CN1803326A - 一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统，属于轧机传动控制领域。该系统包括：轧机传动两质量弹性系统、控制系统和功率变流系统；轧机两质量弹性系统包括轧机和轧辊，并通过一个连接轴相连；控制系统包括：负荷观测器、状态反馈增益放大器；电机调速系统；功率变流系统为电力电子变换器，根据控制系统的控制电压，将电网的电压和电流变换为合适的电机电压和电流，驱动电机调速运行。本发明的优点在于：该系统通过检测电机的速度和电流，经过观测器计算，观测出轧机负荷转矩和电机与轧辊的速度差，并将其经增益放大后作为前馈量加入到转矩电流控制通道中，形成状态反馈控制，从而有效地抑制了轧机的扭振和动态速度降落现象。

Description

一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统
技术领域
本发明属于轧机传动控制领域，特别是提供了一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统。
背景技术
轧机传动系统是一个复杂的多质量弹性系统，其力学模型可以大致等效为如图4所示的两质量弹性系统，即两个惯性环节(电机和轧辊)通过一个弹性环节(连接轴)相连。该系统的传递函数结构框图框图5所示。轧机传动系统在突加负荷(如咬钢，抛钢，制动，变速等操作)作用下，系统会发生不稳定的扭转振动(简称扭振)，由扭振造成的连接轴上的最大扭矩值比正常轧制时的静态扭矩大得多，严重时会超过连接轴材料的强度，造成轧机设备的破坏，影响生产的正常进行。另外，轧机传动系统在突加负荷时会产生动态速度降落，动态速降和扭振会影响轧机自动控制系统，例如活套，APC(自动宽度控制)，AGC(自动厚度控制)等，影响轧制产品的质量。
轧机传动系统是由调速电机驱动的，电机调速控制系统一般由速度控制和转矩控制组成的双环调速系统，内环包括功率变流器、转矩调节器，其功能是提供快速转矩控制。外环为速度调节器，一般采用比例积分调节器。速度调节器接收安装在电机轴上的速度传感器检测的速度，计算电机实际速度和给定速度之间的差值，再经过比例积分调节器计算，其结果作为转矩电流调节器的输入，经过调节器计算后，结果作为功率变流装置的控制电压。该调速控制系统框图如图4所示。
该控制系统在轧机突加负载时，会产生较大的动态速降，同时，由于速度检测量为电机速度，调速控制系统无法对轧辊弹性扭转造成的速度振荡加以抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统，通过加入一种负荷状态观测器(以下简称观测器)来抑制轧机传动系统的动态速降和扭振。该观测器通过检测电机的速度与电流(可测量)，构造出轧机负载力矩和电机与轧辊速度差的估计值，并将该估计值通过增益放大器，其结果作为转矩电流给定信号中的一部分，用来补偿负载转矩和扭振速度差。当轧机受到冲击负载时，该观测器迅速将负荷转矩和扭振速度差估计值加入转矩调节系统，加快转矩调节时间，减少了动态速降和动态恢复时间，有效地抑制了轧机扭振。
本发明包括：轧机传动两质量弹性系统、控制系统和功率变流系统。轧机传动两质量弹性系统包括电机和轧辊，通过连接轴相连；电机可以是直流电动机也可以是交流电动机。控制系统包括：负荷观测器、状态反馈增益放大器；电机调速系统。该系统通过检测电机的速度和电流，计算出轧机负荷转矩和电机与轧辊的速度差，并将其作为前馈量加入到转矩控制通道中，形成状态反馈控制，从而有效地抑制了轧机扭振和动态速度降落。
1、负荷观测器，包括轧机负载力矩
Figure A20061000186900051
的构造和速度差 的构造。
通过检测器，检测到电机实际速度ωM和电流iM。电机电流检测值iM乘以增益放大系统K1后得到电机电磁转矩观测值
Figure A20061000186900053
与观测器模型产生的观测量
Figure A20061000186900054
相减得到动态转矩ΔT，ΔT经积分运算后得到电机转速的观测值
Figure A20061000186900055
与实际轧机速度检测量ωM相减，其差值经比例积分调节器后得到负载力矩观测值
Figure A20061000186900056
该系统在比例积分调节的作用下，电机转速的观测值 始终跟随实际电机速度ωM的变化，由闭环控制来构成负荷转矩
Figure A20061000186900058
的观测。
电机电磁转矩观测值
Figure A20061000186900059
减去轧机连接轴转矩观测值 其差值经积分放大后，得到电机转速的观测值 而
Figure A200610001869000512
减去轧辊速度观测值
Figure A200610001869000513
其差值再经积分放大后，得到轧机连接轴转矩
Figure A200610001869000514
减去前述的轧机负载力矩观测量
Figure A200610001869000515
后，其差值再经积分放大，得到轧辊速度观测值
Figure A200610001869000516
由实际电机速度检测量ωM减去该观测值即可得到速度差的观测值
2、状态反馈增益放大器，由观测器观测到轧机负荷转矩和电机与轧辊的扭振速度差，该观测值由状态反馈增益放大器加入到调速系统的转矩电流控制输入端。该增益放大器由不同负载的情况根据工程经验将不同的增益放大系数做成表格存在存储器中，根据负载查表得出不同的增益放大系数。当系统产生产生负载扰动时，观测器将一由扰动量的作用而产生与传动系统频率相一致的补偿信号来抵消系统扰动及振荡，从而实现快速而稳定的运行。
3、电机调速系统
安装在电机轴上的速度传感器检测的电机实际速度输入到速度调节器，将实际速度和给定速度之间的差值，经过比例积分调节器计算，其结果作为转矩电流调节器的输入，转矩电流调节器的计算结果作为功率变流系统的控制电压。
本发明的优点在于：
传统的轧机传动控制系统在负载扰动时存在着动态速降大，恢复时间长及传动系统扭振的缺点。本发明将负荷观测器引入控制系统，通过容易在工程中实现的电机速度与电流检测，经观测器计算，得到轧机负荷转矩和轧辊扭振速度差，并将其加入转矩控制通道中，减少了轧机负荷冲击的动态速降，并有效地抑制了扭振现象，此外，该负荷观测器具有结构简单、调整参数少、容易实现等优点。
附图说明
图1为观测器构成图。
图2为本发明的轧机传动控制系统示意图。其中，轧机传动两质量弹性系统1、功率变流系统2、加负荷观测器的控制系统3。
图3为传统的轧机传动控制系统传递函数框图。其中，轧机传动两质量弹性系统1、功率变流系统2、传统的调速控制系统4。
图4轧机的传动两质量弹性示意图。
图5为轧机传动系统传递函数结构框图。
图6为轧钢过程中突加咬钢冲击负载时的动态响应波形，轧机速度的动态响应波形，其中细线为传统控制系统的速度响应波形，粗线为加入负荷观测器后的速度响应波形。
图7为传统控制系统的轧辊转矩动态响应波形
图8为加入负荷观测器后的轧辊转矩动态响应波形。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步说明。
如图2所示，本专利所应用的轧机调速系统包括轧机传动两质量弹性系统、控制系统和功率变流系统。控制系统硬件为专用处理器板，软件功能结构如图控制部分虚框所示。电机速度给定值(ω*)和速度检测值(ω)输入速度调节器，其输出为转矩电流给定值i1 *；电机电流检测值iM和电机速度检测值输入到负荷观测器，观测器计算出负载转矩观测值
Figure A20061000186900061
和扭振速度差的观测值 将该观测值经状态反馈增益放大器计算后形成补偿电流给定值i2 *(用来补偿负载转矩和扭振速度差)；速度调节器产生的转矩电流给定分量i1 *和负荷观测器产生的补偿电流给定分量i2 *综合，作为转矩电流调节器的输入，经电流调节器计算环节计算后形成功率变流系统的控制电压。
实际工程的轧机速度与转矩响应波形见图5、图6和图7，在突加负载时，传统控制系统的动态速降大约为4.5％，恢复时间大约为425ms；而带负荷观测器的控制系统动态速降大约为2.5％，恢复时间大约为125ms；轧辊所承受的转矩振荡减小，时间缩短70％。由此可见，带负荷观测器的控制系统对轧机突加负载的动态响应特性和抑制扭振能力有很大程度的改善。

