电液伺服控制系统的应用实例

第七章 电液伺服控制系统的应用实例 7.1 引例图7-1 阀控油缸闭环控制系统原理图此图为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。

这一系统不仅使液压缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大（如负载突变）的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。

工作原理如下：在某一稳定状态下，液压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机3）并转换为电压。

这一电压与给定电位计4输入的电压信号进行比较。

其差值经积分放大器放大后，以电流输入给电液伺服阀6。

电液伺服阀按输入电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方向，控制输出油液的流量大小和方向。

对应所输入的电流，电液伺服阀的开口量稳定地维持在相应大小，伺服阀的输出流量一定，液压缸速度保持为恒值。

如果由于干扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压改变，而使放大器输出电流减小，电液伺服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到液压缸恢复原来的速度时，调节过程结束。

按照同样原理，当输入给定信号电压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变化，即输出自动跟踪输入。

通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下：（1）反馈系统：把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。

在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。

自动控制系统中大多数反馈是负反馈。

（2）靠偏差工作：要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。

执行元件运动的结果又试图消除这个误差。

但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。

（3）放大系统：执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。

其输出的能量是液压能源供给的。

7.2 车床液压仿形刀架图7-2 车床液压仿形刀架车削圆锥面时，触销沿样件的圆锥段滑动，使杠杆向上偏摆，从而带动阀芯上移，打开阀口，压力油进入液压缸上腔，推动缸体连同阀体和刀架轴向后退。

阀体后退又逐渐使阀口关小，直至关闭为止。

在溜板不断地做纵向运动的同时，触销在样板的圆锥段上不断抬起，刀架也就不断地作轴向后退运动，两运动的合成就使刀具在工件上车出BC段圆锥面。

从仿形刀架的工作过程可以看出，刀架液压缸是以一定的仿形精度按着触销输入位移信号的变化规律而动作的，所以仿形刀架液压系统是液压伺服系统。

7.3 钢带张力控制系统图7-3 钢带张力控制系统在钢带张力控制液压伺服系统中，热处理炉内的钢带张力由带钢牵引辊组2和带钢加载辊组8来确定。

用直流电机D作牵引，直流电机D作为负载，以造成所需张力。

如果用调节系统中某一部件的位置来控制张力，由于在系统中各部件惯量大，时间滞后大，控制精度低不能满足要求，故在两辊组之间设置一液压伺服张力控制系统来控制精度。

其工作原理是：在转向辊左右两侧下方各设置力传感器，把它作为检测装置，两传感器检测所得到的信号的平均值与给定信号值相比较，当出现偏差信号时，信号经电放大器放大后输入给电液伺服阀。

如果实际张力与给定值相等，则偏差信号为零，电液伺服阀没有输出，液压缸保持不动，浮动辊不动。

当张力增大时，偏差信号使电液伺服阀有一定的开口量，供给一定的流量，使液压缸向上移动，浮动辊上移，使张力减少到一定值。

反之，当张力减少时，产生的偏差信号使电液伺服阀控制液压缸向下移动，浮动辊下移，使张力增大到一定值。

因此该系统是一个恒值力控制系统。

它保证了带钢的张力符合要求，提高了钢材的质量。

7.4 水平连铸电液伺服系统应用实例水平连铸钢拉坯装置的电液伺服系统属于速度伺服系统。

水平连铸拉坯电液速度伺服系统，由电气控制部分和液压伺服驱动装置组成，其系统示意图如图7-5所示。

电气控制部分的主要装置是VC-1型电液速度控制仪。

其中有按拉坯工艺要求发出拉坯动作控制信号的速度指令设定器、功率放大回路、颤振回路和速度反馈回路等。

图7-4 水平连铸电液伺服系统示意图1.速度指令设定器;2.校正装置;3.功率放大器; 4伺服阀; 5.液压马达;6.减速机;7.速度传感器;8.切割小车;9.钢坯; 10.拉辊; 11.辅助轮; 12.结晶器; l3.钢水包水平连铸电液伺服系统的方块图，如图7-5所示。

图7-5 水平连铸电液伺服系统方块图在方块图中各环节的传递函数相应地由下列式子给出。

伺服放大器的传递函数0a0()()I s K v s =（7-1） 电液伺服阀的传递函数sv0()()1K q s sv I s T =+s（7-2） 液压马达的传递函数.m m22h h 1()2()1s D s q s s θζωω=++（7-3） 减速箱的传动比..m ()()s is θθ=（7-4） 直流测速电动机的传递函数f1c.()()V s K s θ=（7-5）衰减器的传递函数f 2H f V K V = （7-6）滤波器的传递函数v f f 2v ()()1K V s V s T s =+ （7-7） 系统开环传递函数为d 2sv sv 2h h (1)()()2(1)1(1)K T s G s H s s T s s T s ζωω+=⎛⎞++++⎜⎟⎝⎠ （7-8）式中 K ——系统开环增益，d a sv c H v m 1K K K K iK K K D =× （7-9）7.5 跑偏控制伺服系统应用实例位置伺服系统是液压伺服系统中最为常见的应用，如电弧炉炼钢电极的位置控制、液压压下装置的位置伺服控制等。

