液压矫直机控制系统的研究
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摘要
平行多辊矫直机是材料平整工业中十分重要的设备，但高精度液压位置伺服控制矫直机国内还很少。液压矫直机最为关键的技术是伺服位置控制精度，它直接影响着产品的矫直效果，本课题研究的重点是液压矫直机的位置控制系统，在理论分析的基础上实现了基于PLC的矫直机控制系统。
通过对平行多辊矫直机矫直原理的研究，得到了影响矫直性能的关键参数—上辊压下量的计算公式，然后由液压控制系统的工作原理推导了控制系统的数学模型，并在此基础上利用仿真软件MATLAB进行算法仿真。最后利用西门子的PLC来实现整个控制过程，采集实际数据并与仿真进行比较。
第一章主要论述了课题研究的背景、意义及内容。首先通过对材料矫直技术现状、圆锯片加工业发展新趋势和国内外矫直机现状的介绍，提出了本论文研究课题的意义，随后综述了电液伺服控制技术的现状和发展趋势，最后结合实际情况确定了本课题的具体研究内容。
第二章首先介绍了平行多辊矫直机的工作原理，并推导了影响矫直效果的关键参数的数学表达式，并根据工程应用进行简化。接着，介绍了液压矫直机的机构组成，控制系统组成(包括液压控制系统和电气控制系统)，工作原理和控制目标。
第三章首先根据电液伺服系统的基本方程来得到辊缝控制系统的数学模型，接着在稳态工作点附近对其进行线性化处理，然后把时域线性的增量方程进行拉氏变换得到辊缝控制系统的传递函数和控制方块图，最后计算控制系统的一些参数。
第四章首先根据第三章得出的液压系统数学模型，并借助于MATLAB的SIMULINK模块来建立控制系统的计算机仿真模型，接着用常规PID控制策略来对系统进行算法仿真，最后讨论了液压缸之间的同步控制策略。
第五章首先讲述了液压矫直机控制系统的PLC软件编程，包括程序流程图，触摸屏界面设计和一些编程中具体的实现细节。接着是现场调试，进行数据采集，并和计算机仿真结果进行比较。
第六章对液压矫直机电液控制系统进行了总结，指出了系统中还存在的问题，并展望了今后开展的工作，为深入研究和广泛应用打下基础。
Parallel multi-roller straightener is an important equipment in the materials straightening industry. But high-precision straightener with hydraulic position servo-control can hardly be made in china. The most pivotal key of straightener is position control precision, which directly affects products' quality. This research focuses on the position control system and implementing the actual control process with PLC on the basis of theory analysis.
The expression of upper rollers' press amount that is the key parameter in straightening process is acquired by means of researching on the theory of parallel multi-roller straightener. The mathematical model is deduced according to the hydraulic control system theory, and the simulation is made by MATLAB. A SIEMENS PLC is used to control the straightener and acquire data that are used to compare with simulation.
Chapter one is concerned with the background, significance and primary contents of the research. At first, the background is introduced, including the technical actuality of material straightening industry and roller straightener in the world, and the trend of disk saw process. Then the actuality and development of modern electro-hydraulic servo-control are also summarized. At last, the main research contents are presented.
The work theory of parallel multi-roll straightener is first introduced in chapter two, and the key parameter's mathematical expression is acquired and simplified according to engineering application. Then mechanical composing, control system composing (hydraulic and electric control system), work theory and control destination are presented.
In chapter three, the mathematical model is acquired according to the basic equations of electro-hydraulic servo-system and the linear model is established at stable operation. The transfer function and control diagram are obtained by L transform. Last, some parameters concerning control system are computed.
In chapter four, computer simulation with common PID control strategy is made in SIMULINK of MATLAB on the basis of mathematical model. And the synchronous control methods are also discussed.
Chapter five is concentrated on PLC software program of control system, including flow chart, interface design about the touch panel and some program details. Then operation on the spot and data acquisition that is used to compare with simulation are discussed.
In chapter six, some conclusions concerning some existing problems and future work about hydraulic straighterner's control system are made, which are the basis for further research and comprehensive application.
