CN103072841B - 一种板带处理线张紧辊控制装置及张力控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板带处理线张紧辊控制装置及张力控制的方法，属于冶金行业板带处理线上张紧辊的张力控制领域。该装置包括张紧辊组、辅辊变频器和主辊变频器，还包括辅辊速度编码器、主辊速度编码器、负荷分配器、张力调节器、前馈补偿单元和张力计；所述的负荷分配器的两端分别与辅辊变频器和主辊变频器相连；所述的辅辊变频器包括辅辊转速控制单元和辅辊转矩控制单元；所述的主辊变频器包括主辊转速控制单元和主辊转矩控制单元。该装置具有控制响应速度快和控制精度高的优点。该装置的控制方法包括A）张紧辊主从负荷分配；B）张紧辊张力复合控制；C）动态补偿。该方法具有转矩环稳态误差小，抗扰动的恢复时间短，转速恒定，抗干扰性能好的优点。

Description

一种板带处理线张紧辊控制装置及张力控制的方法

技术领域

本发明涉及冶金行业板带处理线上张紧辊的张力控制领域，具体地说，本发明涉及一种板带处理线张紧辊控制装置及张力控制的方法，更为具体地说，涉及一种提高控制精度，保证生产线板带处理的品质、效率及可靠性的板带处理线上张紧辊张力控制装置及张力控制的方法。

背景技术

板带处理质量的优劣主要由板厚和板形来衡量，而板厚和板形在很大程度上取决于张力控制，适当的带钢张力是保证板带处理过程正常运行的条件和提高产品质量的关键。从其工艺流程来看，在板带处理机组中，带钢是带张力运行的。运行过程中，机组的张力必须保持在适当的范围内，并足够稳定地运行在恒张力状态，这样才能保证机组生产稳定。若带钢张力过大，带钢上会被拉出皱纹，甚至引起断带事故；若张力太小，会造成收卷不齐，带钢不能正常运行。

生产线带钢张力的控制是通过对各个张力装置进行调节来实现的。张力装置包括：张紧辊、开卷机和卷取机电机、活套电机等。在自动化程度较高的现代板带处理机组上，带钢张力则主要是辊式张紧装置，即通过张紧辊装置来实现控制、调节。

张紧辊传动装置用于将两个不同生产工艺要求的机械通过工件（材料）连接在一起，形成具有连续生产作业功能的自动化生产线。它由两组或更多的张紧辊传动机构组成，通常一组张紧辊传动在机构上具有前、后两个辊子，材料从两个辊子之间穿过，而两个辊子又具有各自独立的传动电机和完整的双闭环速度控制系统。由于辊与辊间材料的存在，因而要求两辊传动的电气系统应该具有电气同步，以维持在控制过程中，两辊间的材料不受前后方向上的拉力，达到入口和出口的线速度一致。而这两台电机在机械上和电气上又没有直接联系，只是两个辊子通过负载发生耦合，因此张紧辊的控制是一个复杂的多点传动控制。

目前工程上张紧辊有各式各样的张力控制方案，它们各有优缺点。

根据执行器的不同，张力控制分为4种：磁粉制动离合器方式、气动制动离合器方式，电机驱动方式及电液比例控制技术。

但是不管磁粉制动是手动还是自动方式均是通过直接控制转动力矩，间接控制张力，而力矩的控制又是通过设定张力控制器电流来实现的。中国专利申请号200910113834.2，公开了一份名称为张力控制系统的专利文件，该发明公开了一种张力控制系统，它包括主动辊、从动辊、张力调节装置，其特征是：在从薄膜某位置的张力传感器，到张力变送器，到卷绕专用变频器，到电机，再到主动辊，到一组从动辊，又到薄膜上该位置的张力传感器组成的闭环式全自动张力控制系统中，从薄膜的张力传感器，到张力变送器，到卷绕专用变频器，是通过信号线连接，卷绕专用变频器到电机是通过电缆线连接，电机直接连接主动辊，主动辊与从动辊之间为链轮连接。该发明采用变频卷绕控制传动技术，克服了旧式传动方式的缺陷和不足，生产线各位置的张力能直观显示，全线的整体张力可以调节。该系统一般用于低、中档设备上。但由于力矩特性的非线性及磨损大的因素。也逐渐被大容量磁粉制动器所取代。但是磁粉制动器/离合器的可靠性差，发热大，故障率高，维护成本也比较大（需要经常更换磁粉）。

