基于Matlab的轧机AGC伺服油缸试验技术研究

基于 Ma t l a b的轧机 A GC伺服油缸试验技术研究 口江向栋 口赵春涛 口王旭永 1 上海交通大学 机械与动力工程学院上海2 0 0 2 4 0 2 宝山钢铁 股份 有限公 司 设备部上海2 0 1 9 0 0 摘要 对轧机 A G C伺服 油缸 试验 系统进 行研 究 设 计 了试验 系统的基本 结构 并分析 建立 了试验 系统的数 学模 型 通过 Ma t l a b软件对建立的试验 系统数学模 型进 行仿 真 寻找对 系统稳定性 精确性产生影响的相 关因素 从 而对试验 系统 的建立起到指导改进的作用 关键词 A G C伺服油缸试验 系统 系统仿真 中图分类号 T H1 3 7 9 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 1 0 0 7 5 0 3 轧 机 液 压 AGC Au t o ma t i c Ga u g e Co n t r o 1 系 统 是 机 电 液 综 合 系 统 由 于 采 用 电 液 伺 服 技 术 使 液 压 AGC 动 态 响 应 速 度 得 以 大 幅 度 提 高 厚 度 控 制 所 需 的 时 间 大 大 缩 短 由 于 液 压 AGC具 有 快 速 响 应 的 特 点 所 以 在 现 代 轧 机 压 下 系 统 中得 到 了广 泛 应 用 在 轧 机 液 压 压 下 系 统 中 液 压 AGC 的 动 静 态 品 质 的 好 坏 直 接 影 响 系 统 的 稳 定 性 响 应 的快 速 性 和 控 制 精 度 而 液 压 AGC系 统 的 响 应 及 控 制 精 度 在 很 大 程 度 上 又 取 决 于 AG C 伺 服 油 缸 1 液压 AGC原理 轧 机 液 压 AGC 系 统 主 要 控 制 原 理 即 为 给 定 其 初 始 辊 缝 值 的 调 整 设 定 信 号 经 过 P I D 控 制 器 和 伺 服 放 大 器 后 把 电信 号 送 给 电 液 伺 服 阀 然 后 电 液 伺 服 阀 动 作 随 即 就 会 有 一 个 相 应 的 流 量 输 出 驱 使 液 压 缸 动 作 轧 机 工 作 轧 辊 跟 随 动 作 当 液 压 缸 移 动 到 设 定 值 要 求 位 置 后 位 移 传 感 器 发 出 反 馈 信 号 并 与 设 定 值 信 号 进 行 比 较 当 两 个 信 号 相 等 时 输 出 信 号 为 0 轧 辊 停 止 运 动 调 整 轧 辊 结 束 在 轧 制 过 程 中 若 当 轧 制 力 发 生 变 化 时 通 过 压 力 传 感 器 发 出 信 号 经 校 正 放 大 器 与 设 定 值 比较 如 果 有 误 差 此 误 差 信 号 输 入 到 电 液 伺 服 阀 中 再 调 整 油 缸 位 置 使 其 轧 制 力 符 合 原 来 给 定 的 要 求 压 下 油 缸 的 位 移 通 过 位 移 传 感 器 将 位 置 信 号 转 换 为 电 压 信 号 再 经 放 大 器 给 电 液 伺 服 阀 一 个 差 动 电 流 信 号 这 时 电 液 伺 服 阀便 有 一 相 应 的 流 量 输 出 实 现 了 缸 位 置 的精 确 定 位 2 液压 AGC伺服油缸试验装置设计 AGC 伺 服 油 缸 是 轧 机 液 压 压 下 装 置 的 关 键 部 件 压 下 油 缸 性 能 好 坏 直 接 影 响 到 AGC 系 统 的 控 制 精 度 从 而 影 响 板 带 材 的 轧 制 质 量 为 实 现 板 带 材 的 高 精 收稿 日期 2 0 1 2年 8月 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 度 自动 厚 度 控 制 压 下 油 缸 必 须 具 有 位 移 精 度 高 稳 定 性 好 灵 敏 度 高 等 性 能 为 此 压 下 油 缸 有 很 高 的 制 造 精 度 较 完 整 的 压 下 油 缸 