通过对平行多辊矫直机矫直原理的研究，得到了影响矫直性能的关键参数—上辊压下量的计算公式，然后由液压控制系统的工作原理推导了控制系统的数学模型，并在此基础上利用仿真软件MATLAB进行算法仿真。最后利用西门子的PLC来实现整个控制过程，采集实际数据并与仿真进行比较。
第一章主要论述了课题研究的背景、意义及内容。首先通过对材料矫直技术现状、圆锯片加工业发展新趋势和国内外矫直机现状的介绍，提出了本论文研究课题的意义，随后综述了电液伺服控制技术的现状和发展趋势，最后结合实际情况确定了本课题的具体研究内容。
第二章首先介绍了平行多辊矫直机的工作原理，并推导了影响矫直效果的关键参数的数学表达式，并根据工程应用进行简化。接着，介绍了液压矫直机的机构组成，控制系统组成(包括液压控制系统和电气控制系统)，工作原理和控制目标。
第三章首先根据电液伺服系统的基本方程来得到辊缝控制系统的数学模型，接着在稳态工作点附近对其进行线性化处理，然后把时域线性的增量方程进行拉氏变换得到辊缝控制系统的传递函数和控制方块图，最后计算控制系统的一些参数。
第四章首先根据第三章得出的液压系统数学模型，并借助于MATLAB的SIMULINK模块来建立控制系统的计算机仿真模型，接着用常规PID控制策略来对系统进行算法仿真，最后讨论了液压缸之间的同步控制策略。
第五章首先讲述了液压矫直机控制系统的PLC软件编程，包括程序流程图，触摸屏界面设计和一些编程中具体的实现细节。接着是现场调试，进行数据采集，并和计算机仿真结果进行比较。
第六章对液压矫直机电液控制系统进行了总结，指出了系统中还存在的问题，并展望了今后开展的工作，为深入研究和广泛应用打下基础。
Parallel multi-roller straightener is an important equipment in the materials straightening industry. But high-precision straightener with hydraulic position servo-control can hardly be made in china. The most pivotal key of straightener is position control precision, which directly affects products' quality. This research focuses on the position control system and implementing the actual control process with PLC on the basis of theory analysis.
The expression of upper rollers' press amount that is the key parameter in straightening process is acquired by means of researching on the theory of parallel multi-roller straightener. The mathematical model is deduced according to the hydraulic control system theory, and the simulation is made by MATLAB. A SIEMENS PLC is used to control the straightener and acquire data that are used to compare with simulation.
Chapter one is concerned with the background, significance and primary contents of the research. At first, the background is introduced, including the technical actuality of material straightening industry and roller straightener in the world, and the trend of disk saw process. Then the actuality and development of modern electro-hydraulic servo-control are also summarized. At last, the main research contents are presented.
The work theory of parallel multi-roll straightener is first introduced in chapter two, and the key parameter's mathematical expression is acquired and simplified according to engineering application. Then mechanical composing, control system composing (hydraulic and electric control system), work theory and control destination are presented.
In chapter three, the mathematical model is acquired according to the basic equations of electro-hydraulic servo-system and the linear model is established at stable operation. The transfer function and control diagram are obtained by L transform. Last, some parameters concerning control system are computed.
In chapter four, computer simulation with common PID control strategy is made in SIMULINK of MATLAB on the basis of mathematical model. And the synchronous control methods are also discussed.
Chapter five is concentrated on PLC software program of control system, including flow chart, interface design about the touch panel and some program details. Then operation on the spot and data acquisition that is used to compare with simulation are discussed.
In chapter six, some conclusions concerning some existing problems and future work about hydraulic straighterner's control system are made, which are the basis for further research and comprehensive application.
