基于扭矩觀測的軋機主傳動系統(tǒng)控制優(yōu)化研究

劉飛 汪鎏

關鍵詞：扭矩;主傳動;負荷平衡

一、研究背景介紹

寶鋼厚板5m精軋機采用西門子交交變頻控制技術實現(xiàn)對上下工作輥的速度和負荷控制。裝置采用公共交流母線進線方式，扭矩電流和勵磁電流分別控制。10000KVA的大容量設計為精軋高負荷大扭矩需求奠定了基礎。

控制系統(tǒng)采用交流電機磁場定向矢量控制原理運行，核心計算單元采用西門子SIMADYN D系統(tǒng)。交流電機矢量控制原理，也稱為磁場定向控制原理。它建立在交流電機控制理論基礎上。上世紀初，交流同步電機過渡過程的研究，由穩(wěn)態(tài)等值電路，矢量圖發(fā)展出d，q軸雙反應理論。而后建立了交流電機的動態(tài)方程，同時提出了多相ABC>dq等坐標變換理論。在此基礎上，把各種電機，同步機，異步機，直流機統(tǒng)一為一種電機原型，建立統(tǒng)一的電機理論，交流電機與直流電機的共性，以及相互轉化的理論已建立起來。從這些電機理論出發(fā)，基于直流機良好的轉矩控制性能，把交流電機通過坐標變換控制等效為直流電機，產(chǎn)生出交流電機矢量控制原理。具有很高的動態(tài)響應和相當高的過載能力，達到了與直流調速系統(tǒng)相同的控制性能。

主傳動系統(tǒng)與軋線主干系統(tǒng)通訊，接收速度給定和控制字給定，同時將電流實際值、速度實際值和狀態(tài)字反饋給主干系統(tǒng)，實現(xiàn)主傳動在軋線的協(xié)調控制。主傳動系統(tǒng)的通訊、速度計算、電流計算及外圍輔助設備控制采用西門子TDC系統(tǒng)，上下輥各一套。與主干TDC系統(tǒng)則通過CP52AO GDM（GlobalDatamemory）模塊以滿足基礎自動化和傳動之間高速通信需要。在主傳動TDC系統(tǒng)中，最為核心的控制功能為速度計算和扭矩計算功能。

二、基于扭矩負荷觀測的復合控制系統(tǒng)在軋機主傳動中的應用研究

2.1軋機扭矩計算模型

軋機軋制過程中，主電機軸上輸出的傳動力矩為：

也：軋制變形的力矩（由變形金屬對軋輥的作用合力所引起的阻力矩）。

i：軋輥與主電機間的傳動比（=電機轉數(shù)/軋輥轉數(shù)）

Mf：附加摩擦力矩（軋制時在軸承、傳動機構所增加的摩擦力矩）

Mk：空轉力矩（軋機空轉時在軸承、傳動機構所增加的摩擦力矩）

Ma：軋輥速度發(fā)生變化的動力矩（軋機加速或減速時的慣性力矩）

2.2基于扭矩計算模型的扭矩前饋控制

西門子矢量控制系統(tǒng)中，速度環(huán)和扭矩環(huán)是兩個關鍵的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，通常采用PI控制方式。速度環(huán)的輸入為實際速度和設定速度，輸出為設定扭矩;扭矩環(huán)的輸入為設定扭矩和實際扭矩，輸出為設定電流（電流扭矩分量）。

這是個典型的反饋系統(tǒng)，存在控制滯后、受擾動影響比較大等特點。結合扭矩計算數(shù)學模型，引入開環(huán)補償控制G3（s），構成復合控制系統(tǒng)。傳遞函數(shù)為：

開環(huán)補償控制主要將計算好的摩擦力矩、轉動慣量力矩、阻尼力矩前饋到扭矩環(huán)之前，實現(xiàn)扭矩預控，減少控制滯后量，加快工作輥對速度設定的響應時間。

2.3外擾負荷觀測器前饋控制

軋機主傳動系統(tǒng)是一個由若干質量單元和彈性單元組成的質量彈簧系統(tǒng)。在咬鋼、拋鋼等突然加、減載的情況下，系統(tǒng)容易發(fā)生扭振。因為扭振產(chǎn)生的扭矩非常大，振動力矩的大小不僅與系統(tǒng)的慣量有關，還隨著振動周期與咬入時間比值的變化而變化。同時，在加載的瞬間，因為振動扭矩的存在，極易造成大的速降。大的咬鋼速降不僅不利于鋼板板型控制，還對傳動系統(tǒng)的軸承部分有負面影響。

