DE19735339A1

DE19735339A1 - Verfahren zur Kompensation von periodischen Störsignalen bei einer Rolle, insbesondere eines Haspels

Info

Publication number: DE19735339A1
Application number: DE1997135339
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Schneider
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: DE19735339C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von periodischen Störsignalen bei einer Rolle, insbesondere eines Haspels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Aufwickeln von Bändern kann es beispielsweise aufgrund des den Bundradius abschnittsweise erhöhenden Bandanfanges zu einem ungleichmäßigen Rundlauf der Rolle (Haspel) kommen, wobei ein solcher Bundschlag bei jeder Haspelumdre hung mindestens einmal auftritt. Derartige Bundunrundheiten eines Haspels führen Zugistwertschwankungen beim zu wickelnden Band, was beispielsweise bei ei nem zu walzenden Metallband zu nachteiligen Beeinflussungen der Banddicke füh ren kann.

Aus der DE 44 25 355 A1 ist eine Regelung für den Antrieb eines Haspels bekannt, bei der zur Kompensation von Haspelzugschwankungen während jeder Haspelum drehung das Maximum des Störungsverlaufs detektiert und in Abhängigkeit davon ein Aufschaltsignal für die Antriebsregelung des Haspels während der nächsten Umdrehung erzeugt wird. Die Größe des rechteckförmigen Aufschaltsignals be stimmt sich aus der Summe eines Anfangswertes und eines der Größe des Stö rungsmaximums entsprechenden Wertes, wobei der Summenwert als Anfangswert für die Summenbildung bei der nächsten Haspelumdrehung herangezogen wird.

Aus der DE 196 14 300 A1 ist ein Verfahren zur selbstregulierenden Kompensation der Auswirkung des ungleichmäßigen Rundlaufs einer Rolle durch Approximation des Zugistwertes mit mindestens einer drehharmonischen Sinusfunktion bekannt, deren Argument der Rollendrehwinkel ist. Die Sinusapproximation erfolgt nach der orthogonalen Korrelation oder gemäß der harmonischen Analyse nach Fourier. Es werden Schätzwerte für die Amplitude und die Phase des durch den ungleichmäßi gen Rundlauf bewirkten Sinussignales gebildet. Aus diesen Schätzwerten wird ein Zusatzmoment gebildet. Der Momentsollwert für die Rolle wird mit diesem Zusatz moment beaufschlagt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation von pe riodischen Störsignalen bei einer Rolle, insbesondere eines Haspels der eingangs genannten Art anzugeben, das insbesondere auch bei impulsartig angeregten schwingungsfähigen Systemen optimale Resultate liefert.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorgeschlagene Verfahren in relativ kurzer Zeit eine Kompensation des periodischen Störsignales bewirkt, wodurch Schwankungen des mit der Rolle und dem periodi schen Störsignal verknüpften Meßistwertes, insbesondere Zugistwertschwankungen reduziert werden, was wiederum für weitere, mit der angetriebenen Rolle direkt oder indirekt verbundene Prozesse (beispielsweise das Walzen eines Bandes) von Vor teil ist. Das vorgeschlagene Verfahren ist sowohl für Aufwickel- als auch für Abwic kelvorgänge geeignet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des periodischen Störsignales,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Bandzuges,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Zusatzmomentes während der Testphase,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Bandzuges bei Einwirkung des periodischen Störsignales und des Zusatzmomentes.

Beim Ausführungsbeispiel wird ein Haspel für Metallbänder betrachtet. Als Störursa chen können beispielsweise der Wulst vom Anwickeln, eine Schweißnaht bei ange schweißten Bandenden oder ein Stufenband bei Reversierwalzwerken auftreten. Fig. 1 bis 4 zeigen die während einer Periode auftretenden Änderungen der interes sierenden Größen.

In Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf des periodischen Störsignales BD, beispielsweise des Bundschlages beim Haspel, dargestellt. Der Drehwinkel ist mit α bezeichnet. Je 360°-Umdrehung des Haspels tritt das periodische Störsignal BD einmal auf.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Bandzuges BZ_alt dargestellt. BZ_alt stellt die an einer Umlenkrolle erfaßte Meßgröße dar. Allgemein wird der Bandzug auch als der mit der Rolle und dem periodischen Störsignal verknüpfte Meßistwert bezeichnet. Alternative Meßistwerte sind beispielsweise der Rollendrehzahlistwert oder der Rol lenradiusistwert.

