CN104722587B - 一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统及方法，属于冷轧张力控制技术领域。本发明包括左张力液压缸、右张力液压缸、液压泵、恒背压控制单元、左张力控制单元及右张力控制单元，本发明与现有技术相比，在液压张力控制系统中，可以使出口侧和入口侧的比例溢流阀的溢流量都大幅减小，使张力控制精度随之得到很大改善；在比例溢流阀工作时，可以有效避开非线性区及死区，有利于发挥比例溢流阀的性能，并提高张力控制精度；本发明的液压张力控制系统无需对前滑率及后滑率进行预测，而是通过对伺服阀的控制量进行预设定，并结合比例溢流阀的压力控制实现高精度张力控制，最终增强张力控制系统的鲁棒性。

Description

一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统及方法

技术领域

本发明属于冷轧张力控制技术领域，特别是涉及一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统及方法。

背景技术

直拉式冷轧实验机作为冷轧工艺及轧件产品研究开发的关键实验设备，通过冷轧实验机左、右两侧的张力液压缸对轧件施加张紧力，并进行恒张力轧制。

但是，想要实现恒张力轧制并非易事，首先必须保证张力控制的精度，而影响张力控制精度的因素又有许多，包括轧制过程中控制对象的时变性、非线性以及左、右张力间的强耦合作用，想要实现高精度的张力控制将变的非常困难。

为了满足恒张力轧制，并实现高精度张力控制，本领域的技术人员公开了一种“实现带钢轧制恒张力控制的比例控制液压系统”的发明专利，专利申请号为200710010015.6，且在该专利中公开了一种用比例溢流阀实现带钢轧制恒张力控制的方法，通过该方法在低轧制速度及大张力条件下，能够具有良好的稳态控制精度及较高的动态响应速度。但是，在实际应用过程中，当轧制速度较高且张力较小时，左、右张力控制的效果就不太理想，受到比例溢流阀流量压力特性、非线性区及死区特性的影响，随着轧制速度的升高，比例溢流阀的溢流量会增加很多，导致比例溢流阀的调节难度加大，从而造成张力波动；当张力较小时，比例溢流阀的输入信号较小，而输入信号往往处于比例溢流阀的非线性区甚至死区，从而影响张力控制精度。

本领域的技术人员还公开了一种“基于速度前馈的直拉式冷轧张力控制方法”的发明专利，专利申请号为201210048625.6，且在该专利中公开了一种速度前馈结合张力反馈PID控制策略，该控制策略的目的是实现张力液压缸与轧制速度的精确匹配，但是，这种精确匹配是有前提条件的，即轧件在轧机出、入口的线速度被精确预测，而影响预测精度的主要因素包括前滑率及后滑率。在冷轧过程中，影响前滑率及后滑率的因素有很多，包括压下率、轧件厚度、摩擦系数、轧辊直径及张力因素等，对于不同材料、不同轧制工艺也会影响前滑率及后滑率，进而使前滑率及后滑率的高精度预测变得非常困难。虽然在轧制过程中，前滑率及后滑率能够通过左、右张力液压缸的实际运动速度及轧机的实际转速进行计算修正，但在轧制过程的起车瞬间，计算尚未开始，需要给前滑率及后滑率设定一个初始预测值，而该初始预测值具有不确定性，这极大影响了起车阶段的张力控制精度。

可以看出，现有技术的鲁棒性不强，这直接影响到了张力控制的精度，因此，亟需一种能够有效增强张力控制系统鲁棒性的方法，以提高张力控制精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统及方法，能够有效增强张力控制系统的鲁棒性，从而提高张力控制精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，包括左张力液压缸、右张力液压缸、液压泵、恒背压控制单元、左张力控制单元及右张力控制单元；

所述恒背压控制单元的进油口与液压泵的出油口相连通，恒背压控制单元的回油口与液压泵的供油油箱相连通；在所述恒背压控制单元内还设置有第一压力测量口和第二压力测量口，在第一压力测量口连接有第一压力表，在第二压力测量口连接有第二压力表；所述恒背压控制单元的出油口与左张力控制单元的背压进油口及右张力控制单元的背压进油口相连通；

所述左张力控制单元的高压进油口与高压油输入口相连通，左张力控制单元的回油口与高压油供油油箱相连通；在所述左张力控制单元内还设置有第一背压测量口、第一工作油口、第二工作油口及第一有杆腔压力测量口，在第一背压测量口连接有第一油压传感器，第一工作油口与左张力液压缸的无杆腔相连通，第二工作油口与左张力液压缸的有杆腔相连通，在第一有杆腔压力测量口连接有第二油压传感器；

所述右张力控制单元的高压进油口与高压油输入口相连通，右张力控制单元的回油口与高压油供油油箱相连通；在所述右张力控制单元内还设置有第二背压测量口、第三工作油口、第四工作油口及第二有杆腔压力测量口，在第二背压测量口连接有第四油压传感器，第三工作油口与右张力液压缸的有杆腔相连通，第四工作油口与右张力液压缸的无杆腔相连通，在第二有杆腔压力测量口连接有第三油压传感器。

