孙策1450冷连轧机弯辊力伺服控制系统仿真分析--.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date孙策1450冷连轧机弯辊力伺服控制系统仿真分析-孙策1450冷连轧机弯辊力伺服控制系统仿真分析-1450冷连轧机弯辊力伺服控制系统仿真分析学院：机械工程学院班级：级机电控制班组长：孙策组员：石玉史俊强张瑞超徐少勇指导教师：孔祥东 张伟时间：年月一、绪论11课题背景12液压弯辊装置13液压伺服控制系统介绍34液压弯辊力伺服控制系统3二、弯辊力电液伺服系统的数学模型41弯辊力电液伺服系统的简化分析42弯辊力电液伺服系统的数学模型52.1电液伺服阀的数学模型52.2四通阀控缸的数学模型62.3电液力控制数学模型11三、液压弯辊控制系统的仿真研究131仿真参数的确定及说明131.1参数计算141.2系统参数汇总152系统的频域响应分析163系统的时间响应特性19四、结果分析20五、心得体会20参考文献20-一、绪论1课题背景液压弯辊技术是一种最常用也最有效的板形控制手段，该技术首先出现于60年代，由于其技术上的难度和基础研究起步较晚。近几年来随着生产的发展和科学技术的进步，对于板带材的几何尺寸精度的要求越来越严格，产品质量越来越难以满足市场的要求。因此，提高液压弯辊技术水平将成为板带加工技术发展的重要课题之一。随着钢铁行业的飞速发展，对于弯辊技术的研究成了热门课题，其中对于轧制理论和弯辊力的设定有了一些进步。但是由于液压弯辊系统是一套涵盖液压和轧制的综合系统，液压系统的设计水平直接影响整个弯辊系统的性能，特别是液压系统的稳定性和动态响应性能，更是关系到整个弯辊系统的成败。目前国内对液压弯辊力控制系统的研究还较少，对液压弯辊系统的设计，一般是参照国外同类液压弯辊系统相类比来进行设计，类比的设计方法由于缺乏设计的理论依据，有很大的缺陷性，只能用于型号相似的弯辊系统。 本文针对1450冷连轧机液压弯辊系统进行系统建模、动静态特性分析、仿真，以深入研究整个系统，为设计提供依据，并在此基础上，采用PID控制的基本原理，使液压弯辊系统的设计过程能够科学化、简单化、快速化。2液压弯辊装置液压弯辊调节装置的基本原理是：通过装设在轴承座之间的液压缸向工作辊或支撑辊辊颈施加液压弯辊力，使轧辊产生附加弯曲，来瞬时地改变轧辊的有效凸度，从而改变承载辊缝形状和轧后带钢的延伸沿横向的分布，以补偿由于轧制压力和轧辊温度等工艺因素的变化而产生的辊缝形状的变化，保证生产出高精度的产品。其突出优点是快速、准确，能满足高速度、高精度轧制的要求，实现板形自动控制，能使一种辊型适应多种规格产品的需要，便于磨辊，减少了换辊次数，提高了作业率。液压弯辊按作用的位置不同分类有两种基本方式：弯曲工作辊和弯曲支撑辊。3液压伺服控制系统介绍液压伺服控制系统，是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种自动控制系统。许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率一重量比和大功率的液压伺服控制系统的需要不断扩大，促使液压伺服控制技术迅速发展。特别是反馈控制技术在液压装置中的应用、电子技术与液压技术的结合，使液压伺服控制系统这门技术不论在元件和系统方面，还是在理论和应用方面都日趋完善和成熟，并形成了新的学科，成为液压技术的重要发展方向之一。液压伺服控制除了具有液压传动的各种优点外，还具有反应快、系统刚度大和控制精度高等优点，因此广泛应用于冶金、重型机械、锻压机械、起重机械、汽车、飞机、船舶和军事装备等方面。4液压弯辊力伺服控制系统液压弯辊控制系统属于典型的液压伺服控制系统，它可分为手动调节系统和自动调节系统两类。当采用手动调节系统时，弯辊力的大小是操作者根据对板形的观测、计算(包括使用计算机计算)或操作经验给定的，而无主控量(板形)及干扰量的反馈调节。自动调节系统是由传感器检测弯辊力的变化，再反馈到计算机，由计算机对于液压系统的压力进行调节。显然，自动调节系统具有更高的精度。根据液压放大元件的不同，液压弯辊控制系统可分为泵控弯辊系统和阀控弯辊系统。