带钢纠偏控制系统设计

机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩目 录摘 要 .1Abstract .2引 言 .31 电 液 伺 服 控 制 系 统 .51.1 电 液 控 制 系 统 的 发 展 历 史 概 述 .51.2 电 液 伺 服 控 制 系 统 的 特 点 和 构 成 .61.3 电 液 伺 服 控 制 系 统 的 发 展 趋 势 .62 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 设 计 .72.1 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 原 理 .72.1.1 课 题 背 景 .72.1.2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 简 介 .72.1.3 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 工 作 原 理 .72.2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 设 计 .82.2.1 控 制 系 统 参 数 及 基 本 要 求 .82.2.2 控 制 系 统 设 计 方 案 .92.2.3 纠 偏 液 压 站 原 理 图 设 计 .102.3 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 元 件 设 计 选 型 .122.3.1 光 电 传 感 器 设 计 .122.3.2 电 液 伺 服 阀 设 计 选 型 .172.3.3 液 压 缸 设 计 选 型 .192.3.4 系 统 其 他 元 件 设 计 选 型 .203 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 建 模 及 仿 真 .213.1 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 模 型 建 立 .213.1.1 伺 服 阀 传 递 函 数 .21机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩3.1.2 卷 取 机 传 递 函 数 .223.1.3 其 他 元 件 传 递 函 数 .223.2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 仿 真 .233.2.1 系 统 调 节 品 质 分 析 .233.2.2 系 统 的 闭 换 阶 跃 响 应 .263.3 常 规 PID控 制 器 .273.3.1 PID控 制 算 法 简 介 .283.3.2 常 规 PID仿 真 及 结 果 分 析 .324 智 能 PI 控 制 器 的 设 计 及 仿 真 .344.1 智 能 PI控 制 器 设 计 原 理 .344.2 智 能 PI控 制 器 仿 真 及 结 果 分 析 .374.2.1 智 能 PI控 制 器 仿 真 .374.2.2 结 果 分 析 .385 智 能 PI控 制 器 的 全 数 字 实 现 .415.1 计 算 机 控 制 系 统 简 介 .415.1.1 计 算 机 控 制 系 统 概 述 .415.1.2 计 算 机 控 制 系 统 的 组 成 .415.1.3 计 算 机 控 制 系 统 的 结 构 .425.2 最 小 应 用 系 统 的 设 计 .435.3 系 统 的 软 件 设 计 .445.3.1 主 程 序 设 计 .445.3.2 8279键 盘 中 断 程 序 .475.3.3 8279显 示 子 程 序 .505.3.4 中 断 服 务 程 序 .52结 论 .62机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩谢 辞 .63参 考 文 献 .64机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩引 言（ 1） 轧 制 过 程 自 动 化 的 基 本 概 念自 动 化 一 词 对 于 我 们 已 不 陌 生 ， 因 为 各 工 业 部 门 正 在 广 泛 地 采 用 着 不 同 的 自 动 化技 术 。 