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1、2014 年 春 季学期研究生课程考核大作业三考 核 科 目 : 学生所在院（系）: 学生所在学科学生姓名:学号:学生类别: 工 程考核结果阅卷人恒张力气动控制系统建模仿真 题目进行恒张力控制系统仿真应用背景：造纸、印刷等连续加工生产线通常都由放卷、收卷以及一些列中间机架，张 力调节轮组成。为保证物料以一定的速度运行而又不发生褶皱和断料现象，张力控制边有很 重要的作用。本设计中，张力控制采用直接闭环控制，借助于气体压力传感器引回反馈构成 恒张力闭环，从而实现恒张力控制。本设计中要求控制气缸杆端张力Fn=100N,对于给定输入信号，张力波动误差要求不大于5%。张力控制系统示意图如图 1 所示。干
2、扰速度W张力Fn“OON气缸恒压控制系统图 1 张力控制系统示意图控制系统示意图如图1所示。系统的控制目标是维持气缸出力端维持在100N，但由于 速度会有波动，为了平衡速度的波动也就是保证张力的恒定，需要气缸带动张力轮上下移动， 因此，对于张力的恒定控制就转变成了对于气缸气压的恒定控制，如图所示气缸有杆腔连接 一恒压控制系统。无杆腔压力发生改变后，通过恒压控制系统调节来实现无杆腔压力和杠杆 出力恒定。二、气动控制系统的建模仿真2.1 给定输入信号与参数计算卷纸滚轮机构工作时，主动轮和从动轮速度一致的时候，张紧轮的速度为零，这时候纸 张的张力是一定的。随着卷纸的进行，由于主动轮和从动轮的转动半径
3、发生改变，主动轮和 从动轮会出现速度差，则张紧轮会出现速度波动，给定速度信号为梯形速度信号，波形如图 2 所示。图 2. 给定速度信号图对于速度信号，分别设定时间截点t = 15s、t = 15.2s、t = 15.8s、t = 16s。由式1 2 3 4(1-1)计算得到干扰速度的最大值v= 0.1875。由于控制系统对干扰速度信号正反0maxs变化的调整过程一样，所以这里只考虑正向的干扰速度，而不考虑反向的干扰速度。在初始时刻，气缸是位于中位的，这样可以根据给定的干扰速度信号确定气缸的必要参数。在这里取气缸总行程为0.3m、活塞直径30mm、活塞杆直径8mm。v0maxs0.15m(0.5
4、v t + v t + 0.5v t )(0.1v + 0.6v + 0.1v )010 20 3000=0.1875m / s(0-1)其中J=0.2s, t2=0.6s, t3=0.2s，速度波动时间长度T=1s.取干扰速度为最大速度的8。,则v0 = 0.15m/ s。为维持恒定100N的张力，则有杆腔和无杆腔的上下压力差要恒定在100N，由式(1-2) 可计算正常工作时无杆腔的压强P0,计算公式如下：(0-2)厂 100N +1.013 x105 Pa x兀 x (152 一 42) x10-6兀 X 152 X 10-6P = 2.355670阶跃信号幅值设为1,力控制输入信号比例系
5、数K=2.35567.经过仿真后发现单位负反馈时候的压力控制要在97N左右，因此为系统加入反馈修正 系数，设置反馈修正系数K=0.97。2.2 仿真模型建立及参数设置;:图3仿真模型搭建图 根据题目中对控制系统控制原理的分析，搭建仿真模型如图3所示。气缸活塞杆端输入 给定的速度信号（图2所示的信号）控制系统输入给定的力信号（F=100N）整个系统采用 压力反馈。力信号输入通过一比例环节，比例参数根据气缸的活塞面积和杠杆面积确定，目 的是把无量纲的力数值转换为无量纲的压力量。偏差信号经过 PID 控制和限幅对伺服阀换 向阀进行控制。伺服阀开口的大小将改变气缸有杆腔的压力，进而维持张力恒定。通过调
6、试，确定各环节参数：力信号输入端比例系数K = 2.35567 ；1反馈修正系数K=0.97；大气压默认K = 1，013 ；气源压力供给8Bar；闭环内比例系数K = -6 ；PID控制环节参数为默认参数K = 20、K二0.2、K二0.1。p d i2.3 控制系统仿真0102.5300. 080+120.060.040. 160. 140. 10l.G20:Time Es进行仿真，可以得到速度输入信号曲线如图4。0. 00signa103 - volesity _nu1.2284001030352. 22. 6图 4 速度输入信号图 5 气缸无杆腔压强曲线:jn_：isensor - p
7、ressure signa 1 (bar absolute) .null1 1 1 1 1 1r 1 1 1 ipTT 115.:T ime图 6 活塞杆位移曲线图5为气缸有杆腔压力曲线，可以看出开始仿真后，有杆腔压力能够迅速达到2.56bar 左右的绝对压力并保持稳定，随着输入信号发生波动，压力也发生波动，波动后能迅速调整， 继续稳定在2.56bar附近。因为速度的波动是正增加的波动，因此代表卷轮要比松轮的速度 快，相应的张力轮应该上移动，减少因速差引起的张力的增大，因此无杆腔压力相应出现正 波动变化。图 6 为活塞杆位移曲线，由反馈原理可知，当张力增大引起无杆腔压力增大后，反馈 信号与控制
8、信号产生负偏差，经过反向放大比例环节和PID修正后，控制电液伺服阀改变 阀口开度，使得阀口开度增加，气缸活塞上移，抵消一部分速差，减少因速差引起的张力待速度稳定后，气缸活塞保持一定的位置，此时压力的控制也由波动变为平稳。pn_actuatc：rl - force eiert 亡d by actuator rod M120 -100小80 -60 40 1 1 I101520Xi T沁253035图 7 气缸杆顶端压力曲线101.0.02.099. 017 5:Time .s15. 016.0104.0 -103.0 一100.0 一)n_c：iiatorl - roi ce exerted by actuator rod vx = 1G. -5 y_i - 102. 772图 8 压力曲线波动点放大气缸杆顶端的压力曲线如图8所示，可以看出仿真开始后,张力迅速达到稳定的100N,在15s时速度信号发生波动，系统压力也相应的发生波动，但通过反馈控制系统，可以控制 张力波动在100N附近，且在速度波动稳定后，张力控制也回复稳定。对波动点进行放大如图 8 所示。可见张力波动的最大点坐标为(15.5, 102.772N),而达到稳定时，张力约为100.5N,102 772 100 5所以误差率r二x 100%二2.26% 5%，故控制系统设置满足设计需求。
