（计算机应用技术专业论文）彩色钢板生产线关键控制技术研究与应用.pdf

北盘机槭 j 北自动他i 辨究所删 研究生坼北论义 彩色铜板生产线关键控制技术研究与应用 摘要 彩识涂层镪板囊产技术蒎褥予冶袅工潼 豫学工效秘撬藏设餐蘩 造 鼗 是上述三个行鼗释学技术翡撩作巍爆 其中终动控铡技术梵整令农产 系统控制的基础 论文通过澍连续彩涂叛交滚变频谖速掩秘垒产线备陂张力粒速度控 裁瓣要求耱特点耱磷究 蘩重分耩解决了开峻卷裁瓣张力控制毅张力枣 偿 方案 滔套控制中的张力补偿方案 速度辊对间的负荷平衡控制 以及为 实琥各浚速度阕速度璃步辩活套酶调节控钱镣 诧拜 凳了实现辩嚣涂嫫薄炉志繁键悬蘩状态爨p i d 控裁 率论文还 借助d d e 动态数据交换 技术完成了p i d 控制嚣参数整定计算稷序 和 a l l e n b r a d l e y 酌上德视簸控软彳串r s l i n x 穗嚣阉数据交换 p i d 控制器参 数熬定计簿覆 竽豹入蕊交蕊赛瑟稻d d e 逶舔糕痔块趱w i n 3 2a p i 缡器燕隧 实现参数整定计算蚋程序块用m a t l a b 谖言缀程实现 通过m a t l a b 与c 的 接黼在w i n 3 2a p i 糕序中对箕进行调爝 该獠序实现了p i d 控制器参数的 嵩绒整定诗算戳及隧抟 缭短了系统p i d 控镪器的滔试时闻 掇高了p i d 控制器控铡熬稳定燃 减少鼯镧农炉内发生振荡 关键调 彩魏涂屡镪叛张力控制受蕊乎辚速度嗣步 p i d 控制器参数离线熬定d d e 苎壅塑丝兰些 垫丝竺壅堕竺 型塞竺堡些堕竺 t h e s t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h ek e yp r o d u c i n g t e c h o n o l o g ya b o u tc o l o u rp r e c o a t e ds t e e l a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo f c o l o rc o a t i n gl i n ei sb a s e do nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y c h e m i c a li n d u s t r y a n dm a n u f a c t u r i n g i ti st h es y n e r g e t i ca p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yi nt h e s et h l e ei n d u s t r i e s t h e d r i v i n gm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h eb a s i ca n di m p o r t a n tt e c h n o l o g yo f t h es y s t e m b yr e s e a r c h i n gt h ef e a t u r e so f m o t o rt o r q u ec o n t r o la n dm o t o rs p e e dc o n t r o li nt h es y s t e m t h e p a p e rp r e s e n tt h em e t h o d so ft e n s i o nc o n t r o la n dt e n s i o nc o m p e n s a t i o no fw i n d e ra n d a c c u m u l a t o r s t h el o a d sb a l a n c eo fs p e e dr o l l e r s a n dt h ea d j u s t m e n tt oa c c u m u l a t o ri no r d e rt o s y n c h r o n i z et h es p e e do f d i f f e r e n ts e g m 印t i no r d e rt oc o n t r o lt h eo v e r h a n gl i n eo fs t e e lb e l ti nt h eh e a t e rb yp i dc o n t r o l l e r t h em e t h o d o fo f f l i n ep i dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o ni s a p p l i e d d d ei su s e dt ot r a n s f e rt h e s a m p l i n gd a t aa n dt h ec o m p u t e dp a r a m e t e r s a sar e s u l t b e t w e e np i dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i n g p r o g r a ma n