СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУАКТИВНОГО УМЕНЬШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
METHOD AND DEVICE FOR SEMI-ACTIVE SUPPRESSION OF PRESSURE OSCILLATIONS IN HYDRAULIC SYSTEM

Настоящее изобретение касается способа и устройства для полуактивного уменьшения колебаний давления в гидравлической системе холодно- или горячепрокатного стана или установки для обработки полосы для железных, стальных или алюминиевых материалов.
Известно, что периодически возникающие колебания давления в гидравлических системах вызывают различные проблемы, например, чрезмерное шумоиспускание, уменьшение срока службы компонентов, нарушение контуров регулирования и пр. Колебания давления могут возникать либо в самих гидравлических системах, например, вследствие разницы в производительности насосов или в результате управления клапанами и т.д., либо же в силу внешних причин, например, вследствие периодических колебаний нагрузки на гидравлические цилиндры или двигатели. Известно также, что, в частности у гидравлических систем с высокой динамикой, например, состоящих из высокодинамичного постоянного гидравлического клапана (например, управляемый электрически пропорциональный или сервоклапан) и гидравлического цилиндра или двигателя, могут возникать слишком сильные колебания давления в гидравлической системе.
Оказалось, что даже в гидравлических системах современных групп рабочих клетей прокатного стана или установок для обработки полосы, например, при гидравлическом приводе валков, могут возникать слишком сильные колебания давления, которые могут привести к сокращению срока службы компонентов, а также к значительным повреждениям клетей группы рабочих клетей прокатного стана и/или к дефектам проката. Это обусловлено, прежде всего, тем, что с одной стороны, вследствие повышенных усилий или скоростей прокатки, применяются все более быстро реагирующие гидравлические системы (более высокая динамика), а с другой стороны, вследствие более высоких требований ко времени реакции и рентабельности, гашение в гидравлических системах (например, вязкостное гашение в уплотнениях цилиндров) уменьшается.
Из DE 4 302 977 A1 известно устройство, служащее для активного подавления колебаний давления в гидравлическом агрегате, которое включает в себя сенсор давления, устройство регулирования, снабженное усилителем, и компенсатор объема. Конкретные предписания для осуществляемого способа или, соответственно, дальнейшие указания по предпочтительному применению устройства в гидравлической системе группы рабочих клетей прокатного стана или, соответственно, установке для обработки полосы в описании изобретения не содержатся.
В связи с высокими частотами подавляемых колебаний давления и высокими давлениями в современных гидравлических системах, в частности, предъявляются очень высокие требования к исполнительным элементам активных систем компенсации колебаний. Это приводит к тому, что исполнительные элементы более не являются компактными (в частности, обладают большим объемом) и из-за высоких требований к плотности мощности теперь возможно применение только очень высококачественных и дорогих исполнительных элементов. Другим недостатком активных систем компенсации колебаний является то, что через исполнительный элемент дополнительно в гидравлическую систему вводится энергия, что принципиально ухудшает стабильность всей системы и, в частности, при неточно настроенном регуляторе даже может привести к ухудшению характеристик системы (т.е. при известных условиях амплитуда колебаний давления не уменьшается, а даже увеличивается).
Задачей изобретения является создать способ и устройство, предназначенные для полуактивного уменьшения колебаний давления в гидравлической системе холодно- или горячепрокатного стана или установки для обработки полосы, с помощью которых возможно эффективное уменьшение возникающих колебаний давления посредством простого и недорогостоящего устройства.
Эта задача решается с помощью способа вышеназванного рода, включающего в себя следующие этапы в указанной последовательности:
a) обнаружение сигнала давления посредством датчика давления путем постоянного измерения давления в гидравлической системе;
b) определение переменной составляющей сигнала давления;
c) определение, по меньшей мере, одного изменяющегося во времени регулирующего воздействия в реальном времени с помощью регулятора с учетом переменной составляющей;
d) подача этого регулирующего воздействия, по меньшей мере, на один исполнительный элемент, при этом исполнительный элемент изменяет собственную частоту соединенного с гидравлической системой гасителя колебаний, и за счет этого уменьшается амплитуда колебаний давления в гидравлической системе.
