楔横轧机液压压下系统模拟实验装置

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1997.02.014 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 楔横轧机液压压下系统模拟实验装置 向树春肖志权严忠惠 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要楔横轧机液压压下模拟实验装置，可以模拟实际系统进行的参数选择，各种控制方法的实 验，其结果对楔横轧机液压压下系统的设计、改进有参考价值.主要介绍该模拟实验装置的组成、 建模过程及性能分析. 关键词楔横轧机，液压压下系统，模拟实验装置 中图分类号TG334.19 楔横轧与板带轧机类似，辊缝是影响产品质量的重要因素.但是，楔横轧机的轧制原理与 一般板带轧机有所不同，特别是轧制力变化对辊缝影响较大.目前国内楔横轧机均采用手 动或电动压下装置，自动化水平低，设备机械（偏差）环节多响应慢，影响控制精度.若采用板 带轧机现已普遍使用的液压压下装置克服了上述缺点，是可行的，但仍遇到些新问题，目前尚 无成功的应用实例.我们自行设计制造了楔横轧机液压压下系统模拟实验装置，并对它进行 理论分析，建立数学模型，进行性能及控制方法的仿真研究，取得了令人满意的结果. 1楔横轧机液压压下系统的模拟装置3] 楔横轧机压下系统结构图如图1.该模拟实验装置的系统总图如图2所示，它主要由3部 分组成. (1) 3) 图1楔横轧机液压压下系统结构简图 图2模拟实验装置系统总图 1.机架；2.轧辊；3.轧件；4.下轧辊；5.油缸 (1)液压站及油路控制，(2)轧机及压力油缸； 6.位移传感器；7.压力传感器 (3)传感器及计算机系统 1996-08-25收稿 第一作者男55岁副牧授

第 19 卷 第 2期 1 9 9 7年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s iyt o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l 。 1 9 N o . 2 A P r . 1 9 7 楔横轧机液压 压下 系统模拟 实验装置 向树春 肖志权 严 忠惠 北京科技大学机械工程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 楔横轧机 液压压下模 拟实验装置 , 可以 模拟 实际 系统进行的参数 选择 , 各种控制 方法 的实 验 . 其结果 对楔横轧机 液压压下系 统的设计 、 改进有参考价值 . 主要介绍该模拟 实验 装置的组成 、 建模 过程及性 能分析 . 关键词 楔 横轧机 , 液压压 下系统 , 模拟实验装 置 中图分类号 T G 3 4 . 19 楔横 轧 与板 带轧 机类 似 , 辊缝 是 影响 产 品质量 的重 要 因素 . 但是 , 楔横轧 机 的轧制原理 与 一般 板 带轧机 有 所 不 同 , 特别 是 轧 制 力 变化 对辊缝 影 响 较大 川 . 目前 国 内楔 横轧 机均 采用 手 动或 电 动压 下装置 , 自动 化水 平 低 , 设 备机 械 ( 偏 差) 环节 多 响应 慢 , 影 响控 制精 度 . 若 采用 板 带轧机现 已普 遍使 用 的液 压 压下 装置 克服 了 上述 缺点 , 是可 行 的 , 但仍遇到些 新 问题 , 目前 尚 无成 功 的应 用 实 例 . 我 们 自行设 计制 造 了楔 横轧 机 液压 压 下系 统模 拟 实验 装置 , 并 对它进 行 理论分析 , 建 立数学模 型 , 进行 性 能及 控制 方法 的仿 真研 究 , 取 得 了令人 满意 的结果 2[] . 1 楔横轧机液压 压下系统的模拟装置 13 楔横 轧机 压 下系 统结 构 图如 图 1 . 该模 拟 实验装 置 的系 统总 图如 图 2 所 示 , 它主要 由 3 部 分组 成 . r一 一一一 一 一 一一 一 一二二 笋 { 了 … i … } 心 俨 } } I l } ! !1| !| |l| | | !|L 未司口 ’ ~ 撷〔口 目 图 1 楔横轧机液压 压下系统 结构简图 1 . 机架 ; 2 . 轧辊 ; 3 . 轧件 ; 4 . 下轧辊 ; 5 . 油缸 6 . 位 移传 感器; 7 . 压力传感器 图2 模拟实验装 l 系统总图 ( l) 液压站及油路控制 ; (2) 轧机及压力油缸 ; (3) 传感器及计算机系统 1 9 9 6 一 0 8 一 2 5 收稿 第一 作者 男 5 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 02. 014

