张力匀整装置的设计

张力匀整装置的设计1.设计目的在卷绕装置卷绕过程中，随着卷绕半径的增大，其卷绕对象张力变大，设计一匀整装置进行张力匀整，使张力动态平衡在一定的水平。2.设计过程本系统采用气压伺服系统的恒张力控制，可不受传递功率的限制，为了控制张力T，系统工作时，先给定一个张力值（给定值）。由指令电位器输入，测量辊检测实际张力，并进行反馈，与输入信号比较，其差值偏差信号经放大后，以电流信号输入气压伺服阀，使其控制气压缸，引起气压缸的位置发生相应的变化，从而调整卷绕装置的线速度。在卷筒卷绕过程中，随着卷筒半径R增大，卷绕实际线速度增大，因而实际张力T增大，于是出现偏差值为负值，这是输入一个负值电流给伺服阀，引起气压缸的位置发生相应的变化，从而保证卷筒的线速度不变（动态的保持在一稳定值）。在本系统中，选用轧钢系统的一些参数进行设计。系统方块图设计如图1-1所示。图1-1系统设计框图压下缸参数的确定与计算：因压下力很大，为避免压下缸尺寸、伺服阀流量和供气系统参数与尺寸过大，考虑到气压元件及伺服阀的额定压力系列，并考虑可靠性与维护水平，取Pa=28MPa。考虑到压下力很大，这里不可能按常规即最大功率传输条件取PL=(2/3)Pa；但PL也不应过大，应考虑并保证伺服阀口上有足够的压降，以确保伺服阀的控制能力，这里取PL=23Pa。压力控制状态取Pr=0.5MPa。计算活塞直径D活塞杆直径d：由公式F=AcPL-ArPr其中，Ac—活塞腔工作面积，m2；Ar—活塞杆腔面积，m2。令a=Ac/Ar得Ac=F（PL-Pr/a），取a=4，带入数据可以得到Ac=10989.01×10-4m2，D=Ac4=118.29×10-2m,取D=Φ1200mm；d=Φ1050mm。则Ac=11309.73×10-4m2、Ar=2650.72×10-4m2、a=Ac/Ar=4.27、PL=22.22MPa。压下缸的行程可以根据来料的最大厚度、压下率、成品最小厚度及故障状态的过钢要求等加以确定，取S=60mm。压下缸参数的确定与计算：对于三通阀控制的差动缸，液压谐振频率为：mAmVtcetc2ceSAh（1-1）其中，Ac=11309.73×10-4m2—压下缸活塞腔工作面积；βe—油液的容积弹性模量，考虑到系统在23MPa左右的高压状态下工作，取βe≈1000MPa；Vc—压下缸活塞控制容积，考虑到伺服阀块直接贴装在压下缸体上，管道容积极小，则Vcmax=AcS；mt=mRs/2+mcy=85.5×103kg,mRs为上辊系的运动质量，mRs=165×103kg，mcy为压下缸缸体运动质量，mcy=3×103kg。将数据带入公式1-1可以计算出ωh=469.53rad/s=72.73Hz，由于ωh很高，可以不必担心系统的动态响应。液压动力元件的传递函数：1s21hh2h2c)s(hsAW（1-2）其中，1/Ac=1/11309.73×10-4=88.42×10-2m-2；ωh=469.53rad/s；εhmin=0.2。伺服阀参数的确定：由压下速度v=6mm/s,可以求出伺服阀的负载流量QL=vAc=407.15L/min。选用MOOG-D792系列伺服阀，主要参数如下：额定流量QN=400L/min,(单边ΔPn=3.5mPa时)最大工作压力35MPa输入信号±10V或±10mA响应时间（从0至100%行程）4-12ms分辨率0.2%滞环0.5%零漂（ΔT=55K）0.2%总的零位泄漏流量（最大值）10L/min先导阀的零位泄漏流量（最大值）6L/min伺服阀的工作流量：阀口实际压降ΔP=Ps-ΔP1-PL-ΔPT，式中，液压站供油压力Ps=28MPa；液压站至伺服阀的管路总压降ΔP1≈1MPa；伺服阀回油管路压降ΔPT=0.5MPa；额定负载压力PL=22.22MPa；即有ΔP=4.28MPa。