DE19511267C1 - Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße, in der das Walzgut über Schlingenheber zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgen­ den Walzgerüsten in Schlingen geführt ist, mit jeweils einem Lageregler zur Regelung der Schlingenlage, der auf einen Drehzahlregler für das jeweils zugeordnete Walzgerüst wirkt.

Bei einer derartigen, aus der Siemens-Zeitschrift 47 (1973) Beiheft "Antriebstechnik und Prozeßautomatisierung in Hütten- und Walzwerken", Seiten 87 bis 89, bekannten Vorrichtung wird das Walzgut zwischen den Gerüsten einer Walzstraße über Schlingenheber in Schlingen geführt. Die damit einhergehende Verlängerung der Walzgutabschnitte gegenüber der jeweils kür­ zesten Verbindung zwischen den Gerüsten wird als Bandvorrat bezeichnet. Bei Störungen des Materialflusses können somit Zugänderungen im Walzgut durch vorübergehendes Vergrößern oder Verringern des Bandvorrates ausgeglichen werden. Das Walzen mit konstantem Zug im Walzgut wird durch Zusammenwir­ ken einer Steuerung des Drehmoments der Schlingenheber und einer Schlingenregelung erreicht, bei der ein Lageregler zur Regelung der Schlingenlage auf einen Drehzahlregler für das vor dem jeweiligen Schlingenheber liegende Walzgerüst wirkt.

Der primäre Eingriff auf den Zug im Walzgut erfolgt durch die Steuerung des Drehmoments des Schlingenhebers, wobei diese Steuerung am besten quasistatisch arbeitet. Die Schlingenre­ gelung hat daher die Aufgabe, die Schlingen möglichst ruhig zu halten, wozu Bandvorratsstörungen über die Drehzahlen der Walzgerüste möglichst schnell ausgeregelt werden müssen. Au­ ßerdem muß der Bandvorrat in der Nähe eines Sollwertes gehal­ ten werden, damit die mechanischen Randbedingungen für die Gerüste, die Schlingenheber und das Walzgut erhalten bleiben.

Für die Schlingenregelung zwischen einem Walzgerüst und dem Folgegerüst bedeutet eine Störung des Bandvorrates eine Ver­ änderung der ausgeglichenen Geschwindigkeitsbilanz zwischen der Auslaufgeschwindigkeit des Walzgutes aus dem Walzgerüst und der Einlaufgeschwindigkeit in das Folgegerüst. Zu dieser Geschwindigkeitsbilanz tragen die jeweiligen Walzenumfangsge­ schwindigkeiten der beiden Gerüste, die in das Folgegerüst einlaufende und aus dem Folgegerüst auslaufende Walzgutdicke sowie die zugabhängigen Voreilfaktoren an beiden Gerüsten bei, wobei von diesen sechs Größen nur die Walzenumfangsge­ schwindigkeiten problemlos gemessen und somit auch geregelt werden können.

Die Ursachen für Störungen des Bandvorrates sind miteinander gekoppelt und sehr komplex, wie z. B. die unbekannte und un­ gleichmäßige Temperaturverteilung über das Walzgut. Allen Störungen ist jedoch gemeinsam, daß sie nicht sprunghaft, sondern rampenförmig, wenn auch mit unterschiedlichen Steil­ heiten, auftreten.

Die bekannte Schlingenregelung mit einem PI-Lageregler zur Regelung der Schlingenlage kann nur sprungförmige Störungen des Bandvorrates vollständig ausregeln. Bei rampenförmigen Störungen bleibt eine stationäre Regelabweichung zurück, die mit der Steilheit der Störung zunimmt. Dies ist in einem ge­ wissen Rahmen tolerierbar, da es in erster Linie nicht unbe­ dingt erforderlich ist, den Sollwert für den Bandvorrat ein­ zuhalten. Für Störungen, die in ihrem rampenförmigen Verlauf eine gewisse Steilheit überschreiten, ist jedoch eine Schlin­ genregelung ohne verbleibende stationäre Regelabweichung wün­ schenswert, weil die Regelabweichung nur so noch kleingehal­ ten werden kann, d. h. der Bandvorrat in der Nähe des Soll­ wertes gehalten werden kann und damit die mechanischen Rand­ bedingungen für die Gerüste, die Schlingengeber und das Walz­ gut erhalten bleiben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bleibende Regelabweichungen auszuregeln und die Regeldynamik zu verbessern.

