转炉煤气回收切换站液压伺服系统的仿真研究

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随着国家节能减排政策的不断深入推广，在冶金行业要求清洁节能型的生产工艺迫在眉睫 。中国重型机械研究院经过多年实践开发的转炉干法除尘及烟气回收利用技术 由于其除尘效果好 ，回收利用率高，给国内大型转炉冶炼的节能减排、环境治理和建立环境友好型工厂开辟了新的道路，该技术已成功应用于国内大型钢厂。液压伺服切换站是转炉煤气回收系统重要的设备，在吹炼过程中，铁水中的碳氧化物为CO和CO ，冶炼每吨钢铁约产生50 m。～100 m的cO口 ，通过伺服切换站，可以将这些能源回收进煤气柜重复利用，在故障状态快速切换到烟气放散状态。

1 伺服切换站系统在炼钢过程中，烟气放散或回收是由CO的浓度条件来触发切换站的，通过切换站的两个分别通往煤气柜和烟囱的钟形阀来控制，实现放散和回收的快速切换。在放散转回收之前，首先通过烟囱钟形阀对风机下游的压力进行憋压，即必须保持-个小的正压，以防止煤气从煤气柜倒流，因此针对两种不同的切换方式，在程序中也必须由具有两个不同设定值的差压控制回路来控制切换过程，该控制器的输出信号控制烟囱钟形阀的开度调节，使煤气柜钟形阀前后的压差达到相应的设定值 ，从而保证煤气在正常切换或紧急快速切换过程中均能实现无压力扰动切换 。回收和放散钟阀并不是同时打开或关闭，其中-个阀门处于在-定开口位置 ，因此切换站采用液压伺服控制系统，满足系统稳定性、快速性和准确性的基本要求。

收稿日期：2012-10-15作者简介：刘杰(1984-)，男，硕士研究生。主要研究方向为流体传动与控制。

钟形阀阀芯的运动为垂直方向，在液压系统事故状态下 ，阀芯可靠 自重落下关闭回收端和打开放散端，以保证系统安全运行 。同时系统中还配有蓄能器，在作业过程中发生事故，烟气流可被迅速地从通往煤气柜切换到通往火炬的通道里。

2 系统的数学模型钟形阀由伺服液压缸驱动，是典型的电液位置伺服系统。本文根据实际生产参数建立电液位置伺服系统的数学模型，其中伺服阀控液压缸原理如图1所示。

PoO图1 阀控液压缸原理图该伺服液压缸驱动系统主要仿真参数有活塞杆外径 50 mm，缸筒外径 80 mm，行程 700 mm，液压缸有效工作面积3.0615 cm ，伺服阀型号ParkerBD-15，额定电流60 mA，供油压力 16 MPa。钟形阀折算到活塞杆上的质量约为1 530 kg。

2.1执行机构模型1)滑阀流量方程为：qL X -KcpL (1)2013年3月 刘杰，等：转炉煤气回收切换站液压伺服系统的仿真研究 第 11页2)液压缸流量的连续性方程为：钆 ：dxpCtppL-- (2) p3)液压缸和负载的力平衡方程为：dZxpAp Kxp十凡 (3) pL t pKq券Kce ㈩ c等 等鑫 等式(4)中， 。为总压力-流量系数， 。 C协；1p钆 f乓 1 I 十-(-Oh1j (5)式(5)中， 为液压固有频率， √ 2- 58.57 rad/s为液压阻尼比，液压阻尼比表示系统的相对稳定性。

为获得满意的性能 ，液压阻尼比应具有适当的值。根据经验得知在位置伺服系统中，当伺服阀在零位区域工作时阻尼比的实测值至少0.1～0.2，或更高-些 ，本文取 0.2可得液压缸的数学模型为：1p 3.0615×10～ ，，、--st2 xo.2-1)2.2伺服阀数学模型多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应须高于动力元件的动态响应。此时伺服阀的传递函数可以用二阶振荡环节表示为：qo：-- ! (7) 乓堡 1∞ ∞式(7)中， 为伺服阀的流量增益，m/A；∞ 为伺服阀固有频率，rad/s；为伺服阀阻尼比。

根据ParkerBD-15样本的伺服阀频率响应特性曲线图，可知 09 18 Hz113.04 rad/s，阻尼比 取0.7，伺服阀的额定电流60 mA，阀压降 P 6.8 MPa时的空载流量为57/(60x 1 000)m。/s，可得伺服阀的空载平均流量增益为：- - 0·0158 1TI /(stX.SV 60 000 X 0 06 .A) ×1。

，得伺服阀的传递函数为：-qo： Q：Q! 墨A/ S2 113 04川 113.04 。

23调节器位移环采用PID调节器，这种调节器结构简单容易实现。其传递函数形式为：Gc Kp 1 Tds各模型建立后可得电液位置伺服系统方框图如图2所示。

图2 电液位置伺服系统方框图在上述各环节模型建立后 ，利用MATLAB软件编程可得系统的开环伯德图见图3所示。

要馨 10。 10 10 10 l0频率/(tad/s)图3 开环伯德图第12页 溢体秸幼与控副 2013年第2期从开环传递函数的伯德图中可以看出幅值穿越频率 ∞ 对应的相角裕度为89.5。，相位穿越频率对应的幅值裕度为33 dB，符合系统稳定性条件，系统稳定裕度较大，保证系统实际工作中稳定可靠。

3 仿真研究Matlab的Simulink工具箱是-个对动态系统进行建模 、仿真和分析的软件包，为用户提供用方框图进行建模的接口，使系统模型建立非常容易 。

本文在Matlab软件中的动态仿真工具 Simulink环境下采用 PID控制策略进行仿真。在模型中给定阶跃信号幅值为700，分别取Kp10， 0，KD0和 l5， 0， 0得液压缸实际位移曲线，如图4所示。

图4 不l司增 益下阶跃 响应 曲线从图4中可以看出无论 值取多少，系统在 3 S内可以达到稳定状态，满足现臭急状态放散钟阀快速打开时间要求 ，当 值增大时，系统的响应变快，但会使系统有较大的超调而产生震荡，在现场实际使用中不希望系统出现较大超调。

在放散转回收以及回收切换至放散时，放散钟形阀伺服液压缸不能直接关闭而是先关-半再完全关闭，在模型中分别给定阶跃信幅值为350、700，响应曲线如图5所示。

图5 连续阶跃响应曲线从图5中可以看出系统在连续给定信号下，响应曲线较好 ，达到稳定状态的动作时间满足工艺生产要求。

分别对 091 rad/s和∞5 rad/s的正弦信号进行仿真，响应曲线如图6所示。

(a)∞：1 rad/s响应曲线 (b)CO5 rad/s响应曲线图6 不同正弦信号输入响应曲线从图6(a)中可以看出，系统在位移跟随控制时存在-定滞后，但是满足紧急状态下最短切换时间要求。图6(b)在给定 CO5 rad/s正弦信号进行仿真，随着信号频率的增高，系统动态响应性能变差，输出幅值衰减很大。

4 结 语建模过程和仿真结果表明，建立系统数学模型并进行分析仿真，分析系统的动静态特性，可以有效地预见系统的输出，达到对系统工作状态的了解 ，提高我们在设计和分析系统的效率。80 t转炉煤气回收系统现已投入生产使用，采用PID控制器满足控制精度要求，系统投运至今运行可靠。