CN103447308A - 一种轧机半实物仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧机半实物仿真系统及仿真方法，在仿真计算机内建立了轧机数学模型，科研人员可以在操作台对半实物仿真实验台进行操作，仿真计算机可以通过以太网接收轧机数据，并接收外部控制信号。仿真计算机将输入的信息经过多个数学模型运算后输出仿真结果，在总控计算机上进行监控及记录，轧机厚度控制系统需要的仿真数据由现场信号模拟系统以真实的信号输出，AGC控制系统接收现场信号模拟系统发出的信号并处理，并向仿真计算机发出控制信号，这样构成闭环控制回路，用于轧机AGC控制系统的研发和轧机液压系统的研究。

Description

一种轧机半实物仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明属于系统仿真技术领域，具体涉及一种轧机半实物仿真系统，本发明还涉及采用上述系统进行仿真的方法。

背景技术

由于国际经济金融危机和中国国内制造业的产业升级转型，冷轧薄板的需求量大幅紧缩。而且近几年国内多个企业的冷轧机开始投产，导致国内薄板产品的质量和价格的竞争激烈，对此用户对轧机的性能、生产效率和产品质量提出了更高的要求。仿真技术是科学研究和产品研发的重要手段，而对于轧机AGC控制系统的仿真和轧机液压系统的仿真目前完全在计算机上实现，大多数用Matlab等仿真软件建立系统的模型并进行仿真，此类的仿真并没有引入真实的AGC控制器，而是在仿真回路里加入了数字控制器，对现场的信号也没有进行模拟。

为保证现场生产的产品质量和避免生产事故的发生，研发人员不能直接把未曾试验过的算法加入到控制器中，而AGC控制系统在轧制设备上进行现场试验的成本大、研发周期长、易造成设备及生产事故的特点，这给AGC系统的研发带来了巨大的阻碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种轧机半实物仿真系统，解决了真实的AGC控制系统不能接入仿真系统的问题，可以用于AGC控制系统的研究和离线调试。

本发明的另一目的是提供一种轧机半实物仿真方法。

本发明所采用的技术方案是，一种轧机半实物仿真系统，包括通过以太网连接的总控计算机、轧机主操台、AGC控制系统、现场信号模拟系统及仿真计算机，现场信号模拟系统包括若干种信号发生器：±10V发生器、CAN总线信号发生器、SSI接口发生器、脉冲信号发生器、4-20mA信号发生器及±10mA信号发生器。

本发明所采用的另一技术方案是，一种轧机半实物仿真方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：首先在仿真计算机上输入轧机系统参数和传动系统参数，根据输入的参数建立轧机系统模型；

步骤2：对现场信号模拟系统进行配置，首先依次读取每个信号发生器的设定参数，然后对每个信号发生器参数进行配置，对于±10V发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、线性变换比例系数、线性变换偏移量；对SSI接口发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、数据长度、数据格式；对CAN总线信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、报文ID、报文速率；对脉冲信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、码盘分辨率、测速辊直径；对于4-20mA信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、线性变换比例系数、线性变换偏移量；

步骤3：AGC控制系统控制现场信号模拟系统及仿真计算机进行仿真，仿真计算机根据步骤1得到的模型计算仿真厚度值，通过改变AGC控制系统参数，使得仿真厚度值与设定厚度的误差最小，从而得到AGC控制系统的最佳工作参数。

本发明的特点还在于，

其中的步骤1根据输入的参数建立轧机系统模型，具体按照以下步骤实施：

1）建立闭辊缝状态液压系统模型：

a.电液伺服阀力矩马达表示方程：

${\mathrm{\τ}}_v\frac{d{x}_v}{\mathrm{dt}}=-x_v+K_{v}i,$

式中：τ_v—伺服阀时间常数，单位s；

      K_v—伺服阀电流增益，单位m/mA；

      i—伺服阀工作电流，单位mA；

      x_v—伺服阀阀芯位移，单位m；

b.伺服阀的流量方程：

$Q_1=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}(P_s-P_b-P_1)C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_s-P_b-P_1|}& x_v\&GreaterEqual;0\\ C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}(P_1+P_b)}& x_v<0\end{array}\right.,$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_s—系统油源压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      C_d—常数；

