CN103170524B - 冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，包括以下步骤：（1）通过计算和修正两个步骤获取成品钢卷的实际卷径；（2）通过测量和计算两个步骤获取卷取机精确的转动惯量；（3）根据实际卷径和转动惯量将张力设定值换算成转矩设定值，再控制电机的输出转矩实现张力控制；（4）切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。本发明还提供了一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，包括：实际卷径获取模块，转动惯量获取模块，带钢张力控制模块，双卷取机位置切换控制模块。本发明的有益效果：转盘式卷取机在高速生产时精确控制，实际卷径计算准确，带钢张力控制稳定，故障率低，提高了生产率。

Description

冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法及系统。

背景技术

转盘式卷取机又称为卡罗塞尔卷取机，是冷连轧生产线中最核心的设备之一，其卷取质量直接影响钢卷成品质量。在一般的带钢处理线，通常采用双通道双卷取机布置，占地面积大，穿带故障率高，适合较低速度的生产线。对速度快，带钢薄的生产线，通常采用转盘式双卷取机系统，具有占地面积小，穿带故障率低，控制精度高，生产速度快等特点，在高速冷连轧生产线，得到广泛应用。但冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制的技术存在一定难点，在高速生产时卷径计算难以精确控制，造成带钢张力控制不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高精度高可靠性的转盘式高速卷取机的控制方法及系统，通过高精度钢卷卷径计算、卷取机转动惯量测量与计算、带钢张力控制、双卷取机位置切换控制等四种手段结合起来实现冷连轧生产线中转盘式高速卷取机的可靠控制。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，包括以下步骤：

（1）获取成品钢卷的实际卷径D_act；

（2）获取卷取机精确的转动惯量J_total；

（3）控制带钢张力：卷取机工作在转矩控制模式，卷取机张力控制为间接张力控制，根据步骤（1）获取的实际卷径D_act和步骤（2）获取的转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值T_set对应的转矩值T_QT、加速或减速转矩T_QI、摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤（2）获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

则卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}=T_QT+T_QI+T_QF

为达到此转矩设定值，卷取机带钢线速度V_L需要附加ΔV，ΔV的大小根据张力设定值T_set的大小而定；

（4）切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。

在上述方案中，所述步骤（1）获取成品钢卷的实际卷径通过计算和修正两个步骤实现：

①计算：卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，则卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，这种方式计算出的卷径定义为计算卷径D_cnt，计算卷径D_cnt不受转向辊打滑及卷径偏心的影响，稳定且连续，是后续精确获取钢卷实际卷径D_act的基础；

②修正：通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt并不精确，不能直接作为最终的实际卷径D_act，需要进行修正，D_cnt修正步骤如下：

a）通过传感器直接测量钢卷卷径；

b）通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊的转速进行折算或者通过激光测速仪直接读取；

c）计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径。

在上述方案中，所述步骤（2）获取卷取机精确的转动惯量J_total通过测量和计算两个步骤实现：

①测量：通过测量手段得到机械设备的固定转动惯量J_fixed；

②计算：通过计算方法得到钢卷的可变转动惯量J_coil；

卷取机精确的转动惯量J_total=J_fixed+J_coil。

在上述方案中，所述步骤（3）中总加速度a包含两部分：一部分为机组速度斜坡产生的加速度a_L；另一部分为卷取过程中，当机组线速度不变时，卷取机转速逐渐下降产生的减速度a_coil，可通过下式计算得到：

$a_{\mathrm{coil}}=\frac{2h*V_L^2}{\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{act}}^2}$

式中：h为带钢平均厚度；V_L为带钢线速度；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；

则加减速对应的转矩值计算式为：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*(a_L-a_{\mathrm{coil}})}{D_{\mathrm{act}}}$