dr s l i n xw h i c hi st h em o n i t o ro fr u n n i n gp l ci nr e a l t i m e n mp i d p a r a m e t e r s c a l c u l a t i n gp r o c e s si sp r o g r a m e dw i t hm a i a l a bl a n g u g ea n di sc a l l e di nw i n 3 2a p ip r o g r a m s b yu s i n gt h ei n t e r f a c et ocl a n g u a g e t h i sm e t h o dd e c r e a s et h et i m eo fa d j u s t i n gp p a r a m e t e r a n dm a l e si tp o s s i b l et or e d u c et h ev i b r a t i n go f s t e e lb e i t c o l o u rp r e c o a t e ds t e e lt e n s i o nc o n t r o l t e n s i o nc o m p e n s a t i o n s p e e ds y n c h r o n i z e l o a d sb a l a n c e d d e o f f l i n ep r d 队r a m e t e r sc a l c u l a t i o n 北京机械 i 业自动化研究所填十研究m 毕业论文 第一章引言 1 彩涂板及彩涂板生产线技术发展与现状 1 1 彩色涂层板简介 彩色涂层钢板是近5 0 年来在国外发展很快的一种新型金属材料 是 预涂层板 p r e p a i n t e dm e t a l 的一种 其以冷轧板 电镀锌或热镀锌 板为基板 首先对基板表面进行脱脂 去除带钢表面的轧制油脂及尘土污 物 然后在于净的表面进行化学转化处理 在钢板表面形成一层化学转化 层 该转化层能提高涂料的附着力和防腐蚀性能 然后再在该层上涂敷初 涂涂料 并经烘烤后再涂敷专门的精涂涂料 再次烘烤后剪切而成板状或 卷状 其不仅具有色彩靓丽 耐腐蚀性强及具有钢板原有强度的优点 而 且与传统的 先加工后涂装 型后涂层板 p o s t p a i n t e dm e t a l 相比 更具有环保优势 消除了有机溶剂 脱脂剂 磷化剂等化学药品对环境的 污染 也免除了板材后续加工商的一系列工序 彩涂板的发展历史可以追溯到1 9 3 6 年 当时采用醇酸涂料 宽度5 0 m m 的带钢 9 m m i n 机组速度用顺涂的涂敷方式生产威尼斯百叶窗 从上世纪 5 0 年代开始 随着涂料工业的发展 带钢连续机组机械设备水平的进展以 及冷轧产品质量的提高彩色钢板生产得到迅速发 同时在各国经济的迅猛 发展过程中人们对环境污染问题越来越重视 这更加促使了彩涂扳的蓬勃 发展 美国在5 0 年代 欧洲及日本在6 0 年代 韩国 中国台湾在7 0 年 代开始发展 我国也在8 0 年代开始从美国 日本及韩国引进近彩色涂层 钢板生产机组开始彩板生产 9 0 年代我国彩板市场启动并迅猛发展 北京机械 i 业自动化所硕 1 j 研究生乍业论文 早期的彩涂板市场主要集中在建筑行业 近2 0 年来彩涂板市场正向 家电行业拓展 主要用作家用电器外壳的彩涂板比建筑用彩涂板要求 苛 刻 要求表面 零 缺陷 因此生产家电用彩板比生产建筑用彩板更复 杂 对设备 工艺技术要求更严格 近1 5 年来 欧洲和北美的彩板的市场始终保持着旺盛的增长势头 而我国也从9 0 年代国人刚刚开始认识彩板到2 0 0 1 年的一年消费1 0 0 万吨 人均消费面积达0 3 m 2 但这远远低于美国和欧洲人均消费面积2 6 4 5 m 2 的用量 并且随着彩板应用从建筑行业向家电行业的扩展 彩涂板将具有 更大的市场 1 2 彩涂板生产线技术的发展与现状 彩涂板作为冷轧钢板的深加工产品 其生产技术依托于冶金工业 化 学工业和机械设备制造业 是上述三个行业科学技术的协作应用 其中传 动控制技术为整个生产系统控制的基础 在传动系统的选择上 彩板生产线的调速拖动系统也象其它相近应用 的拖动系统一样 长期以来 直流调速拖动系统因其良好的启制动性能和 调速性能占居主导地位 直流电机由于本身结构上存在机械换向器 电刷 使其存在结构复杂 成本高 维护困难 高容量高速高电压的直流电机难 以制造且在易然易爆易腐蚀等恶劣环境不适用等缺点 而交流电动机特别 是鼠笼电动机不存在上述缺点 尤其随着电力电子技术 微电子技术 大 规模集成电路的发展 功率半导体生产工艺的改进和控制技术特别是矢量 控制技术的发展 近年来交流调速传动系统所需的交流没备在技术性能指 标和价格上已完全满足要求 交流凋速拖动系统的凋速性能完全可与卣流 北京机械 仁业自动化所硕 研究 卜毕业论文 调速系统相媲美 因此彩板生产线上用高性能的交流拖动系统替代直流拖 动系统已成为今后发展的趋势 国内外的彩涂生产线数量近十年来在迅速 增加 但连续彩涂板生产线在传动系统的选择上国内几乎均为直流调速传 动系统 其中多为韩国日本进口生产线 国外只是近几年才有采用高性 能的矢量变换变频调速控制的交流传动系统出现 