      ω—伺服阀窗口面积梯度，单位m；

      x_v—伺服阀阀芯位移，单位m；

      ρ—液体密度，单位kg/m³；

c.主油缸的流量方程：

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}},$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

      β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

d.闭辊缝时主油缸负载力平衡方程：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-K_s{x}_p-F_0-F,$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      F—主油缸负载力，单位N；

2）建立开辊缝状态液压系统模型：

开辊缝状态的电液伺服阀力矩马达表示方程、伺服阀的流量方程和液压油缸的流量方程与闭辊缝时的相同，只是主油缸负载力平衡方程不同，开辊缝状态液压缸负载力平衡方程为：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0;$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

3）建立卸荷状态液压系统模型：

a.伺服阀和卸荷阀流量方程：

$Q_1=-(w_u\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|}+C_d\mathrm{\&omega;}{x}_m\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|}),$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      w_u—卸荷阀流量系数，单位m；

      x_m—伺服阀阀芯最大位移，单位m；

b.卸荷状态液压缸流量方程：

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}},$

式中：

      Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

      β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

c.卸荷状态液压缸负载力平衡方程：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0;$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

4）建立轧制力模型：

平均单位压力公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=K\left(\frac{e^x-1}{x}\right),$

其中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$

x的求解公式为：

x²=(e^x-1)y+z²，

式中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}},$ $y=2c\frac{\mathrm{\&mu;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}(K-\stackrel{\&OverBar;}{q}),$ $z=\frac{\mathrm{\&mu;l}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$

