PID控制器在水平连铸设备电液速度伺服系统中的应用研究

　　1 系统工作原理及参数

　　水平连铸拉坯电液速度伺服控制系统,是水平连铸设备上的关键装置[1],由电气控制部分和液压驱动机构组成,具体由反馈回路、校正装置、放大器、伺服阀、伺服马达、速度传感器等组成。

　　系统工作原理如下:该系统为一水平连铸系统,当钢水从钢包中经结晶器结晶,再在液压马达驱动的上、下两个拉辊的水平牵拉作用下,形成钢坯。系统的关键在于要保证钢板的薄厚,而这主要由两个拉辊的转速决定,如果转速比较高,则钢板就会较薄;如果转速比较慢,则钢板就会较厚,从而引起钢板薄厚不均。所以应该对两个拉辊的转速进行比较精密的控制。其控制原理如下:在控制电流的作用下,液压油经伺服阀进入液压马达,控制液压马达的转速。通过减速齿轮箱驱动拉辊,来实现水平连铸所要求的拉辊动作。在齿轮和拉辊同轴上安装速度传感器,把速度信号检测出来后,经过衰减、滤波的反馈信号,送到比较器上,与输入信号相比较,形成误差信号,用其控制液压马达转速,从而保证钢板的薄厚均匀。

　　系统参数如下:

　　系统上升时间tr<33×10^-3s;系统频宽ωb>20rad.s^-1;额定控制电流I=±300mA;减速箱传动比i=1/8。

　　2　系统的数学模型

　　(1)伺服阀的传递函数

　　式中:KSV为电液伺服阀空载流量增益,KSV=5.56×10^-3s;TSV为时间常数,TSV=5.31×10^-3s。

　　(2)液压马达的传递函数

　　式中:Dm为液压马达的排量,Dm=51L/r;ξh为液压马达的阻尼比,ξh=0.3;ωh为液压马达固有频率,

　　(3)速度传感器的传递函数

　　传感器可视为一个比例环节,比例增益为31.89。

　　(4)速度衰减器的传递函数

　　为了系统反馈量测量和比较方便,反馈环节增加了速度衰减器,其也可视为一个比例环节,比例增益为0.05。

　　(5)速度滤波器的传递函数

　　为了滤除反馈量中的噪声信号,使得反馈量更加精确,系统控制精度更高,反馈环节增加了速度滤波器：

　　(6)伺服放大器的传递函数

　　该函数为一个比例环节,比例增益为0.015A/V。

　　(7)减速箱的传递函数

　　该函数为一个比例环节,比例增益为i=1/8。

　　通过以上分析得到了系统中各环节的传递函数,由此可以绘出系统的方框图[2],如图2所示。

　　系统的开环传递函数如下:

　　3　PID控制器的设计

　　PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制,至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。尽管自1940年以来,许多先进控制方法不断推出,但PID控制器以其结构简单、鲁棒性好、可靠性高及易于操作等特点,仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中[3]。鉴于此采用PID控制器,下面着重叙述一下PID控制器的设计过程。