试 验 装 置 由模 拟 机 架 位 置 传 感 器 压 力 传 感 器 液 压 站 伺 服 阀 块 电 控 装 置 计 算 机 打 印 机 微 机 绘 图 仪 等 组 成 在 该 测 试 装 置 中 压 下 油 缸 放 在 模 拟 机 架 窗 口下 平 面 上 活 塞 杆 与 机 架 上 平 面 间 放 入 垫 块 用 来 限 定 活 塞 行 程 或 确 定 油 缸 的 油 垫 厚 度 变 换 垫 块 材 料 还 可 改 变 机 座 总 刚 度 液 压 站 输 出 的 高 压 油 通 过 伺 服 阀 进 入 压 下 油 缸 活 塞 腔 活 塞 杆 腔 直 接 与 液 压 站 的 低 压 油 输 出 口相 连 单 片 计 算 机 控 制 装 置 发 出 指 令 通 过 伺 服 阀 来 控 制 活 塞 运 动 安 装 在 压 下 油 缸 上 的位 置 传 感 器 不 仅 显 示 活 塞 位 置 还 可 反 馈 活 塞 位 置 信 号 通 过 单 片 计 算 机 控 制 装 置 组 成 液 压 压 下 的 位 置 调 节 系 统 单 片 计 算 机 控 制 装 置 给 出 阶 跃 信 号 即 可 测 出 压 下 油 缸 位 置 控 制 的 液 压 压 下 系 统 阶 跃 特 性 给 出 正 弦 信 号 即 可 测 出 系 统 频 率 特 性 测 试 结 果 可 由 打 印 机 直 接 打 出 还 可 经 微 机 处 理 由 绘 图 仪 绘 出所 需 图 形 安 装 在 压 下 油 缸 上 的压 力 传 感 器 同样 也 可 组 成 液 压 压 下 调 节 系 统 在 该 测 试 装 置 上 可 进 行 压 下 油 缸 的 内 部 泄 漏 外 部 泄 漏 量 测 试 耐 压 试 验 摩 擦 力 最 低 启 动 压 力 低 速 性 能 试 验 也 可 进 行 动 态 特 性 试 验 3 液压 A GC试验 系统传 递函数 根 据 液 压 压 下 系 统 的 负 载 特 性 分 析 结 论 应 用 阀 线 性 化 流 量 方 程 液 压 缸 流 量 连 续 性 方 程 液 压 缸 与 负 载 的 力 平 衡 方 程 3个 基 本 方 程 可 以 推 导 出 液 压 压 下 伺 服 阀 控 缸 位 置 系 统 的 传 递 函 数 I 3 3 1 伺 服 阀 线 性 化 流 量 方 程 在 液 压 AGC 系 统 中 目前 普 遍 采 用 将 一 路 输 出 口 封 闭 的 四 通 流 量 伺 服 阀 作 为 压 下 油 缸 的 控 制 元 件 在 此 对 这 一 控 制 阀 的 流 量 特 性 进 行 分 析 2 0 1 3 1 固 轧 机 液 压 压 下 AGC 系 统 的 液 压 原 理 如 图 l所 示 压 下 油 缸 的 无 杆 腔 与 伺 服 阀 输 出 油 口 连 接 有 杆 腔 与 比 例 减 压 阀 连 接 液 压 压 下AGC 系 统 中 一 般 将 一 个 出 油 口 堵 死 的 四通 阀 代 替 三 通 阀 作 为 控 制 阀使 用 由于 伺 服 阀 阀 芯 离 开 中 位 时 只 有 一 个 节 流 阀 口开 启 另 一 个 阀 口关 闭 压 力 一 流 量 特 性 方 程 线 性 化 表 达 式 可 以 简 写 为 ql K 一 K4 9 l 1 式 中 9 I 为 伺 服 阀 输 出 流 量 m3 s 为 阀 芯 位 移 m K 为 伺 服 阀 流 量 增 益 mV s K 为 伺 服 阀 流 量 一 压 力 系 数 m P a S Pl为 无 杆 腔 压 力 Pa 对 式 1 进 行 拉 氏 变 换 Q K v I K1P 2 为 满 足 三 通 伺 服 阀 双 向 工 作 的 一 致 性 可 以 通 过 对 伺 服 阀 两 个 方 向 的 控 制 电 流 进 行 补 偿 来 实 现 5 3 2液 压 缸 流 量 连 续 性 方 程 假 设 压 下 油 缸 位 移 很 小 位 移 引 起 的无 杆 腔 容 积 变 化 与 无 杆 腔 初 始 容 积 相 