（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊自适应pid控制器的开卷张力控制系统研究.pdf

111 l i l llli lli i l lii l li i i i 18 4 3 8 31 at h e s i sf o r t h e d e g r e e o fm a s t e ri nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o l 1 t m g i n e e n n g t h er e s e a r c ho ft e n s i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mo f d e c o i l e rba s e do nt h e f u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r b yw a n g l u l u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o r w a n gc h a o l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 r 、 j i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：1 移吝铭套 签字日期： 沪扩7 ，5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年呼 一年口一年半口两年口 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：可j 觥导师签名： 签字日期：铀7 客 签字日期： ，l口1 - 1 ， 盖 。，j，i_ 东北大学硕士学位论文摘要 基于模糊自适应p i d 控制器的开卷机张力控制系统的研究 摘要 张力控制的好坏在开卷和卷取过程中具有十分重要的意义，本文结合宝钢2 0 5 0 热轧 精整横切线改造项目，得出张力控制的效果将是提高产品的合格率，改善产品品质的关 键措施，开卷段自动控制的主要任务就是带钢的恒张力控制，它是丌卷段控制的核心部 分，本文选定丌卷机张力控制系统为本课题主要的研究对象。 本文首先介绍了系统的硬件设备，介绍了硬件之间的通讯和控制方式。然后分析了 影响张力计算精度的两个重要因素卷径和惯性力矩的计算方法。其次，分析了开卷 机张力控制系统，结合开卷张力控制系统参数时变的变化规律，研究探讨了模糊自适应 p i d 控制算法在张力控制系统中的应用，分别介绍了张力产生的原理及典型p i d 控制算法 和模糊控制的基本理论知识，通过将两者的优点结合，提出将模糊自适应p i d 控制策略 引入到带钢间接张力控制中，以m a t l a b 为工具，对模糊自适应p i d 张力控制系统进行 了仿真分析。 仿真结果证实了用模糊自适应p i d 控制系统代替原有的常规p i d 控制的恒线速度张 力控制系统的有效性和可行性，较好地消除了系统参数变化对系统性能产生的影响。 二 关键词：开卷机；张力控制：卷径计算；惯性力矩；模糊自适应 - 芒 一i i 二 ， l 。 i - ， r ， p 、 - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft e n s i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mo f d e c o i l e rb a s e do nt h ef u z z y a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r a b s t r a c t i t sv e r yi m p o r t a n to ft h et e n s i o nq u a l i t yd u r i n gt h ew i n d i n ga n du n w i n d i n g t h i sp a p e r i d e r i v e sf r o mt h ep r o j e c t “b a o s t e e l2 0 5 0h o tr o l l i n gs l i t t e rl i n er e n o v a t i o np r o j e c t ”o b t a i n i n g t h ee f f e c to ft e n s i o nc o n t r o li sc r u c i a li n i n c r e a s i n gp e r s e n to fp a s sa n di m p r