所述恒背压控制单元包括第一单向阀、第一溢流阀及第二溢流阀，所述恒背压控制单元的进油口与第一单向阀入口、第一溢流阀入口及恒背压控制单元的第二压力测量口相连通，第一单向阀出口与第二溢流阀入口、恒背压控制单元的出油口及第一压力测量口相连通，第一溢流阀出口与第二溢流阀出口及恒背压控制单元的回油口相连通。

所述左张力控制单元包括第一过滤器、第二单向阀、第三单向阀、第一蓄能器、第一伺服阀及第一比例溢流阀，所述左张力控制单元的背压进油口与第一背压测量口及第一工作油口相连通，左张力控制单元的高压进油口与第一过滤器入口相连通，第一过滤器出口与第二单向阀入口相连通，第二单向阀出口与第一伺服阀的压力油口及第一蓄能器相连通；所述第一伺服阀的工作油口与第一比例溢流阀入口、左张力控制单元的第二工作油口及第一有杆腔压力测量口相连通，第一比例溢流阀出口与第一伺服阀的回油口及第三单向阀入口相连通，第三单向阀出口与左张力控制单元的回油口相连通。

所述右张力控制单元包括第二过滤器、第四单向阀、第五单向阀、第二蓄能器、第二伺服阀及第二比例溢流阀，所述右张力控制单元的背压进油口与第四工作油口及第二背压测量口相连通，右张力控制单元的高压进油口与第二过滤器入口相连通，第二过滤器出口与第五单向阀入口相连通，第五单向阀出口与第二伺服阀的压力油口及第二蓄能器相连通；所述第二伺服阀的工作油口与第二比例溢流阀入口、右张力控制单元的第二有杆腔压力测量口及第三工作油口相连通，第二比例溢流阀出口与第二伺服阀的回油口及第四单向阀入口相连通，第四单向阀出口与右张力控制单元的回油口相连通。

采用所述的直拉式冷轧实验机液压张力控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：启动液压泵，同时高压油输入口接通高压油；

步骤二：在液压系统首次运行时，手工调节恒背压控制单元中第一溢流阀、第二溢流阀的设定压力，具体过程如下：

①给第一伺服阀、第二伺服阀同时输入正的控制信号，使第一伺服阀的工作油口与第一伺服阀的回油口相连通，使第二伺服阀的工作油口与第二伺服阀的回油口相连通，左张力液压缸、右张力液压缸的活塞在无杆腔背压推动下伸出至极限位置，并保持静止状态；

②手工调节第一溢流阀至设定压力Py11，手工调节第二溢流阀至设定压力Py12，且使Py11＝Py12；

步骤三：给第一比例溢流阀及第二比例溢流阀输入额定控制信号，同时利用第一伺服阀、第二伺服阀、第一位移传感器和第二位移传感器，使左张力液压缸和右张力液压缸工作在位置闭环状态并装夹待轧试件；

步骤四：确定第一伺服阀的控制量SV1、第二伺服阀的控制量SV2、第一比例溢流阀的控制信号PVz及第二比例溢流阀的控制信号PVy，具体过程如下：

①根据轧制规程，确定设定轧制速度Vs及轧制方向，通过设定轧制速度Vs及轧制方向分别计算出第一伺服阀的控制量SV1和第二伺服阀的控制量SV2，并对第一伺服阀和第二伺服阀进行实际控制；

其中，第一伺服阀的控制量SV1及第二伺服阀的控制量SV2的计算过程如下：

1)当轧制方向为由左向右时，第一伺服阀处于工作油口向回油口通油状态，第二伺服阀处于压力油口向工作油口通油状态；

其中，第一伺服阀的控制量SV1的计算公式为：

$\mathrm{SV}1=\mathrm{SV}1\max \·\frac{0.55\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}1}{Q_{N1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N1}}{\mathrm{\ΔP}1}}$

式中，SV1max为第一伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N1为第一伺服阀的额定流量，ΔP_N1为第一伺服阀的阀口额定压差，ΔP1为第一伺服阀的阀口实际压差；

其中，第二伺服阀的控制量SV2的计算公式为：

$\mathrm{SV}2=-\mathrm{SV}2\max \·\frac{1.05\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}2}{Q_{N2}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N2}}{\mathrm{\ΔP}2}}$

式中，SV2max为第二伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N2为第二伺服阀的额定流量，ΔP_N2为第二伺服阀的阀口额定压差，ΔP2为第二伺服阀的阀口实际压差；

2)当轧制方向为由右至左时，第一伺服阀处于压力油口向工作油口通油状态，第二伺服阀处于工作油口向回油口通油状态；

其中，第一伺服阀的控制量SV1的计算公式为：

$\mathrm{SV}1=-\mathrm{SV}1\max \·\frac{1.05\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}1}{Q_{N1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N1}}{\mathrm{\ΔP}1}}$

