现代高速板带轧机的计算机仿真

D0I:10.13374/j.issnl001053x.1994.04.013 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 1994年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.1994 现代高速板带轧机的计算机仿真 穆志纯 北京科技大学自动化系，北京100083 摘要本文讨论了在现代板带轧机中广泛使用的两种主要液压执行机构（液压AGC和用于板型 控制的弯辊系统)的设计与分析方法，重点是建模与计算机仿真；介绍了已建立的仿真模型，给 出了一些仿真结果，它表明仿真所作出的预测与实测数据高度吻合， 关键词仿真，轧机，建立模型，液压AGC,弯棍装置 中图分类号TG335 Computer Simulation on Modern High Speed Strip Mills Mu Zhichun Department of Automation,USTB.Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper discusses the design of the two principle hydraulic actuators in rolling mills:capsules for hydraulic Automatic Gauge Control (AGC)and roll bending systems for shape and profile control.The main emphasis is on the modelling and computer simulations to the rolling process.The basis of these models is presented together with some results from the simulations.These results compare well with data from test measurements. KEY WORDS simulation,rolling mills,model building,hydraulic AGC,roll-bending devices 在当代板带轧制生产中.由于对成品的厚度公差及板型要求越来越严格，因此在现代轧 机上广泛采用了液压自动厚度控制(AGC)和弯辊系统来进行厚度和板型的控制.事实证 明，优化这些液压执行机构的设计是十分重要的·建立轧制过程及相应的液压执行机构的数 学模型和仿真模型，并进行计算机仿真研究，是对液压控制系统的动态特性进行分析、预测 及进行设计优化的有效手段·本文将介绍一些已建立的仿真模型，并给出一些仿真的结果， 根据仿真结果与实测数据的比较表明，已建立的模型能很好地描述液压AGC和弯辊系统的 动态特性，仿真的结果可用来作为系统设计决策的依据之一， 1厚控仿真模型 1993-12-05收稿 第一作者男42副研究员顾士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 嗯 现代高速板带轧机 的计算机仿真 穆 志纯 北 京 科 技 大 学 自动化系 ， 北京 〕 铭 摘要 本文讨论 了在 现代板带轧机 中广泛使 用 的 两种 主要 液 压 执行机构 液压 和 用 于 板 型 控制 的弯辊系 统 的设计 与分 析方法 ， 重 点是建模 与计算机仿真 介 绍 了 已 建立 的仿真模型 ， 给 出 了一些仿真结果 它表 明仿真所作 出的预测 与实测 数据高度 吻合 关健词 仿真 ， 轧机 ， 建立模 型 ， 液压 ， 弯辊 装置 中图分类号 口 户沈 ， ， ， 五 已 百 玲 』七 巴 服 加 饮 ” 拐 几 五 。 