阀控弯辊系统(节流式)是由伺服阀利用节流原理控制输入执行元件的流量或压力的系统；这种系统是利用电液伺服阀并通过压力传感器的反馈来控制弯辊缸的油压，既简单可靠，又能提高弯辊力的控制精度，故为目前弯辊系统中一种较好的控制方式。本文所研究的1450冷连轧机弯辊力伺服系统正是采用了液压伺服阀控制系统，其工作原理将在后面详加说明。二、弯辊力电液伺服系统的数学模型1弯辊力电液伺服系统的简化分析对于一个复杂的液压系统，在进行仿真以前应当对其作适当的简化，这是系统仿真关键的一个步骤。在简化过程中，去掉对于系统影响不大的因素，保留主要因素。一个系统如果简化地不好，导致方程过于复杂，将增加计算的难度，甚至造成病态方程，无法求解；反之，如果在简化时去掉了对系统影响较大的因素，将使得仿真严重失真，失去了指导设计的意义。本课题控制系统可简化为一四通阀控缸的模型。用差动缸控制钢板的轧制过程，需严格控制轧制弯辊力，使其保持一定值。要求精度高、响应快、输出力大，回程速度快。这种控制系统多用电液伺服阀并通过压力传感器的反馈来控制弯辊缸的油压，进而控制弯辊力的大小。该方法既简单可靠，回程速度快，又能提高弯辊力的控制精度，故为目前弯辊系统中一种较好的控制方式。如图所示，差动液压缸为其弯辊力输出端，其负载可简化为一弹性负载和一阻尼力。液压缸由一个四通电液伺服阀控制。简化后的简化后的元部件包括如下几个部分：油源、伺服阀、油缸、负载、控制系统、管路。本系统是油压闭环控制系统，系统的控制过程如下：油压传感器将采集到的液压缸油压实际值反馈给PID控制系统，PID控制系统将油压实际值与设定压力值比较，经过控制器(一般是比例环节或放大器)运算后得到控制信号，经过模拟量输出通道传给伺服阀，伺服阀根据输入的信号改变阀芯位置从而改变压力的大小，从而使油压值在设定值附近波动。另外，在钢坯进入轧机瞬间和钢坯离开轧机瞬间，产生的强大的冲击力会对工作辊和支撑辊的辊形产生很大的影响，构成了弯辊力控制系统的外干扰，要保证弯辊力控制的精度必须使系统具有较高的抗干扰能力。另外钢坯的断面形状、轧辊的热凸度及其弹性压扁、带钢宽度、张力、轧制速度、轧辊磨损等因素都会引起弯辊力的变化。综上分析，得到电液伺服弯辊力控制系统的方框图，如下图所示:2弯辊力电液伺服系统的数学模型2.1电液伺服阀的数学模型电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能将输入的微小电气信号转换为大功率液压信号(流量与压力)输出。伺服阀的传递函数是伺服阀动态特性的数学模型，即近似线性解析表达式。从自动控制的观点来看，伺服阀是一个高度复杂的元件，它具有高阶的非线性动态特性，其实际动态特性受到供油压力、输入信号幅值、油温、环境温度、负载条件等诸多因素的影响。因此，用一阶、二阶、甚至三阶传递函数描述伺服阀的动态特性，也仅仅是对其实际动态特性的一种近似等效。在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于负载的动态响应。因此，在分析系统的动态特性时，只要求知道伺服阀在一个适当的低频范围内的动态特性，也就是说伺服阀只要求在某个低频区段内与实际伺服阀动态特性有比较精确的近似等效关系，就足以满足系统设计和分析的需要。为简化分析，并考虑到具有较高的等效精度，从实际角度出发，本文中将伺服阀看作二阶振荡环节,研究伺服阀阀芯位移和控制信号即电压信号之间的关系。伺服阀的动态特性是由线圈电流，电磁吸力及衔铁位移的过渡过程特性决定的。其输入输出关系是一个典型的二阶环节，伺服阀阀芯位移百分比对控制信号即电压信号的传递函数为：式中，伺服阀阀芯位移百分比，无量纲控制信号即电压信号，V伺服阀额定电压，V伺服阀等效固有频率，rads伺服阀等效阻尼比，无量纲伺服阀的动态特性除了用数学上的传递函数描述外，还可用频率响应或瞬态响应等实验曲线来表示，这些曲线由生产厂家给出，由样本的频率响应曲线可以确定其固有频率和阻尼比。2.2四通阀控缸的数学模型为了推导四通阀控缸的传递函数，首先要列写基本方程，即液压控制阀的流量方程、液压缸流量连续方程和液压缸与负载的力平衡方程。即以下三个方程：以上三式是阀控液压缸的三个基本方程，它们完全描述了阀控液压缸的动态特性。