电机驱动方式一般通过控制异步电机的磁场强度来控制电机的转速，即所谓的矢量变频控制。也有采用直流电机控制方式或伺服电机控制方式的，其原理是把其中某一电机作为系统中的主电机，通过设定主电机转速来使其他电机对主电机进行跟随，跟随过程中如张力发生变化，则电位器或传感器的反馈信号就会传至张力控制中心，控制中心再发出指令对电机转速作出适当调整，从而达到张力调整的目的。采用电机控制方式的优点是各驱动辊直径不必完全一致，匹配灵活，控制精度高，代表了张力控制的发展方向。此方式在冶金行业中应用比较广泛。

电液比例控制技术通过调节液压马达进出口压差，控制其输出扭矩，在完成卷绕机构收放过程中，对线或织物的张力控制的方法是可行有效的。电液张力控制系统中因系统的阻尼比较小容易引起的系统不稳定等问题，可以通过增加机械结构的阻尼器或者通过控制程序中PID校正环节进行补偿等方法加以解决，提高系统的稳定性与控制精度。

根据是否有张力反馈来看，张力控制又可以分为直接张力控制和间接张力控制。目前，直接和间接张力控制在冶金行业中应用比较广泛。直接张力控制是指由张力传感器直接检测张力信号，反馈到控制器中构成张力闭环。这是目前常用的张力控制方法，它的张力控制精度较高，在轧机中得到广泛应用。但由于其电气设备复杂，电气调速单元要求响应较快，系统容易振荡，价格高等原因，很少应用在对张力控制精度不太高的场合。

由于直接张力控制中存在张力传感器成本高、非线形等问题，且一些条件恶劣的场合无法安装张力传感器，给控制带来很大的难度。随着异步电机矢量控制理论上的不断成熟，罗克韦尔、西门子等公司分别开发出了矢量型变频器，一种新型的张力控制方式——间接张力控制也随之产生。间接张力控制实际上是张力开环控制，由生产工艺的要求计算出所需要的张力值，再以力矩的形式传入变频器，由变频器控制传动电机输出相应的力矩。该方法控制简单，在成本上有很大的优势，但需要动态和静态补偿，且调试复杂。

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好可操作性，高稳定性和耐久性的张紧辊张力复合控制方法。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有直接张力控制存在着成本高、控制难度大、稳定性差；间接张力控制调试困难、控制精度低的问题，本发明提供一种板带处理线张紧辊控制装置及张力控制的方法，该方法及装置具有可操作性好，稳定性高和耐久性好的优点。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现。

一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，包括张紧辊组、辅辊变频器和主辊变频器；所述的张紧辊组包括辅辊和主辊；所述的辅辊与辅辊电机相连，主辊与主辊电机相连；还包括辅辊速度编码器、主辊速度编码器和负荷分配器，所述的辅辊速度编码器与辅辊电机相连；所述的辅辊变频器与辅辊电机和辅辊速度编码器相连；所述的主辊速度编码器与主辊电机相连；所述的主辊变频器与主辊电机和主辊速度编码器相连；所述的负荷分配器的两端分别与辅辊变频器和主辊变频器相连；

所述的辅辊变频器包括辅辊转速控制单元和辅辊转矩控制单元；所述的辅辊转矩控制单元包括辅辊矢量运算单元和辅辊PWM逆变单元；所述的主辊变频器包括主辊转速控制单元和主辊转矩控制单元，所述的主辊转矩控制单元包括主辊矢量运算单元和主辊PWM逆变单元。负荷分配器，通过辅辊变频器和主辊变频器端口控制，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配。

还包括张力调节器、前馈补偿单元和张力计，所述的张力计位于张紧辊组上；张力调节器分别与辅辊变频器和主辊变频器相连；所述的前馈补偿单元与辅辊变频器相连。前馈补偿单元，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为辅辊转矩控制单元的设定值的一部分。

所述的负荷分配器与辅辊变频器的连接为连接在辅辊变频器的辅辊转速控制单元和辅辊转矩控制单元之间的连接线上；所述的负荷分配器与主辊变频器的连接是连接在主辊变频器的主辊转速控制单元和主辊转矩控制单元之间的连接线上。

所述的前馈补偿单元连接在辅辊变频器的辅辊转速控制单元和辅辊转矩控制单元之间的连接线上；所述的张力调节器的一端同时与辅辊转速控制单元和主辊转速控制单元相连。

所述的张力调节器采用模糊神经网络自适应PID控制器。采用神经网络与模糊逻辑相结合的方式，构造一种模糊神经网络自适应PID控制器，该控制器具有改进学习算法的神经网络PID参数调节器，用模糊神经网络对被控对象张紧辊张力进行模型辨识。这种控制器易于实现，且适应环境的能力好。根据张力控制中的实时变化，利用模糊神经网络控制器对PID控制器的参数进行在线自调整，运用Matlab强大的矩阵运算功能，根据控制规则和模糊推理运算共识可以得出控制量变化查询表。

