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| 軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析 卜勻 ，王曉東 ，靳同紅 摘要：軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試。本文建立試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用大型仿真軟件Matlab對(duì)模型進(jìn)行頻域、時(shí)域的仿真研究；并針對(duì)控制系統(tǒng)中各種參數(shù)、動(dòng)態(tài)因素對(duì)控制精度的影響進(jìn)行研究，提出了改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞：試驗(yàn)臺(tái)；伺服油缸；動(dòng)態(tài)特性 The Study on the Dynamic Characteristic of Hydraulic Control System of Test Bed of Rolling Servo Cylinder Abstract：The test bed of roiling mill servo cylinder can be used to test the dynamic and static performance of the servo cylinder．Th e mathematical model for hydraulic system of the test bed W88 established．The popular simulation software-MATLAB was utilized to carry out the simulations of the systema tical properties beth in the time domain and the frequency domain．With the utilization of the established mathematical model，simulation analysis of the impact of the diversified parameters and dynamic factors on the system precision was carded ouL Th e improving proposal was put forward． Keywords：Test bed：Servo cylinder；Dyngmic characteristic 1、前言 目前，軋制力達(dá)萬(wàn)噸的軋機(jī)在全國(guó)各地的大型鋼鐵企業(yè)不斷投產(chǎn)，軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)已成為高精度 快速軋制的核心設(shè)備。而系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件軋制伺服油缸載荷大，頻率響應(yīng)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試及故障診斷難度很大，價(jià)格昂貴，采用修復(fù)使用的原則。對(duì)于軋機(jī)用大型伺服油缸，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。因此無(wú)論從科學(xué)性還是從實(shí)用性出發(fā)，對(duì)液壓AGC系統(tǒng)大型軋制伺服油缸動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)設(shè)備研究十分重要。下面主要介紹所研制的高精度軋制伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)。 2、試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng) 本試驗(yàn)臺(tái)以實(shí)用性為突出特點(diǎn)，主要完成油缸的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能測(cè)試。能夠測(cè)試最大軋制力達(dá) 92000kN的大型軋機(jī)的伺服油缸，其液壓系統(tǒng)原理圖,如圖1所示。  液壓系統(tǒng)由采用電液力閉環(huán)伺服控制的加載系統(tǒng)和采用電液位置伺服控制的測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。兩系統(tǒng)控制過(guò)程：位移(油壓)傳感器檢測(cè)出來(lái)的電壓信號(hào)反相送到位置(壓力)設(shè)定值的輸入端，與 給定的設(shè)定值信號(hào)相比較，得出的電壓誤差信號(hào)通過(guò)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過(guò)伺服放大器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)送給電液伺服閥，電液伺服閥獲得電流信號(hào)后輸出負(fù)載流量給被測(cè)試油缸(加載油缸)，被測(cè)試油缸就輸出一定的位移，直到位移傳感器的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值相等為止(加載油缸保證壓力的穩(wěn)定)。 3、液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  液壓系統(tǒng)的控制模型方框圖見(jiàn)圖2。得到力伺服系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:   (1)位置伺服系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:   (2)其中 : Ksf為放大器增益 ; Kf 為反饋傳感器增益 ; Ksv 為伺服閥增益 ; ωm 為負(fù)載的固有頻率 ; ξm 為 阻 尼 比 ; ωr 為綜合剛度引起的轉(zhuǎn)折頻率 ; ωo 為綜合諧振 頻率 ; ξo 為綜合阻尼比 ; A c 為液壓缸控制腔有效面 積 ; Kce為總流量壓力系數(shù) ; ωsv為電流輸入時(shí)伺服閥的固有頻率 ; ξsv為電流輸入時(shí)伺服閥的阻尼比 。 4、液壓控制系統(tǒng)仿真分析 根據(jù)式(1)、(2)推出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為: 加載系統(tǒng) : G(s)H(s)=  測(cè)試系統(tǒng) : G(s)H(s)=  穩(wěn)定是控制系統(tǒng)正常工作的必要條件, 此外 , 還要求控制系統(tǒng)必須具有適當(dāng)?shù)南鄬?duì)穩(wěn)定性�？刂葡到y(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性是通過(guò)幅值裕量和相位裕量進(jìn)行評(píng)估的。一般要求幅值裕量大于 6 dB , 相位裕量大于 60 °。利用 M a tlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真, 當(dāng) P I控制器的參數(shù)取最佳值時(shí) , 其 Bode 圖和階躍響應(yīng)圖,見(jiàn)圖3和圖4。  從圖3加載系統(tǒng) Bode 圖得到: 幅值裕量22dB,相位裕量81.3°。從階躍響應(yīng)圖得到 : 系統(tǒng)屬于過(guò)阻尼系統(tǒng),上升時(shí)間 0.0295s, 過(guò)渡時(shí)間 0.0539s。  