CN102248005B - 双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法，其是采用工作辊弯辊和平衡液压控制系统来实现的，该控制系统主要由控制回路和4个弯辊液压缸、2个电液伺服阀、2个压力传感器、2个安全阀组成；该方法包括使用同一控制器进行双阀联动闭环控制以实现工作辊的正负弯和平衡，工作辊平衡控制使用正弯模式的双阀联动，双阀控制信号之比等于液压缸两腔面积之比，以及设置动压反馈内环以改善弯辊力控制系统性能的步骤。本发明具有成材率高，控制性能好，提高了控制精度，以及应用效果好等优点。

Description

双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法
技术领域
本发明涉及双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法。
背景技术
目前，在板带轧机或平整机中，常配置并联的非对称液压缸以实现工作辊的弯辊和平衡；用单个伺服阀控制非对称液压缸时容易产生超压和气蚀；配置双伺服阀的系统，常只将一阀用于闭环控制，另一阀接回油路，控制效果差且接回油路的一腔易于产生气蚀；实现工作辊平衡功能时，用开环控制模式产生的冲击大，易于损坏设备和产生油液泄漏。
工作辊的弯辊平衡系统，是HAGC系统的核心子系统，对板带的板形品质尤为重要。工作辊弯辊控制要求稳定、精确和响应快；正负弯辊模式切换时要求柔性冲击力小；且工作辊平衡控制时要求冲击力尽量小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法，以解决现有技术存在的问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡方法，是采用工作辊弯辊和平衡液压控制系统来实现的，该控制系统主要由控制回路和4个弯辊液压缸、2个电液伺服阀、2个压力传感器、2个安全阀组成。该方法的步骤包括：
（1）使用同一控制器进行双阀联动闭环控制以实现工作辊的正负弯和平衡：
第一电液伺服阀和第二电液伺服阀使用同一个控制器来实现工作辊的正弯辊、负弯辊和平衡，其本质是将两个三通伺服阀当作一个四通伺服阀来用，同时控制两个三通伺服阀的各一个控制腔； 
（2）工作辊平衡控制使用正弯模式的双阀联动：
工作辊平衡控制时采用正弯控制模式的方法，具体是：设定值为正，并设置正弯辊力极限阈值为工作辊辊重的1.5~3倍，使得正弯辊力足以支撑工作辊的重量而又不至于冲击力过大；
（3）双阀控制信号之比等于液压缸两腔面积之比： 
设所有弯辊液压缸的无杆腔总受力面积为A1，有杆腔总受力面积为A2；在不计及第一补偿值和第二补偿值时，第二电液伺服阀与第一电液伺服阀两者的指令信号之比为比例系数，其比例值n= A2/A1；
（4）设置动压反馈内环以改善弯辊力控制系统的性能：
动压反馈回路是弯辊力控制回路的内环，本质是弯辊力控制环内配置了“力速度”反馈，使得工作辊弯辊和平衡液压力控制系统的阻尼比增加，而又不至于影响该液压控制系统的快速性；
经过上述步骤，最终利用双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡。
所述控制回路由弯辊力计算模块、动压反馈模块、控制器、比例系数和两个补偿值等组成，其中：第一压力传感器和第二压力传感器的测量值馈送至弯辊力计算模块和动压反馈模块；弯辊力计算模块的输出与设定值比较后进入控制器；控制器的输出与动压反馈模块的输出比较后叠加第一补偿值作为第一电液伺服阀的指令信号；控制器的输出与动压反馈模块的输出比较后乘以比例系数并叠加第二补偿值，作为第二电液伺服阀的指令信号。
所述控制器可以采用PI控制器。
