（机械电子工程专业论文）轧机液压agc系统及fmv阀的特性分析与试验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在追踪国内外轧机研究动态的基础上，本文对液压a g c 系统和f m v 阀进行了理 论分析和建模仿真，得到了一些重要的结论。 f m v 阀是a g c 系统的核心元件之一。本文针对f m v 阀进行了稳态液动力的建 模，并与常规滑润液动力进行了仿真比较，对稳态液动力的回流凸肩补偿方式的流体 动力学参数进行了优化设计，而国内对f m v 阀的研究尚未见到相关报道。对f m v 阀 稳态液动力的仿真分析，为今后进行大流量单级电液伺服阀的设计和开发研究提供了 理论基础。 在对f m v 阀控缸系统各元件进行数学建模的基础上，推导出f m v 阀控缸系统的 数学模型，在m a t l a b 平台上对该模型进行动态特性仿真。对不同固有频率和阻尼比下 系统的动态响应和误差进行了比较，从而在理论上得到了液压a g c 系统的固有频率 和阻尼比，可以作为液压a g c 系统性能改进的参考依据。 p i d 控制是一种应用广泛、参数调整比较方便的控制方式，把它应用于液压a g c 系统时，必须进行p i d 控制器的设计。论文对液压a g c 系统进行了f i d 控制算法的 动态仿真。仿真结果表明：液压a g c 系统的位置控制，采用p i d 控制算法可以取得 较好的控制效果。 为了了解f m v 阀的静态特性，在实验室建立了一套f m v 阀c a t 试验台，并进 行了f m v 阀的静态特性试验( 流量特性试验、压力一流量特性试验) 和闭环控制试 验，对试验结果进行了分析，得到了一些有益的结论。 关键词：轧机a g c 系统f m v 阀数学模型数值仿真静态特性 性能试验 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f r o mt h ej i t e r a t u r es u r v e y ，s o m et h e o r e t i cr e s e a r c h e sa n ds i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n e o nh y d r a u l i ca g c s y s t e ma n de l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v eo fr o l l i n g m i l ls y s t e m ，a n d s o m e i m p o r t a n t c o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d f m vi so n eo ft h e k e yc o m p o n e n t so fh y d r a u l i ca g cs y s t e m t h ef l o w f o r c e s i m u l a t i o nm o d e l so ff m va n dg e n e r a l p l u n g e rv a l v e a r es e t u p ，a n ds o m ec o m p a r e s i m u l a t i o n so ft h e ma r ef i n i s h e d t oo p t i m i z et h e p a r a m e t e r s o ft h ef m v as e r i e so f i n v e s t i g a t i o n s o ff l o wf o r c ec o m p e n s a t i o n - - - - c i r c u m f l u e n c es h a f t c o m p e n s a t i o n ，a r e a c c o m p l i s h e di nt h ec o m p u t e r f m v ss t e a d yf l o wf o r c ei s d e c l i n e dl a r g e l yb ya d o p t i n g f l o wf o r c e c o m p e n s a t i o nm e a s u r e ，w h i c hm a k e f m v s p e r f o r m a n c e m o r ew e l l t h em a t h e m a t i cm o d e l so f e v e r yc o m p o n e n t o ft h e f m v - c y l i n d e rs y s t e m a r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e l o ff m v - c y l i n d e r s y s t e mi sa l s op r e s e n t e d a s