在上述方案中，为了提高带钢张力的动态性能，所述步骤（3）中还通过加入张力PI调节器对带钢的转矩限幅值进行微调，实际张力T_act通过下式进行计算：

$T_{\mathrm{act}}=\frac{2T_{Q\_\mathrm{act}}*i}{D_{\mathrm{act}}}$

式中，T_{Q_act}为电机的实际输出转矩；i为卷取机减速箱的减速比；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；

根据张力设定值T_set与实际张力T_act比较，通过张力PI调节器进行PI调节，输出调节量作为附加转矩值叠加到总的转矩设定值T_{Q_set}上，实现转矩控制的微调，该张力PI调节器根据实际张力控制效果决定使能或禁止。

在上述方案中，所述步骤（4）切换控制双卷取机位置通过下述方法实现：

当穿带位的卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，激活转盘位置控制器，解除转盘的机械锁止机构，位置控制器读取转盘电机轴端增量型编码器的脉冲值p，考虑减速比i，转化为转盘的实际角度值γ，通过转盘位置控制器，控制转盘转过180度，使穿带位的卷取机定位到卷取位、卷取位的卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换后，机械锁止机构将转盘进行锁止，转盘定位结束，为下一卷带钢的穿带做准备；如果转盘装有绝对值编码器，则不需进行转换，直接读取实际角度值γ。

本发明还提供了一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，包括：

实际卷径获取模块，用于获取成品钢卷的实际卷径D_act；

转动惯量获取模块，用于获取卷取机精确的转动惯量J_total；

带钢张力控制模块，用于根据实际卷径D_act和转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值T_set对应的转矩值T_QT、加速或减速转矩T_QI、摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤（2）获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}=T_QT+T_QI+T_QF；

双卷取机位置切换控制模块，用于切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。

在上述方案中，所述实际卷径获取模块具体包括：

卷径计算模块：用于计算得出计算卷径D_cnt，卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，算出的卷径定义为计算卷径D_cnt；

卷径修正模块：用于修正通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt，修正步骤如下：

a）通过传感器直接测量钢卷卷径；

b）通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊的转速进行折算或者通过激光测速仪直接读取；

c）计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径。

在上述方案中，所述转动惯量获取模块具体包括：

测量模块，用于测量得到机械设备的固定转动惯量J_fixed；

计算模块，用于计算得到钢卷的可变转动惯量J_coil；

卷取机精确的转动惯量J_total=J_fixed+J_coil。

在上述方案中，所述双卷取机位置切换控制模块具体包括：

锁止模块，用于锁定或解除锁定卷取机的转盘：当穿带位的卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，解除转盘的锁止；当转盘转过180度实现卷取机位置切换后，锁定转盘；

读取转化模块，用于读取电机轴端增量型编码器的脉冲值，考虑减速比i，转化为转盘的实际角度值γ；

切换控制模块，用于控制转盘转过180度，穿带位的卷取机定位到卷取位、卷取位的卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换。

本发明的有益效果在于：卷取机电机进行转矩控制，通过精确可靠的成品钢卷实际卷径和卷取机精确的转动惯量，换算得出更精确的转矩设定值，从而提高卷取机的张力控制精度及其动态性能；另外，结合张力PI调节器进行PI调节，进一步提升卷取机高速运行下的张力控制性能；转盘式卷取机在高速生产时精确控制，带钢张力控制稳定，故障率低，提高了生产率。

附图说明

图1为本发明转盘式卷取机的结构示意图。

图2为本发明卷取机传动系统的结构示意图。

图中：1-穿带位的1#卷取机；2-卷取位的2#卷取机；3-转盘；4-转向辊；5-电机；6-传动轴；7-减速箱；8-钢卷；9-卷筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

参照图1～图2所示，本发明所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，是一种先进的冷连轧生产线卷取机控制方法，具体包括以下步骤：

