连铸机结晶器振动液压系统通用模型分析.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 3 4 连铸机结晶器振动液压 系统通用模型分析 黄松 ，许益民，杜昌元 ，周飞宜，房小立 武汉科技大学机械 自动化学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要对连铸机结晶器振动液压控制系统模型进行分析，推导了该系统各个环节的传递函数，给出其通用模型；对该 系统进行时域和频域的动态仿真，重点分析 P I 参数对系统的影响，找出了优化参数，对结晶器控制系统的参数调整具有指 导意义。 关键词连铸机；结晶器 ；位置控制系统；P I 控制 中图分类号T M 9 3 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 31 2 1 3 An a l y s i s o n Ge n e r a l Vi br a t i o n Hy dr a u l i c S y s t e m M o d e l o f Co nt i nu o us Ca s t e r Cr y s t a l l i z e r HUANG S o ng， XU Yi mi n， DU Ch a n g y u a n， ZHOU Fe i y i ， FANG Xi a o l i C o l l e g e o f Ma c h i n e r yA u t o m a t i o n ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a Abs t r a c t 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 c o n t i n u o u s c a s t e r c r y s t a l l i z e r w a s a n a l y z e d ． T h e t r a n s f e r f u n c t i o n o f e a c h p a r t w a s d e d u e e d ． T h e g e n e r al mo d e l o f t h e s y s t e m wa s g i v e n ． T h e n d y n a mi c s i mu l a t i o n s i n t i me d o ma i n a n d e q u e n c y d o ma i n we r e ma d e ． Th e i n fl u e n c e s o f P I p a r a me t e r s O i l t h e s y s t e m we r e a n aly z e d，a n d t h e o p t i mal p a r a me t e r s we r e fou n d o u t ，w h i c h h a d g u i d i n g s i g n i fi c a n c e f o r t h e a d j u s t m e n t o f c rys t al l i z e r c o n t r o l s y s t e m p a r a m e t e r s ． Ke y wo r d s C o n t i n u o u s c a s t e r ；Crys t a l l i z e r ； P o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m ；P I c o n t r o l 连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结 晶器粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以获得良好的 铸坯表面质量。结晶器振动系统采用液压技术后 ，可 方便调整振动参数 ，使结晶器振动装置结构简单 ，传 力均匀，提高了产品质量。 1 结晶器振动液压 系统原理图 图 1 所示为连铸机振动液压控制系统原理图。 图 1 连铸机振动液压系统原理图 该振动液压系统主要由位置传感器、液压缸、伺 服阀、控制器和放大器及负载等组成。取系统参数 为活塞杆直径 d 8 0 m m，油缸行程 s 2 0 m m，液 压缸活塞直径D1 3 5 m m，负载质量m1 8 ． 4 7 t 。位 置传感器量程 z 0～ 2 0 m m，对应输出信号为 4～ 2 0 m A，伺服阀型号为 D 6 3 4 - 5 1 4 A。 