軋機液壓控制系統故障仿真研究①

周奇陽 李志勇 周為民 王家興 宋錦春

（1：寶山鋼鐵股份有限公司 上海 2012061；2：東北大學機械工程與自動化學院 遼寧 沈陽 110819）

1 前言

軋機液壓AGC（Automatic Gauge Contol）系統是現代冷連軋機組的控制核心，是實現高質量板材的關鍵技術。液壓AGC系統具有響應速度快、軋制精度高、軋機當量剛度可變、功重比高等優點，因此在冷軋領域被廣泛應用。

AGC控制系統中的微小故障，可能使系統的性能和結構參數發生改變，影響其正常工作。鋼廠冷軋機組是一個十分復雜且龐大的系統，要在實際操作中進行故障模擬不僅成本高昂，并且具有一定的安全隱患。因此故障診斷和模擬是一件十分困難的事情。隨著技術的發展，計算機仿真技術日漸趨于成熟，在計算機上搭建系統模型進行故障模擬具有可靠性和準確性。通過改變能影響系統性能的參數來進行故障仿真模擬，一方面可以為故障診斷方法的研究提供數據，另一方面還可以完善軋機故障系統的故障樣本庫。

許多學者在液壓AGC系統的診斷和預測領域展開研究。文獻［1］利用AMESim仿真軟件對液壓系統建模并仿真，為優化液壓伺服控制系統參數提供了一種方法；文獻［2］利用AMESim軟件與MATLAB相結合的方法開發了模擬軟件平臺，可以對液壓AGC系統在線進行模擬；文獻［3］通過AMESim建立缸體壓下仿真模型，并對幾種情況的位移響應曲線和速度響應曲線進行仿真分析；文獻［4］基于提升液壓設備系統的構成，從熱軋廠液壓設備的用途、周圍環境、故障原因、維護手段四個方面對液壓設備故障進行深入分析；文獻［5］針對軋機液壓控制系統常見故障進行了分析，研究運用故障樹分析方法進行AGC液壓控制系統的故障快速診斷；文獻［6］研究了壓力閉環控制系統，分析了液壓AGC系統的失穩條件；文獻［7］分析了粗軋機液壓系統的液壓故障處理及診斷。本文采用AMESim仿真模擬，為故障診斷和判別提供指導。

2 仿真模型的建立

液壓AGC系統主要是由伺服閥控缸位置閉環控制系統與軋制力閉環控制系統所構成。一個復雜的液壓AGC系統的主要構成元件包括液壓泵站、電液伺服閥、單作用活塞缸、傳感器、測量元件、控制器、進回油油路、蓄能器、軋機輥系、溢流閥等各種液壓閥。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 軋機液壓AGC系統原理示意圖

液壓壓下位置控制系統的工作原理是通過液壓缸位移傳感器的反饋與設定值進行比較，若實測值與設定值存在偏差時，系統會繼續調節液壓缸的位移，直到偏差為零，從而實現閉環控制。但當軋輥接觸軋件，系統的軋制力大于設定值時，系統因軋機的塑性變形而受到外負載力，且外負載力隨著軋機入口側軋件厚度的變化而不斷變化，此時系統自動切換到厚度外環加軋制力內環的控制方式進行控制，軋制力閉環控制原理如圖2所示。

圖2 液壓AGC系統控制原理圖

本文建模所采用的軟件為復雜系統建模與仿真平臺Lab AMESim。對于液壓領域，其包含了一個標準液壓元件庫。液壓AGC系統的數學模型考慮到了軋機入口厚度、出口厚度、軋件的塑性變形等在工作過程中對軋件精度影響較大的因素，因此是一種比較全面且貼近于軋機工況的模型。液壓AGC系統故障總體上可以分為三種類型，即精度型故障、響應速度型故障、元件失效型故障，這四種類型故障是液壓AGC系統故障模擬與診斷的基礎。下面將對典型的故障類型進行模擬和驗證。

3 模型驗證

3.1 液壓缸仿真模型驗證

構建兩個液壓閥控缸系統如圖3所示，可以看出，兩個系統唯一差別在于液壓缸元件，前者為通過HCD庫構建的液壓缸模型，后者為軟件標準庫中自帶的液壓缸模型，仿真時使兩個閥控缸系統的模型參數保持一致，通過HCD庫構建的液壓缸模型環形間隙值為0.01mm。然后對兩個閥控缸系統的位移階躍響應曲線進行比較，位移曲線如圖4所示。圖中X1，X2分別代表了通過HCD庫構建的液壓缸模型的位移曲線和軟件標準庫中自帶的液壓缸模型位移曲線，從圖中可以看出，在參數相同的情況下，兩種模型的位移保持一致。同時也說明了正常工作情況下，液壓液壓缸模型的環形間隙為0.01mm。

圖3 軋機液壓缸AMESim示意圖

圖4 閥控缸位移曲線圖

3.2 液壓缸仿真模型驗證

液壓壓下系統（單側）仿真模型圖如圖5和圖6所示。當系統空載壓下時，給定系統一個幅值為1的階躍信號，得到液壓AGC系統的位移階躍響應曲線如圖7所示，液壓缸速度變化曲線如圖8所示。液壓缸位移在0.22s附近達到穩定值1，其位移誤差滿足系統要求，在空載壓下時，液壓缸最大運動速度約為6.3mm／s，符合液壓AGC系統工作時的速度要求。

