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东北大学硕士学位论文 摘要 板带材在线监测轧机控制系统研究 摘要 板带钢是轧材中所占比例较大，应用极为广泛的一类钢材。它可用于国民经 济的许多方面，如造船，建筑，化工，汽车工业，机械及电器制造，军工，轻工 及食品工业等部门都大量使用各种板带钢。表面缺陷是影响冷轧带钢表面质量的 一个重要因素。它不仅影响产品外观，而且降低了钢板产品的抗腐蚀性、抗磨性 和疲劳极限等使用性能。随着计算机视觉技术的发展，使用图象处理技术来进行 板带材的表面质量在线监测已成为可能。板带材表面质量在线监测系统的研究也 越来越受到重视。 随着轧制技术的发展，当今生产实际中使用的轧机已经高度自动化。为了更 好的进行板带材表面质量在线监测系统的研究，结合东北大学“9 8 5 工程”重大 机械装备设计制造共性技术科技创新平台建设任务的需要，本文对小型四辊可逆 冷轧机控制系统进行了深入研究。 本文主要着眼于基于s 7 3 0 0 p l c 的轧机控制系统的研究。建立了以 s 7 3 0 0 p l c 为主站，对三个6 r a t 0 直流调速器进行控制，并伴有上位机的监控， 可以实现四辊可逆冷轧机的卷取恒张力控制和轧制速度控制的系统。系统采用了 s t e p 7 软件进行控制程序的编制，w i n c c 软件进行监控系统的开发。并使用了 p r o f i b u s 现场总线进行信号的通信。 基于稳定地获得板带材表面质量在线监测系统的相关实验参数的目的，本控 制系统将达到0 - 1 2 0 r r d m i n 的轧制速度下，保持差速比o ，2 ，张应力1 8 5 4 m p a 恒定。 文中还通过对轧制中电流、速度双闭环系统的分析最终得到了卷取双闭环控 制的电流、速度控制器模型。分别为面五五号毛面，号篙誉等；：； 岩。 f 关键词】可逆冷轧机；张力控制；s 7 3 0 0 p l c ；p r o f i b u s - d p 现场总线；w i n c c 去论文工作得到了 国家科技部重大基础研究前期研究专项( n o 2 0 0 3 c c a 0 3 9 0 0 ) 、国家自然科 学基金委员会和上海宝钢集团公司联合资助项目( n o 5 0 5 7 4 0 1 9 ) 资金资助 东北大学硕士学挂论文 r o l l i n gc o n t r o l f o ro n l i n ei n s p e c t i o n s y s t e m o fc o l dr o l l e ds t r i p s a b s t r a c t t h es t r i pi sak i n do fw i d e l yu s e da n di m p o r t a n ts t e e l i tc a nb eu s e di nm a n ya r e a s ， s u c ha ss h i p b u i l d i n g ，a r c h i t e c t u r e ，c h e m i c a l ，a u t o m o b i l ei n d u s t r y , m e c h a n i s ma n d w i r i n gm a n u f a c t u r e ，w a ri n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , f o o di n d u s t r ya n ds oo n t h es u r f a c e b u gi sa ni m p o r t a n ti n f e c t i o no ft h eq u a l i t yo fs t r i p s n o to n l yd o e si ta f f e c tt h e a p p e a r a n c eb u ta l s od e p r e s s e st h es t e e l sa n t i r o t ，a n t i - r u b ，f a t i g u el i m i t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rv i s i o n t h eo n l i n es u r f a c eq u a l i t yi n s p e c t i o nw i t hi m a g e d i s p o s i n gi sp o s s i b l e s o ，w i t ht h es u s t a i n i n go fn a t i o n ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t , w es t u d i e dt h eo n l i n es u r f a c eq u a l i t yi n s p e c t i o ns y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o l l i n g ，t h em a n u f a c t