一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，包含如下步骤：

A）张紧辊主从负荷分配：选取张紧辊控制系统中控制主辊和辅辊的两台变频电机，一台变频电机为主传动，控制主辊，定义为主辊电机，主辊电机使用速度转矩双闭环控制，通过矢量变频器，使整个张紧辊控制系统有一个速度的基准点，主辊电机的变频器设置为速度控制模式；另一台电机为从传动，控制辅辊，定义为辅辊电机，辅辊电机的变频器设置为转矩控制模式，并通过速度控制单元输入附加速度设定值Δn，速度控制单元饱和时，系统转为转矩控制闭环模式，辅辊转矩输出随主辊转矩输出而变化；主辊电机的变频器和辅辊电机的变频器负荷分配通过负荷分配器控制，利用PLC作为负荷分配器，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配功能；当电气同步时，两者都处于速度控制状态，采用接受统一的速度设定值，主辊电机和辅辊电机分别具有各自独立的脉冲速度编码器，检测各自的速度实际值，并作用到自身的速度调节器上；实现高精度速度反馈控制，达到两辊间的电气同步，这种控制方式的控制精度高，动态响应快，尤其适用于张紧辊这类刚性连接的设备；

B）张紧辊张力复合控制：上述步骤A）所述负荷分配主从控制的基础上，还包括一个张力调节器，即增加一个张力直接控制环节，形成一个张力闭环、速度闭环和转矩闭环的三闭环控制系统，执行机构为辅辊电机，按照实际张力与设定值之间的偏差来直接调节张力的大小，通过间接地改变张力执行部件的电流和磁场的电气参数来动态补偿现场的干扰量；张力给定值乘以辊径实际值作为转矩设定值作用于张紧辊控制系统，电动机电流随着卷径的增加而线性增加，张力保持恒定，速度调节器通过输入一个饱和设定值而保持在限幅状态；

C）动态补偿：张紧辊的动态补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为转矩设定值的一部分输入到变频器中。这样设置可以提高张紧辊的响应速度。

所述的步骤A）中主辊和辅辊的转矩调节采用PI调节器。转矩环稳态误差小，超调量也很小，保持电流恒定，抗扰动的恢复时间短，转速恒定，抗干扰性能好。

所述的步骤A）中双闭环控制是用预先设定的张力值乘以卷径D作为输入转矩值，同时直接测量电机电流，计算出转矩反馈值，形成闭环控制，控制主辊转矩控制单元的输出，维持张力恒定所需的电流值，使张紧辊转矩恒定。这样的控制方式，实时性能好，响应快，尤其是在机组启动及加减速过程中，张力波动小。

所述的步骤B）中的实际张力值由张力计直接测定，然后通过张力变送器将数据转换成标准信号反馈回辅辊电机的变频器，通过此信号与变频器预先设定的张力值对比，进行PID运算，输出控制信号，控制电机转速，使得实际张力值与设定值相等，以达到张力稳定。在PLC系统中，根据不同钢种，不同屈服强度及延伸率计算出张力设定值，与张力控制器等构成张力控制外环，通过张力检测装置（张力计）反馈张力信号与张力设定值构成闭环调节，其输出作为变频器的一个信号输入，与速度偏差信号共同作用，调整变频器输出转矩，这样可以获得较高的张力控制精度。张力形成闭环反馈，速度也构成闭环控制。

所述的步骤B）中的张力设定值依据生产线各段带钢张力系数乘以带钢的横断面面积确定。为了维持均匀的带钢应力，不同的带钢硬度和材质都需要进行补偿以保持张力环的稳定性。张紧辊的补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，最终的转矩设定值M_r由四个部分组成：

$M_r=\±\frac{F_r\×R}{i}+M_{\mathrm{qi}}+M_{\mathrm{qf}}+M_{\mathrm{lp}}$ 式1

式中：M_r——转矩设定值；

M_qi——转动惯量补偿力矩；

M_qf——摩擦损耗补偿力矩；

M_lp——带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩；

F_T——带钢张力；

i——张紧辊与卷筒的减速比；

R——张紧辊的滚筒半径。

所述的步骤C）中，转动惯量为近似常数，采用实验测定法确定其转动惯量。即在单机试车阶段对试车数据进行计算得出。惯量补偿的计算公式为：

$M_{\mathrm{qi}}=\frac{T_{\max }-T_0}{{(\mathrm{d\υ}/\mathrm{dt})}_0}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$ 式2