自 动 化 实 际 是 一 门 边 缘 学 科 ， 它 从 许 多 不 同 的 学 科 领 域 汲 取 知 识 。 加 强 对 它 的研 究 ， 不 仅 能 有 利 于 一 系 列 原 来 认 为 是 各 自 独 立 的 学 科 汇 集 起 来 ， 而 且 可 以 把 它 们 用来 解 决 各 种 不 同 的 工 程 技 术 问 题 。轧 制 过 程 自 动 化 所 要 解 决 的 问 题 是 ： 提 高 和 稳 定 产 品 质 量 ， 提 高 轧 机 等 设 备 的 使用 效 率 ， 以 便 达 到 最 经 济 地 进 行 生 产 和 经 营 的 目 的 ； 在 环 境 恶 劣 人 不 能 靠 近 的 场 合 实现 自 动 控 制 ， 把 人 们 从 繁 重 的 体 力 劳 动 中 解 放 出 来 。（ 2） .轧 制 过 程 自 动 化 的 发 展 状 况轧 制 过 程 自 动 化 的 发 展 ， 大 体 经 历 了 单 机 自 动 控 制 系 统 ， 电 子 计 算 机 和 单 机 自 动控 制 系 统 共 存 以 及 全 数 字 计 算 机 控 制 系 统 等 几 个 阶 段 。轧 制 过 程 自 动 化 的 发 展 ， 大 体 可 分 为 三 个 阶 段 ： 第 一 阶 段 大 约 在 四 五 十 年 代 ， 为单 机 自 动 化 阶 段 ； 第 二 阶 段 在 六 十 年 代 ， 为 计 算 机 和 单 机 系 统 共 存 阶 段 ； 第 三 阶 段 为七 十 年 代 至 今 ， 是 全 数 字 计 算 机 控 制 阶 段 。（ 3） 轧 制 过 程 自 动 化 的 必 要 性在 整 套 轧 制 设 备 上 采 用 计 算 机 控 制 系 统 实 现 轧 制 自 动 化 ， 不 仅 可 以 把 人 从 繁 重 的体 力 劳 动 中 解 放 出 来 ， 重 要 的 是 能 满 足 轧 制 生 产 的 技 术 要 求 的 迅 速 发 展 需 要 。 实 现 轧制 自 动 化 有 以 下 几 个 方 面 的 效 果 ： 能 够 迅 速 适 应 轧 制 程 序 的 变 化 ， 在 手 动 的 情 况 下 非 常 慢 ， 通 过 计 算 机 系 统 控 制能 根 据 轧 制 的 波 动 自 动 进 行 调 节 控 制 ， 使 其 保 持 不 变 或 按 一 定 规 律 变 化 。 能 够 减 少 误 轧 次 数 ， 一 般 情 况 下 ， 当 出 现 误 轧 时 ， 检 修 或 换 辊 时 ， 要 花 费 很 多时 间 ， 造 成 很 大 的 浪 费 和 损 失 。 采 用 计 算 机 系 统 控 制 按 照 事 先 编 好 的 程 序 迅 速 地 进 行工 作 ， 可 以 避 免 或 减 少 误 轧 次 数 ， 节 约 经 济 。 有 可 能 实 现 大 范 围 的 尺 寸 改 变 ， 特 别 是 在 精 轧 中 ， 过 去 手 动 很 难 实 现 。 能 显 著 提 高 轧 制 的 尺 寸 精 度 ， 在 薄 材 轧 制 过 程 中 ， 采 用 计 算 机 控 制 可 以 提 高 厚度 自 动 控 制 系 统 的 性 能 ， 能 显 著 改 善 薄 材 的 精 度 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩 能 稳 定 精 轧 时 的 温 度 ， 由 于 采 用 计 算 机 控 制 后 ， 既 可 以 做 到 控 制 轧 件 的 温 度 ， 而又 可 以 确 定 最 佳 轧 制 速 度 。除 上 述 优 点 外 ， 计 算 机 控 制 系 统 还 可 以 改 善 轧 件 的 断 面 形 状 ， 提 高 轧 件 宽 度 ， 精简 操 作 环 节 。为 了 适 应 轧 制 生 产 向 连 续 化 ， 高 速 化 ， 大 型 化 和 自 动 化 的 迅 速 发 展 ， 我 们 必 须 掌 握与 之 相 关 的 自 动 化 知 识 。 