Aufgrund des periodischen Störsignales BD wird das schwingungsfähige System "Rolle - zu wickelndes Band" impulsartig angeregt und der Bandzug verläßt seinen vorgegebenen, gestrichelt angedeuteten Wert BZ_mittel. Allgemein wird BZ_mittel auch als vorgegebener Wert bezeichnet. Nach einigen Schwingungen nähert sich BZ_alt wie derum dem vorgegebenen Wert BZ_mittel. Beim Drehwinkel α = ϕ_maxalt - allgemein auch als Phasenlage der ausschließlich durch das periodische Störsignal bedingten ma ximalen Abweichung des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert bezeichnet - er reicht der Bandzug die maximale Abweichung (Amplitude) F_zmaxalt zum vorgegebenen Wert BZ_mittel.F_zmaxalt wird allgemein auch als Amplitude der ausschließlich durch das periodische Störsignal bedingten maximalen Abweichung des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert bezeichnet. In Fig. 2 ist ein Fenster F zu erkennen, bei dem der Bandzug BZ_alt beim Drehwinkel (Phasenlage) α = ϕ_minalt die Abweichung F_zminalt er reicht. Der Kurvenverlauf des Bandzuges BZ_alt innerhalb des Fensters F ist mit k₁ bezeichnet und wird abgespeichert.

Der Bandzug BZ_alt wird über eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen erfaßt, beispielsweise über drei Umdrehungen. Dabei werden insbesondere die maximalen Abweichungen F_zmaxalt und die dazugehörigen Drehwinkel ϕ_maxalt erfaßt, gemittelt und abgespeichert.

Trotz der unterschiedlichen Verläufe des Bundschlages (örtlich begrenzte geringe Durchmesseränderung) bzw. allgemein des periodischen Störsignales von Stich zu Stich und von Bund zu Bund muß relativ schnell im aktuellen Stich das richtige (eine erfolgreiche Kompensation bewirkende) Zusatzmoment ZU gefunden werden, da nur während eines Teils des Stiches dieser Störeinfluß relevant und deshalb zeitlich stark begrenzt ist. Für zeitintensive Suchalgorithmen ist keine Zeit vorhanden. Das richtige Zusatzmoment liegt dann vor, wenn die richtige Amplitude mit der richtigen Signalfläche (Breite) und dem richtigen Drehwinkel eingestellt ist.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf des Zusatzmomentes ZU während der ersten Ver fahrensphase, der Testphase dargestellt, welches während einer vorgegebenen An zahl Umdrehungen - beispielsweise während drei Umdrehungen - zugeschaltet wird, wenn vorgegebene Bedingungen erfüllt sind, beispielsweise wenn F_zmaxalt einen vor gegebenen Grenzwert überschreitet. Das Motormoment des Wicklerantriebes ist beispielsweise die Stellgröße. Das Zusatzmoment ZU stellt den zusätzlichen Wert der Stellgröße dar, welcher auf den Wicklerantrieb aufgeschaltet wird, um den Ein fluß des periodischen Störsignals BD zu reduzieren, im optimalen Fall völlig zu be seitigen. Allgemein wird ZU auch als impulsförmige Zusatzstellgröße bezeichnet.

