СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
METHOD AND DEVICE FOR ACTIVE SUPPRESSION OF PRESSURE OSCILLATIONS IN HYDRAULIC SYSTEM

Предложенное изобретение относится к способу и устройству для активного подавления колебаний давления или пульсаций давления в гидравлической системе прокатного стана холодной или горячей прокатки или установки обработки полосы для железных, стальных или алюминиевых материалов.
Известно, что периодически возникающие колебания давления или апериодические пульсации давления в гидравлических системах обуславливают различные проблемы, например, чрезмерное создание шума, сокращение срока службы компонентов, помехи в контурах регулирования и т.п. Колебания или пульсации давления могут вызываться либо внутри гидравлической системы, например, из-за неравномерности подачи насоса или из-за регулирования клапанов и т.д., но также могут обуславливаться внешним образом, например, из-за периодических колебаний нагрузки в гидравлических цилиндрах или моторах. Также известно, что, в частности, в гидравлических системах с высокой динамикой, например, состоящих из постоянного гидравлического клапана (например, электрически управляемого пропорционального или сервоклапана) и гидравлического цилиндра или мотора, могут возникать сильные колебания давления в гидравлической системе.
Оказалось, что также в гидравлических системах современных прокатных станов или установок обработки полосы, например, при гидравлической установке прокатных валков, могут возникать слишком сильные колебания давления, которые могут привести к сокращению срока службы компонентов, а также к значительным повреждениям клетей прокатного стана и/или к дефектам в прокатываемом материале. Это, прежде всего, обусловлено тем, что, с одной стороны, ввиду высоких усилий прокатки, или скоростей прокатки, применяются все более быстро реагирующие гидравлические системы (более высокая динамика), а с другой стороны, ввиду повышенных требований к времени реакции и экономичности, демпфирование в гидравлических системах (например, вязкое демпфирование в прокладках цилиндров) снижается.
Из DE 4302977 А1 известно устройство для активного подавления колебаний давления в гидравлическом агрегате, которое имеет датчик давления, устройство регулирования с соответствующим усилителем и компенсатор объема. Конкретные предписания для выполняемого способа или надлежащие указания для предпочтительного использования устройства в гидравлической системе прокатного стана или установки обработки полосы из этой публикации, в общем случае, не следуют.
Задачей изобретения является создание способа и устройства для активного подавления колебаний давления или пульсаций давления в гидравлической системе прокатного стана холодной прокатки или горячей прокатки или установки обработки полосы, с помощью которых возникающие колебания или пульсации давления могут особенно эффективно подавляться посредством простого и экономичного устройства.
В последующем описании не проводится различия между периодически возникающими колебаниями давления и апериодически возникающими пульсациями давления; оба типа колебаний в общем обозначаются как колебания давления.
Эта задача решается способом вышеназванного типа, в котором следующие этапы способа проводятся в указанной последовательности:
а) определение сигнала давления посредством приемника давления путем непрерывного измерения давления в гидравлической системе;
b) определение переменной составляющей сигнала давления;
c) определение по меньшей мере одного изменяющегося во времени параметра регулирования в реальном времени с помощью регулятора с учетом по меньшей мере одного заданного значения и переменной составляющей;
d) нагружение по меньшей мере одного исполнительного элемента параметром регулирования, причем исполнительный элемент изменяет соответствующий параметру регулирования и связанный с гидравлической системой объем, за счет чего колебания давления в гидравлической системе подавляются.
При этом сигнал давления определяется посредством приемника давления (например, с пьезоэлектрической, пьезорезистивной или DMS (тензорезистор) измерительной ячейкой) путем непрерывного измерения давления в гидравлической системе прокатного стана холодной или горячей прокатки или установки обработки полосы для железных, стальных или алюминиевых материалов. Под гидравлической системой понимают участок (обычно гидравлический контур или гидравлическую ось) гидравлической установки, которая находится во взаимном гидравлическом соединении, например, участок между гидравлическим клапаном и гидравлическим цилиндром, включая гидравлические линии или гидравлические шланги. Затем из сигнала давления определяется переменная составляющая, то есть постоянная составляющая сигнала давления удаляется, и подается на регулятор. Определение переменной составляющей может осуществляться либо посредством электронного фильтрового компонента, либо посредством цифрового фильтра (например, удаление постоянной составляющей посредством «скользящего окна», состоящего из n измеренных значений сигнала давления (порядок фильтра n); разумеется, удаление DC составляющей может осуществляться только в алгоритме регулятора); в качестве альтернативы определение переменной составляющей также может осуществляться посредством пьезоэлектрического приемника давления и усилителя заряда, который подключен к приемнику давления или встроен в приемник давления. Регулятор определяет с учетом по меньшей мере одного заданного значения и переменной составляющей сигнала давления по меньшей мере один изменяющийся во времени параметр регулирования, который применяется для нагружения по меньшей мере одного исполнительного элемента с изменяемым объемом. Посредством нагружения параметром регулирования исполнительный элемент освобождает объем, который соответствует параметру регулирования. Иными словами, посредством исполнительного элемента объем гидравлической системы изменяется, благодаря чему следующее за колебанием давления колебание объемного расхода по меньшей мере частично компенсируется и, следовательно, колебание давления подавляется. Параметр регулирования, равный нулю, может, например, соответствовать среднему объему, то есть нейтральному или неотклоненному положению исполнительного элемента; разумеется, также возможно, что параметр регулирования, равный нулю, соответствует минимальному объему; максимальный параметр регулирования может тогда соответствовать, например, максимальному объему. Передача сигнала параметра регулирования от регулятора на исполнительный элемент может осуществляться по кабелю или беспроводным способом (например, по радиосвязи).