式中，SV1max为第一伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N1为第一伺服阀的额定流量，ΔP_N1为第一伺服阀的阀口额定压差，ΔP1为第一伺服阀的阀口实际压差；

其中，第二伺服阀的控制量SV2的计算公式为：

$\mathrm{SV}2=\mathrm{SV}2\max \·\frac{0.55\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}2}{Q_{N2}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N2}}{\mathrm{\ΔP}2}}$

式中，SV2max为第二伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N2为第二伺服阀的额定流量，ΔP_N2为第二伺服阀的阀口额定压差，ΔP2为第二伺服阀的阀口实际压差；

②根据轧制规程，确定左张力设定值T1和右张力设定值T2，根据左张力设定值T1和右张力设定值T2，分别计算出第一比例溢流阀的预设信号PV11和第二比例溢流阀的预设信号PV12，并通过左张力设定值T1与左实际张力值反馈的差值、右张力设定值T2与右实际张力值反馈的差值，由第一比例溢流阀的调节器计算出第一比例溢流阀的调节信号PV21，由第二比例溢流阀的调节器计算出第二比例溢流阀的调节信号PV22，并将第一比例溢流阀的预设信号PV11与调节信号PV21相加，作为第一比例溢流阀的控制信号PVz，将第二比例溢流阀的预设信号PV12与调节信号PV22相加，作为第二比例溢流阀的控制信号PVy，具体计算过程如下：

1)第一比例溢流阀的预设信号PV11的计算公式为：

$\mathrm{PV}11=\frac{T1-\mathrm{Py}11\·\mathrm{Aw}1}{\mathrm{Ay}1}\·\frac{{\mathrm{PV}1}_N}{{\mathrm{Py}1}_N}$

式中，T1为左张力设定值，Py11为第一溢流阀的手工设定压力值，Aw1为左张力液压缸的活塞无杆腔有效作用面积，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，PV1_N为第一比例溢流阀的额定控制信号，Py1_N为第一比例溢流阀的额定控制压力；

因此，第一比例溢流阀的控制信号PVz为：

PVz＝PV11+PV21

式中，PV11为第一比例溢流阀的预设信号，PV21为第一比例溢流阀的调节信号；

2)第二比例溢流阀的预设信号PV12的计算公式为：

$\mathrm{PV}12=\frac{T2-\mathrm{Py}12\·\mathrm{Aw}2}{\mathrm{Ay}2}\·\frac{{\mathrm{PV}2}_N}{{\mathrm{Py}2}_N}$

式中，T2为右张力设定值，Py12为第二溢流阀的手工设定压力值，Aw2为右张力液压缸的活塞无杆腔有效作用面积，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，PV2_N为第二比例溢流阀的额定控制信号，Py2_N为第二比例溢流阀的额定控制压力；

因此，第二比例溢流阀的控制信号PVy为：

PVy＝PV12+PV22

式中，PV12为第二比例溢流阀的预设信号，PV22为第二比例溢流阀的调节信号。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，在液压张力控制系统中，可以使出口侧和入口侧的比例溢流阀的溢流量都大幅减小，张力控制精度随之得到很大改善；当比例溢流阀工作时，可以有效避开非线性区及死区，有利于发挥比例溢流阀的性能，提高张力控制精度；本发明的液压张力控制系统无需对前滑率及后滑率进行预测，而是通过对伺服阀的控制量进行预设定，并结合比例溢流阀的压力控制实现高精度张力控制，最终增强张力控制系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统原理图；

图2为左张力液压缸的实际张力控制曲线图；

图3为右张力液压缸的实际张力控制曲线图；

图4为左张力液压缸的实际张力控制误差图；

图5为右张力液压缸的实际张力控制误差图；

图中，I—恒背压控制单元，II—左张力控制单元，III—右张力控制单元；

1—左张力液压缸，2—右张力液压缸，3—液压泵，4—第一压力表，5—第二压力表，6—第一油压传感器，7—第二油压传感器，8—第三油压传感器，9—第四油压传感器，10—第一单向阀，11—第一溢流阀，12—第二溢流阀，13—第一过滤器，14—第二单向阀，15—第三单向阀，16—第一蓄能器，17—第一伺服阀，18—第一比例溢流阀，19—第二过滤器，20—第四单向阀，21—第五单向阀，22—第二蓄能器，23—第二伺服阀，24—第二比例溢流阀，25—第一位移传感器，26—第二位移传感器；

K1—恒背压控制单元的进油口，K2—恒背压控制单元的回油口，K3—第一压力测量口，K4—第二压力测量口，K5—恒背压控制单元的出油口，K6—左张力控制单元的背压进油口，K7—左张力控制单元的高压进油口，K8—左张力控制单元的回油口，K9—第一背压测量口，K10—第一工作油口，K11—第二工作油口，K12—第一有杆腔压力测量口，K13—右张力控制单元的高压进油口，K14—右张力控制单元的回油口，K15—右张力控制单元的背压进油口，K16—第二有杆腔压力测量口，K17—第三工作油口，K18—第四工作油口，K19—第二背压测量口，Ps—高压油输入口，Pp—液压泵的出油口；