u r eo fs t e e li sh i g h l ya u t o m a t e d t o s t u d y t h e o n - l i n e i n s p e c t i o ns y s t e mb e t t e r , w i t i lt h en e e do fn e u “9 8 5 e n g i n e e r i m p o r t a n te q u i p m e n t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ef l a t sf o u n d i n g ，t h ep a p e r s t u d i e dt h ec o n t r o ls y s t e mo f r e v e r s i b l ef o u rr o l l e rr o l l i n gm i l l t h ep a p e rh a st a l k e da b o u tt h er o l l i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns 7 - 3 0 0p l c t h e s y s t e mt a k es 7 3 0 0p l c 嬲m a i ns t a t i o na n dt h e nc o n t r o lt h r e e6 r a 7 0d i r e c tc u r r e n t m a s t e r sw i t ht h em o n i t o ro fw i n c c i tc a n8 j 3 h i e v et h ec o n t r o l l i n go fr o l l i n gs p e e d a n d r o l l i n gf o r c eo fr e v e r s i b l ef o u rr o l l e rm c h i n e t h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o g r a m m e d t h r o u g hs t e p 7a n dt h em o n i t o rs y s t e mi sd e s i g n e dt h r o u g hw i n c c t h ei n f o r m a t i o ni s t r a n s f e r e db yp r o f i b u s t og e tt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e ro fo n - l i n es u r f a c eq n a l i t yi n s p e c t i o ns t a b l y , t h e s y s t e mw i l lg e tar o l l i n gs p e e d r a n g ef r o m0t o1 2 0 m m i n ，谢t l las p e e dr a t e0 2 ，t h e s t r e s sw i l lk e 印av a l u eo f18 5 4 m p a t h ep a p e rh a sa n a l y s e dd i r e c tc u r r e n ta c c o m m o d a t i o n ，t o o w i t ht h ea n a l y s e do f c u r r e n tc i r c l ea n ds p e e dc i r c l elg e tt h ec 。n t r o lm o d u l e m y 姗丽丽1 3 5 a n d 3 9 6 2 8 ( 0 0 8 7 s + n s 2 ( 0 0 1 7 4 s + 1 ) 。 k e yw o r d ：r e v e r s i b l er o l l i n gm i l l ；s t r e s sc o n t r o l ；s 7 - 3 0 0p l c ；p r o f i b u s - d p ； w i n c c 东北大学磺击学位论文 t h es t u 静i sf u n d e db y ： c h i n am a j o rf o r m e rb a s i cr e s e a r c hp r o j e c to ft h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo ft h ep e o p l e sr e p u b l i c f n 0 2 0 0 3 c c a 0 3 9 0 0 ) j o i n tf u n do f l r o na n ds t e e lr e s e a r c hf o u n d e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef u n d o fc h i n aa n ds h a h l g h a ib a o s t e e lg r o u pc o r p o r a t i o n ( n o 5 0 5 7 4 0 1 9 ) 一- 独创性声明 本天声骥，掰呈交豹学彼论文是在警筛翡指导下宠成静。