改善轧机电液伺服压下系统响应性能研究.pdf

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1、第１期（总第２００期）机械工程与自动化No．１２０１７年２月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONFeb．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０１‐００１３‐０２改善轧机电液伺服压下系统响应性能研究龚利爽，薛瑄，靳宝全（太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原０３００２４）摘要：针对轧机电液伺服压下系统对控制响应性能要求高的问题，提出了采用最优控制提高系统响应性能的方法。建立轧机电液伺服压下系统的数学模型，分析了其参数特性。分别设计PID控制和最优控制策略，并反复试验使控制参数达到最优。

2、结果表明：两种控制都使系统的控制性能显著提高，但最优控制使系统的动态性能更优。本研究为轧机电液伺服压下系统的性能优化提供了理论依据。关键词：电液伺服压下系统；PID控制；最优控制；轧机中图分类号：TG３３５文献标识码：A0引言2轧机电液伺服压下系统建模随着钢铁工业的发展，钢材市场的竞争越来越激轧机电液伺服压下系统主要参数如下：功率放大烈，客户对钢材的要求也越来越高，他们既要求钢材性器的输入电压U＝１０V，其输出电流I＝４０mA；伺服能均匀，同时也要求钢材厚度的精确。轧机电液伺服阀空载流量Q０＝２３０L／min，阻尼比sv＝０．７，固有频率２压

3、下系统控制是提高板材厚度精度的技术措施，研究sv＝６２８rad／s；液压缸活塞的有效ω面积Ap＝０．７８５m，活轧机电液伺服压下系统对钢铁工业的发展具有重要的塞行程H＝２５mm，连接油管直径d＝３２mm，连接油现实意义。管长度L＝１．５m；压下油缸质量m０＝４．５t，上支承辊由于实际生产中轧机轧制过程工艺复杂、生产连质量m１＝８５t，上工作辊质量m２＝３６t；位移传感器增续并且在线试验成本非常高，因此建模与仿真常常是益Kf＝１００V／m。分析轧机电液伺服压下系统性能，进而改进其控制策系统微分方程组可通过伺服阀的线性化流量方［１－２］略的重要手

4、段。本文通过建立轧机电液伺服压下程、液压缸流量连续方程及液压缸输出力和负载力的［３］位置控制模型，用PID控制和最优控制方法提高系统平衡方程得出：的响应速度和控制精度，以改善系统性能。qL＝Kqxv－KcpL．（１）1系统的组成及工作原理·Vt·qL＝Apxp＋CtppL＋pL．（２）图１为轧机电液伺服压下系统的工作原理图。轧４e···机电液伺服压下系统主要由控制器、功率放大器、电液AppL＝mtxp＋Bpxp＋Kxp＋FL．（３）伺服阀、液压缸、轧机辊系、测厚仪和位移传感器组成。其中：qL为负载流量；Kq为伺服阀流量增益；Kc为伺由给定的辊

5、缝初始调整位移信号和位移传感器的反馈服阀流量压力系数；xv为阀芯位移；pL为负载压力；信号进行比较得到的偏差信号，经控制器转化为电压xp为液压缸活塞位移；Ctp为液压缸总泄漏系数；Vt为信号，所得信号被功率放大器转化为电流信号，驱动电液压缸初始腔容积；e为有效体积弹性模量；mt为活液伺服阀，进而使液压缸被驱动，从而使轧辊的辊缝值塞和负载折算到活塞上的总质量；Bp为活塞和负载的被改变，使位移偏差被消除。黏性阻尼系数；K为负载的弹性刚度；FL为作用在活塞上的任意外负载力。由式（１）、式（２）和式（３）可得液压缸的传递函数为：xpxp１／Ap＝＝２

6、＝Q０xvKqs２hs（２＋s＋１）hh１．２７２．（４）s２×０．１６s（２＋s＋１）５７６５７６其中：h为液压固有频率，取值为５７６；h为液压阻尼图１轧机电液伺服压下系统工作原理图比，取值为０．１６。国家自然科学基金资助项目（５１３７５３２７）收稿日期：２０１６‐０４‐２２；修订日期：２０１６‐１１‐１４作者简介：龚利爽（１９９１‐），女，河南漯河人，在读硕士研究生，研究方向：机电控制。·１４·机械工程与自动化２０１７年第１期本研究中，伺服阀的传递函数为：通过调节PID控制器参数可以使系统静差被消Ksv０．１３５除、系统超调被降低、系统响

7、应的速度被提高。但即使Wsv＝２＝２．（５）s２svξs２×０．７PID控制参数已经最优，也只是上述指标综合下的最２＋s＋１２＋s＋１svsωvω６２８６２８优，工程上有时要求系统的某一性能指标达到最优，以其中：Ksv为伺服阀增益，取值为０．１３５。线性二次型性能指标为基础的最优控制可以解决这个伺服放大器增益Ka可由系统参数计算得到：问题。ΔI－３4最优控制改善系统控制性能Ka＝＝４×１０A／V．（６）U在带大惯性负载的轧机电液伺服压下系统中，电轧机电液伺服压下系统方框图见图２。液伺服阀可以看成比例环节，因此本轧机电液伺服压下系统可以近似为积

8、分环节和振荡环节组成的三阶系［４］统。·取活塞位移xp为状态变量，令x１＝xp，x２＝xp，··x３＝xp，则由式（１）、式（２）和式（３）得系统的状态方程和输出方