A10—第一单向阀入口，B10—第一单向阀出口，P11—第一溢流阀入口，T11—第一溢流阀出口，P12—第二溢流阀入口，T12—第二溢流阀出口，A13—第一过滤器入口，B13—第一过滤器出口，A14—第二单向阀入口，B14—第二单向阀出口，A15—第三单向阀入口，B15—第三单向阀出口，P17—第一伺服阀的压力油口，B17—第一伺服阀的工作油口，T17—第一伺服阀的回油口，P18—第一比例溢流阀入口，T18—第一比例溢流阀出口，A19—第二过滤器入口，B19—第二过滤器出口，A20—第四单向阀入口，B20—第四单向阀出口，A21—第五单向阀入口，B21—第五单向阀出口，P23—第二伺服阀的压力油口，B23—第二伺服阀的工作油口，T23—第二伺服阀的回油口，P24—第二比例溢流阀入口，T24—第二比例溢流阀出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，包括左张力液压缸1、右张力液压缸2、液压泵3、恒背压控制单元I、左张力控制单元II及右张力控制单元III；

所述恒背压控制单元I的进油口K1与液压泵3的出油口Pp相连通，恒背压控制单元I的回油口K2与液压泵3的供油油箱相连通；在所述恒背压控制单元I内还设置有第一压力测量口K3和第二压力测量口K4，在第一压力测量口K3连接有第一压力表4，在第二压力测量口K4连接有第二压力表5；所述恒背压控制单元I的出油口K5与左张力控制单元II的背压进油口K6及右张力控制单元III的背压进油口K15相连通；

所述左张力控制单元II的高压进油口K7与高压油输入口Ps相连通，左张力控制单元II的回油口K8与高压油供油油箱相连通；在所述左张力控制单元II内还设置有第一背压测量口K9、第一工作油口K10、第二工作油口K11及第一有杆腔压力测量口K12，在第一背压测量口K9连接有第一油压传感器6，第一工作油口K10与左张力液压缸1的无杆腔相连通，第二工作油口K11与左张力液压缸1的有杆腔相连通，在第一有杆腔压力测量口K12连接有第二油压传感器7；

所述右张力控制单元III的高压进油口K13与高压油输入口Ps相连通，右张力控制单元III的回油口K14与高压油供油油箱相连通；在所述右张力控制单元III内还设置有第二背压测量口K19、第三工作油口K17、第四工作油口K18及第二有杆腔压力测量口K16，在第二背压测量口K19连接有第四油压传感器9，第三工作油口K17与右张力液压缸2的有杆腔相连通，第四工作油口K18与右张力液压缸2的无杆腔相连通，在第二有杆腔压力测量口K16连接有第三油压传感器8。

所述恒背压控制单元I包括第一单向阀10、第一溢流阀11及第二溢流阀12，所述恒背压控制单元I的进油口K1与第一单向阀10入口A10、第一溢流阀11入口P11及恒背压控制单元I的第二压力测量口K4相连通，第一单向阀10出口B10与第二溢流阀12入口P12、恒背压控制单元I的出油口K5及第一压力测量口K3相连通，第一溢流阀11出口T11与第二溢流阀12出口T12及恒背压控制单元I的回油口K2相连通。

所述左张力控制单元II包括第一过滤器13、第二单向阀14、第三单向阀15、第一蓄能器16、第一伺服阀17及第一比例溢流阀18，所述左张力控制单元II的背压进油口K6与第一背压测量口K9及第一工作油口K10相连通，左张力控制单元II的高压进油口K7与第一过滤器13入口A13相连通，第一过滤器13出口B13与第二单向阀14入口A14相连通，第二单向阀14出口B14与第一伺服阀17的压力油口P17及第一蓄能器16相连通；所述第一伺服阀17的工作油口B17与第一比例溢流阀18入口P18、左张力控制单元II的第二工作油口K11及第一有杆腔压力测量口K12相连通，第一比例溢流阀18出口T18与第一伺服阀17的回油口T17及第三单向阀15入口A15相连通，第三单向阀15出口B15与左张力控制单元II的回油口K8相连通。

所述右张力控制单元III包括第二过滤器19、第四单向阀20、第五单向阀21、第二蓄能器22、第二伺服阀23及第二比例溢流阀24，所述右张力控制单元III的背压进油口K15与第四工作油口K18及第二背压测量口K19相连通，右张力控制单元III的高压进油口K13与第二过滤器19入口A19相连通，第二过滤器19出口B19与第五单向阀21入口A21相连通，第五单向阀21出口B21与第二伺服阀23的压力油口P23及第二蓄能器22相连通；所述第二伺服阀23的工作油口B23与第二比例溢流阀24入口P24、右张力控制单元III的第二有杆腔压力测量口K16及第三工作油口K17相连通，第二比例溢流阀24出口T24与第二伺服阀23的回油口T23及第四单向阀20入口A20相连通，第四单向阀20出口B20与右张力控制单元III的回油口K14相连通。