Das Zusatzmoment ZU ist ein impulsförmiges, im einfachsten Fall rechteckförmiges Signal. Für das Zusatzmoment ZU sind die Parameter Amplitude A_k0, zugehöriger Drehwinkel ϕ_k0 und die Signalfläche - bei rechteckförmigem Signal die Breite b - vorzugeben. Das Zusatzmoment muß schmal genug sein, um die Eigenfrequenz des schwingenden Systems anzuregen. Die Breite b des Zusatzmomentes ZU sollte der art bemessen sein, daß die resultierende Breite des sich im interessierenden Be reich einstellenden Bandzuges BZ₀ dem Verlauf des periodischen Störsignales BD angepaßt ist. Die Amplitude A_k0 wird allgemein auch als die Amplitude der zunächst einwirkenden Zusatzstellgröße bezeichnet. Die Drehwinkellage ϕ_k0 (Phasenlage) des zunächst einwirkenden Zusatzmomentes sollte so gewählt werden, daß die Auswirkung des Zusatzmomentes auf den Bandzug in ein Gebiet fällt, das entfernt der Auswirkung des periodischen Störsignales auf den Bandzug ist.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf des Bandzuges BZ₀ bei Einwirkung des periodi schen Störsignales und des Zusatzmomentes ZU dargestellt. Die maximale Abwei chung F_zmaxalt vom vorgegebenen Wert ist zwar unverändert, jedoch hat sich die im Fenster F erfaßte Abweichung F_zminalt infolge der Einwirkung des Zusatzmomentes ZU verändert und weist jetzt den Wert F_zmin0 auf. Dieser Wert F_zmin0 tritt beim Dreh winkel ϕ_min0 auf, allgemein auch als Phasenlage der ausschließlich durch die zu nächst einwirkende Zusatzstellgröße bedingten (maximalen) Abweichung des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert bezeichnet. Diese Phasenlage hängt direkt von der Phasenlage der zunächst einwirkenden Zusatzstellgröße ab. Naturgemäß treten Verzögerungszeiten zwischen der Phasenlage der zunächst einwirkenden Zusatzstellgröße und deren meßbare Auswirkung auf den Bandzug bei ϕ_min0 auf. Diese Verzögerungszeiten sind von Parametern des schwingungsfähigen Systems abhängig. Der Kurvenverlauf des Bandzuges BZ₀ innerhalb des Fensters F ist mit k₂ bezeichnet und wird abgespeichert.

Um den eventuell vorhandenen Einfluß des periodischen Störsignals BD auf den Bandzug BZ₀ entsprechend zu berücksichtigen, werden die innerhalb des Fensters F auftretenden Kurvenverläufe voneinander subtrahiert und es ergibt sich der berei nigte Kurvenverlauf k₂-k₁ mit der ausschließlich durch das Zusatzmoment ZU be wirkten Abweichung F_zminb des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert BZ_mittel.F_zminb wird allgemein auch als Amplitude der ausschließlich durch die zunächst einwirken de Zusatzstellgröße bedingten maximalen Abweichung des Meßistwertes bezeichnet und tritt beim Drehwinkel ϕ_minb auf.

Um das Zusatzmoment ZU im Optimalbereich auf den Bandzug einwirken zu lassen und hierdurch den Einfluß des periodischen Störsignals BD in möglichst großem Umfang zu reduzieren, werden der optimale Drehwinkel (Stellwinkel) ϕ_kneu und die optimale Amplitude (Stellamplitude) A_kneu des Zusatzmomentes ZU für eine weitere, verbesserte Aufschaltung der Zusatzstellgröße während der nachfolgenden Verfah rensphasen wie folgt bestimmt:

Wie aus den vorstehend angegebenen Gleichungen zu erkennen ist, erfolgt ein Vergleich der bei reinem Einfluß des periodischen Störsignals und bei gleichzeiti gem Einwirken des periodischen Störsignals und des Zusatzmomentes erfaßten Si gnale. Zur Verbesserung der "Robustheit" werden die Signalparameter zweckmäßig über die entsprechenden Umdrehungen gemittelt.

Zur weiteren Optimierung erfolgt in den folgenden Verfahrensphasen eine sequen tielle Veränderung von Drehwinkel ϕ_kneu und Amplitude A_kneu in jeweils festgelegter Schrittgröße. Gütekriterium dabei ist eine Kombination der auftretenden Abweichung F_zmaxalt und der minimalen Abweichung des Bandzuges über eine Periode F_zmin, d. h. bei Reduzierung dieser Größen aufgrund der sequentiellen Veränderung von Dreh winkel ϕ_kneu und Amplitude A_kneu ist die Optimierung erfolgreich.