式中：T_max——加减速过程中最大输出力矩；

T₀——加减速前输出力矩；

(dv/dt)₀——测试时采用的加/减速度；

dv/dt——当前的加速度。

步骤C）中带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩与带钢的宽度、厚度，带钢的弹性模量以及辊子的直径有关，弯曲损耗补偿力矩M_lp的计算见下式：

$M_{\mathrm{lp}}=\frac{{\mathrm{WH}}^{3}E}{{6D}^2}$ 式3

式中：H——带钢厚度；

W——带钢宽度；

E——弹性模量又称带钢的张力系数；

D——张紧辊的辊子直径。

3、有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，包括辅辊速度编码器、主辊速度编码器和负荷分配器，通过辅辊变频器和主辊变频器端口控制，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配，控制精度好，调节迅速；主辊电机和辅辊电机分别具有各自独立的脉冲速度编码器，检测各自的速度实际值，并作用到自身的速度调节器上，实现高精度速度反馈控制，达到两辊间的电气同步，这种控制方式的控制精度高，动态响应快，尤其适用于张紧辊这类刚性连接的设备；

（2）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，还包括张力调节器、前馈补偿单元和张力计，张力计位于张紧辊组上，张力调节器分别与辅辊变频器和主辊变频器相连，前馈补偿单元与辅辊变频器相连，前馈补偿单元在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为辅辊转矩控制单元的设定值的一部分，使得控制响应速度更快，控制精度更高；

（3）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制装置的张力调节器采用模糊神经网络自适应PID控制器，采用神经网络与模糊逻辑相结合的方式，构造一种自适应PID控制器，该控制器用具有改进学习算法的神经网络PID参数调节器，用模糊神经网络对被控对象张紧辊张力进行模型辨识，这种控制器易于实现，且适应环境的能力好；利用模糊神经网络控制器对PID控制器的参数进行在线自调整，运用Matlab强大的矩阵运算功能，根据控制规则和模糊推理运算共识得出控制量变化查询表，在软件编写中即可直接调用此表的数值进一步参与运算，使其能够适应被控制过程中对象的变化，从而更好地实施张紧辊的复合张力控制；

（4）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，张紧辊的动态补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为转矩设定值的一部分输入到变频器中，这样设置张紧辊的响应速度快、精度高；

（5）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，双闭环控制是用预先设定的张力值乘以卷径D作为输入转矩值，同时直接测量电机电流，计算出转矩反馈值，形成闭环控制，控制主辊转矩控制单元的输出，维持张力恒定所需的电流值，使张紧辊转矩恒定，这样的控制方式，实时性能好，响应快，尤其是在机组启动及加减速过程中，张力波动小；

（6）本发明一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，主辊和辅辊的转矩调节采用PI调节器，首先是基于稳态无静差的要求，同时也是从动态抗干扰性能上来考虑，这样的设计转矩环稳态误差小，超调量也很小，保持电流恒定，抗扰动的恢复时间短，转速恒定，抗干扰性能好；

（7）本发明结构简单，设计合理，易于实现，能够反应实时变化的张力，保证张紧辊张力恒定，具有张力控制稳定，调试简单、精度高、稳定性好的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的原理结构示意图；

图2为本发明实施例2的原理结构示意图；

图3为本发明负荷分配控制的流程图。

图中：1、辅辊转速控制单元；2、辅辊转矩控制单元；3、辅辊速度编码器；4、主辊转速控制单元；5、主辊转矩控制单元；6、主辊速度编码器；7、负荷分配器；9、张力调节器；10、前馈补偿单元；11、辅辊矢量运算单元；12、辅辊PWM逆变单元；13、主辊矢量运算单元；14、主辊PWM逆变单元；15、辅辊变频器；16、主辊变频器；20、张紧辊组；21、纠偏装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，包括张紧辊组20、纠偏装置21、辅辊变频器15和主辊变频器16；辅辊速度编码器3、主辊速度编码器6和负荷分配器7；张紧辊组20包括辅辊和主辊；辅辊与辅辊电机相连，主辊与主辊电机相连，辅辊和主辊分别由辅辊电机和主辊电机驱动，辅辊速度编码器3检测辅辊电机转速信号转速；辅辊变频器15与辅辊电机和辅辊速度编码器3相连；主辊速度编码器6检测主辊电机转速信号；主辊变频器16与主辊电机和主辊速度编码器6相连；负荷分配器7的两端分别与辅辊变频器15的输出和主辊变频器16的输入相连。

