（检测技术与自动化装置专业论文）基于智能控制的卷取张力系统的研究与应用.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 张力控制的好坏直接关系到产品的质量，智能控制技术在解决现代复杂被控对象的控 制上比传统控制技术有明显的优越性。在进行卷取张力控制时，传统p i d 控制器的参数往 往是针对固定模型进行整定，但是卷取中卷径的变化以及现场机械设备等不可预测的因 素，因此很难保持张力的恒定。在唐山建龙钢铁有限公司4 j | i 拉矫重卷机组的实际应用中， 我们应用矢量变频和t 4 0 0 工艺板的间接控制方式实现了恒张力控制，根据卷取张力控制 中的实时变化，对p i d 控制器的参数进行在线自调整和补偿控制，从而实现恒张力卷取控 制。 本文首先对介绍了拉矫重卷系统的工艺流程，包括开卷部分、拉矫部分、卷取部分。 接着分别介绍了矢量变频器6 s e 7 0 与t 4 0 0 工艺板的组成结构和原理，重点介绍了矢量变 频器的两种常见的控制方式和t 4 0 0 工艺板的特点，同时分析和对比了t 4 0 0 工艺板三种张 力控制方式：直接张力、间接张力、复合张力。最后重点分析了它的自增益算法和补偿控 制，以及提出将模糊控制系统和单纯形法两者结合起来，用单纯形法对模糊控制的量化因 子进行寻优，具有比常规p i d 控制器在张力控制中更好的控制特性。 关键词：恒张力；矢量变频：t 4 0 0 工艺板；补偿控制；单纯形法 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo ft e n s i o nc o n t r o li sd i r e c t l yr e l a t e dt op r o d u c tq u a l i t y i n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g yh a so b v i o u sa d v a n t a g e st oc o n v e n t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi ns o l v i n gt h em o d e m c o m p l e xc o n t r o lo b j e c t d u r i n gw i n d i n g t e n s i o nc o n t r o l ，d u et oc h a n g e si nd i a m e t e ra sw e l la s s o m eo t h e rf a c t o r sn o tb ed e t e c t e d ，i ti sd i f f i c u l tt om a i n t a i nc o n s t a n tt e n s i o nf o rc o n v e n t i o n a l p i dc o n t r o l l e rw h i c hi so f t e na p p l i e df o rf i x e dm o d e i n4 撑s t r a i g h t e n i n ga n dw i n d i n gs t r i p e d s t e e ls y s t e mo ft a n g s h a nj i a n l o n gi r o na n ds t e e lc o ，l t d ，w ea p p l ys i m o v e r t m a s t e r d r i v e sv e c t o rc o n t r o la n dt 4 0 0t e c h n o l o g yb o a r df o rt h ei n d i r e c tc o n t r o lm e t h o d t oa c h i e v et h ec o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l ，u s ep a r a m e t e r so n l i n es e l f - a d j u s t m e n ta n dc o m p e n s a t i o n c o n t r o li no r d e rt oa c h i e v ec o n s t a n tt e n s i o nt a k e u pc o n t r o la c c o r d i n gt ot e n s i o nc o n t r o l r e a l - t i m ec h a n g e s t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h es t r a i g h t e n i n ga n dw i n d i n gs t r i p e ds t e e ls y s t e m ，i n c l u d i n g u n w i n d i n gs e c t i o n , s t r a i g h t e n i n gs e c t i o n , w i n d i n