连铸机振动液压控制系统本质上是位置控制系 统，其传递函数方框图如图2所示。 Au H ． ． q v ． ． 医 塞 望 H竺 竺 H薹 耋 ．I 2位置控制系统建模与分析 2 ． 1 位置控制 系统执行元件建模与分析 2 1 2 程上将忽略弹性负载时液压缸和被控制对象看 作为一个二阶环节与积分环节的组合。该组合的传递 函数为 式 中∞ 为液 压缸 一负 载质 量 系统 的 固有频 率 r a d ／ s ，t O h 2 3 2 ． 7 r a d ／ s ； 8 为液压缸 一负载质量系统的阻尼 比，取值 8 h0 ．1 5； 收稿日期2 0 1 2 0 1一l 8 作者简介黄松 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为机电液一体化技术。Em a i l h u a n g s o n g 3 3 5 1 6 3 ． ‘ c o n。 1 2 2 机床与液压 第4 l 卷 A 为液压缸的有效作用面积，计算得 AhAK1 ． 2 7 4 X 1 0一 m 。 2 ． 2 伺服阀建模与分析 在工程实际问题中，将伺服 阀看作一个二阶环 节。带有比例放大器的伺服阀的传递函数为 W pv㈤ ∞ t o 式中 为伺服 阀的负载流量增益 m ／ s A ， K q 0 ． 1 3 m。 ／ S A ； 为伺服 阀的相频宽 r a d ／ s ，山 2 5 1 ． 2 r a d ／s ； 6 为伺服阀的阻尼比，取6 0 ． 5 。 2 ． 3 位移传感器建模与分析 位移传感器频宽比伺服阀频宽高很多，因此使用 比例环节来表示。位移传感器增益为 K 一 v_ m m l s 5 0 0 0 V／m 2 ． 4控 制 器增益 的确 定 执行元件 活塞缸 的增益 1 7 8 ． 5 由电压信号 0～1 0 V转化为电流信号 0～ I n p u t 的增益为 K o 0 ． 0 0 1 A ／ V 。 按系统的稳定性要求，初步求解闭环系统开环增 益的最大值 K ⋯ ，该公式由劳斯稳定判据确定 K ≤2 ∞ ⋯ 式中 为系统阻尼 比。工程实践 中， 0 ． 0 5～ 0 ． 2 ， 文中计算取 0 ． 1 ； 为液压缸 的 固有 频率最 小值 r a d ／ s ， ⋯ 2 3 7 ． 2 r a d ／s 。 代人参数得 K⋯ 2 ∞。 i 20 ．12 3 7 ． 2 ／s4 7 ． 4 4 ／s 的最终值是 由调试确定 的，将 最大增益 K ⋯ 4 7 ． 4 4 ／ s 代入计算 ，可得出比例环节的最大增益为 K p⋯ 2 上式计算得出的闭环系统开环增益是系统增益的 最大值 ，比例环节的增益 K 。 也是最大值，该增益是 保证系统达到临界稳定时的最大值。但在实际系统中 还要有足够的稳定裕度 ，该系统调试值为K 6 ，文 中采用此值作为比例环节的增益。 2 ． 5 连铸机位置控制 系统传递函数方框图 综合图 2及第 2 ． 1 _2 ． 4节得到图 3 所示的连铸 1 0 m A 机位置控制系统传递函数方框图。 图3 位置控制系统传递函数方框图 3 连铸机液压控制系统动态仿真与分析 3 ． 1 连铸机液压控制 系统动 态仿真结果 。 运 用S im u lin k 软 件 对 图 3 所 示 位 置 控 制 系 统 传 递 嘉 -l 00 函数进行仿真分析，图4为结晶器位置控制系统阶跃 垂 -1 50 响应曲线 ，图5为结晶器位置控制系统频率响应曲线。 S t ep Re s p on s e 1 O 9 O 8 O 7 0 ． 6 篓 o ．s 0 4 0 3 0 2 0 1 0 sy s t e m we i z hi F r 1 o m I np “t P。i “ t To O u t put Po i nt e ⋯ T jr m - e一 s 五 一 ’ 一 一 一 飞 y s t e n w e iz h i - I 。 ； j 厂 I J 0 I n p u t r 0 I n t t 0 0ut ou t Po i n t i i ／ R i s e T i m e s 0 ． 1 5 8 一。 } l l 时 间， s 图4 结晶器位置闭环控制系统阶跃响应曲线 ． 2 00 0 一一90 一1 80 毪 ．450 Bo de Di a g r am Fr om I n pu t Po i n t To O u t pu t Po i nt Sy s t e m we i z hi 一1 S y s t e m w e i z h i 1 N I ／ O lnp u tP o in 。 