Für einen optimalen Verlauf dieser Schnelladaption sollte die Auswirkung des Zu satzmomentes ZU in einer bestimmten Größenordnung und in einem bestimmten Winkelbereich liegen. Hinsichtlich der Größenordnung wäre eine möglichst große Bandzugänderung während der Testphase wünschenswert. Dies hätte jedoch unter Umständen negative Auswirkungen auf das Prozeßverhalten. Eine wünschenswerte Größenänderung für F_zmin0 ist somit die maximale Bandzugänderung aufgrund des Bundschlages F_zmaxalt. Die Bandzugänderung aufgrund des Zusatzmomentes ZU während der Testphase ist somit kaum sichtbar.

Hinsichtlich der Winkellage gilt, daß die maximale Bandzugabweichung aufgrund des Zusatzmomentes während der Testphase auf keinen Fall in den Bereich ϕ_maxalt der maximalen Zugabweichung aufgrund des Bundschlages (allgemein aufgrund des periodischen Störsignales) fallen darf, wie vorstehend bereits erwähnt. Nur wenn aufgrund eines nicht sehr wahrscheinlichen Zufalls die genaue Winkellage des Bundschlages getroffen würde, wäre dies von Vorteil. Am besten ist für das Zusatz moment ZU während der Testphase ein Winkelbereich, in dem die durch das peri odische Störsignal BD bedingte Schwingung bereits stark abgeklungen ist. Allge mein ist eine Winkellage für F_zmin0 genau zwischen zwei (periodisch auftretenden) maximalen Zugabweichungen F_zmaxalt anzustreben.

Da die Auswirkung des Zusatzmomentes ZU auf die Zugänderung von vielen Para metern abhängt, läßt sich im konkreten Fall die optimale Amplitude und die optimale Winkellage für das Zusatzmoment während der Testphase nur schwer im voraus bestimmen. Aus diesem Grund ist innerhalb der Schnelladaption eine weitere Adap tion von Amplitude und Winkellage des Zusatzmomentes vorgesehen. Bei Beginn der Beaufschlagung mit dem Zusatzmoment werden Schätzwerte für die Amplitude und die Winkellage vorgegeben. Nach der ersten bzw. nach einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen (Perioden) erfolgt eine Korrektur der Amplitude A_kneu des Zusatzmomentes ZU entsprechend

Entsprechend kann eine Korrektur des eingestellten Drehwinkels ϕ_kneu entsprechend

ϕ_kneu = ϕ_k0+(ϕ_minopt -ϕ_min0

erfolgen, wobei für den optimalen Drehwinkel des Zusatzmomentes ϕ_minopt gilt

ϕ_minopt = ϕ_maxalt+ϕ₀.

ϕ₀ ist dabei ein fester Vorgabewert für die ideale Winkellage und wird aufgrund der Erfahrung bestimmt, beispielsweise ϕ₀ = 180°.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Zuschaltung des Zusatzmomentes ZU und die Auswertung des periodischen Störsignals BD (Bundschlages) zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn die Rolle während einer ersten Betriebsphase zunächst mit einer relativ kleinen Winkelgeschwindigkeit ω_u im unteren Drehzahlbereich ("Schleichfahrt") und anschließend während einer zweiten Betriebsphase mit einer erhöhten Winkelgeschwindigkeit ω_o im oberen (Betriebs-)Drehzahlbereich betrieben wird (der Index u steht für den unteren Drehzahlbereich und der Index o für den obe ren Drehzahlbereich). Im unteren Drehzahlbereich wirkt sich ein vorhandener Bund schlag noch nicht nennenswert aus. Trotzdem wird das Zusatzmoment ZU beim Drehwinkel ϕ_ku bereits beaufschlagt. Das hat den Vorteil, daß der Einfluß des Zu satzmomentes auf den Bandzug noch nicht durch den Bundschlag gestört wird und deshalb eine genaue Auswertung dieses Einflusses erfolgen kann. Allerdings ist es für den oberen Drehzahlbereich erforderlich, die auftretende Abweichung des Band zuges (Amplitude) und den zugehörigen Drehwinkel ϕ_minu auf den Betriebspunkt um zurechnen, bei dem der Einfluß des Bundschlages ausgewertet wird.

