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1、计算机自动纠偏系统在带钢卷取中的应用摘 要在生产线上，带钢的位置纠偏控制是带钢连续生产的重要环节。良好的带钢位置纠偏控制系统可以保证带钢产品的高质量。本设计系统分析了带钢跑偏产生的原因。结合生产现场的实际情况和现有的专家控制规律，指出以伺服阀为基础的液压控制系统在近现代相关工业领域中广泛应用。并指出电液伺服控制系统同电子技术与控制技术相结合的向数字化的发展趋势。带钢位置纠偏控制系统设计目的是通过光电式传感器获得一个高精度的带钢偏移信号，并驱动液压执行机构精确地完成带钢的位置纠偏。通过对带钢位置纠偏控制系统执行机构的分析，得出电液伺服阀流量传递函数、卷取机的传递函数和其他元件的传递函数，经过整理
2、确定了最终的带钢位置纠偏控制系统的数学模型。在结合传统PID控制原理以及专家系统的基础上，确定了智能PI参数自整定控制方案。通过分析PID参数对系统的作用，确定了智能型PI调节器的调整规则，从而建立起了系统仿真模型，最后仿真结果表明采用智能型PI调节器控制系统控制能够比单纯采用PID控制器的系统具有更短的响应时间、更小的超调现象和更强的抑制负载扰动的能力。最后，本论文对现行方法中的不足进行了总结。关键词：带钢纠偏系统 电液伺服阀 建模 PID控制 MATLAB仿真The application of computer automatic guiding system in strip coil
3、ingAbstractIn the production line, steel strip position correction control is an important part of continuous production. Good strip position correction control system can guarantee the high quality steel products. The reason for steel strip department was analyzed systemically. The design combine t
4、he actual situation of the production site and the existing expert control law, pointed out that the hydraulic control system based on the servo valve are widely used in the related industries field. And pointed out that the digital trend that the Electro-hydraulic servo control systems combine with
5、 the electronic technology and control technology.The design purpose of the steel strip position guiding system was to obtain a high precision departure distance of steel strip by the photoelectric width detector and displacement sensor and to control the electrical-hydraulic servo system complete a
6、ccurately rectifying function. Via analyzing the elements of the electrical-hydraulic servo system, the transfer functions of the servo valve, coiling machine and other components were obtained. After finishing the final mathematical model of the steel strip position guiding system was established.C
7、ombining the PID control theory and expert system, the Intelligent PI parameters self-tuning control scheme was established. By analyzing the effect of each parameters of PID controller, the adjustment rules of the intelligent PI regulator were obtained, and via these finally founded a system simula
8、tion model. The simulation results showed the intelligent PI controller had better performance in both dynamic and static state, and it was more robust than normal PID controller.Finally, the shortcomings of existing methods are summarized.Key words: strip correction system； servo valve； modeling； P