泥 喇 叱 璐 让 心 认七 巴 】 分 刀 巴 万 五 ， 五 ， ， ， 一 忱 万 在 当代板带轧制 生产 中 由于 对成 品 的厚度 公差 及 板 型要 求越来越 严格 ， 因此 在 现代 轧 机上 广泛 采用 了液压 自动厚度控 制 和 弯 辊 系 统 来 进 行 厚 度 和 板 型 的 控 制 事 实 证 明 ， 优化这些 液 压执行机构 的设计是 十分重要 的 建 立 轧 制过程 及 相 应 的液压 执行 机 构 的数 学模型 和仿真模 型 ， 并 进行计算机仿真 研究 ， 是 对液压控 制 系 统 的动态特性进行分 析 、 预测 及进行设计优化 的有效手段 本文将 介 绍 一些 已 建立 的仿真模 型 ， 并 给 出一 些 仿 真 的结 果 根 据仿真结果 与实测 数据 的 比较表 明 ， 已 建 立 的模型 能很 好地 描 述 液压 和 弯辊 系 统 的 动态特性 ， 仿真 的结果 可 用来作 为 系 统设计决策 的依 据之 一 厚控仿真模型 卯 一 一 收稿 第 一作 者 男 副研 究 员 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．04．013

Vol.16 No.4 穆志纯：现代高速板带轧机的计算机仿真 .365. 厚控仿真模型是建立在二维的基础之上的，也即没有考虑板型、导向控制等因素，但厚 控仿真模型包含了所有的张力、速度、力矩、负载及它们之间的相互耦合关系· 厚控仿真模型由3个主要部分组成，即道次控制块(Pass Control Block)、过程控制块 (Process Control Block)、和过程模型(Process Model). 道次控制块主要由一些数表组成，这些数表包括：人口厚度及轧件硬度表，前后张力 表，轧机速度和出口厚度参考值等等·此外，它还包括了轧机初始设置的各参考值，厚度控 制模式的选择开关，以及出口厚度及轧件硬度表. 过程控制块仿真对液压缸的位置或压力，轧机速度，前、后张力和出口厚度进行控制， 其中厚度控制部分的控制策略是可选择的，例如，选择厚度计式AGC(gaugemeter)控制 模式，或是流量控制(Mass一Flow)模式等等，与此类似，速度和张力的控制方法也可以 根据特定的轧机情况进行改变和仿真， 过程模型由描述机座、液压缸、轧辊、传动轴、主传动电机和前后卷取机等设备的动态 特性的模块组成，利用这些模块不但可以很方便地构成对完整的单机架轧机仿真，而且可以 对串列式的多机架轧机进行仿真·轧制模型确定了张力、速度、轧制力、力矩和厚度间的耦 合关系·该模型由3个主要部分组成：轧制规程、出口厚度计算和前滑系数计算， 在轧机机座模块中，如何描述液压缸密封圈以及轧辊轴承座的摩擦和力滞回线，对模型 的精度有很大的影响，早期的AGC模型的研制已经发现，要想在信号幅值在较宽范围内变 化的情况下准确地预测系统的动态响应，必须要有较好的力滞回线模型.我们所采用的力滞 回线模型是根据全尺寸(f-sizd)试验机架)的试验结果而建立的.当把这一力滞回线 模型引入AGC系统仿真时，仿真结果所预测的对不同幅值信号的频率响应与实验结果十分 接近，图1给出了厚控系统在幅值为25的位置参考信号变化时，实测的和仿真预测的频 率响应特性的比较， 由于上述的仿真模型能很准确地描述系统的动态特性，因此可借以对厚控系统的特性进 行分析和预测.事实证明，这一厚控仿真模型在进行系统设计时是非常有用的)，它可以用 o 、一非线性模型 104 a山 、线性模型 采90 38 显 代m 一6战性模型 20201818 非线性模型 1613 也 2 9 10 203040 50 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 颍率/Hz gom 图2某一轧机的与四山厚差的关系（伺服 图1位置回路的频率响应特性(25m位置) 阀响应频率240rs位置回路增益285) Fig.1 Frequency response of position kop Fig.2 Relationship between the coefficient ggrn and exit gauge tolerance for a given mill

