基于扭矩觀測的軋機(jī)主傳動系統(tǒng)控制優(yōu)化研究

劉飛 汪鎏

關(guān)鍵詞：扭矩;主傳動;負(fù)荷平衡

一、研究背景介紹

寶鋼厚板5m精軋機(jī)采用西門子交交變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對上下工作輥的速度和負(fù)荷控制。裝置采用公共交流母線進(jìn)線方式，扭矩電流和勵磁電流分別控制。10000KVA的大容量設(shè)計(jì)為精軋高負(fù)荷大扭矩需求奠定了基礎(chǔ)。

控制系統(tǒng)采用交流電機(jī)磁場定向矢量控制原理運(yùn)行，核心計(jì)算單元采用西門子SIMADYN D系統(tǒng)。交流電機(jī)矢量控制原理，也稱為磁場定向控制原理。它建立在交流電機(jī)控制理論基礎(chǔ)上。上世紀(jì)初，交流同步電機(jī)過渡過程的研究，由穩(wěn)態(tài)等值電路，矢量圖發(fā)展出d，q軸雙反應(yīng)理論。而后建立了交流電機(jī)的動態(tài)方程，同時提出了多相ABC>dq等坐標(biāo)變換理論。在此基礎(chǔ)上，把各種電機(jī)，同步機(jī)，異步機(jī)，直流機(jī)統(tǒng)一為一種電機(jī)原型，建立統(tǒng)一的電機(jī)理論，交流電機(jī)與直流電機(jī)的共性，以及相互轉(zhuǎn)化的理論已建立起來。從這些電機(jī)理論出發(fā)，基于直流機(jī)良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，把交流電機(jī)通過坐標(biāo)變換控制等效為直流電機(jī)，產(chǎn)生出交流電機(jī)矢量控制原理。具有很高的動態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過載能力，達(dá)到了與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的控制性能。

主傳動系統(tǒng)與軋線主干系統(tǒng)通訊，接收速度給定和控制字給定，同時將電流實(shí)際值、速度實(shí)際值和狀態(tài)字反饋給主干系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主傳動在軋線的協(xié)調(diào)控制。主傳動系統(tǒng)的通訊、速度計(jì)算、電流計(jì)算及外圍輔助設(shè)備控制采用西門子TDC系統(tǒng)，上下輥各一套。與主干TDC系統(tǒng)則通過CP52AO GDM（GlobalDatamemory）模塊以滿足基礎(chǔ)自動化和傳動之間高速通信需要。在主傳動TDC系統(tǒng)中，最為核心的控制功能為速度計(jì)算和扭矩計(jì)算功能。

二、基于扭矩負(fù)荷觀測的復(fù)合控制系統(tǒng)在軋機(jī)主傳動中的應(yīng)用研究

2.1軋機(jī)扭矩計(jì)算模型

軋機(jī)軋制過程中，主電機(jī)軸上輸出的傳動力矩為：

也：軋制變形的力矩（由變形金屬對軋輥的作用合力所引起的阻力矩）。

i：軋輥與主電機(jī)間的傳動比（=電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)/軋輥轉(zhuǎn)數(shù)）

Mf：附加摩擦力矩（軋制時在軸承、傳動機(jī)構(gòu)所增加的摩擦力矩）

Mk：空轉(zhuǎn)力矩（軋機(jī)空轉(zhuǎn)時在軸承、傳動機(jī)構(gòu)所增加的摩擦力矩）

Ma：軋輥速度發(fā)生變化的動力矩（軋機(jī)加速或減速時的慣性力矩）

2.2基于扭矩計(jì)算模型的扭矩前饋控制

西門子矢量控制系統(tǒng)中，速度環(huán)和扭矩環(huán)是兩個關(guān)鍵的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，通常采用PI控制方式。速度環(huán)的輸入為實(shí)際速度和設(shè)定速度，輸出為設(shè)定扭矩;扭矩環(huán)的輸入為設(shè)定扭矩和實(shí)際扭矩，輸出為設(shè)定電流（電流扭矩分量）。

這是個典型的反饋系統(tǒng)，存在控制滯后、受擾動影響比較大等特點(diǎn)。結(jié)合扭矩計(jì)算數(shù)學(xué)模型，引入開環(huán)補(bǔ)償控制G3（s），構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。傳遞函數(shù)為：

開環(huán)補(bǔ)償控制主要將計(jì)算好的摩擦力矩、轉(zhuǎn)動慣量力矩、阻尼力矩前饋到扭矩環(huán)之前，實(shí)現(xiàn)扭矩預(yù)控，減少控制滯后量，加快工作輥對速度設(shè)定的響應(yīng)時間。

2.3外擾負(fù)荷觀測器前饋控制

軋機(jī)主傳動系統(tǒng)是一個由若干質(zhì)量單元和彈性單元組成的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。在咬鋼、拋鋼等突然加、減載的情況下，系統(tǒng)容易發(fā)生扭振。因?yàn)榕ふ癞a(chǎn)生的扭矩非常大，振動力矩的大小不僅與系統(tǒng)的慣量有關(guān)，還隨著振動周期與咬入時間比值的變化而變化。同時，在加載的瞬間，因?yàn)檎駝优ぞ氐拇嬖冢瑯O易造成大的速降。大的咬鋼速降不僅不利于鋼板板型控制，還對傳動系統(tǒng)的軸承部分有負(fù)面影響。