辅辊变频器15包括辅辊转速控制单元1和辅辊转矩控制单元2；辅辊转矩控制单元2包括辅辊矢量运算单元11和辅辊PWM逆变单元12；主辊变频器16包括主辊转速控制单元4和主辊转矩控制单元5，主辊转矩控制单元5包括主辊矢量运算单元13和主辊PWM逆变单元14。负荷分配器7，通过辅辊变频器15和主辊变频器16端口控制，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配。负荷分配控制实质是一个功能模块，通过软件编程实现，其程序设定有多种，都为本领域技术人员所熟知的模块，本申请文件不再嶅述。负荷分配器7接收来自辅辊变频器15的辅辊转速控制单元1的输出信号及主辊变频器16的主辊转速控制单元4的输出信号，经过运算后的输出信号作为辅辊变频器15的辅辊转矩控制单元2的输入。

主从传动均为速度-转矩双闭环控制系统。主、辅变频器均工作于转矩控制模式时，将需要电机产生的张力折算成一个转矩给定值提供给变频器内的辅辊转矩控制单元2或主辊转矩控制单元5，控制电机产生所需的张力。同时人为的将变频器内的辅辊转速控制单元1或主辊转速控制单元4处于饱和状态，变频器进行转矩调节，产生我们所要求的张力。

当变频器工作于速度控制模式时，将生产线速度折算成一个速度给定值提供给辅辊变频器15和主辊变频器16，控制电机速度。同时将需要电机产生的张力折算成一个转矩补偿值提供给两个变频器，控制电机产生所需的张力。也就是说既能让电机产生我们所需的张力，也能让电机运行在我们要求的速度。变频器工作在哪一种控制模式，由整条生产线L1（基础自动化系统）控制器中的程序来控制，自动进行切换。

由于无静差速度调节闭环控制的硬特性不能保证两辊速度严格意义上的同步，为了避免张紧辊组20中主辊和辅辊出力不均衡及相互拖动，需对处理线上所有基准速度张紧辊对的两辊进行负荷平衡控制，主辅辊根据各自功率大小总负荷按比例分担。负荷分配步骤如图3所示。步骤一：计算出主、从辊平衡比率Km和Ks，即各电机额定电流占总额定电流的比率；步骤二：主、从辊力矩限幅值均设为100%；步骤三：判断电机的运行状态；步骤四，当电机处于连续运行状态时，实时采样各电机的输出电流；步骤五：计算总输出电流，根据平衡比率，确定主从辊的实际电流；步骤六：计算出主、从辊的力矩限幅，当力矩限幅小于5%时，按5%计；步骤七：计算结果传送至主、从辊变频器。

实施例2

如图2所示，一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，包括张紧辊组20、纠偏装置21、辅辊变频器15和主辊变频器16；张紧辊组20包括辅辊和主辊；辅辊和主辊分别由辅辊电机和主辊电机驱动；还包括辅辊速度编码器3、主辊速度编码器6和负荷分配器7，辅辊速度编码器3检测辅辊电机转速信号；辅辊变频器15与辅辊电机和辅辊速度编码器3相连；主辊速度编码器6检测主辊电机转速信号；主辊变频器16与主辊电机和主辊速度编码器6相连；负荷分配器7的两端分别与辅辊变频器15和主辊变频器16相连。负荷分配器7接收来自辅辊变频器15的辅辊转速控制单元1的输出信号及主辊变频器16的主辊转速控制单元4的输出信号，经过运算后的输出信号作为辅辊变频器15的辅辊转矩控制单元2的输入。

辅辊变频器15包括辅辊转速控制单元1和辅辊转矩控制单元2；辅辊转矩控制单元2包括辅辊矢量运算单元11和辅辊PWM逆变单元12；主辊变频器16包括主辊转速控制单元4和主辊转矩控制单元5，主辊转矩控制单元5包括主辊矢量运算单元13和主辊PWM逆变单元14。负荷分配器7，通过辅辊变频器15和主辊变频器16端口控制，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配。负荷分配控制实质是一个功能模块，通过软件编程实现，其流程图如图3所示。

还包括张力调节器9、前馈补偿单元10和张力计，张力计位于张紧辊组20上；检测张紧辊组20的张力。张力调节器9分别与辅辊变频器15和主辊变频器16相连；前馈补偿单元10与辅辊变频器15相连。前馈补偿单元10的实质是PLC控制程序中的一个计算模块，为本领域普通技术人员所熟知，本实施例不再嶅述，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为辅辊转矩控制单元2的设定值的一部分。

