热轧液压伺服系统非线性控制研究与应用.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 8卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 0 Vo J ． 3 8 No ． 1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 7 ． 0 0 6 热轧液压伺服系统非线性控制研究与应用 郭强 ，孙武，王京 ，张飞 北京科技 大学高效轧制 国家工程研究中心 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 液压伺服 系统具有典型的非线性特性 ，如滞 回特性 、死区特性 等 ，这些 非线性特性使得伺 服系统在不同运动方 向存在动作滞后。如果仪仅采用传统 P I D控制器进行控制 ，并不能解决以上 问题 。以某公 司 1 1 5 0 m m热轧项 目中液压伺服 系统精轧区侧导板为例，从理论上分析伺服系统的非线性特性，并结合现场中实际存在的问题，提出一种考虑负载影响的 非线性补偿控制器并进行仿真。仿真结果表明补偿后液压缸两个方向的运动特性几乎完全对称，因此其控制效果优于未补 偿前的。 目前 ，这种控制方法 已应用于该 热连轧项 目。 关键词 液压伺服系统 ；非线性补偿 ；侧 导板 中图分类号 T P 2 9 文献标 识码 A 文章编 号l O O t一 3 8 8 1 2 0 1 0 1 7一 O 1 8 3 Re s e a r c h a n d App l i c a t i o n o f No n l i n e a r Co n t r o I i n Hy dr a u l i c S e r v o S y s t e m f o r Ho t M i I l G U O Q i a n g ，S U N Wu ，WA N G J i n g ， Z H A N G F e i N a t i o n a l E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r f o r Ad v a n c e d R o l l i n g T e c h n o l o g y， U n i v e r s i t y o f S c i e n e e T e c h n o l o gy B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Abs t r a c t Hy d r a u l i c s e r v o s y s t e m h a s t y pi c a l n o nl i ne a r c ha r a c t e r s， s u c h a s r e v e r s e a nd de a d z o ne ． The s e n o n l i ne a r c ha r a c t e rs h a s b a d i n flu e n c e o n t h e mo v i n g p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m． T h e t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l me t h o d c a n n o t s o l v e t h e p r o b l e ms ． T a k i n g t h e s i d e g u i de o f h y d r a ul i c s e r v o s y s t e m o f 1 1 5 0 mi l l h o t mi l l a s a n e x a mp l e，n o nl i n e a r c h a r a c t e r o f s e r v o s y s t e m wa s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y， a n d a n o n l i ne a r c o mp e n s a t i v e c o n t r o l l e r c o n s i de r i n g l o a d f a c t o r wa s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o e x i s t i n g p r o b l e ms i n f i e l d ． Th i s c o n t r o l me t h o d w a s s i mu l a t e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo v i n g p e r f o r ma n c e s o f t h e t w o d i r e c t i o n s a r e a l mo s t s a me，t h e c o n t r o l e f f e c t i s b e t t e r t h a n t h a t o f t h e u n c o mp e n s a t e d m e t h o d ．