论文中取褥浆磷究藏果豫 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人融经发表或撰写过的研究| 揽果，也不包括本人 为获得其他学位而使用过的材料。与我一网工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中强了疆确瓣谨饕莠表示滏意。 学镶论文储魏讧蓉博 日期； 御5 、多l 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者和指导教师完全了髂东北大学务关保留、使用学位论文的娥定：即 学校有毂保留并岛国家有关郝f j 或机构遴交论文静复筇件帮磁盘，允许论文被查溺和信 阅。本人同意系北大学可以将学位论文的众部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。( 如作者和罨师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 板带钢是轧材中所占比例较大，应用极为广泛的一类钢材。然而在钢板制 造过程中，由于原材料、轧制设备和加工工艺等多方面的原因，导致连铸板坯、热 轧带钢和冷轧带钢表面出现裂纹、氧化皮、结疤、辊印、刮伤、孔洞、针眼、鳞 皮、表皮分层和麻点等不同类型的缺陷。因此，其质量检测设备在钢铁生产中起 了重要作用。随着计算机视觉技术、控制技术的发展，使用图象处理的方法来实 现板带材在线监测以保证带钢生产质量越来越受到重视【3 0 。为此，国家科技部 专门立项对板带材表面质量在线监测系统开展研究。 为了更好地进行板带材表面质量在线监测的研究，本课题对四辊可逆冷轧 机的控制系统进行了研究。研究中通过对原有四辊可逆冷轧机的改造，完成其控 制部分的设计，使之成为该监测系统的重要组成部分。 一般把以单张供应的钢板和成卷供应的带钢总称为板带钢，它是钢材的一 大品类【2 3 】。 板带钢有许多品种规格，按钢种可分为普通碳素钢板，优质碳素结构钢板， 低合金结构钢板，碳素及合金工具钢板，电工硅钢板，不锈钢板，耐热及耐酸钢 板，高温合金板及双金属复合钢板等( 1 】。 按用途可分为造船钢板，桥梁建筑钢板，锅炉钢板，压力容器钢板，汽车 钢板，装甲钢板，航空钢板，电工钢板，搪瓷薄板及焊管坯等【2 3 】。 按尺寸分，板带钢指厚度为o 1 4 r a m 的轧材。本课题研究的冷轧机控制系 统主要针对0 3 - - - 4 r a m 的带钢进行轧制【1 4 】。 与其他两大类钢材产品( 型钢和钢管) 相比，这种板带钢无论在外形、轧 制及使用方面都有其特点。它形状扁平，横截面为矩形、b b 较大，可达1 0 0 0 0 以上。单位体积的表面积大。在轧制的过程中，它从辊缝中轧出，而不是从孔型 中轧出，因而改变产品厚度规格较简单、易于调正。轧制压力大，可达数百吨至 千吨以上( 接触面积大，外阻影响大) ，并且它容易随工艺条件的变化而波动， 从而影响板厚的尺寸精度。特别在轧制薄而宽的产品时，因轧制压力急剧增大， 且不均匀变形敏感性增加，故较难保证厚度尺寸及板形【1 5 】。 这种带钢在使用中由于板带钢表面积大，具有较大的包容和覆盖能力，因 而它在化工，建筑，金属制品，金属结构等方面得到广泛应用。可以任意剪裁， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 弯曲，焊接，制成各种构件和制品，使用灵活，方便胛】【2 ”。它已经成为钢铁生产 中重要的组成部分。而轧制前和轧制过程中产生的表面缺陷更已成为关系带钢质 量的重要因素。因此，构造研究出合理的冷轧控制系统对板带钢表面质量监测系 统的正常运行起着至关重要的作用。本控制系统的研究成果对板带钢表面质量监 测系统的研究和板带钢的实际生产也具有重要的意义。 1 2 国内外相关技术和发展趋势 国际上根据板带钢用途的不同，对它们提出的技术要求也各不一样，但基 于其相似的外形和使用条件，其技术要求仍有共同方面。归纳起来就是尺寸精度、 表面质量、板形和性能。这四个方面是反映板带钢产品质量水平的基本指标【23 1 。 尺寸精度是指可能达到的尺寸偏差的大小。板带钢的尺寸精度包括厚度、 宽度及长度精度，其中厚度精度最为重要。这是因为厚度尺寸一旦形成后就不能 改变，不象宽度、长度可以任意裁剪、改尺，同时厚度精度还影响到使用性能， 生产难度及金属的节约。板带钢由于b h 很大，厚度一般较小，厚度的微小变 化势必引起其使用性能和金属消耗的较大波动【5 4 1 。 板带钢多用作外围构件，故必须保证表面质量，不允许表面存在气泡、结疤、 裂纹、伤痕、夹杂及压入氧化铁皮等缺陷。因为这些缺陷不仅损害板制件的外观， 而且往往会恶化性能或成为产生破裂和锈蚀的策源地，成为应力集中的薄弱环 节。 板形是板带钢特有的也是很重要的质量指标。为了便于使用，要求板形良 好，即板面平直，每米长度上的浪形、瓢曲、侧弯不得超过允许的数值【8 1 。 