王亚强，丘铭军，赵春丽，宁 博，陈国防

(中国重型机械研究院股份公司 西安市重型机械高端液压技术与装备工程技术研究中心, 陕西 西安 710032)

0 前言

连铸机中间包塞棒用于调节中间包的水口开度，控制进入结晶器钢水的流量，进而调控结晶器中钢水液位高度，塞棒控制精度直接影响铸坯质量[1]。因此，连铸工艺要求塞棒控制系统具有较高的稳定性及定位精度[2]。由于变频器位置过近、大功率电器设备密集、功率大、电缆布置集中且铺设长度较大等多种因素的影响[3-6]，某钢厂连铸现场伺服阀控制信号畸变明显，即从上位机传递至伺服阀前端的控制信号变化较大，严重影响塞棒控制系统的控制性能。对此，本文提出并介绍了一种用于塞棒机构精确定位控制的液压伺服控制系统[7-9]，并通过仿真研究该控制系统的跟踪及定位性能。

1 塞棒液压伺服控制系统组成及功能

塞棒液压伺服控制系统主要由伺服阀、伺服液压缸(带位移传感器)、电磁换向阀、溢流阀、蓄能器和过滤器等组成，液压原理图如图1所示。塞棒液压伺服控制系统与电控设备相结合构成位置闭环控制系统，通过对伺服液压缸的驱动与控制，可靠地实现对中间包水口开口度的控制。塞棒液压控制系统包含高精度位置控制、人工压棒控制、事故状态下的快速自动关闭这三种功能[10]，通过三个电磁换向阀的通断来启动或关闭部分回路，实现各功能之间的切换，具体控制逻辑见表1。

图1 塞棒液压控制系统液压原理图

表1 塞棒液压伺服控制系统功能切换逻辑表

位置伺服控制时，系统处于位置控制回路状态，上位机给定位置指令，与伺服液压缸内置式位移传感器反馈的位移信号作比较后，经PID控制器处理再输入至伺服放大器，控制伺服阀阀芯位移，进而控制伺服液压缸带动塞棒动作，最终达到实时控制中间包水口的目的，其工作原理如图2所示。

图2 位置伺服控制原理方块图

人工压棒控制时，系统处于泄压回路状态，伺服液压缸上下两腔连通，在外力的作用下自由窜动，操作手可通过塞棒机构实现塞棒的人工控制。

事故快速关闭时，塞棒液压伺服控制系统断电情况下，快速关闭中间包水口，防止钢水溢流造成事故。此时，系统处于快速关闭回路状态，系统油液或蓄能器储油直接通过电磁阀6.2、单向阀9.1快速进入伺服液压缸下腔，缸体下移，带动塞棒快速关闭水口。

2 塞棒液压伺服控制系统数学模型

塞棒位置控制性能直接影响连铸的铸坯质量，重点考虑塞棒液压伺服控制系统的位置控制回路模型，忽略泄压回路和快速关闭回路等与位置控制无关的液压回路。

伺服阀是零开口四边滑阀，假设四个节流窗口是匹配对称的，且供油压力恒定，回油压力为零，则伺服阀的线性化流量方程为[11]

qL=Kqxv-KcpL

(1)

式中,qL、Kq、xv、Kc和pL分别为伺服阀的负载流量、流量增益、阀芯位移、流量-压力系数和负载压力。

伺服阀选用带位移传感器的位置闭环伺服阀，伺服阀频宽远远大于此液压系统频宽，忽略伺服放大器及力马达的非线性，则伺服阀输入电流与伺服阀阀芯的函数关系为

xv=Kii

(2)

式中,i为伺服阀输入电流，Ki为伺服阀从输入电流至输出流量的放大系数。

所以伺服阀输入电流与输出流量的关系为

qL=KqKii-KcpL

(3)

假定：伺服阀与伺服液压缸连接管道对称且忽略管道内的摩擦损失；伺服液压缸每个工作内压力相同，油温和体积弹性模量为常数；伺服液压缸内为层流流动；活塞处于伺服液压缸中间位置。

则伺服液压缸的流量连续性方程为[12]

(4)

伺服液压缸的输出力与负载力的平衡方程[13]

(5)