（1）获取成品钢卷的实际卷径D_act

为了保证成品钢卷质量，卷取机恒定的张力控制是关键，为了精确的控制张力，钢卷卷径的无故障连续计算尤为重要。成品钢卷的实际卷径通过计算和修正两个步骤实现：

①计算：卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒9每转一圈，则卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，这种方式计算出的卷径定义为计算卷径D_cnt，计算卷径D_cnt不受转向辊4打滑及卷径偏心的影响，稳定且连续，是后续精确获取钢卷实际卷径D_act的基础；

②修正：通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt并不精确，不能直接作为最终的实际卷径D_act，需要进行修正，D_cnt修正步骤如下：

a）通过传感器直接测量钢卷卷径；

b）通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊4的转速进行折算，如果机组配置有激光测速仪，则可以直接读取到带钢线速度V_L；

c）计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径。

D_cnt的计算公式如下：

D_cnt(n)=D_cnt(n-1)+2M_RPMh+ΔD_KORR

式中：M_RPM为每一个计算周期卷取机转过的圈数，可以令M_RPM=1，表示卷筒每转一圈为一个测量周期；h为带钢平均厚度；ΔD_KORR为修正值。

通过传感器直接测量钢卷得到的卷径值称为测量卷径D_coil，测量卷径D_coil可以通过卷取机前面的已知辊径的转向辊4测得，其基本原理是根据钢卷8和转向辊4的线速度相等，得到以下等式：

$\frac{n_{\mathrm{coil}}*\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{coil}}}{i_{\mathrm{coil}}*60}=\frac{n_{\mathrm{delf}}*{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{delf}}}{i_{\mathrm{delf}}*60}$

从而可以得到：

$D_{\mathrm{coil}}=\frac{n_{\mathrm{delf}}*i_{\mathrm{coil}}*D_{\mathrm{delf}}}{n_{\mathrm{coil}}*i_{\mathrm{delf}}}$

式中：i_coil为卷取机减速箱7的减速比；n_coil为卷取机电机5实时转速；n_delf为转向辊4电机的实时转速；D_delf为转向辊4的直径；i_delf为转向辊4的减速比。

测量卷径D_coil容易受到外界因素的干扰，如转向辊4打滑或钢卷8偏心的影响，并且卷取机必须是转矩控制。为了消除误差，需要对测量卷径D_coil进行一致性校验，因此，将每次测量周期测得的D_coil与前一次测出的值进行比较，得出的偏差值为ΔD_coil，计算式如下：

ΔD_coil=D_coil(n)-D_coil(n-1)

对最近几个周期计算出的偏差值ΔD_coil进行数值分析，求其平均值及方差，检验是否有效，一般取最近7次的计算值作数值分析对象，计算其平均值如下：

$\mathrm{MV\Δ}{D}_{\mathrm{coil}}=\frac{1}{7}\underset{n=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{coil}\left(n\right)}$

方差：

${\mathrm{Var}}^2=\frac{1}{7-1}\underset{n=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{coil}\left(n\right)}-\mathrm{MV\Δ}{D}_{\mathrm{coil}}]}^2$

当方差在设定范围内时，认为测量卷径D_coil有效，将D_cnt与D_coil进行比较，当D_cnt与D_coil相差较大时，则计算出修正值ΔD_KORR进行补偿，ΔD_KORR使最终的实际卷径D_act逼近测量卷径D_coil，在三个测量周期内，对D_cnt进行修正，再比较D_cnt与D_coil的差值，如果在设定范围内，则修正量ΔD_KORR置为0，并且将修正后的实际卷径值作为新的D_cnt值进行存储。ΔD_KORR计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{KORR}}=\frac{1}{3}\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}(D_{\mathrm{cnt}\left(n\right)}-D_{\mathrm{coil}\left(n\right)})$

当D_coil计算值有效时，可以计算出实际带钢厚度h，其原理是，两种卷径计算在相同计算周期内，卷径的增量相等，令M_RPM=1，计算公式如下：

2M_RPMh=MVΔD_coil

则：

$h=\frac{\mathrm{MV\Δ}{D}_{\mathrm{coil}}}{2M_{\mathrm{RPM}}}=\frac{1}{2}\mathrm{MV\Δ}{D}_{\mathrm{coil}}$