板带钢的性能一般包括机械性能如强度、塑性、韧性；工艺性能，如冷弯 性能，深冲性能，焊接性能；特殊物理化学性能，耐酸耐热性能等。板带钢依其 用途不同，所要求保证的性能类别及响应的指标也有所不同，这在产品标准中有 具体的规定【4 。 近年来国际上板带钢生产的发展趋势可概括为如下几方面 2 3 】： n ) 大型化 主要体现为增大板卷单重和增加钢板宽度。增大板卷单重，不仅可提高产 量，而且可减少切头尾损失，增加金属收得率。增加钢板宽度就是轧制越来越宽 的钢板。例如目前国外中厚板轧机大都是3 0 0 0 r a m 以上轧机，可轧制宽 3 0 0 0 5 0 0 0 m m 的各种宽厚板，用此钢板建造大型船舶容器，可节约工时，降低 制造成本。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 连续化 目前国外热轧冷轧薄板及带钢大都采用连轧机生产，其优点是生产率高， 产品质量好，技术经济指标先进，易于自动化。在冷轧带钢方面还发展了全连续 式冷轧，进一步提高了生产效率。 ( 3 ) 高速化 系指轧机的轧制速度不断提高。轧制速度的高低，不仅关系到轧机产量， 而且是衡量轧钢技术水平的标志之一。冷带钢连轧机的轧制速度目前已达到 4 1 m s 。 ( 4 ) 追求节能，重视提高产品质量和成材率 在节能方面，近年来大力发展和应用板坯热装、连铸坯热送直接轧制，应 用板卷箱保温罩、加热过程计算机控制、热轧润滑等节能技术，使能耗大大降低， 达到了相当先进的水平。提高产品质量包括提高板带的尺寸精度，改善板形和提 高物理、力学性能。如各种板形控制技术：h c 机、v c 轧辊，c v c 技术、双交 叉辊( p c ) 轧制等，显著地改善了板形。越来越广泛地应用控制轧制控制冷却 技术，以提高板带产品的机械性能。提高成材率采用的主要措施有：增加连铸比， 中厚板平面控制技术，增加产品单重等。 ( 5 ) 自动化程度更趋完善 热带和冷带连轧机是钢铁工业最早采用计算机控制的部门，并得到了迅速 的发展。同时，大力发展管理机系统，使管理机和控制机系统有机结合起来，组 成了分级集成控制系统，提高了自动化水平。自动化的另一发展是进一步提高和 完善检测仪表和控制系统的性能和功能。在轧制速度越来越高，产品品种规格越 来越多，质量要求越来越严格的情况下，还应用现代控制理论，实现自适应控制 和最优化控制等。 与轧机控制系统密切相关的轧制过程自动化已经历了三个阶段的发展：第 一阶段大约在2 0 世纪4 0 5 0 年代，为单机模拟系统自动化阶段；第二阶段在6 0 年代，为数字电子计算机和单机自动控制系统共存阶段；第三阶段为1 9 7 0 至今， 为多层次计算机管理阶段，目前基础自动化也全部采用计算机直接数字控制。但 轧钢自动化的原本还在于对运动机械的特性分析口6 】【2 9 1 。 为了适应轧制过程自动化的进一步发展要求，国际上十分重视了以下几个 方面问题【4 5 】： ( 1 ) 车l n 过程的数学模型 直到现在对宽展、摩擦力分布、张力、轧制力的计算不很准确，对轧机动 态特性、液压系统老化特性、活套支撑器响应特性描述也不完善。新厂连轧实际 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过程参数与设定偏差较大，轧制主要依靠“张力自调整”，控制模型需要大量现 场数据自学习、自适应修正，每当轧制新规格、新钢种，头几块坯尺寸就超差。 完善理论模型可以更接近实际地设定轧机参数，减少轧制次数 4 8 1 。 ( 2 ) 进一步提高和完善检测仪表和变换系统的性能和功能 在轧制速度越来越高，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下， 检测仪表的性能以及功能，必须进一步增加和完善。例如有些轧机要求其速度精 度为0 0 2 ，有些轧机要求在线检测残余应力和组织，由此可见对检测仪表的精 度和功能要求是很高的。 ( 3 ) 改进计算机控制系统的配置形式 、 为进一步提高计算机系统的可靠性和稳定性、拖动系统响应的快速性、维 护检测的便利性，充分及时利用计算机的最新发展，改进计算机控制系统。如普 遍应用对局部设备直接数字控制的d d c 装置。而且在广泛发展过程控制计算机 系统的同时，大力发展管理机的系统，使管理机和控制机有机地结合起来，组成 了分级集成控制系统1 4 9 。 ( 4 ) 实现最优化控制 最优控制的基本思想是全面考虑机电设备、工艺和控制系统的工作条件， 实现最稳定、最优质、低功耗的生产。但全面考虑过程问题不很容易，客观情况 和主观要求也在变化。尤其轧制过程，牵连因素较多，许多影响因素甚至未能量 化。已有的控制算法也还需要逐步改进，才可能向最佳结果接近 2 5 1 。 总之，轧制生产正沿着连续化、高速化、大型化和自动化方向迅速发展， 轧制生产过程的自动控制要求越来越高。 板带材生产是大型化，高速化，连续化的工艺过程，都采用了先进的计算 机自动化系统。将轧钢厂的生产管理和生产控制，按不同功能分成各个层次，各 个层次分别称为级。每级的信息种类不同，信息流量不一，信息生存周期各异， 需要的响应速度不同，因而可使用与各级特性相适应的计算机和计算机通讯网络 构筑多级分布式计算机控制系统。