只 有 这 样 才 能 使 得 轧 制 自 动 化 技 术 有 更 加 美 好 的 未 来 。具 体 而 言 ， 在 计 算 机 位 置 控 制 系 统 中 经 常 遇 到 带 材 跑 偏 的 间 题 ， 由 于 前 道 工 序 收卷 不 齐 或 机 组 中 的 辊 组 偏 差 、 振 动 、 张 力 失 调 、 横 向 厚 度 不 均 等 原 因 ， 造 成 带 材 边 缘或 带 材 某 一 纵 向 标 志 线 与 机 组 的 中 心 线 不 平 行 或 不 重 合 ， 导 致 带 材 的 横 向 跑 偏 。 卷 取是带 材 生 产 的 最 后 一 个 环 节 ， 其 卷 取 的 平 整 度 将 极 大 地 影 响 产 品 的 外 观 。 带 材 在 运 行 的 作业 线 上 应 在 一 定 的 横 向 公 差 范 围 内 对 准 机 组 中 心 线 (或 设 定 位 置 )， 否 则 就 会 刮 坏 设 备 (如酸 洗 机 组 的 酸 洗 槽 侧 壁 或 退 火 线 加 热 炉 侧 壁 )， 在 这 种 情 况 下 就 需 要 对 带 材 实 行 对 中 控制 (CPC);在 另 外 一 种 情 况 下 ， 如 要 求 卷 取 机 上 卷 取 的 带 材 边 缘 应 该 整 齐 ， 则 需 要 以 带材 边 部 某 一 纵 向 线 为 基 准 实 行 边 缘 纠 偏 控 制 (EPC)， 否 则 影 响 产 品 质 量 和 带 卷 外 观 。 因此 ， 带 材 的 这 两 种 位 置 控 制 往 往 是 带 材 连 续 作 业 线 上 必 不 可 少 的 环 节 。目 前 已 有 一 些 带 材 纠 偏 系 统 在 实 际 应 用 中 获 得 了 成 功 。 但 传 统 的 纠 编 系 统 大 都 采用 模 拟 式 的 PID 控 制 规 律 。 由 于 带 材 跑 偏 呈 波 形 快 速 不 规 则 振 荡 特 性 ， 控 制 系 统 的 动特 性 难 以 用 精 确 的 数 学 方 式 描 述 ， 从 而 使 PID 参 数 整 定 变 得 十 分 困 难 。 同 时 PID 纠 偏系 统 超 调 大 ， 精 度 不 高 。 因 此 ， PID 纠 偏 系 统 在 实 际 应 用 中 不 能 获 得 满 意 的 纠 编 效 果 。随 着 计 算 机 的 发 展 和 集 成 电 路 的 出 现 ， 精 度 更 高 、 稳 定 性 更 强 、 快 速 性 更 好 的 控 制 算法 得 以 实 现 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩1 电 液 伺 服 控 制 系 统1.1 电 液 控 制 系 统 的 发 展 历 史 概 述液 压 控 制 技 术 的 历 史 最 早 可 以 追 溯 到 公 元 前 240 年 ,一 位 古 埃 及 人 发 明 的 液 压 伺 服机 构 水 钟 。 而 液 压 控 制 技 术 的 快 速 发 展 则 是 在 18 世 纪 欧 洲 工 业 革 命 时 期 ,在 此 期间 ,许 多 非 常 实 用 的 发 明 涌 现 出 来 ,多 种 液 压 机 械 装 置 特 别 是 液 压 阀 得 到 开 发 和 利 用 ,使 液压 技 术 的 影 响 力 大 增 。 18 世 纪 出 现 了 泵 、 水 压 机 及 水 压 缸 等 。 19 世 纪 初 液 压 技 术 取 得了 一 些 重 大 的 进 展 ,其 中 包 括 采 用 油 作 为 工 作 流 体 及 首 次 用 电 来 驱 动 方 向 控 制 阀 等 。 第二 次 世 界 大 战 期 间 及 战 后 ,电 液 技 术 的 发 展 加 快 。 出 现 了 两 级 电 液 伺 服 阀 、 喷 嘴 挡 板 元件 以 及 反 馈 装 置 等 。 20 世 纪 50 60 年 代 则 是 电 液 元 件 和 技 术 发 展 的 高 峰 期 ,电 液 伺 服 阀控 制 技 术 在 军 事 应 用 中 大 显 身 手 ,特 别 是 在 航 空 航 天 上 的 应 用 。 这 些 应 用 最 初 包 括 雷 达驱 动 、 制 导 平 台 驱 动 及 导 弹 发 射 架 控 制 等 ,后 来 又 扩 展 到 导 弹 的 飞 行 控 制 、 雷 达 天 线 的定 位 、 飞 机 飞 行 控 制 系 统 的 增 强 稳 定 性 、 雷 达 磁 控 管 腔 的 动 态 调 节 以 及 飞 行 器 的 推 力矢 量 控 制 等 。 