gs e c t i o n a n dt h e ni n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o n a n dt h e o r yo fv e c t o ri n v e r t e r6 s e 7 0a n dt 4 0 0t e c h n o l o g yb o a r d ，e s p e c i a l l yt w oc o m m o n m e t h o d so ft h ev e c t o ri n v e r t e rc o n t r o la n dt 4 0 0t e c h n o l o g yb o a r dc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i l e a n a l y s i sa n dc o n t r a s tt h r e ek i n d so fc o n t r o lm o d eo ft 4 0 0t e c h n o l o g yb o a r df o rt h et e n s i o n ： d i r e c tt e n s i o n , i n d i r e c tt e n s i o n , c o m b i n e dt e n s i o n f i n a l l yi ta n a l y s i st h ea l g o r i t h ma n di t s s e l f - g a i nc o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，a n dp r o p o s et h ec o m b i n a t i o no ff u z z yc o n t r o ls y s t e ma n dt h e s i m p l e xm e t h o df o rf u z z yc o n t r o lo ft h eq u a n t i z a t i o nf a c t o rf o ro p t i m i z a t i o n ，i tw i l lb eb e t t e r t h a nt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri nt e n s i o nc o n t r 0 1f e a t u r e s k e yw o r d s ：c o n s t a n tt e n s i o n ；v e c t o ri n v e r t e r ；t 4 0 0t e c h n o l o g yb o a r d ；c o m p e n s a t i o nc o n t r o l ； s i m p l e xm e t h o d 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 立逝日期：趔亟f 塑3 日 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 张力控制系统是现代工业中，特别是冶金，造纸、纺织、印刷、化纤的各行业中广泛 应用的控制系统之一。张力控制的好坏直接关系到产品的质量问题。张力控制系统以张力 传感器或记数传感器为检测元件，磁粉制动器或磁粉离合器为执行元件，组成恒张力控制 系统。通过张力传感器或记数传感器检测收、放卷物料的张力和半径变化，与设定张力值 进行比较，从而自动调整磁粉制动器或磁粉离合器的激磁电流来保持卷料在收放卷过程中 的张力恒定。 在工控行业，特别造纸行业和纺织等行业张力控制系统结构简单，主要以快速处理的 d s p 张力控制器( 测力式控制器，浮辊式控制器，开环控制器、信号发送器、张力驱动器) 为主，包括张力传感系统、纠偏控制系统、离合器制动器、伺服系统等结构。在一些带状 和线状类的产品，经常需要控制张力来达到生产要求，张力控制器就是控制这类张力 的一种仪表，张力控制器是一种由单片机或者一些嵌入式器件及外围电路开发而成的 系统，是一种控制仪表，它可以直接设定要求控制的张力值，然后直接输入张力传感 器的信号( 一般为毫伏级别) 作为张力反馈值，通过比较得出偏差后，输入至u p i d 等控 制器进行处理，最好输出给外围执行机构去控制，最终达到偏差最小，系统响应最快 的目的。张力控制器还有所谓的手动控制功能，一般是指人为可以通过张力控制器给 定一定的输出量给执行机构( 经常为电机的电流量) ；一些张力控制器还带有卷径推算 功能，一般应用在卷取设备上，有放卷和收卷之分；另外还有锥度调节功能，可以在 控制器内部直接设定一些工艺上要求的卷取锥度。 特别是张力的控制大小，以及张力的松紧度不易控制，过紧的张力容易会造成带钢表 面的扭曲变形，甚至是断裂。不仅会影响产品的质量，而且在生产还会造成设备事故，严 重的造成人员伤亡事故。如果张力的控制紧度过于松散，就会影响带钢卷取的质量。 由于张力控制系统是是一个非线性、时变的控制系统，所以对于张力的控制会直接影 响到产品的质量。我们应该设置相应的张力，然后在卷取过程中，保持该张力值恒定，才 能得到好的产品。