      μ—摩擦系数；

      —板材厚度平均值；

      K—平面变形抗力；

      —平均张力；

      l′—轧辊弹性变形后的变形区长度；

      l—轧辊弹性变形前的变形区长度；

求出x及平均单位压力，然后再乘以接触面积得到总的轧制压力；

5）建立厚度模型：

出口厚度为：

$h=S_0+\frac{P}{K_s}=S_m+S_n+\frac{P-P_0}{K_s},$

式中：

h—轧件出口厚度，单位m；

S₀—空载辊缝值，单位m；

S_m—位移传感器测量的辊缝值，单位m；

S_n—压靠力作用下辊缝变化量；

P—轧制压力，单位KN；

K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

P₀—轧机预压靠压力，单位KN。

本发明的有益效果是：

（1）节约了AGC控制系统的试验成本；

（2）缩短了AGC控制系统的研发周期；

（3）科研人员可以在实验室对AGC控制系统进行离线调试；

（4）根据现场记录的数据可以对现场的故障状态进行复现，极大地方便了现场故障分析。

附图说明

图1是本发明轧机半实物仿真系统的结构示意图。

图中，1.总控计算机，2.轧机主操台，3.AGC控制系统，4.现场信号模拟系统，5.仿真计算机。

具体实施方式

本发明轧机半实物仿真系统的结构，如图1所示，包括通过以太网连接的总控计算机1、轧机主操台2、AGC控制系统3、现场信号模拟系统4及仿真计算机5。

仿真计算机5安装有模拟量采集卡和以太网板卡。仿真计算机5内建立了轧机液压系统模型、轧制力模型、厚度计算模型，并可以对弯辊力、速度和张力的调节动态过程进行模拟。现场信号模拟系统4由若干种信号发生器共40块信号发生器、两个千兆以太网交换机和24V电源构成，若干种信号类型发生器是：±10V发生器（用于模拟测厚仪的信号等）、CAN总线信号发生器（用于模拟CAN接口的位移传感器）、SSI接口发生器（用于模拟SSI接口的位移传感器）、脉冲信号发生器（用于模拟编码器信号或者激光测速仪信号）、4-20mA信号发生器（由于模拟电压式位移传感器和张力计等）、±10mA信号发生器（用于模拟电流输出的传感器）。每个信号发生器都有一个以太网接口，并且分配独立的IP地址。AGC控制系统3由控制计算机及接口、管理计算机、操作计算机构成。轧机主操台2由操作面板和PLC组成，操作计算机被安装在轧机主操台2上，操作面板上设置了用于操作轧机的按钮、开关和用于显示轧机工作状态的指示灯。科研人员在轧机主操台2控制辊缝、速度、弯辊力和张力等，可以实现与现场情况一致的轧机仿真操作。总控计算机1通过以太网与整个系统相连接，装有监控和管理整个系统的软件。

使用时，开启各个系统及软件，根据需要模拟的轧机对各项参数进行设定。操作者可以在轧机主操台进行模拟轧制，并可以随时停止模拟轧制，对各个系统的参数和算法进行修改。也可以根据现场记录的数据对现场轧制过程进行复现，对AGC控制系统进行研究。

本发明轧机半实物仿真方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：首先在仿真计算机5上输入轧机系统的参数和传动系统参数，根据输入的参数建立轧机系统模型。

轧机AGC系统有三种工作状态：闭辊缝状态，开辊缝状态和卸荷状态。根据轧机的不同工作状态的运动机理，分别建立三种状态下的油缸运动模型。根据斯通公式建立轧制力模型，根据轧机弹跳方程建立厚度模型。

①闭辊缝状态液压系统模型，轧机在预压靠、温辊和轧制过程时上支撑辊、上中间辊、上工作辊、下工作辊、下中间辊和下支撑辊相互接触并有力的相互作用。牌坊顶部由于与上支撑辊接触而承受大部分的轧制力，此时牌坊产生纵向的弹性形变。

a.电液伺服阀力矩马达表示方程

${\mathrm{\&tau;}}_v\frac{d{x}_v}{\mathrm{dt}}=-x_v+K_{v}i---\left(1\right)$

式中：τ_v—伺服阀时间常数（s）；

K_v—伺服阀电流增益（m/mA）；

i—伺服阀工作电流（mA）；

x_v—伺服阀阀芯位移（m）。

b.伺服阀的流量方程

伺服阀是液压伺服系统的执行机构，具有控制精度高、响应速度快的特点，但伺服阀的流量具有高度的非线性。其流量方程：

$Q_1=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}(P_s-P_b-P_1)C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_s-P_b-P_1|}& x_v\&GreaterEqual;0\\ C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}(P_1+P_b)}& x_v<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_s—系统油源压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      C_d—常数；

      ω—伺服阀窗口面积梯度，单位m；

      x_v—伺服阀阀芯位移，单位m；

      ρ—液体密度，单位kg/m³；

c.主油缸的流量方程

在主油缸位置闭环控制中，主油缸是液压系统中的被控对象，其流量方程为：

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

      β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

d.闭辊缝时主油缸负载力平衡方程

主油缸负载力平衡方程为：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-K_s{x}_p-F_0-F---\left(4\right)$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      F—主油缸负载力，单位N；

②开辊缝状态液压系统模型

轧机在穿带时需要切换至开辊缝状态。上下工作辊分离，下工作辊、下中间辊和下支撑辊随主油缸向下运动，这个过程受到辊系与牌坊之间的摩擦力影响，不受到牌坊弹性形变的影响。

开辊缝与闭辊缝的电液伺服阀力矩马达表示方程、伺服阀的流量方程和液压油缸的流量方程相同，只是主油缸负载力平衡方程不同。

开辊缝时液压缸负载力平衡方程为：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0---\left(5\right)$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