彩涂板生产线在系统控制方式上 大多基于传统p i d 控制 p i d 比 例一积分一微分 控制器作为最早实用化的控制器已有5 0 多年历史 p i d 控制器具有简单易懂 参数较易整定 在线性非时变系统中工作可靠性强 抗扰性好 稳态精度高等优点因而成为应用最为广泛的工业控制器 当今彩涂板生产线拖动控制系统的发展正是体现了电气传动技术发 展的特点 传动调速系统交流化 控制系统数字化 控制策略智能化 控 制系统结构多级分层化 智能设备单元通讯控制网络化 2 本课题研究方向及主要内容 本课题来源于 唐山八万吨彩色涂层钢板生产线 项目 在该生产线 项目设计前已完成两条同类生产线的设计安装并均已投入使用 本课题在 分析研究该类生产线各段传统系统控制技术的基础上 在对前两条生产线 中存在的收卷段停车换卷过程中面涂加热炉内带钢抖动问题进行分析研 究后 重点完成了下述方面的改进工作 1 开收卷机电机 前后活套电机的动态转矩补偿电流的实时计算 炉内带钢悬垂度仅在收卷段换卷过程中发生大幅度抖动 说明在系统 动态加减速时张力分布在动态变化 此过程中引起张力改变的因素有两 个 一是活套套量的变化 二是系统加减速所需的动态转矩 在前两套系 北京机械工业自动化所颐 i 研究 e 毕业论文 统中对各张紧s 辊对的动态转矩 活套上缠绕带钢的重量 以及开收卷电 机和活套电机的动态转矩均已完成电流补偿 只是对开收卷和活套电机动 态转矩补偿电流为一按系统平均加速度值计算出的固定值 本课题实现了 开收卷机电机 前后活套电机的动态转矩补偿电流的实时计算 通过系统 实时加速度值计算响应的动态转矩补偿电流 实现动态转矩电流的精确化 控制 2 p i d 控制器参数的离线整定计算 炉内带钢的抖动与其悬垂度控制的p i d 控制器的参数整定值有关 在 前两套系统中p i d 控制器参数的整定由现场调试人员依据实践经验在系统 冷热调试过程中反复试验完成 本课题实现了炉内带钢张力p i d 控制器参 数的离线计算与仿真 一方面降低了p i d 控制器参数整定中的人为因素影 响 提高了控制器控制性能 另一方面减轻了现场调试的工作量 缩短了 调试时间 在本控制系统中p i d 参数的整定借助z i e g l e r n i c h o l s 设定方法通过 采样分析系统对阶跃信号的响应过程由工业p c 机离线计算获得 p l c 实现 阶跃信号的生成和对系统阶跃响应过程数据的采样 运行于上位工业p c 机的采样数据分析计算程序与a l l e n b r a d l e y 的r s l i n x 监控软件通过d d e 技术实现采样数据的共享 采样数据分析计算程序的人机交互界面以及 d d e 程序块用w i n 3 2a p i 函数调用实现 数据分析处理及图形绘制用m a t l a b 完成 塞垫嫂 些型楚些堕堡 主竺茎竺竖些堡兰 3 课题的结论及意义 通过对连续彩涂扳交流变频调速拖动生产线各段张力控制 速度控制 和段间述度同步控制等关键技术的研究 本课题完成了歼收卷机电机 前 后活套电机的动态转矩补偿电流值的实时计算和补偿以及面涂加热炉内 带钢悬囊度控制的p i d 控制器参数的离线整定 唐山八万吨彩涂板生产线的运行实践表明上述工作很好地解决了收 卷段换卷过程中面涂耱热炉内带铜鹩辩动 稳定了系统加减速过程中带钢 张力煞分布 稳定全线张力 提离了控割系统静稳定注 减少调试入员豹 王雯场工佟量 缩短现场调试时阉 北京机艟r 业自动化所硕i 研究 卜毕业沦j 第二章控制系统组成 l 连续彩涂板生产线工艺流程及对控制系统的要求 1 1 连续彩涂板生产线工艺设备及工艺流程 工艺设备简图图示于图2 一i 整条生产线分3 段 入口段 开卷段 工艺段 出口段 收卷段 待加工钢卷在两台开卷机交替开卷 通过缝 合设备把下一卷的带头和上一卷的带尾缝合在一起 并通过活套存储一定 量的料 使工艺段能不间断生产 入口段的速度由1 张紧辊决定 它由 2 个辊组成 其中一个是主辊 要求无静差的基准速度调节控制系统 另 一为从辊 要求与主辊进行负荷均衡控制 工艺段分为预处理 化涂 底 涂 面涂及相应的烘烤段 由于工艺段比较长 且各段张力分布不等 因 此根据工艺要求安装了3 对s 辊 分别为2 3 和4 s 辊 实现张 力的梯度分布 由于带钢运动速度较快 高温烘烤炉距离相对较长 但辊 涂后在涂层未干以前带钢表面不允许接触任何辊子 以免破坏表面涂层影 响产品质量 因此连续带钢在底涂烘烤炉和面涂烘烤炉内为自然悬垂状 态 为进一步加强对最后一次辊涂工序后的带钢状态的控制 在面涂烘烤 炉出口处设置超声波测距仪 实时检测炉内带钢的悬垂度以直接张力控制 方式实现对4 s 辊提供张力的进一步控制 2 s 辊为间接张力控制 即 通过检测控制流过电机定子的电流大小实现系统张力闭环 3 s 辊为速度 控制 是工艺段的速度基准 出口段速度基准为5 s 辊 通过对开卷机 收卷机间接张力控制实现开 收卷段的恒张力控制 储料机组前后活套为 l 协 委 壤 萋树h k剖举 鼹 一 ti曼 l t曼 一0l 翼害薯 jjiflj上 睾 北京机械r 业自动他所蛳 l 研究生牛业论文 恒张力控制 1 2 连续彩涂板生产线对控制系统的要求 为保证连续彩涂板生产线正常连续运转 涂层质量稳定 要求系统各 段张力控制满足如下要求 1 开收卷段要求恒张力控制 但随着带钢的运转开收卷机上带卷直 