轧机压下系统机电液耦合特征分析及振动控制

摘要

轧机液压压下系统结构复杂，主要包含轧辊、机架、液压缸、控制装置、传感器及其它辅助装置，是典型的机电液耦合系统。由于轧机是多质量体弹性连接的复杂机械动力学结构，且受到制造工艺和轧机机械材质等因素的限制，和结构变化、外部扰动、非建模动态等因素影响，受此类激励作用时，系统稳定性急剧下降，在工作过程中出现机电液耦合振动，不仅会对生产效率和产品质量造成影响，严重时还会造成设备损坏，甚至危及人身安全。
　　本文首先对国内外轧机研究领域的机电液系统建模、控制、耦合振动及振动抑制等方面进行了综述，阐述了该类研究的进展，并分析了研究手段方面存在的问题，建模与仿真手段的改进对于提高轧机机电液系统分析的准确性具有重要指导作用。在此基础上提出了利用多平台联合建模仿真的方法，并在融合平台上实施机电液耦合振动抑制策略，提供抑制该类振动的新方法。
　　其次研究机电液振动的产生机理等理论，建立轧机液压压下系统的机械、液压和控制系统数学模型。建立机械轧机的轧辊、牌坊和液压缸等结构的质量弹簧多自由度数学模型，再建立液压缸、活塞杆、电液伺服阀液压元件的传递函数模型，并用数学的方法建立整个液压系统与机械结构八自由度的数学模型。搭建了控制环节和传感器的传递函数模型，最终建立考虑机电液耦合的轧机液压压下系统数学模型。
　　为准确模拟轧机压下系统机电液耦合特征，采用三平台联合建模，建立多平台虚拟样机的建模方案。利用ADAMS搭建了轧机液压压下系统的轧辊、轧辊轴承、机架牌坊和液压缸等机械元件，通过添加连接副和驱动将其连接起来。利用AMESim搭建了系统的液压控制部分，利用软件自带库模拟搭建液压缸、电液伺服阀、负载等模块。用Simulink搭建了控制系统的模型，利用轧辊位移做反馈控制量，并采用比例积分对输入信号进行处理。利用三种软件分别建模，完成了轧机液压压下系统虚拟样机的建立。
　　首先利用ADAMS和AMESim联合仿真，以ADAMS作为主软件可以对机械系统进行频域参数的模拟和仿真，以AMESim为主软件时，可进行时域参数的模拟，通过仿真动画与曲线实时观察仿真运行的参数变化。然后利用Simulink和AMESim的联合仿真进行运动学仿真，得到相关参数。最后在前述基础上，采用三平台联合仿真方式对轧机液压压下系统进行了分析，充分发挥各平台的优势，获得更加符合实际工况的仿真结果。
　　针对机电液耦合下的控制问题，首先提出了积分分离控制算法，在积分达到设定阀值时控制积分作用，以解决响应阶段因积分积累造成过超调，达到抑制超调的目的，并在联合仿真平台上进行了验证。针对外部扰动引起的机电液耦合振动问题，设计基于干扰观测器的PI控制模型，联合仿真表明该方法可有效抑制外部扰动，并研究了用低通滤波的方法抑制恒定干扰和随机振动的方法。设计带阻滤波器添加到控制模型，对控制电流信号进行滤波，将系统固有频率附近频率的干扰滤除，以达到消除耦合谐振的目的，这两类控制方法从不同角度均能够消除耦合振动对系统稳定性和控制精度的影响。联合仿真表明该虚拟样机能够更精确模拟实际工况，对抑制耦合振动的仿真分析验证了其有效性。