構造一個外擾負荷觀測器，將外擾負荷觀測器添加到反饋控制器中，構成復合控制系統(tǒng)。在擾動負荷提前預知的情況下，實施反饋控制，必然減少速度環(huán)的輸出量，減少因系統(tǒng)的滯后特征導致的速降并減小超調。

帶有外擾觀測器補償控制的傳遞函數(shù)與（s）相似。

負荷觀測器工作過程中產(chǎn)生計算速度和計算扭矩。其中，計算速度為實際扭矩和計算扭矩相加然后經(jīng)過一個積分器而獲取。計算扭矩由實際速度和計算速度比較并經(jīng)過一個PI調節(jié)器而得到，且PI調節(jié)器中實際速度作為參考輸入，計算速度作為實際輸入。PI調節(jié)器的積分輸出（擾動扭矩）與速度控制器的wp相連，實現(xiàn)扭矩預控（扭矩前饋控制）。

三、主傳動負荷平衡控制應用研究

3.1負荷平衡問題的提出

理論上，軋機上下輥扭矩應該完全一致。實際生產(chǎn)過程中，因為一個換輥周期內軋輥磨損不一致等原因，上下輥會出現(xiàn)一輥拖另一輥現(xiàn)象，導致其中一根輥扭矩大，另一根輥扭矩小的情況，即扭矩負荷不平衡。

負荷不平衡是上下輥線速度不一致的表現(xiàn)，當出現(xiàn)扭矩不平衡時，除了扭矩負荷增大外，因為上下輥線速度不一致，造成嚴重的鋼板翹扣頭。因為線速度有偏差，必然存在一根輥與軋件之間打滑的問題，現(xiàn)成軋制異音，同時對軋件厚度控制不利，也加劇了負荷不平衡特征。

3.2負荷平衡方案

負荷不平衡的主要原因是上下輥線速度不一致，若能計算負荷偏差量，并設計一個控制系統(tǒng)計算線速度偏差補償，降低線速度快的工作輥速度直至負荷重新達到平衡?？紤]系統(tǒng)擾動因素，設計允許不平衡量，當偏差在該范圍之內，控制系統(tǒng)不起作用;當偏差超過該范圍，控制系統(tǒng)再起作用，起到糾偏作用。

精軋主傳動負荷平衡控制原理為：當上、下輥扭矩差大于5%（100%對應于4775KNM）即238.75KNM時，將此差值進行積分后，作為對速度較快的輥子的附加速度給定，且總是負值。這樣，速度較快的輥子就能及時減速，達到負荷平衡的目的。

四、結論及研究展望

4.1現(xiàn)有模型結論

負荷平衡是一項有效而又成熟的技術，其作用在軋機的主傳動控制中得到了最充分的體現(xiàn)。

基于扭矩觀測的復合控制系統(tǒng)對于軋機這種負荷多變、且控制精度要求較高的設備來說是非常有益的。西門子己將這種設計理念體現(xiàn)在主傳動控制系統(tǒng)中，然而因為在軋機中的應用并不成熟，實際并沒有投入使用。目前，隨著產(chǎn)品的不斷拓展，高強度、大壓下的工藝設計越來越多，顯著的咬鋼速降和大的振蕩扭矩儼然己成為了一道門檻。如果能將扭矩觀測復合控制調試成功并投入使用，不管是對工藝還是設備都將是一件非常有利的事情。

4.2咬鋼過程中速度差波動問題展望

咬鋼過程中，負荷平衡并沒有投入，因為翹扣頭系數(shù)的作用及上下輥之間的相互擾動，兩輥之間速度差存在波動現(xiàn)象。不穩(wěn)定的速度差造成鋼板頭部1m范圍內出現(xiàn)“瓦楞”狀，矯直機無法矯平。如果能投入扭矩觀測的復合控制，減少外擾對速度的影響，這種現(xiàn)象一定能夠得到緩解。

4.3上下輥麻花狀扭矩問題展望

負荷平衡功能有其優(yōu)點但也存在一些缺陷，扭矩呈現(xiàn)麻花狀是負荷平衡功能當前的主要問題。優(yōu)化負荷平衡參數(shù)可有效改善這種缺陷。