三式的拉式变换为：式中， 负载流量 负载压力阀芯输入位移液压缸内部泄露系数 液压缸无杆腔的活塞面积 液压缸控制腔初始面积活塞杆侧的活塞有效面积 活塞和负载的总质量 粘性阻尼系数 负载弹簧刚度 任意外负载力由这三个基本方程可以画出阀控液压缸的方框图：由式中的三个基本方程消去中间变量和，或通过方块图变换，可以求出阀芯输入位移至液压缸输出力的传递函数： 式中，阀芯输入位移流量增益系数外部干扰负载力液压缸活塞有效面积活塞及负载折算到活塞上的总质量活塞及负载的粘性阻尼系数负载弹簧刚度总流量-压力系数液压缸外泄漏系数总压缩体积有效体积弹性模量上式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦、弹性负载以及油液的压缩性和液压缸泄漏等影响因素，是一个十分通用的形式。实际系统的负载往往比较简单，而且根据具体使用情况有些影响因素可以忽略，这样传递函数大大简化。在冷连轧弯辊力伺服控制系统中，轧板被轧制变形，所以系统负载时一个弹性负载，被轧材料相当于一个硬弹簧。通常负载粘性阻尼系数很小。若不计外泄漏、负载阻尼的影响。将上式作一系列简化，最后写成标准形式为：式中，流量增益系数液压弹簧刚度负载弹簧刚度总流量-压力系数活塞及负载折算到活塞上的总质量该式可近似地描述三通阀控缸输出力对阀芯输入位移的输出特性。在满足条件时，即： 该式可作进一步简化：式中，负载的固有频率；液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数之比；液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率；阻尼比；总压力增益；2.3电液力控制数学模型当指令装置发出的指令电压信号作用于系统时，液压缸便有输出力，该力由力传感器检测转换为反馈转换为反馈电压信号与指令电压信号比较，得出偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀产生负载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减少误差的方向变化，直到输出力等于指令信号规定的值为止。在稳态状况下，输出力与偏差信号成比例。因为要保持一定的输出力就要求伺服阀有一定的开度。其动态方块图如下图所示：可看出，该系统有两个反馈回路。局部反馈回路是伺服阀从对阀芯输入位移的压力反馈回路；总反馈回路是对输入电气信号的反馈。开环传递函数为：式中，负载的固有频率；液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数之比；液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率；阻尼比；系统的开环增益；三、液压弯辊控制系统的仿真研究随着机电一体化技术在现代机械中的应用，液压系统在一台机械中的造价占整个机械的比重越来越高，并且液压系统越来越复杂，因此对液压系统进行设计和分析的团难越来越大。与此同时，随着计算机的普及以及仿真程序的不断完善，人们可以利用计算机仿真技术方便地进行各种参数和各种设计方案的分析、比较，从而获得最佳设计或最佳控制系统，因此仿真已经成为设计、研究和分析复杂控制系统的主要方法之一。仿真是建立在数值计算原理基础上的模拟分析，主要工具是数字计算机。利用数字计算机仿真的过程大致如下：首先建立被仿真系统的数学模型，其次将数学模型转变成仿真模型，再次编制仿真程序，最后上机操作得到仿真结果，进行仿真实验研究。1仿真参数的确定及说明如何获得系统和元件的准确参数对于研究人员来说是一个很大的困难，仿真参数应该来源于实际工况、可靠的元件样本以及实际测试等。基于建立的数学模型，本节给出仿真参数计算过程，并给予说明。课题给定的设计参数如下表所示。液压元件应由以下参数值进行设计或选取其型号序号参 数 项参 数 值单 位备 注1最大负载力35t2弯辊缸行程40mm3液压油源恒压油源恒压变量泵4工作压力25MPa5有杆腔背压3MPa6油液密度850Kg/m37油液粘度32mm2/s8工作温度409压力检测范围0-40MPa10压力检测输出有杆腔压力传感器4-20 mA11系统刚度4e8N/m1.1参数计算（1）液压缸参数系统供油压力为25Mpa,则取负载压力最大为23Mpa，则液压缸的活塞面积：根据液压缸无杆腔活塞面积与输出力选择液压缸，初步选择力士乐的重载系列的液压缸。