本发明提供的上述双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡方法，其用途是：该方法在实现板带轧机或平整机的工作辊的弯辊和平衡中的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：
1. 提高了成材率：工作辊的弯辊平衡系统，是HAGC系统的核心子系统。高性能弯辊控制是轧机液压辊缝控制系统中的一项关键技术，可提高板带的板形品质从而提高成材率。本发明结合高性能的液压压下系统和稳定的张力控制系统，在极薄板双机架平整机和罩退工程平整机组上延伸率绝对精度优于0.05%且板形良好。
2. 提高了控制性能：双阀联动控制策略也兼顾了工作辊的平衡从而简化了系统配置并提高了控制性能。配置了本发明的工作辊弯辊平衡系统，可不必另外配置工作辊平衡液压传动回路；用液压传动回路实现工作辊的平衡，在到达平衡位时冲击力大，且稳态平衡力过大，对设备易造成损伤且易导致液压接头泄露。用双阀联动控制实现工作辊的平衡，平衡力可任意设定且可减小液压冲击力。
3. 提高了控制精度：使用具有动压反馈的双阀联动控制策略，保证了正常轧制过程中工作辊正负弯的高响应、高精度和鲁棒稳定性；在极薄板双机架平整机和罩退工程平整机组上配置了本发明的工作辊弯辊平衡双阀联动液压闭环控制系统，正负弯辊力的阶跃响应小于50ms，控制精度优于2%；使用动压反馈，可使得弯辊力控制系统的超调降低甚至无超调。
4. 应用效果好：工作辊平衡控制使用正弯模式的双阀联动闭环控制。在罩退工程平整机组上配置了本发明的工作辊弯辊平衡双阀联动液压闭环控制系统，工作辊平衡使用双阀联动正弯控制模式，正弯辊力设置为100KN，到达平衡换辊位时液压冲击力小于10KN。
附图说明
图1是本发明采用的工作辊弯辊和平衡液压控制系统的结构示意图。
图中：1. 第一弯辊液压缸；2. 第二弯辊液压缸；3. 第三弯辊液压缸；4. 第四弯辊液压缸；5. 第二压力传感器；6. 第二安全阀；7. 第二液压锁；8. 第二电液伺服阀；9. 第二补偿值； 10. 比例系数； 11. 第一电液伺服阀；  12. 第一液压锁； 13. 第一补偿值；14. 第一安全阀； 15. 第一压力传感器；16. 控制器；17. 动压反馈模块；18. 弯辊力计算模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
本发明提供的双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡的方法，是采用工作辊弯辊和平衡液压控制系统来实现的，具体是采用以下方法，其步骤包括：
1. 使用同一控制器进行双阀联动闭环控制以实现工作辊的正负弯和平衡：
第一电液伺服阀11和第二电液伺服阀8使用同一个控制器来实现工作辊的正弯辊、负弯辊和平衡，其本质是将两个三通伺服阀当作一个四通伺服阀来用，同时控制两个三通伺服阀的各一个控制腔。控制器为PI控制器16。
2. 工作辊平衡控制使用正弯模式的双阀联动：
工作辊平衡控制时采用正弯控制模式的方法，设定值为正并设置正弯辊力极限阈值为工作辊辊重的1.5~3倍，使得正弯辊力足以支撑工作辊的重量而又不至于冲击力过大。
3. 双阀控制信号之比等于液压缸两腔面积之比： 
设所有弯辊液压缸的无杆腔总受力面积为A1，有杆腔总受力面积为A2；在不计及第一补偿值13和第二补偿值9时，第二电液伺服阀8与第一电液伺服阀11两者的指令信号之比为比例系数10，其比例值n= A2/A1。
4. 设置动压反馈内环以改善弯辊力控制系统的性能： 
动压反馈回路是弯辊力控制回路的内环，本质是弯辊力控制环内配置了“力速度”反馈，使得本液压力控制系统的阻尼比增加，而又不至于影响液压控制系统的快速性。
经过上述步骤，最终实现工作辊的弯辊和平衡。