张力控制系统是复杂的系统，恒张力控制是卷取技术的关键。随着智能 控制理论的发展，新型的张力控制系统也得到应用，卷取张力自适应控制，还有模糊神经 网络控制系统等等都是张力控制系统发展方向。常规p i d 是基于偏差的比例、微分和积 分控制，控制原理简单、易于实现、鲁棒性强、适用面广，控制很难获得满意的控制效果， 随着人们对产品质量要求的提高，例如t 4 0 0 工艺板中应用补偿控制和自增益p i d 控制的 方法，主要思想就是在系统的参数发生变化时能够自动调整控制器的参数，从而适应控制 对象的特性变化，使被控对象的特性达到最优。而基于模糊神经网络的智能张力控制系统 由于不依赖于系统的模型，具有自学习、自适应能力，使得控制更加智能化和简单快捷。 但模糊控制器的参数( 量化因子和比例因子) 缺乏有效的调整方法，而只能依靠设计者的 经验和反复调试，因而整个设计过程缺乏系统性，造成模糊控制器的设计无法保证有最优 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 的控制性能。所以可以加入寻优方法如单纯形法优化模糊控制器的参数提高其控制性能。 1 2 国内外研究现状分析 目前国内外的传动技术普遍采取两种方式：一种是晶闸管供电的直流电动机传动系 统，但直流电机本身有其固有缺点，结构复杂，重量大，价格搞，不易维护，环节要求 高，对环境要求有很高，不适宜易燃易爆的地方，这些都与现代调速系统要求的可靠性 和可使用性、维护方便不相适应，所以难以适应现代交流传动系统；另外一个方面，随 着交流传动技术及现代控制理论的发展，交流矢量技术迅猛发展，特别是矢量技术和直 接转矩控制，基本上可以达到直流电机的精度，与直流电机看齐。如矢量变频s i m o v e r t m a s t e r d r i v e s 与t 4 0 0 工艺板的结合，实现恒张力控制，目前在钢厂广泛应用。还有 现代流行的智能控制技术也为传统的p i d 控制和矢量控制提供了有力的保证， 1 3 本课题的研究内容和探讨的问题 本课题对比分析张力控制的三种控制方式，其中就t 4 0 0 控制模块中的转动惯量补偿 控制算法和预控制( 前馈控制) 作了详细的分析。由于传统p i d 控制都是依赖于对象模 型，所以也讨论分析了当前流行的模糊算法，并提出了用单纯形法对模糊控制器的模糊因 子进行自寻优，从而提高系统的控制性能。其中模糊神经网络智能控制算法，自寻优算法 都是研究的热点。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 对唐山建龙钢铁公司4 拉矫重卷机组的结构和工艺说明作了介绍。 ( 2 ) 分别分析了矢量变频6 s e 7 0 和t 4 0 0 工艺模板的原理 ( 3 ) 对直接张力控制系统、间接张力系统、复合张力控制的原理进行了对比研究分 析； ( 4 ) 分析了t 4 0 0 中的自增益算法，补偿控制算法，探讨了模糊算法，并在此基础 上寻求出一种最优算法，以求更好的控制效果。 ( 5 ) 结合唐山建龙钢铁公司冷轧卷取的工程实际，理论分析，总结规律。 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 第二章卷取张力控制系统 2 1 张力控制系统概述 唐山建龙钢铁公司利用4 # 拉矫重卷机组对酸洗线之后的带钢原料进行重新卷取，拉 矫重卷之后，带钢的规格、厚度、质量更符合需求。投产后，带材年处理量1 5 万吨。其 中产品主要有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金结构钢。( 外购原料最大8 t ) 原料 规格尺寸如表2 1 所示： 表2 1 带钢工艺参数 带钢厚度 o 3 5 1 2 m m 带钢宽度 4 5 0 - 7 3 0 m m 钢卷内径由5 0 8 m m 钢卷外径由1 2 0 0 1 8 5 0 姗 钢卷单位卷重平均8 5 k g n n n 钢卷重量最大1 3 t 钢卷重量平均1 1 2 6 t 钢卷塔形 _ z 时，滑差补偿和j r 补偿起作用，厂 z 时电流限幅调 节器作用。 图3 4v f 控制模式 3 3 2 磁场定向开环环控制( 矢量控制) 用于高动态性能传动系统的频率控制( 无速度传感器) 、转速控制和转矩控制( 带速 度传感器) 。矢量控制方式可以达到与直流调速相媲美的控制性能，因为它能准确做到推 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 断和调节转矩电流和磁通分量，其调节频率为2 5 k h z ，利用这个矢量控制方式，预先给 定的转矩电流能准确地维持和限定。在调速范围1 ：1 0 以内，矢量控制可以不用速度传感 器且同电动机参数无关。但当对系统动态性能有高的要求是如调速范围大于1 ：1 0 的转矩 控制，低转速工作或高转速精度，则需要转速实际值传感器。如图3 4 所示无测速机矢量 控制，速度调节器、电流调节器双环控制等效直流电机的电枢电流屯，励磁调节器控制等 效直流电机的励磁0 。 图3 4 不带测速机的矢量控制 3 3 3 矢量控制变换算法 在三相静止坐标系中a 、b 、c 变换成两相静止坐标系( 口，) ；简称3 2 变换，或是 将两相静止垂直坐标系( 口，) 变换成两相同步旋转由坐标系，简称v r 变换。