比可 以 忽 略 不 计 由 流 体 的 连 续 性 可 得 誓 c P l P 3 对 上 式 进 行 拉 氏 变 换 可 得 Q L A l s y G P I 一 尸 0 上s P l 4 p 式 中 A 为 压 下 油 缸 无 杆 腔 面 积 m C 为 压 下 油 缸 内 泄 漏 系 数 m3 P a s V 为 从 伺 服 阀 主 阀 出 口 到 压 下 油 缸 活 塞 的初 始 容 积 V 严I n l V o 为 压 下 油 缸 活 塞 处 于 中 位 时 无 杆 腔 容 积 与 管 路 容 积 之 和 m3 V 为 压 下 油 缸 存 在 压 下 位 移 后 无 杆 腔 增 加 的 容 积 V Y Y 为 压 下 油 缸 压 下 位 移 IT I P0 为 有 杆 腔 压 力 P 为 油 液 有 效 容 积 模 数 P a 3 3 液 压 缸 与 负 载 的 力 平 衡 方 程 在 建 立 活 塞 运 动 方 程 时 忽 略 活 塞 有 杆 腔 侧 压 力 动 态 的 影 响 6 因 为 活 塞 有 杆 腔 的 压 力 是 恒 定 的 并 且 不 受 其 它 参 数 的 影 响 因 此 可 以 认 为 是 一 个 常 数 假 设 压 下 油 缸 的 负 载 为 质 量 阻 尼 弹 簧 则 A 2 p o M T 等 c 等 5 I园 2 0 1 3 1 对 微 分 方 程 进 行 拉 氏变 换 得 A 1 尸l 2 朋 Y Bc s y KL l F 6 式 中 A 为 压 下 油 缸 有 杆 腔 面 积 m 坼为 轧 机 等 效 质 量 k g Bc为 轧 机 当量 阻 尼 系 数 N s m KL 为 负 载 弹 簧 刚 度 N m F为 外 负 载 力 N 3 4液 压 压 下 位 置 系 统 开 环 传 递 函 数 根 据 上 述 阀 线 性 化 流 量 方 程 液 压 缸 流 量 连 续 性 方 程 液 压 缸 与 负 载 的 力 平 衡 方 程 3个 基 本 方 程 可 以 得 出 液 压 压 下 系 统 开 环 传 递 函数 方 框 图 如 图 2所 示 伺 服 阀通 常 用 振 荡 环 节 来 近 似 方 框 图 中 为 阀 控 缸 增 益 K K K K 为 阀 控 缸 总 流 量 一 压 力 系 数 K K C i 0 9 P 为 一 阶 滞 后 环 节 的 转 折 角 频 率 为 综 合 固 有 角 频 率 振 荡 环 节 为 综 合 阻 尼 比 振 荡 环 节 为 伺 服 阀 固 有 角 频 率 r a d s 为 伺 服 阀 阻 尼 比 c为 伺 服 阀 输 入 电 流 A p I t 1 1 v y K H 7 A l Ks H 8 争 丽 M T K H 9 K I 1 0 V 0 Kq 旦 1 1 H 式 中 Q 为 伺 服 阀 额 定 流 量 m3 s H为 伺 服 阀 额 定 电 流 A Ks 为 轧 机 机 械 刚 度 N m K 为 液 压 弹 簧 刚 度 4 仿真分析 根 据 某 轧 机 液 压 AGC 实 际 参 数 并 忽 略 伺 服 阀 动 态 影 响 按 上述 建 模 方 法 建 立 的 模 型 为 G s 8 6 4 4 0 0 8 2 8 丽 1 2 1 系 统 开 环 频 率 特 性 分 析 对 所 建 立 的 系 统 理 论 模 型 通 过 Ma t l a b软 件 进 行 分 析 由 于 在 建 立 模 型 时 理 论 分 析 与 实 际 系 统 的 阻 尼 比存 在 较 大 误 差 有 时 甚 至 相 差 2 3个 数 量 级 因 此 选 取 不 同 阻 尼 比 对 系 统 的 频 率 特 性 进 行 分 析 具 有 很 大 的 必 要 性 8 1 为 分 析 不 同 阻 尼 比对 系 统 性 能 的 影 响 在 此 对 系 统 取 不 同 阻 尼 比 阻 尼 比分 别 为 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 时 的 