o v i n gt h e p r o d u c tq u a l i t y t h em a i nm i s s i o no fa u t o m a t i cc o n t r o li nd e c o i l i n gp r o c e s si st ok e e pt h e c o n s t a n tt e n s i o no fb a n ds t e e l ，w h i c hi sc r i t i c a l i nd e c o i l i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 t h ep a p e r s e l e c t st h ed e c o i l e rc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma si t sm a i ns t u d yo b j e c t f i r s t l y , h a r d w a r ee q u i p m e n t st h a tn e e dt ob er e n o v a t e di nt h ec o n t r o ls y s t e ma l e i n t r o d u c e d ，a l o n gw i t ht h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm o d eb e t w e e nh a r d w a r e t h e c o m p u t i n gm e t h o d so ft w oi m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c ec o m p u t i n gp r e c i s i o no ft e n s i o n a r ea n a l y s e d - - c o i ld i a m e t e rc a l c u l a t i n ga n di n e r t i am o m e n t s e c o n d l y , d e c o i l e rt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m i se x p l a i n e d f u r t h e r m o r e ，w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ea d a p t i v ec o n t r o l t h e o r y ，c o m b i n e dw i t ht h et i m e - v a r y i n gp a r a m e t e rr u l e s ，af u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l a l g o r i t h mi sd e t a i l e d l ya n a l y z e da n da p p l i e dt ow i n d i n gt e n s i o ns y s t e m i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l eo ft h et e n s i o ne n g e n d e r i n g , t h ee l e m e n t a r yt h e o r yk n o w l e d g eo ft y p i c a lp i d c o n t r o la l g o r i t h ma n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so f t h e m ，p o i n t so u t t oi m p o r tt h ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi n t ot h et e n s i o nc o n t r o lo ft h es t e e ls t r i p ，w i t h t h eh e l po fm a t i a b ，t h em o d e lo ft h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e d t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h et e n s i o np r e c i s i o no ft h ef u z z ya d a p