设两种坐标 变换均服从“等功率”变换。 所谓通用矢量描叙，是指三相物理量可以用一个空间旋转矢量在三个静止对称轴 ( a ，b ，c ) 上的投影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量即称为通用矢量。以三相对称电 路系统中的三相电流为例进行具体，图为三相电流屯，t 及其通用矢量，表示。 设三相电流瞬时值分别为屯，如果三相绕组是星型不带零线接法，则 屯+ + t = 0 ，“等功率正交坐标变换。 第1 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - - _ - _ - _ - 一 b c a 图3 2 坐标系( a ，b ，c ) 与坐标系( 口，) 其变换公式三相到二相3 2 变换有： i ： = l 2 以 2 ( 3 1 ) r1 附| ： 麴 2 ， l i t j 经过3 2 变化后，通用矢量，在两相垂直静止坐标系( 口，) 以角频率彩旋转。再经过 第二类变换，将通用矢量，变换到以角频率彩同步旋转的由坐标系中，因此分量、 的长短不变，相当于直流电机的两相绕组直流磁通势。但由于g 轴与口轴的夹角矽随时间 变化，因此、知和、之间存在以下关系。 p q 弋 少 八伊9 图3 3 坐标系( 口，) 和坐标系( d ，q ) 初始条件下，g 轴与口轴的夹角为伊，两相静止到两相旋转坐标系的变换 r_j 乞厶乞 1r。， 。一2压一2 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 阱 三甜纠 3 ， 两相旋转到两相静止坐标系的变换 阱窿：例 4 ， 3 4t 4 0 0 工艺板介绍 t 4 0 0 工艺板是西门子s i m a d y n d 全数字控制系统的新一代工艺类产品，采用的是 3 2 位的s i m a d y n d 处理器，具有极高的运算能力和强大功能，主要用在复杂高精度和 高速控制时，无论在工作性性能上或物理结构上，都大大优于上一代产品t 3 0 0 ，可以装 置在交流变频器中，通过这两种驱动器的双口r a m 快速的对其进行高级工艺控制。由于 t 4 0 0 模板直接装在s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s ，省去了s r t 4 0 0 机架，速度跟快。t 4 0 0 模块的最快执行周期小于0 8 m s ，运算为浮动小数。并且与主控模块和通讯模块同步。 t 4 0 0 模块包括2 个串行接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ) ，利用u s s 协议或p e e rt op e e r 协议建 立起速率达1 8 5 7 k b i t s 数据通道。输入输出端口：两个模拟量输出，5 个模拟量输入，2 个开关量输出，8 个开关量输入，4 个双向开关量输入或输出，2 个带有零脉冲的增量编 码器h t l ( 1 5 v ) 编码器。除了具有多个模拟和数字端子、t 4 0 0 工艺板还提供了两个用 于h t l 或t t l 信号的增量编码器，增量编码器和绝对式编码器所准备的位置和速度功能 块可有效地应用于位置定位和速度检测。 从硬件来看，t 4 0 0 工艺板只是一块单板计算机，西门子为其设计了三套标准软件包 ( 角同步控制、卷取控制、剪切控制) ，能够满足所在领域广泛的应用。如有需要，还可 以用c f c 软件对这些软件修改，可满足用户系统的特殊要求，参数配置包括输入各种设 定值、选择运行模式和附加功能等。 在电气传动中，卷绕操作特别像卷取张力等控制在实际中应用非常频繁，所以基于 d s p 控制的t 4 0 0 张力板为实现高性能卷绕控制更加方便，通过使用可自由配置参数的标 准软件，降低编程的费用和时间。s p w 4 2 0 轴向卷绕可以简单而迅速的完成卷绕机的控制 功能，它包括s i m a t i c 系统的s t e p 7 、c f c 软件和s i m a d y n d 系统软件d 7 s y s 编制 而成，它是一种分布式控制方式，是专门为t 4 0 0 工艺板实现卷绕张力控制设计的。 s p w 4 2 0 标准软件用于完成高性能卷取机和开卷机控制，主要应用在箔材生产机械、 印刷机、镀膜机、纺织机、纸张精整机、拉丝机和卷绕机等。 1 根据具体的材料使用相应的卷绕和检测技术： 1 ) 间接闭环张力控制； 2 ) 直接闭环张力控制：转矩控制取代速度控制( 控制电机转矩) ，速度矫正技术( 张 力控制速度设定点) ，常速控制； 3 ) 为了获得高速度和稳定的控制，张力和速度控制的增益与卷径相适应； 4 ) 可根据直径的变化确定卷绕特性曲线，以它来控制卷绕的松紧度，提高卷绕质量。 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 预控制( 补偿控制) ，包括： 1 ) 与速度相关的摩擦补偿； 2 ) 与卷径、卷材宽度、变速分级和材料密度相关的惯性补偿； 3 ) 与卷径和张力设定点相关的张力预控制，以使响应时间最短； 4 ) 利用开环控制功能，计算卷径卷材长度，计算两个“变速分级之间的转换，运 用了可自由连接的软件功能块以满足特殊应用的需要，过程数据可通过特殊参数设定技术 ( b i c o 技术) 自由连接。 