径在动态改变 因此开收卷机不能恒转矩控制 应在卷径计算后对转矩进 行卷径动态补偿 2 前后活套的间接恒张力控制 通过对变频器输出电流的检测控制 实现力矩闭环控制 3 入口断 工艺段 出口段各速度基准辊的无静差速度闭环控制 且各速度辊间应相互配合相互协调 保持同步 以保证升降速均匀且各部 分间张力恒定 各速度控制的张紧s 辊的两辊间应进行负荷平衡控制 从 辊跟随主辊走 主从辊根据各自功率大小对负荷按比例分担 4 工艺段2 张紧s 辊间接张力控制 4 张紧s 辊直接张力控制 2 唐山港陆八万吨彩色涂层钢板生产线控制系统结 构及功能介绍 2 1 控制系统结构及主要功能 彩涂线自动控制系统由工业控制计算机 p l c 和全数字交流传动系统 组成 采用的p l c 为a l l e n b r a d l e y 公司的双s l cc p u 通过d h 网络连接 c p u 和触摸屏 实现智能操作台 用p r o f i b u s d p 现场总线系统连接变频 器与p l c 完成传动系统的控制 北京机械 业自动化所硕e 研究牛毕业论 2 控制系统结构图如图2 2 所示 开卷触摸屏量竺一 1 开 卷 机 变 频 器 2 开 卷 机 变 频 器 1 张 紧 1 辊 变 频 器 1 张 紧 2 辊 变 频 器 2 张 紧 1 辊 变 频 器 5 张 紧 2 辊 变 频 器 h u 活 套 变 频 器 图2 2控制系统结构 后 活 套 变 频 器 收 卷 机 变 频 器 收卷触摸屏 操作台按 钮 电磁阀 信号指示灯 2 1 控制系统功能划分 按照控制功能整个控制系统可分为三层结构 中央监控级 现场监控 级和智能单元设备控制层 1 中央监控级 中央监控级的上位工业控制计算机设置在中央控制室 集中监视控制 整个彩漆车间的物流 设备 工艺 故障等信息 设定设备运行参数 完 成生产状况统计等功能 通过以太网与现场监控级的控制中枢 p l c 连 接 北京机械i 业自动化所硕 研究生l 业论文 2 现场监控级 指传动装备和工艺过程控制 由传动控制p l c 工艺控制p l c 触摸 屏智能操作台和普通按钮指示灯操作台组成d h 网络 设置在作业现场 完成设置 显示设备运行及工艺控制参数 实现对系统的速度 张力等的 协调控制 3 智能单元设备控制层 包括电动机智能电源驱动设备 变频器 对中纠偏检测控制单元 带钢接头检测设备等 通过p r o f i b u s 网络与传动p l c 相连 组成基础自 动化网络 它们自成系统完成相应功能又在传动p l c 监控下能够相互协调 工作 北京机械l 业自动化所硕士研究生毕业论文 第三章控制系统工作原理及控制实现 l 交流变频调速简介 在过去很长时间里 在以满足生产工艺要求为目的的调速控制方面 直流电动机及其调速系统占据主导地位 这是因为直流电机的磁场和电枢 是独立的二各电气回路 因而实现其调速控制相对容易 但直流电机结构 上的机械换向器使其具有很多缺点 结构复杂 成本高 故障多维护困难 应用环境受限 机械换向器还限制了电机的容量和速度等等 但交流电机 不存在上述缺点 其结构简单 价格低 可靠性好 维护方便 近年来随 着电力电子技术 微电子技术 半导体技术的发展以及新的调速控制理论 如矢量变换等的提出 交流调速得到长足发展 并在一定程度上有取代直 流调速的趋势 1 1 交流电动机调速方式 交流电动机的同步转速表达式为 n 孚 3 一1 式中石 定子电压频率 p 极对数 根据异步电动机转差率的定义 s 2 詈2 1 一言 3 2 o o 1 可知异步电动机转速表达式 n 2 等 1 一s 2 1 s 2 月 一a 7 3 3 由式 3 3 可知只要调节异步电动机的供电 频率 调 节转差率s 北京机械 业自动化所颤士研究生毕业论文 改变磁极对数p 均可以实现对交流电动机速度的调节 分别对应交流电 动机的三种调速方式 交频调速 改变转差率调速和变极调速 但变频调 速调速范围宽 响应快 启动特性好 启动和正反转控制简便 运行经济 效率高 被认为是交流电动机合理且理想的调速方式 1 2 交流电动机的变频调速 由 3 1 式可知只要连续调节异步电动机的供电频率石就可以平滑 地调节鼠笼式异步电动机的同步转速 o 从而实现鼠笼式异步电机的变频 无级调速 在 对电动机调速时 通常要求每极磁通量 m 保持为额定值不变 磁通太弱 没有充分利用电机的铁芯 在一定的定子电流下带载能力低 磁通过强 又会使铁芯饱和 从而导致过大的励磁电流 在直流电机中 励磁系统是独立的 只要对电枢反应做适当的补偿 保证磁通m m 保持为额 定值不变是容易做到的 在交流异步电机中 磁通是由定子和转子磁势合 成产生的 保持磁通恒定的措施比较复杂 由电机学知 三项异步电机定子每相电势的有效值为 占g 4 4 4 z i 足 l m m 3 4 式中t 每相绕组中气隙磁通感应电动势有效值 v 石 定子电流频率 h z 川 定子每相绕组串联匝数 k m 基波绕组系数 与绕组结构有关的常数 中m 每相气隙主磁通量 w b 由式 3 4 可知 只要控制 和f l 便可达到控制磁通中w 的目的 对此需要考虑基频 额定频率 以下和基频以上两种情况 e 北京机槭l 业自功他所颤 k 彬f 完 扛毕业埝文 1 2 1 基频以下调速方式 在基频以下骥速时 要僳持辔m 不变 当频率z 扶额定健z 趣下调节 