通过上式计算出的带钢厚度h为带钢的名义厚度值，包含了卷取过程中带钢间的缝隙及油膜的厚度，通过该值修正带钢厚度设定值有利于提高卷径计算精度。

卷取机的带钢张力控制依赖于钢卷实际卷径D_act，通过以上方法所计算出的钢卷实际卷径D_act需要通过积分处理，形成无突变连续输出才能保持系统稳定。在实际生产中，当轧制速度很低并且卷径较大时，每转一圈的时间较长，每次测量周期也变得很长，为了防止卷径发生突变，实际卷径D_act通过积分器输出，积分的初始卷径为卷筒涨径D₀，采样时间设为T_A，积分时间T_i为每一测量周期的时间，由带钢线速度V_L和实际卷径D_act决定。

$T_i=\frac{\mathrm{\π}*D_{\mathrm{act}}}{V_L}$

D_act(n)=D_act(n-1)+2M_RPMh

可以得到：

$D_{\mathrm{act}}\left(n\right)=D_{\mathrm{act}}(n-1)+\mathrm{MV\Δ}{D}_{\mathrm{coil}}(n-1)\frac{T_A}{T_i}$

${=D}_{\mathrm{act}}(n-1)+\mathrm{MV}{\mathrm{\ΔD}}_{\mathrm{coil}}(n-1)\frac{T_A*V_L}{\mathrm{\π}*D_{\mathrm{act}}(n-1)}$

对上式求积分，则可得到实时连续变化的实际卷径D_act，保证卷取机张力及带钢线速度V_L的平稳。

（2）获取卷取机精确的转动惯量J_total

卷取机转动惯量较大，为了提高卷取机的动态性能及张力控制精度，卷取机的转动惯量补偿是极为重要的环节。通过测量手段得到机械设备（包括电机5、传动轴6、减速箱7、卷筒9）的固定转动惯量J_fixed，通过计算方法得到钢卷8的可变转动惯量J_coil，卷取机精确的转动惯量J_total为两者之和：J_total=J_fixed+J_coil。

①测量固定转动惯量J_fixed

使卷取机工作在速度闭环模式，将电机转矩输出限幅在某一值M(Nm)，将速度斜坡设的尽量小，先使电机以低速n₁(r/s)运转（比如n₁=10%*n_max），然后使电机加速到n₂(r/s)（比如n₂=80%*n_max），在速度稳定后，再减速到n₁，则可得到加速时间、减速时间分别为：t₁(s)、t₂(s)，设机械系统平均摩擦转矩为M_fric，则可得到下列方程组：

$\left\{\begin{array}{c}M-M_{\mathrm{fric}}=J_{\mathrm{fixed}}*\frac{2\mathrm{\π}(n_2-n_1)}{t_1}\\ M+M_{\mathrm{fric}}=J_{\mathrm{fixed}}*\frac{2\mathrm{\π}(n_2-n_1)}{t_2}\end{array}\right.$

联立求解得：

$J_{\mathrm{fixed}}=\frac{M}{\mathrm{\π}*\mathrm{\Δn}}*\frac{t_1{t}_2}{t_1+t_2},\left({\mathrm{kgm}}^2\right)$

式中，Δn=n₂-n₁，(r/s)

②计算可变转动惯量J_coil

钢卷8的可变转动惯量J_coil可根据以下计算式得到：

$J_{\mathrm{coil}}=\frac{\frac{1}{2}\left(\mathrm{\ρw\π}\frac{D_{\mathrm{act}}^2}{4}\right)\frac{D_{\mathrm{act}}^2}{4}}{i^2}-\frac{\frac{1}{2}\left(\mathrm{\ρ\ω\π}\frac{D_0^2}{4}\right)\frac{D_0^2}{4}}{i^2}$

