一种新型连续钢带生产线的张力控制器.doc

一种新型连续钢带生产线的张力控制器摘要皮带张力和线速度的控制和产品的质量以及连续带生产线的生产效率密切相关。本论文中，提出了一种带有张力观测器的新的张力控制算法，使用观测到的张力作为一个调节器的反馈。张力观测器是基于包括加速转矩的卷辊转矩平衡。使用这种预测的张力，在线速度加速或减速情况下，新的张力控制器能够做出快速动态响应。文中所提的方法不需外加硬件，因为观测器的输入电流和速度已经被电机控制系统监测到。因为这种方法直接控制电机的转矩电流，无张力传感器可以获得更好的控制性能。在实验室进行仿真和实验，并将传统控制方法和文中所提出的方法做出比较，结果表明本文提出的张力控制器的有效性。引言近年来，由于高性能交流电机驱动系统的发展，感应电机驱动系统被广泛的用于钢生产线领域。连续带生产线张力和速度控制系统是其中一种要求高性能的极具挑战的应用。在冷轧系统中，许多生产线要求张力调节的严格说明。三种张力控制方法被广泛用于工业领域。一种是基于测压元件直接观测张力的反馈控制方法。另一种简单方式是从参考张力和半径间接计算电机所需转矩。许多关于这种方法的例子可以从松/紧张力控制上找到。第三种是使用卷辊作为一个测量装置或作为一个自身调节装置。在任何情况下，减少由线速度改变引起的瞬间张力变化是非常重要的。为达到这一目的，提出了一种带有观测器的解耦速度控制器，在速度控制中获得负载转矩扰动抵抗特性。但是不仅是速度，张力响应也是很重要的。最近有人提出一个解耦速度和张力的控制算法，但是这种算法仅适用于相同的卷辊半径和转动惯量。在本文中，提出了一种带有张力观测器的新的张力控制算法，使用观测到的张力作为一个调节器的反馈。张力观测器是基于包括加速转矩的卷辊转矩平衡。使用这种预测的张力，在线速度加速或减速情况下，新的张力控制器能够作出快速动态响应。文中所提的方法不需外加硬件，因为观测器的输入电流和速度已经被电机控制系统监测到。文中提出的控制器和传统控制器进行了仿真和实验的比较。、系统模型张力控制系统举例如图1所示。这是钢带卷绕系统的最简设置。电机1控制张力而电机2控制线速度。假设不打滑和粘磨系数为零，两电机和卷滚之间的传动比为1：1。基本的动态的方程如式（1）-（3）。在本文中，张力模型如式（3）所示，张力由两台电机之间的速度差决定。 J1,J2：装置1，2的转动惯量（电机+卷辊）r1,r2 ：卷辊1，2的半径 v1,v2：卷辊1，2的速度T1，T2：电机1，2的转矩 f：张力这里K是无弹性的常数，而C是反向无跨度的时间常数。、张力控制系统A、 回顾常规控制方法图2 传统张力控制器 (a)开环控制方案 (b)闭环控制方案传统张力控制器控制框图，如图（2）所示。在（a）图中，根据式（1），（2）和（3）得出张力模型作为一个系统框图。因为要控制电机1和电机2之间的张力，使用参考张力和卷辊半径r1计算负参考转矩。在图2（a）中，虚线部分采用前馈补偿，如果参考速度V*增加或减少，所需转矩的前馈补偿应该随之改变。为了修正转矩补偿，应该知道转动惯量J1。开环张力控制方程如下：一个张力仪，例如负载可用于闭环张力控制中，如图2（b）所示。参考速度减去张力控制器的输出构成了速度和张力控制，如式（6），（7）。控制器增益下角标 “p”和“i”各自表示比例，积分增益。上角标“tc”和“sc” 各自表示张力控制器和速度控制器。Tcc是内电流控制器在几秒内首次延迟时间常数。B、 本文提出的张力控制器本文提出的张力控制器控制框图如图3所示，如果电机的速度和电机转矩是可得到的，那么就可以从式（8）计算出负载张力。测量的速度不可避免的包括测量噪音，加上一个低通滤波方程（9）所示的二次低通滤波器。结果，高频段比截止频率段更能获得抗干扰特性。电机转矩是由一个低通滤波器得到的，补偿速度测量和信号处理的延迟。因为观测的张力通过电机转矩和半径计算出来，稳态下的控制性能和相同速度下的开环控制器性能相同。但在瞬时状态，应该考虑到所需转矩的速度增加或减少。这种特性和带有前馈补偿的开环控制器相类似。但是不同的是它是用实际速度代替参考速度计算的。 图3 文中提出的带有张力观测器的张力控制器、仿真和实验为了验证文中所提出的控制器的可行性，采用最简模型进行仿真和实验。