就功能而言，一般可分为4 级，即管理级，生 产控制级，过程自动化级和基础自动化级【1 5 】。 对于过程控制技术的进展来说，在过程控制级的控制中，一方面采用最优 控制，多变量控制，非干涉控制等控制理论的最新成果，另方面以系统的灵活 多样性作为目标，这是过程控制的另一种趋势。未来，两种将融合在一起，开发 出高精度的控制系统。 在轧制领域中，过程控制技术以板厚控制及张力控制为代表。在这些控 制中，充分采用多年来控制理论的新成果，在高速控制器上构筑控制系统。许多 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动厚度控制器，如g ma g c ( g a u g em e t e r a g c ) ，张力a g c ，前馈a g c 等，可根据工艺需要，选择其中的几种组合而成 某种轧机的a g c 系统，以满足板带厚度控制之用。g m a g c 即间接测厚计a g c ， 利用轧制过程中实测轧制压力和设定的辊缝值计算实际板厚度，将其与目标板厚 比较，出现偏差时控制压下消除偏差i l “。 在冷连轧机的张力控制中，借助于在机架间安装的张力计，通过液压压下 进行张力控制。另外，也有通过轧辊驱动电机进行张力控制的。除了此之外，还 有板宽控制，走间变更，板形( 含凸度，平直度) 控制等，扩大了尺寸控制的对象。 过程计算机装有各种过程控制模型，供设定，计算之用，向基础自动化级 各控制器输出基准值，进行自适应控制。常规模型很多，如板坯加热计算，轧机 压下位置与厚度分配，带钢宽度控制设定计算，控轧温度，轧制道次及轧制速度 计算，带钢冷却温度控制设定计算等等，并正在开发更多的实用化的模型，同时， 利用a i ，模糊控制，神经网络等知识工程的方法积极进行过程模型的开发【2 0 】【3 7 1 。 轧钢过程的电气传动技术对于改善产品的质量，提高生产率等都是十分重 要的。随着功率电子学和计算机技术的飞跃发展，电气传动技术已经经历了从直 流传动一统天下的局面向性能更加优越的交流传动迅速取代直流传动转变的过 程。7 0 年代采用的是模拟控制的直流电机，晶闸管调速系统的驱动方式，8 0 年 代前后微处理器的进展，全数字式直流传动控制技术已发展起来并逐步达到很高 的水平。由于数字技术的发展，使需要复杂运算的矢量控制技术真正可以实用化， 可调速的交流传动迅速发展，现在无论是大容量( 9 0 0 0 k w ) 电机或中小容量电机都 可使用同步机或感应电机实现可逆平滑调速【5 3 1 。交流传动代替直流传动应用于板 带生产，一出现就得到用户的欢迎，应用不断扩大。对于大容量电机，8 0 年代 中期利用晶闸管循环换流器装置已经实现包括轧机主传动在内的全交流传动。 直流电气传动具有调速性能好，控制精度高，线路简单，控制方便，过载 能力强，能承受频繁冲击负荷等优点，因此，轧机主传动一直被直流电机调速所 占领 j 7 i 。 鉴于轧制过程自动化理论的发展、电气传动技术的发展和计算机技术的进 步，本课题进行了以轧制速度控制和卷取张力恒定控制为核心的四辊可逆冷轧机 控制系统研究，以符合板带材表面质量在线监测系统研究的要求。 1 3 本控制系统的主要任务和目标 为了轧机控制系统正常运行，本系统必须具有良好的动态品质，即从动态过 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度过程恢复或动荡的情况。 评定一个系统的动态及过渡过程的好坏，主要从稳定性、准确性和快速性三 方面的指标来衡量【l “。 稳定是控制系统能够正常工作的基本前提。但在任何控制系统中，总会有一 定的存储能量的元件或检测信号的滞后，它会使得执行机构的动作表现出一定的 延迟或惯性，不能及时地随着误差而变化，甚至出现振荡。因为，当被控量已达 到给定值时，而整个系统由于惯性的关系，在短时间内还要继续向原来的方向进 行调节，使被控量超过给定值，从而产生符号相反的误差。故执行机构向反方向 动作。所以，被控量往往会在给定值两边摆动，因而实际的调节过程往往是一个 振荡过程。如为减幅振荡，则系统最终会达到平衡状态，即系统是稳定的，否则 系统是不稳定的。 控制系统调节过程的准确性，可用被调量动态误差和静态误差来表示。动态 偏差越大，偏离的时间越长，说明系统离开规定的生产状态越远，调节系统的准 确性越差。现代冷轧机要求咬钢时动态速降小，恢复时间短( 使动态速降恢复到 其稳态值的9 5 以内所需的时间) 。也就是说，要求系统的动态准确性( 亦即系 统抗扰能力) 要好。为了保证能顺利穿带，快速吸收自由活套，电动机动态速降 不能大于运行速度的1 5 。 静态误差是系统稳定后与设定目标的偏差，含有校正积分环节的速度控制系 统可以消除静态误差。 控制系统的快速性可用过渡过程时间( 调节时间) 和上升时间来表示。过渡 过程时间理论上是无限长的，但工程上一般以实际输出量x 。与给定输出量x 。的 相对误差不大于2 时，即认为过渡过程已经结束。 如要满足其快速性的要求，现代冷轧机的所有主、副传动均采用晶闸管供电， 晶闸管励磁，使控制系统的惯性大幅度降低，反应灵敏。与机组供电、机组励磁 的电控系统相比，其调节速度从几秒级降至零点几秒级，即快速性提高了几倍至 十几倍。