电 液 伺 服 驱 动 器 也 被 用 于 空 间 运 载 火 箭 的 导 航 和 控 制 。 电 液 控 制 技 术 在非 军 事 工 业 上 的 应 用 也 越 来 越 多 ,最 主 要 的 是 机 床 工 业 。 在 早 些 时 候 ,数 控 机 床 的 工 作 台定 位 伺 服 装 置 中 多 采 用 电 液 系 统 (通 常 是 液 压 伺 服 马 达 )来 代 替 人 工 操 作 ,其 次 是 工 程 机 械 。在 以 后 的 几 十 年 中 ,电 液 控 制 技 术 的 工 业 应 用 又 进 一 步 扩 展 到 工 业 机 器 人 控 制 、 塑 料 加工 、 地 质 和 矿 藏 探 测 、 燃 气 或 蒸 汽 涡 轮 控 制 及 可 移 动 设 备 的 自 动 化 等 领 域 。 电 液 比 例控 制 技 术 及 比 例 阀 在 20 世 纪 60 年 代 末 70 年 代 初 出 现 。 70 年 代 ,随 着 集 成 电 路 的 问 世 及其 后 微 处 理 器 的 诞 生 ,基 于 集 成 电 路 的 控 制 电 子 器 件 和 装 置 广 泛 应 用 于 电 液 控 制 技 术 领域 。现 代 飞 机 上 的 操 纵 系 统 。 如 驼 机 、 助 力 器 、 人 感 系 统 ， 发 动 机 与 电 源 系 统 的 恒 速与 恒 频 调 节 ， 火 力 系 统 中 的 雷 达 与 炮 塔 的 跟 踪 控 制 等 大 都 采 用 了 电 液 伺 服 控 制 系 统 。 飞行 器 的 地 面 模 拟 设 备 ， 包 括 飞 行 模 拟 台 、 负 载 模 拟 器 大 功 率 模 拟 振 动 台 、 大 功 率 材 料 实验 加 载 等 大 多 采 用 了 电 液 控 制 ， 因 此 电 液 伺 服 控 制 的 发 展 关 系 到 航 空 与 宇 航 事 业 的 发展 ， 在 其 他 的 国 防 工 业 中 如 机 器 人 也 大 量 使 用 了 电 液 控 制 系 统 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩1.2 电 液 伺 服 控 制 系 统 的 特 点 和 构 成电 液 伺 服 控 制 系 统 特 点 :均 为 闭 环 系 统 ;输 出 为 位 置 、 速 度 、 力 等 各 种 物 理 量 ;控 制 元件 为 伺 服 阀 (零 遮 盖 、 死 区 极 小 、 滞 环 小 、 动 态 响 应 高 、 清 洁 度 要 求 高 )； 控 制 精 度 高 ;响应 速 度 快 ； 用 于 高 性 能 场 合 。 此 系 统 的 一 般 构 成 如 图 1.1 所 示 。 伺 服放 大 器 检 测 反馈 元 件伺 服 阀 控 制对 象液 压 执行 元 件 被 控制 量被 控 制 对 象液 压 源ugfQeI图 1.1 电 液 伺 服 系 统 的 一 般 构 成1.3 电 液 伺 服 控 制 系 统 的 发 展 趋 势电 液 伺 服 控 制 已 经 开 始 向 数 字 化 发 展 ,液 压 技 术 同 电 子 技 术 、 控 制 技 术 的 结 合 日 益紧 密 ,电 液 元 件 和 系 统 的 性 能 有 了 进 一 步 的 提 高 。 电 液 伺 服 控 制 将 在 电 子 设 备 、 控 制 策略 、 软 件 和 材 料 方 面 取 得 更 大 的 突 破 ,主 要 包 括 以 下 几 个 方 面 。(1)与 电 子 技 术 、 计 算 机 技 术 融 为 一 体 。 随 着 电 子 组 件 系 统 的 集 成 ,相 应 的 电 子 组 件接 口 和 现 场 总 线 技 术 开 始 应 用 于 电 液 系 统 的 控 制 中 ,从 而 实 现 高 水 平 的 信 息 系 统 ,该 系 统简 化 了 控 制 环 节 、 易 于 维 护 ,提 高 液 压 系 统 的 可 控 性 能 和 诊 断 性 能 。(2)更 加 注 重 节 能 增 效 。 