1450冷连轧机轧制力伺服控制系统的仿真Word格式.docx
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来料本身性能变化所引起的厚度波动,如热轧板带厚度、硬度发生变化;
轧机厚度控制系统调节时各设定参数发生变化,如辊缝值、机架间张力、轧辊转速等Λ冷连轧生产的连续性和复杂性,使在实际轧机上研究上述各因素对厚度精度的影响不仅十分困难而且费用昂贵,因此,研究高精度的冷连轧过程动态仿真系统具有重要现实意义。
由于轧机自动化水平及对板带材的质量要求越来越高，对轧机执行机构及控制系统的性能要求也越来越高。
目前，液压技术的应用程度和水平，已成为冶金设备水平高低的一项重要指标。
1.2发展趋势
在连轧工艺发展过程中，轧制过程模型研究一直为钢铁研究企业所重视，由于轧制内部机理十分复杂，目前对数学模型研究多集中在轧机体系模型，分析轧制过程中某一因素对厚度的影响，如张力、轧辊变形等，所建的模型缺乏全面、完整性。
因此建立一个全面、完整、正确的机电一体化轧制模型，进行轧机体系在轧制过程中的实时动态研究是目前的研究趋势。
1.3伺服过程分析
压下力控制简图如下
1450冷轧机轧制力伺服控制系统中，以力作为被调量，该系统主要由力控制器，电液伺服阀，液压缸，压力传感器等组成。
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电压信号，与指令电压信号相比较，得到偏差电压信号。
此偏差信号经力控制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，使输出力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令信号所规定的值为止。
在稳态情况时，输出力与偏差信号成比例。
2、伺服缸参数设计、元件选型
2.1设计参数
序号
参数项
参数值
单位
备注
1
最大负载力
750
t
2
伺服缸行程
30
mm
3
液压油源
恒压油源
恒压变量泵
4
工作压力
25
MPa
5
有杆腔背压
6
油液密度
850
Kg/m3
7
油液粘度
32
mm2/s
工作温度
40
℃
8
压力检测范围
0-40
9
压力检测输出
有杆腔压力传感器
4-20mA
10
系统刚度
5e9
N/m
2.11负载参数：
每个压下缸按照动能相等的原理进行质量和刚度的计算:
m=20t,k=。
最大压下速度V1=5，返程最大速度V2=15
活塞杆面积A2
而负载的等效黏性阻尼系数=
2.2伺服缸设计、元件选型
活塞面积A1
2.21液压缸的设计
活塞面积：
设活塞杆的面积A2=0.85A1其中A1为活塞的面积
根据液压力平衡，可列出
得出，从而得出活塞的直径d1=640mm,
活塞杆直径d2=
等效体积
2.22伺服阀的选择
2.221阀的流量、频率计算
选择液压阀主要依据阀的工作压力和通过阀的流量来确定，本系统的工作压力在25MPa。
最大流量：
伺服阀的供油压力
阀压降
我国规定伺服阀的额定流量指在空载条件下阀的输出流量值；
而国外，额定流量通常指负载压降为7MPa及额定电流下，伺服阀的输出流量。
伺服阀的流量规格为
考虑系统的泄露等，将伺服阀流量增大30%，则伺服阀的额定流量为
选阀D661--120L/min
2.222伺服阀选择的注意事项
除了流量规格之外，还应考虑以下因素：
1）流量增益的线性要好，压力灵敏度大，但对力控制系统要求压力灵敏度较低为好；
2）不灵敏度、温度和压力零漂尽量小，泄露较小；
3）伺服阀的频宽应满足系统要求；
4）考虑对污染的敏感性、是否加颤振信号、可靠性、价格的考虑。
2.223伺服阀的选定
根据数据和上图采用MOOG-D661电反馈三级电液伺服阀，其主阀芯位置采用位移传感器进行电反馈，内置式电子放大器对阀芯位移进行闭环控制。
阀的基本参数如下：
额定流量：
120
最大供油压力：
31.5Mpa
适用温度：
-20到120
此阀适用于高频响液压控制系统，如电液位置，速度，压力，力控制系统。
2.3传感器的选定
压力传感器是HDA3700系列压力传感器，采用不锈钢膜片上的薄层DMS技术，结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长。
总误差0.5%；
压力范围6至600bar；
信号输出4-20mA或0-20mA或1-10V；
受温度变化影响极小。
压力和电信号的转化由传感器核心部件检测体和放大电路完成，压力信号输出采用0-10V信号。
三、阀控缸力控制系统的数学模型建立
3.1系统方框图
3.2基本方程与开环传递函数：
3.2.1偏差电压信号为
Ue=Ur-Uf
（1）
式中Ur——指令电压信号
Uf——反馈电压信号
3.2.2力传感器方程为
Uf=KfFFg
（2）
KfF==
式中KfF——力传感器增益
Fg——液压缸输出力
3.2.3力控制器动态忽略，其输出电流为
ΔI=KaUe（3）
，式中Ka——伺服放大器增益。
3.2.4伺服阀传递函数
在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应。
