控制模型。限制轧机厚度控制精度的硬件因素主要有计算机的速度与精度、传感器的精度与稳定性等。
    板带轧机压下控制系统
    2.1 .电动压下自动控制系统
    2.1.1.电动压下控制过程
    本轧机的传动侧和操作侧分别安装一台西门子直流电机，用于空载时粗调轧机辊缝，当接收到粗调辊缝设定值后，将电动辊缝调到目标设定值，此外，通过进行倾斜度的监控，使得传动侧和操作侧的压下位置偏差控制在允许的范围内，即上辊的倾角保持在允许的偏差范围内。
    电动压下控制方式为电机带动齿轮、蜗杆、涡轮传动，压下两台50HP电机带动齿轮啮合。由于通过大齿轮连接轴上的蜗杆带动轧机两侧蜗轮，蜗轮与压下螺丝转动，蜗轮旋转是，压下螺丝上下运动。电机之间的电磁离合器可以同步控制两边的压下，离合器离开时，两边压下电机可以进行单独调节。
    2.1.2.电动压下定位过程的控制算法
    2.1.3.电动压下电机的控制方式
    在此调速系统中，转速调节器是主导调节器，它使控制电机的转速时刻随着给定电压发生变化而变化，转速调节器的输出限幅值决定控制电机的最大允许电流，稳态运行时可以对负载的变化起抗扰作用，从而实现无静差转速。
    2.2 .液压压下控制
    传统电动AGC存在很多问题，比如响应速度慢、调节精度差、压下效率低等。此案待会的轧机一般都采用液压压下控制方式或者电液相结合的控制方式。液压压下控制系统可以根据轧制实际情况改变，实现动态调节，从而保证轧制产品的厚度保持不变。其优点主要有以下几点：
    2.2.1.液压AGC 的响应速度快，调整精度高。液压AGC系统的伺服系统灵敏度高、摩擦力小，使得系统的惯性大幅度降低，得以快速响应控制信号。相对于电动AGC来说，其具有较高的阶跃响应频率，这个数值一般在25Hz 左右。同时，液压采用先进的反馈方式，控制精度可以达到2.5um，这远抄电动装置的精度。
    2.2.2.液压AGC 的过载保护简单可靠。液压压下系统有防止轧机过载的安全阀等，这可以方式损坏轧辊与轴承。在出现异常状况时，如卡钢、堆钢等，可以快速排出液压缸中的压力油，实现过载保护。
    采用液压压下方式可以根据工艺需要灵活地进行控制。液压压下方式可以方便的对轧机的当量刚度进行控制，实现轧机的“恒辊缝控制”与“恒压力控制”之间的转换，以满足不同轧制阶段对机架当量刚度的要求，适应各种金属、各种规程及不同厚度的轧制要求。
    2.2.3.液压AGC 的体积小、重量轻，具有惯性低、工作平稳的优点，在功率相同的情况下，特别是在大功率工况下，液压AGC 与电动AGC 相比，上述优点的体现尤为明显。
    2.2.4.液压AGC 装置均采用标准液压元件，结构简单，使繁杂的机械结构得以简化，更能节约成本。
    3. 基于AMESIM 和MATLAB 的HAPC 仿真研究
    3.1. 电液伺服位置仿真模型建立
    根据液压压下伺服系统的物理模型特点，在AMESIM 环境下构造其机械液压模型，具体步骤如下所述：
    3.1.1.建立系统模型：首先选择AMESIM 的“绘图模式”，根据轧机液压压下系统的实际物理模型，搭建好液压压下系统框架如图3所示。利用AMESIM 能够实现与MATLAB/Simulink 进行联合仿真的接口，在已经搭建好的液压压下模型中搭建进行联合仿真控制模块。
    3.1.2. 选择系统子模型：根据实际需要，对系统中各个模块选择合适的子模型并进行储存。
    3.1.3.设置系统参数：根据实际设置系统的参数，进行联合仿真时使用这一步骤生成的S函数。
    3.1.4.运行系统：点击菜单“Tools”中的“start MATLAB”选项，这时系统的AMESIM 物理模型被MATLAB 软件当作一个普通的S函数，完成数据交换，实现液压压下系统的联合仿真。
    Simulink 模型及参数准备好之后，点击运行按钮，则系统开始运行，进行仿真。
    3.2 .仿真结果与分析
    当空载时，液压缸位移的变化就是辊缝的变化，取输入阶跃信号rin=0.15mm。
    由仿真结果图7可以得到：模糊PID 控制效果明显优于常规PID，常规PID 超调量为37%，而模糊PID 无超调，无振荡，上升时间比较快。与常规PID 控制相比，模糊PID 系统响应快，稳态误差小，能够有效改善系统的动态性能，得到比较满意的控制效果。
    由于电液伺服控制系统是典型的非线性系统，存在时变性、不确定性、外界干扰以及多种外界因素等的影响，采用传统PID 算法时，难以选择控制参数，系统存在抗扰能力低、超调量大等缺点；试验结果表明该模糊PID 自动厚度控制系统，能使厚度控制偏差快速接近目标值，大大提高了厚度控制精度，既保留了PID 控制器无静差的特点，又能获得模糊控制鲁棒性强的优点。