При этом сигнал давления обнаруживается посредством датчика давления (например, с помощью пьезоэлектрического, пьезорезистивного датчика или измерительного элемента тензометического датчика) путем постоянного измерения давления в гидравлической системе, например, прокатной клети прокатной установки. Под гидравлической системой понимается участок (обычно гидравлический контур или, соответственно, гидравлическую ось) гидравлической установки, которая находится в гидравлическом соединении, например, в области между гидравлическим клапаном и гидравлическим цилиндром, включая гидравлические каналы или, соответственно, шланги. Затем по сигналу давления определяется переменная составляющая, т.е. удаляется постоянная составляющая сигнала давления, и подается на регулятор. Определение переменной составляющей может осуществляться либо с помощью электронного блока фильтра, либо с помощью цифрового фильтра (например, удаления постоянной составляющей посредством скользящего окна, англ. «sliding window», состоящего из n значений измерений колебаний давления (порядок фильтра n); но, разумеется, удаление составляющей постоянного тока может также осуществляться уже в алгоритме регулятора); альтернативно определение переменой составляющей может также осуществляться посредством пьезоэлектрического датчика давления и зарядового усилителя, который либо подключен после датчика давления, либо интегрирован в датчик давления. Регулятор определяет, с учетом переменной составляющей сигнала давления, по меньшей мере, одно изменяющееся во времени регулирующее воздействие в реальном времени, которое используется для подачи его, по меньшей мере, на один исполнительный элемент, благодаря чему изменяется собственная частота соединенного с гидравлической системой гасителя колебаний. В этой заявке под гасителем колебаний понимается по сути пассивный элемент, предназначенный для гашения колебаний, например, резонатор λ/4 (англ. «side branch resonator»), резонатор Гельмгольца и прочее. Под «полуактивным уменьшением колебаний давления» следует понимать ослабление амплитуды колебаний давления в гидравлической системе посредством пассивного гасителя колебаний, при этом собственная частота пассивного гасителя колебаний может изменяться с помощью исполнительного элемента. Особенно сильное уменьшение амплитуды колебаний давления возможно тогда, когда путем целенаправленной подачи на исполнительный элемент регулирующего воздействия собственная частота гасителя колебаний изменяется так, что собственная частота гасителя колебаний приводится в соответствие с частотой колебания давления. Передача сигнала регулирующего воздействия от регулятора к исполнительному элементу может происходить посредством кабеля или бескабельным путем (например, по радио).
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа переменная составляющая сигнала давления подвергается полосовой фильтрации. Благодаря этой фильтрации можно отфильтровывать из переменной составляющей либо особенно мешающие составляющие частоты (которые, например, совпадают с собственной частотой прокатной клети или, соответственно, одной из подсистем), либо составляющие частоты с высокой амплитудой или, соответственно, интенсивностью (например, из спектра FFT (Fast Fourier Transform) или PSD (Power Signal Density)) и подавать на регулятор.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления исполнительный элемент изменяет соответствующий регулирующему воздействию объем в гасителе колебаний, причем этот объем соответствует регулирующему воздействию (регулирующее воздействие, равное нулю, соответствует, например, не отклоненному (нейтральному) положению исполнительного элемента; тогда максимальное регулирующее воздействие может, например, соответствовать максимальному отклонению в одном направлении), и благодаря этому изменяется собственная частота гасителя колебаний.
Особенно предпочтительным образом осуществление предлагаемого изобретением способа возможно, когда исполнительный элемент изменяет объем резонатора Гельмгольца или активную длину резонатора λ/4. У этих гасителей колебаний возможно регулирование собственной частоты простым способом.