时 必须劂时降低 使 鲁 c 鬻数 即采用恒定电势频率比的控制方式 然而 绕缀中的感应电势难激盏接控镧 当电势值较黼时忽昭定予绕 组静电陋戳及漏獍毯障 i 筮戗试必定子裰电驻l j tz 嚣g 翼 j 褥恒隧频魄控潮 方戏 蚤 e 常数 低颠霹 嚣l 粒稔都较 j 京子阻抗箍障鹣影滤簸麓忽略 这霹透当 提蹇毫毯u i 竣毒 偻宠子蓬蹲 i 2 2 基频缓上谖速方浅 在基频浚上调速时 豢率胃激扶额惑频率歹m 蠢上箍离 毽漱隧达戮额 定德艟 藤不瘦继续增大灵辘维持诧蕊 透鼗磁遥熬饕频率晒堰燕藤辫低 藐时稳当予盏滚瞧橇豁鞲磁升速潦凝 综上辨述 如栗电凑税在不麓转邃下郝舆骞额定电流 裂转矩基本上 隧戮递交他 辇频以下属予蠖转矩调逮燃覆 基频以上属于蝗功率调遮性 质 2 矢量控制变频调速 交滚传凌与控麓技寒楚臻蘩发旋最淹逐遽灏技术之 交浚瞧动撬瀵 速接术静飞速发壤蠢疲爝戆落接功匿就麓磁场定囊溅矢鳖变换擦巷l 理论 北京机械f 业自动化所颁 i 埘f 究生牛业论文 的提出 发展和应用 2 0 世纪7 0 年代初出现了交流电机的矢量控制原理 为高性能交流调速控制奠定了理论基础 实现象直流电机那样对磁场和转 矩的解耦控制 矢量控制理论的提出和成功应用开创了用交流调速系统代替直流调 速系统的时代 2 1 矢量变换理论的提出 直流它励电机具有较好的调速特性 因为可以用两个独立的控制量励 磁电流i 和黾枢电流i 分别控制气隙磁通和电磁转矩 直流电机的电磁转 矩t 可用下式表示 t c m 中 i 其中磁通 与励磁电流i 成正比 它与电枢电流i 无关 因此这是一 解耦系统 励磁电流i 和电枢电流i 都是只有大小和方向变化的标量 控 制系统的结构比较简单 对交流异步电动机来说 电磁转矩t 为 正2 巳中 tc o s z 3 5 式中t 电磁转矩 n m 中m 气隙磁通 g 转矩常数 厶 转子电流折算到定子侧的有效值 a c 0 8 妒 转子电路的功率因数 式 3 5 中的中 c o s 6 p 都是转差率s 的函数 且难以直接控制 比较容易控制的是定子电流i 而i 又是 2 和励磁电流i 的矢量和 在动 7 北京机械i 业自动化所颂l l d f 究 e 牛业论文 态中精确地控制异步电动机的转矩是比较困难的 改善调速系统动态性能 的关键在于如何实现转矩控制 磁场定向型矢量变换控制是二十世纪七十年代初由原西德 f b l a s s c h k e 等人首先提出 以直流电动机和交流电动机相比较的方法分 析阐述了这一原理 由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河 它使人们看蓟交流电动机尽管控制复杂 但同样可以实现转矩 磁场独立 控制的内在本质 其基本构思就是在异步交流电动机中对负载电流和励磁 电流分别进行独立控制 且使它门的磁场在空间位置上也互差 2r a d f 电角度 2 2 矢量变换控制原理 4 i 同坐标系叶1 电流分景的等效关系 矢量变换控制的基本出发点是 在建立控制系统时 以在空间旋转的 有效磁通即异步电动机的转子磁通的轴线作为参考坐标 即旋转坐标系 此有效磁通轴线的瞬时位置及磁通值的大小是能够测量的 8 北京机械j 业自动化所颂l 研究m 毕业沧立 如图3 1 所示 以产生同样的旋转磁动势为准则 可建立三相固定 坐标系a b c 两相固定坐标系a 8 和两相以同步速度 旋转的坐标 系m t 中电流分量的等效关系 三相坐标系下的定子交流电流i i i 产生同步速度6 0 的旋转磁场 通过三相 两相变换 在磁场大小相等 转速相同的条件下 可以等效成二相静止坐标系下的交流电流i i 再 通过按转子磁场定向的旋转变换 在磁场强度相等的条件下 可以等效成 同步旋转坐标系下的直流电流i i 如果观察者站到铁芯上与坐标系一 起旋转 他所看到的便是一台直流电机 原交流电机的转子总磁通中 就是 等效直流电机的磁通 m 绕组相当于直流电机的励磁绕组 i 相当于励磁 电流 t 绕组相当于伪静止的电枢绕组 i 相当于与转矩成正比的电枢电 流 这样在旋转坐标系中对直流电流i i 进行独立控制 就可以和直流 电动机一样实现励磁电流和电枢电流的独立控制 曼艺莹型 一j 图3 2异步电动机的坐标变换结构图 矢量变换控制将交流量变为直流量控制 必须由固定坐标系变换为同 步旋转坐标系 以产生同样的旋转磁场为准则 则i a i b i c 及i i 和 i m i t 之间就存在着确定的关系 即矢量变换关系 要保持i m i t 为某一 定值 则i a i b i c 必须按一定规律变化 只要按这个规律去控制三相电 流i a ib i c 就可以等效地控制i m i t 把上述等效关系用结构图的形式 给 北京机械i 业自动化所颈 l o f 究生毕业论文 画出来便得到图3 2 从整体上看 a b c 三相输入 转速u 输出 是一台异步电动机 从内部看 经过三相 两相变换和同步旋转变换 变成 一台由i m i t 输入 输出的直流电动机 交流异步电动机模型经过坐标变换可以等效成直流电动机模型 那么 可以模仿直流电动机的控制方法 求的直流电动机的控制量 经过相应的 坐标反变换来控制异步电动机 如图3 3 所示 由于进行坐标变换的是 电流的空间矢量 所以这种通过坐标变换实现的控制系统就是矢量变换控 制系统 也称矢量控制系统 1 图3 3异步电动机矢量娈换控制 