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《燕山大学》 2017年
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液压AGC系统失稳机理及非线性动力学行为研究

朱勇  
【摘要】:随着我国制造装备逐渐向智能化和绿色化方向发展,作为国民经济发展重要支柱的冶金工业,除了对轧制装备的智能化水平提出更高的要求以外,对冷轧板带材质量的要求也越来越高。然而,大量生产实践表明,板带轧机在轧制过程中经常发生振动现象,阻碍了轧制生产的高精度、智能化发展进程。液压自动厚度控制(AGC)系统作为保证板厚精度的核心控制系统,其工作的可靠性是保证高精度、高速、连续稳定轧制的关键。因此,为了提高轧制过程运行的稳定性、减少设备的故障发生率、提升产品的质量,本文以液压AGC系统为研究对象,对系统的失稳机理及非线性动力学行为的基础理论展开研究,深刻揭示其产生非线性振动的诱因以及结构参数和非线性因素对系统动力学行为的影响规律,为其振动溯源与抑制奠定理论基础。首先,本文详细介绍了液压AGC系统的组成和功能,并建立了各组成元素的数学模型;根据各组成元素的数学模型和信息传递关系,建立了系统的综合框图,为后续液压AGC关键基础闭环系统绝对稳定条件的推导奠定了基础。另外,还根据推导的传递关系,分别建立了液压AGC关键位置闭环系统和压力闭环系统扰动量的传递框图;并引入Popov频率判据方法,对关键位置闭环和压力闭环系统的绝对稳定条件进行了理论推导,为后续失稳机理研究奠定了理论基础。其次,本文针对液压AGC系统关键未知参数的辨识问题,探索了一种基于自由振动响应信号的系统模型关键参数辨识方法;建立了液压AGC系统垂直振动动力学模型,并利用复化平均法(CA)对模型进行了求解;提出利用快速经验模态分解方法对CA方法的不足进行了改进,提高了求解精度,使改进复化平均法(ICA)能够用于液压AGC系统关键结构参数辨识,并通过试验进行了验证;提出一种基于自适应变步长混沌狼群优化算法的参数修正方法,进一步对基于ICA方法的参数辨识结果进行了修正。再次,本文根据推导出的绝对稳定条件和辨识出的关键参数以及已知参数,对液压AGC系统关键位置闭环和压力闭环系统的失稳机理进行了探究;重点探索了控制腔容积、刚度系数、阻尼系数、增益系数等因素对系统稳定性的影响机理;建立了液压AGC系统非线性作用下的负载垂直振动模型,采用多尺度法对模型进行求解获得了系统的幅频特性方程,并进一步应用奇异性理论对系统的分岔特性进行了分析。另外,本文还重点以非线性刚度作用系数、无杆腔初始位移、非线性阻尼作用系数和外激励力为研究对象,探索了这些参数变化对负载垂振系统幅频响应的影响规律;并对不同参数条件下系统的分岔行为和典型非线性动力学行为进行了研究,以揭示系统非线性动力学行为的产生机理及诱因。最后,本文搭建了液压AGC系统振动测试系统并进行了非线性振动试验;基于虚拟仪器开发平台LabVIEW自主开发了振动数据采集系统。另外,本文还对数据预处理方法进行了探索,针对实测信号包含背景噪声和无效分量的问题,提出一种极点对称模态分解与K-L散度相结合的信号有效分量提取方法,用于有效去除噪声和趋势项等干扰因素的影响;针对传统频域积分方法存在低频敏感性及累积误差放大效应的不足,提出一种基于振动烈度低频滤波修正的频域积分方法,用于振动加速度信号与振动速度信号及振动位移信号之间的精确转换。最后,通过对实测数据的分析,对本文相关理论研究的正确性进行了验证。本文研究不仅可以为液压AGC系统非线性动力学性能评价及优化设计奠定理论基础,而且可以为提高液压AGC系统运行的稳定性、防止系统产生非线性振动提供理论借鉴。研究成果将有助于保证轧钢生产的安全稳定运行、提高成材率和产品质量,对促进我国冷轧行业的科技进步、加快我国由钢铁大国向钢铁强国转变,具有十分重要的理论指导意义和工程实际意义。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG333.7

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