Zur Lösung der angegebenen Probleme ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß bei der Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dem Regelkreis des Lagereglers ein Geschwindigkeitsregler zur Regelung der Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge unterlagert ist. Der Vorteil dieser zweischleifigen Schlingenregelung liegt darin, daß eine Soll-Ist-Bilanz für die Änderungsgeschwindigkeit des Bandvorrats gebildet wird, so daß auf diese Weise Störungen des Bandvorrates effektiv ausgeregelt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verbes­ serung der Regelungsdynamik, weil Störungen bereits von dem Regler des inneren Geschwindigkeitsregelkreises erkannt wer­ den und von diesem selbst ohne Zutun des äußeren Lagereglers ausgeregelt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Lageregler enthält vorzugsweise ein nichtlineares Über­ tragungsglied, dessen Übertragungsverhalten zwischen dem Aus­ gang und dem Eingang einer Wurzelfunktion angenähert ist. Da­ durch wird unter Berücksichtigung des physikalischen Verhal­ tens träger Massen und daraus resultierenden maximal mögli­ chen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bzw. Verzögerun­ gen eine zeitoptimale, d. h. schnellstmögliche, Einstellung der Schlingenregelung am Arbeitspunkt erreicht. Um sowohl die Kleinsignal- als auch die Großsignalverstärkung des Übertra­ gungsglieds zu begrenzen, ist vorzugsweise die Wurzelfunktion im Bereich ihrer größten Steigung durch eine Gerade mit vor­ gegebener maximaler Steigung angenähert und das Ausgangssi­ gnal des Übertragungsglieds betragsmäßig begrenzt.

Der Lageregler und der Geschwindigkeitsregler weisen vorzugs­ weise integrierendes Verhalten auf, so daß sich eine Schlin­ genregelung ergibt, bei der rampenförmige Störungen ohne bleibende Regelabweichung ausgeregelt werden.

Für die Bereitstellung der Istwerte für die Schlingenregelung ist vorzugsweise dem Schlingenheber eine Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die aus der jeweiligen Stellung des Schlingen­ hebers den momentanen Bandvorrat ermittelt, wobei der ermit­ telte Bandvorrat als Istwert dem Lageregler und die zeitliche Ableitung des Bandvorrates als Istwert dem Geschwindigkeits­ regler zugeführt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walz­ straße,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schlingenregelung und einem Drehzahlregler,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer alternativen Ausführung der Schlingenregelung mit einem nichtlinearen Übertra­ gungsglied und

Fig. 4 ein Beispiel für das Übertragungsverhalten des nicht­ linearen Übertragungsgliedes.