Является предпочтительным подвергать переменную составляющую сигнала давления либо высокочастотной, либо полосовой фильтрации. Посредством высокочастотной фильтрации возможна целенаправленная развязка подавления колебаний давления от имеющихся в системе других контуров регулирования, например, регулирования положения или усилия гидравлического цилиндра. Полосовая фильтрация обеспечивает возможность целенаправленного подавления определенных частотных диапазонов колебаний давления (которые, например, совпадают с собственной частотой прокатной клети или подсистемы или имеют высокую амплитуду или интенсивность); разумеется, возможно применение адаптивных полосовых фильтров, которые, например, самостоятельно изолируют частотный диапазон с высокой амплитудой.
Если желательна полная компенсация возникающих колебаний давления, то регулятор при определении параметра регулирования применяет заданное значение, равное нулю.
Так как каждый реальный исполнительный элемент имеет фазовый сдвиг в передаточной характеристике, то является возможным изменяемый во времени параметр регулирования подавать на звено опережения/запаздывания и при этом целенаправленно изменять фазовое положение. Если, например, частотная характеристика исполнительного элемента при определенной частоте f запаздывает на 30°, то можно, например, посредством звена опережения, которое при f имеет фазовый сдвиг 30°, полностью скомпенсировать фазовый сдвиг исполнительного элемента при f.
Другая предпочтительная форма выполнения способа состоит в том, что изменяемый во времени параметр регулирования подается на исполнительный элемент после усиления, тем самым является возможным отделить часть обработки сигнала в регуляторе от части усиления мощности, благодаря чему можно высокие мощности на исполнительном элементе связать с высокой точностью регулирования.
Так как колебания давления в гидравлических системах цилиндров установки имеют непосредственное влияние на качество прокатываемого материала и поэтому являются особенно мешающим фактором, является предпочтительным применять соответствующий изобретению способ в гидравлической системе цилиндра установки прокатной клети.
Другая предпочтительная форма выполнения способа состоит в том, что из переменной составляющей отфильтровываются различные частотные диапазоны, эти частотные диапазоны подаются на по меньшей мере один регулятор для определения изменяемых во времени параметров регулирования, затем параметры регулирования подаются на по меньшей мере один исполнительный элемент, который изменяет соответствующий параметру регулирования и связанный с гидравлической системой объем, благодаря чему колебания давления в гидравлической системе подавляются. Тем самым возможно подавлять не только одну частотную составляющую колебаний давления, но и несколько, например, целочисленных гармоник основного колебания - частотных составляющих подавлять одновременно.
Чтобы обеспечить по возможности непосредственную реализацию соответствующего изобретению способа, которая решает лежащую в основе изобретения задачу, является предпочтительным, что устройство содержит: по меньшей мере один соединенный с гидравлической системой приемник давления для определения сигнала давления, звено для определения переменной составляющей сигнала давления, на которое подается сигнал давления, по меньшей мере одно устройство регулирования, на которое могут подаваться переменная составляющая и заданное значение и с помощью которого может определяться по меньшей мере один параметр регулирования, и по меньшей мере один соединенный с гидравлической системой исполнительный элемент с изменяемым объемом, на который может подаваться параметр регулирования.
Особенно надежные и высокодинамичные исполнительные элементы, которые к тому же также могут создавать высокие усилия, можно реализовать, если исполнительный элемент выполнен как пьезоэлектрический или магнитострикционный исполнительный элемент. Пьезоэлектрические исполнительные элементы известны специалистам; магнитострикционные исполнительные элементы, как, например, исполнительные элементы из материала Terfenol-D от Fa. Etrema, демонстрируют превосходные динамические свойства и могут также предпочтительным образом использоваться.
В другой предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению устройства исполнительный элемент оснащен приемником давления для определения сигнала давления. В форме выполнения приемник давления находится в выполненном как полый цилиндр исполнительном элементе. Посредством этих специальных устройств создаются компактные компоненты из исполнительного элемента и приемника давления, которые должны лишь однократно электрически подсоединяться.
Особенно предпочтительным образом соответствующее изобретению устройство можно интегрировать в гидравлическую систему прокатной установки, по меньшей мере состоящую из гидравлического клапана, гидравлического цилиндра и гидравлической линии или шланга, если устройство соединено с гидравлическим клапаном и гидравлическим цилиндром установки валков прокатной клети. Конструкция является тогда особенно компактной, если устройство встроено в промежуточную пластину гидравлического клапана.