引文
1．崔甫．《矫直原理与矫直机械》．北京：冶金工业出版社，2002年7月
2．崔甫，施东成．矫直机压弯量计算法的探讨．冶金设备，1999年
3．张铁．板带平直度的意义与度量．轻合金加工技术．1997，25(1)
4．[日]高桥，亮一等．热连轧中的板带平直度和断面形状控制．宝钢情报，1990，1
5．张铁．铝板带矫平原理及浮动弯曲辊矫平法应用探讨．轻合金加工技术，1997，25(12)
6．张长丰，熊晓红等．辊式板材轿直机微机控制系统与工艺分析研究．锻压技术，2001，1
7．Eric Theis 著，杨连发译．何时对材料矫平最理想．国外金属加工．2001，3
8．骆涵秀，李世伦，朱捷，陈大军．机电工程．杭州：浙江大学出版社，1994，6
9．王春行．液压伺服控制系统．北京：机械工业出版社，1989，6
10．李运华，史维祥，林廷圻．近代液压伺服系统控制策略的现状与发展．液压与气动，1995
11．陶永华，尹怡新，葛芦生．新型 PID 控制及其应用．北京：机械工业出版社，2000
12．冯冬青，谢宋和．模糊智能控制．北京：化学工业出版社，1998
13．乔俊飞，孙雅明．液压系统中压力的自适应控制．电工技术学报，2000，3
14．关静丽，王占林．位置挠动性施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001，16 (1)
15．阮金生．受随机干扰影响的电液速度控制系统的自适应模型跟随控制．雷达与对抗，1992，1
16．王占林．近代液压控制．北京：机械工业出版社，1997
17．方一鸣，嵇胜龙，卜邵华，王益群．液压伺服驱动位置控制系统的鲁棒性能设计．系统与仿真学报，2002，14(4)
18．李运华，王孙安，林廷娇等．液压伺服系统的非线性控制．机床与液压，1994，1
19．李运华，王孙安，林廷娇等．液压伺服系统的非线性优化设计．机床与液压，1994，5
20．王磊，王为民．模糊控制理论及应用．北京：国防工业出版社，1997
21．章宏甲，黄谊．液压传动．北京：机械工业出版社，1992
22．刘长年．液压伺服系统的分析与设计．北京：科学出版社，1985
23．SIMATIC S7-200 可编程程序控制器——系统手册，2001，9
24．陈德池．传感器及其应用．北京：中国铁道出版社，1993
25．刘金琨．先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真．北京：电子工业出版社，2003，1
26．熊世和．机电系统计算机控制技术．成都：电子科技大学出版社，1993
27．陈斌，付永领，刘庆和等．串联双非对称液压缸同步控制方案分析．液压与气动，1997
28．李新忠，葛思华，何钺．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压．
29．骆涵秀，李世伦，朱捷，陈大军．机电控制．杭州：浙江大学出版社，1993
30．王旭永，蒋晓夏，刘庆和，吴盛林．伺服阀分辨率影响电液位置伺服系统低速性能的研
究．液压与气动，1994，4
31．张汉生．液压同步系统误差的消除及修正．液压与气动，1993，5
32．王宣银，岳继光，刘庆和．高精度伺服油缸的设计及组合密封圈总摩擦阻力计算．组合机床与自动化加工技术，1995，4
33．官忠范．液压传动系统(第三版)．北京：机械工业出版社，1996
34．葛思华，李新忠，李兵，丁崇生．伺服阀前油液压力脉动及其因果研究．机床与液压，1994，3
35．李新忠，葛思华，丁崇生，何钺．新型串联囊式蓄能器对油源压力脉动影响的试验研究．机床与液压，1998，1
36．李新忠，葛思华，何钺．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压．
37．贾志勇，林廷圻．新型克服摩擦力的方法及其在高精度液压伺服系统的应用．机械科学与技术，1999，18 (1)
38．王宣银，岳继光，刘庆和．高精度伺服油缸的设计及组合密封圈总摩擦阻力计算．组合机床与自动化加工技术，1995，4
39．薛定宇，阳泉．基于 MATLAB／Simulink 的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社，2002，4
40．孙中禹．25000kN 液压矫平机现状分析．宽厚板，1999，5(3)
41．马佩玲，马风刚，王裕，勒浩，刘生年，徐速．XIGJPJ 简易矫平机的研究．新疆工学院学报，1994，
42．杨红，剑溪桥，张小伟．鞍钢冷轧厂1700mm拉伸弯曲矫直机．一重技术，2002，2
43．姜晓东，荆留纪，刘新伟，徐宏涛．新型钢轨矫直机．一重技术，2002，2
44．张铁．板带平直度的意义与度量．轻合金加工技术．1997，25(1)