e r i e so f s i m u l a t i o no ft h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a r e f i n i s h e d ，d i f f e r e n t n a t u r e f r e q u e n c ya n d d a m p i n gh a sd i f f e r e n te f f e c t so nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i ca g c s y s t e m ， a n dt h e i rr a m pp o s i t i o ne r f o r sa r ed i f f e r e n t e x c e l l e n tn a t u r ef r e q u e n c ya n dd a m p i n ga r e o b t a i n e di nt h ee n d t h e yp r o v i d er e f e r e n c e sf o ri m p r o v e m e n to fc a p a b i l i t yo fh y d r a u l i c a g c s y s t e m t h e p i dc o n t r o l s t r a t e g y i so n eo f t h e c o n t r o l s t r a t e g i e sw i d e l y u s e di n e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m ，a n di t sp a r a m e t e r sa r ee a s i l ya d j u s t e d a n e wp i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e da n du s e di nt h ea g c s y s t e m s o m ed y n a m i c s i m u l a t i o no ft h ea g c s y s t e mu s e d t h ep i dc o n t r o l l e ra r ec o m p l e t e di nm a t l a b 6 5 a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i d c o n t r o l l e rh a sv e r yg o o dr e s u l t s t om a s t e rt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef m 、ac a t ( c o m p u t e r - a i d e dt e s t ) s y s t e mi s d e v e l o p e di nt h ec o m p u t e r a s t a t i ct e s tr i go ff m vi ss e tu p a n ds o m e s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c t e s t s ( d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i ct e s t 、f l o w p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i ct e s t ) a n dc l o s e dl o o p c o n t r o l t e s ta r ea c c o m p l i s h e di nt h el a b o r a t o r y t os t u d yt h et e s tr e s u l t s ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e d k e y w o r d s ：r o l l i n g m i l l a g c s y s t e m f m vm a t h e m a t i cm o d e l d i g i t a ls i m u l a t i o n s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c p e r f o r m a n c e t e s t 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：压膨、兵 日期：种年夕月，厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 木论文属于 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：；二压次 日期：缈妒年夕月，日 指导教师签名 日期：哆i 陴 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 随着我国国民经济的不断发展，尤其是二十世纪九十年代以来经济和基础设施建 设的高速增长，用户对板带钢材的品种、质量、精度和需求量都有了很高的要求。