负 荷 传 感 系 统 和 变 频 技 术 等 新 技 术 的 应 用 将 使 效 率 大 大 提高 。(3)新 型 电 液 元 件 和 一 体 化 敏 感 元 件 将 得 到 广 泛 研 究 和 应 用 ,如 具 有 耐 污 染 、 高 精 度 、高 频 响 的 直 动 型 电 液 控 制 阀 ,液 压 变 换 器 及 电 子 油 泵 等 的 研 究 。(4)计 算 机 技 术 将 广 泛 应 用 于 电 液 控 制 系 统 的 设 计 、 建 模 、 仿 真 试 验 和 控 制 中 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 设 计2.1 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 原 理2.1.1 课 题 背 景近 年 来 ， 随 着 科 学 技 术 的 发 展 、 制 造 技 术 的 进 步 ， 产 品 质 量 和 品 种 多 样 化 的 要 求日 益 提 高 。 其 中 ， 汽 车 工 业 及 装 备 制 造 业 的 迅 猛 发 展 大 大 增 加 了 对 钢 材 的 需 求 。然 而 ， 我 国 的 很 多 钢 铁 企 业 由 于 设 备 使 用 年 限 过 长 ， 电 气 控 制 系 统 和 液 压 传 动 系统 损 坏 严 重 ， 控 制 精 度 达 不 到 要 求 ， 不 能 满 足 当 前 生 产 的 需 求 。 为 保 证 带 钢 的 质 量 ， 需 要 根 据 机 组 运 行 情 况 设 计 安 装 相 应 的 自 动 纠 偏 控 制 系 统 ， 整 齐 带 钢 边 部 ， 从 而 提 高 钢材 的 产 量 、 成 品 率 和 生 产 效 率 。2.1.2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 简 介带 钢 纠 偏 系 统 EPC (Edge Position Control)即 边 缘 位 置 控 制 ， 广 泛 应 用 于 钢 带 、 铝 带 、铜 带 等 金 属 带 材 轧 机 、 纵 剪 机 列 、 清 洗 机 列 等 生 产 中 ， 用 来 对 带 材 连 续 生 产 进 行 跑 偏控 制 。常 见 的 跑 偏 控 制 系 统 有 气 液 和 光 电 液 伺 服 控 制 系 统 。 两 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 区 别仅 在 于 检 测 器 和 伺 服 阀 不 同 ， 前 者 为 气 动 检 测 器 和 气 液 伺 服 阀 ;后 者 为 光 电 检 测 器 和 电液 伺 服 阀 ， 并 各 有 所 长 。 电 液 伺 服 控 制 系 统 的 优 点 是 信 号 传 输 快 ;电 反 馈 和 校 正 方 便 :光电 检 测 器 的 开 口 (即 发 射 与 接 受 器 间 距 )可 达 一 米 左 右 ， 因 此 可 直 接 方 便 的 装 于 卷 取 机 旁 ，但 系 统 较 复 杂 。 气 液 伺 服 系 统 的 最 大 优 点 是 简 单 可 靠 且 不 怕 干 扰 ;气 液 伺 服 阀 中 的 膜 片不 仅 起 气 压 -位 移 转 换 作 用 ， 还 起 力 放 大 作 用 ， 因 此 系 统 中 省 去 了 放 大 器 ， 简 化 了 系 统 。但 气 动 信 号 传 输 速 度 较 慢 ， 传 输 距 离 有 限 ， 且 气 动 检 测 器 开 口 较 小 ， 检 测 器 务 必 由 支架 伸 出 ， 装 于 距 卷 筒 较 远 处 ， 综 合 各 种 因 素 本 系 统 运 用 电 液 伺 服 控 制 。2.1.3 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 工 作 原 理如 图 2.1 所 示 ， 典 型 的 带 钢 卷 取 纠 编 控 制 系 统 ， 主 要 由 光 电 传 感 器 ， 控 制 器 ， 液压 伺 服 系 统 (液 压 站 、 伺 服 阀 )， 卷 取 机 所 组 成 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩图 2.1 带 钢 纠 偏 控 制 系 统带 钢 正 常 运 行 时 ， 带 边 处 于 光 电 传 感 器 中 央 ， 将 光 源 的 光 照 遮 去 一 半 。 