冷連軋機(jī)軋制力伺服控制系統(tǒng)的仿真

1、1450冷連軋機(jī)軋制力伺服控制系統(tǒng)的仿真 項(xiàng)目匯報(bào)書 1450冷連軋機(jī)軋制力伺服控制系統(tǒng)仿真分析 班級(jí)：機(jī)電控制工程三班 成員： 指導(dǎo)教師：張偉、艾超 日期：2013年7月9日 目錄 一、緒論 - 1 二、伺服缸設(shè)計(jì)、元件選型 - 2 三、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立 - 5 四、仿真模型 - 8 五、系統(tǒng)特性分析 - 11 六、 心得與收獲 - 14 七、 參考文獻(xiàn) - 15 一、緒論 1.1冷連軋機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 近年來,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)冷軋薄板的需求量越來越大,對(duì)成品質(zhì)量的要求也越來越高。厚度偏差是冷軋板帶最重要的尺寸精度指標(biāo)之一，影響板帶厚度精度的主要因素有:來料本身性能變化所引起的厚度波動(dòng),如熱軋板帶厚度、

2、硬度發(fā)生變化;軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)各設(shè)定參數(shù)發(fā)生變化,如輥縫值、機(jī)架間張力、軋輥轉(zhuǎn)速等冷連軋生產(chǎn)的連續(xù)性和復(fù)雜性,使在實(shí)際軋機(jī)上研究上述各因素對(duì)厚度精度的影響不僅十分困難而且費(fèi)用昂貴,因此,研究高精度的冷連軋過程動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 由于軋機(jī)自動(dòng)化水平及對(duì)板帶材的質(zhì)量要求越來越高，對(duì)軋機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高。目前，液壓技術(shù)的應(yīng)用程度和水平，已成為冶金設(shè)備水平高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 1.2發(fā)展趨勢(shì) 在連軋工藝發(fā)展過程中，軋制過程模型研究一直為鋼鐵研究企業(yè)所重視，由于軋制內(nèi)部機(jī)理十分復(fù)雜，目前對(duì)數(shù)學(xué)模型研究多集中在軋機(jī)體系模型，分析軋制過程中某一因素對(duì)厚度的影響，如張力

3、、軋輥?zhàn)冃蔚龋ǖ哪Ｐ腿狈θ?、完整性。因此建立一個(gè)全面、完整、正確的機(jī)電一體化軋制模型，進(jìn)行軋機(jī)體系在軋制過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)研究是目前的研究趨勢(shì)。 1.3伺服過程分析 壓下力控制簡(jiǎn)圖如下 1 1450冷軋機(jī)軋制力伺服控制系統(tǒng)中，以力作為被調(diào)量，該系統(tǒng)主要由力控制器，電液伺服閥，液壓缸，壓力傳感器等組成。 當(dāng)指令裝置發(fā)出的指令電壓信號(hào)作用于系統(tǒng)時(shí)，液壓缸便有輸出力，該力由力傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號(hào)，與指令電壓信號(hào)相比較，得到偏差電壓信號(hào)。此偏差信號(hào)經(jīng)力控制器放大后輸入到伺服閥，使伺服閥產(chǎn)生負(fù)載壓差作用于液壓缸活塞上，使輸出力向減小誤差的方向變化，直至輸出力等于指令信號(hào)所規(guī)定的值為止。在穩(wěn)態(tài)

4、情況時(shí)，輸出力與偏差信號(hào)成比例。 二、伺服缸參數(shù)設(shè)計(jì)、元件選型 每個(gè)壓下缸按照動(dòng)能相等的原理進(jìn)行質(zhì)量和剛度的計(jì)算: m=20t , k=5?109N 。 最大壓下速度V1=5，返程最大速度V2=15 2.22.21液壓缸的設(shè)計(jì) 2 活塞面積：設(shè)活塞桿的面積A2=其中A1為活塞的面積 根據(jù)液壓力平衡，可列出P1A1=P2(A1-A2)+Fmax 得出A1=0.3055m20.32m2 ，從而得出活塞的直徑d1=640mm, 活塞桿直徑d2=0.85?640=590mm 等效體積Vt=0.32?0.03=0.0096m3 2.22伺服閥的選擇 2.221閥的流量、頻率計(jì)算 選擇液壓閥主要依據(jù)閥的工

5、作壓力和通過閥的流量來確定，本系統(tǒng)的工作壓力在25MPa。 最大流量： Qmax=vmax?A1=5?10-3? 4?0.642=1.61?10-3m3 =96.5 伺服閥的供油壓力Ps=1.5PLmax=1.5?25=37.5Mpa 1Ps=12.5Mpa 3 我國(guó)規(guī)定伺服閥的額定流量指在空載條件下閥的輸出流量值；而國(guó)外，額定流量通常指負(fù)載壓降為7MPa及額定電流下，伺服閥的輸出流量。 伺服閥的流量規(guī)格為 閥壓降?Ps= Q0M=96.5?.5=72.2L/min 考慮系統(tǒng)的泄露等，將伺服閥流量增大30%，則伺服閥的額定流量為 Qom=72.2?130%=96.6 選閥D661-120L/m

