D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2002.04.021 第24卷第4期 北京科技大学学报 Vol.24 No.4 2002年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2002 卷取张力控制新方法 童朝南纪智 彭开香董洁 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要介绍了一种新的卷取机张力控制方法，其关键技术在于取消传统动态力矩补偿，同时 满足无冲击张力给定和升速过程中恒张力指标要求.采取的一系列措施后，这种新的方法已成 功应用于高精度生产轧机. 关键词卷取机；张力控制；最大力矩 分类号TP273 在卷取张力控制系统中，采用最大力矩方 T.D/2=M=2CΦ1 式或恒功率方式进行间接张力控制是成熟技 T=2CnΦI/D (1) 术，已广泛地应用在生产实际设备之中.为了进 式中，T为张力；D为带卷直径；M为张力引起的 一步提高张力控制的动态及静态精度，曾采取 转矩；Cm为电动机的结构常数；中为电动机的磁 直接张力闭环控制、高精度卷取记忆措施，甚至 通；I为电枢电流. 自适应控制技术、智能化控制方法，都已取得了 当卷径变化时，电枢回路电流随卷径变化 相当进展，使得张力精度从原来8%上升到3% 而正比变化，进而维持张力恒定.式(1)表明了 左右，极大地改善了卷取张力直流电机拖动控 这个关系.采用最大力矩方法对于动态力矩调 制系统的应用环境，使得许多高精度薄规格小 节过程反应灵敏，其响应持续性优于恒功率方 张力工况的冷轧机生产效率大大提高. 式 在卷取机张力控制系统中提高轧机变速时 M=Jdo=GD'.do dt-375d山 (2) 动态张力精度一直是人们最为关心的问题.传 统的方法是进行动态补偿.由于动态力矩的计 GD-) (3) 算比较复杂，模型计算精度难以保证，实时性要 式中，M为转动惯量引起的力矩，J为转动惯量， 求高，在实际应用中住往达不到理论上的理想 ®为角速度，GD为飞轮惯量，D为表示定心卷 状况要求，使得轧机在变速运行中张力波动太 筒直径，如是实心卷轴卷取机D。=0. 大，造成断带或松套跑偏事故多发，影响生产节 在传统控制系统中，动态力矩补偿由(2)式 奏和产品质量.本文所讨论的内容是无需动态 计算出并在控制算法中得以实现.但是转动惯 补偿并在任何大小的工作点上使动态张力精度 量模型计算中卷径是关键，计算精度直接影响 保持在3%以上，使得薄规格小张力工况稳定高 动态补偿精度.另外(2)式中速度变化率计算是 效运行得到保证 取卷径机速度或主机速度反馈还是主机速度给 定进行微分计算，使得实时性得不到保证，动态 1问题的提出 力矩补偿精度得不到认可.这种补偿方式一直 困扰着卷取张力控制系统的设计者和设备维护 首先在控制系统设计时仅考虑直流电机处 人员，本文思路是取消动态力矩补偿，张力比例 于基速下工作，不进行弱磁；充分地利用电机功 积分调节器修正为纯比例调节器，速度反馈改 率，使电机容量在设计时减小，从而减小电机转 为电压反馈，使得系统响应加快，投张时和张力 动惯量；采用最大力矩方式进行张力调节 调节时均稳定可靠，使得张力在动态过程中调 当卷径变化时，电枢回路： 节灵敏，使实际张力出现小波动时反馈系统快 收稿日期200109-12 童朝南男，47岁，教授 速响应并予以调节，保证了动态张力波动小
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 卜 卷取张力控制新方法 童朝 南 纪 智 彭开香 董 洁 北京科技大学信息工程学院 ， 北京 。 。 摘 要 介绍 了一种新的卷取机张力控制方法 ，其关键技术在于取消传统动态力矩 补偿 ， 同时 满足无冲击张力给定和升速过程 中恒张力指标要求 采取的一系列措施后 ， 这种新 的方法 已 成 功应用于高精度生产轧机 关健词 卷取机 张力控制 最大力矩 分类号 开 在卷取张力控制 系统 中 ， 采用 最大力矩方 式 或恒 功 率方 式进行 间接 张 力 控 制是成 熟 技 术 ， 已广泛地应用在生产实际设备之 中 为 了进 一步提高张力控制 的动态及静态精度 ， 曾采取 直接张力 闭环控制 、 高精度卷取记忆措施 ， 甚至 自适应控制技术 、 智能化控制方法 ， 都 已 取得 了 相 当进展 ， 使得 张力精度从原来 上升 到 左右 ， 极大地改善 了卷取张力直流 电机拖动控 制系统 的应用 环境 ， 使得许多 高精度薄规格小 张力 工况 的冷 轧机生产效率大大提高 在卷取机张力控制系统 中提高轧机变速时 动态张力精度一直是人们最为关心 的 问题 传 统 的方法是进行动态补偿 由于 动态力矩 的计 算比较复杂 ， 模型计算精度难 以保证 ， 实时性要 求高 ， 在 实 际应用 中往往达不到理论上 的理想 状况要求 ， 使得轧机在变速运行 中张力 波动太 大 ， 造成断带或松套跑偏事故多发 ， 影响生 产节 奏 和产 品质量 本文所讨论 的 内容是无需动态 补偿并在任何大小 的工作点上使动态张力精度 保持在 以上 ， 使得薄规格小张力 工况稳定高 效运行得到保证 人寿二 必 必 式 中了为张力 为带卷直径 林为张力 引起 的 转矩 为 电动机 的结构常数 必 为 电动机 的磁 通 为 电枢 电流 当卷径 变化时 ， 电枢 回路 电流 随卷径 变 化 而 正 比变化 ， 进而维持张力恒定 式 表 明了 这个关系 采用 最大力 矩方法对于 动态力矩 调 节 过程反 应灵 敏 ， 其响应持续性优 于恒功 率方 式 ， 、 、产产直 、 了、 ‘气 一 漂 一 需 · 祭 研 一 枷’ 一 问题的提出 首先在控制系统设计时仅考虑直流 电机处 于基速下工作 ， 不进行弱磁 充分地利用 电机功 率 ， 使电机容量在设计时减小 ， 从而减小 电机转 动惯量 采用 最大力 矩方式进行张力 调 节 当卷径变化 时 ， 电枢 回路 收稿 日期 刁矢 童朝 南 男 ， 岁 ，教授 式 中 ， 赫为转动惯量 引起 的力矩 为转动惯量 ， 。 