9、ID control； MATLAB simulation1轧制自动化简介1.1轧制过程自动化的基本概念自动化一词对于我们已不陌生，因为各工业部门正在广泛地采用着不同的自动化技术。自动化实际是一门边缘学科，它从许多不同的学科领域汲取知识。加强对它的研究，不仅能有利于一系列原来认为是各自独立的学科汇集起来，而且可以把它们用来解决各种不同的工程技术问题。自动化控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行和合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热炉温度的控制、轧制过程中速度和张力的控制，等等。自动控制
10、系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。轧制过程自动化所要解决的问题是：提高和稳定产品质量，提高轧机等设备的使用效率，以便达到最经济地进行生产和经营的目的；在环境恶劣人不能靠近的场合实现自动控制，把人们从繁重的体力劳动中解放出来。实现自动化的方法很多，可以用电气方法、机械方法、液压方法、电气液压方法、气动方法以及它们的综合应用方法，其中以电气自动控制方法最为普遍。1.2.轧制过程自动化的发展状况轧制过程自动化的发展，大体经历了单机自动控制系统，电子计算机和单机自动控制系统共存以及全数字计算机控制系统等几个阶段。轧制过程自动化的发展，大体可分为三个阶段：第一阶段大约在四五十年
11、代，为单机自动化阶段；第二阶段在六十年代，为计算机和单机系统共存阶段；第三阶段为七十年代至今，是全数字计算机控制阶段。本世纪六十年代以来，随着电子计算机自动控制技术的广泛应用和整个科学技术水平的不断提高，轧制生产技术也有了飞跃的发展，其发展主要趋向和特点：(1)轧制生产过程日趋连续化，薄材和线材轧制连续化更加完善，使生产效率大幅提高。(2)轧制速度不断的提高，轧制过程的连续化为轧制的高速化创造了条件。目前线材轧制的轧制速度以高达100米/秒以上。(3)轧制生产的形式和规模日趋专业和大型化，为了满足产量，质量和降低成本的要求，现在普遍采用专用设备和专用加工线进行生产。薄材、板材、钢材等的生产设备
12、都在日趋重型化，生产规模越来越大。(4)用户对产品精度和质量的要求日益提高，随着现代化技术和生产工序自动化的迅速发展，国民经济各部门日益广泛地需要精度非常高的轧制产品。如电子、仪表、包装等的部门，对薄材要求达到0.001mm级。1.3.轧制过程自动化的必要性在整套轧制设备上采用计算机控制系统实现轧制自动化，不仅可以把人从繁重的体力劳动中解放出来，重要的是能满足轧制生产的技术要求的迅速发展需要。实现轧制自动化有以下几个方面的效果：(1)能够迅速适应轧制程序的变化，在手动的情况下非常慢，通过计算机系统控制能根据轧制的波动自动进行调节控制，使其保持不变或按一定规律变化。(2)能够减少误轧次数，一般情
13、况下，当出现误轧时，检修或换辊时，要花费很多时间，造成很大的浪费和损失。采用计算机系统控制按照事先编好的程序迅速地进行工作，可以避免或减少误轧次数，节约经济。(3)有可能实现大范围的尺寸改变，特别是在精轧中，过去手动很难实现。(4)能显著提高轧制的尺寸精度，在薄材轧制过程中，采用计算机控制可以提高厚度自动控制系统的性能，能显著改善薄材的精度。(5)能稳定精轧时的温度，由于采用计算机控制后，既可以做到控制轧件的温度，而又可以确定最佳轧制速度。除上述优点外，计算机控制系统还可以改善轧件的断面形状，提高轧件宽度，精简操作环节。为了适应轧制生产向连续化，高速化，大型化和自动化的迅速发展，我们必须掌握与
14、之相关的自动化知识。只有这样才能使得轧制自动化技术有更加美好的未来。具体而言，在计算机位置控制系统中经常遇到带材跑偏的间题，由于前道工序收卷不齐或机组中的辊组偏差、振动、张力失调、横向厚度不均等原因，造成带材边缘或带材某一纵向标志线与机组的中心线不平行或不重合，导致带材的横向跑偏。卷取是带材生产的最后一个环节，其卷取的平整度将极大地影响产品的外观。带材在运行的作业线上应在一定的横向公差范围内对准机组中心线(或设定位置)，否则就会刮坏设备(如酸洗机组的酸洗槽侧壁或退火线加热炉侧壁)，在这种情况下就需要对带材实行对中控制(CPC);在另外一种情况下，如要求卷取机上卷取的带材边缘应该整齐，则需要以带
15、材边部某一纵向线为基准实行边缘纠偏控制(EPC)，否则影响产品质量和带卷外观。因此，带材的这两种位置控制往往是带材连续作业线上必不可少的环节。目前已有一些带材纠偏系统在实际应用中获得了成功。但传统的纠编系统大都采用模拟式的PID控制规律。由于带材跑偏呈波形快速不规则振荡特性，控制系统的动特性难以用精确的数学方式描述，从而使PID参数整定变得十分困难。同时PID纠偏系统超调大，精度不高。因此，PID纠偏系统在实际应用中不能获得满意的纠编效果。随着计算机的发展和集成电路的出现，精度更高、稳定性更强、快速性更好的控制算法得以实现。本论文将完成计算机自动纠偏系统的设计，用于纠正带钢在卷取过程中由于张力
16、不均，内部应力等原因产生的横向跑偏。拟采用智能PI控制和专家系统相结合的方法实现自动纠偏控制，以满足上升时间、调节时间、稳态精度等性能指标的要求。2电液伺服控制系统2.1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,
17、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
18、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
19、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。2.2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2.1所示。图2.1 电液伺服系统的一般构成2.3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
20、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。3带钢纠偏控制系统设计3.1带钢纠偏控制系统原理3.1.1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