本实施例中，采用的为350mm直拉式冷轧实验机，该实验机的左张力液压缸1、右张力液压缸2的活塞直径D为80mm，活塞杆杆径d为56mm，最大行程L为2100mm，最大张力Tmax为50kN，最大轧制速度Vmax为0.4m/s；高压油输入口Ps通入的高压油压力为23.5MPa，第一溢流阀11的调定压力Py11及第二溢流阀12的调定压力Py12均为2.0MPa，且第一溢流阀11、第二溢流阀12均选用插装式溢流阀，其型号为DBDS20K10B/50；第一单向阀10、第二单向阀14、第三单向阀15、第四单向阀20及第五单向阀21均选用插装式单向阀，其型号为M-SR20KE05-10/B；液压泵3选用叶片泵，其型号为T6C-014-1R01-A1；第一过滤器13、第二过滤器19均选用高压过滤器，其型号为ZU-H-250×3FP；第一蓄能器16、第二蓄能器22均选用皮囊式蓄能器，其型号为NXQ1-4L/31.5-F-A；第一伺服阀17、第二伺服阀23均选用型号为D661-4538C/G35JOAA4VSX2H的伺服阀；第一油压传感器6、第四油压传感器9的型号为HDA3844-A-100-000，第二油压传感器7、第三油压传感器8的型号为HDA3844-A-250-000；第一位移传感器25、第二位移传感器26的型号为RHM2150MD701S1G2100；第一比例溢流阀18、第二比例溢流阀24的型号为RZMO-A-030/315；直拉式冷轧实验机液压张力控制系统采用了西门子的S7-400PLC，且采用的CPU单元为CPU416-2DP+FM458-1DP，其中第一比例溢流阀18、第二比例溢流阀24的调节器均在FM458-1DP中运行。

本实施例中，以高强钢DP550为原料，其厚度为3.3mm，宽度为200mm，长度为650mm，轧制规程如表1所示，且第一道次为从左向右轧制。

表1

采用所述的直拉式冷轧实验机液压张力控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：启动液压泵3，同时高压油输入口Ps接通高压油，高压油压力为23.5MPa；

步骤二：在液压系统首次运行时，手工调节恒背压控制单元I中第一溢流阀11、第二溢流阀12的设定压力，具体过程如下：

①给第一伺服阀17、第二伺服阀23同时输入正的控制信号，使第一伺服阀17的工作油口B17与第一伺服阀17的回油口T17相连通，使第二伺服阀23的工作油口B23与第二伺服阀23的回油口T23相连通，左张力液压缸1、右张力液压缸2的活塞在无杆腔背压推动下伸出至极限位置，并保持静止状态；

②手工调节第一溢流阀11至设定压力Py11，手工调节第二溢流阀12至设定压力Py12，且使Py11＝Py12＝2.0MPa；

步骤三：给第一比例溢流阀18及第二比例溢流阀24输入额定控制信号10V，同时利用第一伺服阀17、第二伺服阀23、第一位移传感器25和第二位移传感器26，使左张力液压缸1和右张力液压缸2工作在位置闭环状态并装夹待轧试件；

步骤四：确定第一伺服阀17的控制量SV1、第二伺服阀23的控制量SV2、第一比例溢流阀18的控制信号PVz及第二比例溢流阀24的控制信号PVy，具体过程如下：

①根据轧制规程，确定设定轧制速度Vs及轧制方向，通过设定轧制速度Vs及轧制方向分别计算出第一伺服阀17的控制量SV1和第二伺服阀23的控制量SV2，并对第一伺服阀17和第二伺服阀23进行实际控制；

其中，第一伺服阀17的控制量SV1及第二伺服阀23的控制量SV2的计算过程如下：

以第三道次轧制为例，轧制方向为由左向右时，第一伺服阀17处于工作油口B17向回油口T17通油状态，第二伺服阀23处于压力油口P23向工作油口B23通油状态；

其中，第一伺服阀17的控制量SV1的计算公式为：

$\mathrm{SV}1=\mathrm{SV}1\max \·\frac{0.55\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}1}{Q_{N1}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N1}}{\mathrm{\ΔP}1}}$

式中，SV1max为第一伺服阀17的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay1为左张力液压缸1的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N1为第一伺服阀17的额定流量，ΔP_N1为第一伺服阀17的阀口额定压差，ΔP1为第一伺服阀17的阀口实际压差；

其中，第二伺服阀23的控制量SV2的计算公式为：

$\mathrm{SV}2=-\mathrm{SV}2\max \·\frac{1.05\mathrm{Vs}\·\mathrm{Ay}2}{Q_{N2}}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{N2}}{\mathrm{\ΔP}2}}$

式中，SV2max为第二伺服阀23的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay2为右张力液压缸2的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N2为第二伺服阀23的额定流量，ΔP_N2为第二伺服阀23的阀口额定压差，ΔP2为第二伺服阀23的阀口实际压差；

