（控制理论与控制工程专业论文）热轧精整纵切线系统优化及纵切张力控制研究.pdf

at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g s y s t e mo p t i m i z a t i o no fh o t r o l l i n gf i n i s h i n gs l i t t e rl i n e a n dr e s e a r c ho ns l i t t e rt e n s i o nc o n t r o l b yy uy i n g y i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw 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 n e2 0 0 8 55m 3 -4舢8 m舢y 障、r lilliilliiiil 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，不包含其他人己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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 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： 半年口年口一年半口 学位论文作者签名：二至豫 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日期： i ， 东北大学硕士学位论文摘要 热轧精整纵切线系统优化及纵切张力控制研究 摘要 某钢厂热轧精整线是八十年代末从德国引进的热轧精整线，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逐 一暴露。为了适应现代化生产，对纵切线的改造刻不容缓。 本文以该热轧精整纵切线为背景，在对纵切线关键设备进行分析研究的基础上，改 造和优化系统。首先，通过改变夹送辊的控制模式，采用速度匹配、软化对张力控制系 统进行优化，以使其达到生产要求。其次，对张力的产生机理进行了分析，建立了张力 模型。并对张力控制过程中的速度不同步现象进行研究。通过对6 r a 7 0 速度控制环节的 精调和动态速度响应的参数优化，充分发挥和提高全数字直流传动系统在速度控制精度 和运行稳定性方面的优势，提高系统的传动控制精度，最后不但解决了速度不同步问题， 而且大幅度降低直流传动系统的设备故障时间。 为了保证产品质量和生产过程的稳定。精整工艺要求矫直机与圆盘剪之间应保持稳 定的纵切张力。张力系统是一个非线性、时变的过程。通过对张力控制系统的控制算法 进行研究，提出了将模糊参数自整定p i d 控制算法应用到张力控制系统中。模糊参数自 整定p i d 控制是智能控制的一种，其最大的优点是不依赖于被控对象的精确数学模型， 对调节对象的模型参数变化具有较强的鲁棒性。传统的p i d 参数整定多依赖于人工经验 和具体的对象模型，另外，即使p i d 参数调整的很好，当控制对象参数变化后，系统的 性能必然也会受到影响，不能很好的实现对系统的控制。控制算法采用“自调整规则 ， 利用模糊p i d 控制对系统参数变化的自动调节性来提高系统的控制性能，并根据控制系 统的性能来在线整定比例因子。使其获取最佳的数值，从而使系统的性能达到系统的要 求。 最后，利用m a t l a b 软件对纵切张力控制系统的模糊自整定p i d 算法进行了仿真 研究，仿真结果表明在常规p i d 控制器中加入模糊参数自整定后，系统的控制性能得到 了很大的改善，使张力控制系统达到静差率小、波动率小的较理想的控制目标。 关键词：纵切线：速度软化；张力；模糊自整定p i d ；m a t l a b 仿真 ji j 1 1 s y s t e mo p t i m i z a t i o no fh o tr o l l i n gf i n i s h i n gs l i t t e rl i n ea n d r e s e a r c ho ns l i t t e rt e n s i o nc o n t r o l a b s t r a c t t h eh o tr o l l i n gf i n i s h i n gl i n ew a st h ee q u i m e n ti m p o r t e di nt h e19 8 0 sf r o mg e r m a n y t h es h o r t a g e so ft h es y s t e mw e r ed i s c o v e r e dc o n s t a n t l yw i t ht h et i m eg o i n gb y t l l er e c l a i m o ft h es y s t e mi su r g e n ti no r d e rt os a t i s f