轧钢机matlab仿真.doc

河南工业大学控制系统仿真姓 名： 张天赐 班 级： 自动化103 学 号： 201123910415 成 绩： 2013年 10月 30 日设计题目轧钢机系统的Matlab仿真设计内容和要求对轧钢机系统进行分析并建立数学模型，该模型输入到计算机绘制当电机放大器增益从0到无穷大变化时系统的根轨迹图，确定增益k的取值，使系统闭环极点的阻尼比大于等于0.707报告主要章节引言轧钢机是实现金属轧制过程的设备。泛指完成轧材生产全过程的装备包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。但一般所说的轧机往往仅指主要设备。据说在 14 世纪欧洲就有轧机但有记载的是 1480 年意大利人 达 芬奇 (Leonardo da Vinci) 设计出轧机的草图。 1553 年法国人布律列尔 (Brulier) 轧制出金和银板材用以制造钱币。此后在西班牙比利时和英国相继出现轧机。1728 年设计的生产圆棒材用的轧机 为 1728 年英国设计的生产圆棒材用的轧机。英国于 1766 年有了串行式小型轧机 19 世纪中叶第一台可逆式板材轧机在英国投产并轧出了船用铁板。 1848 年德国发明了万能式轧机 1853 年美国开始用三辊式的型材轧机 ( 图 2 最初的三辊式轧机侧视 ) 并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。接着美国出现了劳特式轧机。 1859 年建造了第一台连轧机。万能式型材轧机是在 1872 年出现的 20 世纪初制成半连续式带钢轧机由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成。 中国于 1871 年在福州船政局所属拉铁厂开始用轧机轧制厚 15mm 以下的铁板 6 120mm 的方圆钢。 1890 年汉冶萍公司汉阳铁厂装有蒸汽机拖动的横列双机架 2450mm 二辊中板轧机和蒸汽机拖动的三机架横列二辊式轨梁轧机以及 350/300mm 小型轧机。随着冶金工业的发展现已有多种类型轧机。1.1轧钢机的原理图及结构轧钢机原理图轧钢机的主要设备有工作机座和传动装置作机座（轧辊轧辊轴承机架轨座轧辊调整装置上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。）轧辊轴承，支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。轧辊轴承工作负荷重而变化大因此要求轴承摩擦系数小具有足够的强度和刚度而且要便于更换轧辊。不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承。滚动轴承的刚性大摩擦系数较小但承压能力较小且外形尺寸较大多用于板带轧机工作辊。滑动轴承有半干摩擦与液体摩擦两种。半干摩擦轧辊轴承主要是胶木铜瓦尼龙瓦轴承比较便宜多用于型材轧机和开坯机。液体摩擦轴承有动压静压和静 - 动压三种。优点是摩擦系数比较小承压能力较大使用工作速度高刚性好缺点是油膜厚度随速度而变化。液体摩擦轴承多用于板带轧机支承辊和其它高速轧机。 轧机机架，由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置需有足够的强度和钢度承受轧制力。机架形式主要有闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架具有较高强度和刚度主要用于轧制力较大的初轧机和板带轧机等。开式机架由机架本体和上盖两部分组成便于换辊主要用于横列式型材轧机。传动装置（电动机减速机齿轮座和连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到两个或几个轧辊上。）轧钢机系统框图 轧钢机调速系统的组成和原理采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形。在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统框图 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni3.2双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。图2-1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)0)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E转速调节器的传递函数为，转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。开环增益，电流调节器的传递函数为，电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。希望电流超调量，可选=0.707，即 电机参数计算4.1 电动机的数学模型（1）电动机的电磁时间常数（2）电动机的电动势常量 （3）电动机的转矩常量 （4）转速惯量电流调节器参数计算 1 时间常数的确定 系统电磁时间常数Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5， 整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。 电流滤波时间Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和Ti：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。5.2 电流调节器结构的选择 根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为，电流调节器的比例系数，电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： =0.142/0.0037=38.31，对照典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。5.3 电流调节器的参数计算 电流调节器超前时间常数i=Tl=0.07s。电流开环增益：要求i5%时，按表应取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而电流反馈系数=10V/1.5IN=10/（1.5220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系数为表 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=1.64240=65.68k，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65103）1.0810-6F=1.08F，取1.1F； Coi=4Toi/R0=40.002/40000=0.210-6F，取0.2F。 转速调节器的设计6.1 时间常数的确定 电流环等效时间常数1/KI：已取KITi=0.5，则1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数Tn：按小时间近似处理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 6.2 转速调节器结构的选择 按照设计要求，选用典型型系统的PI调节器，其传递函数为。6.3 转速调节器的参数计算 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为n=hTn=50.0174=0.087s，可求得转速环开环增益，因为Ce=（UN-INRa）/nN=（440-2200.088）/1000=0.234Vmin/r，=10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是可得ASR的比例系数为6.5 转速调节器的实现 取R0=40k，则Rn=KnR0=3.3640=134.48k，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140103）0.62110-6F=0.621F，取0.7F；Con=4Ton/R0=40.01/（40103）=110-6=1F，取1F。对双闭环直流调速系统中的电力拖动系统、直流电动机电枢回路、可控硅电路三部分进行串联校正设计，得此开环传递函数为