张力调节器采用模糊神经网络自适应PID控制器。采用神经网络与模糊逻辑相结合的方式，构造一种自适应PID控制器，该控制器用具有改进学习算法的神经网络PID参数调节器，用模糊神经网络对被控对象张紧辊张力进行模型辨识。这种控制器易于实现，且适应环境的能力好。根据张力控制中的实时变化，利用模糊神经网络控制器对PID控制器的参数进行在线自动调整，运用Matlab强大的矩阵运算功能，根据控制规则和模糊推理运算共识可以得出控制量变化查询表。由于变频器有主从工作方式，使得负荷分配在工程应用中非常容易实现。现根据要求，张紧辊组20的主辊为基准速度辊，辅辊为从传动辊。通过矢量变频器良好的调速性能使整个系统有一个速度基准。该系统的给定为速度给定n_r，通过辅辊速度编码器3和主辊速度编码器6进行速度反馈。辅辊转速控制单元1的输出信号与主辊转速控制单元4的输出信号经过负荷分配器7的负荷平衡运算后，输出作为辅辊的转矩给定信号T_d1。速度控制单元设置为PI调节。而从传动的辅辊的控制实际上是一个前馈-反馈串级复合控制系统，该控制系统的给定张力为给定T_d1和辅辊速度给定n_r。反馈主要是通过辅辊速度编码器3进行速度反馈，辅辊转速控制单元1设置为PI调节。通过张力计进行实际张力反馈。辅辊转速控制单元1的输出与前馈补偿单元10的数据一同作为辅辊转矩控制单元2的给定。通过辅辊转矩控制单元2来控制辅辊电机，辅辊转矩控制单元2设置为PI调节。辅辊电机的转速通过安装在电机尾部的辅辊速度编码器3测得。转矩补偿计算由L2系统（过程自动化系统）根据带钢的物理特性以及运行工况进行计算后，下传到L1（基础自动化系统）中。张力调节器9则是利用模糊神经网络自适应PID控制器，根据张力控制中的实时变化，利用模糊神经网络控制器对PID控制器的参数进行在线自动调整，使其能够适应被控制过程中对象的变化，从而更好地实施张紧辊的张力控制。

在机组穿带的过程中，由于钢带的拉动作用，两个电动机都处于电动状态，速度反馈始终小于速度给定，这时辅辊转速控制单元1和主辊转速控制单元4都处于饱和状态，速度外环处于开环状态，只有张力环和转矩环起作用，此时系统为直接张力控制方式，机组钢带的张力随张力设定值的变化而变化。

当机组处于加减速或停车运行时，动态转矩加入到调节系统中，使辅辊转速控制单元1和主辊转速控制单元4投入运行，系统此时主传动为转速、转矩闭环控制，从传动为转速、转矩和张力三闭环调速系统。通过补偿动态转矩，从而保持张力恒定，实际上就是复合张力控制。

实施例3

一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，包含如下步骤：

A）张紧辊主从负荷分配：选取张紧辊控制系统中控制主辊和辅辊的两台变频电机，一台变频电机为主传动，控制主辊，定义为主辊电机，主辊电机使用速度转矩双闭环控制，通过矢量变频器，使整个张紧辊控制系统有一个速度的基准点，主辊电机的变频器设置为速度控制模式；另一台电机为从传动，控制辅辊，定义为辅辊电机，辅辊电机的变频器设置为转矩控制模式，并通过速度控制单元输入附加速度设定值Δn，速度控制单元饱和时，系统转为转矩控制闭环模式，辅辊转矩输出随主辊转矩输出而变化；主辊电机的变频器和辅辊电机的变频器负荷分配通过负荷分配器控制，利用PLC作为负荷分配器，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配功能；当电气同步时，两者都处于速度控制状态，采用接受统一的速度设定值，主辊电机和辅辊电机分别具有各自独立的脉冲速度编码器，检测各自的速度实际值，并作用到自身的速度调节器上；实现高精度速度反馈控制，达到两辊间的电气同步，这种控制方式的控制精度高，动态响应快，尤其适用于张紧辊这类刚性连接的设备；主辊和辅辊的转矩调节采用PI调节器。转矩环稳态误差小，超调量也很小，保持电流恒定，抗扰动的恢复时间短，转速恒定，抗干扰性能好。双闭环控制是用预先设定的张力值乘以卷径D作为输入转矩值，同时直接测量电机电流，计算出转矩反馈值，形成闭环控制，控制主辊转矩控制单元的输出，维持张力恒定所需的电流值，使张紧辊转矩恒定。这样的控制方式，实时性能好，响应快，尤其是在机组启动及加减速过程中，张力波动小。