45．任晖，于彩芹，曲非，刘艳东．矫直机压下控制及互为主／从驱动的应用．一重技术，2002，2
46．马克，宋司兵．结构优化技术在矫平机结构设计中的应用．一重技术，1992，12
47．古川高人，狩野久寅，菊地隆也．薄钢板的高精度质量控制技术．国外钢铁，1996，12
48．崔甫，施东成．矫直机压弯量计算法的探讨．冶金设备，1999
49．杨红，刘溪桥，龙武山．拉伸弯曲矫直机的结构设计理论分析．一重技术，2002，3
50．李淑华，李同庆．拉弯矫直理论研究．冶金设备，2002，132(2)
51．梁天才．液压伺服系统及其外干扰补偿法．矿山机械，1994，3
52．何清华，曾益昆．基于模糊PID的液压同步控制．机械与电子，2001，1
53．关静丽，王占林．位置扰动型电液伺服施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001，16
54．陆元章．液压系统的建模与分析．上海：上海交通大学出版社，1989
55．楼顺天，于卫．基于MATLAB系统分析与设计——控制系统．西安：西安电子科技大学
出版社，1999
56. Corbet T, Sepehri N, Lawrence P D. Fuzzy control of a class of hydraulically actuatrial robots. IEEE Trans on Control Systems Technology, 1996, 4
57. Qiso Junfei, Guo Ge, Chai Tianyou, Shao Cheng. A new method of flatness control in cold rolling process. American Control Conference, Pennsylvarea USA, 1998
58. Hashno I, Kawai M, Etal. Obeserver-based multivariable flatness control of the cold rolling mill. 12 Conference IFAC, 1993
59. Visioli A. Fuzzy logic based set-point weight tuning of PID controllers. IEEE Transactions on Systems, Man, & Cybernetics, 1999
60. Ying H. Fuzzy Control and Modeling. Analytical Foundations & Applications. New York: IEEE Pross, 2000
61. TAN G Z, XIAO H F, WANG Y C. Optimal Fuzzy PID Controller with Incomplete Derivation and Its Simulation Research on Application of Intelligent Aritificial Legs. Control Theory And Appliction. 2002, 19(3)
62. MOOSE R L. An adaptive state estimation solution to the maneuvering target problem [J]. ISEE Transtraction on automatic control. 1995, 20(6)
63. Florin Ionescu. Some aspects concerning nonlinear mathematical modeling and behaviour of hydraulic elements and systems. Theory, Methods & Applications, 1997, 30 (3)
64．鞠大文．薄板车间带钢矫直机的设计．沈阳工业大学学报，1998，6
65．黄雨华，徐有忠等．．辊式矫直机的矫直变形理论新探．重型机械，1999，6
66．傅文祖．矫直机辊缝值的计算．上海宝钢工程设计，2001，2
67．李景刚，吴沛容，从提高鲁棒性的角度确定液压位置伺服系统的动态补偿参数．机械工程，1999，11
68．李福尚，魏建华．电液位置伺服系统的复合控制．组合机床与自动化加工技术，1996，7
69．刘凡，陈麟等，电液位置伺服系统的微机 PID控制．上海交大科技，1990，4
70．李新忠，葛思华等．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压，1996，5
71．郭淑娟，张和平．液压位置伺服系统动态品质的计算机仿真分析．中南工业大学学报，1996，6