T h i s c o n t r o l m e t h o d h a s b e e n a p p l i e d t o t h i s h o t m i l l p r 】j e c t ． Ke y wo r ds Hy dr a ul i c s e r v o s y s t e m； No n l i n e a r c omp e n s a t i o n；Si d e g u i d e 在现代化 的热连轧生产线上 ，液压伺服系统被广 泛地应用 ，如粗轧宽度 自动控制 、精轧厚度 自动控制 以及侧导板位置 自动控制 、卷取助卷辊位置 自动控制 等。伺服 系统 中经 常使用伺 服 阀 比例 阀 和单 出 杆非对称液压缸 。由于相 比于对称型液压缸来说 ，单 出杆液压缸具有工作空间小 、构造简单 等特点 ，因而 得到了广泛的应用 。但是 这种液压缸在 方 向变化 时 ， 其特性不是对称的 ，往复运动时差异很大 ，且动态特 性变化也很大 ，由于活塞 内缩和外伸方 向运动时的活 塞速度与液压缸油压 的关系呈蝶形状 ，因此人们称之 为蝶形 曲线 ，也可以称之为滞回特性 。 对于滞 回特性 的研究 ，目前有许多学者提 出不 同 的解决方案 ，比如利用李亚普诺夫函数求解 自适应控 制律 ，利用数字负载压力补偿方法 ～ ，或利用在 线 自适应 的方法 ，都取得 了一定的成果 。但是上述 几种方法要 么是基于压强 的补偿 ，要么是忽略负载的 补偿 ，不能很好 反应负载对这种滞 回特性的影响。 作者以某公 司 1 1 5 0 m m热轧项 目中的精 轧侧导 板 为研究对象 ，采用基于负载压力反馈的非线性补偿 方法 ，并 考虑负载力扰动。这种基于负载扰动的非线 性补偿控制方法更能逼近实 际情况 ，从 而为其实际应 用打下 良好基础 。 1 液压伺服系统非线性特性分析 液压伺服系统一般 由控 制器 调节器 、电液伺 服 阀 电液 比例 阀 、液压缸 、位移传 感器等装置组 成 。 一一 图 1 液压缸往右运动 图 2 液压缸往左运动 如 图 1 、2所示 ，控制 器给 出 的电 流 或 电压 收稿 日期 2 0 0 9 0 81 3 基金项 目国家高技术研究发展计划项 目 8 6 3计划 2 0 0 9 A A 0 4 Z 1 6 3 作者简介郭强 1 9 7 2 一 ，男 ，副研究员，从事 自动化控制系统的研究和应用工作 。电话 1 3 4 8 8 6 9 9 2 2 4，Em a i l sunw u u s t b q q． c o r n 第 l 7期 郭 强 等 热轧液压伺服 系统非线性控 制研 究与应用 1 9 ． 信号通过放 大装置进人伺服阎 ，用信号 的正负控制伺 服阀阀芯的左右移动 ，从 而控制 液压缸 或液压 杆 的运 动方 向 ；用信 号的强弱控制流入液压缸液体流量 的大 小 ，从 而 控制 液 压 缸 或液 压 杆 运 动 速 度。 文 中 ，以伺服 阀阀芯位移 为输 出量 ，电流 为输入 量 ， 得到 如下 的传递 函数 G Ks v 1 ； v O S V 式 中X 为 阀芯位移 ；， 为控 制 电流 ；K 为伺 服 阀 增益；∞ 为伺服阀频域宽度 ； 为伺服阀阻尼 系 数。 当阀芯 向右运动 定义 为 正 即 X ≥0，此时 液压 缸在系统压力 P 的作 用也 会 向右 运 动 ，伺 服 阀的负 载流量方 程为 Q G 。 w X sPL √ p - c 。 G sv √ 寺 p s P 1 2 Q 。 w X sr√ 7 。 sv ， √ ， 3 又 Xp I N-- Q I N 4 由液压缸 的负载平衡方程得 F p l A1 一P 2 A 2 5 式 2 -- s 联合 可以求 得 _ c D 黑 6 式 中C 。 为伺服阀流量 系数 ； 为 阀 口面积梯度 ； P 为油液密度 ；P 为供 油压力 ； P 。 为无杆 腔压力 ；F为 负载力 ；A 为无 杆腔 面积 ；P 为有杆 腔 压强 ；A 为 有 杆腔面积。 当阀芯向左运动定义为负即 X 儿0 ，此时伺服 阀的负载 流量方 程为 Q IN C D w X sr √ P s P c 。 G sv，√ 吾 P s P 7 Q OUT C D w X s L√ 。 sv，√ 8 式 4 一 8 联 合可以求得 p I C D W G s v l √ ／ 2 p s A 2 F 9 从式 6 、 9 可 以很容 易看 出 ，在控制 电 流 相同的情况下 ，液压缸两个运动方 向上 的速度是不相 等的 ，只有 在 p s A l FP s A 2 十F即 在 F P s A l A ／ 2情况下才能使左右运动方向速度相同。这就使 得固定 的 P I 参 数调好 后不 能 同时兼顾 两个 方 向上 的 特性 ，从 而对轧制过程 中的动态调节造成影响。为了 克服这种不利影响 ，有必要在进行传统控制的基础进 行相应的补偿 。 2液压 伺服 系统 非线 性特 性补偿 如式 6 、 9 可 知 ，在控 制 电流 ， 相 同的情 况下 ，要使 得表达式 相同 ，可以采用非线性补偿 的方 法 ，即在式 6 、 9 中非别乘 以一 个非线性 表达 式 以抵 消负载对 流量 的影 响 ，从 而达到非线性补偿 的 目的。 令k l ／ 22P A 31 一A 32F 1 0 ／ 2 p p A A 3 A3 2 F 式中 为补偿调节系数。 此时一V p I N l P I N k C D w G s v ， 1 2 P I Nk 2 v P I Nk C D wG s v ， 1 3 由式 1 2 ～ 1 3 可 以看出 ，一Y P I N V p 。 ，这 种补偿 不仅 实现了在相 同 P I 控 制下 ，液 压缸两个 运 动方 向 上 的特性 相 同 ，而且 考 虑 了负 载力 对补 偿 系数 的影 响。 