则：

$J_{\mathrm{coil}}=\frac{\mathrm{\ρw\π}}{32*i^2}(D_{\mathrm{act}}^4-D_0^4),\left({\mathrm{kgm}}^2\right)$

式中，ρ为钢材的密度(kg/m³)；w为带钢宽度(m)；i为卷取机减速箱的减速比；D_act为实际卷径(m)；D₀为初始卷径（卷筒涨径）(m)。

（3）控制带钢张力

卷取机工作在转矩控制模式，卷取机张力控制为间接张力控制，根据步骤（1）获取的实际卷径D_act和步骤（2）获取的转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

卷取机电机总的转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值对应的转矩值T_QT；加速或减速转矩T_QI；摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤（2）获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

总加速度a包含两部分：一部分为机组速度斜坡产生的加速度a_L；另一部分为卷取过程中，当机组线速度不变时，卷取机转速逐渐下降产生的减速度a_coil，可通过下式计算得到：

$a_{\mathrm{coil}}=\frac{2h*V_L^2}{\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{act}}^2}$

式中：h为带钢平均厚度；V_L为机组出口线速度；D_act为钢卷卷径实际值。

则加减速对应的转矩值计算式为：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*(a_L-a_{\mathrm{coil}})}{D_{\mathrm{act}}}$

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

则卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}=T_QT+T_QI+T_QF

为达到此转矩设定值，卷取机带钢线速度V_L需要附加ΔV，ΔV的大小根据张力设定值T_set的大小而定。

为了提高带钢张力的动态性能，步骤（3）中还加入张力PI调节器对带钢的转矩限幅值进行微调，此时实际张力T_act通过下式进行计算：

$T_{\mathrm{act}}=\frac{2T_{Q\_\mathrm{act}}*i}{D_{\mathrm{act}}}$

式中，T_{Q_act}为电机的实际输出转矩；i为卷取机减速箱的减速比；D_act为实际卷径。

根据张力设定值T_set与实际张力T_act比较，通过张力PI调节器进行PI调节，输出调节量作为附加转矩值叠加到总的转矩设定值T_{Q_set}上，实现转矩控制的微调，比常规的直接通过转矩限幅的张力控制模式具有更好的动态性能，该张力PI调节器可以根据实际张力控制效果决定使能或禁止。

（4）切换控制双卷取机位置

当穿带位的1#卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，激活转盘位置控制器，解除转盘3的机械锁止机构，读取转盘电机轴端增量型编码器的脉冲值n，考虑减速比i，转化为转盘3的实际角度值γ，通过转盘位置控制器，控制转盘3转过180度，使穿带位的1#卷取机定位到卷取位、卷取位的2#卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换后，机械锁止机构将转盘3进行锁止，转盘定位结束，为下一卷带钢的穿带做准备；如果转盘3装有绝对值编码器，则不需进行转换，直接读取实际角度值γ。

通常电机轴端的增量型编码器为每转1024个脉冲，则可以计算出每个脉冲对应的角度值为：360/1024=0.3515625。通过读取转盘电机轴端增量型编码器的脉冲值p，考虑减速比i，转化为转盘3的实际角度值γ，γ的换算公式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{360}{1024}\×\frac{p}{i}$

式中：γ：转盘实际角度值，p：读取到的脉冲值，i：卷取机减速比。

本发明还提供了一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，包括：

实际卷径获取模块，用于获取成品钢卷的实际卷径D_act；

转动惯量获取模块，用于获取卷取机精确的转动惯量J_total；

带钢张力控制模块，用于根据实际卷径D_act和转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值T_set对应的转矩值T_QT、加速或减速转矩T_QI、摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤（1）获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤（2）获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}=T_QT+T_QI+T_QF；

