專利名稱：一種抑制軋機傳動系統(tǒng)動態(tài)速降和扭振的控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于軋機傳動控制領域，特別是提供了一種抑制軋機傳動系統(tǒng)動態(tài)速降和扭振的控制系統(tǒng)。
背景技術：
軋機傳動系統(tǒng)是一個復雜的多質量彈性系統(tǒng)，其力學模型可以大致等效為如圖4所示的兩質量彈性系統(tǒng)，即兩個慣性環(huán)節(jié)(電機和軋輥)通過一個彈性環(huán)節(jié)(連接軸)相連。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)結構框圖框圖5所示。軋機傳動系統(tǒng)在突加負荷(如咬鋼，拋鋼，制動，變速等操作)作用下，系統(tǒng)會發(fā)生不穩(wěn)定的扭轉振動(簡稱扭振)，由扭振造成的連接軸上的最大扭矩值比正常軋制時的靜態(tài)扭矩大得多，嚴重時會超過連接軸材料的強度，造成軋機設備的破壞，影響生產(chǎn)的正常進行。另外，軋機傳動系統(tǒng)在突加負荷時會產(chǎn)生動態(tài)速度降落，動態(tài)速降和扭振會影響軋機自動控制系統(tǒng)，例如活套，APC(自動寬度控制)，AGC(自動厚度控制)等，影響軋制產(chǎn)品的質量。
軋機傳動系統(tǒng)是由調速電機驅動的，電機調速控制系統(tǒng)一般由速度控制和轉矩控制組成的雙環(huán)調速系統(tǒng)，內環(huán)包括功率變流器、轉矩調節(jié)器，其功能是提供快速轉矩控制。外環(huán)為速度調節(jié)器，一般采用比例積分調節(jié)器。速度調節(jié)器接收安裝在電機軸上的速度傳感器檢測的速度，計算電機實際速度和給定速度之間的差值，再經(jīng)過比例積分調節(jié)器計算，其結果作為轉矩電流調節(jié)器的輸入，經(jīng)過調節(jié)器計算后，結果作為功率變流裝置的控制電壓。該調速控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
該控制系統(tǒng)在軋機突加負載時，會產(chǎn)生較大的動態(tài)速降，同時，由于速度檢測量為電機速度，調速控制系統(tǒng)無法對軋輥彈性扭轉造成的速度振蕩加以抑制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種抑制軋機傳動系統(tǒng)動態(tài)速降和扭振的控制系統(tǒng)，通過加入一種負荷狀態(tài)觀測器(以下簡稱觀測器)來抑制軋機傳動系統(tǒng)的動態(tài)速降和扭振。該觀測器通過檢測電機的速度與電流(可測量)，構造出軋機負載力矩和電機與軋輥速度差的估計值，并將該估計值通過增益放大器，其結果作為轉矩電流給定信號中的一部分，用來補償負載轉矩和扭振速度差。當軋機受到?jīng)_擊負載時，該觀測器迅速將負荷轉矩和扭振速度差估計值加入轉矩調節(jié)系統(tǒng)，加快轉矩調節(jié)時間，減少了動態(tài)速降和動態(tài)恢復時間，有效地抑制了軋機扭振。
本發(fā)明包括軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率變流系統(tǒng)。軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)包括電機和軋輥，通過連接軸相連；電機可以是直流電動機也可以是交流電動機?？刂葡到y(tǒng)包括負荷觀測器、狀態(tài)反饋增益放大器；電機調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過檢測電機的速度和電流，計算出軋機負荷轉矩和電機與軋輥的速度差，并將其作為前饋量加入到轉矩控制通道中，形成狀態(tài)反饋控制，從而有效地抑制了軋機扭振和動態(tài)速度降落。
1、負荷觀測器，包括軋機負載力矩 的構造和速度差 的構造。
通過檢測器，檢測到電機實際速度ωM和電流iM。電機電流檢測值iM乘以增益放大系統(tǒng)K1后得到電機電磁轉矩觀測值 與觀測器模型產(chǎn)生的觀測量 相減得到動態(tài)轉矩ΔT，ΔT經(jīng)積分運算后得到電機轉速的觀測值 與實際軋機速度檢測量ωM相減，其差值經(jīng)比例積分調節(jié)器后得到負載力矩觀測值 該系統(tǒng)在比例積分調節(jié)的作用下，電機轉速的觀測值 始終跟隨實際電機速度ωM的變化，由閉環(huán)控制來構成負荷轉矩 的觀測。