Fig. 1 zeigt zwei aufeinanderfolgende Walzgerüste i und i+1 einer mehrgerüstigen Walzstraße. Das durch die Walzstraße laufende Walzgut 2 ist zwischen den beiden Gerüsten i und i+1 über einen Schlingenheber 3 geführt und bildet dabei eine Schlinge 4. Das Ausgangssignal α des Schlingenhebers 3 be­ stimmt die Länge der Schlinge 4 und damit den sogenannten Bandvorrat, der sich aus der Differenz zwischen der Länge der Schlinge 4 und der direkten Verbindung 5 zwischen den beiden Walzgerüsten i und i+1 ergibt. Der Auslenkwinkel α des Schlingenhebers 3 wird unmittelbar gemessen und in einer Aus­ werteeinrichtung 6 in Abhängigkeit von den Abstandsverhält­ nissen zwischen dem Schlingenheber 3 und den Gerüsten i und i+l sowie der Hebelarmlänge des Schlingenhebers 3 in den je­ weils aktuellen Istwert s des Bandvorrates umgerechnet. Die­ ser Istwert s wird zusammen mit einem Sollwert s* für den Bandvorrat einem Schlingenregler 7 zugeführt, der ausgangs­ seitig einen Korrektur-Drehzahlsollwert dn* erzeugt. Dieser Korrektur-Drehzahlsollwert dn* wird einem Drehzahlregler 8 zugeführt, der die Walzendrehzahlen des Gerüstes i regelt und dem außerdem ein Drehzahlsollwert n* für dieses Gerüst i, der Drehzahlistwert n und ein Drehzahlzusatzsollwert n*_z zuge­ führt wird. Der Drehzahlzusatzsollwert n*_z wird auch allen anderen Gerüsten der Walzstraße zugeführt und dient zur Ein­ stellung des allgemeinen Geschwindigkeitsniveaus in der Walz­ straße.

Mit dem Schlingenregler 7 soll der Bandvorrat s auf den Soll­ wert s* geregelt und dort konstant gehalten werden. Dabei be­ deutet eine Störung des Bandvorrates eine Veränderung der auf dem Gesetz über den konstanten Massenfluß beruhenden ausge­ glichenen Geschwindigkeitsbilanz zwischen der Auslaufge­ schwindigkeit des Walzgutes aus dem Walzgerüst i und der Ein­ laufgeschwindigkeit in das Folgegerüst i+1. Zu dieser Ge­ schwindigkeitsbilanz tragen die jeweiligen Walzenumfangsge­ schwindigkeiten v_i, v_i+1 der beiden Gerüste i und i+1, die in das Folgegerüst i+1 nach einer Schlingenlaufzeit TL einlau­ fende und aus diesem auslaufende Walzgutdicke h_i bzw. h_i+1 sowie die zugabhängigen Voreilfaktoren f_i und f_i+1 an beiden Gerüsten i und i+1 bei, so daß für die ausgeglichene, d. h. ungestörte, Geschwindigkeitsbilanz gilt