6、in 2.222伺服閥選擇的注意事項(xiàng) 除了流量規(guī)格之外，還應(yīng)考慮以下因素： 3 1）流量增益的線性要好，壓力靈敏度大，但對(duì)力控制系統(tǒng)要求壓力靈敏度較低為好； 2）不靈敏度、溫度和壓力零漂盡量小，泄露較??； 3）伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)要求； 4）考慮對(duì)污染的敏感性、是否加顫振信號(hào)、可靠性、價(jià)格的考慮。 2.223伺服閥的選定 根據(jù)數(shù)據(jù)和上圖采用MOOG-D661電反饋三級(jí)電液伺服閥，其主閥 4 芯位置采用位移傳感器進(jìn)行電反饋，內(nèi)置式電子放大器對(duì)閥芯位移進(jìn)行閉環(huán)控制。 閥的基本參數(shù)如下： 額定流量Qm：120 最大供油壓力：31.5Mpa 適用溫度：-20到1200C 此閥適用于高頻響液壓控制系統(tǒng)

7、，如電液位置，速度，壓力，力控制系統(tǒng)。 2.3傳感器的選定 壓力傳感器是HDA3700系列壓力傳感器，采用不銹鋼膜片上的薄層DMS技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)?？傉`差0.5%；壓力范圍6至600bar；信號(hào)輸出4-20mA或0-20mA或1-10V；受溫度變化影響極小。壓力和電信號(hào)的轉(zhuǎn)化由傳感器核心部件檢測(cè)體和放大電路完成，壓力信號(hào)輸出采用0-10V信號(hào)。 5 三、閥控缸力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立 3.1系統(tǒng)方框圖 3.2基本方程與開環(huán)傳遞函數(shù)： 3.2.1偏差電壓信號(hào)為 Ue=Ur-Uf （1） 式中 Ur指令電壓信號(hào) Uf反饋電壓信號(hào) 3.2.2力傳感器方程為 Uf=KfFFg

8、 （2） 15v KfF=2?10-6 750?103?10N 式中 KfF力傳感器增益 Fg液壓缸輸出力 3.2.3力控制器動(dòng)態(tài)忽略，其輸出電流為 I=KaUe （3） 10?10-3 Ka=0.667?10-3 ，式中 Ka伺服放大器增益。15V 3.2.4伺服閥傳遞函數(shù) 在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往高于動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析與設(shè)計(jì)，伺服閥的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。二階近似的傳遞函數(shù)可由下式估計(jì)： Xv/I=KxvGsv(s) （4） 式中 Xv伺服閥閥芯位移； Kxv伺服閥增益； Gsv(s)Kxv=1時(shí)伺服閥的傳遞函數(shù)。 式中

9、 SV伺服閥固有頻率； 6 伺服閥阻尼比。 將所給主要參數(shù)代入： 伺服閥流量增益 KSV=Qmax120=0.2m3s?A) -3In1000?60?10?10 伺服閥的固有頻率 wsv=wn=90HZ 伺服閥的阻尼比 sv=0.5 伺服閥傳遞函數(shù)表示為： GSV(s)=Q0=2?Is wsv2KSV0.2=2 2s2?0.5+svs+1+s+12wsv9090 3.2.5 閥控缸的傳遞函數(shù) 假定負(fù)載為質(zhì)量，彈性和阻尼，則閥控液壓缸的動(dòng)態(tài)可用下面三個(gè)方程描述 QL = KqXv-KcpL QL = ApsXp+CippL+VtspL/4e （5） Fg =AppL =MtsXp+BpsXp+K

10、Xp 式中 Mt負(fù)載質(zhì)量； Bp負(fù)載阻尼系數(shù)； K 負(fù)載彈簧剛度； Ctp液壓缸總泄漏系數(shù)。 由式（1）（5）可畫出力系統(tǒng)的方塊圖，如上圖1。 圖中Kce=Kc+Ctp。 將所給的主要參數(shù)代入，可得 D2 Ap=0.32m2 e=7?108 4 K=1.2?1010N/m Kh=5?1010 Kce=7.8?10-11m3/Pas 7 負(fù)載固有頻率：m=81.34HZ 液壓彈簧與負(fù)載彈簧串聯(lián)偶合的剛度與阻尼系數(shù)比： r=Kce Ap2?11?7.8?10-11 K+K?=0.322?h?11?+=3.1rads 109?1.2?105?10? 液壓彈簧與負(fù)載彈簧串聯(lián)偶合的剛度與負(fù)載質(zhì)量形成的固