Falls der Unterschied hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Systems zwi schen dem Zeitpunkt der Aufschaltung des Zusatzmomentes im unteren Drehzahl bereich und dem Zeitpunkt der Auswertung des Bundschlages im oberen Drehzahl bereich nicht zu groß ist und die durch den Bundschlag bedingte Durchmesserstö rung für beide Drehzahlbereiche etwa gleich bleibt, beträgt die auf den Betrieb spunkt umgerechnete Winkellage ϕ_min0

Vorstehend wird als Beispiel für ein periodisches Störsignal der Bundschlag eines Haspels verwendet. Weitere Beispiele für periodische Störsignale BD sind periodi sche Spitzenbelastungen in rotierenden Wellen und Maschinenelementen, die in Wellensträngen eingebaut sind, wie Wellenkupplungen und Getriebe. Bei der Bund schlagkompensation dient die Zugmessung als Sensorgröße und das Motormoment als Stellgröße. Bei der Reduktion periodischer Spitzenbelastungen dient analog hierzu ein Dehnungsmeßstreifen auf der Welle als Sensorgröße und das Motormo ment als Stellgröße.

Mit dem Motormoment als Stellgröße läßt sich entweder nur die Spitzenbelastung im Wellenstrang oder nur die spitzenförmigen Zugänderungen im Band kompensieren. Um beide periodischen Störsignale beeinflussen zu können, müssen zwei unter schiedliche Stellgrößen bereitgestellt werden, beispielsweise zusätzlich zum Motor moment eine hydraulisch verstellbare Lagerabstützung, eine hydraulisch ansteuer bare Tänzerrolle usw.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von periodischen Störsignalen bei einer im pulsartig angeregten Rolle, insbesondere eines Haspels, wobei in einem ersten Schritt ein mit der Rolle und dem periodischen Störsignal (BD) verknüpfter Meßistwert (BZ_alt), insbesondere der Bandzug, und die hiermit verbundenen Abwei chungen vom vorgegebenen Wert (BZ_mittel) hinsichtlich Amplitude (F_zmaxalt) und Pha senlage (ϕ_maxalt) erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Schritt eine impulsförmige Zusatzstellgröße (ZU) aufgeschaltet wird, wobei die Pha senlage der Zusatzstellgröße derart gewählt wird, daß die Auswirkung auf den Meßistwert in ein Gebiet fällt, das entfernt von der Auswirkung des periodischen Störsignals ist, daß in einem dritten Schritt die ausschließlich durch die Zusatzstell größe bewirkten Abweichungen des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert hinsicht lich Amplitude und Phasenlage erfaßt werden und daß in einem vierten Schritt die Phasenlage ϕ_kneu und die Amplitude A_kneu für eine weitere Aufschaltung der impuls förmigen Zusatzstellgröße gemäß
bestimmt werden, wobei gilt:
ϕ_minb = Drehwinkel zu F_zminb,
ϕ_maxalt = Drehwinkel zu F_zmaxalt,
ϕ_k0 = Drehwinkel zu A_k0
F_zmaxalt = Amplitude der ausschließlich durch das periodische Störsignal be dingten maximalen Abweichung des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert,
F_zminb = Amplitude der ausschließlich durch die zunächst einwirkende Zu satzstellgröße bedingten maximalen Abweichung des Meßistwertes vorgegebenen Wert
A_k0 = Amplitude der zunächst einwirkenden Zusatzstellgröße.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Optimierung eine sequentielle Veränderung von Drehwinkel ϕ_kneu und Amplitude A_kneu jeweils festgelegter Schrittgröße erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der Phasenlage ϕ_kneu und der Amplitude A_kneu der impulsförmigen Zu satzstellgröße (ZU) zunächst abschätzungsweise gemäß folgender Beziehungen erfolgt:
wobei gilt
F_zmin0 = Amplitude der durch das periodische Störsignal und die zunächst einwirkende Zusatzstellgröße bedingten maximalen Abweichung des Meßistwertes vom vorgegebenen Wert,
ϕ_min0 = Drehwinkel zu F_zmin0,
ϕ₀ = fester Vorgabewert, beispielsweise 180°.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschaltung der Zusatzstellgröße (ZU) und die Auswertung des periodi schen Störsignals (BD) zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt, wobei die auftre tende Abweichung des Meßistwertes und des zugehörigen Drehwinkels auf den Be triebspunkt umgerechnet werden, bei dem der Einfluß des periodischen Störsignals ausgewertet wird.