电机，卷辊，传感器的机械参数由表给出。这套实验装置由5个卷辊组成，其中2个卷辊是由两台电机驱动的。一个测量卷辊位于两台电机中间，将金属带的张力传递给传感器。在本文中，另外两个卷辊未使用到。试验装置的侧视图如图4（a）图所示。为直接控制电机转矩，使用图4（b）所示的DSP（数字信号处理器）可以实现旋转磁通控制。参考张力和速度是由DSP1的主计算机给出，参考速度通过DSP内部通信传递到DSP2中。 (a) 实验样机的侧视图 (b)电机驱动系统图4 实验系统组态 (a)机械部分 (b)电气部分仿真波形如图5至图8所示，与其对应的试验波形如图9至图12所示。在试验结果中，（a）参考张力，（b）张力仪反馈和（c）电机1的参考转矩从DSP1得到。（d）参考线速度，（e）电机2的线速度和（f）电机2的转矩，由DSP2同一时刻的另一台示波器得到，张力和速度控制特性由一个有序的连续曲线图测得。一开始，参考张力改变至30kgf（张力上升），然后几秒以后参考线速度变成斜率为30m/min 的斜线（速度上升）。试验时，3m/min的张力的初始值为3kgf 。仿真结果与试验结果完全吻合。如果没有带前馈补偿的开环张力控制，此时在电机1加速的情况电机1转矩保持恒定，导致张力超调，如图5和图9所示。图5 无前馈补偿的传统开环张力控制 图7 带有速度控制器的传统闭环张力特性(a)张力参考和反馈(b)电机1的参 控制特性(a) 张力参考和反馈(b)电机1考转矩(c)参考和反馈线速度(d)电机2 的参考转矩(c)参考和反馈线速度(d) 电的参考转矩(仿真) 机2的参考转矩(仿真)图6有前馈补偿的传统开环张力控制 图8 本文提出的带张力观测器的张力特性(a)张力参考和反馈(b)电机1的参 控制特性(a)张力参考和反馈(b) 电机考转矩(c)参考和反馈线速度(d)电机2 1的参考转矩(c)参考和反馈线速度(d)的参考转矩(仿真) 电机2的参考转矩(仿真)图9 无前馈补偿的传统开环张力控制 图11 带速度控制器的传统闭环张力特性(a)参考张力(b)张力观测反馈(c) 控制特性(a)参考张力(b)张力观测反电机1参考转矩(d)参考线速度(e)电机 馈(c) 电机1参考转矩(d)参考线速度2线速度(f)电机2参考转矩（实验） (e)电机2线速度(f)电机2参考转矩图9 带前馈补偿的传统开环张力控制 图12 本文提出的带张力观测器的张力特性(a)参考张力(b)张力观测反馈(c) 控制特性(a)参考张力(b)张力观测反电机1参考转矩(d)参考线速度(e)电机 馈(c) 电机1参考转矩(d)参考线速度2线速度(f)电机2参考转矩（实验） (e)电机2线速度(f)电机2参考转矩图6和图10给出了带有前馈补偿的开环控制的响应。在仿真加速情况下，可以通过对参考转矩补偿抑制张力超调。但是，如图10（b）图中的虚线圆，在试验加速时，因为参考速度和实际速度之间的误差，张力发生变化。比较图9（f）和图10（f），这个结果与电机2的速度控制增益有关，它比没有前馈补偿的开环增益更低。换句话说，另一种状态的速度动态控制应考虑有效的前馈补偿。图7和图11是带负载反馈的闭环控制特性。张力仪反馈与参考张力无稳态错误。但是安装测压元件和和机械结构转换很困难。此外，对于噪声来说，测压元件的输出信号是非常小和易受影响的，包括前置和低通滤波在内的小信号条件是很重要的。另一个观点是包括内部速度环的动态控制。速度控制器在仿真中可以获得最佳的张力控制。但是在现实环境中由于噪音或非动态模型速度控制增益存在一个10rad/sec的波动范围。在这种情况下，速度控制特性影响动态张力控制。在多生产线中，速度控制增益有相同的特性。通常从每个电机的测试值中挑选出最小值。但当线圈相互连接时，实际状态特性在与无负载的情况下不能相同。图8或图12是本文提出的张力控制器的仿真和试验结果。当电机速度改变时，电机1的参考转矩表现出对加速转矩的动态补偿控制。当张力的参考信号应用于速度下降的场合，张力控制器会补偿这种改变，结果减小的输出张力超调。同样在速度增加时，由于图12（c）点划线部分电机1的转矩补偿，图12（b）中张力超调消失。另一方面，在稳态情况下，它与开环控制情况时有相同的值。与传统控制方法比较这些结果，本文所提出的张力速度控制算法的控制性能明显优于传统控制方