(内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古 包头 014010)
摘 要：通过对连轧机组液压辊缝控制（HGC）系统的研 究，推理其数学模型并进行仿真，了解了PID参数对系统的影响，近而掌握了伺服阀、PID控 制及系统软件在该系统中所起的作用。
关键词：连轧HGC系统；仿真；伺服阀；PID；系统软件
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)20—0075—02
包钢无缝钢管厂ф180机组连轧机辊缝控制，采用当今世界先进的液压伺服控制系统,电 气控制采用INNSE公司基于X-Pact ProBAS结构的新CARTA MPM-HGC系统。该系统的核心是液 压辊缝控制(HGC)， 本设计通过对HGC系统的研究，推理数学模型并仿真，了解了伺服阀及P ID控制在该系统中的影响和应用，加强了对该系统薄弱环节的预防和改造,提高了产品质量 和轧制节奏，对该厂有着重要的意义。
1 HGC基本功能
HGC是一种闭环控制功能，提供液压缸的快速和精确定位。位置控制环给出伺服阀的给定， 接收位置传感器和压力传感器来的反馈信号，每个缸都有一套独立的液压位置调节［1 ］。为 了保护系统，当出现轧制过载或操作员干预的主机停车时，控制系统立即将辊缝打开到安全 位置，在轧制过程中，如果控制系统检测到报警，通过电磁阀锁定当前液压缸位置，直到完 成当前钢管的轧制。 当轧制力超过设定极限时，系统产生报警提醒操作员注意，并且通过 调整液压缸位置来防止轧制力继续增大。高速控制器将执行以下功能：①缸位置控制；②轧制力计算；③自动流量补偿控制；④位置同步控制；⑤自动辊缝控制；⑥伺服阀漂移调节；⑦自动缸位置传感器归零；⑧报警程序；⑨和一级自 动化系统的连接。
2 主要技术指标
2.1 连轧液压辊缝控制的电气控制原理框图
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2.2 数学模型的辨识
在HGC系统中，调整压下是厚度控制的主要方式，它通过改变辊缝的大小来保证轧机出口钢 管的壁后。液压缸自动位置闭环控制系统（简称APC）作为HGC系统的核心，其性能指标直接 决定HGC的指标。在对HGC系统的研究中,对轧机APC系统数学模型的辨识进行了研究。
2.2.1 可辨识分析
由于存在液压扰动和输出漂移，故对APC的辨识采用闭环辨识技术。本文所用的为伪随 机信号。
2.2.2 机理模型
经过对伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、位移传感器及二次仪表的机理方程的分析可得A PC系统动态结构如图1所示。
图中Ui为位置给定，Uf为实测位置，式中Ka为放大器增益（A/V），Ap为液压缸活塞有 效面 积；Ka为总流量压力系数；K为平均变形抗力，ωr为一阶环节转折频率，ω0为综合固 有频率，ξ0为综合阻尼比，KSV为伺服阀放大系数，ωsv为伺服阀等效固有频率， ξSV为伺服阀等效阻尼比。［2］
很显然，所得5阶传递函数过于复杂，将其近似成一个二阶系统对分析系统的稳定性影响不 大，本设计将运用递推最小二乘法辨识APC的二阶传递函数的参数。
2.2.3 输入信号选择
间接辨识法不适应本系统，故采用直接辨识法。鉴于工程实现的考虑，采用M序列作 为输入信号，进行辨识前要先确定M序列的长度和游程Δt，由n级移位寄存器产生的M序列长 度为N=2n-1个码。M序列的选择要遵循以下两个标准：
1/3Δt ≥fmax(1)；（N-1）Δt＞ts （2），式中，fmax为过程的最高频率（Hz），ts为过渡过程时间（s），M为序列长度，Δt 为M序列的游程。［3］
2.2.4 调节器参数对辨识结果的影响
考虑到位置闭环是通过改变PID调节器参数来使系统具有良好的响应特性，因此需要 确定PID参数对系统辨识的影响情况。以二阶振荡环节为被控对象进行研究。仿真结构如图2 所示。
图2中，r（t）为系统阶跃输入信号，u（t）为M序列输入信号，y（t）为被控对象输出。被 控对象传递函数为：
得 ωn=3r/s，ξn=0.2 ,ts=3.5/(ωnξn)≈6s，
选M序列为6阶，游程Δt=0.05s,即可满足（1）和（2）式，M序列幅值取为0.2V。
当采样周期为0.05S时，待辨识模型对应的离散模型为：
辨识模型结构为：
y(k)+a1y(k-1)+a2y(k-2)=b1u(k-1)+b2u(k-2) (5)
式中，a1,a2,b1,b2为二阶待辨识模型的参数。
考察在不同的PID调节器参数值下，辨识模型的参数估计值，可知PID调节器参数不同时 对模型参数估计值影响很小，因此可用闭环辨识方法直接辨识液压缸位置闭环模型。