本发明采用的工作辊弯辊和平衡液压控制系统，其结构如图1所示，主要由控制回路和4个弯辊液压缸、2个电液伺服阀、2个压力传感器、2个安全阀组成，其中：所述弯辊液压缸为第一弯辊液压缸1、第二弯辊液压缸2、第三弯辊液压缸3和第四弯辊液压缸4，它们的无杆腔一端并联后经由第一液压锁12与第一电液伺服阀11的工作油口A相连，它们的有杆腔一端并联后经由第二液压锁7与第二电液伺服阀8的工作油口B相连；在液压缸无杆腔一端与第一液压锁12之间配置第一安全阀14，在液压缸有杆腔一端与第二液压锁7之间配置第二安全阀6，以保护设备避免超压；在靠近液压缸无杆腔一端的油路上配置第一压力传感器15，在靠近液压缸有杆腔一端的油路上配置第二压力传感器5，测量液压缸两腔的压力以用于计算实际弯辊力和计算动压反馈值。
所述控制回路由弯辊力计算模块18、动压反馈模块17、控制器16、第一补偿值13、第二补偿值9和比例系数10组成，其中：第一压力传感器15和第二压力传感器5的测量值馈送至弯辊力计算模块18和动压反馈模块17；弯辊力计算模块18的输出与设定值比较后进入控制器16；控制器16的输出与动压反馈模块17的输出比较后叠加第一补偿值13作为第一电液伺服阀11的指令信号；控制器16的输出与动压反馈模块17的输出比较后乘以比例系数10并叠加第二补偿值9，作为第二电液伺服阀8的指令信号。控制器16为PI控制器。
所述弯辊力计算模块18为：设并联非对称液压缸的无杆腔总受力面积为A1，有杆腔总受力面积为A2，无杆腔的检测压力为P1，有杆腔的检测压力为P2，则弯辊力计算公式为P1×A1－P2×A2。
所述动压反馈模块17的传递函数为：（P1－P2×A2/ A1）×Kfp×Tp s/( Tp s＋1)，其中Tp为动压反馈时间常数，1/Tp近似取为液压固有频率的1/3，Kfp为动压反馈增益，s为拉普拉斯变换复变量。
所述控制器16采用PI控制器，该控制器为“比例+积分”调节器，适用于以弹性负载为主的弯辊力控制系统。
所述第一补偿值13用于补偿第一电液伺服阀11的零偏，以补充电液伺服阀的机械或电气调零。
所述第二补偿值9用于补偿第二电液伺服阀8的零偏，以补充电液伺服阀的机械或电气调零。
所述比例系数10为液压缸两腔受力面积之比n= A2/ A1。
所述第二液压锁7和第一液压锁12用于液压油路的启闭，均可以采用电磁液压锁，例如采用型号为ZS22101A的WANDFLUH电磁球阀。
本发明采用的工作辊弯辊和平衡液压控制系统，其工作过程如下：
参见图1，工作辊弯辊平衡用双伺服阀控制四个并联的非对称液压缸（第一弯辊液压缸1，第二弯辊液压缸2，第三弯辊液压缸3，第四弯辊液压4）来实现，其中第一电液伺服阀11的A工作油口接4个弯辊液压缸无杆腔的并联端，该伺服阀的B工作油口堵死；第二电液伺服阀8的B的工作油口接4个弯辊液压缸有杆腔的并联端，该伺服阀的A工作油口堵死。上述伺服阀堵上一个工作油口作三通阀用，当工作辊弯辊和平衡液压控制系统长时间运行造成伺服阀阀芯磨损严重而影响控制性能时，可互换两伺服阀以降低伺服阀维护费用。在两伺服阀与液压缸两腔之间各设置电磁液压锁用于液压油路的启闭。设置安全阀用于保护系统以免超压损坏设备和管路。设置压力传感器用于检测液压缸两腔的压力，以便计算弯辊力和动压反馈以构成闭环控制回路。
双阀联动对非对称液压缸进行力闭环控制来实现工作辊的正负弯辊和平衡。用动压反馈构成系统的内环，外环为使用PI控制器的弯辊力控制回路，第二电液伺服阀8的控制信号近似为第一电液伺服阀11的控制信号的n倍。第一补偿值13和第二补偿值9分别用于补偿两个电液伺服阀的零偏。当设定值为正时进行正弯控制，设定值为负时进行负弯控制，平衡控制应用正弯控制模式。引进动压反馈内环使得弯辊系统在正负弯切换过零点时和平衡控制到达换辊位时的冲击力尽量小。