③卸荷状态液压系统模型

卸荷状态时卸荷阀打开，伺服阀负开口到最大，系统背压切换到大背压。主油缸内通过卸荷阀和伺服阀向外排油。由于卸荷过程时间较长且不需要闭环控制，所以伺服阀和卸荷阀阀芯动作瞬间的过程可以忽略，总流量为卸荷阀打开后流量与伺服阀负开口最大时的流量的总和。根据轧机卸荷的过程得到公式：

a.伺服阀和卸荷阀流量方程

$Q_1=-(w_u\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|}+C_d\mathrm{\&omega;}{x}_m\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|})---\left(6\right)$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      w_u—卸荷阀流量系数，单位m；

      x_m—伺服阀阀芯最大位移，单位m；

b.卸荷状态液压缸流量方程

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

式中：

      Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

       A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

     β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

c.卸荷状态液压缸负载力平衡方程

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0---\left(8\right)$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

④轧制力模型

轧制力是轧机生产过程中的重要参数。本发明选用斯通公式作为轧制力的计算模型。

斯通在研究冷轧薄板轧制压力时，认为轧制压力的大小主要决定于被轧金属的物理性质，冷轧硬化程度，摩擦系数，轧辊的弹性压变，和前张力、后张力的大小，并在其假设条件下得出平均单位压力公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=K\left(\frac{e^x-1}{x}\right)---\left(9\right)$

其中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}.$

根据上式可知求出x值可得到平均轧制压力再乘以接触面积即为总的轧制压力。而x的求解公式为：

x²=(e^x-1)y+z²    （10）

式中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}},$ $y=2c\frac{\mathrm{\&mu;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}(K-\stackrel{\&OverBar;}{q}),$ $z=\frac{\mathrm{\&mu;l}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$

      μ—摩擦系数；

      

—板材厚度平均值；

      K—平面变形抗力；

      

—平均张力；

      l′—轧辊弹性变形后的变形区长度；

      l—轧辊弹性变形前的变形区长度。

根据式（10）的已知条件可求出x的解，再根据式（9）求出平均单位压力，然后再乘以接触面积就得到总的轧制压力。

⑤厚度模型

由于轧制过程弹跳现象的存在，使得板带材的轧出厚度h等于轧辊的理论空载辊缝S₀加轧机的弹跳值。在实际生产的过程中，采用预压靠的方法确定轧机辊缝的零点，安装在主油缸内部的位移传感器测量的辊缝为以预压靠之后的辊缝，所以空载辊缝为预压靠产生的辊缝变化量加上当前测量的辊缝值。轧机在预压靠的过程中，当轧制力小于一个临界压力P_L时，辊缝与轧制力呈非线性关系。当轧制力大于临界压力P_L时辊缝与轧制力呈线性关系。由此可以得到出口厚度为：