t i v e p i dc o n t r o l s y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a ls y s t e m t h ei n f l u e n c eb yt h e t i m e - v a r y i n gp a r a m e t e ro ns y s t e mi se l i m i n a t e ds o u n d l y k e y w o r d s ：d e c o i l e r , t e n s i o nc o n t r o l ；c o i ld i a m e t e rc a l c u l a t i n g ；i n e r t i am o m e n t ；f u z z y a d a p t i v e l i i 一 rl j 0 -，r，i _ i _ 一 芒 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i l a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 张力控制简介_ 1 1 2 张力控制的发展历史1 1 3 基于恒线速度的张力控制系统介绍3 1 4 本文课题背景与主要任务3 第2 章开卷机张力控制系统分析5 2 1 工艺流程及控制方案概述5 2 1 12 0 5 0 生产工艺介绍5 2 1 22 0 5 0 薄板纵切机组控制方案。6 2 2 开卷部分系统构成6 2 3 系统硬件设计。8 2 3 1p l c 主站8 2 3 2p r o f i b u s d p 总线系统8 2 3 3 西门子直流控制器6 r a 7 0 。9 2 3 4 分布式i 0 从站一1 2 2 3 5 通讯模块c b p 2 。1 2 2 3 6 人机界面1 2 2 4 恒张力控制在开卷机上的实现1 3 2 5 硬件之间的通讯。1 6 2 66 r a 7 0 的控制方式1 7 2 7t 4 0 0 介绍及功能分析1 8 2 7 1t 4 0 0 工艺板介绍1 8 2 7 2 工艺板t 4 0 0 的现场应用1 9 第3 章开卷机惯性力矩及卷径计算方法研究2 3 3 1 开卷机的惯性力矩研究的意义。2 3 3 2 卷筒电机负载力矩分析2 3 一一 东北大学硕士学位论文目录 3 3 卷筒轴惯性力矩分析2 4 3 3 1 转动惯量及其变化率2 4 3 3 2 角速度及其变化率2 5 3 3 3 卷径及其变化率2 5 3 3 4 卷筒上的惯性力矩2 5 3 3 5 热轧厂开卷机惯性力矩补偿曲线2 6 3 3 6 考虑打滑等异常情况下惯性力矩的计算2 7 3 4 卷径计算方法分析2 8 3 4 1 计数法计算钢卷直径2 9 3 4 2 流量相等法计算钢卷直径2 9 3 4 3 计算卷径修j 下值3 1 3 4 4 钢卷直径实时数值的输出3 2 3 5 减小卷径计算偏差的基本思想和方法3 4 3 5 1 原有卷径计算方法分析3 4 3 5 2 卷径变化量限制与变化方向限制。3 4 3 5 3 开卷卷径的计算3 5 3 6 本章小结3 7 第4 章开卷机张力控制方法研究3 9 4 1 张力的产生3 9 4 2 开卷恒张力控制系统的模型4 0 4 3 基于常规p i d 控制的调节器参数整定4 1 4 3 1 电流调节器的参数整定4 2 4 3 2 转速调节器的参数整定4 4 4 4 系统仿真4 6 4 5 模糊自适应p i d 控制器及其算法研究。5 1 4 5 1 模糊自适应p i d 控制器的结构5 1 4 5 2 模糊自适应p i d 控制器的原理5 2 4 6 模糊自适应p i d 控制器的设计5 2 4 6 1 模糊器控制的设计5 2 4 6 2 模糊自适应p i d 控制器的结构选择。5 2 4 6 3 带钢张力输入输出论域和语言变量的选择及其隶属度函数5 3 4 6 4 建立带钢矫直张力p i d 模糊调整模型5 6 4 6 5 量化因子和比例因子的选择5 9 4 7 带钢张力p i d 及模糊自适应p i d 仿真模型5 9 4 8 仿真结果与分析6 1 一v r ，r _ ， t 。 j k 东北大学硕士学位论文 目录 4 9 本章小结6 3 第5 章总结与展望6 5 参考文献6 7 致谢7 1 一v l _ - _ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 张力控制简介 张力控制系统是现代工业中广泛应用的控制系统之一。所谓张力控制，是指在一般 的造纸、冶金等卷材控制及生产设备中，在生产时对材料的张紧度进行控制，过大的张 力会导致材料的变形、甚至断裂，过小的张力又会因为松弛导致跑偏；张力控制不稳也 会造成切断长度不稳定等现象。