yt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t ，n l eb a c k g r o u n do ft h et h e s i si st h e h o tr o l l i n gf i n i s h i n gl i n e t h et h e s i sa i m e da t r e c l a i m i n ga n do p t i m i z i n gt h es y s t e mb a s e do nt h er e s e a r c ho fk e ye q u i p m e n t s f i r s t l y , w e c h a n g dt h ec o n t r o lm o d eo ft h ep i n c hr o l la n db r o u g h ti ns p e e dm a t c ha n dd r o o p t oo p t i m i z e t h et e n s i o ns y s t e m ；s e c o n d l y , w ea n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ft e n s i o na n de s t a b l i s h e dt h e t e n s i o nm o d e l ；a tl a s t ，w ea n a l y z e dt h el o s so fs p e e ds y n c h r o n i z a t i o n w em a d ef u l l a d v a n t a g eo f6 r a 7 0d cd r i v eu n i tb ys p e e da d j u s t m e n ta n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n d h a v es o l v e dt h e l o s so fs p e e ds y n c h r o n i z a t i o nw h i l ea c c e l e r a t i n go rd e c e l e r a t i n gp r o c e s s b e t w e e ne q u i p m e n t so fe n t i r es l i t t e rl i n e t h et e n s i o nm u s tb ek e p ts t a b l eb e t w e e nl e v e l l e ra n dd i s ks h e a r e ri no r d e rt om a i n t a i n p r o d u c tq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h et e n s i o ns y s t e mi sn o n l i n e a ra n d v a r i a t i o n a l s oan o v e lp i ds e l f - t u n i n gc o n t r o l l e rb yf u z z ya d a p t i v em e c h a n i s mf o rt h et e n s i o n c o n t r o lw a sp r e s e n t e da f t e rt h er e s e a r c ho ft e n s i o ns y s t e m f u z z yp i dc o n t r o li so n eo f i n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o d sw i t h o u tr e l y i n go na c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o n t r o l o b j e c t i tc a no v e r c o m en o n l i n e a rd i s t u r b a n c ea n dh a sb e t t e rr o b u s t i c i t y b u tt h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o ld e p e n d so np e o p l e se x p e r i e n c ea n df f o n d o s em o d e la n dt h ep e r f o r m a n c ei s a f i r e c t e db yp a r a m e t e rt r a n s f o r m a t i o n w em a d eu s eo fo n l i n er u l e ss e l f - r e g u l a t i o nc o n t r o l