$h=S_0+\frac{P}{K_s}=S_m+S_n+\frac{P-P_0}{K_s}---\left(11\right)$

式中：

h—轧件出口厚度（m）；

S₀—空载辊缝值（m）；

S_m—位移传感器测量的辊缝值（m）；

S_n—压靠力作用下辊缝变化量；

P—轧制压力（KN）；

K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

P₀—轧机预压靠压力（KN）。

⑥弯辊力、速度和张力的调节动态过程进行模拟

a.把弯辊力调节过程作为一阶惯性环节进行模拟：

${\mathrm{\&tau;}}_b\frac{d{F}_b}{\mathrm{dt}}=-F_b+F_s---\left(12\right)$

式中：τ_b—弯辊力调节时间常数（s）；

      F_b—弯辊力实际值（KN）；

      F_s—弯辊力设定值（KN）。

b.把主机速度调节过程作为一阶惯性环节进行模拟：

${\mathrm{\&tau;}}_m\frac{d{V}_m}{\mathrm{dt}}=-V_m+V_s---\left(13\right)$

式中：τ_m—主机速度调节时间常数（s）；

      V_m—主机速度实际值（m/min）；

      V_s—主机速度设定值（KN）。

c.通过主机速度和前滑值可以计算出轧机出口的厚度值：

V_E=K_FV_m    （14）

式中：V_E—轧机出口速度（m/min）；

      K_F—前滑系数（KN）；

d.根据进入轧机的带材体积和轧制出的带材体积守恒可根据入口厚度、出口厚度和出口速度可以计算出入口速度：

$V_I=\frac{h}{H}{V}_E---\left(15\right)$

式中：V_I—轧机入口速度（m/min）；

      H—轧件入口厚度（m）；

e.把张力调节过程作为一阶惯性环节进行模拟：

${\mathrm{\&tau;}}_T\frac{d{T}_r}{\mathrm{dt}}=-T_r+T_s---\left(16\right)$

式中：τ_T—张力调节时间常数（s）；

      T_P—张力实际值（KN）；

      T_s—张力设定值（KN）。

步骤2：对现场信号模拟系统4进行配置，首先依次读取每个信号发生器的设定参数，然后对每个信号发生器参数进行配置，对于模拟量输出信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、线性变换比例系数、线性变换偏移量。对SSI信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、数据长度、数据格式。对CAN信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、报文ID、报文速率。对脉冲发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、码盘分辨率、测速辊直径。各个参数具体含义如下：

IP地址：每个信号发生器在整个以太网局域网中唯一的IP地址；

数据地址：定义该信号发生器需要转换成信号的数据在仿真数据包中地址；

数据类型：定义该信号发生器需要转换成信号的数据的数据类型；

线性变换比例系数：模拟量信号发生器对接收到的数据进行线性变换的比例系数k（注：线性变换为y=kx+b）；

线性变换偏移量：模拟量信号发生器对接收到的数据进行线性变换的偏移量b（注：线性变换为y=kx+b）；

数据长度：SSI接口通讯的数据长度；

数据格式：SSI接口通讯的数据格式：二进制或格雷码；

报文ID：CAN总线通讯的报文ID；

报文速率：CAN总线通讯的报文速率；

码盘分辨率：所模拟的码盘的分辨率，即旋转每圈发出的脉冲数；

测速辊直径：所模拟的码盘所安装在的测速辊的直径。

注：模拟信号发生器用来计算模拟量输出模块线性变换的比例系数和增量线性变换计算公式为：y=kx+b，其中y为传感器仿真模块数模转换的数字量，数值范围是0-4095。x为传感器发生器需要转换的数值，b为有符号整型变量。假设x的最大值是Max，最小值是Min，可计算出：

$k=\frac{4095}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}---\left(17\right)$

$b=\frac{4095\&times;\mathrm{Min}}{\mathrm{Min}-\mathrm{Max}}---\left(18\right)$

脉冲发生器可以通过测速辊直径、码盘分辨率和接收到的数据（既速度）计算出编码器输出的脉冲频率：

$f=\frac{1000\mathrm{VE}}{60\mathrm{D\&pi;}}---\left(19\right)$

f—频率，单位HZ；

V—速度，单位m/min；

E—码盘分辨率；

D—测速辊直径，单位mm；

π—圆周率。

步骤3：AGC控制系统3控制现场信号模拟系统4及仿真计算机5进行仿真，仿真计算机5根据步骤1得到的模型计算仿真厚度值，通过改变AGC控制系统3参数，使得仿真厚度值与设定厚度的误差最小，从而确定最佳AGC控制系统3的工作参数。

