王洁， 徐继龙

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）

0 引言

在铝带重卷机生产线上，由于来料带材的缺陷及生产设备的原因，带材重卷过程中的跑偏现象不可避免。为保证生产线的正常运行及产品质量的要求，这就需要在重卷机组中设置对中控制系统。采用液压伺服位置控制系统实现带材的自动对中控制，可以充分发挥液压伺服系统的响应快、精度高、驱动负载能力大的特点［1］。

1 系统工作原理

在开卷过程中，铝带中心线应与重卷机组中心重合。当其出现跑偏时，光电检测器检测出铝带中心线相对于重卷机组中心的偏移量，输出相应电信号，此信号经放大器放大后作为电液伺服阀的输入信号，电液伺服阀驱动对称液压缸再拖动卷取机移动，形成位置闭环系统从而纠正跑偏，实现铝带带材在开卷过程中的自动对中［2-3］。

2 主要元件的确定

2 800 mm铝带重卷机对中系统主要技术参数及要求如表1所示。

表1 生产实际主要参数及要求

1）工作压力确定。确定油源压力ps=14 MPa。

2） 液压动力元件确定。负载力 FL=（m1+m2）am+（m1+m2）gf。选择力士乐CGH2MS2/140/90/200双出杆液压缸，负载压力 PL=FL/AP=9.18 MPa≤2/3×ps=9.33MPa，合理［4］。其中：AP为液压缸有效工作面积；g为重力加速度。

液压固有频率ωh=43.5 rad/s，类比同类机器液压阻尼比ζh取值为0.3［5］。阀控液压缸动力元件传递函数为

3）伺服阀确定。当最大速度Vm=30×10-3m/s时，负载流量qL=APVm=16.25L/min。考虑泄漏量，取qL=18.69L/min。供油压力pS=14 MPa时，阀空载流量33.94 L/min。选EMG的SV1-10/32/100/6（ΔP=7 MPa时，Q=24 L/min，额定电流ΔIn=±300 mA）伺服能够满足工作需求。根据样本得到阀固有频率ωSV=2π×85=534.1 rad/s，阀阻尼比ζSV=0.7，流量增益KSV=qom/ΔIn=1.89×10-3m3/（s·A），则伺服阀的传递函数为

4）其他组成元件。

由于输入为跑偏位移，形成了直接位置反馈，位移传感器增益为1。光电检测与放大器的时间常数都很小，响应速度快，可按放大环节处理取值为88.9 m/A。

3 系统仿真模型建立及PID控制器设计

根据各环节的传递函数，建立原系统Simulink仿真模型，如图1上部分所示（仿真模型中添加Mux模块有利于在Scope模块中比较系统校正前后的响应曲线）。

由图2细实线部分可看出原系统的调节时间太长，不能满足系统响应要求。

为了使系统具有更好的动态性能，在原系统中加入PID控制器以改善系统性能。加入PID控制器的系统仿真模型如图1下部分所示。

本文主要采用试凑法得出较好的参数值Kp=0.6、Ki=0.01、KD=0.01。加入 PID 控制器的系统仿真曲线如图2粗实线所示，上升时间短、调节时间快，具有较好的动态性能。

4 系统频宽

图1 Simulink仿真模型

系统闭环伯德图，如图3所示。

由图中可以看出，闭环系统的频宽约为55rad/s大于要求的20rad/s，可以满足生产实际应用时的系统频宽要求。

图2 单位阶跃作用下响应曲线

图3 系统闭环伯德图

5结语

1）通过对控制系统的分析计算可知，选择合适的伺服阀、液压缸，构成的液压伺服位置控制系统，可以满足2 800 mm铝带重卷机板带自动对中要求。

2）未校正时系统的动态性能不理想，选择合适的PID控制器可以大大改善其动态性能，频宽也满足实际要求。

［1］ 柳洪义.机械工程控制基础［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］ 王春行.液压控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［3］ 张利平.液压传动系统及设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［4］ 官中范.液压传动系统［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］ 宋志安.基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计［M］.北京：国防工业出版社，2007.