電機電磁轉矩觀測值 減去軋機連接軸轉矩觀測值 其差值經(jīng)積分放大后，得到電機轉速的觀測值 而 減去軋輥速度觀測值 其差值再經(jīng)積分放大后，得到軋機連接軸轉矩 減去前述的軋機負載力矩觀測量 后，其差值再經(jīng)積分放大，得到軋輥速度觀測值 由實際電機速度檢測量ωM減去該觀測值 即可得到速度差的觀測值 2、狀態(tài)反饋增益放大器，由觀測器觀測到軋機負荷轉矩和電機與軋輥的扭振速度差，該觀測值由狀態(tài)反饋增益放大器加入到調速系統(tǒng)的轉矩電流控制輸入端。該增益放大器由不同負載的情況根據(jù)工程經(jīng)驗將不同的增益放大系數(shù)做成表格存在存儲器中，根據(jù)負載查表得出不同的增益放大系數(shù)。當系統(tǒng)產(chǎn)生產(chǎn)生負載擾動時，觀測器將一由擾動量的作用而產(chǎn)生與傳動系統(tǒng)頻率相一致的補償信號來抵消系統(tǒng)擾動及振蕩，從而實現(xiàn)快速而穩(wěn)定的運行。
3、電機調速系統(tǒng)安裝在電機軸上的速度傳感器檢測的電機實際速度輸入到速度調節(jié)器，將實際速度和給定速度之間的差值，經(jīng)過比例積分調節(jié)器計算，其結果作為轉矩電流調節(jié)器的輸入，轉矩電流調節(jié)器的計算結果作為功率變流系統(tǒng)的控制電壓。
本發(fā)明的優(yōu)點在于傳統(tǒng)的軋機傳動控制系統(tǒng)在負載擾動時存在著動態(tài)速降大，恢復時間長及傳動系統(tǒng)扭振的缺點。本發(fā)明將負荷觀測器引入控制系統(tǒng)，通過容易在工程中實現(xiàn)的電機速度與電流檢測，經(jīng)觀測器計算，得到軋機負荷轉矩和軋輥扭振速度差，并將其加入轉矩控制通道中，減少了軋機負荷沖擊的動態(tài)速降，并有效地抑制了扭振現(xiàn)象，此外，該負荷觀測器具有結構簡單、調整參數(shù)少、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。


圖1為觀測器構成圖。
圖2為本發(fā)明的軋機傳動控制系統(tǒng)示意圖。其中，軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)1、功率變流系統(tǒng)2、加負荷觀測器的控制系統(tǒng)3。
圖3為傳統(tǒng)的軋機傳動控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖。其中，軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)1、功率變流系統(tǒng)2、傳統(tǒng)的調速控制系統(tǒng)4。
圖4軋機的傳動兩質量彈性示意圖。
圖5為軋機傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)結構框圖。
圖6為軋鋼過程中突加咬鋼沖擊負載時的動態(tài)響應波形，軋機速度的動態(tài)響應波形，其中細線為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的速度響應波形，粗線為加入負荷觀測器后的速度響應波形。
圖7為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的軋輥轉矩動態(tài)響應波形圖8為加入負荷觀測器后的軋輥轉矩動態(tài)響應波形。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
如圖2所示，本專利所應用的軋機調速系統(tǒng)包括軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率變流系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件為專用處理器板，軟件功能結構如圖控制部分虛框所示。電機速度給定值(ω*)和速度檢測值(ω)輸入速度調節(jié)器，其輸出為轉矩電流給定值i1*；電機電流檢測值iM和電機速度檢測值輸入到負荷觀測器，觀測器計算出負載轉矩觀測值 和扭振速度差的觀測值 將該觀測值經(jīng)狀態(tài)反饋增益放大器計算后形成補償電流給定值i2*(用來補償負載轉矩和扭振速度差)；速度調節(jié)器產(chǎn)生的轉矩電流給定分量i1*和負荷觀測器產(chǎn)生的補償電流給定分量i2*綜合，作為轉矩電流調節(jié)器的輸入，經(jīng)電流調節(jié)器計算環(huán)節(jié)計算后形成功率變流系統(tǒng)的控制電壓。
實際工程的軋機速度與轉矩響應波形見圖5、圖6和圖7，在突加負載時，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的動態(tài)速降大約為4.5％，恢復時間大約為425ms；而帶負荷觀測器的控制系統(tǒng)動態(tài)速降大約為2.5％，恢復時間大約為125ms；軋輥所承受的轉矩振蕩減小，時間縮短70％。由此可見，帶負荷觀測器的控制系統(tǒng)對軋機突加負載的動態(tài)響應特性和抑制扭振能力有很大程度的改善。