工业实际生产过程中的张力控制是一个大时变、非线性 的系统，具有变参数、变负载、强扰动等一系列特点。本文以带钢丌卷时的张力控制为 研究对象，在带钢的生产过程中，开卷作为生产工艺中的第一道工序间接影响着带钢产 品的质量。 自从上个世纪二十年代第一卷热轧钢卷在a r m c ob u t l e r 热轧厂生产出，金属带钢的 生产就出现了新的领域。然而在随后的几十年里，人们对板带的卷取技术似乎一直不太 关注。直到客户对钢材的外观质量与表面质量提出更高的要求时，卷取技术才纳入工程 师们的研究范围。在历史上，由于卷取技术的原因，曾出现过高达1 0 的次品率。为了 解决卷取技术中的难题，各个国家都花费了大量的人力、物力、财力进行技术研究及技 术改造。 然而，开卷过程中造成次品的原因一般都不能很好的得到解释，原因就是人们缺少 直接检测和分析的手段，人们现在唯一能进行的就是对开卷过程中的张力进行控制。我 们都知道，一张纸如果没有绷紧，是没有办法卷紧的；如果张力不恰当，纸卷的边缘 将不齐，纸卷就会有的紧有的松散；张力过大，纸张就很容易被拉断。在冶金行业中， 对带钢的卷取，也具有相同的问题，并且有其特殊性：在对带钢进行卷取时，如果张 力过小，钢卷会在自身重量下松散，钢卷在散开过程中由于相对滑动，会在钢板表面 产生划痕，影响钢材的表面质量，严重的造成带钢跑偏、塌卷等现象；如果张力过大， 在钢材卷取过程中，会使钢卷内卷产生滑动，由于滑动造成表面划痕，也会影响了钢 材表面质量，更重要的是，由于张力过大，会造成钢卷内部应力过大，致使钢卷的内 孔内陷或者整个内层卷突出，降低整个钢卷的等级，更为严重的造成变形甚至断带。 为了提高钢卷的成材率，根据不同的加工工艺( 平整、酸洗、涂层等) 及被卷取的物料 的特性，我们应该设置相应的张力，然后在开卷过程中，保持该张力值恒定，才能得 到好的产品。总之，恒张力控制是开卷和卷取技术的关键1 1 1 2 il 。 1 2 张力控制的发展历史 恒张力控制一般分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制就是利用有些电机的本 一】 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 身所具有的与卷绕特性相似的软机械特性，直接用这类电机来传动卷绕机构，以获取近 似的恒张力控制；闭环控制又分为直接张力控制、间接张力控制和复合张力控制三种方 式：直接张力控制是一种最直接、最有效的控制方式之一，直接张力控制方式中，设置 有张力检测元件、张力辊和张力控制环，利用张力检测元件的检测信号与给定张力值比 较，经张力控制环后去驱动执行机构，控制张力辊的位置，达到控制张力的目的，这种 张力控制方式优点是张力控制精度高，从理论上可以实现零误差控制；缺点是控制精度依 赖于张力检测元件的精度，如果，现场环境比较恶劣，如酸雾对检测元件的腐蚀，就可 能导致张力控制失效。间接张力控制系统中没有张力检测元件，对张力的控制是通过对 卷取机构的物理方程进行静态、动态分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，对这 些物理量进行控制，从而达到恒张力控制的目的。根据不同的物理量采用不同的方法， 一般有电流反馈、电枢反电势反馈、卷径反馈等。由于间接张力控制涉及多个参数的控 制，一般需采用多闭环的控制方式来实现。这种恒张力控制方式的优点是减少了张力辊 及相应的检测元件，降低了系统成本，缺点是控制方式更为复杂，控制精度相对地比直 接张力控制方式的低，并且完全依赖于控制器的精度。复合恒张力控制方式是在间接张 力控制方式的基础上，再增加一个张力闭环，形成一个三环控制系统，该控制方式优点 是不仅具有直接张力控制的精度，还具有间接张力控制方式的快速性能和跟随性能，缺 点是投资成本大，控制方式更为复杂1 5 j 。 在实际中，应用最为广泛的是间接张力控制方式，其控制精度完全取决于控制器。 在上世纪八十年代以前，控制系统一般以模拟器件为主，系统的精度一般都不高。进 入九十年代后，随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、检测技术的发展， 专用张力控制设备( 器件) 有了飞速的发展，张力控制的精确度也得以不断提高。传统 的张力控制主要采用常规的p i d 控制，p i d 控制是基于偏差的比例、积分和微分的集 成式控制方法，具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广，可以改善系统的动 态特性和稳态特性等优点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广 泛的作为控制器应用于张力控制系统中。我们在进行p i d 控制器的参数整定时，一般 认为被控制对象的参数是恒定不变的，即假设系统是一个时不变系统，通过对转动惯 量的补偿和卷径的扰动补偿，实现恒张力控制。