中厚板矫直机液压控制系统的建模与仿真.pdf

第 1 期 总第 1 6 4期 2 0 1 1年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No ．1 Fe b． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 2 中厚板矫直机液压控制系统的建模与仿真 肖德 刚 ，张 华 君 ，周 存龙 ，丁 雷 太原科技大学 重型机械 教育部工程研 究中心， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 以中厚板矫直机液压控制系统 为研 究对象， 介绍 了矫直机液压控制系统的工作原理， 建立 了力反馈伺服 控制系统的数学模型 ，并利用 MAT L AB软件对系统进行 了仿真。 关键词 矫直机 ；液压 系统；数学模型 ；MAT L A B仿真 中图分类号 T G3 3 3 ． 2 文献标识码 A 0 引 言 矫直 机是 冶金工业生 产 中对 连 铸坯进 行矫直 时必 不可少的设备，现在平行辊矫直机的调整机构几乎全 都采用液压伺服系统。液压矫直机具有压力大、结构 紧凑 、重 量轻 、效率高 、易控 制 、好调整 等一 系列 优 点 ，它 由 4组液 压缸组成 ，这 4组 液压缸 既可 以单 独 动作 ， 又可 以协 同调整 ， 可 以实现 多种板 形 的矫 直 。 本 文以其中一个液压缸的控制系统为例 ，对其进行了建 模 和仿真 分析 。 1 矫直 机液压控 制 系统 的工作 原理 矫直机液压控制系统主要由伺服放大器、电液伺 服阀、 液压缸和力传感器等组成， 其工作原理如图 1所 示 。 图 1 矫直 机液压控制 系统原理图 指令信号 和反馈信号 ， 相 比较处理后产生的 偏 差信号 为 -- U ， 一 K ， F 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 其 中K， 为力传感器增益 ；F 为活塞输出力。 2建立 阀控液压 缸的数 学模型 矫直机阀控液压缸系统是一个四通对称阀控制非 对称缸的模型，其原理图如图 2所示。其中， ， 为活 塞及 负载折算 到活 塞上 的总质量 ； B r为活塞及 负载 的 粘性 摩擦 系数 ；K 为负载 弹性刚度 。 当阀芯按 图 2 所 示方 向运动 时 ，伺服 阀有微小 位 移 ，同时液压 缸有 位移 。 当达 到平衡 时有 户 1 A1 --p2 A 2 一FL 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 其中P 、P 分别为无杆腔和有杆腔的压力；A 、A。 分别为无杆腔和有杆腔的横载面积 。 引 入 负载 压力 P ，令 A 一F ，由式 2 可 得 户 一 一户 一石A 2 户 。 。令 一 ，则 户L 一 户l 一 ； t p2 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 ．r P k 图 2阀控 液 压 缸 原 理 图 2 ． 1 伺 服 阀 的流 量 方 程 当液 压缸 向右运动 时 ，进入 滑 阀的流量 为 厂 一 g 一 c √ 户 s p L 。 ⋯⋯。 4 其 中 C 为节 流 阀阀 口的流量系 数 ； a s为油 源压力 ； 0 9 为节流阀 口面积梯度 ；j。 为油液密度。 将 式 4 按照 Ta i l o r 展开 可得 阀的流量特性 *国家 自然科 学基金资助项 目 5 0 5 7 5 l 5 5 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 6 作者简介 肖德刚 1 9 8 5 一 ． 男， 湖北 随州人 ， 在读硕 士研究生， 研究方向 重型机械结构优化设计。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 第 1 期 肖德刚，等 中厚板矫 直机液压控制 系统的建模与仿真 其中K 为流量增益；Kc 为流量压力系数。 假定 阀与液 压缸 连接 管道 中的压力 损失 和管 道 动态可以忽略； 液压缸每个工作腔内各处压力相等 ， 油 温和体积弹性模量为常数 ；液压缸内、外泄漏均为层 流流动。根据流体连续性原理 ，可以写出液压缸的流 dx c 。 ⋯ ． 6 其 中 V 为油腔容积 ； C ， ， 为液压缸总泄漏系数 ； 为 负载压 力 作 用 于 活塞面 积 ， 上 所产生 的 液压 力 与 负载阻 力之 和平 衡 。这些 阻力包 括 运动部 件 的惯 性力、运动部件的粘性摩擦力、弹性负载力以及其他 F L 一 Ⅲ B 警 十 K F。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 7 其 中 F为作 用在 活塞 上 的等效 负载力 。 QL K Xv Kc PL 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 8 QL X C P PL 。 ⋯ ⋯ 9 一 ⋯⋯ ⋯ x 1 ≤ s 1 。 “ 其 中 ∞ 为 负 载 的 固 有 频 率 ； 为 负 载 的 阻 尼 比； 为惯性环节的转折频率 ； 。 