模拟轧制状态：

模式1：模拟轧制时使用现场记录的张力值和速度值作为系统的反馈值。

总控计算机1读取现场记录数据的文件（每100ms一次的历史数据，包括带材宽度、入口厚度设定值、出口厚度设定值、入口厚度误差、出口厚度误差、弯辊力、入口张力、出口张力、入口速度、主机速度和出口速度等），通过以太网发送给仿真计算机5，AGC控制系统3接收到入口厚度设定值和出口厚度设定值。仿真计算机5把入口厚度误差、弯辊力、入口张力、出口张力、入口速度、主机速度、出口速度发送给现场信号模拟系统4，同时将仿真出来的传动侧辊缝值、操作侧辊缝值、传动侧压力、操作侧压力和仿真的出口厚度误差（既仿真出口厚度与出口厚度设定值的差值）发送给现场信号模拟系统4，现场信号模拟系统4把这些数据转换成与现场传感器一致的信号传递给AGC控制系统3，AGC控制系统3根据这些信号和科研人员在轧机主操台2对辊缝的调整量改变设定辊缝值，并向仿真计算机5发送两路±10V的独立电压信号调整传动侧辊缝和操作侧辊缝。仿真计算机5接收到控制信号后，根据式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、计算出当前的传动侧辊缝值、操作侧辊缝值。传动侧辊缝值和操作侧辊缝值的平均值作为辊缝值，由带材宽度、辊缝值和入口厚度等参数经式（9）、式（10）计算得到当前轧制力。根据当前轧制力和辊缝值等参数经式（11）计算得到仿真出口厚度，仿真出口厚度减出口厚度设定值得到仿真出口厚度误差。仿真计算机5将这些仿真数据发送给现场信号模拟系统4，现场信号模拟系统4把这些仿真数据转换成与现场传感器一致的信号传递给AGC控制系统3。

模式2：模拟轧制时使用仿真的张力值和速度值作为系统的反馈值。

与模式1不同的是弯辊力、入口张力、出口张力、入口速度、主机速度和出口速度是在轧机主操台2上进行设定和调节，仿真计算机5经式（12）、式（13）、式（14）、式（15）、式（17）进行计算，得到弯辊力、入口张力、出口张力、入口速度、主机速度和出口速度的仿真数据，仿真计算机5将这些仿真数据发送给现场信号模拟系统4，现场信号模拟系统4把这些仿真数据转换成与现场传感器一致的信号传递给AGC控制系统3。

通过模式1或模式2输出的出口厚度误差，可以与现场记录的出口厚度误差对比，调整AGC控制系统3的监控系数、预控系数、流量系数、加速补偿系数、减速补偿系数。通过调整调整AGC控制系统3的这些参数，以减小仿真出来的出口厚度误差，这样达到了优化AGC控制系统3控制参数的目的。

模拟非轧制状态：

在非轧制状态时轧机工作在开辊缝或者卸荷状态，当科研人员在轧机主操台2下达开辊缝命令，AGC控制系统3将从当前辊缝按一定的速率调整辊缝值至20000，在此过程中向仿真计算机5发送两路±10V的独立的电压信号调整传动侧辊缝和操作侧辊缝。仿真计算机5接收到控制信号并经式（1）、式（2）、式（3）、式（5）计算出传动侧辊缝值、操作侧辊缝值，将仿真出的数据发送给现场信号模拟系统4。现场信号模拟系统4把这些仿真数据转换成与现场传感器一致的信号传递给AGC控制系统3。当科研人员在轧机主操台2下达卸荷命令，AGC控制系统3向仿真计算机5发出-10V的控制信号，仿真计算机5通过式（6）、式（7）、式（8）计算出当前的传动侧辊缝和操作侧辊缝，将仿真出的数据发送给现场信号模拟系统4。现场信号模拟系统4把这些仿真数据转换成与现场传感器一致的信号传递给AGC控制系统3。

实施例

对于优化某一现场的AGC控制系统步骤如下：

①轧机对各项参数进行设定，如主油缸内径为500mm，油源压强2.1×10⁷Pa，牌坊刚性为3.2×10⁹N/m，前滑系数0.01，伺服阀时间常数为0.005s等。

②对现场信号模拟系统的各个模块进行配置，如为模拟入口厚度误差信号的±10V发生器配置参数：IP为：8.8.8.100，数据地址：8，数据类型：整型。测量范围是-100至+100，则根据式（17）、式（18）得出线性变换比例系数k=20.475，线性变换偏移量b=2047.5。对SSI信号发生器配置参数：IP为：8.8.8.110，数据地址为0，数据类型为长整型，数据长度为25位，数据格式为格雷码。