穆 志 纯 现代高速 板带轧机 的计算机仿真 · · 厚控仿真模 型是建 立在 二 维 的基 础 之 上 的 ， 也 即没有 考 虑板 型 、 导 向控制等 因素 但 厚 控仿真模 型 包含 了所有 的张力 、 速度 、 力 矩 、 负载及 它们 之 间的相 互藕合 关 系 厚控仿真模 型 由 个 主要 部 分组成 ， 即道 次控 制 块 出骆 伪 、 过 程 控 制 块 治 、 和 过程 模 型 治 道 次控 制块 主要 由一些 数 表 组 成 这 些 数 表 包 括 入 口 厚 度 及 轧 件 硬 度 表 ， 前 后 张 力 表 ， 轧机速度和 出 口 厚度 参考值等等 此外 ， 它还 包括 了轧机初 始 设置 的各参考值 ， 厚度控 制模式 的选 择开 关 ， 以 及 出 口 厚度 及 轧 件 硬 度 表 过程 控制块 仿真 对液压缸 的 位 置 或 压 力 ， 轧 机 速 度 ， 前 、 后 张力 和 出 口 厚 度进行控制 其 中厚 度 控 制 部 分 的控 制 策 略是 可 选 择 的 ， 例 如 ， 选 择 厚 度 计 式 控 制 模式 ， 或是 流量 控 制 一 模 式 等 等 与此 类 似 ， 速 度 和 张 力 的 控 制 方 法 也 可 以 根 据特定 的轧机情况 进 行 改 变 和仿真 过程模 型 由描述 机座 、 液 压缸 、 轧辊 、 传 动轴 、 主传 动 电机 和 前后 卷取 机等 设备 的动 态 特性 的模 块组成 利 用 这些 模块 不但 可 以 很方便地 构成 对完 整 的单机架轧机仿真 ， 而 且 可 以 对 串列 式 的 多 机架 轧机进行仿 真 轧制模 型 确 定 了 张力 、 速度 、 轧制 力 、 力 矩 和 厚度 间的藕 合 关 系 该模型 由 个 主要部 分组 成 轧制规程 、 出 口 厚度计算 和前滑 系 数计算 在 轧机机座模块 中 ， 如何 描 述液 压缸 密 封 圈 以 及 轧 辊轴承座 的摩 擦 和力 滞 回 线 ， 对模 型 的精 度有 很大 的影 响 早期 的 模 型 的研制 已 经 发现 ， 要 想 在 信号 幅值 在 较 宽 范 围 内变 化 的情 况下 准 确地 预测 系 统 的动态 响应 ， 必须要 有 较好 的力滞 回 线模 型 我们所采 用 的力滞 回线模 型是根 据全尺寸 山 一 皿月 试验 机架 【 ’ 的试验结果 而建 立 的 当把 这 一 力 滞 回 线 模 型 引人 系 统仿真 时 ， 仿真 结果所 预测 的对不 同幅值信号 的频率 响应 与 实 验 结 果 十 分 接 近 图 给 出 了厚控 系 统在 幅值 为 之 的位 置参考信号 变化 时 ， 实测 的和仿真 预 测 的 频 率 响应特性 的 比较 由于 上 述 的仿真模 型 能很 准 确地 描述 系 统 的动态特性 ， 因此 可借 以 对厚控 系 统 的特性 进 行分析和 预测 事 实证 明 ， 这 一 厚 控仿真模 型在 进行 系 统设计 时是 非 常有 用 的 〕 ， 它 可 以 用 ” 卜、 非线性模型 暇 班 如 、 羲 喊猛 荡 霖奢、 蠢… 了 ‘乙衬 白﹄ 一 娜恻闰卫 频 率 刀 乡 卿 图 位置 回路 的频率 响应 特性 均川 位置 殆 子住甲 材 砚娜明嫂 健 脚自如 ‘明耳 图 某一轧机的 澳尹 刁 山 目 厚 差 的关 系 伺服 阀响应频率 喇 ’ 位里 回路增益 龙 触 吸加 时，限班 触 。 祀肠州匕盆 澳户 翻川 欢 罗峨笋 加触口 笼 扮 粗 血

.366 北京科技大学学报 1994年No.4 来更详细地研究液压AGC系统设计，例如，厚控系统的特性是受到系统的结构、构成系统 元件的特性及参数等因素限制，在系统分析和设计中，往往需要建立起这些限制与厚控系统 特性间的定量关系，利用厚控仿真模型，可以进行相应的研究·例如，图2是通过仿真之后 给出的参数9gm(厚度偏差补偿系数)与出口厚度偏差间的关系·根据这类的仿真结果，可 以在进行相应的系统设计时，更有把握作出正确的设计选择和决策， 2弯辊系统的建模 弯辊系统是板型控制中的主要执行系统之一，由于在轧制生产中需经常地更换工作辊及 轴承座，因此，弯辊伺服阀与弯辊油缸之间必然要间隔一段距离以便完成换辊操作·在大多数 场合下，弯辊油缸与伺服阀间是要靠一段长油管来联接的，因而描述管路中流体的动态特性 就成为弯辊系统建模中的主要部分. P -0 a)b ↓-L- 图3管路的有限差分模型 Fig.3 Finite difference pipe model 管路模型是根据均匀、弹性管路中非稳定、 无摩擦、可压缩流体的波方程的有限差分解 而建立的，由于我们只关心管路端头的流量和 实测一 模型。一幅值 压力，因此这一有限差分解可用图3的方框图 -10 。