于是伺服阀的工作流量：PQQNNLP=442.33L/min。由QL=442.33L/min及Ac=11309.73×10-4m2,可以得到实际压下速度：v=QL/Ac=6.25mm/s,为达到输入振幅Am=0.1mm下系统频宽≥10Hz,即ω≥62.83rad/s的条件，应使动态速度Vd≥Amω=6.28mm/s,可见，选用QN=400/min伺服阀可以满足静态及动态速度要求。各环节的传递函数：Ki为放大器（PID）的比例增益，一般Ki=4-100mA/V可调，在本系统中调定Ki=15mA/V。伺服阀中的传递函数：1s)s(svsvsv2svsv2sKW2，其中，Ksv为伺服阀的增益，以电流IN为输入，以主阀芯位移Xv为输出时IXKNvsv=1.8×10-4m/m；ωsv为伺服阀的频宽，rad/s；εsv为伺服阀的阻尼系数，根据伺服阀频宽特性可知，ωsv=942rad/s,εsv≈0.7。即有1s7.028.1)s(I)s()s(48.94248.942s10XW2224vsv伺服阀的流量增益XQKvmNq=3.70m2/s,以流量为输出时，伺服阀的总增益KKKqsv'sv=6.67×10-4m3/（s·mA）动力元件即液压缸及其负载的传递函数，在系统中可以看作单自由动态系数。以Q0为输入，以Xp为输出时的传递函数为：)1s2(s)s()s()s(hh2h2ceLc0pyfsKKAQXW其中，该环节阻尼εh=0.3-0.35。弹性负载刚度KL=20.00×107—33.33×107N/m，液压弹性刚度sAVAKcec2ceh=1884.96×107N/m，由于KhKL,可以查相关资料并计算得到该环节的传递函数为：)1s2(s)s()s()s(hh2h2ceLc0pyfsKKAQXW=)1s53.46935.02(s51.1353.469s22系统各控制环节组成框图如图1-2所示。Xp-图1-2系统控制环节框图其中PID控制部分的参数设定采用稳定边界法，稳定边界法是基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例增益Kps和临界振荡周期Ts，利用一些经验公式，求取调节器最佳数值。具体步骤如下：1)置调节器积分时间Ti到最大值（Ti=∞），微分时间dT为零K1seTs1KuWsf(s)Wyf(s)K1（Td=0）比例增益置较小值，使控制系统投入运行。图1-32)待系统运行稳定后，逐渐增大比例增益，直到系统出现如图1-2所示的等幅振荡，即所谓的临界振荡过程。记录下此时的临界比例增益Kps，并计算两个波峰的时间Ts，如图1-3所示。3)利用Kps和Ts的值，按计算公式：Kp=0.6Kps,Ti=0.5Ts,Td=0.125Ts求PID调节器各参数Kp、Ti、Td的数值。由该系统中的各参数OID控制部分用以上步骤进行操作可以得到Ts=6.9467，Kps=4.2678,从而可以得到Kp=2.56068，Ti=3.47335，Td=0.868337。3.仿真结果用Matlab中的Simulink进行仿真界面如图1-4所示。图1-4仿真界面图在仿真过程中使用的是方波信号，系统在不加任何PID控制的仿真结果如图1-5所示。图1-5初始仿真结果图在系统加上PID控制输入数据Kp=2.56068，Ti=3.47335，Td=0.868337。可以得到的仿真结果如图1-6所示。图1-6由PID控制处理的仿真结果图在本系统设计仿真过程中采用的经验值方法，其控制效果有可能没有达到最佳效果，还可以用其他的方法进行进一步微调处理，或者在这基础之上进行数据的微调以达到更理想的效果。