基于MATLAB带钢卷取电液伺服控制系统的分析文档良心出品

1、系统动力学结课作业-基于MATLAB的带钢卷取电液限制系统的研究姓名： 王紫民流水号：S20210240学号：S13002118专业：机械工程日期： 2021.05.10基于MATLA蹄钢卷取电液伺服限制系统的分析一、课题研究内容随着当今技术的不断革新,轧钢的生产已经向自动化、连续化、高速化方向 开展,而电液限制系统已成为现代轧钢设备重要组成局部.尤其在张力限制、位置限制和速度限制上优势非常明显.本课题以一种卷取跑偏电液限制系统为例, 基于MATLA分析电液伺服限制系统的性能.电液伺服系统是指电气和液压两种限制方式结合起来组成的限制系统.在这种限制系统中,用电气元件实现信号检测、传递和处理.用

2、液压传动来驱动负载. 其优点是利用电气的方便性、智能性以及液压系统响应速度快,负载刚度大的特 点,使系统更具适应性、稳定性.在带钢卷取过程中经常出现跑偏现象,引起跑偏的原因有张力不适当或张力 波动较大、辗系的不平行度和不水平度、辗子偏心或有锥度、带钢厚度不均、浪 形及横向弯曲等,跑偏限制系统其作用就是使带钢在准确位置上运动, 预防跑偏 过程过大损坏设备或造成断带停产.本次就是针对电液伺服机对带钢卷取机跑偏 的限制系统的研究.二、电液伺服限制系统组成及原理该限制系统由液压能源、电液伺服阀、伺服液压缸等主要组件构成.图1带钢卷取跑偏限制系统原理图1-钢带卷2-卷筒3-光电检测器4-PLC限制器5-

3、伺服放大器6-电液伺服 阀7-能源装置8-伺服液压缸9-卷取机该系统原理是带钢跑偏位移式系统输入量,卷筒的跟踪位移为输出量.输入 量与输出量的差值经光电检测器检测后,经PLC限制器限制、伺服放大机将信号 放大,放大的频率信号驱动电液伺服阀动作, 进而限制伺服液压缸驱动卷取机的 移动.液压能源为整个系统工作提供足够的能量.该系统限制系统框图如下：跑偏位移图2限制框图原理图带钢卷取电液伺服系统主要设计数据如下：带钢运行速度 v=5m/s,纠偏调节速度vp = 0.025m/s,工作行程L=75mm, 系统频宽%=2 3Hz ,钢卷边部误差e = (1 2)mm,惯性负载mt = 2.75父104k

4、g 三、建立数学模型(1)电液伺服阀限制系统中采用的是TR-h7、20EF型动圈双极滑阀位置反响式电液伺服阀,具 主要技术参数为：Hr =0.3A ,供油压力R =4.5Pa ,额定流量qR =0.5M10m3/s 流量增益计算为：qR0.5 10,m3/sK 二 二iR 0.3A= 1.67 10“m3/(sUA)(1)认定液压源压力B恒定,不计液压油惯性,伺服阀峰值时间为tpz 0.035s,最大超调量M p -9.5% ,过渡时间ts定0.06s,伺服阀可以看做二阶振荡环节, 可得其固有频率Wn=112rad /s,阻尼比按经验去液压,=0.6,得到伺服阀传递 函数为：G(s) =Ql(

5、s)I(s)2KWn2s2 2 W,s W：1.67 10* 1122s2 2 0.6 112s 1122(2)Ql(s)是负载流量,&I (s)是电流放大器输出的电流(2)液压缸-负载液压缸技术参数：活塞直径D= 0.125m,活塞杆直径d = 0.06m ,活塞行程L=75mm,液压缸有效工作面积Ap = 9.45父10/m2 ,系统总的压缩容积Vt =2.48Ml0m2,取液压油的等效弹性模量Pe=7Ml08Pa,其固有频率为4飞ApVtmt4 7 1 08 (9.45 1 02)21,2.48 10 2.75 104rad / s = 60.5rad / s(3)液压缸的阻尼比,在跑偏

6、系统中取,=0.2.由于是惯性负载,液压缸-负载环节传递函数为G(s)=Xp(s)21/ ApWn123 60.59.45 10QL(s) - S3 2 Wns2 sW2 - s3 2 0.2 60.5s2 60.52s(4)Xp(s)是液压活塞的位移,Ql(s)是负载流量,本例中忽略了光电检测器和电流放大器的数学模型, 主要考虑机械传动部件的函 数传递关系,但在仿真中应补充光电限制器的传递函数,此题中光电检测器增益 暂且取为Ki =120A/m ,再由式(2)和(4)得限制系统框图如下：X (s)Xp(s)图3限制系统框图该闭环系统的传递函数为:(5)G(s)G(s) =120 2 1.67

