基于扭矩觀測的軋機主傳動系統控制優化研究

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。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，由穩態等值電路，矢量圖發展出d，q軸雙反應理論。而后建立了交流電機的動態方程，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，直流機統一為一種電機原型，建立統一的電機理論，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，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，產生出交流電機矢量控制原理。具有很高的動態響應和相當高的過載能力，達到了與直流調速系統相同的控制性能。

主傳動系統與軋線主干系統通訊，接收速度給定和控制字給定，同時將電流實際值、速度實際值和狀態字反饋給主干系統，實現主傳動在軋線的協調控制。主傳動系統的通訊、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，上下輥各一套。與主干TDC系統則通過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/軋輥轉數）

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中，速度環和扭矩環是兩個關鍵的閉環控制環節，通常采用PI控制方式。速度環的輸入為實際速度和設定速度，輸出為設定扭矩;扭矩環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，存在控制滯后、受擾動影響比較大等特點。結合扭矩計算數學模型，引入開環補償控制G3（s），構成復合控制系統。傳遞函數為：

開環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之前，實現扭矩預控，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

軋機主傳動系統是一個由若干質量單元和彈性單元組成的質量彈簧系統。在咬鋼、拋鋼等突然加、減載的情況下，系統容易發生扭振。因為扭振產生的扭矩非常大，振動力矩的大小不僅與系統的慣量有關，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。在擾動負荷提前預知的情況下，實施反饋控制，必然減少速度環的輸出量，減少因系統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與（s）相似。

負荷觀測器工作過程中產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過一個PI調節器而得到，且PI調節器中實際速度作為參考輸入，計算速度作為實際輸入。PI調節器的積分輸出（擾動扭矩）與速度控制器的wp相連，實現扭矩預控（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，上下輥會出現一輥拖另一輥現象，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，當出現扭矩不平衡時，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。考慮系統擾動因素，設計允許不平衡量，當偏差在該范圍之內，控制系統不起作用;當偏差超過該范圍，控制系統再起作用，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。

基于扭矩觀測的復合控制系統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在主傳動控制系統中，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象。不穩定的速度差造成鋼板頭部1m范圍內出現“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點但也存在一些缺陷，扭矩呈現麻花狀是負荷平衡功能當前的主要問題。優化負荷平衡參數可有效改善這種缺陷。