为了简化系统的动态特性分析与设计，伺服阀的传递函数可以简化，一般可用二阶振荡环节表示。
二阶近似的传递函数可由下式估计：
Xv/ΔI=KxvGsv（s）（4）
式中Xv——伺服阀阀芯位移；
Kxv——伺服阀增益；
Gsv（s）——Kxv=1时伺服阀的传递函数。
式中——伺服阀固有频率；
——伺服阀阻尼比。
将所给主要参数代入：
伺服阀流量增益
伺服阀的固有频率
=90HZ
伺服阀的阻尼比
伺服阀传递函数表示为：
3.2.5阀控缸的传递函数
假定负载为质量，弹性和阻尼，则阀控液压缸的动态可用下面三个方程描述
QL=KqXv-KcpL
QL=ApsXp+CippL+VtspL/4βe（5）
Fg=AppL=MtsXp+BpsXp+KXp
式中Mt——负载质量；
Bp——负载阻尼系数；
K——负载弹簧刚度；
Ctp——液压缸总泄漏系数。
由式
（1）—（5）可画出力系统的方块图，如上图1。
图中Kce=Kc+Ctp。
将所给的主要参数代入，可得
m3/Pa·
s
负载固有频率：
液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与阻尼系数比：
液压弹簧与负载弹簧串联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率：
阀控缸的阻尼比：
由式（5）中的三个基本方程消去中间变量QL和Xp，或通过图a的方块图简化可以得到阀芯位移Xv至液压缸输出力Fg的传递函数
阀控缸的传递函数：
四、仿真模型
4.1MATLAB仿真分析
图一
图二
由bode图看出，该系统虽然稳定，但是由于穿越频率几乎为零，所以系统的响应时间会很长，这不满足系统快速性的要求。
该系统的稳定性裕量较高，响应较慢，同时存在一个稳态误差。
为了提高系统的快速性和准确性，现加入PID调节器。
比例环节可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，提高系统的快速性。
积分环节的加入是系统成为I型系统，跟踪信号能力增强，减小系统的稳态误差。
但PI环节的加入，会使系统的稳定性下降。
4.2PI调节
PI调节后阶跃响应图
PI调节后开环bode图
图中相角裕度γ=53.8°
，在30°
～60°
之间；
幅值裕度Kg（dB）=51.2（dB），满足要求；
所以此系统的稳定性较好，且灵敏性也满足要求。
五、系统特性分析
5.1时域分析
图1Amesim仿真分析图
输入信号为一阶跃信号
输出信号：
5.2频域分析
未校正前：
系统的阶跃响应是无超调上升，综合时域响应与频域响应，可知系统的相对稳定性较好。
该系统属于O型系统，对于阶跃信号会存在一个位置误差。
同时由图2知，系统的阶跃响应与理想值（25MPa）存在一个稳态误差。
故系统的准确性有待提高。
系统的上升时间约为1.5S，系统的响应较慢。
校正后：
系统的阶跃响应存在一个超调量，与调节前相比，相对稳定性有所下降，但仍能满足系统要求，系统的阶跃响应与理想值（25MPa）之间几乎没有了稳态误差，准确性得到了明显提高。
加入PI调节后，系统准确性得到了很大的改善，但稳定性有所下降，同时快速性没有得到改善。
为了得到更佳的系统性能，需进一步调节。
5.3校正装置
5.31影响系统稳定性的因素
1）系统的开环增益
降低系统开环增益，可增加系统的幅值裕度和相角裕度，从而提高系统的稳定性
2）积分环节
由控制工程基础我们学到型系统的稳定性较好，型的稳定性较差，再高的系统就更难于稳定了
3）系统的固有频率和阻尼比
系统的固有频率越高，阻尼比越大，则系统的稳定性裕度便可能越大。
系统的相对稳定性会越好。
5.32校正的作用
PID调节器。
但PI环节的加入，会使系统的稳定性下降5.33校正
本课题研究的1450冷轧机是精密轧钢机械，它对轧制过程的稳定性，快速性，和精度都有很高的要求。
所以对其进行了严格的校正，并得到了良好的特性。
图中图中相角裕度γ=39°
幅值裕度Kg（dB）=5.92（dB），基本满足要求；
穿越频率w=90.4rad/s；
频宽是指闭环系统的对数幅值不低于-3dB时所对应的频率范围（），频宽表征了系统响应的快速性；
穿越频率w基本上确定了系统的闭环频宽。
6、心得与收获
通过本次三级项目，我们小组分工合作，积极查找各种资料，结合老师提供的资料，最终完成了本次1450冷连轧机轧制力伺
服控制系统仿真分析的项目。
通过我们自己查阅资料，对元件的参数和系统的设计有了一定的认识和了解，思路受到了很大的启发，思绪渐渐清晰。
在MATLAB仿真期间，尤其是校正期间，我们经过上百次的尝试，最终得出正确的方块图。
这次项目对我们掌握相关知识和提升我们的学习能力都有很大的帮助。
且这次项目，需要将软件和课本知识结合，将所学知识运用到实际中，使我们得到了很大的锻炼。
参考文献
1.万春行主编.液压控制系统.北京机械工业出版社2010年
2.孔祥东.王益群主编.控制工程基础.北京机械工业出版社2010年
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