带 钢 跑 偏时 ， 带 边 偏 离 光 电 传 感 器 中 央 ， 光 电 传 感 器 检 测 出 带 材 的 位 置 偏 差 ， 将 信 号 送 给 电 控 装置 ， 而 后 经 过 放 大 等 一 系 列 动 作 送 至 伺 服 阀 ， 由 伺 服 阀 控 制 液 压 缸 驱 动 卷 筒 ， 使 卷 筒向 跑 偏 方 向 跟 踪 。 当 跟 踪 位 移 与 跑 偏 位 移 相 等 时 ， 偏 差 信 号 为 零 ， 卷 筒 处 于 新 的 平 衡位 置 ， 使 卷 筒 上 的 带 钢 边 缘 实 现 自 动 卷 齐 。2.2 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 设 计2.2.1 控 制 系 统 参 数 及 基 本 要 求1.控 制 对 象 有 关 参 数1） 机 组 速 度 ： V=2m/s2） 负 载 情 况 ： 以 惯 性 负 载 为 主 ， 卷 取 机 移 动 部 件 总 重 量 M1=23t， 最 大 钢 卷 重 量M2=20t3） 带 钢 宽 度 变 化 范 围 ： 75cm-125cm4） 工 作 行 程 ： H=300mm5） 工 作 条 件 ： 因 活 套 内 行 走 ,小 车 运 行 不 稳 ， 易 引 起 带 钢 横 向 摆 动2.控 制 系 统 要 求机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩1)最 大 调 节 速 度 Vs=30mm/s， 系 统 频 宽 3Hz0.7f2)卷 齐 精 度 e 2mm2.2.2 控 制 系 统 设 计 方 案本 论 文 研 究 的 对 象 位 于 轧 钢 生 产 线 。 由 于 生 产 线 工 况 条 件 恶 劣 ， 振 动 大 、 噪 声 强 、温 度 高 、 污 染 严 重 ， 所 以 对 控 制 系 统 的 要 求 必 须 有 非 常 高 的 可 靠 性 和 处 理 速 度 。 为 此我 们 在 系 统 设 计 中 需 采 用 特 殊 的 光 电 传 感 器 检 测 带 钢 偏 移 信 号 ， 控 制 器 采 用 计 算 机 控制 系 统 和 智 能 PI 控 制 算 法 ， 以 减 小 和 消 除 超 调 ， 加 快 系 统 的 动 态 响 应 ； 执 行 机 构 采 用电 液 伺 服 阀 控 制 液 压 缸 ， 推 动 卷 取 机 跟 随 钢 带 。具 体 控 制 方 案 如 下 :1.控 制 算 法 采 用 智 能 PI 算 法 ， 优 化 控 制 性 能 ， 这 是 该 控 制 系 统 的 关 键 部 分 。2.光 电 传 感 器 采 用 特 殊 频 率 电 源 ， 提 高 抗 干 扰 性 能 ， 有 利 于 提 高 控 制 精 度 。3.硬 件 电 路 用 由 MCS-51 单 片 机 构 建 的 计 算 机 控 制 系 统 ， 扩 展 A/D 及 D/A 模 块 ，用 LED 及 键 盘 达 到 参 数 显 示 、 修 改 及 工 作 方 式 的 切 换 ， 构 成 友 好 的 操 作 界 面 。4.该 系 统 实 现 键 盘 自 给 定 系 统 ， 在 带 钢 宽 度 变 化 时 自 动 调 节 光 电 传 感 器 的 光 电 头可 以 实 现 带 钢 边 缘 位 置 的 准 确 定 位 。带 材 纠 偏 控 制 系 统 硬 件 原 理 图 如 图 2.2 所 示计 算 机给 定 值 传 动 装 置卷 筒带钢 检 测信 号V 光 电检 测 器 伺 服 放 大 器 伺 服 阀液 压 缸图 2.2 带 材 纠 偏 控 制 系 统 硬 件 原 理 图机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩2.2.3 纠 偏 液 压 站 原 理 图 设 计液 压 系 统 设 计 要 完 成 两 部 分 功 能 : 实 现 卷 取 机 的 自 动 和 手 动 跟 踪 带 钢 ; 实 现 光 电传 感 器 位 置 的 手 动 调 节 ， 并 且 调 节 速 度 可 调 。 