7、 10, 1122 239.45 1屋 652s2 2 0.6 112s 1122 s3 2 0.2 60.5s2 60.52 s四、基于MATLAB勺系统仿真MATLA瞅件的含义为矩阵实验室,是应用很广的数值分析软件,主要包括 MATLAB口 Simulink两大局部,MATLABT以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实 现算法、创立用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控 制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域.MATLA的根本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形 式十分相似,故用MATLA来解算问题要比用C, FORTRAN语言

8、完成相同的事情简捷得多,并且MATLA的吸收了像Maple等软件的优点,使MATLA成为一个强 大的数学软件.(1)绘制电液伺服阀传递函数的响应曲线由(2)式,在MATLABt其单位阶跃响应计算程序为：num=0 0 20.94848;den=1 134.4 12544;step(num,den);grid;x 10Step Response1.8Q 00.010 020 0?0 040 05Rr& (sec)DOS0 06图4电液伺服阀阶跃响应曲线由图知该系统峰值时间为tp -0.035s,最大超调量Mp -9.5% ,过渡时间ts 0.06s(2)绘制液压缸-负载的阶跃响应曲线由(4)式,

9、在MATLABt其单位阶跃响程序为：num=387328.0423;den=1 24.2 3660.25 0;step(num,den);grid阶跃响应曲线图如下：-Ah!；it；JJ- A M M M M m ) :丁:n V u u u1 : : : : : : i i-4；：!/ i i i i i i i i iStep ResponseO.OS 0.1015021 250 30.350 40.4S0 5Time (sec)图5液压缸负载阶跃响应曲线由图知该系统峰值时间为tp -0.05 ,最大超调量 M p - 39% ,过渡时间ts : 0.4 s(3)闭环系统稳定性分析一个闭环

10、限制系统的根本设计完成后必须要对该系统进行稳定性校核,由于稳定性是限制系统必须满足的条件.下面分析在时域和频域基于 MATLA进行的. 计算中将开环传递函数写成局局部式形式,并取开环增益K =1.67 父10 X Ki/(9.45 父 10)=10(6)其中Ki是光电限制器增益.开环频率特性MATLABg言程序如下：num=10;den=conv(1/112A2 2*0.6/112 1,1/60.5A2 2*0.2/60.5 1 0);sys=tf(num,den);margin(sys);gridBMe DiagramGm - 6.66 dB i at 52.4 rad/sec), Pm -

11、 75.6 deg at 10.3 raisec)114111111141111111:1 _1 _1_ L _-4-_i_L L L i_i_ _ 一 一-L -_ L _j_ L J J_1111 1 1 1 1J1 i i i i |ii i i i |i111 I 1 1 1 VI!r llllT - T1 - TL LIFi rTFTTTT1T- -r-=i =-= iF F LL ,=1=-F =-r =n111 4 1 1 1 l17%i I i a i i i ii I I I I I I IIi i i i i 1 i lii I - t ri i tr1 1 pi i i

12、i i i i ti1 1 1111 4 1 1 1 V1Illi+ - -1 - 4 -l- H a .-IR * -1- W-H l- h HI- -百7 - a -H + -T111 i 1 1 1 lA_ J i 1 _ I *i1 11i| i | | | | qi|1|111 1 1 1 1 V1 iN111 il 1 1 1 11:II;:L1-i-I-Frequency (rad/sec图6开环系统伯德图上图为开环系统伯德图,由图可知,该系统是稳定的且有幅值裕量6.66dB、相位裕量为79.6%.所以光电;f$制器选为120A/m,可以满足要求.五、基于SIMULINK勺系统响

13、应速度分析Simulink是MATLA颤件的一个子块.它提供一个动态系统建模、仿真和综 合分析的集成环境.本次课题用它做系统传递框图模型和对系统做时域内的动态 分析.I图7体统SUMILINK真模型将上图模型代入MATLA前境运行得到单位阶跃响应和速度响应如下:pnwduvTim& fsec)4 2 01 1- 1图8系统开环的单位阶跃响应Step Response5 4 / pnu_dwvTim& fsec)图9系统开环的单位速度响应由上图可知,系统的过度时间t = 0.45s,根本符合开环对数幅频特性的幅 值,所以该系统根本?f足实际的要求,根本解决了带材跑偏的问题,减少了断带次 数,对于提升机组速度增加产量提升劳动生产率取得了显著的效果. 六、总结和感想电液伺服系