高 质量钢材必然需要先进的轧机与之相适应，因而促使轧钢设备向自动化、高速化和高 精度方向发展。轧机轧辊位置控制装置( 即液压压下系统，简称液压a g c 系统) 必 须具有高精度、快响应、高稳定性和高可靠性，才能适应不断提高的用户要求。但我 国现在使用的高性能的轧机基本上都是从国外进口的，国产轧机多是低端产品。国内 在轧机的研究和生产制造方面，尤其是在液压a g c 控制系统的研究方面，与世界先 进技术有较大的差距，因此对液压a g c 系统进行研究，对提高我国的轧机水平有一 定的意义。 液压a g c 系统是轧机中的核心部分，而电液伺服阀是液压a g c 系统的心脏。伺 服阂控制精度的高低、响应速度的快慢和寿命的长短决定着轧辊位置调整装置的性能 好坏，从而决定生产出来的成品的质量高低。本文以武汉钢铁公司冷轧硅钢片厂的森 吉米尔轧机为对象，重点研究强力马达伺服阀( 简称f m v 阀) 及其控制系统的特性。 强力马达阀是日本日立公司研制的一种大电流控制的动圈式一级伺服阀。该阀具有控 制精度高、抗污染能力强、频率响应高、流量大、使用寿命长和工作可靠等优点。国 内在该类阀的研究方面尚未见到相关报道。所以对该阀的各项性能及参数进行深入研 究，进一步了解该阀的控制性能，实现国产化，并加以推广应用，对推动我国经济的 发展，提高我国轧机的研究水平具有重要的现实意义。为此，本文从以下几个方面进 行了研究： ( 1 ) 在详细分析f m v 阀结构及其参数的基础上建立该阀的数学模型，并进行相 关的理论研究，消化、吸收该阀的工作机理和工作特性。 ( 2 ) 对f m v 阀控液压缸系统进行理论研究。研究该阀控液压缸系统各重要参数对 于系统性能的影响，为国产化研究打下基础。 ! ! ! 垄窒墅童垒堡! 堕皇= 奎薹主里! 型塑堕堡型丝型至堕：堑壅鲨塑型薹笙塑壁 华中科技大学硕士学位论文 性，以及控制算法和控制策略对该类系统性能的影响。 ( 4 ) 设计并制造f m v 阀的伺服放大器。由于该阀控制电流大( 7 a 7 a ) ，频呐宽 ( 2 0 0 h z ) ，控制精度高，对该阀的伺服放大器的要求也较高。 1 2 电液伺服阀研究现状 1 2 1 国内外电液伺服阀的概况 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 号转换为液压信号( 流量和压力) 输出。根据输出液压信号的不同，电液伺服阀可分 为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀两大类。在电液伺服阀系统中，电液伺 服阀将系统的电气部分和液压部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液 压执行元件的控制。电液伺服阀是电液伺服系统的关键部件，它直接关系到整个系统 的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命。 我国的电液伺服阀技术是在二十世纪五十年代初为适应导弹和空间技术的需要而 发展起来的【1 2 1 。由于导弹和空间技术的特殊要求和特殊环境条件需要，伺服阀应具有 高性能、高可靠性、低功耗、体积小、重量轻等特点。特别是二十世纪八十年代到 二十世纪九十年代，国家对液压技术进行了重点改造，引进了近五十项国外技术，集 中众多优秀技术人才进行了艰苦的丌发研制，攻克了基础理论、设计计算、加： 工艺、 测量和测试设备技术等难关，又经过不断地改进完善，终于使伺服阀产品达到了实用 阶段。目前，最具有代表性的产品是喷嘴挡板式两级流量伺服阀、射流管式伺服阀、 偏转板射流式伺服阀以及动圈滑阀式伺服阀等。 同前，国内生产电液流量伺服阀的一家已从开始的三、四十家逐渐集中到十几家， 如航天工业总公司8 1 1 厂、3 0 7 厂、7 1 1 1 厂、上海仪表厂，航空工业总公司6 0 9 所、 1 7 3 厂、3 0 3 所，机械工业部的机床研究所、自动化研究所，冶金工业部北京冶金液 压机械厂，上海液压件一厂，船舶工业总公司7 0 4 所等。这些厂家多以生产专用伺服 阀为主，而且批量很小。对于一般自控系统用伺服阀，则需在他们生产的有限产品中 挑选，因此价格性能比不能达到最佳，使用寿命短，而且维修保养也很困难。 国外电液伺服阀的研究主要是在第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反 2 华中科技大学硕士学位论文 应快、动作准、功率大的液压传动系统和伺服系统，因此伺服阀得到了长足的发展u - z 】。 二战后五十年代，液压技术迅速转入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、压力 机械、冶金机械、轧钢机械、农业机械、汽车行业等部门得到广泛的应用。