B）张紧辊张力复合控制：上述步骤A）所述负荷分配主从控制的基础上，还包括一个张力调节器，即增加一个张力直接控制环节，形成一个张力闭环、速度闭环和转矩闭环的三闭环控制系统，执行机构为辅辊电机，按照实际张力与设定值之间的偏差来直接调节张力的大小，通过间接地改变张力执行部件的电流和磁场的电气参数来动态补偿现场的干扰量；张力给定值乘以辊径实际值作为转矩设定值作用于张紧辊控制系统，电动机电流随着卷径的增加而线性增加，张力保持恒定，速度调节器通过输入一个饱和设定值而保持在限幅状态；实际张力值由张力计直接测定，然后通过张力变送器将数据转换成标准信号反馈回辅辊电机的变频器，通过此信号与变频器预先设定的张力值对比，进行PID运算，输出控制信号，控制电机转速，使得实际张力值与设定值相等，以达到张力稳定。在PLC系统中，根据不同钢种，不同屈服强度及延伸率计算出张力设定值，与张力控制器等构成张力控制外环，通过张力检测装置（张力计）反馈张力信号与张力设定值构成闭环调节，其输出作为变频器的一个信号输入，与速度偏差信号共同作用，调整变频器输出转矩，这样可以获得较高的张力控制精度。张力形成闭环反馈，速度也构成闭环控制。张力设定值依据生产线各段带钢张力系数乘以带钢的横断面面积确定。

C）动态补偿：张紧辊的动态补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为转矩设定值的一部分输入到变频器中。这样设置可以提高张紧辊的响应速度。

为了维持均匀的带钢应力，不同的带钢硬度和材质都需要进行补偿以保持张力环的稳定性。张紧辊的补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，最终的转矩设定值可以由四个部分组成：

$M_r=\±\frac{F_r\×R}{i}+M_{\mathrm{qi}}+M_{\mathrm{qf}}+M_{\mathrm{lp}}$ 式1

式中：M_r——转矩设定值；

M_qi——转动惯量补偿力矩；

M_qf——摩擦损耗补偿力矩；

M_lp——带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩；

F_T——带钢张力；

i——张紧辊与卷筒的减速比；

R——张紧辊的滚筒半径。

步骤C）中，转动惯量为近似常数，采用实验测定法确定其转动惯量。即在单机试车阶段对试车数据进行计算得出。惯量补偿的计算公式为：

$M_{\mathrm{qi}}=\frac{T_{\max }-T_0}{{(\mathrm{d\υ}/\mathrm{dt})}_0}\·\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}$ 式2

式中：T_max——加减速过程中最大输出力矩；

T₀——加减速前输出力矩；

(dv/dt)₀——测试时采用的加/减速度；

dv/dt——当前的加速度。

步骤C）中带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩与带钢的宽度、厚度，带钢的弹性模量以及辊子的直径有关，弯曲损耗补偿力矩M_lp的计算见下式：

$M_{\mathrm{lp}}=\frac{{\mathrm{WH}}^{3}E}{{6D}^2}$ 式3

式中：H——带钢厚度；

W——带钢宽度；

E——弹性模量又称带钢的张力系数；

D——张紧辊的辊子直径。

实施例4

采用实施例2中的装置按照实施例3中的方法进行操作，本领域普通技术人员，根据实施例2和实施例3都能得出怎么操作，本申请文件不再嶅述。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，包括张紧辊组(20)、辅辊变频器(15)和主辊变频器(16)；所述的张紧辊组(20)包括辅辊和主辊；所述的辅辊与辅辊电机相连，主辊与主辊电机相连，其特征在于，还包括辅辊速度编码器(3)、主辊速度编码器(6)和负荷分配器(7)，所述的辅辊速度编码器(3)与辅辊电机相连；所述的辅辊变频器(15)与辅辊电机和辅辊速度编码器(3)相连；所述的主辊速度编码器(6)与主辊电机相连；所述的主辊变频器(16)与主辊电机和主辊速度编码器(6)相连；所述的负荷分配器(7)的两端分别与辅辊变频器(15)和主辊变频器(16)相连；

所述的辅辊变频器(15)包括辅辊转速控制单元(1)和辅辊转矩控制单元(2)；所述的辅辊转矩控制单元(2)包括辅辊矢量运算单元(11)和辅辊PWM逆变单元(12)；所述的主辊变频器(16)包括主辊转速控制单元(4)和主辊转矩控制单元(5)，所述的主辊转矩控制单元(5)包括主辊矢量运算单元(13)和主辊PWM逆变单元(14)；

