带钢纠偏控制系统.doc

液压控制系统分析理论摘要本设计是针对钢带在卷取机上绕卷运行时发生的左右偏移而提出控制方案及具体处理方法。采用智能PID控制算法,对钢带的偏移量进行实时的控制,使之在左右偏移时偏移量控制在安全的范围内。主要是对系统数学模型的建立和数据处理的算法分析。深入阐述了纠偏控制系统设计思想及实现方法，对提高带钢生产效率和产品质量具有积极的意义。关键字：钢带；纠偏控制；智能PID控制；卷取机AbstractThis design is for the steel strip in the coiling machine on the occurrence of the left and right deviation and put forward the control scheme and specific processing method. The PID control algorithm is adopted to control the steel strip, and the offset is controlled in the range of safety. Is mainly about the establishment of the system mathematical model and data processing algorithm analysis. The design idea and realization method of deviation correction control system are introduced, which has positive significance to improve the production efficiency and product quality.Keywords: steel strip; deviation control; intelligent PID control; coiling machine目录第一章 电液伺服控制系统11.1 电液控制系统的发展历史概述11.2 电液伺服控制系统的特点和构成11.3 电液伺服控制系统的发展趋势2第二章 带钢纠偏控制系统设计22.1 带钢纠偏控制系统原理22.1.1 课题背景22.1.2 带钢纠偏控制系统简介22.1.3 带钢纠偏控制系统工作原理22.2 带钢纠偏控制系统设计32.2.1 控制系统参数及基本要求32.2.1.1控制对象有关参数32.2.1.2控制系统要求32.2.2 控制系统设计方案32.2.3 纠偏液压站原理图设计42.3 带钢纠偏控制系统元件设计选型52.3.1 光电传感器设计62.3.2 电液伺服阀设计选型92.3.3 液压缸设计选型10第三章 纠偏控制系统控制器设计11第四章 结论11参考文献11III第一章 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5060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。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。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。第二章 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。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2.2.1.1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2.2.1.2控制系统要求1)最大调节速度Vs=30mm/s，系统频宽 3Hz2)卷齐精度e2mm2.2.2 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 图2.2 带材纠偏控制系统硬件原理图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。图2.3 纠偏液压站原理图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 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，为纠偏控制系统提供纠偏信号。4滤波整流电路由于光电传感器输出的电压是交流电，因此首先必须把其转换成直流才能进行比较。其整流电路如下图2.10 图2.10 滤波整流电路2.3.2 电液伺服阀设计选型1电液伺服阀简介伺服阀是伺服控制系统中的核心元件。它可以按照给定的输入信号连续成比例地控制流体的压力、流量和方向。电液伺服阀与普通的电磁阀或电液比例阀不同，它的输入信号功率很小，一般只有几十毫瓦；能够对输出流量和压力进行连续的双向控制;具有极快的响应速度和很高的控制精度。所以可以用它来构成快速高精度的闭环控制系统。伺服控制的主要优点:液压执行元件响应速度快，在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高，频带加宽;液压元件的功率-重量比和力-质量比大，可以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服控制系统，来控制大功率和大负载;调速范围宽，低速稳定性好。伺服控制的主要缺点:液压系统采用油液作工作介质，存在泄漏是不可避免的；伺服阀的加工精度高，因而价格较贵;污染的油液会使阀和执行元件堵塞，影响控制系统。2系统技术参数计算1）负载力F：负载力由惯性力 和摩擦力 组成。因为卷取机是在导轨上移动的(摩擦系数较小)并且系统动态性能很高，所以摩擦力 相对惯性力 可以忽略。 （2.1）2）供油压力 ： 由于属于低压系统，所以选取 =7 MPa3）液压缸有效面积 : 取负载压力 ，由于 ，所以 （2.2） 4）系统流量： （2.3）考虑到系统泄漏及对快速性的要求较高，将 增大50%，得 =37升/分，取为40升/分。伺服阀的压降 ： （2.4）3电液伺服阀的主要性能参数电液伺服阀是电液伺服系统中的关键性元件，在伺服系统的设计和研制中它也往往是注意的焦点。系统中电液伺服阀的选取通常参考以下几个标准:额定流量、压力特性、频宽等。系统要求如下:伺服阀在阀压降 =2.33 MPa下的最大流量为：40L / Min系统频宽 3Hz静态参数：油路压力：端口X, A, P, B 31.5 端口T 1. 4 额定流量：40 1/m非对称性：10%零位偏移：1. 0%零位漂移：DT=550K 4.0%供油压力每变化7 4.0%零位泄露流量：3. 0 1/m滞环：3. 0%额定电流(单个线圈)：i=100mA2.3.3 液压缸设计选型本系统选用双杆活塞缸。它的进出油口布置在缸筒两端，两塞杆的直径是相等的，因此，当工作压力和输入流量不变时，两个方向上输出的推力和速度是相等的。由分析可知： （2.5）因为系统压力为7MPa，所以选取液压缸活塞杆的直径d=0.55D, D为液压缸的缸筒内径。由已求得的 及液压缸的缸筒内径和活塞杆的关系d=0. 55D,并从GB2348-80标准选取最近的标准值可以求得：液压缸活塞直径D=160mm活塞杆直径d=90mm活塞行程H=300mm此时 （2.6）近似于前面的设计面积 ，由于设计时已留有很大余量，所以满足要求。第三章 纠偏控制系统控制器设计在纠偏控制系统中，控制器的硬件构成可以为PLC、各类控制芯片或微机控制，无论控制器硬件基础如何选择，其内部控制算法几乎无一例外地选择PID控制方法。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单、鲁棒性好、可靠性高及易于操作等特点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。实际使用中，我们经常利用增量式PID控制实现纠偏控制，根据递推原理可得增量式PID控制算法公式如下: 式中:一比例系数;一积分系数;一微分系数。在某些特定应用下，要求纠偏控制系统具有纠偏精度较高、超调小、响应速度快等优点，此时，可能常规的PID控制算法己经无法满足生产实际要求，此时，我们可以引入智能控制用以解决常规PID控制方法无法满足的要求。目前某些纠偏控制系统己经引入智能PI控制方法以优化常规的PID控制方法。智能PI控制系统鲁棒性更强，可减少甚至消除超调量，增加系统的快速性。智能PI控制方法的基本规律为:当给定值与输出值偏差较大时，停止积分调节作用，并调整比例系数，目标是让系统以最大的能力消除偏差;当偏差小时，投入积分调节，并逐步调整比例系数和积分系数，使系统具有较好的稳态特性。第四章 结论本文论述了处理线带钢跑偏原因分析和钢纠偏控制系统的应用，并重点研究了纠偏控制法。目前国内所有的带材纠偏装置几乎均采用此方法实现带材的纠偏过程，该纠偏控制方法通用强，可移植性强，可以为纠偏控制装置的设计研究设备维护人员提供一定的理论依据。参考文献1李洪人著.液压控制系统M.国防工业出版社,1992.2丁修昆著.轧制过 程自动化M.冶金工业出版社,2005.3王兆安，黄俊.电力电子技术M.机械工业出版社,2005. 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