其实，我们在进行惯量补偿计算时就 知道，随着带钢被卷绕在卷筒上，卷筒的转动惯量是在不断的增大的。同时由于张力 控制系统中速度和张力是交叉耦合的，并且是多输入多输出的非线性系统，而采用常 规p i d 控制理论进行张力系统设计，控制器的参数一般是按照卷筒空卷时进行整定的， 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在实际运行时调节器参数并不能随着系统的参数改变而改变，对系统模型的精确性依赖 较强，所以原控制器设计的指标往往是达不到的。 随着人们对产品质量要求的提高，常规p i d 控制很难获得满意的控制效果，人们也 在不断的寻找新的控制方法，因此有人提出了模糊自适应控制的方法。 1 3 基于恒线速度的张力控制系统介绍 按照直流调速系统的经典控制理论，为了获得硬的静特性，直流调速控制系统均设 有速度负反馈环节，同时，为了限制电流冲击，调速控制系统还设有电流负反馈环节， 并在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，速度调节器与电流调节器之间采用 串级联接，即以速度调节器的输出作为电流调节器的输入，用电流调节器的输出作为可 控硅脉冲触发的控制电压u k ，在闭环反馈的结构上，电流调节环在里面，是内环；速 度调节环在外面，是外环，从而形成速度、电流双闭环直流调速系统。具体实现后面章 节将作较为详细的论述。 1 4 本文课题背景与主要任务 2 0 5 0 热轧精整薄板线，其主要电气设备装置由原德国a e g 公司提供，其中：直流 传动部分采用m i n i s e m i 装置和l o g i d y n 逻辑控制，属模拟直流传动。p l c 部分则采 用a e g c p 8 0 - - - a 8 0 0 a 8 8 0 型过程p l c ( 其c p u 为8 0 8 5 a , 6 4k r a m ) ，主要用于设备 连锁和过程控制，总体技术水平属八十年代初期、中期的世界钢铁技术水准。 随着安装年份的增加，设备老化日益严重，而市场的要求越来越苛刻也使设备固有 的控制精度等方面的不足也逐一暴露，主要表现在：直流传动方面：( 1 ) 分立元件多，故 障点分散，系统调整及故障查找困难；( 2 ) 控制精度低、跟随性差，易零漂，各系统响应 时间不同步，电压测速反馈偏差大；( 3 ) 系统稳定性差，负载分配异常，导致易烧快熔乃 至s c r 烧毁；( 4 ) 鉴于主流备件供应商a e g 已经倒闭，备件购买有一定的困难，虽a e g 有继承者，但大多数备件购买仍棘手，尤其是部分m e 开关、卷径模拟计算板等备件确 已停产，备件采购困难较大。而在p l c 方面：c p 8 0 a 8 0 0 a 8 8 0 为采用8 0 8 5 a 为c p u 的早期工业用p l c ，系统对用户程序的处理反应速度慢，不具备网络功能，p l c 与p l c 之间的数据交换、p l c 与传动控制系统的数据交换都需要大量i o 点和继电器摆渡，结 构比较复杂，为此热轧提出了三电改造。 本课题结合本热轧精整生产线改造优化，以宝钢热轧厂精整生产线的开卷段为研究 对象，利用在线检测等手段获得针对不同生产条件下各主要设备的运行参数，找出系统 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 运行故障的主要原因，对关键设备进行改造极限理论计算。然后确定了热轧线切线的研 制方案。得出以现有的设备为基础，融合先进的控制理论，将系统优化成一套自动化水 平高、高效率、低损耗的剪切生产线的可行性方案。 本文具体的工作内容如下： ( 1 ) 介绍热轧精整生产线的工艺技术和总体控制方案，然后介绍了系统的硬件设计及硬件 之间的通讯和控制方式 ( 2 ) 在分析宝钢热轧厂入口段张力控制系统的基础上，指出了原有系统中钢卷直径计算出 现偏差的原因，并提出了减少钢卷直径计算偏差的方法，提高了张力计算的精度； ( 3 ) 分析惯性力矩产生的原因及原系统补偿的方法和不足，提出新的惯性力矩补偿计算方 法，并利用m a t l a b 进行了仿真比较，推导出系统异常运行状况下惯性力矩补偿的计算 方法，进一步提高了张力计算的精度； ( 4 ) 基于前几章的机理分析，进一步建立了开卷电动机的数学模型，由此得到开卷间接恒 张力控制系统的整体数学模型。介绍传统p i d 及模糊自适应p i d 控制原理，分析在开卷系 统中使用恒张力控制的必要性和基于模糊自适应p i d 的可行性；结合现场采集的数据选 取辅助变量，建立基于模糊自适应的恒张力张力模型对张力值进行辨识，以实现张力值 的实时测量。仿真结果证实了用模糊自适应p i d 控制系统代替原有的常规p i d 控制的恒线 速度张力控制系统的有效性和可行性，较好地消除了系统参数变化对系统性能产生的影 响。 