矢量控制方法的提出 使交流传动系统的动态特性得到了显著的改 善 这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃 但是经典的矢量控制 方法要以转子磁链定向 然后分解定予电流 使之成为转矩和磁场两个分 量 经过坐标变换实现正交或解耦控制 这首先需要先求得转子磁链的相 位 然后才能进行坐标变换 然而异步电动机 特别是笼式异步电动机的 转子磁链是无法直接测量的 只有实测电机气隙磁链后 再经过计算才能 求得 而且气隙磁场本身也常由于齿谐波磁场的影响而难以测准 这便影 响了转子磁链定向的矢量控制技术的准确性 因此在实用上转子磁链往往 2 n 北京机械工业自动化所颂 j 研究生毕业论文 不是通过实测 而是通过所谓磁通观测器 根据电机的电压 电流和转差 由计算求得 采用磁通观测器可以避免直接测量电机磁链的麻烦 但是它 的准确性与电动机的参数 特别是转子回路的时间常数t 2 l 2 r 2 有关 而 在舞步电动机巾 这个转予回路的时闻常数恰巧是一个徽不稳定的参数 随着电动梳静滠度帮转差频率静变纯 岛值讶潋有相当大酶交纯 这傻磁 逶溪测嚣靛准确性受戮缀大鹣影噙 健褥实际控制效采筑往难激达刭理论 分橱盼效果 这是矢霪控剃技术在实戥上酶不是 隽了鳞决这个翊趱 需 要采用现代控制技术中的囱适应控制方法懿一秘 鄄逶过系统辨识 对异 步电动机的转予参数进行实时估计 然后利用这些实时辨识所褥鲍参数对 磁通观测器模型进行校正 算出转子更接近实际的磁链 并以此定向进行 矢跫控制 这种控制方法被称作慕于参数辨识的模型参考自适成控制 2 3 西门子6 s e 7 0 矢量型变频调速器 根据彩色涂层叛生产线对传动的控制嚣求 在该生产线靛主传动系 统中 所有的交流变频调速电机的驱动单元均选用疆门子的6 s e 7 0 系列逆 变器 西门子矢量型变频调速器6 s e 7 0 具有以下特点 工业型变频器 比通用型产品更适合乎环境恶劣的工业生产现场 标准化及模块化 整个 变频器的结构j 常紧凑 主板及扩展板都有怒通过总线插槽连接 抗于扰 往好 运行可靠 不受元器件老化和温度漂移的影响 能长期保持稳定的 控籀精度 适应电源电压波动范围广 缝自动适应电网频率变化4 5 6 5 h z 其商穰强麓啻渗断处溪功畿 提供有关故障淼因静辜 充信怠 傻故障撵除 更为麓单 维护方镬 灵活多交麓逶谲能力 可采溺u s s p e e rt op e e r 2 l 北京机械一业自动化所顽 i 研究生毕业论文 p r o h p c a n s i m o l i n k 等多种方式通讯及联网 3 2 位c p u 全数字 控制 组态功能丰富 可针对具体交流电机进行优化 以达到优良的控制 性能 低速时也能提供额定转矩 3 生产线各段张力补偿控制以及速度同步控制 开 收卷机张力控制在本系统中采用间接张力控制方式 即通过对相 应变频器力矩电流给定值的调节实现张力控制 由于直接调定的是变频器 带钢 图3 4 开卷 卷曲机张力控制框图 电机的转矩 而在带钢运转过程中开收卷机上带钢卷径在动态改变 要保 证带钢张力恒定必须在调节转矩给定电流时加入卷径动态补偿部分 需对 开 收卷机卷径进行测量计算以便计算卷径动态补偿转矩 同时还对带刚 加减速因系统机械惯性时电机将要消耗的动态转距以及存在的摩擦转距 的补偿进行分析 开卷 卷取控制框图如图3 4 所示 3 1 收卷电动机张力控制 如图3 5 所示 卷取电动机轴上的力矩平衡方程式为 北京机械 i 业自动化所颤i 0 f 究 e 毕业论文 地 m t m m 0 3 6 式中m 电动机输出力矩 m 建立张力所需之张力力矩 m j 加减速时所的需动态力矩 加速时取正号 减速取负号 在 稳态时m j o m 广空载力矩 n 图3 5卷取机运彳j 示意图 建立张力所需力矩m r b 等 式中f 收卷机与5 张紧辊间带钢张力 d b 一带卷的直径 随着生产线的运行d b 的值在不断变化 i 卷取电动机至卷筒的减速比 m 卷筒上的张力力矩 r l 机械传动装置的效率 一般取0 9 左右 3 1 1 收卷机上的带钢卷径动态计算 收卷 j l a 的带卷直径d l 在卷取过程中是随时间而变化的 为了控制张 北京机械i 业自动化所硕士研究生毕业论文 力电流 必须知道带卷的瞬时直径隗 卷筒上的带卷直径的瞬时值可借助安装于收卷电机和5 张紧辊电机 轴上的编码器g p g p 来计算 原理框图见图3 6 设编码器的分辨率为z 单位时间内接收到的脉冲数为z 则电机转 速n 为 n z z 则滚筒边沿点的线速度 v 一 t n l o n 影 式中卜滚筒直径 i 减速器的传动比 3 7 3 8 由于收卷机卷筒和张紧辊是通过带钢互相联系的 在带钢不打滑的情况下 它们辊子表面的线速度相同 由 3 8 式可推得 d b d s 毪 b i n 3 9 式中d 一收卷机卷筒上带钢直径 d s 一5 张紧辊辊子直径 z 收卷机电机编码器单位时间发送的内脉冲数 z b 一收卷机电机编码器分辨率 z 5 张紧s 辊电机编码器单位时间发送的内脉冲数 z l s 5 张紧s 辊电机编码器分辨率 i l 厂收卷机减速器传动比 i 5 张紧s 辊减速器传动比 北京机械m 业自动化所颁 1 研究生毕业论文 5 张紧s 辊 导向辊 3 1 2 空载补偿电流i 图3 6 