③AGC控制系统参数：监控系数、预控系数、流量系数、加速补偿系数、减速补偿系数与现场设备内的设定值一致，监控系数为100，预控系数为100，流量系数为20，加速补偿系数为100，减速补偿系数为100。

④用现场记录的历史数据作为轧机半实物仿真平台的输入，对现场记录的历史数据进行模拟轧制，仿真出使用当前AGC控制系统参数下的出口厚度，此时仿真出的结果与现场结果相差不大。

本发明可以对现场的历史数据进行仿真轧制，也可以对现场的轧制过程进行复现，根据轧制的效果对AGC控制系统进行改进。经试验，轧机半实物仿真平台对轧制过程的仿真效果较好，基本可以反映现场真实的轧制情况。该发明可以在实验室内对现场的轧机进行仿真，并可以根据仿真效果优化AGC控制系统，由于本实验平台采用AGC控制系统是与工业现场相同的控制柜，比纯软件仿真更加接近工业现场的真实情况。经试验得到的控制器参数或者经实验平台验证的算法可以直接运用到现场的设备中。而且具有试验成本低、操作方便、试验过程安全等特点。

Claims (4)

1.一种轧机半实物仿真系统，其特征在于，包括通过以太网连接的总控计算机（1）、轧机主操台（2）、AGC控制系统（3）、现场信号模拟系统（4）及仿真计算机（5）。

2.根据权利要求1所述的轧机半实物仿真系统，其特征在于，所述的现场信号模拟系统（4）包括以下信号发生器：±10V发生器、CAN总线信号发生器、SSI接口发生器、脉冲信号发生器、4-20mA信号发生器及±10mA信号发生器。

3.一种轧机半实物仿真方法，采用轧机半实物仿真系统，其结构为：包括通过以太网连接的总控计算机（1）、轧机主操台（2）、AGC控制系统（3）、现场信号模拟系统（4）及仿真计算机（5），所述的现场信号模拟系统（4）包括以下信号发生器：±10V发生器、CAN总线信号发生器、SSI接口发生器、脉冲信号发生器、4-20mA信号发生器及±10mA信号发生器；具体按照以下步骤实施：

步骤1：首先在仿真计算机（5）上输入轧机系统参数和传动系统参数，根据输入的参数建立轧机系统模型；

步骤2：对现场信号模拟系统（4）进行配置，首先依次读取每个信号发生器的设定参数，然后对每个信号发生器参数进行配置，对±10V发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、线性变换比例系数、线性变换偏移量；对SSI接口发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、数据长度、数据格式；对CAN总线信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、报文ID、报文速率；对脉冲信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、码盘分辨率、测速辊直径；对4-20mA信号发生器配置参数IP地址、数据地址、数据类型、线性变换比例系数、线性变换偏移量；

步骤3：AGC控制系统（3）控制现场信号模拟系统（4）及仿真计算机（5）进行仿真，仿真计算机（5）根据步骤1得到的模型计算仿真厚度值，通过改变AGC控制系统（3）参数，使得仿真厚度值与设定厚度的误差最小，从而得到AGC控制系统（3）的最佳工作参数。

4.根据权利要求3所述的轧机半实物仿真方法，其特征在于，所述的步骤1根据输入的参数建立轧机系统模型，具体按照以下步骤实施：

1）建立闭辊缝状态液压系统模型：

a.电液伺服阀力矩马达表示方程：

${\mathrm{\&tau;}}_v\frac{d{x}_v}{\mathrm{dt}}=-x_v+K_{v}i,$

式中：τ_v—伺服阀时间常数，单位s；

      K_v—伺服阀电流增益，单位m/mA；

      i—伺服阀工作电流，单位mA；

      x_v—伺服阀阀芯位移，单位m；

b.伺服阀的流量方程：

$Q_1=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}(P_s-P_b-P_1)C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_s-P_b-P_1|}& x_v\&GreaterEqual;0\\ C_d\mathrm{\&omega;}{x}_v\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}(P_1+P_b)}& x_v<0\end{array}\right.,$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_s—系统油源压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      C_d—常数；