Vol.19 No.2 向树春等：楔横轧机液压压下系统模拟实验装置 ·185· 根据楔横轧机液压压下系统结构，将其主要参数简化为机架刚度K,运动负载质量M, 轧制力f,它们的模拟方法为： (1)改变碟簧刚度和数量模拟轧机刚度： (2)用质量块模拟轧机运动质量； (3)用比例压力阀改变供油压力模拟轧制力变化， 模拟实验系统框图如图3所示. 轧制力人 伺服阀 控制器 伺服阀 阀控缸 放大器 压力传感器 位移传感器 图3模拟实验系统方框图 2模拟实验装置的数学模型 2.1阀控非对称缸数学模型 模拟实验装置是电液位置伺服系统，采用阀控非对称缸液压回路，具有结构简单、制造容 易、占用空间少、密封效率高可靠等优点 这种系统的特性与四边阀控对称缸系统在特性上有较大差异，由于活塞两腔面积不等， 因此往复流量不连续.流量方程的建立与活塞速度和方向有关，关键是正确地求取阀的流量 增益和压力流量增益K。· 在工作点附近线性化，并经拉氏变换得到： 压力一流量方程 2d=K·x(d-K·P() () 负载流量方程 L网=CnP间+fP同+A·X⊙ (2) 油缸动力方程 P-s+)·X0+元 (3) 综合式()，(2)，(3)可得到非对称缸传递函数： X,(0)= 化同1-意统+ +2+1)） 式中：wn= M。 B VM 油缸负载环节液压固有频率：专=K√AA。 ，一液压阻 4V MB.AAme M邱e 尼比B很小时可忽略，则专=K√T人M A为油缸等效面积；Am为油缸平均活塞面积；B为

v ol . 19 N o. 2 向树春等 :楔横轧机液压压下系统模拟实验装置 . 18 5 . 根据 楔 横 轧机 液 压压下 系 统结 构 , 将其 主要 参数 简化 为机 架 刚度 K , 运 动 负载质 量 M , 轧制 力 人 , 它 们 的模拟方 法 为: ( l) 改 变碟 簧刚度 和数 量模拟 轧机 刚度 ; ( 2) 用 质量 块模 拟 轧机 运 动质量 ; (3 )用 比例 压 力 阀改变 供油压力 模拟 轧 制力变 化 . 模拟 实 验系统 框 图如 图 3 所 示 . 轧制力八 ’ 伺服阀 放大器 . 伺服 阀 压力传感器 位移传感器 图3 模拟 实验 系统方框图 2 模拟实 验装置的数学模型 2 . 1 阀控非 对称缸数学模型 模 拟实 验装置是 电液位置伺 服 系统 , 采 用 阀控 非对称缸 液压 回 路 , 具有 结构 简单 、 制造 容 易 、 占用 空 间少 、 密 封效 率高可靠 等优点 . 这种 系 统 的特 性 与 四 边 阀控 对称 缸 系 统在 特性 上 有较 大 差异 . 由于 活塞 两 腔 面积不 等 , 因此往 复流 量不 连 续 . 流量 方 程 的建立 与活塞 速 度 和方 向有 关 , 关 键是 正 确地 求取 阀的 流量 增益 和 压力 流量 增 益凡 . 在 工作点 附近 线性 化 , 并 经拉氏变 换得 到 : 压力 一流量 方程 Q L ( s ) = 凡 · 凡 ( s ) 一 cK · p L ( s ) ( l ) 、产、. 、 , 夕 `, ,、 à 了.、 负载 流量 方 程 Q L ( s ) 气( s ) 又 一 tC , 已( , ) + 羲 , , 凡( , ) + mA · ` 油缸 动力 方 程 一 壳 `” ’ + sB , ` 弋 ( · , + 土 . 李 人 之 ’ 弋( s ) . fL( s ) 综 合式 l( ) , (2 ) , (3 ) 可得 到 非对称缸 传递 函数 : 弋( s ) .K R l (凡戈( s ) / 人 e ) 一了石- (万五乍 s + l ) ’ 亏石 _ ( s ) 了 气 不与l e 刀 , e J 、 t ` s (共 + 笙 : 、 1) 田 孟 似 n 式 中: 田 。 = 2 德 油 缸 负载环 节 液压 固有 频率 ; 。 一 、 德 谓福襄 液压 阻 尼 比 , B 很小 时 可忽 略 , 则 言二 戊恶 ; eA 为油 缸等 效面积 ; mA c 为油 缸平 均 活塞 面 积 ;B 为