主传动除采用晶闸管供电外，轧辊上、下分别由两台轴向串联的电动机 拖动，这样能使等效转动惯量比一台同容量的电机小，从而提高系统响应的快速 性。 在控制方式上，现代带钢冷轧机上传动速度调节系统一般还采用对负载扰动 信号有快速响应的三阶最佳控制系统。在有些冷轧机主传动速度调节系统中，采 用p i 调节器加状态与扰动量观测器的控制方案，使系统具有更好的跟随快速性 和扰动恢复性能1 5 j 。 为满足动态品质的良好，要求系统的控制调节器必须具有良好的性质。本控 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制系统在保证动态品质良好的前提下，最终将达到对轧制速度0 1 2 0 r e r a i n 的控 制和卷取张力的恒定控制，从而稳定地获得板带材表面质量在线监测系统的实验 参数。控制系统稳定、准确、快速，可以成为板带材表面质量在线监测系统研究 的实验平台。 1 4 本章小结 ( 1 ) 板带钢用途广泛，是钢铁生产的重要组成部分。 ( 2 ) 为了提高板带钢产品质量，必须进行板带材在线监测系统的研究。 ( 3 ) 为了进行板带材在线监测系统的研究，本课题研究了四辊可逆冷轧机的控制 系统。本系统将完成对四辊可逆冷轧机的轧制速度控制( 0 1 2 0 m m i n ) 和卷 取张力的恒定控制。 取张力的恒定控制。 东北大学硕士学位论文 第二章张力控制模型研究 第二章张力控制模型研究 2 1 直流拖动 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 动控制系统的重要执行元件，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。目前，在 生产的总电能中，大约有2 3 用在电力拖动上，单个电力拖动系统的功率可从几 毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变速机构 情况下可达l ：1 0 0 0 0 l “。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置 随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等等，各种控制系统往往都是通 过控制转速( 更本质地说，是控制电动机的转矩) 来实现的，因此调速系统是最 基本的拖动控制系统【4 】。 直流电机有三种调速方法【5 】： ( 1 ) 改变电枢供电电压调速： 当电枢电压改变时，机械特性将平行上下移动，转速随之改变。由于受电动 机绕组绝缘性能的影响，电枢电压的变化只能向小于额定电压的方向变化，因此 这种调速方式只能在电动机额定转速以下调速，其转速调节的下限受低速时运转 不稳定性的限制。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢 电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。 ( 2 ) 改变励磁电流调速： 他励直流电动机的励磁电流一般只能向小于额定励磁电流的方向变化，因此 磁通总是小于额定值，电动机的转速在额定电枢电压下都将高于额定转速，其机 械特性向上移动，减弱磁通升速，电动机的最高转速受电动机换向和机械强度的 限制，因此调节范围不大。减弱磁通调速虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 往往只是配合调压调速方式，在基速( 即电动机的额定转速) 以上做小范围的升 速。 ( 3 ) 改变电枢回路电阻调速： 一般是在电枢回路中串接附加电阻，只能进行有级调速，并且附加电阻上的 损耗较大，电动机的机械特性较软，一般应用于少数小功率场合。工程上常用的 主要是前两种调速方法。 东北大学硕士学位论文第二章张力控制模型研究 2 2 拖动系统的动态特性分析 拖动电机的定子回路产生磁场庐，通过转子在这一磁场下产生旋转力矩，传 递函数如图2 1 所示。 上蛎磊 叽j ) l 整堡：f 州 叫j 2 + 2 她j + q 2r + 图2 1 二阶环节方框图 f i g 2 1p a n em a po f t w o s t e pt a c h e 兵电雎万栏为： “( f ) = f ( f ) b + 上d 出i ( t ) + t ”( f ) ( 2 1 ) 式中 r 。电枢回路电阻； 三电枢回路电感： e 电动势系数 v ( r m i n ) 。 由转动惯量j = m p 2 2 等和电磁转矩m d = c 。i ( ，) 有： 哟一鲁：黑一a n ( t ) 3 7(22)5 d t c 卅q ”7 式中巴= k 矿9 8 称为转矩系数，单位为k g m a ( k 妒的单位为n 历a ，除 以重力加速度后，单位就成为k g m a ) 。d 为回转直径，g 为转动体重量。( 注 意到动态平衡方程m 。一m ，_ - d 衍o ，而2 2 n n 6 0 ) 为便于推导，先考虑负载转矩也= 0 。则上式电流对时间求导，得： 一d i ( t ) d ：黑掣(23)t3 7 5d t c 。 2、7 右 东靶大学硕士学位论文 第二章张力控制模型研究 三旦d 2 n 广( t ) + 显黑鱼盟+ 叫萨碑) (2。