21、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。3.1.2带钢跑偏现象的分析带钢在运行中自行偏离生产线的中心，向辊子的一侧移动，称为带钢“跑偏”。理想情况下，带钢在辊子上行走，只要带钢和传送辊表面有接触，并在一定的摩擦阻力界限内，那么带钢的张力是平均分布的，即当带钢靠上辊子时，带钢就会垂直于辊子的中心轴行走。 带钢在运送
22、辊上行走，如果传送辊是相互平行的，带钢与辊子之间接触在摩擦阻力界限之内，带钢平直，断面薄厚均匀，则作用在带钢上的张力分布均匀。这样，带钢在辊子上行走就不会“跑偏”。但实际上在带钢的运送上，会有各种扰动，从而带钢在运送中的“跑偏”。其原因有: (1)带钢断面不均匀的影响(带钢镰刀弯)如果带钢断面不均匀，带钢两边厚度不一，带钢本身就成镰刀弯状，则带钢在辊子上运行，就引起干扰，使带钢跑偏。因为此类带钢上的各点，也趋向与辊子中心线成直角，引起跑偏量。这种镰刀弯带钢在平行传送辊上引起的带钢跑偏，其跑偏量与镰刀弯的程度、带钢张力的大小和两个运送辊之间的间距有关。在活套中，镰刀弯带钢的跑偏也是一样的，每段上
23、带钢受力在每个辊子上都要垂直于中心线输入，因而使带钢被迫偏移。图3.1断面不均匀的带钢的跑偏(2)辊子几何形状的影响 传送辊在加工中有可能呈锥形，或者圆柱形辊在长期运行中由于单边磨损大，而呈锥形。由于锥形辊使带钢张力分布不均匀，使带钢总是向粗的一端跑偏。锥度小，带钢张力分布不均匀程度小;锥度大，带钢张力分布不均匀程度大，跑偏也大fl0图3.2锥度大小对跑偏的影响 图3.2中向上的箭头表示带钢行走的方向，向右的箭头表示跑偏量的大小。 根据上述的效应，应做成鼓形辊和双锥辊，使带钢中间的张力大，而自动对中行走。如钢板完全是平整的，带钢中间张力大，完全是辊形引起的，能起到自动对中的作用。但由于受到带钢
24、板形的影响，会加大或减小这种效应。 (3)两运送辊轴向不平行的影响 如果带钢在两个互不平行的运送辊上运行，但带钢总是有要与辊子成直角的趋势，就产生了跑偏。理论上的跑偏量是与两个辊之间的间距和两辊之间的夹角有关。带钢跑偏量S是带钢在两个传送辊之间长度L与两辊夹角a的正弦的乘积，也即带钢的跑偏量S=L sin a。 (4)辊面质量的影响 传送带钢辊子表面粗糙程度不一也是带钢跑偏的一个重要原因。根据上述效应，也有做成左右螺纹的橡胶辊，能起到自动纠偏作用。 (5)两端压力不均匀的夹送辊的影响 如果带钢在两根受压不均匀的辊子之间夹送时，则会产生与锥形辊上相似的效应，带钢向压力小、.夹送辊开口大的一端偏移
25、。因此，设计中要注意避免夹送辊两边压力不均的跑偏扰动.。 (6)来料钢卷边缘部分影响 来料钢卷边缘参差不齐，对带钢运行是一个扰动，使带钢跑偏。 (7)带钢张力波动的影响 带钢张力波动，特别是由于带钢张力系统没有调整好，引起带钢张力的强烈波动，也造成带钢在行走中的跑偏。 (8)带钢运送中的气流和液流的影响 运行中的带钢受侧向气流或液流的影响同样会发生跑偏。(9)塔式或卧式活套中的运动辊导向精度的影响 各种活套中，转向辊的导向精度也直接影响着带钢的跑偏。如卧式活套中，活套小车运动轨道的误差，钢轨的松动，活套支承门架的安装误差，传送和换向辊的磨损等，都要造成带钢的跑偏。 综上所述，带钢边缘跑偏的影响
26、因素众多，总结起来都是由于受力不均引起，且极具随机性，跑偏是不可避免的。带钢边缘跑偏不仅使带卷边缘无法卷齐，而且会使带钢边缘碰撞、刮坏设备并造成严重的断带停产事故。因此，为确保带钢在作业线上在一定的横向误差范围内对准机组中心线(或设定位置)，带钢的位置纠偏控制成为带钢连续作业线上必不可少的环节。例如，在带钢轧制、酸洗、退火、镀锡、镀锌等机组中，很多的地方设立纠偏装置。3.1.3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
27、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。3.1.4带钢纠偏控制
28、系统工作原理如图3.3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3.3 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。3.2带钢纠偏控制系统设计3.2.1控制系统参数及基本要求1.控制对象有关参数1）机组速度：V=2m/s2）负载
29、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.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e2mm3.2.2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
30、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.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3.4所示图3.4 带材纠偏控制系统硬件原理图3.2.3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3.5所示:图中元件为:1
31、.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
32、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3.5 纠偏液压站原理图3.3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
33、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3.6所示(其中给定值为数字给定)图3.6 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。3.3.1光电传感器设计在检测的反馈回路上光电传感器的
