系统动力学结课作业-基于MATLAB的

带钢卷取电液控制系统的研究

姓名：

王紫民

流水号：学号：

专业：

机械工程

日期：

2014.05.10

基于MATLAB^钢卷取电液伺服控制系统的分析

一、课题研究内容

随着当今技术的不断革新，轧钢的生产已经向自动化、连续化、高速化方向 发展，而电液控制系统已成为现代轧钢设备重要组成部分。尤其在张力控制、位

置控制和速度控制上优势非常明显。本课题以一种卷取跑偏电液控制系统为例， 基于MATLA分析电液伺服控制系统的性能。

电液伺服系统是指电气和液压两种控制方式结合起来组成的控制系统。在这

种控制系统中，用电气元件实现信号检测、传递和处理。用液压传动来驱动负载。 其优点是利用电气的方便性、智能性以及液压系统响应速度快，负载刚度大的特 点，使系统更具适应性、稳定性。

在带钢卷取过程中经常出现跑偏现象，引起跑偏的原因有张力不适当或张力 波动较大、辊系的不平行度和不水平度、辊子偏心或有锥度、带钢厚度不均、浪 形及横向弯曲等，跑偏控制系统其作用就是使带钢在准确位置上运动， 避免跑偏 过程过大损坏设备或造成断带停产。本次就是针对电液伺服机对带钢卷取机跑偏 的控制系统的研究。

二、电液伺服控制系统组成及原理

该控制系统由液压能源、电液伺服阀、伺服液压缸等主要组件构成。

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图1带钢卷取跑偏控制系统原理图

1-钢带卷2-卷筒3-光电检测器4-PLC控制器5-伺服放大器6-电液伺服

阀7-能源装置8-伺服液压缸9-卷取机

该系统原理是带钢跑偏位移式系统输入量，卷筒的跟踪位移为输出量。输入 量与输出量的差值经光电检测器检测后，经PLC控制器控制、伺服放大机将信号 放大，放大的频率信号驱动电液伺服阀动作， 进而控制伺服液压缸驱动卷取机的 移动。液压能源为整个系统工作提供足够的能量。

该系统控制系统框图如下：

跑偏位移0—

跑偏位移

0—

PL(控制器

伺服阀

液压缸

跟踪位移

X|_

i丨

图2控制框图原理图 带钢卷取电液伺服系统主要设计数据如下： 带钢运行速度 V =5m/s，纠偏调节速度Vp = 0.025m/s，工作行程L - _75mm， 系统频宽fb = 2 ~ 3Hz，钢卷边部误差e = (1 ~ 2)mm，惯性负载m^ 2.75 104kg

三、建立数学模型

电液伺服阀

控制系统中采用的是TR-h7、20EF型动圈双极滑阀位置反馈式电液伺服阀，其

主要技术参数为：

J^0.3A，供油压力巳=4.5Pa，额定流量q^ 0.5 10‘m3/s

流量增益计算为：

TOC \o "1-5" \h \z 33

—虫』5 10 m化佃1。冷3/业)(1)

AiR0.3A

认定液压源压力R恒定，不计液压油惯性，已知伺服阀峰值时间为tp、0.035s，

最大超调量M p : 9.5%，过渡时间ts : 0.06s，伺服阀可以看做二阶振荡环节， 可得其固有频率Wn =112rad /s，阻尼比按经验去液压.=0.6，得到伺服阀传递 函数为：

(2)1.67 10’ 1122s22 0.6 112s 1122

(2)

Ql (s)是负载流量，厶I(s)是电流放大器输出的电流

液压缸-负载

液压缸技术参数：活塞直径D = 0.125m，活塞杆直径d = 0.06m，活塞行程

L二75mm ,液压缸有效工作面积A^ 9.45 10~m2 ,系统总的压缩容积

Vt =2.48 10-m2，取液压油的等效弹性模量 亠=7 108 Pa，其固有频率为

Vtmt4 7 1 0

Vtmt

4 7 1 08(9.45 1 02)2

:2.48 10；2.75 104

rad / s 二 60.5rad / s

(3)

液压缸的阻尼比?在跑偏系统中取.=0.2 o 由于是惯性负载，液压缸-负载环节传递函数为

21 / ApW

2

1 / ApWn

G(s)'签\十歸

13 60.52

9.45 10

3 2 2

S3 2 0.2 60.5s2 60.52s

(4)

Xp(s)是液压活塞的位移，Ql(s)是负载流量，

本例中忽略了光电检测器和电流放大器的数学模型， 主要考虑机械传动部件的函 数传递关系，但在仿真中应补充光电控制器的传递函数，本题中光电检测器增益 暂且取为Ki =120A/m，再由式(2)和(4)得控制系统框图如下：

X (s)Xp

X (s)

Xp(s)

图3控制系统框图 该闭环系统的传递函数为：

G(s)G(s)‘ =1201.67 10； 112

G(s)G(s)‘ =120

1.67 10； 1122s22 0.6 112s 1122

1

9.45 10”

60.52

s3 - 2