开 环 特 性 进 行 仿 真 2 阶 跃 响 应 仿 真 采 用 Ma t a l a b软 件 的 S i mu l i n k 机械制造 5 1 卷 第 5 8 1 期 基 于 Q D AS分 析 系统 下 的 曲 轴 质 量 控 制 口王玲 口李运 口祁富燕 口刘昊 1 兰州城市学 院 机械故 障与检测研究所 兰州 7 3 0 0 5 0 2 兰州理工大学 机 电工程学院兰州7 3 0 0 5 0 摘要 曲轴数控柔性生产线是 一个复杂的制造 系统 各 工序 之 间的尺 寸关 系对产品质量 的可靠性有重大 的影 响 如何进行产品质量的过程控制和查找质量 问题 的发 生点成为曲轴 线柔性生产的关键 引进二维追码追踪 系统和计算机软 件 Q D A S分析 系统进 行数 据辅助分析 对 曲轴质量控制是非常有益的 关键词 Q D A S分析系统 二维码追踪 系统 曲轴质量控制 中图分类号 T H1 3 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 1 0 0 7 7 0 4 曲 轴 数 控 柔 性 生 产 的 特 点 是 不 仅 可 以 加 工 同 系 列 曲 轴 还 可 以 加 工 变 型 产 品 换 代 产 品 和 新 产 品 真 正 具 备 柔 性 意 义 但 在 这 个 复 杂 的 制 造 系 统 中 各 个 工 序 之 间 的 尺 寸 关 系 对 产 品 的 可 靠 性 有 极 其 重 要 的 影 响 传 统 的 控 制 方 法 主 要 是 通 过 监 控 生 产 过 程 中 的 运 行 参 数 通 过 诊 断 寻 找 并 消 除 异 常 因 素 从 而 达 到 改 进 生 收稿 日期 2 0 1 2年 8月 产 工 艺 优 化 操 作 程 序 提 高 产 品 质 量 之 目 的 经 实 践 发 现 某 曲 轴 生 产 厂 家 由 于 过 程 控 制 不 利 导 致 产 品 的 F T Q F i r s t T i me Qu a l i t y 始 终 维 持 在 9 0 左 右 但 当 引 入 了 Q DAS 2 3 数 据 辅 助 分 析 软 件 和 二 维 码 追 踪 系 统 后 实 现 了 对 曲 轴 质 量 5 8 问 题 发 生 点 的 及 时 跟 踪 更 好 地 进 行 过 程 控 制 使 产 品 的 直 通 率 达 到 9 8 以 上 对 企 业 产 生 了 良好 的 经 济 效 益 对 理 论 模 型 进 行 阶 跃 响 应 仿 真 在 此 考 虑 伺 服 阀 的 动 态 特 性 系 统 取 不 同 阻 尼 比时 理 论 模 型 的 仿 真 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 3所 示 5 结论 通 过 对 液 压 压 下 AGC试 验 系 统 的 负 载 分 析 以 及 液 压 AGC伺 服 系 统 的 特 性 分 析 建 立 了 轧 机 液 压 压 下 AGC试 验 系 统 理 论 模 型 并 对 所 建 模 型 进 行 了仿 真 分 析 仿 真 分 析 结 果 表 明 随 着 阻 尼 比 减 小 系 统 转 折 频 率 附 近 的 谐 振 峰 值 增 大 系 统 的 幅 值 裕 量 减 小 系 统 稳 定 性 下 降 系 统 性 能 变 化 较 大 由 于 液 压 压 下 AG C 试 验 系 统 的 实 际 阻 尼 比难 于 准 确 获 得 理 论 计 算 所 得 到 的 取 值 存 在 较 大 误 差 导 致 理 论 模 型 与 实 际 系 统 偏 差 机械制造5 1 卷 第5 8 1 期 较 大 严 重 影 响 分 析 结 果 因此 应 根 据 系 统 的 不 同特 点 对 系 统 阻 尼 比取 值 进 行 认 真 分 析 在 必 要 的 情 况 下 通 过 试 验 方 式 选 取 才 能 得 到 符 合 实 际 的 理 论 模 型 进 而 对 系 统 的 设 计 和 调 试 起 到 指 导 作 用