In Fig. 2 ist die von den Gerüsten i und i+1, der Schlinge 4 und dem Schlingenheber 3 gebildete Regelstrecke mit 9 be­ zeichnet. Als Eingangsgröße wird der Regelstrecke 9 das Aus­ gangssignal des Drehzahlreglers 8 zugeführt. Die Regelstrecke 9 ist Störungen St ausgesetzt und erzeugt als Ausgangsgröße den Auslenkwinkel α des Schlingenhebers 3. Der Drehzahlreg­ ler 8 erhält eingangsseitig neben dem Drehzahlistwert n, dem Drehzahlsollwert n* und dem Drehzahlzusatzsollwert n*_z von dem Schlingenregler 7 den Korrektur-Drehzahlsollwert dn*. Der Schlingenregler 7 enthält einen Lageregler 10 zur Regelung der Schlingenlage und damit des Bandvorrates sowie einen Ge­ schwindigkeitsregler 11 zur Regelung der Lageänderungsge­ schwindigkeit der Schlinge 4, also der Bandvorratsänderungs­ geschwindigkeit. Dazu erhält der Lageregler 10 an seinem Ein­ gang die in einem Subtrahierglied 12 gebildete Regeldifferenz zwischen dem Sollwert s* und dem Istwert s des Bandvorrates. Der Sollwert s* wird dem Subtrahierglied 12 über eine Ein­ richtung 20 zur Begrenzung des Anstiegs und des Betrags des Sollwertes s* zugeführt. Der Istwert s wird in der dem Schlingenheber 3 nachgeordneten Auswerteeinrichtung 6 aus dem Auslenkwinkel α berechnet. Der Lageregler 10 erzeugt an sei­ nem Ausgang einen Sollwert s′* für die Bandvorratsänderungs­ geschwindigkeit, von dem in einem weiteren Subtrahierglied 13 der entsprechende Istwert s′ subtrahiert wird. Die so erhal­ tene Regeldifferenz wird dem Geschwindigkeitsregler 11 zuge­ führt, der an seinem Ausgang den Korrektur-Drehzahlsollwert dn* für den Drehzahlregler 8 erzeugt. Der Istwert s′ für die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit wird in einem Differen­ zierglied 14 erzeugt, das die zeitliche Ableitung des von der Auswerteeinrichtung 6 gelieferten Bandvorrats-Istwerts s bil­ det. Wie gestrichelt angedeutet ist, kann zur Erzeugung des Istwertes s′ alternativ der Auslenkwinkel α in einem weite­ ren Differenzierglied 15 zunächst differenziert und dann in einer weiteren Auswerteeinrichtung 16 in den Istwert s′ umge­ rechnet werden. Die beiden Regler 10 und 11 sind jeweils als PI-Regler ausgebildet, wobei der Ausgang des Lagereglers 10 zusätzlich begrenzt ist.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung für den Schlingenreg­ ler 7, wobei im Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel der Lageregler 10 zur Erzeugung des P-Anteils s_p′* des Ausgangssignals s′* die Regelabweichung s*-s nicht mit einem konstanten Faktor multipliziert, sondern hierzu ein nichtlineares Übertragungsglied 17 aufweist. Zur Erzeugung des I-Anteils wird das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes 17 einem Integrierer 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem Summierpunkt 19 zu dem Ausgangssignal des Übertragungs­ gliedes 17 hinzuaddiert wird und dabei den Sollwert s′* für die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit bildet. Sowohl die Ausgangssignale des Übertragungsgliedes 17, des Integrierers 18 als auch des Summierpunktes 19 sind jeweils begrenzt; außerdem ist das Eingangssignal des Integrierers 18 begrenzt, wobei hier anstelle des Begrenzers auch ein Schalter vorgese­ hen werden kann.

Wie Fig. 4 zeigt, ist die Übertragungsfunktion des Übertra­ gungsgliedes 17 der Wurzelfunktion

angenähert, wobei die Annäherung im Be­ reich der maximalen Steigung der Wurzelfunktion durch eine Gerade mit vorgegebener maximaler Steigung erfolgt und im übrigen der Betrag des Ausgangssignals des Übertragungsglie­ des 17 begrenzt ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengere­ gelten Walzstraße, in der das Walzgut (2) über Schlingenheber (3) zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten (i, i+1) in Schlingen (4) geführt ist, mit jeweils einem La­ geregler (10) zur Regelung der Schlingenlage, der auf einen Drehzahlregler (8) für das jeweils zugeordnete Walzgerüst (i) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dem Regelkreis des Lagereglers (10) ein Geschwindigkeits­ regler (11) zur Regelung der Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge (4) unterlagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (10) ein nichtlineares Übertragungsglied (17) enthält, dessen Übertragungsverhalten einer Wurzelfunktion angenähert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wurzelfunktion im Bereich ihrer größten Steigung durch eine Gerade mit vorgegebener maximaler Steigung ange­ nähert ist und daß das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes (17) betragsmäßig begrenzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (10) und der Geschwindigkeitsregler (11) integrierendes Verhalten aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlingenheber (3) eine Auswerteeinrichtung (6) nach­ geordnet ist, die aus der jeweiligen Stellung (α) des Schlingenhebers (3) den momentanen Bandvorrat ermittelt, und daß der ermittelte Bandvorrat als Istwert (s) dem Lageregler (10) zugeführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Ableitung des Bandvorrates als Istwert (s′) dem Geschwindigkeitsregler (11) zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlingenheber (3) eine weitere Auswerteeinrichtung (16) nachgeordnet ist, die aus Änderungen der Stellung (α) des Schlingenhebers (3) die Bandvorratsänderungsgeschwindig­ keit ermittelt, die als Istwert (s′) dem Geschwindigkeitsreg­ ler (11) zugeführt wird.