Claims (4)

1、一种抑制轧机传动系统动态速降和扭振的控制系统，其特征在于：该系统包括：轧机传动两质量弹性系统、控制系统和功率变流系统；轧机传动两质量弹性系统包括电机和轧辊，通过连接轴相连；电机为直流电动机或交流电动机；控制系统包括：负荷观测器、状态反馈增益放大器；电机调速系统；该系统通过检测电机的速度和电流，计算出轧机负荷转矩和电机与轧辊的速度差，并将其作为前馈量加入到转矩控制通道中，形成状态反馈控制，从而有效地抑制了轧机扭振和动态速度降落。
2、按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于：负荷观测器，包括轧机负载力矩 的构造和速度差
Figure A2006100018690002C2
的构造；通过检测器，检测到电机实际速度ωM和电流iM；电机电流检测值iM乘以增益放大系统Kt后得到电机电磁转矩观测值 与观测器模型产生的观测量
Figure A2006100018690002C5
相减得到动态转矩ΔT，ΔT经积分运算后得到电机转速的观测值
Figure A2006100018690002C7
与实际轧机速度检测量ωM相减，其差值经比例积分调节器后得到负载力矩观测值 该系统在比例积分调节的作用下，电机转速的观测值
Figure A2006100018690002C9
始终跟随实际电机速度ωM的变化，由闭环控制来构成负荷转矩
Figure A2006100018690002C10
的观测；电机电磁转矩观测值 减去轧机连接轴转矩观测值 其差值经积分放大后，得到电机转速的观测值 而
Figure A2006100018690002C14
减去轧辊速度观测值
Figure A2006100018690002C15
其差值再经积分放大后，得到轧机连接轴转矩 减去前述的轧机负载力矩观测量 后，其差值再经积分放大，得到轧辊速度观测值
Figure A2006100018690002C19
由实际电机速度检测量ωM减去该观测值 即可得到速度差的观测值
3、按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于：状态反馈增益放大器，由观测器观测到轧机负荷转矩和电机与轧辊的扭振速度差，该观测值由状态反馈增益放大器加入到调速系统的转矩电流控制输入端；该增益放大器由不同负载的情况根据工程经验将不同的增益放大系数做成表格存在存储器中，根据负载查表得出不同的增益放大系数；当系统产生负载扰动时，观测器将由扰动量的作用而产生与传动系统频率相一致的补偿信号来抵消系统扰动及振荡，从而实现快速而稳定的运行。
4、按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于：安装在电机轴上的速度传感器检测的电机实际速度输入到速度调节器，将实际速度和给定速度之间的差值，经过比例积分调节器计算，其结果作为转矩电流调节器的输入，转矩电流调节器的计算结果作为功率变流系统的控制电压。
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