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1、冷连轧机轧制力伺服控制系统仿真分析冷连轧机轧制力伺服控制系统仿真分析背景及目的2伺服缸设计、元件选型345系统模型的建立matlap仿真及特性分析心得与收获1目录第1页/共28页一、背景及目的 近年来近年来,工业生产对冷轧薄板的需求量越来越大工业生产对冷轧薄板的需求量越来越大,对成对成品质量的要求也越来越高。厚度偏差品质量的要求也越来越高。厚度偏差 是冷轧板带最重是冷轧板带最重要的尺寸精度指标之一，要的尺寸精度指标之一，影响板带厚度精度的主要因影响板带厚度精度的主要因素有素有:来料本身性能变化所引起的厚度波动来料本身性能变化所引起的厚度波动,如热轧板带如热轧板带厚度、硬度发生变化厚度、硬度发生
2、变化;轧机厚度控制系统调节时各设定轧机厚度控制系统调节时各设定参数发生变化参数发生变化,如辊缝值、机架间张力、轧辊转速等如辊缝值、机架间张力、轧辊转速等 冷冷连轧生产的连续性和复杂性连轧生产的连续性和复杂性,使在实际轧机上研究上述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,因此因此,研究高精度的冷连轧过程动态仿真系统具有重要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。现实意义。第2页/共28页一、背景及目的一、背景及目的通过本课题的研究，我们要重点掌握以下知识点1、力控制系统设计方法；2、阀控缸力控制系统建模；3、
3、系统稳定性、稳态精度、响应 速度分析方法及影响因素；4、PID 控制的基本原理；第3页/共28页一、背景及目的一、背景及目的1450 冷轧机轧制力伺服控制系统，以冷轧机轧制力伺服控制系统，以力作为被调量力作为被调量。该系统主要由。该系统主要由液压泵、放大器、溢流阀、电液伺服阀、液压缸、压力传感器液压泵、放大器、溢流阀、电液伺服阀、液压缸、压力传感器等组成。等组成。当当指令装置指令装置发出的电压信号经发出的电压信号经放大器放大器放大后控制放大后控制伺服阀伺服阀的动作，进而控制的动作，进而控制液压缸液压缸输出力，该力由输出力，该力由压力传感器压力传感器检测转换为反馈信号，与指令信号相比较，得到偏差
4、电压信号。此偏差信号经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。检测转换为反馈信号，与指令信号相比较，得到偏差电压信号。此偏差信号经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。第4页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型序号序号参参 数数 项项参数值参数值单位单位1最大负载力 750t2伺服缸行程30mm3液压油源恒压油源恒压变量泵4工作压力25Mpa
5、5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5e9N/m第5页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型二、伺服缸参数设计、元件选型第6页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型二、伺服缸参数设计、元件选型第7页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型二、伺服缸参数设计、元件选型 负载谐振频率：负载谐振频率：由于伺服阀的参数，总流量压力系数由于伺服阀的参数，总流量压力系数 忽略液压缸的忽略液压缸的外泄露则，计算伺服阀的流量压力系数为：外泄露则，计算伺服阀的流量压力系数为：液体等
6、效体积弹性模量：液体等效体积弹性模量：液压弹簧刚度：液压弹簧刚度：负载固有频率负载固有频率:第8页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型二、伺服缸参数设计、元件选型第9页/共28页二、伺服缸参数设计、元件选型二、伺服缸参数设计、元件选型 压力传感器是压力传感器是HDA3700HDA3700系列压力传感器，采用不锈系列压力传感器，采用不锈钢膜片上的薄层钢膜片上的薄层DMSDMS技术，结构简单、体积小、重量技术，结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长。总误差轻、使用寿命长。总误差0.5%0.5%；压力范围；压力范围6 6至至600bar600bar；信号输出；信号输出4-20mA4-20mA或或0-
7、20mA0-20mA或或1-10V1-10V；受温度变化影；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，压力信号输出采用体和放大电路完成，压力信号输出采用0-10V0-10V信号。信号。第10页/共28页1.1.伺服放大器增益伺服放大器增益 伺服放大增益：伺服放大增益：2.2.伺服阀流量增益伺服阀流量增益 伺服阀流量增益：伺服阀流量增益：3.3.伺服阀的传递函数伺服阀的传递函数伺服阀的伺服阀的 阻尼比：阻尼比：伺服阀的固有频率：伺服阀的固有频率：伺服阀的传递函数：伺服阀的传递函数：三、阀控缸力控制系统的数学模型建立三
8、、阀控缸力控制系统的数学模型建立第11页/共28页4 4、阀控缸的传递函数、阀控缸的传递函数 阀控液压缸的动态可由以下三个基本方程表示：阀控液压缸的动态可由以下三个基本方程表示：三、阀控缸力控制系统的数学模型建立三、阀控缸力控制系统的数学模型建立第12页/共28页负载固有频率：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：的固有频率：三、阀控缸力控制系统的数学模型建立三、阀控缸力控制系统的数学模型建立第13页/共28页阀控缸的阻尼比
9、：阀控缸的阻尼比：阀控缸的传递函数：阀控缸的传递函数：5.5.力传感增益：力传感增益：三、阀控缸力控制系统的数学模型建立三、阀控缸力控制系统的数学模型建立第14页/共28页三、阀控缸力控制系统的数学模型建立三、阀控缸力控制系统的数学模型建立第15页/共28页四、matlap仿真及特性分析第16页/共28页阶跃信号阶跃信号第17页/共28页开环响应曲线开环响应曲线由由bode图看出，该系统虽图看出，该系统虽然稳定，但是由于穿越频率然稳定，但是由于穿越频率几乎为零，所以系统的响应几乎为零，所以系统的响应时间会很长，这不满足系统时间会很长，这不满足系统快速性的要求。加入快速性的要求。加入PI调节，调
10、节，比例环节可以提高系统的开比例环节可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误环增益，减小系统的稳态误差，提高系统的快速性。积差，提高系统的快速性。积分环节的加入是系统成为分环节的加入是系统成为I型系统，跟踪信号能力增强，型系统，跟踪信号能力增强，减小系统的稳态误差。减小系统的稳态误差。第18页/共28页闭环闭环bodebode图图系统的幅频宽（系统的幅频宽（-3dB）大于）大于1000rad/s，系统的响应较慢。，系统的响应较慢。第19页/共28页PIPI校正后的校正后的simulinksimulink图图第20页/共28页PIPI调节后的阶跃响应调节后的阶跃响应第21页/共28页PIPI调节
11、过后开环调节过后开环bodebode图图第22页/共28页PIPI校正后的闭环校正后的闭环bodebode图图系统的上升时间仍然较慢，系统的幅频宽（系统的上升时间仍然较慢，系统的幅频宽（-3dB）比未校正前要大。与调节前比较，快速性没有任何改善。）比未校正前要大。与调节前比较，快速性没有任何改善。第23页/共28页AMESimAMESim仿真信号仿真信号第24页/共28页AMESimAMESim仿真信号仿真信号输入信号输出信号第25页/共28页五、心得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
12、了本次老师提供的资料，最终完成了本次14501450冷连轧机轧制力伺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。清晰。在在MATLABMATLAB仿真期间，尤其是校正期间，我们经过上百次的尝试，最仿真期间，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。学知识运用到实际中，使我们得到了很大的锻炼。第26页/共28页第27页/共28页