Так как колебания давления в гидравлической системе приводного цилиндра клети для прокатки железных, стальных или алюминиевых материалов оказывают непосредственное воздействие на качество проката и поэтому создают особенно большие помехи, предпочтительно применять предлагаемый изобретением способ к гидравлической системе приводного цилиндра прокатной клети.
Чтобы получить возможность наиболее непосредственного осуществления предлагаемого изобретением способа, которое решает задачу, положенную в основу изобретения, предпочтительно, чтобы устройство включало в себя соединенный с гидравлической системой датчик давления, предназначенный для обнаружения сигнала давления, звено для определения переменной составляющей сигнала давления, на которое может подаваться сигнал давления, по меньшей мере, одно устройство регулирования, на которое может подаваться переменная составляющая и с помощью которого может определяться, по меньшей мере, одно регулирующее воздействие, по меньшей мере, один соединенный с гидравлической системой гаситель колебаний и, по меньшей мере, один соединенный с гасителем колебаний исполнительный элемент с изменяющимся объемом, на который может подаваться регулирующее воздействие и посредством которого может изменяться объем резонатора гасителя колебаний. Посредством объема резонатора можно, в свою очередь, регулировать собственную частоту гасителя колебаний, благодаря чему собственная частота может быть приведена в соответствие с частотой колебаний давления.
Особенно простое регулирование собственной частоты возможно, когда гаситель колебаний выполнен в виде резонатора λ/4 или резонатора Гельмгольца.
Получить особенно недорогостоящее устройство можно, когда исполнительный элемент выполнен в виде электрического исполнительного элемента с подъемным шпинделем или гидравлического исполнительного элемента. Так как регулирование исполнительного элемента, по сравнению с системами с активной компенсацией колебаний, может осуществляться медленно, вполне достаточно стандартных электрических или гидравлических исполнительных элементов.
Применение предлагаемого изобретением устройства особенно предпочтительным образом возможно тогда, когда устройство соединено с гидравлическим клапаном и гидравлическим цилиндром гидравлического привода валков. Посредством этого монтажа особенно простым способом возможно уменьшение колебаний на валках прокатной клети, благодаря чему возможно эффективное повышение качества проката. Монтаж является особенно компактным тогда, когда устройство встроено в промежуточную плиту гидравлического клапана.
Особые преимущества обеспечиваются при применении в комбинированной литейно-прокатной установке, в частности, в установках для литья тонкой полосы, совсем особо предпочтительно в двухвалковых разливочных установках и установках для литья тонких слябов типа ESP (Endless Strip Production).
Другие преимущества и признаки настоящего изобретения содержатся в последующем описании не ограничивающих примеров осуществления, при этом ссылаемся на следующие фигуры, на которых показано следующее:
фиг.1 схема участка регулирования, предназначенного для полуактивного уменьшения колебаний давления в гидравлической системе;
фиг.2 схема предлагаемого изобретением устройства, предназначенного для уменьшения колебаний давления в гидравлической системе группы рабочих клетей прокатного стана;
фиг.3 и 4 схемы гасителя колебаний, снабженного встроенным исполнительным элементом.
The Art of Electronics, Camridge University Press, Second edition
На фиг.1 показана принципиальная конструкция участка регулирования, предназначенного для уменьшения колебаний давления в гидравлической системе группы рабочих клетей прокатного стана. Посредством датчика 1 давления обнаруживается сигнал давления в гидравлической системе, этот сигнал 2 давления подается на фильтр 3 верхних частот (подробности электронной схемы смотри, например, стр. 35 в P.Horowitz, W.Hill. , 1989), который определяет переменную составляющую 2' сигнала 2 давления и подает на регулятор 4. Этот регулятор 4 рассчитывает в реальном времени посредством закона регулирования с учетом переменной составляющей 2' изменяющееся во времени регулирующее воздействие 6. Сигнал регулирующего воздействия подается затем на усилитель 8, который управляет исполнительным элементом 9, выполненным в виде электрического исполнительного элемента с подъемным шпинделем. С помощью исполнительного элемента 9 изменяется объем резонатора гасителя 13 колебаний, выполненного в виде резонатора Гельмгольца, при этом изменение объема резонатора соответствует регулирующему воздействию 6. При изменении объема резонатора изменяется собственная частота гасителя 13 колебаний, благодаря чему собственная частота гасителя колебаний приводится в соответствие с частотой колебания давления. Благодаря этой мере очень простым, но эффективным способом уменьшается амплитуда колебания давления в гидравлической системе.
