最优控制理论在液压站节能上的研究与应用

摘 要 4300 mm宽厚板中液压站按照原始设计的泵体数量与实际产量下需要的压力和流量存在优化的空间，根据最优控制理论，分别在检修期间和生产期间使用一键式节能模式和主泵优化控制，对液压站节能具有非常重要的意义。在18台套液压站的基础上，优化后的方案相比原始设计节约电能349.72万kWh，减少电费支出248.3万元。

关键词 最优控制理论；液压站；改造方案

中图分类号：TG315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0117-01

4300 mm宽厚板生产线原始设计年产量180万吨，但是由于钢铁经济形势不景气，为了降本增效，节约环保，现在在年产量40万吨的基础上进行优化控制，本文将在液压站的冗余式设置上深挖潜增效益，利用最优控制理论和鲁棒特性对系统进行分析和研究，查找出泵体的短时停机和生产两种状态下的主泵的最佳数量，从而得以将液压站的耗能在保证设备稳定性和安全性的基础上，最大化的减少耗能降低成本。

1 概论

宽厚板生产线液压站共有近20余套，总装机容量12171 kW，运行容量8611 kW。在“三待”期间，往往因工艺需要不停主泵，而经过观察，仅使用1台主泵即可满足现场使用的压力要求，但是经常是工作中的主泵全部在运转，导致多余的油泵在空转，使电能白白浪费，由于“三待”的时间，短至1 h，长的可达10 h，每小时消耗电能达86110 kWh，如果每年的“三待”时间超过300 h，则会导致2583300 kWh的电能浪费。

另外经过观察，液压站的运行主泵数量相对于当前的生产节奏具备被优化的空间。

2 最优控制理论

最优控制理论，是现代控制理论的一个主要分支，着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。

基于梯度的优化算法是目前常用的确定阀流量的方法，其中目标函数对于控制变量的梯度的求取主要采用摄动法和伴随法。摄动法执行简单且精度高，但计算成本随控制变量数量（泵体数与最佳流量）增大而迅速增加，从而限制其在实际中的应用。根据改进的伴随算法，避免了计算伴随方程的系数矩阵。应用伴随法可以高效地计算目标函数对于控制变量的梯度。利用摄动法计算的梯度值来验证伴随法梯度计算的正确性。

根据最优控制理论，结合液压站功能，得出在两种情况下的泵体数量，并进行验证。

3 主要改造方案和技术要点

宽厚板液压系统采用的主泵为恒压变量泵，根据“液压系统压力由负载决定，而由恒压泵加于限定”的基本原则，即在开始阶段要求低压快速前进，而后转为慢速靠近，最后停止不动并保压，恒压变量泵是在达到泵平身的设定压力后才开始变量，此时流量下降成陡线下降.恒功率变量泵是几乎全压力阶段都在变量，基本保证输出的功率恒定在一定范围内，但是在泵设定的功率范围内，压力上升，流量是全流量输出，当超过这个压力，流量开始下降，以保证输出功率恒定。恒压变量泵的压力流量曲线如图1。

3.1 方案设计

根据液压系统的液压锁，及停电保持零位原则，所实施的液压站一键式改造项目满足现场设备及人员的安全要素。以双边剪液压站说明选取主泵数量的设计原则。

一旦一键式节能后，只留一台泵运行。在这期间，设备所有动作停止，液压缸也处于停止运动状态。所有控制阀阀芯处于停止时的位置，以保持液压缸此时的停止状态。此时，阀台以后的管路到液压缸内的液压油一直保持在内，既不进油也不回油。保留一台泵运行的目的是为了补充所有阀台中有内泄功能要求的控制阀能保持在静止状态的性能要求。而控制阀的内泄流量都非常小，一台泵完全能够满足。另外，液压站每台泵的压力都为265 L/min，在其他部位基本不需要提供流量的前提下，切头剪、定尺剪和双边剪在一台泵提供的流量下可进行换剪刃作业。

两侧同时进行更换剪刃作业需要：57.02*2=114.04（L/min）而且换剪刃过程中这些动作不可能都同时进行，所以，一台泵提供的流量完全满足，同时在流量满足的前提下，泵体的压力也不会降低，也满足压力要求。

而且换剪刃过程中这些动作不可能都同时进行，所以，一台泵提供的流量完全满足，同时在流量满足的前提下，泵体的压力也不会降低，也满足压力要求。

3.2 测试，有必要进行调整泵体数量及程序修改完善

在测试期间发现H2-H5出现一键式节能功能关闭，自动投入自动启动功能时，轧机报急停。经过观察，将自动启动程序内6 s延时启动使用中的全部主泵判断条件进行修改，将延时时间改为15 s，一键式节能功能关闭自动投入液压站自动运行状态时的各主泵延时启动时间改为2 s后，测试结果正常。

3.3 主泵优化

以冷床区液压站H8为例，H8高压泵设计为6用1备，每台泵的额定流量为265 L/min。液压缸尺寸为160*110*180，缸筒直径为160 mm，活塞杆直径为110 mm，最大行程为180 mm。因为液压缸杆腔进油做上升动作时所需的流量比下降时大，所以，只要保证上升时流量满足，下降动作就能完全满足。通过实践应用得知，4台泵在规定时间内输出的流量可完全满足8台液压缸同时上升到位。

所以原设计使用6台泵至少可以减少至4台。另外，液压站及每个区域对应的阀台主管路都有一组蓄能器，每组蓄能器的流量容量为200 L，可在一定时间内补充大量的流量。这样，实际上可进一步减少泵的使用数量。通过生产实际试用，结合每台泵的实际工况，将冷床液压系统高压泵运行数量减少至3台。经过一段时间的使用，可以满足生产需求。

4 应用效果及推广

在三待期间，只保留主泵和循环泵的话，则全线液压站的工作容量为1700 kW（全部液压站的循环泵和单台主泵的工作容量），每小时可减少8611-1700=6911 kWh的电能消耗，以每年的三待时间为300 h计算，则全年可减少2073300 kWh的电耗，以平均电价0.661元计算，则可减少电费支出为137.05万元。在轧钢期间，全线18台套液压站共16台采用减泵模式，全年可以减少电能消耗142.39万kWh，可减少电费支出约101.10万元。

目前在国内生产线还没有大规模使用，具有较好的应用前景和推广价值。

5 结束语

改造后降低了设备的电能损耗，减少了电费支出，降低了成本，实现了降低了设备运行时间，增加了其使用寿命；轧线液压站使用效果良好，液压系统存在的这种降耗空间可以延伸至水系统及其他能耗系统，值得向热处理液压站推广。

参考文献

[1]邓子辰.最优控制理论的发展及现状[J].大自然探索，1994（02）.