本论文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章简要地介绍当今张力控制的现状和发展，然后介绍了开卷机结构，并在此 基础上提出本课题的主要研究内容和意义。 第二章介绍热轧精整生产线的工艺技术和总体控制方案，然后介绍了系统的硬件 设计及硬件之间的通讯和控制方式。 第三章首先讨论了“惯性力矩产生的原因及原系统对其进行补偿时存在的问题， 全面地分析了惯性力矩产生的原理，推导出惯性力矩的理论表达式，利用m a t l a b 对其 进行仿真并与原方法进行了比较；并进一步修正系统异常运行状态下对惯性力矩补偿计 算的方法。然后分析另外原系统中钢卷瞬时直径的计算原理及其存在的问题，并提出减 少钢卷直径计算偏差的方法及在系统出现异常情况时如何修正钢卷直径的计算值。 第四章首先建立控制系统主要环节的数学模型，进而搭建开卷间接恒张力控制系 统的整体数学模型，然后着重建立基于模糊自适应p i d 控制的恒张力控制来实时估计张 力的数值，并运用m a t l a b 对模型进行了仿真研究。 第五章对本论文主要研究的成果进行了总结，并提出了需要进一步完善的内容。 4 _ ，、 _ j 。 东北大学硕士学位论文第2 章开卷机张力控制系统分析 第2 章开卷机张力控制系统分析 2 1 工艺流程及控制方案概述 2 1 12 0 5 0 生产工艺介绍 宝钢热轧2 0 5 0 精整纵切线通过2 0 0 3 年的电气部分三电系统改造，采用西门子公司 的s i m o r e g6 r a 7 0 系列全数字直流传动装置取代了原来所有的2 6 套a e g 公司 m i n i s e m i 模拟直流传动系统，控制系统也采用了西门子的s 7 4 0 0 取代了原有的 a e g c p 8 0 一a 8 0 0 旷a 8 8 0 型过程p l c 。改造后机组主要设备的布置情况如图2 1 所示。 机组主要由开卷机、1 舞夹送辊、矫直机、2 撑夹送辊、纵剪机、碎边剪、活套、张力辊组、 3 群夹送辊和卷取机等设备组成。 生产工艺有纵切分条、分卷、取样、修理重卷四种模式，整个产线为连续开卷和卷 取。纵切分条工艺通过活套将机组分为二个工序，前段为开卷一矫直一纵切分条工序， 后段为将纵切分条带钢卷取和打包工序。其他生产工艺活套不起作用。 鼍算j 。 1 “+1 i ”7 “f 。、。 。：7。t | p 。一 ”， 。一1。坩 。i 7 “。加 j i 早镶 开一五一二纵 卷号辊号号切 机夹矫横夹圆 送直切送盘 辊剪辊剪 活 套 夕 扩 矿 ，矿 号 夹 送 辊 ，7 。夕夕 矿矿穸矿 张 力 辊 组 号 横 切 剪 引 导 夹 送 辊 卷 取 机 图2 1 热轧薄板机组主要设备布置图 f i g2 1l a y o u t o fm a i nu n i t si nh m l i g h ta c r o s s - c u t t i n gf i n i s h i n gl i n e 精整纵切线上系统的硬件设备均采用先进、成熟的具有高信誉度的产品；软件功能 设计不仅满足生产工艺的要求，还突出了人机交流，具有非常友好的人机界面，特别是 高效的故障诊断和监控系统，能使工作人员在出现故障后能及时做出判断，保证系统以 最快的速度恢复正常运行；整条生产线可以完成自动设定、自动运转、自动称量等功能。 爹爹 矿矿 爹爹 秒 驴妙 东北大学硕士学位论文第2 章开卷机张力控制系统分析 2 1 22 0 5 0 薄板纵切机组控制方案 2 0 5 0 热轧精整薄板纵切机组电气控制系统改造采用了德国西门子公司s 7 4 0 0p l c 系统吲，系统的上层工业以太网是采用星形网络拓扑结构的工业以太网形式，通过 t c p i p 协议通讯，传输速率为1 0 0 m b p s 。 通过上层星形工业以太网与交换机相连的s 7 4 0 0p l c 共有4 台，每台s 7 4 0 0p l c 的c p 4 4 3 1 通讯端口通过工业以太网与交换机相连。 p l c 至现场的现场总线则采用p r o f i b u s d p 总线。下层的p r o f i b u s d p 现场 总线主要用于s 7 4 0 0 p l c 与6 r a 7 0 直流传动装置、现场的远程i oe t 2 0 0 ，交流传动 装置等设备的网络通讯。 为了达到快速响应控制的目的，飞剪的6 r a 7 0 直流传动装置被单独的d p 网直接 连接在快速处理器f m 4 5 8 的扩展通讯模板e x m 4 4 8 的现场总线接口上，以获得最快的 响应速度。 正确理解各个工位的动作顺序，是正确编写p l c 程序的前提。下面对本课题研究 的开卷段的几个工位的顺序控制做一个简单的介绍。