На фиг.2 изображено схематично устройство для подавления колебаний давления в гидравлической системе клети, предназначенной для прокатки железных, стальных или алюминиевых материалов. Сигнал 2 давления обнаруживается посредством датчика 1 давления путем непрерывного измерения давления в гидравлической системе 10, при этом гидравлическая система включает в себя гидравлический клапан 11, гидравлический цилиндр 12 и гидравлический канал. Гидравлическая система служит для привода валка 14, служащего для прокатки проката 15. При этом датчик 1 давления может находиться либо на участке между гасителем 13 колебаний и гидравлическим цилиндром 12 (как изображено на чертеже), либо на участке между гидравлическим клапаном 11 и гасителем 13 колебаний. Разумеется, возможно также, чтобы несколько датчиков давления были расположены между гасителем 13 колебаний и гидравлическим цилиндром 12 или между гидравлическим клапаном 11 и гасителем 13 колебаний. Сигнал 2 давления передается на цифровой регулятор 4, который определяет полосу частот переменной составляющей сигнала давления, и с помощью алгоритма регулирования рассчитывает изменяющееся во времени регулирующее воздействие 6. Регулирующее воздействие после усиления в не изображенном усилителе подается на исполнительный элемент 9, выполненный в виде электрического исполнительного элемента с подъемным шпинделем, который изменяет соответствующий регулирующему воздействию 6 объем резонатора в гасителе 13 колебаний, выполненном в виде резонатора Гельмгольца, так что собственная частота гасителя 13 колебаний приводится в соответствие с частотой колебания давления, благодаря чему уменьшается амплитуда колебания давления.
V=LS
На фиг.3 изображен гаситель 13 колебаний, выполненный в виде резонатора Гельмгольца, снабженный интегрированным исполнительным элементом 9. На исполнительный элемент 9 может подаваться регулирующее воздействие 6, благодаря чему может изменяться объем V,  резонатора, где L - длина, а S - площадь поперечного сечения объема резонатора Гельмгольца. Путем изменения объема V резонатора может изменяться собственная частота гасителя 13 колебаний, при этом собственная частота f резонатора Гельмгольца определяется условием
neck
H.Kuttruff. Acoustics - An introduction, Taylor and Francis,
При этом c означает скорость звука в гидравлической жидкости, S' - площадь поперечного сечения, а L' - длину в горловине резонатора (англ. ), L - длину, а S - площадь поперечного сечения объема V резонатора (сравните глава 8.3.3 Резонаторы, в справочнике  2007).
На фиг.4 изображен выполненный в виде резонатора λ/4 гаситель 13 колебаний с интегрированным исполнительным элементом 9. На исполнительный элемент 9 может подаваться регулирующее воздействие 6, за счет чего изменяется активная длина L резонатора λ/4. При изменении активной длины L резонатора λ/4 изменяется собственная частота гасителя 13 колебаний, при этом собственная частота f резонатора λ/4 определяется условием
При этом c означает скорость звука в гидравлической жидкости, S' - площадь поперечного сечения, а L - активную длину.
Разумеется, предлагаемый изобретением способ или устройство может применяться в любых гидравлических системах передвижной или промышленной гидравлики.
Спецификация позиций
1. Датчик давления
2. Сигнал давления
2'. Переменная составляющая сигнала давления
3. Полосовой фильтр
4. Регулятор
6. Регулирующее воздействие
8. Усилитель
9. Исполнительный элемент
10. Гидравлическая система
11. Гидравлический клапан
12. Гидравлический цилиндр
13. Гаситель колебаний
14. Валок
15. Прокат