3 操作模式 1 ) 适用于带或不带飞行换辊( 用于机械转换辊) 的卷绕机； 2 ) 本地控制，例如点动、定位和爬行； 3 ) 带制动的无超调停机( 用于快速停机) 。 4 通信和测量值检测 在把数据传送给基本传动装置时，可以选用p r o f i b u sd p 、p e e rt op e e r 、u s s m a s t e r - s l a v e 和数字模拟量输入输出这几种数据传输方式中的任何一种；可以连接张 力传感器、张力调节辊或连接两个脉冲编码器来测量电机速度和卷材速度。 5 监控 1 ) 卷材断裂检测； 2 ) 自动的间歇识别和间歇张力输入； 3 ) 所有通信接口的监控； 4 ) 与报警和故障有关的开环控制； 5 ) 自动防止卷材松垂。 6 硬件和软件实现 标准s p w 4 2 0 是专门为t 4 0 0 工艺模板设计的，当控制卷取，无需用户自己再编程序。 可以插入s i m o v e r tm a s t e r d r i v e s6 s e 7 0 交流变频器和s i m o r e gd c - 一m a s t e r 6 r a 7 0 直流调速器，也通过s i m a d y n ds r t 专用机架连接；可以通过调试或监控软件 修改一些参数，可以使其满足应用的需要，并且支持图形化程序。 t 4 0 0 的标准s p w 4 2 0 软件包实现张力控制输出的原理图如图所示 张力给定 h 2 图3 4 张力输出 出 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 3 5t 4 0 0 工艺板与传动装置的数据交换 ( 1 ) t 4 0 0 可以向c u v c 传送1 0 个字( 2 个控制字+ 8 个给定值) 如表3 1 所示 表3 1 t 4 0 0 向c u v c 传动1 0 个字的过程数据 c u v c 的入口默认的连接的数据名称c u v c 的出口 控制字1 ( c o n t r o lw o r d l )b 31 0 0 - b 31 0 5 h 5 0 0 ( 默认值k r 0 3 0 3 ) 速度设定值( s p e e ds e t p o i n t ) k 3 0 0 2 ( b 3 2 0 0 - b 3 2 1 5 ) h 5 0 7 ( 默认值k r 0 3 0 4 ) 空k 3 0 0 3 ( b 3 3 0 0 - b 3 31 5 ) h 5 0 0 ( 默认值k r 0 3 0 5 )控制字2 ( c o n t r o lw o r d 2 ) k 3 0 0 4 ( b 3 4 0 0 b 3 4 1 5 ) h 5 0 1 ( 默认值k r 0 3 0 6 )转矩附加设定值 k 3 0 0 5 ( b 3 5 0 0 - b 3 51 5 ) h 5 0 2 ( 默认值k r 0 3 0 7 )转矩正限幅 k 3 0 0 6 ( b 3 6 0 0 - b 3 6 1 5 ) h 5 0 3 ( 默认值k r 0 3 0 8 )转矩负限幅 k 3 0 0 7 ( b 3 2 0 0 一b 3 2 2 0 ) h 5 0 4 ( 默认值k r 0 3 0 9 )转动惯量可变部分k 3 0 0 8 ( b 3 2 0 0 - b 3 2 21 ) h 5 0 5 ( 默认值k r 0 3 1 0 )空 k 3 0 0 9 ( b 3 2 0 0 一b 3 2 2 2 ) k 3 0 0 8k 3 0 0 9k 3 0 1 0 ( 2 ) c u v c 向t 4 0 0 传送1 0 个字( 2 个状态字+ 6 个实际值) 如表3 2 所示 表3 2 c u v c 向t 4 0 0 发送8 个字的过程数据 c u v c 的出口 t 4 0 0 入口 默认值( 名称)监视 p 7 3 4 0 1 k 0 0 3 2 ( 状态字1 ) k 4 5 4 9d 5 4 9 p 7 3 4 0 2 i ( i ( 0 1 4 8 ( 速度实际值) k r 0 5 5 0d 5 5 0 p 7 3 4 0 30 ( 空闲字1 )k r 0 5 5 1d 5 5 1 p 7 3 4 o d 0 ( 状态字2 ) k 4 5 5 9 ( b 2 6 6 0 一b 2 6 7 5 )d 5 5 2 p 7 3 4 0 5 k 0 1 6 5 ( 力矩设定) k r 0 5 5 2d 5 5 3 p 7 3 4 0 6 k 0 0 2 4 ( 力矩实际值) k r 0 5 5 3d 5 5 4 p 7 3 4 0 7 0 ( 空闲字7 ) k r 0 5 5 4 d 5 5 5 p 7 3 4 0 8 0 ( 空闲字8 )k r 0 5 5 5d 5 5 6 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 第四章t 4 0 0 张力控制方式 4 1 卷绕机构的卷绕特性 我们知道，在卷绕结构的卷取控制中，张力的恒定控制直接关系到卷取的效果和产品 的质量。