板带处理线上张紧辊张力控制装置还包括张力调节器(9)、前馈补偿单元(10)和张力计，所述的张力计位于张紧辊组(20)上；所述的张力调节器(9)分别与辅辊变频器(15)和主辊变频器(16)相连；所述的前馈补偿单元(10)与辅辊变频器(15)相连；所述的前馈补偿单元(10)连接在辅辊变频器(15)的辅辊转速控制单元(1)和辅辊转矩控制单元(2)之间的连接线上；所述的张力调节器(9)的一端同时与辅辊转速控制单元(1)和主辊转速控制单元(4)相连；

所述的负荷分配器(7)与辅辊变频器(15)的连接为连接在辅辊变频器(15)的辅辊转速控制单元(1)和辅辊转矩控制单元(2)之间的连接线上；所述的负荷分配器(7)与主辊变频器(16)的连接是连接在主辊变频器(16)的主辊转速控制单元(4)和主辊转矩控制单元(5)之间的连接线上。

2.根据权利要求1所述的一种板带处理线上张紧辊张力控制装置，其特征在于，所述张力调节器(9)采用模糊神经网络自适应PID控制器。

3.一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，包含如下步骤：

A)张紧辊主从负荷分配：选取张紧辊控制系统中控制主辊和辅辊的两台变频电机，一台变频电机为主传动，控制主辊，定义为主辊电机，主辊电机使用速度转矩双闭环控制，通过矢量变频器，使整个张紧辊控制系统有一个速度的基准点，主辊电机的变频器设置为速度控制模式；另一台电机为从传动，控制辅辊，定义为辅辊电机，辅辊电机的变频器设置为转矩控制模式，并通过速度控制单元输入附加速度设定值Δn，速度控制单元饱和时，系统转为转矩控制闭环模式，辅辊转矩输出随主辊转矩输出而变化；主辊电机的变频器和辅辊电机的变频器负荷分配通过负荷分配器控制，利用PLC作为负荷分配器，在PLC上扩展A/D模块，采集电机电流，经过PLC运算，完成负荷分配功能；当电气同步时，两者都处于速度控制状态，采用接受统一的速度设定值，主辊电机和辅辊电机分别具有各自独立的脉冲速度编码器，检测各自的速度实际值，并作用到自身的速度调节器上；

B)张紧辊张力复合控制：上述步骤A)所述负荷分配主从控制的基础上，张紧辊控制系统还包括一个张力调节器，即增加一个张力直接控制环节，形成一个张力闭环、速度闭环和转矩闭环的三闭环控制系统，执行机构为辅辊电机，按照实际张力与设定值之间的偏差来直接调节张力的大小，通过间接地改变张力执行部件的电流和磁场的电气参数来动态补偿现场的干扰量；张力给定值乘以辊径实际值作为转矩设定值作用于张紧辊控制系统，电动机电流随着卷径的增加而线性增加，张力保持恒定，速度调节器通过输入一个饱和设定值而保持在限幅状态；

C)动态补偿：张紧辊的动态补偿力矩包括：转动惯量补偿力矩、摩擦损耗补偿力矩和带钢在辊子上的弯曲损耗补偿力矩，在PLC中计算出张紧辊加减速时所需的动态力矩和因摩擦损耗的静态力矩，作为转矩设定值的一部分输入到变频器中。

4.根据权利要求3所述的一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，其特征在于，所述的步骤A)中主辊和辅辊的转矩调节采用PI调节器。

5.根据权利要求3所述的一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，其特征在于，所述的步骤A)中双闭环控制是用预先设定的张力值乘以卷径D作为输入转矩值，同时直接测量电机电流，计算出转矩反馈值，形成闭环控制，控制主辊转矩控制单元的输出，维持张力恒定所需的电流值，使张紧辊转矩恒定。

6.根据权利要求3所述的一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，其特征在于，所述的步骤B)中的实际张力值由张力计直接测定，然后通过张力变送器将数据转换成标准信号反馈回辅辊电机的变频器，通过此信号与变频器预先设定的张力值对比，进行PID运算，输出控制信号，控制电机转速，使得实际张力值与设定值相等，以达到张力稳定。

7.根据权利要求3-6中任意一项所述的一种板带处理线上张紧辊张力控制的方法，其特征在于，所述的步骤B)中的张力设定值依据生产线各段带钢张力系数乘以带钢的横断面面积确定。