双卷取机位置切换控制模块，用于切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。

所述实际卷径获取模块具体包括：

卷径计算模块：用于计算得出计算卷径D_cnt，卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，算出的卷径定义为计算卷径D_cnt；

卷径修正模块：用于修正通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt，修正步骤如下：

a）通过传感器直接测量钢卷卷径；

b）通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊的转速进行折算或者通过激光测速仪直接读取；

c）计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径。

所述转动惯量获取模块具体包括：

测量模块，用于测量得到机械设备的固定转动惯量J_fixed；

计算模块，用于计算得到钢卷的可变转动惯量J_coil；

卷取机精确的转动惯量J_total=J_fixed+J_coil。

所述双卷取机位置切换控制模块具体包括：

锁止模块，用于锁定或解除锁定卷取机的转盘：当穿带位的卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，解除转盘的锁止；当转盘转过180度实现卷取机位置切换后，锁定转盘；

读取转化模块，用于读取电机轴端增量型编码器的脉冲值，考虑减速比i，转化为转盘的实际角度值γ；

切换控制模块，用于控制转盘转过180度，穿带位的卷取机定位到卷取位、卷取位的卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此采用与本例相同或相近方法，或依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取成品钢卷的实际卷径D_act，通过计算和修正两个步骤实现：

①计算：卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，则卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，这种方式计算出的卷径定义为计算卷径D_cnt；

②修正：通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt修正步骤如下：

a)通过传感器直接测量钢卷卷径；

b)通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊的转速进行折算或者通过激光测速仪直接读取；

c)计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径；

(2)获取卷取机精确的转动惯量J_total；

(3)控制带钢张力：卷取机工作在转矩控制模式，卷取机张力控制为间接张力控制，根据步骤(1)获取的实际卷径D_act和步骤(2)获取的转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值T_set对应的转矩值T_QT、加速或减速转矩T_QI、摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤(1)获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤(2)获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}＝T_QT+T_QI+T_QF；

(4)切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。

2.如权利要求1所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，其特征在于，所述步骤(2)获取卷取机精确的转动惯量J_total通过测量和计算两个步骤实现：

①测量：通过测量手段得到机械设备的固定转动惯量J_fixed；

②计算：通过计算方法得到钢卷的可变转动惯量J_coil；

卷取机精确的转动惯量J_total＝J_fixed+J_coil。

3.如权利要求1所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中总加速度a包含两部分：一部分为机组速度斜坡产生的加速度a_L；另一部分为卷取过程中，当机组线速度不变时，卷取机转速逐渐下降产生的减速度a_coil，通过下式计算得到：

$a_{\mathrm{coil}}=\frac{2h*V_L^2}{\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{act}}^2}$

式中：h为带钢平均厚度；V_L为带钢线速度；D_act为步骤(1)获取的实际卷径；

则加减速对应的转矩值计算式为：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*(a_L-a_{\mathrm{coil}})}{D_{\mathrm{act}}}.$

4.如权利要求1所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中还通过加入张力PI调节器对带钢的转矩限幅值进行微调，实际张力T_act通过下式进行计算：

$T_{\mathrm{act}}=\frac{2T_{Q\_\mathrm{act}}*i}{D_{\mathrm{act}}}$

式中，T_{Q_act}为电机的实际输出转矩；i为卷取机减速箱的减速比；D_act为步骤(1)获取的实际卷径；

根据张力设定值T_set与实际张力T_act比较，通过张力PI调节器进行PI调节，输出调节量作为附加转矩值叠加到总的转矩设定值T_{Q_set}上，实现转矩控制的微调，该张力PI调节器根据实际张力控制效果决定使能或禁止。

5.如权利要求1所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制方法，其特征在于，所述步骤(4)切换控制双卷取机位置通过下述方法实现：

