摘要：压下系统是连轧管机的关键设备, 提高压下系统的性能是提高成品钢管质量的途径之一。在分析先进连轧管机对压下性能要求的基础上结合板带轧机中已普遍采用的液压压下装置, 设计出可用于连轧管机的液压伺服压下系统, 并利用AMESim 这一方便、直观、高效的系统建模仿真工具建立了该液压伺服压下系统的仿真模型, 对其动态特性进行了仿真和深入分析, 为连轧管机液压压下装置的设计制造和性能改善提供了参考。
关键词：连轧管机; 压下系统; AMESim; 仿真
随着科学技术的不断进步, 连轧管机向自动化, 高速化, 高精度方向发展。作为连轧管机关键质量设备的压下装置, 传统的电动压下装置由于其固有的响应速度慢, 调整精度低, 轧制力小等缺点已经不能满足生产要求, 而液压伺服压下技术的快速响应性好, 调整精度高, 系统安全可靠, 能实现过载保护等优点已成为先进连轧管机的发展方向。液压压下系统的动静态品质的好坏直接影响系统的稳定性, 响应的快速性和控制精度, 因此, 对液压压下系统进行动态特性仿真分析一方面可以进一步了解系统特点和为优化这一系统提供依据, 对以后压下系统的控制系统设计有着重要的意义。另一方面可以节约人力和资金, 缩短设计周期, 避免重复试验和加工带来的损失, 降低产品开发成本。
1 液压压下系统简介
根据对目前国内钢管厂使用的进口先进连轧管机和板带轧机上采用的液压压下系统的相关资料分析, 选用板带轧机中的自动位置控制系统(APC) 能够满足连轧管机的压下性能指标。自动位置控制的方框图如图1 所示。相应的压下液压原理图如图2 所示。
图1 自动位置控制系统的方框图
1, 8- 液压泵; 2, 6- 单向阀; 3- 蓄能器; 4- 伺服阀; 5- 压下油缸; 7, 9- 溢流阀
图2 压下液压原理图
2 仿真环境介绍
AMESim (Advanced Modeling Environment for Simulations of Engineering System) 是法国IMAGINE公司开发的一种新型的高级建模和仿真软件, 其全称为工程系统高级建模和仿真平台。它为用户提供了一个系统工程设计的完整平台, 使用户可以在同一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型, 集成有鲁棒性极强的智能求解器和严谨的非连续处理功能以及齐全的线性化分析工具(系统特征值的求解, Nyquist 图,Bode 图, Nichols 图, 根轨迹分析等), 使用户在仿真计算后可以非常方便地分析和优化自己的系统。
AMESim 友好的图形化界面和用户可以直接使用该软件提供的丰富的元件应用库来构建复杂系统的模型, 使它可用于研究任何元件和系统的稳态和动态性能, 使其成为当今领先的多学科系统建模、仿真及动力学分析软件。
3 压下系统模型的建立
3.1 液压压下仿真模型的建立:
从机械、控制、液压应用库中选取相应的元件建立的仿真模型如图3 所示:
图3 压下系统的仿真模型
3.2 关键元件的模型和参数选择
在仿真软件AMESim 中建立好需要仿真的系统模型后, 仿真质量的好坏就在于关键元件模型的选择和参数的确定。对液压系统进行仿真时, 不仅系统整体的数学模型起着决定性的作用, 模型中的结构参数和试验数据也是同样重要的。
3.2.1 液压泵部分
泵PU001 是理想的定量液压泵, 没有考虑泵的机械和容积效率。
设定两个泵的排量均为60mL/rev,额定转速为1500rev/min。
3.2.2 溢流阀部分
溢流阀RV00 是简单的溢流阀模型, 没有考虑动力学因素。溢流阀导通时的流量压力曲线特性是线性的, 设定主溢流阀的溢流压力为21MPa, 副溢流阀的溢流压力为4MPa。
3.2.3 蓄能器部分
蓄能器HA001 是服从于波义耳气体定律的蓄能器动态模型。因为蓄能器中的油液释放速度很快, 设定气体工作于绝热过程。设预充气压力为13MPa, 蓄能器容积为40L。
3.2.4 伺服阀部分
伺服阀HSV34- 01 是三位四通伺服阀的通用模型, 它的数学模型为二阶振荡环节, 主要参数为伺服阀的固有频率ωsv 和伺服阀的阻尼比ζsv。依照选用的伺服阀样本设定伺服阀的固有频率为75Hz, 阻尼系数为0.8。
3.2.5 液压缸部分
液压缸HJ020 考虑了活塞两边容腔的压力动态, 黏性阻力, 活塞两边的泄漏。依实际情况设活塞直径为320mm, 活塞杆直径为260mm, 行程为60mm。
3.2.6 电气元件部分
放大器GA00 表示伺服阀的放大器, 其放大器的增益在仿真中可调。阶跃信号STEP0 用来给系统提供一阶跃信号。位移传感器DT000 按默认设置就可。
4 仿真结果分析
在AMESim 的Parameter mode 模式下, 设置批处理参数放大器GA00 的放大增益分别为2000,4000, 6000, 8000, 10000。在Run 模式下设定仿真时间为6s, 仿真间隔为0.001s, 仿真类型为批处理运行, 设定阶跃信号STEP0 在1s 后给定阶跃信号运行仿真模型得到质量块MAS002 的位移曲线如图4。
图4 压下系统的阶跃响应曲线
在Run 模式下选取线性分析工具(Liner analysis),打开阶跃信号STEP0 和位移传感器DT000 的变量列表对话框,设置阶跃信号的输出值为控制量, 传感器端口1 的位移为观测量, 选取线型分析状态列表得图5, 由图5 可查看已设置的控制量和观测量。由图4 可知该压下系统在5s 时已经处于平衡位置, 添加线性分析时间为5s, 仿真类型为单处理运行, 重新运行仿真后选取频率响应可画出该系统的闭环伯德图, 如图6 所示。运用批处理仿真还可得出不同放大器增益时系统的闭环伯德图, 如图7 所示。 
图5 线性分析中设置的控制量和观测量
图6 压下系统的闭环伯德图
图7 不同放大器增益时系统的闭环伯德图
由图4 可以看出, 随着放大器增益的增加, 系统的响应速度加快, 达到稳态的时间缩短。并且可知当放大器增益较小时改变放大器增益可显著改善系统快速响应性能, 而当放大器增益较大时改变放大器增益对系统的响应性能影响较小。通过仿真可知当放大器增益超过一定值时活塞的位移曲线上下振荡, 系统将变得不稳定。
由图6 系统的闭环伯德图可求出系统的幅值频宽、系统闭环固有频率、相位频宽等。由图可知压下系统的幅值频宽较小, 相位频宽较大。而通过图7对比不同放大器增益系统的闭环伯德图可知改变放大器增益几乎对系统的闭环幅频图和相频图没有影响, 因而要提高系统的性能时需要采用其它的校正方案。
5 结束语
通过对该压下系统建模和仿真分析, 证明该压下系统满足设计要求, 为以后进行控制系统的设计分析、校正和仿真奠定了坚实的基础。建模和仿真分析过程表明, 利用AMESim 进行液压系统建模仿真具有方便、快捷、准确的优点, 使用户从烦琐的数学模型中解放出来, 专心于物理系统本身的设计, 起到了缩短产品设计周期, 降低产品开发成本和增加可靠性的作用, 为连轧管机液压压下系统的设计和制造提供了重要参考。
参考文献
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