在张力卷取过程中，控制传动电机转速，使卷筒的线速度k 与转向辊的线速度 形的差值恒定，保证卷取过程中带钢张力恒定。即把对系统张力的控制转化为对电机转速 的控制，对系统的设计转换为对速度调节器的设计【5 卅。 图4 1 张力卷取示意图 在卷取过程中，如果保证卷筒线速度巧转向夹送辊的线速度k 的差恒定为零，那么 由公式r = 竿e ( k 一) 出( 胡克定律) 可得，式中e 为带材的弹性模量，万为带材的截 i 面积，为卷筒与夹送辊之间的距离，t 为卷取结构的建立张力时间。卷取的张力可以保 持恒定。其实现方式夹送辊的线速度k 为基准，通过实时检测卷筒卷径_ d 的值，由公式 k d 得出卷筒的转速，以此转速除以减速机的减速比，得出传动电机的速度给定值，以 此值来控制传动电机的转速，实现恒张力控制。卷取机作为控制对象是一积分环节，在刚 开始穿带时，带材在给定值张力下，不断地加速运行，需要不断调节筒的线速度巧，对 系统进行加速度产生的能力进行转矩补偿；当卷取系统稳定之后，根据胡克定律则需要对 k 进行不断调节，保持张力的稳定，无论是夹送辊线速度k ，还是卷筒的线速度匕，有任 何波动，都将引起带材的卷取张力波动n 们。 卷取张力恒张力控制一般分为开环控制和闭环控制：开环控制就是由于没有回馈环 节，所以要运用间接控制的方式进行控制，以获取近似的恒张力控制；闭环控制具有张力 传感器，易实现张力控制，但依赖于张力回馈单元。卷取恒张力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。张力控制方式通过h 2 0 3 参数设定：为o o 时间接张力控制，为1 0 时直接卷取控制，为2 o 时带张力辊复合控制。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 9 页 4 2 直接张力控制 如图4 2 是西门子公司矢量变频c u v c 结合t 4 0 0 张力控制工艺板的直接张力卷取图。 直接张力控制方式中，设置有张力检测元件和张力控制环，利用张力检测元件的检测信号 与张力给定值信号比较，经张力控制环后输出张力信号，与张力预控制相加，送入到乘法 器，让后与补偿转矩一起控制电流调节器输入的限幅值；给定线速度与实际转速经过转换 经过双闭环调节器控制电机的转速。 l 一一一一一一一一一一一i 图4 2 带张力辊的直接卷取控制 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 如图4 2 所示中直接卷取张力控制由矢量变频( c u v c ) 和t 4 0 0 组成，分为两大部 分：其中第一大部分为矢量控制部分，第二大部分为t 4 0 0 模块。 张力的给定和线速度的给定，通过外部模拟量给定 速度的实际值统过脉冲编码器测得。 1 ， 带钢直径d 血，钢卷直径是卷取张力控制系统中非常重要的一个参数，其测 ，k 量方法也有多种，钢卷直径计算的精确度关系到张力控制的稳定性。但是由于在实际生产 中带钢在带张力运行时张力波动会引起带钢弹性变形波动，机组各种振动会导致带钢与张 力辊接触面的摩擦状况变化等会使得带钢的直径的测量不准确。 速度给定在速度调节器的前面加上饱和限幅设定，饱和限幅设定主要用于速度 调节器给定。 张力实际值经过张力传感器反馈测定，变成标准模拟信号。 如果带材断裂或者塌下，速度控制器起作用，能够防止进一步加速，通过控制 圆周的线速度和饱和限幅设定。当检测到带材卷取故障信号时，卷取电机能够自动停止卷 取系统。 张力控制器比较张力的设定值和实际输出值( 在一定的情况下，还需要使用滤 波器) ，然后输出一个准确的信号。 张力控制器的输出信号和张力预设值叠加，然后和实时直径d 相乘，用于对速 度控制的输出进行限幅。( 其中最大的直径和最大的张力设定决定最大的力矩限幅。) 张力控制器输出限幅。 补偿的力矩由摩擦力矩和加速度力矩，和额外的附加力矩组成，对电流调节器 的输入进行限幅。 卷取时电机逆时针旋转，为正力矩限幅，开卷时，为负力矩限幅。 当带材穿带时，能自动的从闭环速度到闭环张力控制。在这种情况下，刚开始加速时， 带材穿带速度为标准的线速度设定输入。当张力给定时，相应的力矩限幅被建立。当张力 建立后，能够自动控制卷取机。图4 3 所示直接张力控制转矩特性，刚穿带时，卷矩恒定， 带钢加速运行。穿带完之后，转矩随着直径d 的增大而增大，当带钢突然断裂时，转矩 会直线下降，并且通过限幅进行补偿。 武汉科技大学硕士学位论文 第2 l 页 d m 孤 一；r 补偿 开 图4 3 直接张力控制转矩特性 4 3 间接张力控制 间接张力控制系统如图4 4 所示，系统没有张力检测单元，对张力的控制是通过间接 控制影响张力控制的主要因素线速度，在这里我们应用了胡克定律公式，达到恒张力控制 的目的。给定线速度屹除以实时直径d 与实际转速作减法结果送到速度控制器的输 入端，进行双闭环控制，z 二张力单独设置，与直径d 相乘，对电流调节器的输入进行限 幅控制。间接张力控制涉及多个参数的控制如电流、电枢反电势反馈、卷径等，所以一般 需要采用多闭环的控制方式来实现。 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 转向辊 图4 4 间接张力卷取控制图 张力和线速度的给定，通过外部模拟量给定。 