《武汉工程大学学报》 2010年03期
100-102
出版日期：2010-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
带钢纠偏系统的分析与仿真
引言带材纠偏设备是冷轧生产线上的常用设备,普遍应用于酸洗、冷轧、平整、涂镀层、重卷、剪切等机组中.由于受机组各设备的安装精度、辊子的制造精度、辊子使用后的磨损、带材板形不好等各种因素的影响,使带钢在穿带和正常工作时经常出现跑偏现象.带材跑偏不仅会造成带材缺陷、减少成材率,而且还会影响机组的生产能力,甚至对设备造成损害.1带钢纠偏系统的工作原理带钢卷取纠偏电液伺服控制系统如图1所示.该系统由液压能源、电液伺服阀、电流放大器、伺服液压缸、卷取机和光电检测器等部件组成.带钢的跑偏位移是系统的输入量,卷取机（或卷筒的跟踪位移是系统的输出量.输入量和输出量的差值经光电检测器后由电流放大器放大,放大后的功率信号驱动电液伺服阀动作,进而控制液压缸驱动卷取机（或卷筒）的移动.液压能源为整个系统工作提供足够的能量.除此之外,系统中还设置了辅助液压缸和液控单向阀组.这时辅助液压缸有两个作用:一是在卷完一卷要切断带钢前,将光电检测器从检测位置退出,而在卷曲下一卷前又能使检测器自动复位对准带边.这样可以避免在换卷过程中损坏光电检测器;二是在卷取不同宽度的带钢时调节光电检测器的位置.液控单向阀组可使伺服液压缸和辅助液压缸有较高的位置精度［1］.而位移则通过线性传感器测得,与伺服放大系统的输出信号进行比较,给出液压缸继续动作的信号.如此反复,直到带钢不再跑偏,可以获得较高的控制精度.图1带钢纠偏控制系统原理图
Fig.1The hoop corrects an error the control
system schematic diagram2带钢纠偏系统的建模与仿真液压压下控制系统的方框图如图2所示,主要由伺服放大器、伺服阀、液压缸、传感器等组成的环节组成,液压压下系统的建模主要是对以上各个环节进行数学模型建立和参数选择［2］.图2液压压下系统的方框图
Fig.2The hydraulic pressure depresses
systems block diagram2.1动力元件的传递函数液压动力原件由伺服阀和液压阀组成,是液压伺服控制系统的关键部件,它的动态特性在很大程度上决定整个系统的性能.当以Q0为输入,Xp为输出时,其传递函数为
XPQL=1/A1ss2ω2h+2ζωhs+1(1)取ζhmin=0.30代入上式得到传递函数:
XPQL=1/A1ss2ω2h+2ζωhs+1=
1/7.85×10-3ss21022+2×0.3102s+1第3期万巍,等:带钢纠偏系统的分析与仿真
武汉工程大学学报第32卷
2.2伺服阀的传递函数的计算电液伺服阀既是电液转换元件,又是功率放大元件.它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出［3］.
Wsv=Ksvs2ω2sv+2ξsvωsvs+1(2)
式（2）中,Wsv为伺服阀的传递函数;Ksv为伺服阀的增益,Ksv=QNPs/PsnIN=40×10-360570.01=5.63×10-2 m3/sA;ωsv为伺服阀的频宽,由样本可得ωsv=ω-90=2π×43.5=273.18 rad/s;ξsv为伺服阀的阻尼系数,参考样本频率响应曲线,计算出ξsv=0.36,则伺服阀的传递函数为
QI=Ksvs2ω2sv+2ζωsvs+1=5.63×10-2s2273.182+2×0.36273.18s+12.3反馈传感器的传递函数传感器可以看作比例环节,由于传感器增益大小值可调,取Kf=ufxp=200 V/m.伺服放大器及校正环节的传递函数为
Gc(s)=Ka·U0(s)Ui(s)=Ka·1+s/ωrc1+αs/ωrc(3)Ka=0.167 A/V把液压动力元件、伺服阀及伺服放大器的参数代入式(1)～(3)传递函数得到带钢纠偏控制系统的系统方框图如图3所示［6］.图3带钢纠偏系统控制方框图
Fig.3The hoop corrects an error the systems control block diagram由系统方框图可得到纠偏控制系统开环Bode图如图4所示.由系统开环Bode图可知,开环穿越频率为31.3 rad/s=4.98 Hz,响应速度满足要求,相位裕量为γ=43.8°也满足系统要求.纠偏控制系统的MATLAB模型如图5所示［45］.其阶跃响应曲线如图6所示.图4带钢纠偏系统开环Bode图
Fig.4The hoop corrects an error the system
splitring Bode chart图5纠偏控制系统MATLAB模型
Fig.5Corrects an error the control system MATLAB model图6MATLAB模型阶跃响应指标
Fig.6MATLAB model step response target由图6得到系统响应的性能指标:上升时间tr=0.023 2 s,峰值时间tp=0.062 6 s,超调量Mp=30.8%,调整时间ts=0.304 s(允许误差范围±2%),系统各性能指标满足设计要求.3结语仿真结果表明:所设计系统的技术指标达到了预期要求,以上所建立的数学模型对此纠偏系统的参数选择有一定的指导作用.