动态卷径测量原理图 器 电机 因为收卷机在转动时有摩擦力 所以必须进行空载补偿 空载补偿 电流通过实际测量电动机在不同转速下的空载电流来得到 将检测到的不 同转速下的空载电流造表后存于p l c 中 在实时控制中通过查表得到该转 速下对应的空载补偿电流 卷取电机在从静止态启动的瞬时要克服最大静 摩擦力 启动后摩擦力迅速减小 因此在启动过程中电流的检测值不稳定 可采用逐步增大电流限幅值的方法检测启动电流 开始先将电流限幅值设 定为零 将收卷机设为点动运转 然后逐步加大电流限幅值直至电机开始 启动运转 此时的电流限幅值为空载电流曲线的第一点 依次设置电机不 同运转速度 检测对应速度下的空载电流值 填加到p l c 中的空载电流补 偿表中 这样空载电流补偿表即可建立 因为西门子6 8 e 7 0 系列的逆变器 的转矩电流的给定值要求以电机额定电流的百分值给出 所以在测出空载 北京机械i 业自动化所硕士研究生毕业论文 电流值后利用式i i 可得到空载补偿电流的百分值 造表后p l c 供查询用 3 1 3 动态补偿电流i 电动机 减速器 收卷机和收卷机上装载的带钢有很大惯性 在生产 线加减速时电动机将要消耗动态力矩 尤其在收卷机上的钢卷较大时 如 果不对转矩电流进行补偿将使带钢张力发生较大波动 实时控制中当收卷 机进入升降速状态时将动态补偿电流投入 故需计算电动机的动态力矩m i 动态 加速 力矩可通过下式计算 m 骠鲁 击 g d 2 哪 g d 2 i g d 2 张 鲁 3 9 式中 g d 2 啪 卷取电动机的飞轮惯量 g d 2 卷筒 折算到电动机轴上的卷取机械飞轮惯量 包括减速机和 卷筒 g d 2 带卷 带卷的飞轮惯量 其中g d 2 t 机及g d 2 誊筒为固定不变部分 g d 2 带卷其值随卷取过程而变化 带卷的飞轮惯量g d 2 带盎为 g d 2 带卷 詈p 8 de4 一d 4 3 1 0 式中 p 带钢的密度 b 带钢宽度 d 卷简直径 d 带卷直径 卷筒的转速n 为 n 2 甓等 3 1 1 式中 v t 收卷段带钢速度 是时间t 的函数 2 6 北京机械r 业自动化所预 1 f c f 究生毕业论上 d t 带卷直径 是时间t 的函数 i 传动比 鲁 砩6 0 i 仇鲁一h 鲁 3 一1 2 因为收卷机的卷筒每转一圈卷径的变化为2 倍的带钢厚度 故卷取直径的 变化率譬为 訾 2 志靠 2 击击 等 盎 3 一1 3 式中i 传动比 v 收卷段带钢速度 h 带钢厚度 d b 一带卷直径 将式3 1 3 代入式3 1 2 得 誓 等 d b v s o b x l 0 j 嚣 见鲁 n d n 1 2 0 3 3 1 4 动态力矩计算 将式3 1 0 3 一1 4 代入式3 9 得 m 号茅鲁 去嚣 g d 2 电机 g d 2 器筒 詈声 d 1 一d 4 d 丑d t n d 1 3 0 3 3 一1 5 动态补偿电流i 计算 因在系统中采用西门子6 s e 7 0 型矢量转换控制逆变器作为交流电机得 驱动单元 故对交流电机的转矩电流和励磁电流实现了很好的解耦控制 对转矩电流的控制可以象对直流电机那样操作 鉴于交流电机基频以下属 于恒转矩调速性质 基频以上属于恒功率调速性质 因此对转矩电流的控 制需分别考虑电机工作于非弱磁段和弱磁段的不同特性 北京帆械f j 业自动化所顽 l 研究生毕业论文 图3 7 动态转矩补偿电流计算程序框图 动态转矩补偿电流计算程序框图如图3 7 所示 首先对电机当前转 速n 进行采样 然后与电机额定转速n 对比 当转速采样值低于电机额定 转速时 电机在非弱磁工作段 此时电机的额定转矩不随转速变化 当转 速采样值超过电机额定转速时 电动机进入弱磁工作段 额定转矩与转速 相关 电机具有恒功率特性 需对电机该时刻能提供的额定转矩进行计算 北京机械l 业自动化所预 卜研究生毕业论文 即额定转矩m 虬 p 因为西门子6 s e 7 0 系列的逆变器的转矩电流的给定值要求以电机额定电流 的百分值给出 所以在计算出额定转矩值后利用下式可得到动态转矩补偿 电流的百分值 等 鲁 3 1 6 3 1 4 张力电流计算 由于收卷机卷筒上卷绕的带钢直径d 8 在不断的变化 要保持该段带钢 张力f 的恒定 需对电机的张力转矩m t 进行动态调整 调整算法如图3 8 所示 对张力电流的计算也需考虑电动机工作在基频以上和基频以下时 的不同特性 对弱磁段需进行电流补偿 由图3 8 所示的算法可求得张 力电流给定百分值 生 曼丝 m 3 1 7 将式3 1 6 3 一1 7 得到的动态转矩补偿电流百分值 张力建立维持 电流百分值与空载电流补偿量百分值相加后所得到的值作为逆变器的转 矩电流给定值 用来对收卷机进行恒张力控制 3 2 开卷电动机张力控制 如图3 9 所示 开卷机电动机轴上的力矩平衡方程式与收卷机不同 开卷机电机提供与速度方向相反的转矩 即阻转矩 开卷电机工作在发电 或倒拉式反接制动状态 力矩平衡方程式为 m l m 地 m 3 1 8 北京机械 l 业自幼化所颧 j 研究生毕业论文 式中m m m 含义及计算方法同收卷机力矩平街方程式中各量相 同 只是最终求得的送至逆变器的电流限幅德为负值 力矩方向与转速方 向相反 电机提供阻转矩 囝3 8i 儿转矩补偿电流训算程 芋抿图 北京机械 l 业自动化所硕士研究生毕业论文 n 图3 9开卷机运行示意圈 