苗 霹 At f r e q u e n c y r a d ， s C l o 3 e d L o o p S t a b l e Y e s ； ； ； rH 1 { }{ {⋯ ⋯ { ⋯ 十- { 一I I 1 { ⋯ ⋯ {⋯ { - - 4 - j ． L } j ． 。 ． ． ． - ． ． 0山 l O ⋯ ． 0工 ． 嚣 ⋯ 一一4 ⋯ } 、 ． - t - - 2 - t - { ⋯ ⋯ ⋯ 十 - ● _ { 一 H - I ⋯ 一 ～●一⋯⋯⋯●⋯ ⋯⋯⋯J 1 0 1 03 10 频／ r a d s 图5 结晶器位置闭环控制系统频率响应曲线 3 ． 2 连铸机振动液压控制 系统动态仿真分析 影响连铸机振动液压控制系统性能 的因素有很 多，如油缸固有频率、温度和 P I 、油液介质的弹性 模量、泄漏系数、阀的响应频率等，文 中主要分析 P I 参数对系统动态性能的影响。图 6为采用 P I 校正 的位置控制系统传递函数方框图。 第 3期 黄松 等连铸机结晶器振动液压系统通用模型分析 1 2 3 当 为 0 ． 2时， 表 1 所示 。 图6 采用 P I 校正的系统传递函数方框图 k 。 采用不同参数时系统性能如 从表 2不难看出随着 值 的逐渐增加，相位 表 1 k 。 对系统性能影响 0 ． 2 从表 1不难看 出随着 居 值的逐渐增加，相位 裕量 、幅值裕量 、调整时间 t 在逐渐减小 ，系统 的快速性在提高，稳定性在下降。 当 为 0 ． 5时， 采用不同数值对系统性能的 影 响如表 2所示 。 表 2 T i 对 系统性能影响 k 0 ． 5 裕量 、幅值裕量 K在逐渐减小，调整时间 t 在某一 个值时最小。 当k 。 0 ． 1 、T i 3 ． 9时 ，系统幅值裕量 K 2 8 ． 1 d B ，相位裕量 y 3 2 ． 3 ，调整时间 t 0 ． 9 S ，系统动 态性能最优。 4结论 得到了连铸机结晶器振动液压控制系统的通用模 型，采用的分析方法对连铸机结晶器系统的分析具有 普遍的指导意义。 参考文献 【 1 】陶磊． 结晶器调宽油缸性能分析及其试验台设计[ D ] ． 沈阳 东北大学， 2 0 0 7 ． 【 2 】Y A N G B o ， L I Wa n z h o u ， WA N G J i n g c h u n ， e t a 1 ． P o s i t i o n S e r v o C o n t r o l o f I n d u s t r i a l He a v y l o a d Hy d r a u l i c S y s t e m [ J ] ． C o n t r o l T h e o r yA p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 2 1 1 2 5 ． 【 3 】 许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M ] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 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 ． 国产机床市场竞争白热化 转型需求十分迫切 国产机床市场竞争白热化 ，除了国内机床市场迫切的转型需求，还要面对国外机床企业抢 占中国市场。机床 行业未来只有不断 自主创新才能在市场立足。增强 国际竞争力 ， 使 中国从机床大国迈向机床强 国。 机床行业转型迫在眉睫 ，虽然 中国拥有世界上数量最多的机床制造厂家 ，但缺少著名的跨国机床集 团和世界 级的 “ 精 、特、专”小巨人企业。长期以来 ，中国经济建设 、重点工程所需的高档床主要依赖进 口，国产中档 数控系统市场 国内占有率只有 5 ％，而高档床所需 的数控系统 9 5 ％来 自境外，功能部件 国内市场 占有率仅为 3 0 ％ 。 针对 目 前 国内外机床市场的现状 ，机床产业宜走高端路线 ，实现国产化。走高端路线 已是不争的事实 ，一些 具备前瞻性的企业也看到了未来国产机床的走 向，早已投入到高水平产品的研发中，给了国外企业一记重拳 ，也 为国产机床企业树立标杆。 光洋科技工就是这些企业中的一个典范，日前公司自主研发的新一代 “ 光纤总线开放式全数字高档数控装 置”赢得了众多关注，这套集合了9 O 余项专利的设备不仅将以往数控机床 “ 脉冲式信号传输”方式升级为 “ 光 纤总线式传输” ，还首次实现了百分百 国产化 ，已被列入 国家科技重大专项成果。在保证信息高速流通 的情况 下 ，整个机床的动态性能、精度、加工效率也有 了优越的表现。 内容来源中国机床商务网