速度的实际值统过脉冲编码器测得，h 0 9 3 = 2 2 8 ，本控制系统中带材线速度检测 元件为光电编码器，光电光电编码器每秒1 0 2 4 个脉冲，接在t 4 0 0 板的2 号光电编码器的接 线端子上。x 1 0 3 ：2 3 用于脉冲编码器的参考电位；x 1 0 3 ：2 4 通道a ，x 1 0 3 ：2 5 通道b ，x 1 0 3 ： 2 6 零脉冲，x 1 0 3 ：2 7 监控输入( 用于测速机监控) ，x 1 0 3 ：2 8 ：+ 1 5 v 1 9 0 m a ，用于脉冲 武汉科技大学硕士学位论文 第2 3 页 编码器电源。 1 ， 带钢直径d 幺，在实际卷取主传动变频控制器中我们使用了t 4 0 0 工艺板间 接张力控制方式来完成带钢卷径计算功能，在这种控制方式下，带钢卷径实时计算的准确 性对张力控制影响很大。 速度控制器的给定由速度设定、相应的实际速度和饱和限幅设定，饱和限幅设 定主要是在带材断带或者松弛时，防止卷取电机一直加速度运行，出现卷取故障。此处为 正力矩限幅，如图中所示，通过选择的张力达到特定的力矩限幅。 通过适合的张力设定值限幅控制电流控制器的输入。 间接张力控制的转矩是张力设定值和实时直径d 的乘积。( 最大转矩取最大的 张力设定和最大的直径时) 当给定转矩时，为了能够保持一定的带钢张力。必须精确的补偿摩擦力矩m ，和 加速度力矩m 疗，其中摩擦力矩存在整个过程中，转动惯量补偿在带材加速时能启动制动 的效果，而在减速时能起到加速的效果。 如果带材断裂或者塌下，通过速度控制器能够防止进一步加速，速度控制器的 输入主要由夹送辊速度的给定、饱和限幅设定和速度反馈的实际值构成。当检测到特殊故 障信号时，卷取电机能够自动停止卷取系统。 当带钢穿带时，系统自动地从闭环速度控制转到张力控制，张力给定逐渐增大，与直 径d 相乘，作为转矩，对电流调节器的输入进行限幅，当卷取时进行正力矩限幅。图4 5 所示间接张力控制转矩特性与图4 3 所示直接张力控制转矩特性一致。 _ r 补偿 矗 图4 5 间接张力控制转矩特性 4 4 复合张力控制 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 第2 4 页武汉科技大学硕士学位论文 个三环控制系统。给定线速度与位置控制器( “张力控制器”) 输出进行求和运算，再 减去实际转速以删进行双闭环控制。图4 6 所示是西门子公司矢量变频c u v c 结合t 4 0 0 张力控制工艺板的复合张力卷取图m 。 转向辊 i 一 图4 6 复合张力控制卷取图 武汉科技大学硕士学位论文第2 5 页 线速度的给定，通过外部模拟量给定 速度的实际值统过脉冲编码器测得，分两路，一路到达变频器速度控制器，一 路通过t 4 0 0 的串口到达存贮器r a m 进行运算。 1 | 带钢直径d 垣。 刀耐 张力辊位置的实际值通过端子送到t 4 0 0 控制器； 张力辊位置信号预控制( 前馈控制) 。 位置控制器的作用相当于张力控制器，它与变频器的线速度给定共同作用速度 调节器的输入。一般来说，张力控制器的输出对于速度控制器有一个比较小的影响，并且 可以通过张力控制器的输出进行限幅，如果位置的作用过大，如带钢断带，张力辊辊轴会 立即向下移动，位置控制器进入输出限幅，所以不能再维持张力辊位置平衡，输出通过 h 19 5 参数进行选定。特殊情况还可以停止主传动系统。 转矩补偿主要由摩擦力矩补偿和加速度力矩补偿，用在速度控制器之后，一般 说来，对于带张力辊控制，摩擦力矩补偿是不需要的，有时转矩补偿也不需要。 对于一个带张力辊的卷绕机构，正常情况下，没有外加的张力设定，在图中我 们将张力控制的输入引入了t 4 0 0 工艺板，使用了它的开环控制，主要用来适时调节气动 调节辊。 带钢穿带时，系统通过给定线速度进入速度闭环，然后迅速进入电流环，当带钢进入 入口夹送辊以后，通过张力辊的上下移动调节张力的大小。张力辊上下移动的幅度通过 t 4 0 0 输出0 1 0 v 模拟信号进行调节。刚开始，张力的大小刚保持稳定，当直径达到一定 值时，随着直径的增大而减小。图4 7 所示复合张力控制转矩特性，穿带时，转矩随着直 径d 的增大而增大，当带钢突然断裂时，转矩会直线下降，并且通过限幅进行补偿。 图4 7 复合张力控制转矩特性 第2 6 页武汉科技大学硕士学位论文 表4 1 三种张力控制方式对比 控制方式直接张力控制 间接张力控制复合张力控制 是否有张力检测 有 无有 元件张力辊 有无张力控制环有 无 有 有无力矩限幅有 有 无 对摩擦力矩、加速度力 对摩擦力矩、加速度力矩补 矩补偿控制，转动惯量转动惯量自增益控制，双 控制算法偿控制，转动惯量自增益控 闭环矢量控制 自增益控制，双闭环矢 制，双闭环矢量控制 量控制 不仅具有直接张力控制 张力控制精度理论上可减少了张力辊及相应的检的精度，还具有间接张力 优点 以实现零误差控制测元件，降低了系统成本控制方式的快速性能和 跟随性能 控制精度依赖于张力检 测单元，如果现场环境 恶劣复杂( 如酸雾、粉控制方式复杂，比直接张力投资成本大，尤其是气动 缺点 尘) ，就会影响张力检控制精确低，但随着计算调节张力辊，控制方式更 测单元的精度，张力控机、d s p 及矢量变频的发展，为复杂 制的精度精确大大提高。 