根据第一伺服阀17、第二伺服阀23、左张力液压缸1及右张力液压缸2在本实施例中选定的型号，可以确定的参数有：SV1max＝SV2max＝10mA，Q_N1＝Q_N2＝90l/min，ΔP_N1＝ΔP_N2＝3.5MPa，Ay1＝Ay2＝1/4π(D²-d²)＝2563.5mm²，则可得：

$\mathrm{SV}1=9.4\mathrm{Vs}\sqrt{\frac{3.5}{\mathrm{\ΔP}1}}$

$\mathrm{SV}2=-17.9\mathrm{Vs}\sqrt{\frac{3.5}{\mathrm{\ΔP}2}}$

其中，第三道次轧制升速段的设定轧制速度Vs取0.1m/s，忽略回油背压，可以得到：ΔP1＝P1，P1为第一伺服阀17工作油口B17处的压力，近似等于左张力液压缸1有杆腔内的压力，并由第二油压传感器7测得，实测值为ΔP1＝P1＝18.76MPa；其中，ΔP2＝Ps-P2＝23.5-P2，P2为第二伺服阀23工作油口B23处的压力，近似等于右张力液压缸2有杆腔内的压力，并由第三油压传感器8测得，实测值为P2＝18.83MPa，可得ΔP2＝4.67MPa；最终可得到：SV1＝0.41mA，SV2＝-1.55mA；

②根据轧制规程，确定左张力设定值T1和右张力设定值T2，根据左张力设定值T1和右张力设定值T2，分别计算出第一比例溢流阀18的预设信号PV11和第二比例溢流阀24的预设信号PV12，并通过左张力设定值T1与左实际张力值反馈的差值、右张力设定值T2与右实际张力值反馈的差值，由第一比例溢流阀18的调节器计算出第一比例溢流阀18的调节信号PV21，由第二比例溢流阀24的调节器计算出第二比例溢流阀24的调节信号PV22，并将第一比例溢流阀18的预设信号PV11与调节信号PV21相加，作为第一比例溢流阀18的控制信号PVz，将第二比例溢流阀24的预设信号PV12与调节信号PV22相加，作为第二比例溢流阀24的控制信号PVy，具体计算过程如下：

1)第一比例溢流阀18的预设信号PV11的计算公式为：

$\mathrm{PV}11=\frac{T1-\mathrm{Py}11\·\mathrm{Aw}1}{\mathrm{Ay}1}\·\frac{{\mathrm{PV}1}_N}{{\mathrm{Py}1}_N}$

式中，T1为左张力设定值为38kN，Py11为第一溢流阀11的手工设定压力值，且已知Py11＝2.0MPa，Aw1为左张力液压缸1的活塞无杆腔有效作用面积，Ay1为左张力液压缸1的活塞有杆腔有效作用面积，根据左张力液压缸1在本实施例中选定的型号可得，Aw1＝1/4πD²＝5026.5mm²，且Ay1＝2563.5mm²，PV1_N为第一比例溢流阀18的额定控制信号，PV1_N＝10V，Py1_N为第一比例溢流阀18的额定控制压力，Py1_N＝31.5MPa；则将上述参数代入公式后，可得到：PV11＝3.459V；

本实施例中，第一比例溢流阀18的调节器采用PI调节器，其中P参数为0.08，I参数为450ms，则由第一比例溢流阀18的调节器计算出的调节信号PV21＝-0.201V，最终可得第一比例溢流阀18的控制信号PVz为：PVz＝PV11+PV21＝3.258V；

2)第二比例溢流阀24的预设信号PV12的计算公式为：

$\mathrm{PV}12=\frac{T2-\mathrm{Py}12\·\mathrm{Aw}2}{\mathrm{Ay}2}\·\frac{{\mathrm{PV}2}_N}{{\mathrm{Py}2}_N}$

式中，T2为右张力设定值为36kN，Py12为第二溢流阀12的手工设定压力值，且已知Py12＝2.0MPa，Aw2为右张力液压缸2的活塞无杆腔有效作用面积，Ay2为右张力液压缸2的活塞有杆腔有效作用面积，根据右张力液压缸2在本实施例中选定的型号可得，Aw2＝1/4πD²＝5026.5mm²，Ay2＝2563.5mm²，PV2_N为第二比例溢流阀24的额定控制信号，PV2_N＝10V，Py2_N为第二比例溢流阀24的额定控制压力；Py2_N＝31.5MPa；则将上述参数代入公式后，可得到：PV12＝3.212V；

本实施例中，第二比例溢流阀24的调节器采用PI调节器，其中P参数为0.08，I参数为450ms，则由第二比例溢流阀24的调节器计算出的调节信号PV22＝0.053V，最终可得第二比例溢流阀24的控制信号PVy为：PVy＝PV12+PV22＝3.265V。

在整个轧制过程中，如图2、3所示，分别为左张力液压缸1的实际张力控制曲线图及右张力液压缸2的实际张力控制曲线图，在图中可清楚的看出，较大的张力控制偏差出现在起车过程和停车过程，并随着最大轧制速度的增加而增大。