3 液压伺服系统非线性特性补偿仿真 为了对 上述 方法 进 行分 析 ，有 必 要 进行 仿真 研 究 。在进行仿真研究之前需要考虑液压缸 负载对伺服 系统 的影响 ，因此 首先要对其进行建模 ，文 中将忽略 液压缸本 身 泄漏 对系 统 的影 响 ，当液 压 缸 向右运 动 时 ，其连续方程为 ， Q 。 一A。 1 4 0 式 中 为油 液有效 容 积弹性 模数 ； 为 油缸 的初 始容积 。 当液压缸向左运动时 ，其连续方程为 ， 一 A 2 1 5 0 由式 1 、 5 、 6 、 9 、 1 0 、 1 1 就 可 构 建出精 轧侧导板控制 回路简图如图 3示 。 图 3 侧导板控制 回路简 图 这种非线性 的补偿 方法在应用 于实际之前有必要 通过 M a t l a b ／ S i m u l i n k工 具 验证 其 合理 性 。根据 补 偿 之后搭建 的控制 回路 图以及 回路 中各 装 置 的数学 模 型 ，在 S i m u l i n k中构建 出如图 4的仿 真模 型。其 中非 线性补偿部位如 图 5所示 。 2 0 机床与液压 第 3 8卷 图4 侧导板控制系统仿真框图 补 偿系 数 I lP r 百l 0 I I．． - i P r o d 补偿系数 2 f “ c t l l 补 偿 系 数 选 择 h l 未 补 偿 赢嚼 椭 器 未补偿前向左速度 图 5 非线性特性补偿 数的一种求解方法[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 4 2 3 6 2 3 9 【 5 】陈亚琛． 冷轧机液压 A G C的控制模型与仿真研究[ D] 器 武汉 武汉科技 大学 ， 2 0 0 5 - 3 的模 拟 曲线 y轴 上 图6 非线性补偿响应曲线 方黑色实线为补偿 前液 压缸 向右 运动 的速 度 曲线 ，y 轴下方黑色虚线为补偿前液压缸 向左运 动的 速度 曲线 ，点划线为补偿之后液压缸两个方向 上的运动曲线 ，很容易看出未补偿之前液压缸两个方 向的速度曲线并不是对称的，说明两个方 向的动态特 性是不同的，而在补偿之后运动特性几乎完全对称。 4结论 以精轧液压侧导板伺服控制系统为研究对象 ，从 理论上分析了非对称缸的非线性特性 ，并提出了基于 负载力反馈 的非线性补偿方 法 ；而后通过仿真研究证 实 了该补偿方法 的合理性 ，为其在实际中的应用奠定 了良好 的 基础 。该 补 偿 方法 已应用 于该 公 司 1 1 5 0 i n l n热轧项 目，控制效果 良好 。 参考文献 【 1 】张飞， 童朝南， 彭开香． 液压位置控制系统的自适应补偿 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 5 9 4 9 7 ． 【 2 】王春行． 液压控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 【 3 】R a t h G ． M o d e l b a s e d t h i c k n e s s c o n t r o l o f c o l d s t r i p r o i l i n g p r o c e s s [ D] ． L e o b e n U n i v e r s i t y o f A u s t r l i a ， 2 0 0 0 ． 【 4 】刘子龙， 庄显仪， 刘国忠， 等． 四边滑阀控制液压缸传递函 专 利 信 息 专利名称 一种 附加切削头花键轴安装结构 专利申请号 C N 2 0 0 9 1 0 0 3 1 0 0 8 ． 3 公开号 C N 1 0 1 5 5 9 5 6 4 申请 日2 0 0 9 ． 0 4 ． 2 4 公开 日2 0 0 9 ． 1 0 ． 2 1 申请人 无锡桥联数 控机床有限公司 该发 明涉及一种附加切削头花键轴安装结构 ，包 括花键轴 、锥 齿轮 ，锥齿 轮轴芯 部后段加工 内花键 ， 与花键轴连接 ，特征是 所述锥齿轮轴芯部前段加工 有螺纹 ，弹簧放置在花键轴端部 的圆槽内 ；螺母旋人 锥齿轮螺纹部分 ，并压缩 弹簧 ；拧人连接螺钉 ，将 螺 母 与花键轴连接 ，再旋人锁紧螺母 ，将螺母与锁紧螺 母连接 。该发明结构简单 、合理 、安装方便 ；并提供 了一种可靠的花键轴安装结构，保证了传动轴与锥齿 轮的稳定连接 ，有利于加工 中心 自动更换附加切削头 的顺利进行 ，降低 了附加 切削头 的事故率 ，保证 了附 件头的加工稳定性 ，且 可提高加工效率 。 专利名称 一种新 型斗笠刀库用镶嵌式刀盘 专利申请号 c N 2 0 0 9 1 0 0 5 9 4 3 7 ． 1 公开号 C N 1 0 1 5 5 9 5 6 6 申请 日2 0 0 9 ． 0 5 ． 2 7 公开 日2 0 0 9 ． 1 0 ． 2 1 申请人 成都普瑞斯数控机床有 限公司 该发明公开 了一种新 型斗笠刀库 用镶嵌式 刀盘 ， 其特征在 于 ，主要 由若 干完 全相 同的镶 嵌式 刀爪组 成 ，且这些镶嵌式 刀爪在 同一平面内依次镶嵌并呈 圆 盘状 ，且所 述的镶嵌式刀爪 由刀身 ，以及与该刀身一 端 固为一体 的刀爪组成 ，且在该 刀身相对的两个侧边 分别设有镶嵌槽和凸块。该发明的刀盘是由若干的镶 嵌式 刀爪相互镶嵌而成 ，因此整个刀盘的结构不仅非 常紧凑 ，而且其镶嵌装配 的过程也非 常方便 ，从 而能 够省略机械加工环节 ，显著的提高生产效率 。 王元荪供 稿