a r i t h m e t i ca n da d o p t e df u z z yp i dc o n t r o lm e t h o dt og e th i g hp e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l s y s t e mi no r d e rt oi m p r o v ea l lp a r a m e t e r se f f e c t u a l l ya c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e - ，i c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a na c h i e v es a t i s f i e dc o n t r o lr e s u l t a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a bo ft h i sc o n t r o la l g o r i t h mw a sc o n d u c t e dt o s t u d yt h ee f f e c tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h ec o m p a r a t i v es t u d ys h o w st h a t t h eo v e r s h o o ta n dt h ef l u c t u a t i o no ft e n s i o nd e c r e a s ec o n s i d e r a b l y k e y w o r d s ：s l i t t e rl i n e ；s p e e dd r o o p ；t e n s i o n ；f u z z ys e l f - t u n i n gp i d ；m a t l a b s i m u l a t i o n i i i i r r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 l 1 1 课题研究背景1 1 2 速度、张力控制方法介绍2 1 3 论文的主要研究内容与组织3 第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造。5 2 1 纵切机组介绍。5 2 1 1 机组主要设备及操作控制模式6 2 1 2 机组张力分配7 2 2 技术指标及要求7 -2 3 入口夹送辊的改造与优化方案研究8 2 3 1 入口夹送辊的改造方案8 2 3 2 入口夹送辊优化方案9 2 4 本章小结1 2 第3 章直流调速原理及6 r a 7 0 系统介绍1 3 3 1 直流调速的理论分析1 3 3 1 1 直流电机结构及数学模型1 3 3 1 2 转速、电流双闭环直流调速系统1 5 3 2 西门子6 r a 7 0 全数字直流调速装置17 3 2 1 装置结构及特点1 7 3 2 2 主要功能1 9 )3 3 直流调速系统工作原理2 0 j3 3 1 控制电路总体结构及工作原理2 0 3 3 2 斜坡函数发生器2 l 3 3 3 速度调节器2 l 3 3 4 转矩限幅2 2 3 3 5 电流限幅2 2 3 3 6 电枢电流闭环控制2 3 3 4 本章小结2 4 i v 东北大学硕士学位论文 目录 第4 章纵切线张力控制系统2 5 4 1 张力控制系统在国内外的发展状况2 5 4 2 张力的产生机理2 5 4 3 纵切线张力控制2 8 4 3 1 张力控制策略的研究现状2 8 4 3 2 纵切线系统张力分析2 9 4 3 3 张力的结构图2 9 4 3 4 控制器的设计3 0 4 4 速度对张力控制的影响3 5 4 4 1 纵切机组速度控制系统介绍3 5 4 4 2 纵切机组多电机控制系统介绍3 5 4 4 3 多电机速度控制的实现3 6 4 5 活套对张力控制的影响3 7 4 5 1 活套系统介绍3 7 4 5 2 工艺流程及p l c 控制。3 7 4 6 本章小结3 9 第5 章张力的模糊自整定p i d 控制4 1 5 1p i d 算法介绍4 1 5 2 模糊自整定p i d 控制算法4 3 5 2 1 算法的提出4 3 5 2 2 模糊控制的原理4 4 5 2 3 模糊自整定p i d 的提出4 4 5 2 4p i d 参数自整定4 5 5 2 5 模糊自整定p i d 系统结构4 6 5 2 6p i d 参数自整定原则4 6 5 3 张力模糊自整定p i d 控制器设计4 7 5 3 1 输入输出语言变量、基本论域及隶属函数的确定4 7 5 3 2 模糊控制量化因子及比例因子的确定5 0 5 3 3p i d 控制器的参数整定5 l 5 3 4 模糊规则表的建立5 2 5 3 5 输出变量模糊子集的求取5 3 5 3 6 去模糊化5 3 5 4 带钢张力仿真5 5 5 4 1 仿真模型。