11、有頻率： 0=hKhKh1.2?1010+=m1+=81.34?+=150.5rads9KK5?10 閥控缸的阻尼比： 0=1 20Vt1+KKheKce=1.27 由式（5）中的三個(gè)基本方程消去中間變量QL和Xp，或通過圖a的方塊圖簡(jiǎn)化可以得到閥芯位移Xv至液壓缸輸出力Fg的傳遞函數(shù) 閥控缸的傳遞函數(shù)： 2?s2?Bp1?1ss?Ap +s+1 ?0.32?+1-1124 2? ?Kcek10?m?=7.8?10?81.34? 2?2?1.27?s?s220?s?s ? ?+1+s+1 ? ?+1+s+12 ? ? 2?3.1150.5150.5?0?r?0? 四、仿真模型 4.1MATLA

12、B仿真分析 8 圖一 圖二 由bode圖看出，該系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是由于穿越頻率幾乎為零，所以系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，這不滿足系統(tǒng)快速性的要求。 該系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕量較高，響應(yīng)較慢，同時(shí)存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。為了提高系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)加入PID調(diào)節(jié)器。比例環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差， 9 提高系統(tǒng)的快速性。積分環(huán)節(jié)的加入是系統(tǒng)成為I型系統(tǒng)，跟蹤信號(hào)能力增強(qiáng)，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但PI環(huán)節(jié)的加入，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 4.2 PI調(diào)節(jié) PI調(diào)節(jié)后階躍響應(yīng)圖 PI調(diào)節(jié)后開環(huán)bode圖 10 圖中相角裕度=53.8，在3060之間；幅值裕度Kg（dB）=51.2（dB），滿足要求；

13、所以此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，且靈敏性也滿足要求。 五、系統(tǒng)特性分析 5.1時(shí)域分析 圖1 Amesim仿真分析圖 輸入信號(hào)為一階躍信號(hào) 11 輸出信號(hào)： 5.2頻域分析 未校正前：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)是無超調(diào)上升，綜合時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)，可知系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性較好。該系統(tǒng)屬于O型系統(tǒng)，對(duì)于階躍信號(hào)會(huì)存在一個(gè)位置誤差。同時(shí)由圖2知，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與理想值（25MPa）存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。故系統(tǒng)的準(zhǔn)確性有待提高。系統(tǒng)的上升時(shí)間約為1.5S，系統(tǒng)的響應(yīng)較慢。 12 校正后：系統(tǒng)的階躍響應(yīng)存在一個(gè)超調(diào)量，與調(diào)節(jié)前相比，相對(duì)穩(wěn)定性有所下降，但仍能滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與理想值（25MPa）之間幾乎沒有了穩(wěn)態(tài)誤差

14、，準(zhǔn)確性得到了明顯提高。加入PI調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)準(zhǔn)確性得到了很大的改善，但穩(wěn)定性有所下降，同時(shí)快速性沒有得到改善。為了得到更佳的系統(tǒng)性能，需進(jìn)一步調(diào)節(jié)。 5.3校正裝置 5.31影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素 1）系統(tǒng)的開環(huán)增益 降低系統(tǒng)開環(huán)增益，可增加系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 2）積分環(huán)節(jié) 由控制工程基礎(chǔ)我們學(xué)到I型系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，型的穩(wěn)定性較差，再高的系統(tǒng)就更難于穩(wěn)定了 3）系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比 系統(tǒng)的固有頻率越高，阻尼比越大，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度便可能越大。系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性會(huì)越好。 5.32校正的作用 PID調(diào)節(jié)器。比例環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的

15、快速性。積分環(huán)節(jié)的加入是系統(tǒng)成為I型系統(tǒng)，跟蹤信號(hào)能力增強(qiáng)，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但PI環(huán)節(jié)的加入，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降5.33校正 本課題研究的1450冷軋機(jī)是精密軋鋼機(jī)械，它對(duì)軋制過程的穩(wěn)定性，快速性，和精度都有很高的要求。所以對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的校正，并得到了良好的特性。 13 圖中圖中相角裕度=39，在3060之間；幅值裕度Kg（dB）=5.92（dB），基本滿足要求；穿越頻率w=90.4rad/s；所以此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，且靈敏性也滿足要求。 頻寬是指閉環(huán)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅值不低于-3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍（0wBWwb），頻寬表征了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；穿越頻率w基本上確定了系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬。 六、心得與收獲 通過本次三級(jí)項(xiàng)目，我們小組分工合作，積極查找各種資料，結(jié)合老師提供的資料，最終完成了本次1450冷連軋機(jī)軋制力伺 服控制系統(tǒng)仿真分析的項(xiàng)目。通過我們自己查閱資