使用同一控制器的双阀联动对非对称液压缸进行力闭环控制来实现工作辊的正负弯辊和平衡的控制策略，避免了正负弯辊切换时的繁琐控制调度，同时避免了传统伺服阀控制非对称液压缸时的超压和气蚀现象，进而拓宽了伺服阀控制非对称液压缸的弯辊能力；不仅简化了工作辊弯辊平衡液压控制系统的硬件配置，而且使得工作辊的正、负弯辊和平衡在控制实现上完全统一，控制方法易于实施且控制效果好；引入动压反馈更进一步提升了工作辊弯辊平衡液压控制系统的性能。
本发明未说明的部件均为现有技术。
应用实例：
在极薄板双机架平整机和罩退工程平整机组上，配置了本发明的工作辊弯辊平衡双阀联动液压闭环控制系统，伺服阀使用两台MOOG公司的D661-4652-G15，液压缸参数为Φ125/Φ70。在自动换辊时，工作辊平衡使用双阀联动正弯控制模式，正弯辊力设置为100KN，到达平衡换辊位时液压冲击力小于10KN；在平整机压下标定时采用工作辊双阀联动正弯控制模式，正弯力设置为100KN，控制精度优于2%；在正常轧制时，冷轧平整一般采用正弯控制模式，正弯力控制精度优于2%；正弯向负弯切换时，过零点时的冲击力小于10KN；负弯控制模式时，负弯力控制精度优于2%。本发明结合高性能的液压压下系统和稳定的张力控制系统，在极薄板双机架平整机和罩退工程平整机组上延伸率绝对精度优于0.05%且板形良好。

Claims (3)

1. 双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡方法，其特征是采用工作辊弯辊和平衡液压控制系统来实现工作辊的弯辊和平衡，该控制系统主要由控制回路和4个弯辊液压缸、2个电液伺服阀、2个压力传感器、2个安全阀组成； 
所述控制回路主要由弯辊力计算模块、动压反馈模块、控制器、比例系数和两个补偿值组成，其中：第一压力传感器和第二压力传感器的测量值馈送至弯辊力计算模块和动压反馈模块；弯辊力计算模块的输出与设定值比较后进入控制器；控制器的输出与动压反馈模块的输出比较后叠加第一补偿值作为第一电液伺服阀的指令信号；控制器的输出与动压反馈模块的输出比较后乘以比例系数并叠加第二补偿值，作为第二电液伺服阀的指令信号；
该双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡方法，其步骤包括：
（1）使用同一控制器进行双阀联动闭环控制以实现工作辊的正负弯和平衡：
第一电液伺服阀和第二电液伺服阀使用同一个控制器来实现工作辊的正弯辊、负弯辊和平衡，其本质是将两个三通伺服阀当作一个四通伺服阀来用，同时控制两个三通伺服阀的各一个控制腔； 
（2）工作辊平衡控制使用正弯模式的双阀联动：
工作辊平衡控制时采用正弯控制模式的方法，具体是：设定值为正，并设置正弯辊力极限阈值为工作辊辊重的1.5~3倍，使得正弯辊力足以支撑工作辊的重量而又不至于冲击力过大；
（3）双阀控制信号之比等于液压缸两腔面积之比： 
设所有弯辊液压缸的无杆腔总受力面积为A1，有杆腔总受力面积为A2；在不计及第一补偿值和第二补偿值时，第二电液伺服阀与第一电液伺服阀两者的指令信号之比为比例系数，其比例值n= A2/A1；
（4）设置动压反馈内环以改善弯辊力控制系统的性能：
动压反馈回路是弯辊力控制回路的内环，本质是弯辊力控制环内配置了“力速度”反馈，使得工作辊弯辊和平衡液压力控制系统的阻尼比增加，而又不至于影响该液压控制系统的快速性；
经过上述步骤，最终利用双阀联动闭环控制实现工作辊的弯辊和平衡。
2. 根据权利要求1所述的弯辊和平衡方法，其特征是所述控制器为PI控制器。
3. 权利要求1至权利要求2中任一权利要求所述弯辊和平衡方法的用途，其特征是该方法在实现板带轧机或平整机的工作辊的弯辊和平衡中的应用。
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