5 5 5 4 2 仿真结果分析5 7 v ， 型塑堡堕垫生 里1 = 4 垦 一 水 5 5 本章小结6 1 第6 章总结与展望6 3 参考文献6 5 致谢6 9 v i ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 某钢厂热轧精整线是八十年代末从德国引进的热轧精整线，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 4 k 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逐一暴露。 直流传动方面主要表现在： ( 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 8 0 0 a 8 8 0 为采用8 0 8 5 ac 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。 热轧厂在2 0 0 3 年对三电系统进行了全面改造。但是随着e r w 机组需热轧提供纵切带 钢，月需求量由每月的几百吨很快上升到目前2 0 0 0 吨。另外，目前纵切机组只能正常生 产部分e r w 用料卷。高强钢也由每月的2 0 0 吨上升至l j 4 0 0 0 多吨的生产量。在目前技术改 造项目未实施前，纵切线在生产极限规格e r w 用钢、高强钢和e r w 已订好的超过纵切 机组正常生产能力的带钢时，暴露出了很多问题。 具体表现在： ( 1 ) 纵切生产方式下。纵切剪和滚切式双边剪央送辊电流都在1 1 倍额定电流以上。 曾做过的最厚x 6 0 为7 9 m m ，电机电流达到1 5 倍额定电流( 1 3 3 0 a ) ，此时可控硅有明显的 过负荷噪声； ( 2 ) 松卷现象。生产厚规格( 8 m m ) 、较高强度( 国 6 0 0 m p a ) 小限重( 8 t ) 合同带 - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 钢时，打包时较困难，易松卷，这不仅影响了包装质量，还存在安全隐患，尤其是在切 条作业时； ( 3 ) 纵切刀片的寿命较低，很容易出现崩口、钝化现象。 所以对于热轧精整纵切线而言，为了适应现代化生产，对纵切线的改造优化是刻不 容缓的，而对于全国同行业来说，生产优化的改造也同样迫在眉睫，这对于提高我国钢 铁制造业在世界舞台上的地位十分重要。 1 2 速度、张力控制方法介绍 速度控制系统确保带钢以要求的工艺速度平稳运行，包括点动速度控制、穿带速度 控制、充放套速度控制、工艺速度控制等环节。 张力控制是关系到生产线能否正常运行，产品质量能否满足要求的关键技术。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。 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身 所具有的与剪切线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【l l 。 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 论文的主要研究内容与组织 针对该纵切线在生产过程中暴露出的设备技术难题，本文以解决这些设备技术难题 为目标，在对纵切线关键设备进行分析研究的基础上，改造和优化系统。通过改变夹送 辊的控制模式，采用速度匹配、软化对张力控制系统进行优化并建立纵切张力控制的模 型，同时将模糊自适应参数整定p i d 控制算法应用到纵切张力控制系统中，最后利用 m a t l a b 软件对纵切张力控制系统的模糊自整定p i d 算法进行了仿真研究。本论文的文 章结构和主要工作概括如下： 全文一共分为六章。 第一章是绪论，从本课题研究的背景出发，介绍了机组存在的主要问题，并介绍了 速度和张力控制的方法，提出研究的内容和现实意义。 第二章分析了机组存在的主要问题并提出了解决办法。通过对夹送辊的改造可以有 效的解决这一问题。首先是将夹送辊的直流传动部分由模拟传动改变为直流传动，并将 其由张力控制方式变为速度控制方式。同时利用6 r a 7 0 速度调节器的软化特性来降低 纵切剪的负荷电流，提高剪切能力。 第三章介绍了直流电机的结构、数学模型以及转速、电流双闭环直流调速系统。着 重介绍了基于电流、速度双闭环调速的s i m o r e g6 r a 7 0 全数字直流调速装置的特点、 功能以及各种装置的工作原理，为后面章节的张力分析提供理论基础。 第四章建立了张力控制的数学模型，得出带钢张力与速度的关系为一个积分环节。、 为纵切张力控制系统设计提供了理论依据。同时设计了电流、速度双闭环调速器并对纵 切张力控制会产生影响的多电机控制系统以及活套系统进行了介绍。 第五章通过使用m a t l a b 中的s i m u l i n k 和f u z z y i 具箱，设计了模糊自适应p i d 控制 器，并在专家经验和多次仿真的基础上完善了模糊控制器的控制规则，进而完成了纵切 张力p i d 控制和模糊自适应p i d 控制器的仿真与对比。 