如图2 2 ： 图2 2 开卷顺序控制 f i 9 2 2s e q u e n t i a lc o n t r o lo fe n c o i l i n g 2 2 开卷部分系统构成 系统的硬件构成主要包含控制设备和传动设备，控制设备的核心是可编程控制器， 以及相应的上位机( 工控机) 等，传动设备主要是相应的调速装置和传动电机。系统详细 的配置图见图2 3 。开卷机功能：上料开卷，形成后张力控制，利于轧制和矫直，与深 弯辊配套消除折痕。 在纵切机组的三电改造中，开卷机的间接张力控制就是采用西门子d c - m a s t e r 6 r a 7 0 加t 4 0 0 张力工艺板来配合p l c 实现的。具体实现是，p l c 通过p r o f i - b u sd p 总线与t 4 0 0 及d cm a s t e r 通讯解决工艺连锁及发送主给定、张立给定值，i x 2 m a s t e r 作为开卷电机的控制器实现双闭环静态无差控制，t 4 0 0 开卷工艺模板实现卷 东北大学硕士学位论文 第2 章开卷机张力控制系统分析 径计算和张力控制。 矫直机1 2 0 1 2 0 k w 1 0 0 0 1 8 0 0 r p m 夹送辊 图2 3 入口侧系统配置图 f i g2 3c o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e m 机组带钢原料的主要材质为含c h ，则钢材将被拉伸，钢带的张力变大；如果吃 h ，以使带钢产生一定的张力，当 卷材达到合适张力后，应及时调节动力机构使u 稳定，这样带材就在此张力下稳定运行。 4 2 开卷恒张力控制系统的模型 首先，直流电机模型为： 屯局+ 日一u( 4 3 ) 日= q , t , n( 4 4 ) 乏i i 中 ( 4 5 ) 互一互一等百d n ( 4 6 ) 互为电动机的电磁转矩；互为电动机轴上的负载静转矩。 根据上述公式，我们可以画出直流电机的数学模型为： 东北大学硕士学位论文第4 章开卷机张力控制方法研究 _ 互厂 n 一孓，) - 篆 + 一7 ”“。 图4 2 电机模犁 f g4 2m o d e lo ft h em o t o r 整流环节包括晶闸管触发和整流装置，在工程实际中，可近似为一个一阶惯性环节， 它的传递函数为： 娑。墨 ( 4 7 ) 虬o )五s + 1 、7 电流调节器采用的是p i 调节器，其传递函数可以写成： 呒积o ) ；c , 型 s 由以上公式，我们可以得出系统结构图为： 图4 3 系统结构图 f i g4 3c o n s t r u c t i o nd r a w i n go ft h es y s t e m 4 3 基于常规p i d 控制的调节器参数整定 ( 4 8 ) 从前面分析可知，在开卷系统中，为了保证张力恒定，系统中有两个控制器，一个 是电流控制器，电流控制器的作用是在卷径减小时，通过动态补偿惯性力矩电流，完成 系统的动态补偿，保证张力恒定；另一个是转速控制器，其作用是控制开卷电机的u ， 使v 2 一恒定，保证开卷张力的恒定。 在对两个调节器的参数整定过程中，我们是假定系统的参数是不变的，按照空卷时 的状态设计开卷机速度控制系统，由于传统的p 1 d 控制有控制规律简单，运行可靠，容 易实现等优点，在开卷张力控制中，我们对控制器的设计也是按照p i d 控制方式来实现。 4 1 东北大学硕士学位论文 第4 章开卷机张力控制方法研究 4 3 1 电流调节器的参数整定 开卷机为直流电机，由于实际系统中的电磁时间常数正一般都远小于机电时间常 数l ，因而电流的调节过程往往比转速的变化快得多，也就是说，电流的调节过程比反 电动势的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流 调节器的调节过程中可以近似地认为e 基本不变，即a e 一0 。这样，在设计电流环时， 可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，当满足： 幻去 式中： 电流环的截止频率； 可以得到忽略电动势影响地电流环近似结构图，如图4 4 所示。 其中，整流环节包括晶闸管触发和整流装置，在工程实际中，可近似为一个一阶惯 性环节，它的传递函数为： 式中： k ，整流环节放大倍数； 互晶闸管最大失控时间； 熙：嘉 ( 4 1 0 ) u 。o ) 郅+ 1 、 图4 4 电流环近似结构图 f i g4 4a p p r o x i m a t es t r u c t u r a ld r a w i n go fe l e c t r i cc u r r e n tl o o p 再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效移到环内。t 和瓦一般都l tt , 小得多，当 满足下面的条件时，可以当作小惯性环节处理。 4 2 奎! ! 