4)37 5 e ；d t 。3 7 5 巳d t 一 、 式( 2 4 ) 即直流电动机以电枢电压“0 ) 作输入爨以转速h ( ，) 做输出量的二阶 微分方程式。该环节有嬲秘惯性，一为电磁嫒性，另一为枫械惯性，因两鸯两个 时问常数棚：电磁时问常数t 。毒，机电时闯常数l = 3 g 7 5 d c 2 r c 卅s ，它们的单 位都是s 。极电时间常数中有飞轮力矩，传动系绞大小对已也竣有影响。考虑使 用和瓦，式( 2 4 ) 可敬成： 现设定 v t z 。了d 2 n q ) + 瓦警嘲) = e 1 蝴 善= 疰( 善为阻尼系数，最佳假为o 7 0 7 ) 魏。刁需i ( 为自然窝频率) = ( k 为黪态增益 o 。 劂式( 2 5 ) 可写成如下标准形式： ( 2 5 ) 可d 2 n ( t ) 2 熟警+ 婊2 嘲= 地2 喇 绉。6 ) 其拉氏变换形式为： ( s 2 + 2 地s + 蛾2 ) ( s ) = k q 2 ( j ) 式( 2 ，7 ) 可驽威传递函数形式 g 蜘器2 丽k c o 2 以下仅讨论辍尼为0 t 2 t 3 t l t z t 3 略小 调 节 b q i ；1 世。( f l 占+ 1 ) ( f 2 占+ 1 )r f i j + 1 k 。a p i 占订 f ，占 器 参 数 配 f l = 正 q = 五，f 2 = 疋z 1 = 五，毛= 疋+ l 合 ( 2 ) 校正成典型i i 型系统时调节器的选择 若控制对象的传递函数为 吲垆志 采用p i 调节器串联校正，其传递函数为 ( s ) = k p i 百v l s + l 按m 准则瞄1 1 设计时，取中频宝为h ，则 ( 3 3 ) 忡) 以嘲s ) = k p i 百。f f l sq 1 志2 足端 ( 3 4 ) 2 0 - 东北大学硕士学位论文 第三章卷取双闭环控制器研究 彭= 竽2 筹 铲最 校正后系统的开环传递函数便成为典型i i 型系统形式。与此类似，当控制对 象的传递函数为其他形式时，我们可以通过选择适当的调节器来达成典型i i 型 系统。常见的选择已归纳为表3 2 1 2 1 】： 表3 2 校正成典型i i 型系统时几种调节器选择 t a b l e3 2c h o i c e so f m o d i f y i n gt or e p r e s e n t a t i v ei is y s t e m k 、 足k 世 对 芷 ( 王5 - i - 1 ) ( l 5 + 1 )s ( t , s + 1 ) ( 正s + 1 )s ( t , s + 1 ) 吼s + 1 ) ( 五s + 1 ) ( t 5 + 1 ) ( l s + 1 ) 象 j ( 办+ 1 ) t i t 2 t lt z 相近 t 。t z 都较小t i t 2 ，t 3 调 符 b 。i ；1 ，i 1 s + 1 ( q j + 1 ) ( f 2 s + 1 )r g l s + 1 足。，型生 k a 纠 e jf ，s l j 嚣 器 参 q = 正 数 7 l = h tr l = 正 ( 或h t ：) t = 向( 正+ 正)q = ( 五+ 疋) 配 合 r 2 = 毛( 或t t ) 3 1 3 控制系统固有部分几种近似处理方法 固有部分是不包含调节器、系统其他部分的总称。实际工程上使用的固有系 统部分往往是比较复杂的，要把它们校正成典型，、上，型系统时，会使调节器的 形式相当复杂，实际实现比较困难。为此，对复杂系统的固有部分进行适当的近 似处理，予以简化，以便于工程上设计。 ( 1 ) 小惯性环节的近似处理 小惯性环节是指其时间常数的倒数都处于频率特征的高频段，当系统存在 两个以上这种环节时，可作近似处理，而不会影响系统的基本性能。例如，系统 的开环传递函数为 m ： 丝堕! ! ( 3 5 ) 、7 j ( 五+ 1 ) ( 正s 十1 ) ( 五j + 1 ) 式中正、正是小惯性时间常数，其开环数对数幅频特性如图3 1 所示。 东北大学硕士学位论文 第三章卷取双闭环控制器研究 2 0 d b d e c 图3 1 小惯性环节近似处理的对数幅频特性 f i g 3 - 1t h ec h a r a c t e ro f l o g a r i t h ms w i n ga n df r e q u e n c yw h i c hi sa p p r o x i m a t e l yd e a l e dw i t hb y l i t t l ei n e r t i at a c h e 小惯性环节部分的频率特征为 1 1 1 ( 1 + j c o t 2 ) ( 1 + j c o t 3 ) ( 3 6 ) 近似条件为瓦l 国2 茎1 。一般计算允许误差在1 0 以内，用近似条件可写成 脚2 斋或允许频1 丢执 考虑到在穿越频率敛附近的频率特征对系统性能影响最大，为了计算方便， 可认为近似条件是 取整数，得 哪岳= 熹压 吐纠壶 在此条件下三一。 ! ( 正s + 1 ) ( t 3 j4 - 1 ) ( 疋+ 正p 4 - 1 简化后的对数幅频特性如图3 1 虚线所示。 