一相角 来表示，为了包含管路中由于阻力而产生的 压力降，方框图的右端加人了一个集总的摩 -20 07 擦项，事实上，实际管路中的摩擦阻力是分布 -50 力，但由于没有较简洁的形式来描述它，而 且从工程设计的观点来看，集总的摩擦模型 -100 已能满足使用需要，因此可以在图3的基础 ® o -150 上，经进一步变换，形成了管路的仿真模型· 在图3中：A-面积；B。一油的压缩系数 -200 0 10 20 30 P-压力；Q-流量：p-油密度；Y=1/Z: 频率/Hz Z=√pB,/AP;T=Lp/Bo· 图4某17m管路的实测和仿真预测的频率特 利用在弯辊试验机架上的实测数据来检 性比较（压力传感器在0m处） 验这一管路模型，可以看出所建立的管路模 Fig.4 Comparison of the measured and predicted frequency response for a 17m pipe

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 来更详细 地研究 液压 系 统设计 例 如 ， 厚 控 系统 的特性 是 受到 系 统 的 结 构 、 构 成 系 统 元件 的特性 及 参数等 因素 限制 ， 在 系 统分 析和 设计 中 ， 往 往 需要建 立起 这些 限制 与厚控 系统 特性 间的定 量 关 系 利 用厚控 仿真模 型 ， 可 以 进行相 应 的研究 例如 ， 图 是 通 过仿真 之后 给 出 的参数 “ 川 厚 度偏 差 补偿系 数 与 出 口 厚度偏 差 间的 关 系 根 据 这类 的 仿 真 结 果 ， 可 以 在 进行相 应 的 系 统设计 时 ， 更 有 把握作 出正 确 的设计 选 择和 决策 弯辊 系统的建模 弯辊 系 统是 板 型 控 制 中的 主要 执行 系 统 之 一 由于 在 轧制 生产 中需 经 常地 更换 工 作 辊 及 轴承 座 ， 因此 ， 弯辊伺服 阀 与弯辊油 缸 之 间必然要 间隔一段距离以便完成换辊操作 在大多数 场合下 ， 弯辊 油 缸 与伺服 阀 间是 要 靠一 段 长油 管来联 接 的 ， 因而 描述 管路 中流体的 动态特 性 就 成为弯辊 系 统 建模 中的 主要 部 分 圈 管路 的有 限 差 分棋型 殆 口挽 洲血旧盆淤 户伴 侧把 认 实测 一 模 型 。 一 幅 位 一 相 角 一一一 绍理山一 、 ︺ 一 ︵ 。仅年︶一 管路模型是根据均匀 、 弹性管路中非稳定 、 无摩擦 、 可 压缩 流 体 的波方程 的有 限差分 解 而建立的 由于我们只关心管路端头的流量和 压力 ， 因此这一有 限差分解可用 图 的方 框 医 来表示 为 了包含 管路 中 由于 阻力 而 产 生 的 压力 降 ， 方 框 图 的右端 加 人 了一 个集 总 的摩 擦 项 事实上 ， 实际管路 中的摩擦阻力是分布 力 ， 但 由于 没 有 较 简洁 的形 式 来 描 述 它 ， 而 且从工 程设计 的观 点来 看 ， 集 总 的摩 擦 模 型 已能满 足使 用 需要 ， 因此 可 以 在 图 的基 础 上 ， 经 进一 步 变换 ， 形 成 了 管路 的仿真 模 型 在 图 中 一 面积 几一 油 的 压缩 系 数 尸一 压力 一 流 量 一 油 密度 钊而蔽牙 礼寸面 瓦 利 用 在 弯辊 试验 机架 上 的实测 数 据 来检 验这一 管路模 型 ， 可 以 看 出所建 立 的管路 模 一 一 频 率 图 某 管 路 的 实 测 和 仿 真 预 测 的 频 率 特 性 比较 压 力传 感器 在 处 瑰 伽 花娜阴艺祀 碑击叨 示冲 材 口犯 祀 云万 解晌闷峨月 臼目 脚葫动目 禅伴