第六章对全文进行了总结。在回顾了论文各部分内容的基础上，提出了今后需进一 步研究和实践需要考虑的方面。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 4 - ， 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 2 1 纵切机组介绍 纵切机组是带钢生产中的重要精整设备，任何带钢都使用它将宽带纵切成窄带。随 着带材生产的发展、市场需求的不断增加和用户对产品质量的更高要求，纵切机组设计 选型与主要参数的确定在方案设计时益发显得重要了。如何针对不同用户对机组产量、 装机水平及成品质量等的不同要求选择合理的机组布置形式、设备组成及机组技术参 数，在满足机组工艺功能要求的前提下达到投资少、见效快、生产成本低、操作维护方 便、占地面积少的效果，是机组设计时必须认真考虑的问题【2 1 。 纵切机组主要用于带钢的切边和分条。它主要由开卷机、圆盘剪和卷取机三大部分 组成，根据不同规格和不同状态的带钢的剪切要求，分为主动剪切和被动剪切两种。 ( 1 ) 主动剪切。主动剪切的圆盘剪主要是用于软态薄带的剪切，机组的开卷机、圆 盘剪和卷取机分别由不同的电机主动驱动，带钢主动放卷进入圆盘剪，圆盘剪电机拖动 进行主动剪切，进入活套坑，再通过导向、压紧装置进入卷取机，完成带钢的分条。其 工作原理如图2 1 所示。 开卷机圆盘剪活套 卷取机 图2 1 主动剪机工作原理 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo fa c t i v es l i t t e r ( 2 ) 被动剪切。被动圆盘剪切也称为拉剪，一般用于硬状态带钢的切边及分条， 正常剪切时开卷机、圆盘剪均不进行驱动，由卷取机主动拉着开卷机和圆盘剪一起转动， 其特点是可以高速进行剪切。其工作原理如图2 2 所示【3 1 。 开卷机圆盘剪卷取机 图2 2 拉剪机：亡作原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo fp a s s i v es li t t e r 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 2 1 1 机组主要设备及操作控制模式 机组主要设备工艺流程如图2 3 ，主要设备的传动设计能力参数详见表2 1 。 图2 3 纵切分条模式 f i g 2 3s l i t t e rm o d e 某钢厂精整纵切机组主要由开卷机、1 拌夹送辊、矫直机、2 撑夹送辊、纵剪机、碎边 剪、活套、张力辊组、3 拌夹送辊和卷取机等设备组成。 表2 1 机组主要设备传动能力参数汇总表 t a b l e2 1m a j o re q u i p m e n tu n i tc a p a c i t yt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r ss u m m a r y 生产工艺有纵切分条、分卷、取样、修理重卷四种模式，整个生产线为连续开卷和 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。 机组按照生产产品的规格厚度分为二档速度，其最高速度分别为7 5 m m i n 和 1 5 0 m m i n ，为此开卷机、l 撑夹送辊、矫直机、纵切剪、碎边剪、卷取机等大功率设备均 6 ， 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 按照二档速比进行控制。小功率的央送辊及张力辊组按照一种速比进行控制，无切换功 能。 机组控制采用速度和张力控制模式，开卷机设定开卷张力，1 拌夹送辊与纵切剪采用 速度控制。纵切剪采用驱动剪切( 动力剪) 模式，纵切模式时，纵切剪速度为设定基准 速度，1 夹送辊通过速差实现纵切张力。 2 1 2 机组张力分配 由于机组设备控制是通过速度和张力来实现，因而机组张力设定是整个主要驱动设 备能力的关键，为此机组各段张力分析是判断纵切机组设备能力是否可行的关键点。图 2 4 所示为纵切机组的设备张力示意图。其中t l 为开卷张力，t 2 为开卷张力加上深弯 辊作用时的附加阻力，t 3 为1 群夹送辊与矫直机之间的张力，t 4 为矫直机与纵切剪之间 的张力，t 5 为卷取机的卷取张力。 送 辊 图2 4 纵切机组的设备张力示意图 f i g 2 4t e n s i o ns k e t c ho f s l i t t e rl i n es y s t e m 2 2 技术指标及要求 通过对纵切设备的电气控制系统进行分析和研究，依据本项目其它技术领域所得的 综合评估结论和指出的生产线上的薄弱环节、设备改善维护意见和设备改造的指导方 案，改进部分设备的控制性能和提高生产能力，为高强钢和e r w 产品的正常生产、产 能提升创造条件，为某钢厂占领高强度卷市场份额提供保证。