4 5 小结 本节首先以胡克定律分析张力控制系统的原理，带钢在稳定穿带时，必须保持带钢的 入口夹送辊线速度和转筒线速度的同步控制，然后重点介绍和分析了张力控制三种方式： 直接张力控制、间接张力控制、复合张力控制方式的结构和原理，以及各自的优缺点。 武汉科技大学硕士学位论文 第2 7 页 第五章卷取张力控制系统的智能算法原理 在上一章中，我们讨论了张力控制的三种方式，三种控制方式各自有优缺点，其中间 接张力控制对摩擦力矩、加速度力矩进行补偿控制，转动惯量自增益控制和双闭环矢量控 制，在唐山建龙钢铁现场中，我们对甜拉矫重卷机组的开卷部分和卷取部分控制都采用 了t 4 0 0 间接张力控制方式，通过控制带钢的线速度间接控制张力的恒定。带钢在卷取的 时候，直径d 随着带钢卷取的不断增加，从而会导致转动惯量的变化，使张力控制系统 的被控对象的传递函数发生了变化，常规p i d 控制由于依赖系统模型，所以不能满足带 钢卷取控制效果。t 4 0 0 模块应用了转动惯量自增益控制很好的解决了直径变化带来的影 响，在实际运用投产中，取得预期的效果。增益自调节p i d 控制张力目前流行的有两种 设计方法：其中之一就是以西门子公司t 4 0 0 为核心的转动惯量自增益控制，在线实时调 整系统参数，达到同步补偿惯性转矩的目的；另外一种就是事先建立好一定的系统模型， 该模型由于开放性广，一定程度能够消除系统参数变化带来的对控制系统的影响，但是在 实际项目中，各种参数由于不能预测，耦合性程度也无法判断，所以有时候也很难达到预 期的效果。 要保证卷取过程的平稳性，必须在带钢加速、减速、启动、停车等阶段都要保持张力 的恒定，需要对转矩进行补偿。带钢刚启动时需要克服静摩擦力矩，正常运行时需要克服 滑动摩擦力矩，而且系统在发生状态变化时，如加速、减速、停车都需要根据系统的参数 进行惯量补偿，并且不同的状态时刻补偿的系数也不同。加速时，需要附加正的动态力矩， 补偿需要吸收能量，减速时，需要附加负的动态力矩，补偿卷取结构的释放的能量。在 t 4 0 0 三种张力控制方式中，也运用到先进的预控制思想，对张力的给定值和扰动量都进 行了补偿控制。 5 1 张力控制系统的增益自调度p i d 控制算法研究 我们对恒线速度张力控制的p i d 的控制算法进行分析，对p i d 参数的整定时，并没 有考虑系统的参数改变的情况，而是假定系统的参数是定常时不变系统，实际情况是随着 带钢不断被卷绕到卷筒上，卷筒的总的转动惯量不断增大，折算到电机传动轴上，将会使 电机的机电时间常数最大变化倍数达到6 陪，反映到系统中就是过渡时间变长，系统 的振荡加剧( 也就是系统的稳定裕量变小) 0 9 。 为了了解增益自调度张力控制p i d 调节器的设计原理及其控制算法， 第2 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图5 1 双团环调速系统的动态结构图 a s i 卜转速调节器；a c i 卜电流调节器； e ( s ) 为转速给定电压，v ；w ( j ) 电流给定 电压，v ；r 为转速反馈滤波时间常数；为电流反馈滤波时间常数；为晶闸管装置平 均失控时间常数；r 交流电机绕组电阻，q ：为电磁时间常数；k ( s ) 为负载电流，a ； 乙为机电时间常数；c e 为直流电机在额定磁通下的电动势转速比；n ( s ) 为转速，胛；口 为转速反馈系数；为电流反馈系数；s 为频域变量【1 9 1 。 先对双闭环控制系统结构图进行分析，在图5 1 的双闭环调速系统结构框图中，可以 看出，由于机电时间常数乙在o g n j , b j 不，所以可以先将乙看成不变量，一般情况下希望 超调量不超过4 3 ，并且能使电机大电流快速启动，所以电流环的设计还是按照典型的i 系统设计，近似为一个一阶惯性环节，形式校正为丽丽k 。当转速环的截止频率 邪毒电流环惯性时间常数近似为2 廷t 此时系统的速度环结构图5 2 所示。 i a z ( s ) 残 _ 卜 图5 2 转速环的动态结构图 在前面，速度环节是按照典型的i i 型系统进行设计的，当带钢刚开始卷取时，随着 带钢的不断卷取，直径d 不断增大，系统的惯性越大，转动惯量逐渐增加，相当于改变 武汉科技大学硕士学位论文第2 9 页 了系统的结构模型，所以常规p i d 控制器不能满足控制的要求，需要对控制器的参数进 行自调整，转动惯量自适应控制能够根据直径的实时变化，改变系统的参数，特别是速度 控制器p i d 的比例系数。 a s r 选用p i 调节器，传递函数： = 疋警 ( 5 1 ) 疋转速调节器的比例系数 l 转速调节器的超前时间常数 将图中的两个滤波环节合并，近似一个惯性环节。有 岛2 t + 2 t e 。 ( 5 2 ) 则图2 6 转速环节的开环传递函数为 呢( s ) 2 承k 面a r 丽( r s + 1 ) ：鱼亟兰! ! ( 5 3 ) s 2 ( 码。s + 1 ) 式中开环增益 2 历k a 覆r ( 5 4 ) 1 冬= j ( 5 5 ) ( 5 6 ) 按照i i 型系统随和抗扰性能较好的原则参数进行整定得 丁= 熙 ( 5 7 ) 一疗 k = 互丽h + l ( 5 8 ) 由公式( 5 4 ) 、( 5 7 ) 、( 5 8 ) 可得到速