下面简要介绍带材跑偏的位置伺服控制。

钢带卷取是通过卷取机将轧制的钢带卷到卷筒上。

由于受到钢带的张力、厚度、弯曲等因素的影响，钢带会发生跑偏，即轴向对不齐。

跑偏控制的目的是，在钢带卷取过程中使钢带沿轴向对齐，避免跑偏过大造成设备损坏或断带等事故，实现钢带的自动卷齐。

图7-6 跑偏控制示意图图7-7 跑偏控制系统工作原理图系统由光电检测器、伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、卷取机等组成，系统框图如图7-8所示。

系统的输入为钢带跑偏位移，系统的输出为卷取机轴向跟踪位移，光电检测器自动检测出钢带与卷取机沿轴向位移的偏差，并将此位移偏差信号转化为电流信号输出，此信号经放大器放大后作为电液伺服阀的差动电流，使伺服液压缸拖动卷取机纠正跑偏，从而实现钢带自动卷齐。

图7-8 系统方框图(1)系统的有关原始参数1)机组最大卷取速度 v =5m/s 。

2)与活塞相连的运动部件质量35000kg 。

3)卷取误差 P ≤±2×10-3m 。

4)钢带卷移动最大距离 s =0.15 m 。

5)最大摩擦力 F f =17500N 。

6)系统剪切频率ω0≥20 rad ／s 。

7)卷筒轴向最大速度 v m =2.2×l0-2m/s 。

8)卷筒轴向最大加速度 a m =0.47m/s 2。

(2)光电检测器与放大器的传递函数光电检测器和放大器均可看作比例环节，它们串联在一起为一个比例环节，输入为偏差位移2，输出为差动电流i ，传递函数为：1e 188.6A /m I K X == （7-10）(3)电液伺服阀的传递函数 电液伺服阀的输人为差动电流i ，输出为滑阀位移2，相应的流量为Q 。

从而电液伺服阀以电流l 为输入，以流量Q 为输出的传递函数为：sv sv 2sv 2sv sv ()()2()1Q s K G s s I s ζωω=++ （7-11）其中 K SV ——为电液伺服阀的增益，K SV =l.96×10-3m 3／(s·A)；w SV ——为电液伺服阀的固有频率，w SV =157rad/s ；ξSV ——为电液伺服阀的阻尼比， ξSV =0.7。

(4)液压缸的传递函数输入为流量Q ，输出为位移X ，传递函数为p p p 2p 2p p()()2()(1X s K G s s Q s s ζωω==)++ （7-12） 其中 K p ——为液压缸的增益， K p =59.5L/m 2；w SV ——为液压缸的固有频率， w SV =88rad/s ；ξp ——为液压缸的阻尼比， ξp =0.3。

(5)系统的方框图如图7-9所示。

图7-9 带钢卷取跑偏控制系统方框图系统的开环传递函数为：221sv p sv p k 1sv p 222sv sv sv p p p ()()()(2+)(2+K K K G s K G s G s s s s ωω2)ςωωςωω==++ （6-13）7.6 液压压下(即AGC)伺服系统简介轧机液压压下系统是控制大型复杂、负载力很大、扰动因素多、扰动关系复杂、控制精度和响应速度要求很高的设备，采用高精度仪表并由大中型工业控制计算机系统控制的电液伺服系统。

AGC 是厚度自动控制的简称。

液压AGC 采用了液压执行元件(压下缸)的AGC ，国内称液压压下系统。

AGC 是现代板带轧机的关键系统，其功能是不管板厚偏差的各种扰动因素如何变化，都能自动调节压下缸的位置，即轧机的工作辊间隙，从而使出口板厚恒定，保证产品的目标厚度、同板差、异板差达到性能指标要求。

(1)基本控制思想：影响板厚的各种因素集中表现在轧制力和辊缝上。

图7-10，为轧制示意及变形曲线图。

图7-10 轧制示意及变形曲线图H.来料板厚；S0.空载辊缝；P.轧制力；K.轧机的刚度；1.轧机塑性变形抗力曲线；2.轧机弹性变形曲线轧机的弹跳方程为：0/h S p K=+（7-14）式中S0——空载辊缝(mm)；P——轧制压力(N)；K——轧机的自然刚度(N／mm)；h——出口板厚(mm)。

影响轧制力的因素是：来料厚度H的增加使P增大，轧材机械性能的变化和连轧中带材张力波动都将使P发生变化；影响辊缝的因素是：轧辊膨胀使S0减小，轧辊磨损使S0增大，轧辊偏心和油膜轴承的厚度变化会引起5（见下图）的周期变化。

在AGC系统中：h为被控制量，希望h恒定，影响板厚变化的各种因素为扰动量，扰动因素多且变化复杂，因此，AGC系统的基本控制思想是：采用位置闭环控制+扰动补偿控制。

(2)工作原理由于轧制力及其波动值很大，而轧机刚度有限，因此，扰动量中，以轧制力引起的轧机弹跳对出口板厚的影响最大。

采用位置闭环+轧制力主扰动补偿构成的液压AGC，称为力补偿AGC。

图7-11为AGC原理图。

图7-11 AGC 原理图1.伺服放大器；2.伺服阀；3.位移传感器；4.位移传感器二次仪表；5.力传感器(压头)；6.力传感器二次仪表；7.补偿系数引入力补偿后，出口板厚：00m (1)0p p p h S C S C S K K K K p ΔΔΔ=+−=+−=+Δ （7-15）式中K m =K /(1-C )——称为轧机的控制刚度，K m 可以通过调整补偿系数C 加以改变：使C =1时，K =∞，意味着轧机控制刚度无穷大，即弹跳变形完全得到补偿，实现了恒辊缝轧制。