34、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光源、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3.7图3.7 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，其中D1D4组成整流桥，原理是利用了二极管的单向导通特性；虚线右半部分为具有放大环节的串联型稳压电路，其作用是为负载提供一
35、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3.8图3.8 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3.9图3.9 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3.10所示图3.10 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
36、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3.11图3.11 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
37、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3.12图3.12 滤波整流电路3.3.2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
38、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。 （3.1）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
39、（3.2）4）系统流量： （3.3）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： （3.4）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
40、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=100mA3.3.3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： （3.5）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 （3.6）近似于前面的设计面积
41、，由于设计时已留有很大余量，所以满足要求。3.3.4系统其他元件设计选型电机功率： （3.7）4带钢纠偏控制系统建模及仿真在上一章根据要求设计了系统的主体部分，本章将对上章设计的系统进行建模并对其进行品质分析。系统方框图如图4.1所示图4.1 系统原理框图4.1带钢纠偏控制系统数学模型建立4.1.1伺服阀传递函数伺服阀的传递函数可由下式得出： （4.1）其中为阀的流量增益： （4.2）阀的额定流量 阀的额定电流 由工程经验可以得出本伺服阀的模型如下： （4.3）4.1.2卷取机传递函数卷取机(包括负载)的传递函数可由下式得出： （4.4）活塞端供油时液压缸有效工作面积 （4.5）由工程经验可以
42、得出液压缸(包括惯性负载)固有频率Wn；阻尼系数较小，一般取=0. 2或稍大一些，本系统取=0. 2得到卷取机(包括负载)的传递函数为： （4.6）4.1.3其他元件传递函数伺服放大器的传递函数可以简化为比例环节4.2带钢纠偏控制系统模型仿真4.2.1SIMULINK简介1.Simulink功能介绍Simulink是一种集成交互式图形设计环境，也是MATLAB的重要组件之一，它可以实现各种动态系统进行建模、分析和仿真。被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系
43、统中的不同部分具有不同的采样速率为了创建动态系统模型。Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。正因为如此，Simulink技术倍受青睐，在航空航天动力系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等领域已经获得广泛应用。2.Simulink特点介绍Simulink具有以下特点：丰富的可扩充的预定义模块库；交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索
44、模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。3.Simulink的模块库介绍Simulink模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）1)连续模
45、块（Continuous）continuous.mdlIntegrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出2)离散模块（Discrete） discrete.mdlDiscrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤
46、波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器Unit Delay：一个采样周期的延时3)函数和平台模块(Function&Tables) function.mdlFcn：用自定义的函数（表达式）进行运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配）4)数学模块（ Math ） m