其基本参数如下：活塞活塞杆面积比活塞杆在2500bar时的出力/KN活塞面积环形压力差动拉AL/mmMM/mm160100164201.0678.54122.50502.50196.35306.15（2）计算系统固有频率取液压缸初始容积缸总容积液压弹簧刚度由于系统固有频率（3）伺服阀的选择计算负载流量负载压力升到F=5t所需要时间大概为t=200ms.故液压缸速度V=F/K/t=1.25e-4m/s负载流量Q=Ap×V=0.15L/min电液伺服阀选用了力士乐的Rc29564系列电液伺服阀，根据其样本得到其动态特性参数如下：该伺服阀压降为7MPa时，流量为5L/min，额定电流值为30在阀压降为2Mpa时该阀的额定流量为Q0=2.67L/min故该阀的流量增益：由于阀的固有频率Wsv大于5倍的液压系统综合频率W0,故阀可以看做为比例环节，比例系数为（4）压力传感器的选择 压力传感器压力检测范围为060MPa，则折算成力输出后压力检测范围为0-120t,信号输出范围为0 到10v .则反馈的比例系数Kf=1/12V/t.（5）放大器的选择初步选择力士乐公司的系列的放大器，该放大器的基本参数为：输入控制信号，输出的最大电流为30mA1.2系统参数汇总负载质量5000Kg最大负载力35t缸行程40mm缸初始容积8.04e-4m³负载刚度K2e9N/m弹性模量e780Mpa无杆腔面积Ap201.6²液压弹簧刚度Kh1.7e8N/m伺服阀额定流量（2Mpa压降下）3.8L/min额定电流(并联)30mA阀泄露系数Kc5e-11m³/s.pa压力传感器增益Kf1.25e-5V/N伺服阀频率520Hz负载固有频率Wm632.4rad/s系统频率W0Wm=632.4rad/sWr14.7rad/s系统阻尼比00.2放大器增益Ka 1e5mA/v2系统的频域响应分析在综合以上个参数后系统的开环传递函数为：采用simulink仿真，建立开环和闭环传递函数的模型，界面如下：选择线性分析工具，界面如下：绘出系统开环传递函数和的伯德图系统的开环传递函数为：其伯德图为：由图可得，在低频工作段（），伺服阀和四通阀控缸表现出较为平稳的比例特性。输出负载压力对输入控制信号成比例关系变化，有良好的线性特性，响应较为迅速，其幅值裕量较大，能保证系统的稳定性。系统的闭环传递函数：其伯德图为：由图可得出闭环频宽为14.7HZ。3系统的时间响应特性给定单位阶跃输入，采用simulink仿真绘出系统的时间响应曲线：由系统的跃响应曲线可以看出，负载油压从初始状态时到稳定状态大约需要O2s的时间，系统响应的初始阶段无杆腔油压基本上呈线性增长，达到定值时增长相对缓慢。这说明系统稳定性较好，且响应较快。根据弯辊力的工艺要求，05秒满足轧钢的工艺要求。同样的，弯辊位移图和弯辊力图也都验证了系统的这一特性，这里不一一列举。四、结果分析本章首先针对实际课题中的液压弯辊控制系统，确定了模型中涉及的主要参数；利用MATLAB软件中的Simulink工具包构建了与数学模型一一对应的动态结构图，实现了液压弯辊控制系统的仿真，得出了关键控制量的仿真曲线并进行了频域分析和时域分析。通过分析可知弯辊系统在低频工作区具有较好的动态特性，线性特性且系统是稳定的。五、心得体会通过这次项目，我们对液压伺服控制系统有了更进一步的了解，也对此产生了兴趣。这次项目不仅仅是考验一个团队的聪明才智，更重要的是我们在其中真正体会到了什么是合作。一开始我们并不知道做什么，除了课本上的知识，我们还应该拓展些什么呢？后来经过大家智慧的集结，我们又进一步讨论了一些问题，从而提高大家发散思维的能力。其实生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。团体的力量是伟大的，我们一起耐心研究，课下积极查阅资料，一点一滴的积累，虽然困难重重，但是，坚持是我们的信念！当看到自己所做的成果时，心中也不免暗自欢喜。参考文献1李超 贾玉梅 冷轧机弯辊伺服系统控制方案2 陈为国 陈章位 丁凡 吴根茂 热轧机组液压弯辊力控制系统特性分析与改进3 陈树宗 液压弯辊阀控缸伺服系统的建模及仿真研究4 王春行 液压控制系统甘肃工业出版社5 李壮云 液压元件与系统机械工业出版社