72．李贻斌，徐国华等．最佳电液位置伺服系统的设计．系统工程与电子技术，1996，10
2．崔甫，施东成．矫直机压弯量计算法的探讨．冶金设备，1999年
3．张铁．板带平直度的意义与度量．轻合金加工技术．1997，25(1)
4．[日]高桥，亮一等．热连轧中的板带平直度和断面形状控制．宝钢情报，1990，1
5．张铁．铝板带矫平原理及浮动弯曲辊矫平法应用探讨．轻合金加工技术，1997，25(12)
6．张长丰，熊晓红等．辊式板材轿直机微机控制系统与工艺分析研究．锻压技术，2001，1
7．Eric Theis 著，杨连发译．何时对材料矫平最理想．国外金属加工．2001，3
8．骆涵秀，李世伦，朱捷，陈大军．机电工程．杭州：浙江大学出版社，1994，6
9．王春行．液压伺服控制系统．北京：机械工业出版社，1989，6
10．李运华，史维祥，林廷圻．近代液压伺服系统控制策略的现状与发展．液压与气动，1995
11．陶永华，尹怡新，葛芦生．新型 PID 控制及其应用．北京：机械工业出版社，2000
12．冯冬青，谢宋和．模糊智能控制．北京：化学工业出版社，1998
13．乔俊飞，孙雅明．液压系统中压力的自适应控制．电工技术学报，2000，3
14．关静丽，王占林．位置挠动性施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001，16 (1)
15．阮金生．受随机干扰影响的电液速度控制系统的自适应模型跟随控制．雷达与对抗，1992，1
16．王占林．近代液压控制．北京：机械工业出版社，1997
17．方一鸣，嵇胜龙，卜邵华，王益群．液压伺服驱动位置控制系统的鲁棒性能设计．系统与仿真学报，2002，14(4)
18．李运华，王孙安，林廷娇等．液压伺服系统的非线性控制．机床与液压，1994，1
19．李运华，王孙安，林廷娇等．液压伺服系统的非线性优化设计．机床与液压，1994，5
20．王磊，王为民．模糊控制理论及应用．北京：国防工业出版社，1997
21．章宏甲，黄谊．液压传动．北京：机械工业出版社，1992
22．刘长年．液压伺服系统的分析与设计．北京：科学出版社，1985
23．SIMATIC S7-200 可编程程序控制器——系统手册，2001，9
24．陈德池．传感器及其应用．北京：中国铁道出版社，1993
25．刘金琨．先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真．北京：电子工业出版社，2003，1
26．熊世和．机电系统计算机控制技术．成都：电子科技大学出版社，1993
27．陈斌，付永领，刘庆和等．串联双非对称液压缸同步控制方案分析．液压与气动，1997
28．李新忠，葛思华，何钺．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压．
29．骆涵秀，李世伦，朱捷，陈大军．机电控制．杭州：浙江大学出版社，1993
30．王旭永，蒋晓夏，刘庆和，吴盛林．伺服阀分辨率影响电液位置伺服系统低速性能的研
究．液压与气动，1994，4
31．张汉生．液压同步系统误差的消除及修正．液压与气动，1993，5
32．王宣银，岳继光，刘庆和．高精度伺服油缸的设计及组合密封圈总摩擦阻力计算．组合机床与自动化加工技术，1995，4
33．官忠范．液压传动系统(第三版)．北京：机械工业出版社，1996
34．葛思华，李新忠，李兵，丁崇生．伺服阀前油液压力脉动及其因果研究．机床与液压，1994，3
35．李新忠，葛思华，丁崇生，何钺．新型串联囊式蓄能器对油源压力脉动影响的试验研究．机床与液压，1998，1
36．李新忠，葛思华，何钺．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压．
37．贾志勇，林廷圻．新型克服摩擦力的方法及其在高精度液压伺服系统的应用．机械科学与技术，1999，18 (1)
38．王宣银，岳继光，刘庆和．高精度伺服油缸的设计及组合密封圈总摩擦阻力计算．组合机床与自动化加工技术，1995，4
39．薛定宇，阳泉．基于 MATLAB／Simulink 的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社，2002，4
40．孙中禹．25000kN 液压矫平机现状分析．宽厚板，1999，5(3)
41．马佩玲，马风刚，王裕，勒浩，刘生年，徐速．XIGJPJ 简易矫平机的研究．新疆工学院学报，1994，
42．杨红，剑溪桥，张小伟．鞍钢冷轧厂1700mm拉伸弯曲矫直机．一重技术，2002，2
43．姜晓东，荆留纪，刘新伟，徐宏涛．新型钢轨矫直机．一重技术，2002，2
44．张铁．板带平直度的意义与度量．轻合金加工技术．1997，25(1)