为综合 固有频率 ； 为综 合阻尼比。 图 3阑 控 液 压 缸 系统 方 块 图 3系统 数值 计算 及仿 真 本 系 统 中伺 服 阀 可近 似 看成 一 阶惯 性 环 节 ， 一 阶 近 似传 递 函数为 W s v一 G 一 。⋯⋯ 1 2 其 中 K 为伺 服 阀的增益 ； G 为伺服 阀 的固有 频率 。 伺服放大器的增益为 一 一 0． 0 5 -- 5 X1 A／ V。 压 力传感 器 的增益 为 K， 一1 ． 01 0 ～ V／ N。 根据 图 1可 以 由上 面各 式得 出 系统 的 闭环传 递 函 数 方框 图 见 图 4 ， 并 写 出系统 的开环 传递 函数 如下 K , ,K r K ,,K sv A 1 j r_ 1 G 一 _ 7 1 s v 1 J 1 1 r 1 0 2 J O 2 39 州 o ． O 0 4 1 吉 1 0 ． 4 1 。 其 中 7 T 为伺 服 阀的 时间 常数 。 图 4 矫 直 机 液 压 伺 服 控 制 系 统 方 框 图 对系统进行 MATI AB仿真 ，得到系统的闭环传0 ． 4 1 S ； 调整时间t 一0 ． 8 S 。 说 明此系统稳定 ， 但系统 递 函数 阶跃 响 应 曲线 见 图 5 和 开 环 传 递 函数 B o d e 的 瞬态 响应速度 慢 。 图 见图 6 。 2 由图 6可 以看 到系统 的相 位裕 度大 于 6 O 。 ， 幅 4 结论 值裕度大于4 d B，说明系统稳定。 1 由 图 5可知 超 调量 一0 ；峰值 时 间t 一 下转 第 1 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1年第 1 期 的应用 I- J ] ． 煤矿机 电， 2 0 0 3 1 4 - 7 ． [ 2 ] 洪如瑾． UG N X4 C AD快 速入门指导[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 盛 和太 ， 喻海 良， 范训益． AN S YS有 限元原理 与工程应 用 实例大全[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． S t r u c t u r a l M o d a l Ana l y s i s f o r Ra ng i n g Ar m o f La r g e Cu t t i n g He i g h t S he a r e r XI E Gu i j u n ，YANG Z h a o j i a n ，W ANG Yi l i a n g 1 ． Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g． Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4， Ch i n a ； 2 ．Ta i y u a n M i n i n g Ma c h i n e r y Co ． ， Lt d ．， Ta i y u a n 03 0 0 3 2， C hi n a Abs t r a c t Th e t hr ee d i me ns i o n al s o l i d mo de l of t he r a ng i n g a r m o f a l a r ge c ut t i n g h e i ght s h e a r e r i s e s t ab l i s h ed u s i ng t h e UGS s o f t wa r e，a n d t he s t r uc t ur a l mod a l a na l y s i s f or t he r a n gi ng a r m i s i mp l e me n t ed us i ng t he ANS YS s of t wa r e ．The pr e c e di ng 16 mo de s ar e e xt r ac t e d a n d i nv e s t i g a t e d，a nd i t i s po i nt e d ou t t h a tThe mo de f r e q ue n c i e s o f t he r a ng i n g a r m a r e r e l a t i v e l y l owe r，i n di c a t i n g t h e a r m i s r e l a t i ve l y we i ght y whi c h i s h e l p f ul t o r e s t r a i n t he v i br a t i on of t h e ar m． The ma xi ma l a mpl i t ud e o f t he 5 t h mod e o c c ur s a t t h e p o s i t i o n t h a t i s e a s y t o f r a c t u r e ， h e n c e a d e q u a t e a t t e n t i o n s h o u l d b e p a i d t o t h i s mo d e i n a r m d e s i g n ． Ex c e p t f o r t h e 5 t h mo d e， ot he r mo de s a r e no t v er y i mp or t a nt t o t he s t r e ng t h a nd r e l i a b i l i t y o f t h e r a n gi ng ar m． Ke y wo r d s l a r ge c ut t i n g h e i g ht；s he ar e r；r a n gi ng a r m ； mo da l a na l y s i s ⋯l l ， ’ I 1 ． 