带钢电液伺服纠偏系统

带钢电液伺服纠偏系统研究
摘要：电液伺服纠偏系统在带钢卷取控制中具有重要的意义。

本文建立了电液伺服纠偏系统的传递函数模型，推导了控制器参数，最终设计了基于plc的电液伺服纠偏控制系统，实际应用表明该系统具有较高的控制精度与较高的可靠性。

关键词：电液伺服纠偏带钢 plc
中图分类号：tb 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）05-0364-02
0 引言
纠偏控制以电液技术为基础，带钢跑偏的检测方式多样，按其跑偏量检测原理可分为光电检测、电感检测、电容检测三类。

纠偏控制一般采用如下三种方式：第一种为单辊纠偏，其作用为保证带钢进入活套前位置适中，具体为在一段较长的自由运行后，带钢以90度夹角卷绕纠偏辊，利用卷绕效应的物理作用，带钢偏差会被校正到一定范围之内。

当自由的钢带进带距离和出带距离较长时，一般让带钢绕180度经过纠偏辊。

纠偏作用机理为：驱动两根倾斜的连杆转动，带动纠偏辊机架旋转，带钢与纠偏辊中心形成一定的夹角（积分作用），另一个作用为强制带钢横向移动（比例作用）。

因此，纠偏机架旋转产生的比例积分的控制作用。

该类纠偏一方面对出带位置进行纠正，另一方面对近带也起到一定的纠偏作用，测量信号获取部分一般放置在出带侧。

第二种为双辊纠偏，其应用场合为有改变两个带钢运行高度的需求时（如活套的出入口），必须使
用双辊纠偏机架过渡作用，起到比例调节的效果。

该类型的纠偏机架突出优点为仅需较短的自由进出带距离即完成纠偏，因此，可应用在机组设备较密集的位置。

工作原理为纠偏辊在进带平面上以一个固定转轴为中心而转动，使带钢的出带部分横向移动。

此时纠偏辊并不能纠正进带的跑偏，但对纠正出带位置具有重要作用，作用为使带钢回到设定的中心位置。

带钢运行时的纠偏量与纠偏机架的调节距离为近似比例关系，进带和出带与转动平面的夹角为90度，纠偏性能取决于进带与出带之间的相对距离，该类测量装置信号获取也在出带侧。

第三种为三辊对中：在带钢张力较大或带钢较厚的特殊工况下，一般可应用三辊纠偏，其技术有点为带钢不必在辊上绕向即能实现带钢的纠正。

为增强纠偏效果，带钢和纠偏辊之间需具有一定的摩擦力，摩擦力的大小可通过辊子本身的直径或上辊的下压力来共同确定。

其结构特征为在转动的机架上装三个辊子，依靠两根连杆支撑移动运动，带钢与辊面之间的夹角产生积分作用，带钢横向移动产生比例作用，除对出带位置与进带均有纠偏效果。

许多研究人员对带钢纠偏做了详细的研究，如文献[1]设计了基于比例阀控制的电液伺服纠偏系统，并进行数学建模与matlab仿真研究。

文献[2]采用ccd作为信号采集元件，设计了基于换向阀的伺服纠偏系统。

文献[3]提出了一种基于图像处理技术采集跑偏信息的电液位置伺服纠偏系统。

文献[4]设计一种基于光电纠偏技术的电液伺服系统，并在带材清洗机列卷取机自动对中系统中成功应用。

本研究提出一种采用差动光电原理的带钢跑偏检测方法，设计了纠偏伺服机架，对系统进行数学建模，最终设计了电液伺服系统，实现带钢的纠偏控制。

1 系统主要组成
1.1 光电检测原理
光电检测工作原理如图1所示，荧光灯光源s提供高频光源，频率为1000hz，功率为50w。

带材t遮挡光路，光电检测器透镜组l获得经带材遮挡后的光，并经光敏元件d感知，位置信号电压先经色度补偿选频并放大，再经带通滤波器滤波与电压整形变换，最后输出与位置信号成线性的稳定、高可靠信号。