根 据 功 能 要 求 ， 设 计 纠 偏 液 压 站 原 理 图如 图 2.3 所 示 :图 中 元 件 为 :1.吸 油 过 滤 器 2.电 动 机 3.弹 性 连 轴 器 4.叶 片 泵 5.水 冷 器 6.单 向阀 7.压 力 表 开 关 8.压 力 表 9.溢 流 阀 10.高 压 滤 油 器 11.水 阀 12.电 液 伺 服 阀 13.电 磁 换 向 阀14.电 磁 换 向 阀 15.电 磁 换 向 阀 16.叠 加 式 单 向 节 流 阀 17.油 缸 I(推 动 卷 取 辊 )18.油 缸 II(光电 传 感 器 )19.液 位 计 油 温 计 20.液 压 空 气 滤 清 器 。 油 路 原 理 分 析 :油 液 经 4（ 叶 片 泵 ） 向 上进 入 6(单 向 阀 )： 当 系 统 在 自 动 控 制 状 态 下 时 ， 13(电 磁 换 向 阀 )处 于 右 位 ， 14(电 磁 换 向 阀 )处 于 中位 (关 闭 )。 油 液 经 过 12(电 液 伺 服 阀 )和 13(电 磁 换 向 阀 )进 入 17(油 缸 )工 作 ， 此 时 流 量 由微 机 控 制 的 12(电 液 伺 服 阀 )决 定 。 当 系 统 在 手 动 控 制 状 态 下 时 ， 13(电 磁 换 向 阀 )处 于 左 位 (关 闭 )， 14(电 磁 换 向 阀 )处 于 左 位 或 右 位 。 油 液 经 过 14(电 磁 换 向 阀 )进 入 17(油 缸 )工 作 ， 此 时 流 量 由 人 工 通 过14(电 磁 换 向 阀 )控 制 。 不 管 系 统 处 于 自 动 状 态 还 是 手 动 状 态 ， 油 液 都 可 经 过 15(电 磁 换 向 阀 )和 16（ 叠 加 式 单 向 节 流 阀 )进 入 18 油 缸 II ， 控 制 光 电 传 感 器 的 位 置 。 一 般光 电 传 感 器 只 在 带 钢 宽 度 发 生 变 化 的 情 况 下 才 由 人 工 重 新 定 位 ， 所 以 15(电 磁换 向 阀 )一 般 处 于 中 位 (关 闭 )。 16(叠 加 式 单 向 节 流 阀 )是 为 了 调 整 定 位 速 度 ， 保证 18(油 缸 II)稳 定 准 确 定 位 。 9(溢 流 阀 )是 为 了 确 定 系 统 最 高 压 力 。机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩图 2.3 纠 偏 液 压 站 原 理 图机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩2.3 带 钢 纠 偏 控 制 系 统 元 件 设 计 选 型系 统 由 计 算 机 、 伺 服 放 大 器 、 伺 服 阀 、 卷 取 机 及 光 电 传 感 器 等 环 节 组 成 。 控 制 器 给出 控 制 信 号 ， 经 伺 服 放 大 器 放 大 后 驱 动 伺 服 阀 ， 控 制 油 缸 活 塞 杆 运 动 来 推 动 卷 取 机跟 随带 钢 ， 带 钢 位 移 信 号 经 传 感 器 反 馈 回 控 制 器 构 成 闭 环 控 制 系 统 。系 统 原 理 框 图 如 图 2.4 所 示 (其 中 给 定 值 为 数 字 给 定 )图 2.4 系 统 原 理 框 图在 系 统 中 光 电 传 感 器 、 伺 服 阀 、 卷 取 机 及 与 其 配 套 的 油 缸 等 液 压 器 件 是 系 统 的 主体 部 分 。 系 统 的 主 要 控 制 性 能 是 由 光 电 传 感 器 和 液 压 系 统 (包 括 伺 服 阀 、 卷 取 机 及 与 其配 套 的 油 缸 等 液 压 器 件 )决 定 的 ， 所 以 首 先 来 设 计 光 电 传 感 器 和 液 压 系 统 。 光 电 传 感 器包 括 光 源 的 设 计 、 转 换 、 滤 波 等 。 液 压 系 统 的 设 计 主 要 是 确 定 决 定 系 统 控 制 性 能 的 关键 元 件 伺 服 阀 。