1 l 1 ． 1 mmmmm． 1 l lI l l ’ m ， ， ’ ● ， I ’ l ， l ’ l ， ’ ’ I P , ， ， ’ l ， ， ’ l l ， l ’ ’ ’ ● ’ ’ ’ l l l l ， mmm 1-- 接 第 1 1页 ∞ 曼 、 ＼ 粤 t ／ S 图 5 闭环传递 函数阶跃响应曲线 参考文献 [ 1 ] 崔甫． 矫直原理与矫直机械I- M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 王春行． 液压伺服控制系统I- M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 章宏甲， 黄谊． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， l 9 9 2 ． [ 4 ] 梁利华． 液压传动 与电液伺服 系统[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨 工 程 大 学 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． 频率 ／ r a d ． s 图 6 开环传 递函数 B o d e图 [ 5 ] 胡佑德． 伺服系统 原理与设计 I- M] ． 北京 北京理 工大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 6 ] 杨叔子． 机械 工程控制基础 [ M] ． 武汉 华 中科 技大学 出 版 社 ， 2 0 0 2 ． E 7 ] 黄 忠霖． 控制系统 MAT L A B计算及仿真r M] ． 北京 国防 工 业 出版 社 ， 2 0 0 1 ． S i mu l a t i o n a n d M o d e l i n g o f Hy d r a u l i c Co nt r o l S y s t e m o f M e di u m a nd He a v y Pl a t e Le v e l l e r XI AO De g a n g，Z HANG Hu a j u n，Z HOU Cu n l o n g，DI NG Le i He a v y Me c h a n i c a l En g i n e e r i ng Re s e a r c h Ce n t e r of Ed u c a t i o n De p a r t me n t ，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g yTa iyu a n 0 3 0 0 2 4 China Ab s t r a c t Th e o b j e c t o f t h i s s t u d y i s t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f a me d i u m a n d h e a v y p l a t e l e v e l l e r ．I n t h i s p a p e r ， t h e wo r k i n g D r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c e o n t r o 1 s y s t e m o f a l e v e l l e r i s i n t r o d u c e d， t h e ma t h e ma t i c mo d e l o f t h e f o r c e f e e d b a c k s e r v o c o n t r o l s y s t e m i s e s t a b l i s he d，a nd t he s y s t e m i S s i mul a t e d by us e o f M ATLAB s of t wa r e． Ke y wor d s l e v el l e r； hy dr a ul i c s y s t e m ； ma t he ma t i c mo de l ；M ATLAB s i mul a t i o n 兽＼ 难 坚 一。 一 ＼巡 赵 罂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m