课设说明书

燕山大学课程设计说明书共21页第1页燕山大学课程设计说明书题目：350四辊可逆冷连轧机液压压下位置控制系统学院（系）：里仁学院年级专业：液压11-2学号：111101011173学生姓名：苏晓指导教师：刘思远教师职称：讲师燕山大学课程设计说明书共21页第2页燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：里仁学院机械工程系基层教学单位：液压教研室学号111101011173学生姓名苏晓专业（班级）液压11-2设计题目350四辊可逆冷连轧机液压压下位置控制系统设计技术参数位置控制系统已知条件与要求如下：最大轧制总压力650T，油缸最大压下速度v=3mm/s,最下回程速度2mm/s,稳态油缸位置波动量m1，油缸位置分辨率m1，0.1mm行程油缸定位精度m2，幅值裕量12dB,相位裕量40—60°设计该液压伺服控制系统，实现位移控制。设计要求完成整个设计计算过程，绘出液压伺服控制系统的工作原理图，液压伺服控制系统的方块图，系统开环频率特性波德图（包括幅频和相频特性），闭环频率特性波德图（包括幅频和相频特性），系统的单位阶跃响应，如系统特性不能满足要求，必要时要加校正。设计并选择液压动力元件的参数。最后要完成液压泵站的设计，其中包括液压泵和电机的选择，辅助元件的选择（需给出具体阀和附件的型号和规格），并绘出整个液压系统原理图。工作量1、气液压伺服控制系统原理图1张（A1）2、液压控制系统设计计算说明书1本（不少于20页）3、伺服油缸装配图1张（A1）4、利用MATLAB仿真软件绘制波德图对系统进行稳定性分析。（内容加入说明书内）工作计划时间12月1日－12月7日12月8日－12月14日12月15日－12月18日12月19日内容设计计算，系统草图，元件选择计算、绘图完成说明书，准备答辩答辩参考资料液压控制系统（王春行）液压控制系统（孙文质）液压控制系统的分析与设计（卢长耿李金良）、液压工程手册（雷天觉）、袖珍液压气动手册（宋学义）指导教师签字刘思远基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。燕山大学课程设计说明书共21页第3页第1章绪论1.1课题背景长期以来，带钢轧机上使用的是电动压下装置。近年来随着工业的发展，带钢的轧制速度逐渐提高，产品的尺寸进度要求日益严格。特别是采用厚度自动控制AGC系统以后，电动压下装置由于有传动效率低、运动部分的转动惯量大、反应速度慢、调整精度低等缺点，已不能满足工艺要求。为了提高产品的尺寸精度，在高速带钢轧机上开始采用液压压下装置。1.1.1AGC简介带材厚度自动控制AGC系统是指带材厚度达到设定的目标偏差范围而对轧机进行在线调节的一种控制系统。1.1.2液压压下装置的特点与电动压下装置比较，液压压下装置有以下特点：1.快速响应性好，调整精度高。液压压下装置有很高的辊缝调整速度和加速度。尤其是很大的加速度潜在能力。在频率响应、位置分辨率诸方面都大大优于电动压下装置。动态性能大幅度提高，使得产品的精度提高，质量更有保证，缩短了加速减速阶段带钢头尾的超差长度，节约了金属及能源，提高了合格率。2.过载保护简单、可靠。液压系统可以有效地防止轧机过负载，保护轧辊和轴承免遭损坏。当事故停车时，可迅速排出液压缸的压力油，加大辊缝，避免轧辊烧裂或被刮伤。3.采用液压压下实现对轧机的“恒辊缝”和“恒压力”的控制，以适应各种轧制及操作情况。4.采用标准液压元件，简化了机械结构5.较机械传动效率高。6.便于快速换辊，提高轧机作业率燕山大学课程设计说明书共21页第4页1.2AGC发展历史概况1.2.1国内外发展板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。上世纪三十年代以前，板带轧机厚度控制一直属于人工操作阶段。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝为主。自三十年代以来，到六十年代进入了常规自动调整阶段]1[。该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。第三阶段是六十年代至八十年代的计算机控制阶段。这一阶段主要形成了计算机控制AGC系统，它能最大限度的消除系统不利影响，在各部分独立工作的同时，充分发挥综合优势，使系统更加完善。第四阶段，八十年代至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展。这一阶段已将板厚控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级]2[。两方面的不断追求合在一起，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统。1.2.2国内外现状近年来，国内外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展。国外早在五十年代就开始在电动机械压下轧机上采用AGC控制技术以提高带材纵向厚度精度。国外轧机的厚度控制应用于电动机械轧机和液压轧机、冷轧机和热轧机、连轧机和单机架轧机。近30年来，国外轧机的装备水平发展很快。在冷带轧机上广发利用液压压下、液压弯辊、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术，在新技术运用方面均已采用液压AGC系统与计算机控制相结合的DCS，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测张），且装设了板形检测装置。人工智能(AI)技术已经广泛应用,包括模糊控制(FZ)、专家系统(ES)和人工神经元网络(ANN)技术在AGC系统中的应用,已经取得了巨大成果和经济效益。我国在这方面的发展也很迅速，如在基础控制方面、计算机控制、控制算法上取得了很大成绩。智能控制等先进控制技术在轧机轧制力控制等方面也有了初步应用，并取得了一定成果。我国自行研制的冷热板带轧机的液压AGC系统在轧制线上也得到了成功应用]3[。我国的现有冷带板的生产已有较大的改善。然而总体上还存在着装备水燕山大学课程设计说明书共21页第5页平低，单套机组产能低，产品质量有待提高等诸多问题。近几年，许多引进的轧机相继进行了技术改造，增加液压压下系统，并配备计算机控制系统，实现液压厚度自动控制。