      ω—伺服阀窗口面积梯度，单位m；

      x_v—伺服阀阀芯位移，单位m；

      ρ—液体密度，单位kg/m³；

c.主油缸的流量方程：

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}},$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

      β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

d.闭辊缝时主油缸负载力平衡方程：

主油缸负载力平衡方程为：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-K_s{x}_p-F_0-F,$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      F—主油缸负载力，单位N；

2）建立开辊缝状态液压系统模型：

开辊缝时液压缸负载力平衡方程为：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0;$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

3）建立卸荷状态液压系统模型：

a.伺服阀和卸荷阀流量方程：

$Q_1=-(w_u\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|}+C_d\mathrm{\&omega;}{x}_m\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&rho;}}|P_b+P_1|}),$

式中：Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      w_u—卸荷阀流量系数，单位m；

      x_m—伺服阀阀芯最大位移，单位m；

b.卸荷状态液压缸流量方程：

$Q_1=A_1\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}+(C_{\mathrm{ip}}+C_{\mathrm{ep}})(P_1-P_b)+\frac{V_1}{{\mathrm{\&beta;}}_e}\frac{d{P}_1}{\mathrm{dt}},$

式中：

      Q₁—油缸无杆腔流量，单位m³/s；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      C_ip—油缸的内泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      C_ep—油缸的外泄漏系数，单位(m³/s)/Pa；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      P_b—背压折算至无杆腔的等效压力，单位Pa；

      V₁=A₁(x_L+x_p)，x_L—油缸活塞行程；

      β_e—油液的弹性模量，单位Pa；

c.卸荷状态液压缸负载力平衡方程：

$m\frac{d^2{x}_p}{d{t}^2}=P_1{A}_1-B_p\frac{d{x}_p}{\mathrm{dt}}-F_0;$

式中：m—轧机运动部分的等效质量，单位kg；

      x_p—油缸活塞位移变化量，单位m；

      P₁—油缸无杆腔压力，单位Pa；

      A₁—主油缸无杆腔的有效面积，单位m²；

      B_p—活塞及负载等运动部件的粘性阻尼系数，单位N·s/m；

      F₀—油缸初始负载力，单位N；

4）建立轧制力模型：

平均单位压力公式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{P}=K\left(\frac{e^x-1}{x}\right),$

其中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$

x的求解公式为：

x²=(e^x-1)y+z²，

式中： $x=\frac{\mathrm{\&mu;}{l}^{\&prime;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$ $y=2c\frac{\mathrm{\&mu;}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}}(K-\stackrel{\&OverBar;}{q}),$ $z=\frac{\mathrm{\&mu;l}}{\stackrel{\&OverBar;}{h}};$

      μ—摩擦系数；

      

—板材厚度平均值；

      K—平面变形抗力；

      

—平均张力；

      l′—轧辊弹性变形后的变形区长度；

      l—轧辊弹性变形前的变形区长度；

求出x及平均单位压力，然后再乘以接触面积得到总的轧制压力；

5）建立厚度模型：

出口厚度为：

$h=S_0+\frac{P}{K_s}=S_m+S_n+\frac{P-P_0}{K_s},$

式中：

h—轧件出口厚度，单位m；

S₀—空载辊缝值，单位m；

S_m—位移传感器测量的辊缝值，单位m；

S_n—压靠力作用下辊缝变化量；

P—轧制压力，单位KN；

K_s—轧机的等效负载刚度，单位N/m；

P₀—轧机预压靠压力，单位KN。