Vol.16 No.4 穆志纯：现代高速板带轧机的计算机仿真 .367 型相当准确.图4给出一条17长管路实测的及仿真模型预测的频率响应特性.从中可以看 出两者十分接近. 通过建模和仿真，可以分析和判定影响弯辊系统特性的关键所在.仿真结果表明 除了管路的材质和几何尺寸的影响之外，压力传感器的位置、储能器的容量和位置也对系统的 特性有直接影响，仿真还发现：在控制器中对管路的谐振频率进行滤波，可以扩展系统的 带宽；伺服阀响应速度对弯辊系统动态特性的影响取决于它们间相对的频带宽度，这些仿真 结果都在应用中得到证实· 3结论 上述模型在对轧制过程进行计算机仿真时是十分有用的·这些模型经实测数据的验证证 实精确度高，已被用来对系统的动态特性进行仿真研究和预测·它为轧机中相应控制系统的 辅助分析和设计提供了有力的工具· 参考文献 1 Clark M T,Mu Zhichun.Automatic Gauge Control for Modern High Speed Strip Mills.In:5th Int Rol- ling Conf.London,1990.63 ~72 2 Clark M T.Mu Zhichun.High Performance Hydraulic Actuators in Rolling Milis.In:First Int Conf Fluid Power Transmission and Control.Beijing,1991.38~42 纳钟的的0p的的的的的炉的钟饷饷钟的钩的的的的的的的的的的的000的的钟的的的种 (上接324页) for Nickel Powder Compacts.Acta Metall Sinica (English Edition),1990,3 B:71 3 Liu Guoquan,Li Wenqing.Hu Yongyi.Saturation of Preferential Sites for Nucleation and Growth of Ferrite Phase at Early Stages of Austenite Decomposition in Low-Carbon Boron Steels.Acta Metall Sinica (English Edition),1991,4A:303 4 Liu G.Invited Review:Applied Stereology in Materials Science and Engineering.Appendix B.J Microscopy,1993.171 (Pt1):57 5余永宁，刘国权.体视学一组织定量分析的原理和应用·北京：冶金工业出版社，1989.463 6 Gokhale A M,Iswaran C V,DeHoff R T.Stercology of Grain-Boundary Precipitates.Metallography, 1981,14:151

穆 志 纯 现代 高 速 板 带 轧 机 的计 算 机仿 真 · · 型 相 当准 确 图 给 出一 条 长 管 路 实 测 的及仿真 模 型 预测 的 频率 响应特性 从 中可 以 看 出两 者 十分 接 近 通 过 建 模 和 仿 真 ， 可 以 分 析 和 判 定 影 响 弯 辊 系 统 特 性 的 关 键 所 在 仿 真 结 果 表 明 除 了管 路 的材 质 和 几 何 尺 寸 的影 响之 外 ， 压力传感器的位置 、 储能器的容量和位置也对系统的 特性 有 直 接影 响 仿真 还 发 现 在 控 制 器 中 对 管 路 的 谐 振 频 率 进 行 滤 波 ， 可 以 扩 展 系 统的 带 宽 伺服 阀 响应 速 度 对弯辊系 统动 态 特性 的影 响取 决于 它 们 间相 对 的频带 宽度 这 些仿真 结 果 都在 应 用 中得到 证 实 结 论 上 述 模 型 在 对 轧 制 过 程 进 行 计算 机仿真 时是 十分 有 用 的 这些 模 型 经 实测 数据 的验 证 证 实精 确 度 高 ， 已 被 用 来 对 系 统 的动 态 特性 进行 仿真 研 究 和 预测 它 为轧 机 中相 应 控 制系 统 的 辅 助 分 析 和 设计 提 供 了有 力 的 工 具 参 考 文 献 ， 七 咚界 曰 业 证 助 ， 叭 一 ， 刁妇 而 节 曲 】」 业 讹 肋 贬‘ ， 卯 一 上 接 页 引以 而 伍】堪】招 石 ， 剑〕 ， ， ， 扣 姗 卿阔 此 认心 笼处℃ 五 笋 让泊 欠众〕 ，〕 切 一 盯比 户‘ 切 加 唱迹 ， 的 ， ， 团 别 」 ℃ ， 卯 ， 余永 宁 ， 刘 国权 体视 学一 组 织定 分 析 的原理 和 应用 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 衬司 ， ， 仟 ， 卿 一 山卿 优 比 入