·186· 北京科技大学学报 1997年第2期 负载粘性阻尼系数；阝，为有效容积弹性系数；V为油缸等效容积；K为总流量一压力系数 2.2模拟实验装置系统方框图 模拟楔横轧实验装置系统位置反馈闭环方框图如图4)， 阀控缸 K Ve 1/2f(S) 伺服阀 组K+) 控制器 放大器 同服阀 G。 G Ksv 1/Ame Xp(5) 后+2生，+) 位移传感器 图4位置反馈闭环方框围 3系统仿真及分析 3.1系统进行数字仿真 (1)图5为系统开环波德图，可以得到： 系统穿越频率w=27.84r/s,或0。-4.40Hz; 幅值裕量GM6.01dB(大于6dB),相角裕量P-78.86°，上述结果满足系统稳定条件 (伏为系统开环增益) (2)见图6，系统单位阶跃响应图系统调整时间T,≈200s,超调量M。≈2.6%. (③)系统的稳态误差，包括输人误差、元件误差、负载力干扰误差，得到总稳态误差为： e=1.65×10-3. 30 270 20 180 90 曾 0 G -10 -90 -20 180 -30 270 . -360 50 450 -60 540 5 10 50 100 500 ω/st 图5系统开环波德图.一幅值，-相角 3.2仿真结果分析 此系统响应较慢，且有一定的超调量和稳态误差，通过系统结构优化以及加人一定的控 制手段（如PD控制、自适应控制等）可以得到改善

北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 2期 负载 粘性 阻 尼系 数 ;声 。 为有效 容积 弹性 系数 ;Ve 为油缸 等 效容 积 ;戊为总 流量一压 力系 数 . 2. 2 模拟 实验装置系统方框 图 模拟 楔 横轧 实 验装置 系统 位置 反馈 闭环 方框 图如 图 4 [3] . 阀控 缸 伺服 阀 放大 器 凡 K . 、 【」匕三巡丝 兀`丽灭 s + ’ ) ! 控制器 伺服 阀 凡 v Ts v + l l / 人 e s洪 + 矍 : + ; ) 毋孟 田 n 图 4 位里反馈闭环方框图 3 系统仿真及分析 3 . 1 系统进 行数字 仿真 ( l) 图 5 为系 统 开环 波德 图 , 可 以 得 到: 系 统穿越 频 率 田 c = 2 7 . 84 r / s , 或 田 c一 4 . 4 0 比: 幅值 裕 量 G M 一 .6 0 1 d (B 大 于 6 d )B , 相 角 裕 量 wP 一78 . 8 60 , 上 述 结 果 满 足 系 统 稳 定 条 件 式为 系统 开环 增 益.) (jz 见 图 6, 系统 单位 阶跃 响应 图系 统调整 时 间 双 二 2 0 m s , 超调 量 蛛 二 .2 6 % . ( 3) 系 统的稳 态误差 , 包括输 人误 差 、 元件误 差 、 负载力 干 扰误差 , 得 到总 稳态 误差 为 : e = 1 . 6 5 x 10 一 3 . 3 0 2 0 门曰] }川 口厂1日 }川 口门口 门] 口徽」{} }口口日 }川 口门口 门厂1日 } }}} 、 、 、 、 l i尸 ~ 一一 , r se 州 r 州 1 1 1 ` I .J 口i亡~ 一州曰曰二 口日t , 侧I 生 I川卫 - 一 盆. 曰l r , 1 当曰尸一州日t二当 厂} 门门口 1 111 巨二口口气十什卜 厂刃口口 门口「 } }}} } 门门目r 卜卜卜目L \ 口曰日 口日「 }}}} 口口[ }川 、 \ 、 洲曰曰「 曰尸日 }川 厂刁日厂 川 } 四曰口 曰厂厂 ! }!! 厂「 川 } 曰曰日 口厂仁 } {I} 曰厂「 {川 口口口 2 7 0 1 80 9 0 0 。 ~ 一 一 90 ~ 15 0 戈 一 2 7 0 一 36 0 一 4 5 0 一 5 4 0 o0 n ùnU 0 l `, à,、 4 口`只U óōù 国舀P 5 0 10 0 田 / S 图5 系统开环波德 图一幅值 , 一相角 .3 2 仿 真结果 分析 此 系统 响 应较 慢 , 且 有 一 定 的超 调 量 和稳 态误 差 , 通 过 系统 结 构 优化 以 及 加人 一 定 的控 制手 段 ( 如 PI D 控 制 、 自适 应 控制 等)可 以 得 到改 善