3 3 前后活套的间接张力控制 活套也采用间接张力控制方式调节活套电机提供的力矩 以满足活套 前后两段带钢的张力要求 前活套和后活套的张力调节控制方式是一样 的 只不过前活套通常处于满套位置 开卷段停车换卷时活套车放套 后 活套通常工作于空套位置 收卷段停车换卷时活套车充套 本方案前后储料机组采用立式活套 由于在匀速充放套过程中活套车 上的带钢量在不断的变化 要保持该段带钢张力f 的恒定 需对电机的张 力转矩m t 进行动态调整 即加入活套车上带钢重量补偿电流i 在活套车 加减速过程中需投入动态力矩补偿电流i 此外还应该考虑摩擦力补偿电 流i 活套车运行示意图如图3 1 0 所示 图中f 为活套车上带钢重量补偿 拉力值 与活套上带钢重量g 大小相等 k 为活套车上绕过的带钢的数量 f 为活套前后段带钢张力工艺值 f 为摩擦力补偿值 f 为活套车加减速 动态补偿值 北京机械 l 业自动化所硕一i 研究生毕业论文 图3 1 0活套车运行示意图 3 3 1 空载补偿电流i 翔陡r 位i j 芬女 蠢 车位i l 械速位l 同样必须对活套电机进行空载电流补偿 空载补偿电流也是通过实 际测量电动机在不同转速下的空载电流来得到 也将检测到的不同转速下 的空载电流造表后存于p l c 中 在实时控制中通过查表得到该转速下对应 的空载补偿电流 3 3 2 活套张力电流i 计算 由于活套上有k 匝带钢缠绕 流i 为 i fe 百k f d 式中 i 活套电机额定电流 因此活套承受的总张力为k f 张力电 3 1 置 l 衄 靴舱髂衄纳艋懿鏖 脯懿缬接髓 北京机槭j 业自动化所碘 l 研究乍毕业 仑文 地 活套电机额定转矩 与开收卷机一样该值也应结合电机工作状态 动态确定 但在本系统中活套电机均工作于基频以下 因此其值 为电机铭牌给定值不变 d 活套卷扬机卷筒直径 f 活套前后段带钢张力工艺值 3 3 3 带钢重量补偿电流i 计算 在活套减速机辅助输出轴 该轴与活套卷扬套筒有相同的转速 上安 装有一个分辨率为z 且与卷扬滚筒同转速的编码器 该编码器的输出脉冲 送入p l c 中的高速计数模块以实现对活套小车位置的计算 取活套小车在 空套极限位置为位置基准 则活套小车位置位置 相对空套极限位置 的 计算如式 3 1 9 所示 j 2 x d 三粤 3 1 9 m 0 式中 i t 活套车距空套极限位置的距离 z 计算位置处高速计数模块的值 z 空套极限位置处高速计数模块的值 zm o 活套位置编码器的分辨率 忽略活套各转向辊圆周部分带钢重量 活套车在该位置时活套所储存 的带钢的重量g g pk t bh 3 20 式中 p 带钢材料的密度 1 j 京帆槭 业自漪他所颤 l 龇究生琳瓣沦文 k 满套车空套极耀位鼗距滔察底粼转稳辍位置熟距离 l 满套车躐空套极限傲置的躐离 b 带铜材料宽度 h 带钢材料厚度 带钢熬量褥谣电流k 岛 z 嫠 翁一2 1 式孛 将式疆一l 豁一 蓰入蔑 3 2 l 褥迤滚龄耋於髅簋l t 毛 譬 屯芈 毛坐学 3 2 2 3 3 4 活鬻力辍动态章 偿魄流氢诗算 蓠滔褒鳃充被套愈入弱毅与工艺段瀚速度箍值掖稍 黼活囊静充敞套 翔羰速逶黧取莰予嚣卷羧静勰躐邃涟毽辩工慧羧赘麴减速遨程 蓠样簌活 套靛态敷褰垂王慧段与整西羧翳遴澄差德控裁 磊滔套嚣麓鬣速避搓惑皎 卷骏鼹燕减速道耧窝工慧段熬期蔽逡蓬稷决定 漤态 式中g m 敷 活套呶动枫的飞糖摸璧 g d 2 镕 折算到电幼机轴上的卷墩极飞轮蠼凝 包括瀵磷减遮机 和浦套卷掰 g d 2 1 一折算剐电动机轴上的活套车飞轮惯髓 鲁 灞套宅褫酌角糯速痰 这釜飞轮溃藤g d 2 哪 g 扩吝请教g 爹釉t 弱为瑟定德 鞠漭套率麓套麓或运渤 北京机械i 业自动化所硕士研究 e 毕业论文 状态无关 式中 开始 电机转速n 检测 查表求得摩擦力 补偿电流1 0 计算活套张力电 莓i r 读入高速计数模 块当前值z t 计算 活套带钢重量g 计算活套带重补 偿电流i g 由带钢加速度值d v d t 和活套传动部分飞轮 惯量计算动态力矩补 偿电流值l 将i o i i g i j 相加 后传送至变频器作为 力矩电流控制值 结束 图3 1 1 活套电机力矩控制电流计算流程图 前活套活套电机的角加速度 警 竺尝巴 筹 掣一华j 丽6 0 i 百d v t 一鲁 3 2 4 d h 一活套卷简直径 i 开卷机减速比 v t 开卷段带钢速度 v t 工艺段带钢速度 后活套活套电机的角加速度 北京机械 业自动化所颂 i 研究生牛业论文 式中 j v 一q l 譬 竺j 字 等 掣一d v 3 t i 等 鲁一鲁 3 2 5 d 活套卷简直径 i 开卷机减速比 v t 工艺段带钢速度 v t 收卷段带钢速度 由式 3 2 3 式 3 2 4 或 3 2 5 得前后活套动态转矩补偿电流 i j 厶每 丽6 0 1 薏 g d 2 g d 2 m f g d 活套车 等一鲁 3 2 6 或 i 严 鲁 卺卺 g d 2 电机 g d 2 绉筛 i g d 2 活套堆 鲁一等 3 2 7 将上述电流值i i i 和i 叠加后送至变频器作为活套电机的力矩 电流值 实际送至变频器的值为该值与额定电流i 的比值 活套电机力矩控制电流计算程序框图如图3 一1 1 所示 3 4 入口段 工艺段和出口段的速度同步控制 入口断 工艺段 出口段各速度基准辊在p l c