当穿带位的卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，激活转盘位置控制器，解除转盘的机械锁止机构，位置控制器读取转盘电机轴端增量型编码器的脉冲值p，考虑减速比i，转化为转盘的实际角度值γ，通过转盘位置控制器，控制转盘转过180度，使穿带位的卷取机定位到卷取位、卷取位的卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换后，机械锁止机构将转盘进行锁止，转盘定位结束，为下一卷带钢的穿带做准备；如果转盘装有绝对值编码器，则不需进行转换，直接读取实际角度值γ。

6.一种冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，其特征在于，包括：

1)实际卷径获取模块，用于获取成品钢卷的实际卷径D_act，所述实际卷径获取模块具体包括：

卷径计算模块：用于计算得出计算卷径D_cnt，卷径计算之前，由PLC预设定初始卷径及带钢厚度，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，卷径在初始卷径基础上按照带钢平均厚度的两倍递增，算出的卷径定义为计算卷径D_cnt；

卷径修正模块：用于修正通过步骤①计算得到的计算卷径D_cnt，修正步骤如下：

a)通过传感器直接测量钢卷卷径；

b)通过带钢线速度V_L及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速通过电机编码器得到，带钢线速度V_L通过转向辊的转速进行折算或者通过激光测速仪直接读取；

c)计算每个测量周期的测量卷径偏差值及其方差，当方差在设定范围内时，认为测量卷径有效，对实际卷径进行修正，使最终的实际卷径逼近测量卷径；

2)转动惯量获取模块，用于获取卷取机精确的转动惯量J_total；

3)带钢张力控制模块，用于根据实际卷径D_act和转动惯量J_total将张力设定值T_set换算成转矩设定值T_{Q_set}，再控制电机的输出转矩实现张力控制；

转矩设定值T_{Q_set}包含三部分：张力设定值T_set对应的转矩值T_QT、加速或减速转矩T_QI、摩擦转矩T_QF：

①张力设定值T_set对应的转矩值T_QT计算式如下：

$T_{\mathrm{QT}}=\frac{T_{\mathrm{set}}*D_{\mathrm{act}}}{2i}$

②加速或减速转矩T_QI计算式如下：

$T_{\mathrm{QI}}=\frac{2i*J_{\mathrm{total}}*a}{D_{\mathrm{act}}}$

式中：T_set为张力设定值；D_act为步骤(1)获取的实际卷径；i为卷取机减速箱的减速比；J_total为步骤(2)获取的精确的转动惯量；a为总加速度；

③摩擦转矩T_QF的大小与电机的实际转速呈规律变化，接近线性关系，通过给定不同的实际转速进行插值记录，然后通过查表的方式得到各个不同实际转速对应的摩擦转矩T_QF；

卷取机电机的总的转矩设定值T_{Q_set}为：

T_{Q_set}＝T_QT+T_QI+T_QF；

4)双卷取机位置切换控制模块，用于切换控制双卷取机位置，实现冷连轧生产线转盘式高速卷取机的高精度控制。

7.如权利要求6所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，其特征在于，所述转动惯量获取模块具体包括：

测量模块，用于测量得到机械设备的固定转动惯量J_fixed；

计算模块，用于计算得到钢卷的可变转动惯量J_coil；

卷取机精确的转动惯量J_total＝J_fixed+J_coil。

8.如权利要求6所述的冷连轧生产线转盘式高速卷取机控制系统，其特征在于，所述双卷取机位置切换控制模块具体包括：

锁止模块，用于锁定或解除锁定卷取机的转盘：当穿带位的卷取机钢卷的实际卷径D_act达到切换卷径阀值D_sft时，解除转盘的锁止；当转盘转过180度实现卷取机位置切换后，锁定转盘；

读取转化模块，用于读取电机轴端增量型编码器的脉冲值，考虑减速比i，转化为转盘的实际角度值γ；

切换控制模块，用于控制转盘转过180度，穿带位的卷取机定位到卷取位、卷取位的卷取机到达穿带位，实现卷取机位置切换。