權利要求
1.一種抑制軋機傳動系統(tǒng)動態(tài)速降和扭振的控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率變流系統(tǒng)；軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)包括電機和軋輥，通過連接軸相連；電機為直流電動機或交流電動機；控制系統(tǒng)包括負荷觀測器、狀態(tài)反饋增益放大器；電機調速系統(tǒng)；該系統(tǒng)通過檢測電機的速度和電流，計算出軋機負荷轉矩和電機與軋輥的速度差，并將其作為前饋量加入到轉矩控制通道中，形成狀態(tài)反饋控制，從而有效地抑制了軋機扭振和動態(tài)速度降落。
2.按照權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于負荷觀測器，包括軋機負載力矩 的構造和速度差 的構造；通過檢測器，檢測到電機實際速度ωM和電流iM；電機電流檢測值iM乘以增益放大系統(tǒng)Kt后得到電機電磁轉矩觀測值 與觀測器模型產(chǎn)生的觀測量 相減得到動態(tài)轉矩ΔT，ΔT經(jīng)積分運算后得到電機轉速的觀測值 與實際軋機速度檢測量ωM相減，其差值經(jīng)比例積分調節(jié)器后得到負載力矩觀測值 該系統(tǒng)在比例積分調節(jié)的作用下，電機轉速的觀測值 始終跟隨實際電機速度ωM的變化，由閉環(huán)控制來構成負荷轉矩 的觀測；電機電磁轉矩觀測值 減去軋機連接軸轉矩觀測值 其差值經(jīng)積分放大后，得到電機轉速的觀測值 而 減去軋輥速度觀測值 其差值再經(jīng)積分放大后，得到軋機連接軸轉矩 減去前述的軋機負載力矩觀測量 后，其差值再經(jīng)積分放大，得到軋輥速度觀測值 由實際電機速度檢測量ωM減去該觀測值 即可得到速度差的觀測值
3.按照權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于狀態(tài)反饋增益放大器，由觀測器觀測到軋機負荷轉矩和電機與軋輥的扭振速度差，該觀測值由狀態(tài)反饋增益放大器加入到調速系統(tǒng)的轉矩電流控制輸入端；該增益放大器由不同負載的情況根據(jù)工程經(jīng)驗將不同的增益放大系數(shù)做成表格存在存儲器中，根據(jù)負載查表得出不同的增益放大系數(shù)；當系統(tǒng)產(chǎn)生負載擾動時，觀測器將由擾動量的作用而產(chǎn)生與傳動系統(tǒng)頻率相一致的補償信號來抵消系統(tǒng)擾動及振蕩，從而實現(xiàn)快速而穩(wěn)定的運行。
4.按照權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于安裝在電機軸上的速度傳感器檢測的電機實際速度輸入到速度調節(jié)器，將實際速度和給定速度之間的差值，經(jīng)過比例積分調節(jié)器計算，其結果作為轉矩電流調節(jié)器的輸入，轉矩電流調節(jié)器的計算結果作為功率變流系統(tǒng)的控制電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種抑制軋機傳動系統(tǒng)動態(tài)速降和扭振的控制系統(tǒng)，屬于軋機傳動控制領域。該系統(tǒng)包括軋機傳動兩質量彈性系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和功率變流系統(tǒng)；軋機兩質量彈性系統(tǒng)包括軋機和軋輥，并通過一個連接軸相連；控制系統(tǒng)包括負荷觀測器、狀態(tài)反饋增益放大器；電機調速系統(tǒng)；功率變流系統(tǒng)為電力電子變換器，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制電壓，將電網(wǎng)的電壓和電流變換為合適的電機電壓和電流，驅動電機調速運行。本發(fā)明的優(yōu)點在于該系統(tǒng)通過檢測電機的速度和電流，經(jīng)過觀測器計算，觀測出軋機負荷轉矩和電機與軋輥的速度差，并將其經(jīng)增益放大后作為前饋量加入到轉矩電流控制通道中，形成狀態(tài)反饋控制，從而有效地抑制了軋機的扭振和動態(tài)速度降落現(xiàn)象。
文檔編號B21B37/46GK1803326SQ200610001869
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月25日 優(yōu)先權日2006年1月25日
發(fā)明者李崇堅, 段巍, 李向欣, 朱春毅, 葛剛, 何山, 唐黎 申請人:冶金自動化研究設計院, 北京金自天正智能控制股份有限公司