而在第五道次轧制时，最大轧制速度为0.4m/s，在起车过程和停车过程中，如图4、5所示，分别为左张力液压缸1的实际张力控制误差图及右张力液压缸2的实际张力控制误差图，在图中可清楚的看出，左、右张力的最大控制偏差约在±1.0kN之内，进而验证了本发明的有效性。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，其特征在于：包括左张力液压缸、右张力液压缸、液压泵、恒背压控制单元、左张力控制单元及右张力控制单元，在左张力液压缸上安装有第一位移传感器，在右张力液压缸上安装有第二位移传感器；

所述恒背压控制单元的进油口与液压泵的出油口相连通，恒背压控制单元的回油口与液压泵的供油油箱相连通；在所述恒背压控制单元内还设置有第一压力测量口和第二压力测量口，在第一压力测量口连接有第一压力表，在第二压力测量口连接有第二压力表；所述恒背压控制单元的出油口与左张力控制单元的背压进油口及右张力控制单元的背压进油口相连通；

所述左张力控制单元的高压进油口与高压油输入口相连通，左张力控制单元的回油口与高压油供油油箱相连通；在所述左张力控制单元内还设置有第一背压测量口、第一工作油口、第二工作油口及第一有杆腔压力测量口，在第一背压测量口连接有第一油压传感器，第一工作油口与左张力液压缸的无杆腔相连通，第二工作油口与左张力液压缸的有杆腔相连通，在第一有杆腔压力测量口连接有第二油压传感器；

所述右张力控制单元的高压进油口与高压油输入口相连通，右张力控制单元的回油口与高压油供油油箱相连通；在所述右张力控制单元内还设置有第二背压测量口、第三工作油口、第四工作油口及第二有杆腔压力测量口，在第二背压测量口连接有第四油压传感器，第三工作油口与右张力液压缸的有杆腔相连通，第四工作油口与右张力液压缸的无杆腔相连通，在第二有杆腔压力测量口连接有第三油压传感器。

2.根据权利要求1所述的一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，其特征在于：所述恒背压控制单元包括第一单向阀、第一溢流阀及第二溢流阀，所述恒背压控制单元的进油口与第一单向阀入口、第一溢流阀入口及恒背压控制单元的第二压力测量口相连通，第一单向阀出口与第二溢流阀入口、恒背压控制单元的出油口及第一压力测量口相连通，第一溢流阀出口与第二溢流阀出口及恒背压控制单元的回油口相连通。

3.根据权利要求1所述的一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，其特征在于：所述左张力控制单元包括第一过滤器、第二单向阀、第三单向阀、第一蓄能器、第一伺服阀及第一比例溢流阀，所述左张力控制单元的背压进油口与第一背压测量口及第一工作油口相连通，左张力控制单元的高压进油口与第一过滤器入口相连通，第一过滤器出口与第二单向阀入口相连通，第二单向阀出口与第一伺服阀的压力油口及第一蓄能器相连通；所述第一伺服阀的工作油口与第一比例溢流阀入口、左张力控制单元的第二工作油口及第一有杆腔压力测量口相连通，第一比例溢流阀出口与第一伺服阀的回油口及第三单向阀入口相连通，第三单向阀出口与左张力控制单元的回油口相连通。

4.根据权利要求1所述的一种直拉式冷轧实验机液压张力控制系统，其特征在于：所述右张力控制单元包括第二过滤器、第四单向阀、第五单向阀、第二蓄能器、第二伺服阀及第二比例溢流阀，所述右张力控制单元的背压进油口与第四工作油口及第二背压测量口相连通，右张力控制单元的高压进油口与第二过滤器入口相连通，第二过滤器出口与第五单向阀入口相连通，第五单向阀出口与第二伺服阀的压力油口及第二蓄能器相连通；所述第二伺服阀的工作油口与第二比例溢流阀入口、右张力控制单元的第二有杆腔压力测量口及第三工作油口相连通，第二比例溢流阀出口与第二伺服阀的回油口及第四单向阀入口相连通，第四单向阀出口与右张力控制单元的回油口相连通。

5.采用权利要求1所述的直拉式冷轧实验机液压张力控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：启动液压泵，同时高压油输入口接通高压油；

步骤二：在液压系统首次运行时，手工调节恒背压控制单元中第一溢流阀、第二溢流阀的设定压力，具体过程如下：

①给第一伺服阀、第二伺服阀同时输入正的控制信号，使第一伺服阀的工作油口与第一伺服阀的回油口相连通，使第二伺服阀的工作油口与第二伺服阀的回油口相连通，左张力液压缸、右张力液压缸的活塞在无杆腔背压推动下伸出至极限位置，并保持静止状态；