圖5 空載壓下仿真模型

圖6 系統軋制狀態下仿真模型

圖7 液壓缸位移階躍響應特性曲線

圖8 液壓缸速度變化曲線

在系統正常軋制時，假設軋機入口鋼板厚度為3mm，入口厚度波動最大值為±0.15mm，軋機出口鋼板的期望厚度為2mm，則通過液壓AGC系統仿真模型得到的軋機出口鋼板厚度曲線如圖9所示。軋機出口鋼板厚度誤差保持在±0.025mm范圍以內，而根據國標及某公司內部要求，公稱厚度為2mm的冷軋鋼板，普通精度的允許偏差為±0.14mm，高級精度的允許偏差為±0.1mm，因此滿足冷軋鋼板的厚度允許偏差。

圖9 軋機出口鋼板厚度變化曲線

通過以上仿真可以看出，基于AMESim建立的液壓AGC系統仿真模型與實際的軋機AGC系統貼近，利用仿真模型對軋機AGC系統進行性能分析具有可靠性。

4 液壓AGC系統故障模擬

4.1 液壓缸內泄漏故障模擬

當活塞與活塞桿之間的靜密封元件或者活塞與套筒之間的動密封元件出現故障時，液壓缸的油液將會在壓力的作用下從高壓腔通過密封間隙流向低壓腔，造成系統的內泄漏。設定環面間隙分別為0.01mm、0.06mm、0.11mm，其中環面間隙為0.01mm時為正常工況。通過對軋制狀態下的AGC模型進行仿真可以得到三種泄漏間隙下的液壓缸的位移曲線和伺服閥輸出流量曲線如圖10和圖11所示。

圖10 不同泄漏間隙下液壓缸位移變化曲線

圖11 不同泄漏間隙下伺服閥輸出流量變化曲線

隨著泄漏模塊直徑間隙變大，液壓缸內泄漏逐漸嚴重。由于內泄漏會導致工作腔的液壓油不斷滲入到有桿腔，導致系統會一直向工作腔中輸入流量，伺服閥輸出流量增大，且工作壓力相比正常時工作壓力減小，同時會導致液壓缸位移達到穩定狀態的時間會增加，且位置誤差增大，從而直接影響了出口板材的厚度精度，影響了系統的正常工作。

4.2 伺服閥閥芯卡死卡滯故障模擬

電液伺服閥是液壓AGC中重要的且容易發生故障的元件之一。伺服閥閥芯卡滯故障是指因油液污染導致伺服閥閥芯運動阻力增大，閥芯運動不順或完全卡死在某一位置的現象，在這里對閥芯質量模塊處的靜摩擦力參數值進行調整，從0N增加到1000N、2000N來模擬伺服閥閥芯卡滯的情況。

由圖12和13可以看出，隨著靜摩擦力的增加，當靜摩檫力增加量較小時，系統各個測量值與正常工作量數值差別很小，有稍微的滯后現象出現，但不明顯。但是隨著靜摩擦力達到一定數值時，閥芯完全卡死，此時伺服閥輸出流量遠小于正常流量，基本為零，同時液壓缸壓力建立不起來、位置不受控導致系統無法工作。從仿真曲線可以看出，閥芯卡滯是一種突發的故障，在堵塞情況不嚴重時，即伺服閥閥芯的驅動力大于靜摩擦力時，系統不會有明顯的故障特征出現，但是當堵塞程度超過一定閾值時，即伺服閥閥芯的驅動力小于靜摩擦力時，伺服閥會發生閥芯卡死故障，所以對于伺服閥應定期檢查，防止由于油液的污染而導致閥芯的堵塞。

圖12 不同靜摩擦力下液壓缸位移變化曲線

4.3 伺服閥位移傳感器增益異常故障模擬

當伺服閥位移傳感器發生增益異常故障時，會造成伺服閥的控制精度、穩定裕度和響應速度出現問題，從而影響系統的性能。

圖13 不同靜摩擦力下伺服閥流量變化曲線

伺服閥正常工作時，位移傳感器的信號輸出增益為1，分別將位移傳感器信號輸出增益分別設為1、1.5、2、2.5，對系統進行仿真得到的位移和流量變化曲線如圖14和15所示，從圖中可以看出，當伺服閥位移傳感器發生增益異常故障時，系統的響應速度會下降，故障時的位移和壓力都略小正常工作時，系統的性能發生明顯下降。且液壓缸位移的不同步會造成軋機壓下封鎖，影響系統的正常工作。

圖14 不同增益下液壓缸活塞桿位移變化曲線

5 結論

本文建立了基于AMESim的液壓缸、伺服閥等重要工作元件的仿真模型及系統的物理仿真模型。并對所建立的元件與系統仿真模型進行了分析驗證和故障模擬。隨著缸泄漏間隙變大，導致位置誤差增大，從而直接影響了出口板材的厚度精度；伺服閥閥芯堵塞程度超過一定閾值時，即驅動力小于靜摩擦力時，伺服閥會發生閥芯卡死故障；當伺服閥位移傳感器發生增益異常故障時，系統的響應速度會下降，液壓缸位移的不同步會造成軋機壓下封鎖，影響系統的正常工作。本文的研究對液壓AGC系統的故障診斷具有設計指導意義。

圖15 不同增益下伺服閥輸出流量變化曲線