2.2.5 辨识过程
在压力闭环控制状态下，手动给定轧制力500KN，将缸位移给定置为零，切入缸位移闭环状 态，由下位机经D/A输出信号，叠加到伺服放大器输入端。为了消除初始状态的影响，采样 是在M序列周期的第2个周期开始的，取数据长度为3个M序列周期长度，认为被控对象是二阶 系统，如前所述,将反馈环节的滤波时间常数定为0.06s，用递推最小二乘法进行系统参数辨 识，可得APC的离散化被控对象模型为（6）式，式中，uP为被控对象输出，yP为被控对象输 入。
yp(k)-1.645yp(k-1)+0.6484yp(k-2)
=［6.902up(k-1)+3.449up(k-2)］×10-3 (6)
保持PID参数不变，对500KN和原系统响应过程一并仿真如图3所示
图中“—”曲线表示机理模型响应曲线，“……”为500KN的响应曲线。
2.2.6 结论
从图中可以看出辨识的数学模型曲线和原系统曲线相差在允许范围内，即不同的轧制力对辊 缝几乎没有影响，故此模型认为可作为HGC系统的数学模型。
2.3 D791系列伺服阀在HGC系统中的使用
2.3.1 D791伺服阀的工作原理
伺服阀是HGC系统中最重要，最基本的组成部分。伺服阀的阀芯性能、额定流量、阶跃 响应、 频率特性等参数是选用的重要标准。HGC系统中使用了力反馈式、带喷嘴挡板系统的 D791伺服阀。其主阀芯的换向不是靠电磁铁来推动，而是靠前置级先导阀输出的液压力来推 动，它的前置先导阀是动态特性比较好的喷嘴挡板阀。当不进行辊缝设定时，主阀芯应在中 间位置，而当设定辊缝时，电气信号施加到伺服阀内的集成控制放大器上，由放大器驱动前 置先导阀动作，喷嘴挡板偏离中间位置，造成阀芯两端的压力发生变化，主阀阀芯因此而产 生位移，挡板的运动由力矩马达来调节。阀芯位移通过反馈杆产生反馈力矩，使挡板在某个 位置达到平衡。而主阀芯的位移实现了对流量的调节进而控制了液压缸的移动， 伺服阀内 的位移传感器检测到主阀芯的位置，维护人员可以由此判断阀芯的偏离程度。根据液压系统 的控制原理可知,力矩马达产生的电磁力矩为:T=K*I，式中T—电磁力矩，K—力矩马达的力 矩系数，I—输入电流，当阀芯处于动态平衡位置时 ，其电磁力矩与挡板组件的阻尼力矩、 阀 芯两端不平衡压力所产生的力矩相平衡，如果忽略挡板组件的阻尼力矩，则马达电磁力矩与 阀芯两端不平衡压力产生的力矩相平衡。由上面公式可知，力矩马达的电磁力矩和输入电流 成正比，所以阀芯的位移与输入的电流成正比，也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比， 并且电流的极性决定液流的方向，这样便满足了对电液伺服阀的功能要求。［4］从 上面我们也可以看出D791伺服阀属于多级伺服控制元件。主滑阀、前置级先导阀和阀内位移 检测器构成了D791伺服阀的三级层次结构。
2.3.2 伺服阀的常见故障
伺服阀的入口压力不足；伺服阀的±15伏电源故障;伺服阀的零部件磨损及油液污染。
3 控制系统的应用特点
3.1 PDA数采集系统在生产中的应用
HGC系统的客户端使用了德国iba公司的PDA，它是基于PC的高性能数据采集系统， 可运行在 WINDOWS NT4.0及 WINDOWS XP 上。通过PDA ，系统实现了生产过程数据的高速数 据采集和记录分析。
3.2 在线诊断工具软件winHMI
HGC系统提供了在线诊断工具winHMI,它具有如下功能：①可远程访问所有的测量值及控制参 数;②测试控制系统的线路以及液压系统元件的某些功能;③在线观察和记录事故信息。
3.3 故障分析软件（iba Analyzer）的应用
iba Analyzer软件可以分析和编辑由PDA记录的多种数据。
iba Analyzer一些主要功能如下:①信号分析的模板会话功能;②图形过滤功能;③分析 D OS格式和压缩的PDA数据文件;④可用Windows操作系统设定的打印机打印并有打印预视功能; ⑤可用内置公式编辑器进行计算;⑥自动识别数据格式;⑦可选择 Y/T, Y/X 和 FFT 的视窗 显示;⑧功能强大的3D分析;⑨可以发生和存储虚拟信号。
4 结束语
无缝厂HGC系统运行一年以来，经过本设计的指导，同时利用HGC强大的信号采集和故障分析 功能，缩短了处理事故时间，增加了效益。
［参考文献］
［1］ 许益民电液比例控制系统分析与设计［M］北京 ：机械工业出版社， 20 05，(10).
［2］ 王春行液压控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1999.
［3］ 杨景明，王娜伟，等对轧机数学模型的辨识［J］冶金自动化，2004增刊.
［4］ 张利平液压气动技术速查手册［M］.北京：化学工业出版社，2007.