②手工调节第一溢流阀至设定压力Py11，手工调节第二溢流阀至设定压力Py12，且使Py11＝Py12；

步骤三：给第一比例溢流阀及第二比例溢流阀输入额定控制信号，同时利用第一伺服阀、第二伺服阀、第一位移传感器和第二位移传感器，使左张力液压缸和右张力液压缸工作在位置闭环状态并装夹待轧试件；

步骤四：确定第一伺服阀的控制量SV1、第二伺服阀的控制量SV2、第一比例溢流阀的控制信号PVz及第二比例溢流阀的控制信号PVy，具体过程如下：

①根据轧制规程，确定设定轧制速度Vs及轧制方向，通过设定轧制速度Vs及轧制方向分别计算出第一伺服阀的控制量SV1和第二伺服阀的控制量SV2，并对第一伺服阀和第二伺服阀进行实际控制；

其中，第一伺服阀的控制量SV1及第二伺服阀的控制量SV2的计算过程如下：

1)当轧制方向为由左向右时，第一伺服阀处于工作油口向回油口通油状态，第二伺服阀处于压力油口向工作油口通油状态；

其中，第一伺服阀的控制量SV1的计算公式为：

$SV1=SV1max\·\frac{0.55Vs\·Ay1}{Q_{N1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{N1}}{\mathrm{\Δ}P1}}$

式中，SV1max为第一伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N1为第一伺服阀的额定流量，ΔP_N1为第一伺服阀的阀口额定压差，ΔP1为第一伺服阀的阀口实际压差；

其中，第二伺服阀的控制量SV2的计算公式为：

$SV2=-SV2max\·\frac{1.05Vs\·Ay2}{Q_{N2}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{N2}}{\mathrm{\Δ}P2}}$

式中，SV2max为第二伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N2为第二伺服阀的额定流量，ΔP_N2为第二伺服阀的阀口额定压差，ΔP2为第二伺服阀的阀口实际压差；

2)当轧制方向为由右至左时，第一伺服阀处于压力油口向工作油口通油状态，第二伺服阀处于工作油口向回油口通油状态；

其中，第一伺服阀的控制量SV1的计算公式为：

$SV1=-SV1max\·\frac{1.05Vs\·Ay1}{Q_{N1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{N1}}{\mathrm{\Δ}P1}}$

式中，SV1max为第一伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N1为第一伺服阀的额定流量，ΔP_N1为第一伺服阀的阀口额定压差，ΔP1为第一伺服阀的阀口实际压差；

其中，第二伺服阀的控制量SV2的计算公式为：

$SV2=SV2max\·\frac{0.55Vs\·Ay2}{Q_{N2}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{N2}}{\mathrm{\Δ}P2}}$

式中，SV2max为第二伺服阀的额定控制信号，Vs为设定轧制速度，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，Q_N2为第二伺服阀的额定流量，ΔP_N2为第二伺服阀的阀口额定压差，ΔP2为第二伺服阀的阀口实际压差；

②根据轧制规程，确定左张力设定值T1和右张力设定值T2，根据左张力设定值T1和右张力设定值T2，分别计算出第一比例溢流阀的预设信号PV11和第二比例溢流阀的预设信号PV12，并通过左张力设定值T1与左实际张力值反馈的差值、右张力设定值T2与右实际张力值反馈的差值，由第一比例溢流阀的调节器计算出第一比例溢流阀的调节信号PV21，由第二比例溢流阀的调节器计算出第二比例溢流阀的调节信号PV22，并将第一比例溢流阀的预设信号PV11与调节信号PV21相加，作为第一比例溢流阀的控制信号PVz，将第二比例溢流阀的预设信号PV12与调节信号PV22相加，作为第二比例溢流阀的控制信号PVy，具体计算过程如下：

1)第一比例溢流阀的预设信号PV11的计算公式为：

$PV11=\frac{T1-Py11\·Aw1}{Ay1}\·\frac{PV{1}_N}{Py{1}_N}$

式中，T1为左张力设定值，Py11为第一溢流阀的手工设定压力值，Aw1为左张力液压缸的活塞无杆腔有效作用面积，Ay1为左张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，PV1_N为第一比例溢流阀的额定控制信号，Py1_N为第一比例溢流阀的额定控制压力；

因此，第一比例溢流阀的控制信号PVz为：

PVz＝PV11+PV21

式中，PV11为第一比例溢流阀的预设信号，PV21为第一比例溢流阀的调节信号；

2)第二比例溢流阀的预设信号PV12的计算公式为：

$PV12=\frac{T2-Py12\·Aw2}{Ay2}\·\frac{PV{2}_N}{Py{2}_N}$

式中，T2为右张力设定值，Py12为第二溢流阀的手工设定压力值，Aw2为右张力液压缸的活塞无杆腔有效作用面积，Ay2为右张力液压缸的活塞有杆腔有效作用面积，PV2_N为第二比例溢流阀的额定控制信号，Py2_N为第二比例溢流阀的额定控制压力；

因此，第二比例溢流阀的控制信号PVy为：

PVy＝PV12+PV22

式中，PV12为第二比例溢流阀的预设信号，PV22为第二比例溢流阀的调节信号。