开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高]4[。第2章液压伺服控制系统设计2.1液压伺服控制系统2.1.1概念液压伺服控制系统是自动控制这一领域中的重要组成部分。自动控制就是用各类控制装置和仪表包括计算机代替人工，自动地，有目的地控制和操纵机器及生产设备，是生产的性能、机械化和自动化的水平不断提高，自动控制已成为现代化生产的必要条件之一。研究连续自动控制系统运动规律的理论，一般称为反馈控制理论；反馈控制理论的基础是线性连续反馈控制理论。反馈控制是实现自动控制的最基本方法。液压伺服控制系统以其相应快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。2.1.2组成液压伺服控制系统的类型和应用场合相当广泛，然而一个实际的液压控制系统不论如何复杂，都是由输入元件，检测反馈元件、比较元件及转换放大装置（含能源）、执行器和控制对象等基本元件构成。输入元件——根据系统动作要求，给出输入信号，加于系统的输入端。比如计算机、电位器、信号发生器等；比较元件——将反馈信号与输入信号进行比较，产生偏差信号加于放大装置。其不单独存在；检测反馈元件——用于检测系统的输出量并转换成反馈信号，加于系统的输入端与输入信号进行比较，从而构成反馈控制。比如各类常见的传感器；燕山大学课程设计说明书共21页第6页转换放大装置——将偏差信号的能量形式进行变换并加以放大，输入到执行机构。比如各类液压控制放大器、伺服阀、比例阀等；执行器——驱动受控对象动作，实现调节任务。比如液压马达、液压缸等；受控对象——和执行器的可动部分相连接并同时运动，在负载运动时所引起的输出量中，可根据需要选择其中某物理量作为系统的控制量；液压能源——为系统提供驱动负载所需的具有压力的液流，是系统的动力源。比如液压泵站。2.1.3工作原理液压伺服控制系统是利用反馈控制的基本原理将被控制对象的输入信号即输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地回输到系统的输入端，并与给定值进行比较形成偏差信号，并产生对被控对象的控制作用，使系统的输出量与给定值之差保持在允许的范围之内。与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服控制系统的工作原理可由下图说明。图2-1液压伺服系统的工作原理燕山大学课程设计说明书共21页第7页2.2350轧机液压压下伺服系统2.2.1拟定控制方案，绘制液压原理图此设计仅考虑压下中的位置控制。且要求具有较强的抗干扰能力，对系统参数变化不太敏感，控制精度高、响应速度快的性能，故采用闭环控制，相对成本较高。由于压下的运动形式为直线，出力较大，采用阀控液压缸的结构。该控制方式的特点是结构简单，成本较低，小行程及小惯量负载时液压固有频率高。但随行程增加固有频率随之降低，系统响应速度及稳定性均变坏；系统效率低。阀控缸的方式中常用的有四通阀——对称缸控制方式和三通阀——不对称缸控制方式。由于四通阀有两个节流口，压力损失大，功率损失大，油温升高，增大了系统的冷却负担等因素，轧机液压压下是三通阀——不对称缸控制方式的典型。绝大多数阀控系统采用恒压油源：供油压力恒定，控制阀的压力——流量特性的线性度好，系统精度和响应速度高，但系统效率低。综上考虑可得系统方块图如下：图2-2系统方块图燕山大学课程设计说明书共21页第8页2.2.3设计计算动力元件参数动力元件是伺服系统中的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所需要的动态特性。此外，动力元件的参数选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。动力元件的主要参数包括系统的共有压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定伺服马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。已知参数如下：总轧制力650T，油缸最大压下速度2.5mm/s,油缸最大行程30mm，系统压力28MPa.对于某些较为简单的负载轨迹，可以利用负载最佳匹配原则，采用解析法确定液压动力元件的参数。解析法：负载压力SLPP32（2-1）故最大功率输出点的负载力PSPLLAPAPF32*（2-2）压力由双边缸执行，故单边缸的负载力KNFFLL318528.9100065021*（2-3）故可得液压缸的无杆腔面积为26*171.0102831850002323mPFASLP（2-4）由MPaPS28查表知Dd71.024DAP（2-5）燕山大学课程设计说明书共21页第9页计算得mmD466，mmd331由GB/T2348-1993的规定圆整后，mmD500，mmd360则修定后的缸无杆腔面积为2196.0mAP缸工作时所需的最大流量min/40.290025.0196.0LVAqPv（2）由于伺服阀输出功率最大时对应的负载流量lq与最大空载流量mq0存在：mlqq031（2-6）最大输出功率点负载速度pllAqv*（2-7）则min/4.290025.0196.0*LvAqlpl考虑泄露，改善系统的控制性能，并未负载分析不周之处留有余地，把负载流量扩大20%min/28.353.352.1Lql压降MPaAFppPLsv75.11196.0318500010286*（2-8）由lvqp曲线查得min/40Lqn燕山大学课程设计说明书共21页第10页第3章液压元件的计算及其选择3.1自制伺服液压缸液压缸是由于系统中最常用的执行元件。液压缸缸体材料为45号无缝钢管。活塞材料为45号钢，活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使液压缸两腔之间不漏油，因此在结构上应慎重考虑。由上章的计算可得知：伺服缸的内径D，活塞杆的直径d分别为：mmD500，mmd360伺服缸无杆腔面积为：2196.0mAP缸工作时所需的最大流量：min/40.290025.0196.0LVAqPv缸筒壁厚的计算：1．按中等壁厚计算当3.2≤D/δ≤16时，液压缸缸筒属于中等壁厚，此时cpDpyy)][3.2(（3-1）式中δ——液压缸缸筒厚度（m）；Py——试验压力（MPa）；工