Vol.19 No.2 向树春等：楔横轧机液压压下系统模拟实验装置 ·187· M-0.026 T=196.0ms 0 0 60.0120.0180.0240.0300.0360.0420.0 ∥s 图6系统单位阶跃响应图 4结束语 (I)本模拟楔横轧实验装置对实际设备的主要参数简化合理，可以实现楔横轧机液压压 下系统主要参数的模拟，体现实际系统的特征 (2)本装置可以改变影响楔横轧机辊缝控制的主要参数(M,K,),分别或综合进行实验 研究，可获得这些参数对系统的影响规律， (3)可以在本装置上进行控制策略(PID控制、自适应控制等)的研究，这对实际控制方式 的设计和选择有重要意义， (④)本装置可进行伺服阀和比例阀液压控制的实验研究. (⑤)本装置可作为实际系统的参数性能实验及控制策略研究的综合性模拟实验装置，为 实际系统的设计、制造、调试和改进提供可靠而有效的实验数据， 参考文献 】胡正寰.斜轧与楔横轧一原理、工艺及设备.北京：冶金工业出版社，1985 2刘长年液压伺服系统的分析与设计北京：科学出版社，1985 3王硕楔横轧机液压辊缝自动控制系统的设计与研究：[学位论文]北京科技大学，1991 4肖志权液压系统辨识和自适应控制的研究与实践{学位论文]北京科技夫学，1996· Research on Cross Wedge Rolling's Hydraulic Screwdown System Imitative Experimental Device Xiang Shuchun Xiao Zhiquan Yan Zhonghui Mechanical Engineering School.UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The cross wedge rolling mill s hydraulic screwdown imitative experimental device is used for simulating practical system on parameters and control method determina- tion.The component and mathematical model of the imitative experimental device and its performance analysis are introduced.. KEY WORDS cross wedge rolling mill,hydraulic screwdowm system,imitative expermen. tal device

V o l . 19 N O . 2 向树春等: 楔 横轧机液压压 下系统模拟实验装置 桥 = 0 刃2 6 天 = 19 6 刀 m s 0 6 0 . 0 1 2 0 . 0 1 8 0 . 0 24 0 . 0 30 0 . 0 36 0 . 0 4 2 0 . 0 扩S 图6 系统单位阶跃响应 图 4 结束语 (l ) 本模拟 楔 横轧 实验 装置对实 际设 备的 主要 参数 简化 合理 , 可以 实现楔 横轧机 液压 压 下系 统 主要参数的模 拟 , 体现 实 际系统 的特征 . (2) 本装置可 以 改变 影 响楔横轧 机辊 缝控 制 的主 要参数 (M, ,K人), 分 别或 综合进 行实 验 研究 , 可 获得 这些 参数对系统 的影 响规律 . (3 ) 可 以 在本 装置 上进 行控 制策 略 ( IP D 控 制 、 自适应 控 制等 )的 研究 , 这 对实 际控制 方式 的设计 和选 择有 重要 意义 . (4 ) 本装置 可 进行 伺服 阀和 比例阀液 压控 制 的实 验研究 . (5 ) 本装置 可作 为 实 际系 统的参数 性 能实 验及 控 制策 略研究 的综合 性模 拟 实验 装置 , 为 实 际系 统 的设计 、 制造 、 调 试 和改进 提供可 靠而有 效 的实 验数 据 . 参 考 文 献 l 胡 正寰 . 斜轧 与楔横轧一原理 、 工艺及设备 . 北京: 冶金 工业出版社 , 19 85 2 刘 长年 . 液压伺服系统的分析与设计 . 北京: 科学出版社 , 19 8 5 3 . 王 硕 . 楔 横轧机液压辊缝 自动控制系统的设计与研究:[ 学位论文.] 北京科技大学 , 1 991 4 肖志权 . 液压 系统辨 识和 自适应控制的研究 与实践:[ 学位论文.] 北京科技大学 , 19% R e s e ar c h o n C r o s s W e d g e R o l li n g , 5 H y d r au l i e S e r e w d o w n Sy s t e m I m it at i v e E x P e r im e n t a l D e v i c e 曰 长“ n g 肠 u e h u n iX a o 助 i q u a n aY n 及 o n g h u i M e c h a in c al E n g ien e ir gn S e h o l , U S T B e ij i n g , B e ij i飞 10 0 0 8 3 , C hi na A B S T R A C T hT e e ro s s w e d g e ro lli n g 而 11 ’ 5 h y d ra u li e s e re w d o w n im ita it v e e x pe ir m e n tal de v i e e 1 5 us e d fo r s im u l a it n g P rac it e a l s y s te m o n P a ram e te rs a n d e o n t ro l m e ht od de te rm i n a - it o n . hT e e o m po n e n t an d m a ht e m a it c a l m o d e l o f ht e im ita it v e e x pe ir m e n ta l d e v i e e an d i ts pe 而rm anc e an a l y s i s a re i n t r o d uc e d 二 K E Y W O R D S e ro s s w e d g e ro lli n g m ill , h y d ar u li e s e er w d o w m s y s et m , im i at it v e e x pe ir m e n · alt de v i e e