Предпочтительным образом соответствующий изобретению способ или устройство могут использоваться в объединенных установках разливки и прокатки, особенно предпочтительно в двухроликовых литейных установках или в установках для отливки тонких заготовок типа TSP (производство бесконечной полосы).
Другие преимущества и признаки предложенного изобретения вытекают из последующего описания неограничивающих примеров выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - схема участка регулирования для активного подавления колебаний давления в гидравлической системе прокатного стана,
фиг.2 - схема соответствующего изобретению устройства для подавления колебаний давления в гидравлической системе прокатного стана,
фиг.3 и 4 - схемы исполнительных элементов со встроенным устройством измерения.
Фиг.1 показывает принципиальную структуру участка регулирования для подавления колебаний давления в гидравлической системе прокатного стана. Посредством приемника 1 давления определяется сигнал 2 давления в гидравлической системе 10, сигнал 2 давления подается на высокочастотный фильтр 3 (детали электронной схемы см. в публикации: P.Horowitz, W.Hill. The Art of Electronics, Cambridge University Press, Second Edition, 1989), который определяет высокочастотную составляющую сигнала 2' давления и подает на регулятор 4. Этот регулятор 4 вычисляет в реальном времени посредством закона регулировании с учетом переменной составляющей 2' и заданного параметра 5 изменяющийся во времени параметр 6 регулирования, который подается на звено 7 опережения/запаздывания. Посредством звена 7 опережения/запаздывания изменяется фазовое положение параметра 6 регулирования, за счет чего фазовый сдвиг исполнительного элемента 9 по меньшей мере частично компенсируется. После звена 7 опережения/запаздывания сдвинутый по фазе сигнал параметра регулирования посредством усилителя 8 усиливается по амплитуде напряжения и силе тока и затем подается на исполнительный элемент 9. Посредством исполнительного элемента 9 соответствующий параметру регулирования и связанный с гидравлической системой 10 объем изменяется, что по меньшей мере частично компенсирует соответствующие колебаниям давления колебания объемного расхода, за счет чего также компенсируются колебания давления.
На фиг.2 показана схема устройств для подавления колебаний давления в гидравлической системе прокатной клети для прокатки железных или стальных материалов. Сигнал 2 давления определяется посредством приемника 1 давления путем непрерывного измерения давления в гидравлической системе 10 для установки валка 14 для прокатки прокатываемого материала 15 из железных или стальных материалов, причем гидравлическая система состоит из гидравлического клапана 11, гидравлического цилиндра 12 и гидравлической линии 13. При этом приемник 1 давления может находиться либо на участке между пьезоэлектрическим исполнительным элементом 9' и гидравлическим цилиндром 12 (как показано), либо на участке между гидравлическим клапаном 11 и исполнительным элементом 9'. Разумеется, также возможно, что несколько приемников давления размещены между пьезоэлектрическим исполнительным элементом 9' и гидравлическим цилиндром 12 или между гидравлическим клапаном 11 и исполнительным элементом 9. Сигнал 2 давления подается на цифровой регулятор 4, который определяет частотный диапазон переменной составляющей и с учетом заданного значения 5 и с помощью алгоритма регулирования вычисляет изменяющийся во времени параметр 6 регулирования. Параметр регулирования после усиления в непоказанном усилителе подается на пьезоэлектрический исполнительный элемент 9', который освобождает соответствующий параметру 6 регулирования и соединенный с гидравлической линией 13 объем, так что по меньшей мере частично компенсируются соответствующие колебаниям давления колебания объемного расхода, за счет чего также компенсируются колебания давления.
На фиг.3 и 4 показаны схематичные представления магнитострикционного исполнительного элемента 9'' с встроенным приемником 1 давления. На фиг.3 исполнительный элемент 9'' выполнен как полый цилиндр, приемник 1 давления встроен в полость исполнительного элемента 9'', который по отношению к гидравлической системе 10 уплотнен посредством поршня 16, прокладки 17 и корпуса. На фиг.4 приемник 1 давления встроен в исполнительный элемент 9'', за счет чего конструкция узла, состоящего из приемника 1 давления и исполнительного элемента 9'', еще больше упрощена. На фиг.3 и 4 исполнительный элемент 9'' получает питание по электрическому проводнику 18; электрический проводник 19 питает приемник 1 давления и передает измеренные данные на фильтр или регулятор с встроенным фильтром.
Разумеется, соответствующий изобретению способ или устройство могут использоваться в любых гидравлических системах мобильной или промышленной гидравлики.
Перечень ссылочных обозначений
1 приемник давления
2 сигнал давления
2' переменная составляющая сигнала давления
3 полосовой фильтр
4 регулятор
5 заданный параметр
6 параметр регулирования
7 звено опережения/запаздывания
8 усилитель
9 исполнительный элемент
9' пьезоэлектрический исполнительный элемент
9'' магнитострикционный исполнительный элемент
10 гидравлическая система
11 гидравлический клапан
12 гидравлический цилиндр
13 гидравлическая линия
14 валок
15 прокатываемый материал
16 поршень
17 прокладка
18 электрический проводник
19 электрический проводник