具体要求为： ( 1 ) 对纵切线的现有电气控制系统进行优化，使得生产x 6 0 和j 5 5 钢种时，纵切 剪用于剪切的负荷由现在的6 0 提高到8 0 ； ( 2 ) 对l 拌夹送辊的传动系统进行数字化改造，并改变其与圆盘剪原先的张力控制 模式为速度控制模式，以缓解纵切剪的负荷：同时使得在生产厚度大于8 m m 的钢板时， 纵切剪与l 群央送辊之间的速度滞后从l 下降到至多o 2 ；生产小于4 m m 的钢板时， 纵切剪的速度与1 撑夹送辊的速度之间的速度一致； ( 3 ) 增大卷取机的电机功率至5 0 0 k w 。 - 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 2 3 入口夹送辊的改造与优化方案研究 本项目的一项重要工作是在现有设备能力综合评估的基础上，对纵切机组电气控制 系统进行优化。通过优化来缓解纵切剪在生产高强度系列产品时的电流过负荷问题。随 着电气传动技术的发展，全数字传动技术的不断完善，通过速度控制器的软化特性优化 可以很好地解决两台速度控制设备之间的速度匹配问题。由于入口夹送辊目前仍为模拟 式直流传动系统，而开卷机、矫直机已改造为数字式直流传动系统，为了实现整个传动 系统的优化控制，首先必须对入口夹送辊传动系统进行数字化改造。 改造完成后可以方便地实现入口夹送辊的速度控制方式的调整和与其它系统的协 调，从而可以缓解纵切剪( 3 5 0 k w ) 在生产高强度系列产品时的电流过负荷问题。同时， 在实施了数字化改造后，也可以很好地配合整个生产线的控制优化。 2 3 1 入口夹送辊的改造方案 在德方原设计中，为了减少在入口夹送辊即l 撑夹送辊与矫直机之间产生的堆、拉钢 现象，保证矫直机的入口微张力矫直效果，德方在原设计时对入口夹送辊的传动系统采 用了非常规的张力控制方式，即纵切机组的开卷机、入口夹送辊采用张力控制方式，而 矫直机、纵切剪、卷取机则为速度控制方式，其中开卷机、入口夹送辊共同与纵切剪构 成机组的入口张力见图2 5 。 烈切剪2 d e 送辊 矫直机1 - 夹送辊开卷机 一一 图2 5 纵切线系统结构示意图 f i g 2 5t h e s t r u c t u r es k e t c hm a po fs l i t t e rl i n e 由于入口夹送辊采用张力控制方式，在纵切运行时，开卷机和入口夹送辊因张力控 制而处于发电状态，所产生的入口张力均由纵切剪承担，这就大大增加了纵切剪的电流 负荷，导致纵切剪在生产高强度系列产品时，电机电流长时间维持在限幅状态，严重影 - 8 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 响到纵切剪设备的安全运行。基于对现有传动系统的分析认为，通过对入口夹送辊传动 系统的数字化改造，将入口夹送辊的张力控制方式优化为速度控制方式。 2 3 2 入口夹送辊优化方案 2 3 2 1 入口夹送辊的速度控制器软化方案 ( 1 ) 软化特性介绍 软化功能通常的做法是利用负载转矩信号来控制的。具体做法如下：p 5 5 5 连接到 k 0 1 1 6 ( 内部实际电流的绝对值) ，此信号经转化成为一个系数，r 2 1 7 中显示。此系数与 k 1 6 2 ( 1 分量) 相乘，再经限幅取反得速度软化k 0 1 7 6 ，k 0 1 7 6 输入到速度调节器前的 叠加器。速度调节器的软化为了跟一个可调速系统的速度调节器恰当的匹配，它应能用 任意的连接器来改变。速度调节器的实现如图2 6 所示。软化的适配如图2 7 所示。 图2 6 速度调节器的软化功能 f i g 2 6d r o o pf u n c t i o no fs p e e dr e g u l a t o r 5 5 5 设置 图2 7 速度调节器软化的适配 f i g 2 7a d a p t a t i o no fs p e e dr e g u l a t o r 在图2 7 中参数对p 2 2 7 p 5 5 2 的值可以独立设置。例如p 5 5 2 不能大于p 2 2 7 。仅对 各个参数有效，阈值1 总是小于阈值2 ，否则激活故障信号f 0 5 8 t 4 1 。 9 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 软化特性功能是实现负荷分配的一种方法，当某台电机负载过大，将其特性软化， 即减小速度给定。力矩越大，速度给定减小越多，目的是减小其出力，使各电机平均( 或 按比例) 分配负载，如图2 8 所示。 jls p 力矩给叼vt 夕 1 0 0 l l 一匕剑 一 l t ji 软化补偿 1 r 图2 8 电机软化特性图 f i g 2 8c h a r a c t e r i s t i cc h a r to fm o t o rd r o o p 一个可参数化的反馈环可以并联连接到速度调节器的i 和p 分量( 作用于给定和实 际值的综合点) 。如图2 9 所示： 图2 9 可参数化反馈环并联i ，p 调节器分量 f i g 2 9p a r a m e t r i cf e e d b a c kl o o pc a nb ep a r a l l e li ，pc o m p o n e n tr e g u l a t o r 当设置e l 为o 时，调节器为p i 调节器，当e l 不为o 时，调节器成为软化的p i 调 节器。