AEMSim 张力控制系统仿真

2014年春季学期研究生课程考核大作业三考核科日:学生所在院（系）:学生所在学科学生姓名：学号：学生类别：工程考核结果恒张力气动控制系统建模仿真一.题目进行恒张力控制系统仿真应用背景：造纸、印刷等连续加工生产线通常都由放卷、收卷以及一些列中间机架，张力调节轮组成。为保证物料以一定的速度运行而又不发生褶皱和断料现象，张力控制边有很重要的作用。本设计中，张力控制采用直接闭环控制，借助于气体压力传感器引回反馈构成恒张力闭环，从而实现恒张力控制。本设计中要求控制气缸杆端张力Fn=100N，对于给定输入信号，张力波动误差要求不大于5%。张力控制系统示意图如图1所示。张力Fn=100N气缸恒压控制系统张力Fn=100N气缸恒压控制系统图1张力控制系统示意图控制系统示意图如图1所示。系统的控制目标是维持气缸出力端维持在100N，但由于速度会有波动，为了平衡速度的波动也就是保证张力的恒定，需要气缸带动张力轮上下移动，因此，对于张力的恒定控制就转变成了对于气缸气压的恒定控制，如图所示气缸有杆腔连接一恒压控制系统。无杆腔压力发生改变后，通过恒压控制系统调节来实现无杆腔压力和杠杆出力恒定。

二、气动控制系统的建模仿真2.1给定输入信号与参数计算卷纸滚轮机构工作时，主动轮和从动轮速度一致的时候，张紧轮的速度为零，这时候纸张的张力是一定的。随着卷纸的进行，由于主动轮和从动轮的转动半径发生改变，主动轮和从动轮会出现速度差，则张紧轮会出现速度波动，给定速度信号为梯形速度信号，波形如图2所示。si^naLOS-volesity「nul二图2.给定速度信号图对于速度信号，分别设定时间截点匕=15s、七=15.2s、七=15.8s、七=16s。由式（1-1）计算得到干扰速度的最大值v0max=0.1875图2.给定速度信号图变化的调整过程一样，所以这里只考虑正向的干扰速度，而不考虑反向的干扰速度。在初始时刻，气缸是位于中位的，这样可以根据给定的干扰速度信号确定气缸的必要参数。在这里取气缸总行程为0.3m、活塞直径30mm、活塞杆直径8mm。v= S = 01独 =0.1875m/s0哑 (0.5vt+vt+0.5vt)(0.1v+0.6v+0.1v)01 02 03 0 0 0其中ti=0.2s,t2=0.6s,t3=0.2s,速度波动时间长度T=1s.取干扰速度为最大速度的80%,则v0=0.15m/s。为维持恒定100N的张力，则有杆腔和无杆腔的上下压力差要恒定在100N可计算正常工作时无杆腔的压强？0，计算公式如下:八100N+1.013x105Pax兀x(152-42)x10-6仁—P= =2.35567(0-1)由式（1-2）(0-2)0 兀x152X10-(0-1)由式（1-2）(0-2)阶跃信号幅值设为1,力控制输入信号比例系数K=2.35567.经过仿真后发现单位负反馈时候的压力控制要在97N左右，因此为系统加入反馈修正系数，设置反馈修正系数K=0.97。2.2仿真模型建立及参数设置图3仿真模型搭建图根据题目中对控制系统控制原理的分析，搭建仿真模型如图3所示。气缸活塞杆端输入给定的速度信号（图2所示的信号）控制系统输入给定的力信号（F=100N）整个系统采用压力反馈。力信号输入通过一比例环节，比例参数根据气缸的活塞面积和杠杆面积确定，目的是把无量纲的力数值转换为无量纲的压力量。偏差信号经过PID控制和限幅对伺服阀换向阀进行控制。伺服阀开口的大小将改变气缸有杆腔的压力，进而维持张力恒定。通过调试，确定各环节参数：力信号输入端比例系数%=2.35567；反馈修正系数K=0.97；大气压默认K=1.013；气源压力供给8Bar；闭环内比例系数K=-6；PID控制环节参数为默认参数七=20、七=0.2、K=0.1。2.3控制系统仿真进行仿真，可以得到速度输入信号曲线如图4。-signal03-volesity[null'0.160.14-0.12-0.10-0,08—0.06-0.04-0.02-0.00—■IIII.IIII「IIII~*II||I|II|IIII|I||I|0 .5 1.0 15 20 25 30 35X:Time:s'图4速度输入信号：m_:}sensor-pressuresigna](barabsolJte)[null]2.6q2,4-f 小2.2- 1 1 : : : : .0118-L—1.4- : 1 : : : : A: -1.0. ~I~I_I_I~~I_I_I_I~|~I_I~I_I~~I~~I_I_I~~I_I_I_I~~I_I_I_I~~I_I_I~~I~|0 5 10 15 20 25 30 35X:TimeEs:图5气缸无杆腔压强曲线

图6活塞杆位移曲线图5为气缸有杆腔压力曲线，可以看出开始仿真后，有杆腔压力能够迅速达到2.56bar左右的绝对压力并保持稳定，随着输入信号发生波动，压力也发生波动，波动后能迅速调整，继续稳定在2.56bar附近。因为速度的波动是正增加的波动，因此代表卷轮要比松轮的速度快，相应的张力轮应该上移动，减少因速差引起的张力的增大，因此无杆腔压力相应出现正波动变化。图6为活塞杆位移曲线，由反馈原理可知，当张力增大引起无杆腔压力增大后，反馈信号与控制信号产生负偏差，经过反向放大比例环节和PID修正后，控制电液伺服阀改变阀口开度，使得阀口开度增加，气缸活塞上移，抵消一部分速差，减少因速差引起的张力，待速度稳定后，气缸活塞保持一定的位置，此时压力的控制也由波动变为平稳。pn_actuatorl-forceexertedbyactuatorrod[N]图7气缸杆顶端压力曲线

Time15.016.0104.0-103.0一100,0一Time15.016.0104.0-103.0一100,0一])n_^c：iiatorl-roiceexertedbyactuatorrod[v]x=1G.-5y_i-102.772图8压力曲线波动点放大气缸杆顶端的压力曲线如图8所示，可以看出仿真开始后，张力迅速达到稳定的100N，在15s时速度信号发生波动，系统压力也相应的发生波动，但通过反馈控制系统，可以控制张力