從圖 4 測(cè)試系統(tǒng) Bode圖得到 : 幅值裕量31.4 dB , 相位裕量 88.2°。從階躍響應(yīng)圖得到: 系統(tǒng)屬于過(guò)阻尼系統(tǒng) , 上升時(shí)間 0.167 s, 過(guò)渡時(shí)間 0.301s。由此可見(jiàn) , 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性 , 并且滿足快速性的要求 。液壓控制系統(tǒng)滿足工程的要求 。 5、液壓伺服控制系統(tǒng)的影響因素 根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)的理論分析可知，影響液壓伺服系統(tǒng)性能的因素很多，并且某些因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響是存在矛盾的，應(yīng)合理選取參數(shù)值，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。 (1)有效面積。液壓缸直徑對(duì)有效面積起決定作用。隨著液壓缸徑的增大。系統(tǒng)誤差、液壓缸的固 有頻率和阻尼系數(shù)相應(yīng)減小；相位裕量和響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)增大。說(shuō)明隨著液壓缸徑的增大，系統(tǒng)一階慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率降低的速度遠(yuǎn)大于開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)增加的速度。所以應(yīng)選擇較低的油源壓力的方法來(lái)加大有效面積。 (2)伺服閥響應(yīng)頻率。取不同的伺服閥響應(yīng)頻率作仿真比較，得到隨著響應(yīng)頻率的增大，系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)品質(zhì)、快速性和穩(wěn)態(tài)精度將全面提高。 (3)阻尼比。二階環(huán)節(jié)阻尼比表明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。隨著阻尼比的增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài) 精度將明顯提高，系統(tǒng)的快速性將有不明顯的下降。 通常大缸徑的液壓系統(tǒng)都是低阻尼的，因此提高液壓阻尼比對(duì)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能十分關(guān)鍵。方法有：①設(shè)置旁路泄漏通道；② 采用正開(kāi)口伺服閥；③增加負(fù)載的粘性阻尼；④在滿足液壓剛度及負(fù)載的條件下減小缸徑；⑤ 采用壓力反饋或動(dòng)壓反饋。 (4)液壓缸固有頻率。 液壓缸固有頻率往往是整個(gè)液壓伺服系統(tǒng)中最低的頻率，限制了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大固有頻率的方法：加大液壓缸有效面積，減少控制腔初始容積。在保證油缸有效行程的情況下，應(yīng)盡量減小無(wú)用的行程。試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)不會(huì)改變，故將伺服閥直接固定在油缸上；對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)被測(cè)試缸的具體情況安排放置伺服閥位置(油缸或機(jī)架)，盡量縮短伺服閥至油缸之間的連接管道的長(zhǎng)度，加粗管徑。 (5)油液溫度。 由于油液粘度隨溫度增加而減小，所以當(dāng)溫度增加時(shí)，油液粘性阻尼數(shù)值減小。伺服閥的性能對(duì)油液的溫度變化比較敏感。油液粘度的變化將影響閥的工作性能。所以一般要求油溫控制在35～45℃之間。 (6)電液伺服系統(tǒng)中的非線性影響。 由于摩擦、間隙、檢測(cè)元件的不靈敏區(qū)等因素的存在，以及為提高系統(tǒng)性能一些非線性環(huán)節(jié)的人為引入，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。①死區(qū)特性：電液伺服閥的正重疊量和系統(tǒng)的庫(kù)侖摩擦均會(huì)引起死區(qū)特性。對(duì)系統(tǒng)的靜差有較大影響，產(chǎn)生延滯特性。補(bǔ)償方法是在控制放大器中設(shè)置階躍函數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生繼電型非線性控制信號(hào)，跳過(guò)死區(qū)。②飽和特性：能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且能起到限幅和防止過(guò)載的作用，但使系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間加大，在使用過(guò)程中，一般讓系統(tǒng)工作在線性范圍內(nèi)。③ 摩擦特性：粘性摩擦力和庫(kù)侖摩擦力都能阻止物體運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。庫(kù)侖摩擦力會(huì)引起死區(qū)特性，可改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但可能也會(huì)產(chǎn)生位置靜差。當(dāng)執(zhí)行速度較高時(shí)，庫(kù)侖摩擦?xí)瓜到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)滯后；在低速情況下，粘性摩擦?xí)a(chǎn)生附加的非線性，使動(dòng)態(tài)性能變壞，而庫(kù)侖摩擦則延長(zhǎng)了調(diào)整時(shí)間。 6、結(jié)論 通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得出如下結(jié)論：①液壓加載系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)均穩(wěn)定。② 液壓伺服系統(tǒng)中，在滿足系統(tǒng)的工作壓力要求的前提下，應(yīng)盡量減小液壓缸的直徑，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。應(yīng)盡量選用固有頻率高的伺服閥。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)采取措施增大阻尼比。采用加大液壓缸有效面積，減少控制腔初始容積的方法提高液壓缸固有頻率。 基于MATLAB仿真研究，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)進(jìn)行深入的動(dòng)態(tài)特性分析，證明系統(tǒng)均滿足各項(xiàng)性能指 標(biāo)要求。此伺服油缸試驗(yàn)臺(tái)液壓控制系統(tǒng)滿足試驗(yàn)需要。 參考文獻(xiàn) 【1】王春行．液壓控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001． 【2】黃忠霖．控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001． |
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