45．任晖，于彩芹，曲非，刘艳东．矫直机压下控制及互为主／从驱动的应用．一重技术，2002，2
46．马克，宋司兵．结构优化技术在矫平机结构设计中的应用．一重技术，1992，12
47．古川高人，狩野久寅，菊地隆也．薄钢板的高精度质量控制技术．国外钢铁，1996，12
48．崔甫，施东成．矫直机压弯量计算法的探讨．冶金设备，1999
49．杨红，刘溪桥，龙武山．拉伸弯曲矫直机的结构设计理论分析．一重技术，2002，3
50．李淑华，李同庆．拉弯矫直理论研究．冶金设备，2002，132(2)
51．梁天才．液压伺服系统及其外干扰补偿法．矿山机械，1994，3
52．何清华，曾益昆．基于模糊PID的液压同步控制．机械与电子，2001，1
53．关静丽，王占林．位置扰动型电液伺服施力系统的自适应控制．北京机械工业学院学报，2001，16
54．陆元章．液压系统的建模与分析．上海：上海交通大学出版社，1989
55．楼顺天，于卫．基于MATLAB系统分析与设计——控制系统．西安：西安电子科技大学
出版社，1999
56. Corbet T, Sepehri N, Lawrence P D. Fuzzy control of a class of hydraulically actuatrial robots. IEEE Trans on Control Systems Technology, 1996, 4
57. Qiso Junfei, Guo Ge, Chai Tianyou, Shao Cheng. A new method of flatness control in cold rolling process. American Control Conference, Pennsylvarea USA, 1998
58. Hashno I, Kawai M, Etal. Obeserver-based multivariable flatness control of the cold rolling mill. 12 Conference IFAC, 1993
59. Visioli A. Fuzzy logic based set-point weight tuning of PID controllers. IEEE Transactions on Systems, Man, & Cybernetics, 1999
60. Ying H. Fuzzy Control and Modeling. Analytical Foundations & Applications. New York: IEEE Pross, 2000
61. TAN G Z, XIAO H F, WANG Y C. Optimal Fuzzy PID Controller with Incomplete Derivation and Its Simulation Research on Application of Intelligent Aritificial Legs. Control Theory And Appliction. 2002, 19(3)
62. MOOSE R L. An adaptive state estimation solution to the maneuvering target problem [J]. ISEE Transtraction on automatic control. 1995, 20(6)
63. Florin Ionescu. Some aspects concerning nonlinear mathematical modeling and behaviour of hydraulic elements and systems. Theory, Methods & Applications, 1997, 30 (3)
64．鞠大文．薄板车间带钢矫直机的设计．沈阳工业大学学报，1998，6
65．黄雨华，徐有忠等．．辊式矫直机的矫直变形理论新探．重型机械，1999，6
66．傅文祖．矫直机辊缝值的计算．上海宝钢工程设计，2001，2
67．李景刚，吴沛容，从提高鲁棒性的角度确定液压位置伺服系统的动态补偿参数．机械工程，1999，11
68．李福尚，魏建华．电液位置伺服系统的复合控制．组合机床与自动化加工技术，1996，7
69．刘凡，陈麟等，电液位置伺服系统的微机 PID控制．上海交大科技，1990，4
70．李新忠，葛思华等．电液位置伺服系统精度误差估计与工程处理．机床与液压，1996，5
71．郭淑娟，张和平．液压位置伺服系统动态品质的计算机仿真分析．中南工业大学学报，1996，6
72．李贻斌，徐国华等．最佳电液位置伺服系统的设计．系统工程与电子技术，1996，10