其响应曲线示意如图2 1 0 所示： 图2 1 0 两种不同调节器的响应曲线 f i g 2 10r e s p o n s ec u l n e so f t w od i f f e r e m tr e g u l a t o r 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 ( 2 ) 入口夹送辊速度控制器软化的实现 基于对传动系统的分析认为，对入口夹送辊的数字传动系统的速度控制器，依据纵 切剪直流电机的电流进行特性软化( 目的是为保证入口夹送辊与矫直机之间的微张力) ， 具体做法为：夹送辊速度环软化的量与纵切剪电流的大小成反比，即当纵切剪电流小于 某个值时，投入软化功能，纵剪电流越小软化的量越大，当纵剪电流大于某个值时，夹 送辊速度软化的量为o 。这样，既满足了矫直机的入口微张力矫直效果，同时，由于入 口张力改由开卷机单独提供，开卷张力电流将由入口夹送辊、纵切剪共同承担，这就大 大减小了纵切剪的电流负荷，也缓解了纵切剪在生产高强度系列产品时的电流过负荷问 题。 软化功能可以通过开关量输入或控制字中对应的控制位进行使能控制。一个1 0 速 度软化设置可以实现1 0 0 调节器输出与速度给定1 0 的偏差( 速度闭环控制的“软 化) 。 通过对夹送辊直流传动系统的参数设置和p l c 的协同控制，可以实现调节器软化。 具体实施方法为： ( a ) 首先在p l c 侧增加软化使能控制。可以通过增加p l c 数字量输出到传动装 置的方法实现； ( b ) 调整传动参数，使能调节器软化功能； c o ) 对软化后的系统进行调试，以确定具体的参数值。 其实施方案如图2 1 l 所示： p 5 硒 0 1 0 图2 1 l 调节器软化实现图 f i g 2 11d r o o pr e a l i z a t i o no fr e g u l a t o r 1 1 定 东北大学硕士学位论文第2 章热轧精整纵切机组的工艺设备及改造 2 3 2 2 入口夹送辊的电流控制器动态限幅方案 为实现降低纵剪负荷的功能要求，可以考虑应用夹送辊电流控制器动态限幅方案。 根据现场实际试验结果，即当入口夹送辊电流限幅降低时，纵剪的负荷会有明显的 降低，因此纵剪电机有一部分主要的负荷是用于与夹送辊和开卷机构成张力。因此，可 以考虑在不影响生产所必须的张力水平的情况下，通过动态限制夹送辊电机电流的方式 使得夹送辊减小反方向的力矩输出，从而降低纵剪的负荷。 具体方案为： ( a ) 通过电流互感器检测纵剪的输出电流，并输入到p l c 的模拟量输入模块中； ( b ) p l c 根据纵剪的电流，动态决定夹送辊的电流限幅，并通过数字量或模拟 量输出至夹送辊信号输入； ( c ) 在夹送辊直流传动( 数字化的6 r a 7 0 ) 系统中，通过参数设置，把电流限 幅连接到对应的位置，从而实现夹送辊的动态电流限幅功能。 2 4 本章小结 本章主要是通过对热轧精整机组的现状进行分析，研究了系统纵切模式下的主要设 备及其传动能力。通过合理设定机组张力来保证整个主要驱动设备能力，同时通过对机 组设备电气控制系统的分析研究，指出生产线上的薄弱环节，以达到缓解纵切剪在生产 高强度系列产品时的电流过负荷问题。通过分析后认为改造入口夹送辊可以达到上述目 的。首先是对入口夹送辊进行数字化改造；其次是通过对速度控制器的软化优化来解决 设备之间的速度匹配。 - 1 2 - 东北大学硕士学位论文 第3 章直流调速原理及6 r 7 0 系统介绍 第3 章直流调速原理及6 r a 7 0 系统介绍 3 1 直流调速的理论分析 直流电机具有良好的起、制动性能和广范围内的平滑调速性能，是电力拖动控制系 统的主要执行元件，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切 削机床、造纸机等电力拖动领域中得到了广泛的应用。下面将对直流电动机及其调速系 统进行分析。 3 1 1 直流电机结构及数学模型 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图3 1 所示。 图3 1 直流电机等效电路图 f i g 3 1t h ee q u i v a l e n td i a g r a mo fd cm o t o r 其中，电枢回路总电阻尺和电感包含电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感以及 可能在主回路中接入的其它电阻和电感。假设主回路电流连续，则动态电压方程为【5 1 ： u d o = - r i 舢警+ e ( 3 1 ) 若忽略粘性摩擦和弹性转矩，则电动机轴上的动力学方程为： z 一无= 丽g d 2 鲁 ( 3 2 ) 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： e ：c 。玎：c 。中竺缈：c 用缈 ( 3 3