式中,mt为活塞及负载折算到活塞上的总质量；Bp为活塞及负载的粘性阻尼系数；K为负载弹簧刚度；FL作用在活塞上的任意外负载力。

某钢厂前期现场检测发现，多个塞棒控制系统中，上位机输出的伺服阀控制信号ix(输出信号)与伺服放大器前端接收信号iy(接收信号)之间存在不同程度的差距，这种差距相对稳定，且不随时间变化。现场采集输出信号和接收信号，并利用Origin数据分析软件对其进行拟合[14]，可得到伺服阀控制信号的畸变函数

iy=f(ix)

(6)

将畸变函数加入至PID控制器和伺服放大器之间，构成伺服阀控制信号畸变下的位置伺服控制系统，如图3所示。

图3 伺服阀控制信号畸变下的位置伺服控制系统

本文列举某伺服阀控制信号畸变前后的信号值，即输出信号和接收信号的数值，如表2所示。利用Origin软件对输出信号与接收信号进行拟合，得到此伺服阀控制信号的畸变曲线，如图4所示，同时得到对应的畸变函数，如式(7)所示。

表2 伺服阀控制信号对比表

图4 伺服阀控制信号畸变曲线

(7)

式中，a=7.549×10-4,b=-0.041,c=0.780,d=-5.050,e=15.030。

3 塞棒液压伺服控制系统仿真

自动开浇时，塞棒液压伺服控制系统按照开口度模型控制塞棒开口[15,16]，整个浇钢过程中，开口度模型前期所包含的多个阶跃信号[17]对塞棒液压伺服控制系统来说最为苛刻。所以本文以该系统对阶跃响应的能力作为控制性能强弱的评判标准。

为对有信号畸变和没有信号畸变时的塞棒液压伺服控制系统进行对比研究，利用AMESim建模仿真平台[18,19]，搭建包含这两种模式的液压模型，具体如图5所示。图5中，“模式选择”可选择伺服阀控制信号是否畸变。

图5 塞棒液压伺服控制系统仿真模型

主要参数设置为伺服液压缸φ50/φ25-100 mm，质量负载为430 kg, 压力源为5 MPa, 伺服阀频宽取30 Hz，开关阀信号取常开。通过对两种模式下的PID参数进行整定，得到有无信号畸变条件下，塞棒液压伺服控制系统对开口度模型曲线的跟踪性能，如图6所示。

图6 塞棒液压伺服控制系统跟踪曲线

本次仿真中，开口度模型曲线给定了两次阶跃信号，分别是11 s时从15 mm阶跃至11 mm、16 s时从11 mm阶跃至13 mm。

仿真结果显示，无信号畸变时，塞棒液压伺服控制系统PID参数整定为P=6,I=0.05,D=0[20]。跟踪全程中，定位精度优于0.02 mm，阶跃响应调节时间小于1 s。有信号畸变时，塞棒液压伺服控制系统PID参数整定为P=9,I=0.3,D=0。跟踪全程中，定位精度优于0.04 mm，阶跃响应调节时间小于0.5 s，能够满足工艺要求。

4 塞棒液压伺服控制系统试验

为了验证塞棒液压伺服控制系统建模理论及模型仿真的正确性，在实验室组建塞棒伺服控制系统测试装置如图7所示，分别由液压动力源、伺服控制阀装置、伺服液压缸、塞棒执行机构及钢液模拟装置组成。图8为控制信号畸变条件下的伺服液压缸位置控制实测曲线。

图7 伺服控制系统测试装置

图8 伺服控制系统位置控制特性曲线

实验测试表明，伺服液压缸位置在控制信号畸变条件下，通过合理选型设计并自适应整定PID参数[21]，伺服系统能快速跟随工艺设定参数，且被模拟钢液的液面控制平稳，位置控制满足现场工艺使用要求。

5 结论

(1)在仿真条件下，伺服阀控制信号畸变时，塞棒液压伺服控制系统仍然满足工艺要求。

(2)通过实验室验证了模型及仿真的正确性，为后续的现场实践提供了理论基础与实践指导。

(3)伺服阀控制信号畸变会导致满足系统要求的最佳PID参数发生改变，且各个塞棒控制伺服阀控制信号的畸变程度有所不同，因此，若要实现每个塞棒液压伺服控制系统控制性能的最佳化，同时减少多个系统控制性能的差异，需逐个整定各自最佳PID参数，或者采用模糊PID等自适应控制策略亦能较好地解决工程实际问题。