这样就开 发出了许多种类的伺服阀，例如：电液比例阀、电液伺服阀、电液数字阀等，每一种 伺服阀又有多种型号。经过最近半个世纪的发展，伺服阀基本上广泛用于各种工业部 门，例如国外许多工程机械、数控加工中心、自动化生产线都基本上采用了液压伺服 装冕。随着科学技术的进步以及为了适应主机的使用要求和增强本身的竞争能力，很 多国家仍然在不断研究新型电液伺服阀。近些年来，国外许多研究机构把新材料、新 技术应用于新型伺服阀的开发研究上，使得伺服阀的技术有了新的突破。 从上述情况看出，国内在研究、生产和使用电液流量伺服阀方面虽然目前已有现 成产品，但是，与国外先进水平相比差距很大，主要表现在：产品水平低，产品质量 不稳定，可靠性差，寿命短：自主开发能力薄弱，配套性差，特别是对重大技术装备、 重点工程的配套严重不足；品种规格少，在些新的应用领域( 如航天航空、海洋工 程、生物医学工程、机器人、微型机械及高温、明火环境) 所急需的特种伺服阀，品 种严重不足。国外液压伺服阀具有控制性能好、可靠性高、标准化、系列化的优点。 尤其以德国、意大利、瑞典、法国、芬兰、日本、美国的电液伺服阀理论和技术方面 处于世界领先水平。 1 2 2 国内外电液伺服阀最新研究方向 电液伺服阀技术发展到i i 前的阶段，达到了一定的理论和技术水平。基于新型功 能材料研发、机械制造、设计技术和微电子技术的发展，电液伺服阀的最新研究方向 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 新型功能材料的应用1 】； ( 2 ) 海淡水液压伺服阀的开发 1 9 - 2 2 ； ( 3 ) 电液伺服阀新型结构的设计开发i i z - 1 3 1 。 第一方面研究，随着新型材料的研发而逐渐变成电液伺服阀研究的热点之一。当 今开发出来运用的新型材料包括压电陶瓷、超磁致伸缩材料、形状记忆合盒等，它们 各自都具有优良的特性。现在已开发出来的新型材料的电液伺服阀1 7 - 1 1 主要有：p z t - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ 一 华中科技大学硕士学位论文 压电陶瓷伺服阀；日本s h i n i c h y o k o t a 等人利用s a m 形状记忆合金设计的小型比例阀； 日本t a k a h i m u r a i 等人用g m m 转换器设计的直动式伺服阀；国内浙江大学流体传动 与控制国家重点实验室研制的基于g m m 的气动喷嘴挡板型伺服阀( 该阀采用闭环控 制，具有结构紧凑、精度高、响应快等特点) 。但每种新型材料具有它本身的优缺点， 如压电陶瓷、超磁致伸缩材料具有工作频率高、输出大的性能优点，但压电陶瓷存在 零漂、滞回以及高压击穿等问题；超磁致伸缩材料在应用中需要解决热补偿的问题； 形状记忆合金有独特的形状记忆效应，但频晌不高；此外功能材料普遍存在输出位移 偏小的不足。 第二方面的研究主要是近几年发展起来的【4 8 1 。由于海洋作业和军工产品的特殊工 作环境的需要，以及材料技术的进步，水压阀技术在一些发达国家如美国、日本、德 国、英国、芬兰、挪威等已达到实用的阶段。已研制出包括水压伺服阀、比例阀在内 的各种阀，其压力水平在1 4 2 1m p a 。1 9 9 2 年，e b a r ar e s e a r c hc o ，l t d 和u r a t a 等 合作研制出水压伺服阀。m o o g 公司的海水伺服阀专为以海水做介质而设计，结构形 式与油压伺服阀相似，工作压力7 m p a ，死区 i 磊l 时，也即偏差值i e ( 打) i 比较大 时，采用p i d 控制，可使超调量降低。积分分离算法表示为： z ，( 女丁) = k p e ( r ) + k , k , z e ( ，7 ) + k j e ( 7 ) 一p ( k r 一丁) ( 4 4 其中墨为逻辑系数，当i e ( 灯) i 旧 时，墨= o 。积分 分离p i d 系统如图4 3 所示，其流程图如图4 4 所示。 由积分分离p i d 的流程图4 4 可见，当l p ( 耵) i l e o l u ，k = o ，作p d 控制， p d 控制算法为： 坼= k j 气+ 等c 气一e ， = k ：( + 等 吼一嘭芋一， = 一。e k b 一l = 4 。略- a 一1 ( 4 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 壁9 t 图4 2 增量式p i d 控制算法流程图 图4 3 墼坌坌塑! 里盐竺垫丝型墨垄 一一 华中科技大学硕士学位论文 图4 , 4积分分离p i d 算法流程图 式中：e k = e ( k t ) ，= e ( k t t ) ； = b e k 或五一l = b r 当1 e ( 灯) 怿i 昂l 时，蜀= l ，作p i d 控制。p i d 控制算法为 ”。“。一。：= 足： ( e i e 。一) r 号e 。等( e z e t 一- e t 一：) = a e k 一丑”略一l + c ”一2 “ = z ”吼+ 1 1 k l