助卷辊液压踏步控制系统建模.doc

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1、助 卷 辊 液 压 踏 步 控 制 系 统 建 模（内蒙古科技大学机械工程学院， 包头 014010）摘要：液压AJC控制系统包括助卷辊位置和压力保持两个过程，系统控制方式复杂，要求稳定性、快速性、精度都很高。关键词：AJC、位置、压力、助卷辊Abstract: The hydraulic pressure AJC control system including wrapping roller position and the pressure maintenance two processes, the systems control way is complex, the request

2、 stability, the rapidity, the precision very are all high. Key word: AJC, the position, the pressure, wrapping roller1.AJC系统的控制原理 助卷辊液压踏步控制可以避免带钢头部凸度冲击载荷，但是三个助卷辊跳跃动作是依次进行，要求其中一个为跳跃控制，另外两个处于压力控制，保证在带钢卷取过程中要保持一定的卷取张力，如此可以防止带卷松塌。为了实现这样的卷取过程，助卷辊必须在带钢头部凸度到来之前跳跃，待凸度过后必须要迅速压向带卷，建立起稳定张力。助卷辊如果不及时压住带钢，带卷外圈就会失

3、去约束，从而导致打滑现象。带钢进入卷取机完成第一圈卷取后，从第二圈开始，3个助卷辊依次跳跃，跳跃量凡为带钢厚度加上辊缝值，跳跃的目的是为了避开每圈的带钢头部凸度。待凸度通过后助卷辊又迅速压靠带卷并产生一定压力直至下一次带钢头部凸度到来。其控制特点就是跳跃控制（CCPC)和压力控制(CPR)交替动作，参见图3.2具体跳跃次数根据使用要求确定，次数少的一般是卷取3圈内实现跳跃，次数多的要求10圈内实现跳跃。2.AJC控制系统的简化AJC控制系统实际结构是通过安装在液压缸活塞上的位置传感器以及安装在液压缸两侧的油缸内的压力传感器反馈控制信号，在位移控制时，通过位移传感器反馈液压缸活塞的位移，压力传感

4、器只起辅助或者说微调作用;在压力控制时，通过压力传感器反馈油腔压差，从油压差到系统的压紧力是开环控制由于被控量是活塞位移和压差，可实际要求的控制量是跳跃高度和压紧力，简化助卷辊支臂为刚性件。在整个工作过程中助卷油缸的工作可分两种状态:一是有杆腔进油，油缸回缩，属典型的位移闭环控制;二是无杆腔进油，油缸伸出，要求对压力进行控制，属典型的压力闭环控制。整个系统简化为如图所示的控制原理图。3.系统的时域仿真数学模型位置传感器将采集到的液压缸活塞位移值反馈给伺服阀的控制单元，组成了液压缸位移控制的闭环控制系统。跳跃位置可根据实际情况实时进行调节，使之在设定跳跃位置附近波动。压力传感器将采集到的液压缸两

5、腔的油压值反馈给伺服阀的控制单元，组成了液压缸油压控制的闭环控制系统。根据实际情况对助卷辊的压紧力进行实时调节，使之在设定实际所需助卷辊的压紧力图 AJC系统的压力控制系统的模型4.电液元件的时域数学模型 根据以上系统原理分析，构成位移控制环和压力控制环的主要元件包括如下几个部分:油源、伺服阀、管路、液压缸、压力传感器、位置传感器和控制系统。在大多数电液控制系统中, 由于元器件的动态相应远远高于系统负载的动态响应, 因此在分析系统动态响应时, 只需要了解元器件在一定频率段的动态特性即可。为了简化分析, 并考虑系统具有较好的等效精度, 一般的控制系统中伺服阀与伺服油缸均采用二阶振荡环节形式的传递

6、函数。（1）.伺服阀额定压降下的传递函数 伺服阀流量增益 伺服阀截止频率 伺服阀阻尼 伺服阀给定电流 伺服阀额定压降下的输出流量(2).液压缸的及被控负载传递函数 液压缸及被控负载阻尼液压缸速度(m/s)伺服阀实际输出流量(/s)液压缸活塞有效面积()液压缸及被控负载固有频率液压油体积弹性模数液压缸容积（）被控负载质量伺服阀的实际流量方程，它是关于阀的压降和实际输入电流的函数：伺服阀的实际压差(Pa)伺服阀额定流量下的压差（Pa）伺服阀额定电流（A）令则(3)对软管建模，建立软管的动态方程：无杆腔端软管靠近伺服阀处的油压（Pa）无杆腔端软管靠近伺服阀处的流量（/s）无杆腔端软管靠近液压缸处的流

7、量软管的液阻，其大小为软管的液容，其大小为软管内孔面积()软管长度（m）软管内径（m）软管壁厚（m）软管弹性模量（Pa）液体粘性系数（/s）油液等体积弹性模量（Pa）（4）位移传感器，位移/电压变换方程为:位移传感器输出电压（）位移传感器变换系数（/m）液压缸的工作位移（m）（5）.油压传感器，油压/电压变换方程为:液压缸油压传感器的输出油压（）油压传感器的变换系数(/N)5.简化的负载系统建模（1）.位置环机械系统简化数学模型系统最终由液压缸输出控制力，控制力再作用于支臂上使之转动，进而使助卷辊抬起一定高度。对支臂做动力学分析，如图所示，黑色实线表示支臂的初始位置，蓝色虚线表示支臂转动角后的

8、位置，相应地活塞移动了位置，对支臂建立转矩平衡方程:液压缸提供的推力作用下的力臂( m )；支臂重力作用下的力臂(m )；压紧力的反作用力作用下的力臂(m)；液压缸无杆腔油压(Pa )；液压缸活塞无杆侧面积()；液压缸有杆腔油压(Pa)；液压缸活塞有杆侧面积()；支臂重力(N)；支臂的转动惯量(Kg. )；系统粘性阻尼系数；根据如图所示的几何关系，并且根据等效等效模型，可以建立力学平衡方程：系统粘性阻尼系数（2）.压力环机械系统简化数学模型 系统最终由液压缸输出控制力，控制力再作用于支臂上使之转动，进而使助卷辊压下并产生压紧力。 同位置换一样，对支臂做动力学分析，如图所示，蓝色虚线表示支臂的初始位置，黑色实线表示支臂转动角后的位置，相应地活塞移动了位置，对支臂建立转矩平衡方程:根据等效模型，也可以建立力学平衡方程：负载弹性刚度，可以认为压紧力是个弹性刚度很大的弹性力参考文献：（1）.杨叔子，机械工程控制基础，华中科技大学出版社，2005（2）.宋耕田，热轧地下卷取机助卷辊控制系统改造，2004（3）.王益群，热连扎卷取机电液伺服控制系统设计，2002（4）.辛静泰，CPC液压系统的建模与仿真(5).廖永锋，2050热轧卷取机夹送辊咬入带钢状态分析及改进，1998