同理，若有三个惯性环节，可近似为 11 一一 ( 正j + 1 ) ( r 3 s + 1 ) ( t 4 s + 1 ) ( 如+ 五+ l ) 占4 - 1 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 东北大学硕士学位论文 第三章卷取双闭环控制器研究 条件为 q i 焉1 ( 3 1 1 ) 多个小惯性环节近似处理方法及条件可依次类推。可看出，小惯性环节的近 似处理实质上是系统的近似降阶。 另外，“小时间常数”不是指某一时间常数值的大小，而是与系统其他环节 的时间常数比较而言的。 ( 2 ) 时滞环节近似为一阶惯性环节 当时滞环节的时间常数很小时，可以近似看成是一阶惯性环节，即 e 一“丽1 ( 3 1 2 ) 由于。一：三： e y 5 其写成频率特性为 p 1 ”2 赢( 1 -；严+ 1 + 乃+ l ( t s ) 2 + t s ) 3 + 1 ) + j c o t ( 1 一三国2 r 2 + ) ( 3 1 3 ) 。! ( 3 1 4 ) 1 + j c o t 近似条件为o , 2 丁z 上! 国2 丁：三 21 06 1 0 显然，只要前一个条件就够了。仿前取整数后得 嚷焉1 ) 式中3 取自店- 2 2 4 的整数o ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 ) 大惯性环节的近似处理 大惯性环节的频率特征为 斋=丽斋_2，一arct莒ecoljcot 1 1 “刍么瑚。 ( 3 - ，) 一= f 2 = = = 一一 一一y u i j 1 ，j + 2 丁2 + 一 甜丁一。 式中 妒( ) 2 一a r c t g c o t o ( c o ) = 一9 0 。( 3 1 8 ) 条件为甜而。按吐考虑并取整数后，得q ； ( 3 1 9 ) 由于a r c t g tz7 2 。，似乎相频特性误差较大。但这样近似后，实际系统的 东北大学硕士学位论文第三章卷取双闭环控制器研究 稳定余量比近似系统要好，所以按近似系统多了一个积分环节，其稳定精度的提 高只是一个假象，因此在考虑稳态精度时，仍应采用原数学模型。 3 2 双闭环系统的动态设计 多闭环控制已是现代电力拖动控制系统结构的普遍形式，其中尤以转速、电 流双闭环结构应用最为广泛【2 1 1 。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始， 一环一环地逐步向外扩展。本文是先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然 后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节再设计转速调节器。 3 2 。1 电流环的设计 ( 1 ) 电流环结构的简化 设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用，它代表转速环 输出量对电流环的影响。 现在研究一下忽略反电动势对电流环影响的条件。为了简单起见，假定为理 想空载，即k ( s ) = 0 ，再将反馈g i 出点移到电流环内。 当l 正 1 时，反电动势作用的传递函数可近似为 五。叠。 ! 而奄鬲“赢= 杰 (320)r 毛五j 2 + 毛j + ir , s 2 + 乙jr , s + 1 ” 其近似条件可转化为 啦。去 z ， 式中q ，电流环的截止频率【1 5 1 1 2 1 1 。 ( a ) 2 4 东北大学硕士学位论文 第三章卷取双闭环控制器研究 ( c ) 图3 , 2 电流环的动态结构图及其化简 f i g 。3 2t h ed y n a m i cc h a r a c t e ra n dm o d i l y i n go f c u r r e n tc i r c l e 从而得到电流环的近似结构图，如图3 f 2 a 所示。 由于典型系统都是单位负反馈形式，因此遵循结构图运算规则，将其化简为 单位负反馈形式，如图3 2 b 所示。 最后，由于t 和瓦一般都比正小得多，可以当作小惯性环节处理，看作一个 惯性环节，取 罨= + 毛 ( 3 2 2 ) 则电流环结构图最终简化成图3 2 c 。 电流环可以校正为典型i 型系统，也可以校正为典型i i 型系统，选用哪种典 型系统取决于具体控制要求。若以超调小、跟踪性能好为主，则选择i 型系统。 若以具有较好的抗扰性能为主，则应选择典型i i 型系统。下面分别以两种典型 系统进行讨论。 ( 2 ) e g 流调节器结构选择和参数计算 ( a ) 按典型i 型系统设计 从图4 2 c 中电流调节器控制对象的传递函数可看出，为了把电流环校正成典 型i 型系统，显然应该采用p i 调节器，即呒。( s ) ：k , r , s + 1 f j 式中k i 电流调节器的比例系数 东北大学硕士学位论文第三章卷取双闭环控制器研究 2 t 电流调节器的超前时间常数，单位为s 。 且选 r ，= 正( 3 2 3 ) l d b a ) 2 0 j 0 ， 。、7 图3 3 校正成典型i 型系统的电流环 f i g 3 3t h ec u