光电检测系统经实验室调试，输出跑偏信号电压与钢带遮光位置在较大范围内成接近比例。

跑偏信号电压经标准化处理为4-20ma电流，可被单片机或plc采集。

为保证系统工作可靠性，在光电检测系统中设计断光保护输出电路，当光敏三极管无法获得足够强度的光源时，输出断光信号，保证系统可靠运行。

1.2 纠偏机架设计
由于带钢纵向或横向浪形、边缘浪形、中部浪瓢、歪扭、镰刀弯、厚度变化、表面粗糙度及张力变化等原因，造成带钢在运行过程中的侧向滑移与螺旋漂移，其中螺旋漂移作用为主导因素。

本研究主要分析其对中纠偏作用的水平单辊，纠偏机架如图2所示。

整套纠偏机架固定在水泥浇注的基础地基上，纠偏位于上部为纠偏辊，其转动方向由底部油缸推动机架可动部分旋转来确定。

1.3电液伺服阀控缸原理
电液伺服阀控缸原理如图3所示。

式中，ql为系统流量；kq为流量增益；kc为流量-压力系数；xv为阀芯位移；pl为负载压差； ap为缸活塞面积；xp为活塞位移；ctp为总泄漏系数；vt为液压缸总压缩容积；βe为有效体积弹性模量；mt为活塞及负载折算到活塞上的总质量；bp为活塞及负载的粘性阻尼系数；k为负载弹簧刚度；fl为任意外负载力。

当k=0时，指令输入的传递函数可表示为：
2 系统总体结构
本文采用siemens s7-200 plc cpu224 xp型号，扩展a/d及d/a 模块，采集系统跑偏信息，并输出控制伺服阀进行纠偏。

联网选用工业以太网模块cp243-1。

如图4所示。

液压系统的伺服阀具有非线性、参数不确定性及外部的扰动等不利于性能提高因素，且扰动参数随工作状态与温度变化，因此纠偏电液控制系统的各主要参数在系统运行中有可能是时变的，其固定值可由标称值参数推导求得，设计系统目标为：当系统参数变化时，使系统输出量跟踪期望输入信号。

通过设定值与实际位置的比较，产生偏差信号，经过pid运算后，到 d/a口输出标准电流信号调节伺服阀控制电流，构成一个闭环恒值控制系统。

pid控制器具有的结构简单，易于控制，参数可调、高精度的优点，随着微机技术的迅速发展，数字pid控制器代替了原有的模拟pid控制器，使pid控制易于微机实现。

数字pid控制器一般采用位置式pid控制
算法或增量式pid控制算法，各有其应用场合。

pid控制器是一种线性控制器，通常控制量是给定量r（t）和输出量y（t）的偏差，即依靠偏差来纠正偏差：
由于计算机控制是一种采样控制，因此连续的pid控制算法不能直接运用，只能进行离散化进行控制，离散化由微机编程来实现。

3 结束语
本文根据电液伺服系统的工作原理以及物理构成建立了纠偏系统结构，结合的电液伺服系统模型参数，确定出系统的传递函数。

在阐述pid控制理论基础上，给出了出了针对电液伺服系统的pid 控制器算法，并最终设计了基于plc的电液伺服纠偏系统硬件结构，为工程应用奠定了坚实的基础。

参考文献：
[1]郑淑娟，贾建涛，段现银. 比例阀控电液纠偏系统的设计与分析 [j].机床与液压，2010，38（16）：57～59.
[2]程丽华，杨晓明，毕友明. 一种通用的电液伺服带钢纠偏和对中控制系统[j]. 机床与液压，2004，（6）：126～127.
[3]李锐，岑豫皖. 基于图像处理技术的带钢电液纠偏系统研究[j]. 液压与气动，2002，（11）：11～13.
[4]李志宏.电液伺服系统在带材纠偏控制中的应用[j].有色金属加工，2003，32（6）：36～38.。