王潔， 徐繼龍

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引言

在鋁帶重卷機(jī)生產(chǎn)線上，由于來(lái)料帶材的缺陷及生產(chǎn)設(shè)備的原因，帶材重卷過(guò)程中的跑偏現(xiàn)象不可避免。為保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量的要求，這就需要在重卷機(jī)組中設(shè)置對(duì)中控制系統(tǒng)。采用液壓伺服位置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶材的自動(dòng)對(duì)中控制，可以充分發(fā)揮液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)快、精度高、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力大的特點(diǎn)［1］。

1 系統(tǒng)工作原理

在開(kāi)卷過(guò)程中，鋁帶中心線應(yīng)與重卷機(jī)組中心重合。當(dāng)其出現(xiàn)跑偏時(shí)，光電檢測(cè)器檢測(cè)出鋁帶中心線相對(duì)于重卷機(jī)組中心的偏移量，輸出相應(yīng)電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大器放大后作為電液伺服閥的輸入信號(hào)，電液伺服閥驅(qū)動(dòng)對(duì)稱(chēng)液壓缸再拖動(dòng)卷取機(jī)移動(dòng)，形成位置閉環(huán)系統(tǒng)從而糾正跑偏，實(shí)現(xiàn)鋁帶帶材在開(kāi)卷過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)中［2-3］。

2 主要元件的確定

2 800 mm鋁帶重卷機(jī)對(duì)中系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)及要求如表1所示。

表1 生產(chǎn)實(shí)際主要參數(shù)及要求

1）工作壓力確定。確定油源壓力ps=14 MPa。

2） 液壓動(dòng)力元件確定。負(fù)載力 FL=（m1+m2）am+（m1+m2）gf。選擇力士樂(lè)CGH2MS2/140/90/200雙出桿液壓缸，負(fù)載壓力 PL=FL/AP=9.18 MPa≤2/3×ps=9.33MPa，合理［4］。其中：AP為液壓缸有效工作面積；g為重力加速度。

液壓固有頻率ωh=43.5 rad/s，類(lèi)比同類(lèi)機(jī)器液壓阻尼比ζh取值為0.3［5］。閥控液壓缸動(dòng)力元件傳遞函數(shù)為

3）伺服閥確定。當(dāng)最大速度Vm=30×10-3m/s時(shí)，負(fù)載流量qL=APVm=16.25L/min?？紤]泄漏量，取qL=18.69L/min。供油壓力pS=14 MPa時(shí)，閥空載流量33.94 L/min。選EMG的SV1-10/32/100/6（ΔP=7 MPa時(shí)，Q=24 L/min，額定電流ΔIn=±300 mA）伺服能夠滿(mǎn)足工作需求。根據(jù)樣本得到閥固有頻率ωSV=2π×85=534.1 rad/s，閥阻尼比ζSV=0.7，流量增益KSV=qom/ΔIn=1.89×10-3m3/（s·A），則伺服閥的傳遞函數(shù)為

4）其他組成元件。

由于輸入為跑偏位移，形成了直接位置反饋，位移傳感器增益為1。光電檢測(cè)與放大器的時(shí)間常數(shù)都很小，響應(yīng)速度快，可按放大環(huán)節(jié)處理取值為88.9 m/A。

3 系統(tǒng)仿真模型建立及PID控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立原系統(tǒng)Simulink仿真模型，如圖1上部分所示（仿真模型中添加Mux模塊有利于在Scope模塊中比較系統(tǒng)校正前后的響應(yīng)曲線）。

由圖2細(xì)實(shí)線部分可看出原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)響應(yīng)要求。

為了使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能，在原系統(tǒng)中加入PID控制器以改善系統(tǒng)性能。加入PID控制器的系統(tǒng)仿真模型如圖1下部分所示。

本文主要采用試湊法得出較好的參數(shù)值Kp=0.6、Ki=0.01、KD=0.01。加入 PID 控制器的系統(tǒng)仿真曲線如圖2粗實(shí)線所示，上升時(shí)間短、調(diào)節(jié)時(shí)間快，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

4 系統(tǒng)頻寬

圖1 Simulink仿真模型

系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖，如圖3所示。

由圖中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的頻寬約為55rad/s大于要求的20rad/s，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的系統(tǒng)頻寬要求。

圖2 單位階躍作用下響應(yīng)曲線

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖

5結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的分析計(jì)算可知，選擇合適的伺服閥、液壓缸，構(gòu)成的液壓伺服位置控制系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足2 800 mm鋁帶重卷機(jī)板帶自動(dòng)對(duì)中要求。

2）未校正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不理想，選擇合適的PID控制器可以大大改善其動(dòng)態(tài)性能，頻寬也滿(mǎn)足實(shí)際要求。

［1］ 柳洪義.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［3］ 張利平.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］ 官中范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］ 宋志安.基于MATLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.