查茎塑主兰堡垒查 一 第4 章开卷机张力控制方法研究 。一一一一 ：= ：= 1 si j 取毛一l + 瓦，则电流环结构图最终简化成如图4 5 所示。 ( 4 1 1 ) 图4 5 电流环最终结构图 f i g4 5f i n a l l ys t r u c t u r a ld r a w i n go fe l e c t r i cc u r r e n tl o o p 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加 控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正 成典型i 型系统。 图4 6 表明，电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型i 型系统，显然应该 采用p i 调节器，其传递函数可以写成： 形蚀( s ) = k 型 ( 4 1 2 ) t s 式中： k 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择 毛= 互 ( 4 1 3 ) 则电流环的动态结构图便成为图4 6 所示的典型形式， 式中： k ，。笙：竺：壁 - 4 3 东北大学硕士学位论文 第4 章开卷机张力控制方法研究 。o ) 图4 6 电流环动态结构图 f i 9 4 6d y n a m i c s t r u c t u r a ld r a w i n go fe l e c t r i cc u r r e n tl o o p 电流调节器的参数包括q 和气。时间常数t 己经选定为互。比例系数k 取决于所需 的和动态性能指标。在一般情况下，希望超调量盯s5 时，可取阻尼比亭= 0 7 0 7 ， k , r z l = o 5n i l ：a ：, = 2 焉，从而可以得到： k 一最- o 5 南 柳 根据上式，电流调节器的参数基本选定。 4 3 2 转速调节器的参数整定 在整定转速调节器的参数时，应先求出电流环节的等效传递函数，把电流环看作是 转速调节系统的一个环节。根据图4 7 ，其闭环传递函数为： 吲d 。末2 4 - 1 5 二进口兰- l 1 k tk t 转速环的截止频率一般比电流环的截止频率低得多，故把电流环等效为一个一 阶惯性环节，若按照芋= o 7 0 7 ，q 氏。- o 5 选择参数，则： ( s ) 。矗 ( 4 1 6 ) 由于图4 4 中的输入信号是u 。o ) ，因而上面求出来的电流闭环传递函数为 哪) 一揣 ( 4 1 7 ) 接在转速环内，其输入信号应该是u + ；，因此电流环的等效环节应改为： 4 4 东北大学硕士学位论文第4 章开卷机张力控制方法研究 婴。型。j 生( 4 1 8 ) 一一一 - _ i n - u j ( s )卢2 b i 5 + 1 、7 电流环闭环后，整个电流坏等效为一个无阻尼自然振荡周期为2 瓦，的二阶振荡环 节，或者近似为只有小时间常数2 瓦；的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了 控制对象，加快了电流的跟随作用。 用电流环的等效环节代替图4 7 中的电流闭环后，并将给定滤波和反馈滤波环节等 效地移到环内，同时将给定信号改为u 。( s ) a ；当满足 1 s = j ( 4 1 9 ) 把时间常数乙和2 廷j 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时问常数为毛。的惯 性环节，且： 毛。一乙+ 2 r z ； ( 4 2 0 ) 则转速环结构图可简化成图4 7 。 图4 7 转速环简化结构图 f i g4 7r e d u c e d s t r u c t u r a ld r a w i n go f r o t a t i n gs p e e dl o o p 为了保持张力恒定，传动电机转速应尽可能地跟随给定转速u ，即系统应无静差， 转速环就应该被校正为典型的i i 型系统，并且i l 型系统有很强的抗干扰性能，能较好地 满足张力控制系统的要求。 由图4 7 可以看出，要把转速环校正成典型i i 型系统，a s r 也应该采用p l 调节器， 其传递函数为： o ) ：k r s + 1 ( 4 2 1 ) i 5 式中： 疋一转速调节器的比例系数 l 一转速调节器的超前时间常数。 4 5 东北大学硕士学位论文 第4 章开卷机张力控制方法研究 按照典型1 1 型系统的参数选择方法，有。 乇。， 则，取h = 5 ，此时，有转速环的开环增益： k - 丽k n a i r 按跟随和抗干扰性能都较好的原 ( 4 2 2 ) 又由公式k 2 罨2 h 。t 可得转速调节器的比例系数为： k l 絮警 一2 3 ， 由上式可