2.3.1 光 电 传 感 器 设 计在 检 测 的 反 馈 回 路 上 光 电 传 感 器 的 精 度 在 很 大 程 度 上 决 定 了 系 统 的 精 度 ， 因 此 设计 较 为 可 靠 和 精 度 高 的 检 测 器 非 常 重 要 . 光 电 传 感 器 的 设 计 包 括 电 源 、 检 测 器 、 转 换 电路 和 滤 波 整 流 电 路 四 部 分 。1. 光 源 设 计机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩为 了 减 少 外 部 光 对 系 统 的 干 扰 ， 使 接 收 到 的 光 源 信 号 尽 可 能 是 工 作 光 源 ， 我 们 将 设计 200Hz 的 高 频 特 殊 光 源 ， 采 用 直 流 斩 波 电 路 将 220V， 50Hz 的 工 业 用 电 变 成220V、 200Hz 的 工 作 电 源 。其 电 源 的 整 流 电 路 如 图 2.5图 2.5 电 源 的 整 流 电 路D1D4 与 C 组 成 桥 式 整 流 电 容 滤 波 电 路 ， 其 作 用 是 把 来 自 变 压 器 副 侧 电 流 的 交 流电 压 变 成 直 流 电 压 ； 虚 线 右 半 部 分 为 稳 压 电 路 ， 其 作 用 是 为 负 载 提 供 一 个 稳 定 的 直 流 电压 。整 流 后 ， 通 过 斩 波 把 直 流 变 成 200Hz 的 方 波 ， 使 其 产 生 相 应 频 率 的 光 源 。 其 斩 波电 路 如 下 图 2.6图 2.6 斩 波 电 路机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩工 作 原 理 :斩 波 的 原 理 是 通 过 开 关 把 直 流 电 按 周 期 地 使 电 路 导 通 与 关 断 ， 该 电 路 是 由IGBT 组 成 的 降 压 斩 波 电 路 。 全 控 型 器 件 IGBT 的 的 栅 极 驱 动 电 压 为 周 期 方 波 ，采 用 脉 宽 调 制 方 式 ， 其 开 关 的 周 期 即 为 斩 波 后 的 周 期 ， 但 输 出 的 电 压 将 相 应 地 降低 。最 终 输 出 的 Uo 的 波 形 如 下 图 2.7图 2.7 斩 波 输 出 波 形2. 光 电 传 感 器 的 检 测 器 原 理 设 计光 电 式 带 材 跑 偏 检 测 器 原 理 如 图 2.8 所 示机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩图 2.8 光 电 式 带 材 跑 偏 检 测 器 原 理光 源 发 出 的 光 线 经 过 透 镜 1 会 聚 为 行 光 束 ， 投 向 透 镜 2， 随 后 被 会 聚 到 光 敏 电 阻 上 。在 平 行 光 束 到 达 透 镜 2 的 途 中 ， 有 部 分 光 线 受 到 被 测 带 材 的 遮 挡 ， 使 传 到 光 敏 电 阻 的光 通 量 也 发 生 变 化 ， 再 通 过 转 换 电 路 使 输 出 的 标 准 电 压 也 发 生 变 化 。3. 光 电 传 感 器 的 转 换 电 路 图 如 图 2.9机 械 机 电 专 业 本 科 优 秀 毕 业 设 计 通 过 答 辩图 2.9 光 电 转 换 电 路R1、 R2 是 同 型 号 的 光 敏 电 阻 。 R1 作 为 测 量 元 件 装 在 带 材 下 方 ， R2 用 遮 光 罩 罩 住 ，起 温 度 补 偿 作 用 。 当 带 材 处 于 正 确 位 置 （ 中 间 位 ） 时 ， 由 R1、 R2、 R3、 R4 组 成 的 电桥 平 衡 ， 使 放 大 器 输 出 电 压 U0 为 0。 当 带 材 左 偏 时 ， 遮 光 面 积 减 少 ， 光 敏 电 阻 R1 阻 值减 少 ， 电 桥 失 去 平 衡 。 差 动 放 大 器 将 这 一 不 平 衡 电 压 加 以 放 大 ， 输 出 电 压 为 负 值 ， 它反 映 了 带 材 跑 偏 的 方 向 及 大 小 。 反 之 ， 当 带 材 右 偏 时 ， U0 为 正 值 。 输 出 信 号 U0 一 方面 由 显 示 器 显 示 出 来 ， 另 一 方 面 被 送 到 执 行 机 构 ， 为 纠 偏 控 制