構(gòu)造一個外擾負(fù)荷觀測器，將外擾負(fù)荷觀測器添加到反饋控制器中，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。在擾動負(fù)荷提前預(yù)知的情況下，實(shí)施反饋控制，必然減少速度環(huán)的輸出量，減少因系統(tǒng)的滯后特征導(dǎo)致的速降并減小超調(diào)。

帶有外擾觀測器補(bǔ)償控制的傳遞函數(shù)與（s）相似。

負(fù)荷觀測器工作過程中產(chǎn)生計(jì)算速度和計(jì)算扭矩。其中，計(jì)算速度為實(shí)際扭矩和計(jì)算扭矩相加然后經(jīng)過一個積分器而獲取。計(jì)算扭矩由實(shí)際速度和計(jì)算速度比較并經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器而得到，且PI調(diào)節(jié)器中實(shí)際速度作為參考輸入，計(jì)算速度作為實(shí)際輸入。PI調(diào)節(jié)器的積分輸出（擾動扭矩）與速度控制器的wp相連，實(shí)現(xiàn)扭矩預(yù)控（扭矩前饋控制）。

三、主傳動負(fù)荷平衡控制應(yīng)用研究

3.1負(fù)荷平衡問題的提出

理論上，軋機(jī)上下輥扭矩應(yīng)該完全一致。實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)橐粋€換輥周期內(nèi)軋輥磨損不一致等原因，上下輥會出現(xiàn)一輥拖另一輥現(xiàn)象，導(dǎo)致其中一根輥扭矩大，另一根輥扭矩小的情況，即扭矩負(fù)荷不平衡。

負(fù)荷不平衡是上下輥線速度不一致的表現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)扭矩不平衡時，除了扭矩負(fù)荷增大外，因?yàn)樯舷螺伨€速度不一致，造成嚴(yán)重的鋼板翹扣頭。因?yàn)榫€速度有偏差，必然存在一根輥與軋件之間打滑的問題，現(xiàn)成軋制異音，同時對軋件厚度控制不利，也加劇了負(fù)荷不平衡特征。

3.2負(fù)荷平衡方案

負(fù)荷不平衡的主要原因是上下輥線速度不一致，若能計(jì)算負(fù)荷偏差量，并設(shè)計(jì)一個控制系統(tǒng)計(jì)算線速度偏差補(bǔ)償，降低線速度快的工作輥速度直至負(fù)荷重新達(dá)到平衡。考慮系統(tǒng)擾動因素，設(shè)計(jì)允許不平衡量，當(dāng)偏差在該范圍之內(nèi)，控制系統(tǒng)不起作用;當(dāng)偏差超過該范圍，控制系統(tǒng)再起作用，起到糾偏作用。

精軋主傳動負(fù)荷平衡控制原理為：當(dāng)上、下輥扭矩差大于5%（100%對應(yīng)于4775KNM）即238.75KNM時，將此差值進(jìn)行積分后，作為對速度較快的輥?zhàn)拥母郊铀俣冉o定，且總是負(fù)值。這樣，速度較快的輥?zhàn)泳湍芗皶r減速，達(dá)到負(fù)荷平衡的目的。

四、結(jié)論及研究展望

4.1現(xiàn)有模型結(jié)論

負(fù)荷平衡是一項(xiàng)有效而又成熟的技術(shù)，其作用在軋機(jī)的主傳動控制中得到了最充分的體現(xiàn)。

基于扭矩觀測的復(fù)合控制系統(tǒng)對于軋機(jī)這種負(fù)荷多變、且控制精度要求較高的設(shè)備來說是非常有益的。西門子己將這種設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在主傳動控制系統(tǒng)中，然而因?yàn)樵谲垯C(jī)中的應(yīng)用并不成熟，實(shí)際并沒有投入使用。目前，隨著產(chǎn)品的不斷拓展，高強(qiáng)度、大壓下的工藝設(shè)計(jì)越來越多，顯著的咬鋼速降和大的振蕩扭矩儼然己成為了一道門檻。如果能將扭矩觀測復(fù)合控制調(diào)試成功并投入使用，不管是對工藝還是設(shè)備都將是一件非常有利的事情。

4.2咬鋼過程中速度差波動問題展望

咬鋼過程中，負(fù)荷平衡并沒有投入，因?yàn)槁N扣頭系數(shù)的作用及上下輥之間的相互擾動，兩輥之間速度差存在波動現(xiàn)象。不穩(wěn)定的速度差造成鋼板頭部1m范圍內(nèi)出現(xiàn)“瓦楞”狀，矯直機(jī)無法矯平。如果能投入扭矩觀測的復(fù)合控制，減少外擾對速度的影響，這種現(xiàn)象一定能夠得到緩解。

4.3上下輥麻花狀扭矩問題展望

負(fù)荷平衡功能有其優(yōu)點(diǎn)但也存在一些缺陷，扭矩呈現(xiàn)麻花狀是負(fù)荷平衡功能當(dāng)前的主要問題。優(yōu)化負(fù)荷平衡參數(shù)可有效改善這種缺陷。