为 角速度 ， 为飞轮惯量 ， 。 为表示定心 卷 筒直径 ， 如是实心 卷轴卷取机 在传统控制 系统 中 ， 动 态力矩补偿 由 式 计算 出并在控制算法 中得 以实现 但是转动惯 量模型 计算 中卷径是关键 ， 计算精度直接影 响 动态 补偿精 度 另 外 式 中速度变化率计算是 取卷径机速度或主机速度反馈还是主机速度 给 定进行微分计算 ， 使得实时性得不到保证 ， 动态 力矩补偿精度得不 到认可 这种补偿方式 一直 困扰着卷取张力控制系统的设计者和设备维护 人员 本文思路是取消动态力矩 补偿 ， 张力 比例 积分调 节器修正为纯 比例调节器 ， 速度反 馈改 为 电压反馈 ， 使得系统响应加快 ， 投张时和 张力 调 节 时均稳 定可靠 ， 使得 张力 在动 态过程 中调 节灵 敏 ， 使实 际 张力 出现小波 动 时反 馈 系统快 速 响应并予 以调节 ， 保证 了动态张力 波动小 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．04．021
·464- 北京科技大学学报 2002年第4期 张力系统动态张力波动属于系统中负载主 振荡，从而彻底解决了去掉动态补偿带来的不 动性扰动.当使张力调节器参数适应快速响应 足 时，对于初始静态投入张力和轧制过程中变动 为使速度调节器在投入张力后偶尔起作 张力给定将会产生过大冲击，这将与上述思想 用，将速度反馈改为电压反馈，使得上述思想得 相悖.由于静态张力投入冲击过大，将会无法生 到可靠实现.另外，传统的张力速度调节系统 产薄规格产品，而张力给定变化冲击过大也会 中，由于积分环节过多，多环参数整定后一旦参 使动态张力精度指标下降.本文关键技术正在 数漂移，从理论上看系统不易稳定，实际上也证 于此.传统控制系统中张力环投入时速度调节 明了这一点.多数直接张力调节系统加比例积 器处于深度饱和状态，张力调节器输出控制速 分调节器，系统在投张或大偏差调节时不稳定， 度调节器的限幅器，进而达到速度环开环，张力 本文介绍的内容正好克服了这一缺点， 环投入工作.改进措施是使速度调节器在投张 时不处于深度饱和状态，张力给定瞬间冲击过 2应用 大时，速度调节器输出值较小，削弱了给定冲 在某公司650进口MNO单机架四辊可逆 击.在轧制过程中，速度调节器仍不处于深度饱 冷轧机上，卷取机控制系统是直流数字化装置. 和，随着轧速升高而饱和点升高，这样在给定张 张力系统采用间接张力最大力矩控制方法.各 力大于张力反馈变化时，调节作用全由张力环 个环节的参数已完成数学描述.主要单元是直 实现快速响应；当给定张力小于反馈张力，差值 流电机、电流调节器、速度调节器、张力调节器、 较小时仍由张力环调节，过大时速度调节器将 张力方程.如图1所示.每个单元的数学描述方 暂态投入工作，限制了张力给定变化造成系统 法可参考有关文献，非本文讨论范畴.为了说明 ☑ ☐限幅器S1 主机速度给定 ☐限幅器S2 静态卷取机速度给定 Gain2 <0.014 限幅器S3 整流电路模型1 p.8s+0.12 ■ Gain3 限幅器S4 32(s+1/0.025) 158 (s+40) (H 2.52 速度调节器 限幅器 电流调节器 整流电路模型2 张力模型 0.024 121 Gainl Gain4 限幅器SG 限幅器S5 张力模型 Scope 卷取机张力设定 图1系统模拟结构框图 Fig.1 System simulation structure 5 实现时的情况，构成实际的模拟系统，并模拟了 系统扰动和给定情况，与实际生产过程十分相 似，得到的结果完全与生产实际相同.图2对应 的是改进后的系统给定和扰动时张力波动.图 00 0 20 4060 80100 3是改进后的系统小张力给定时张力波动.图4 tis 是对应传统的张力调节方式下速度调节器深度 图2大张力给定及升速时张力波动 饱和时张力投入时的冲击， Fig.2 The tension response in speed up for high tension reference
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 张力 系统动态 张力波动属 于 系统 中负载主 动 性 扰动 当使张力 调 节 器参数适应快速 响应 时 ， 对 于 初 始静态投 人张力 和 轧制过程 中变动 张 力 给定将会产 生 过大 冲击 ， 这将与上 述思 想 相悖 由于静态 张力投人冲击过大 ， 将会无法生 产薄规格 产 品 ， 而 张力 给定变化 冲击过大也会 使 动态 张 力 精度 指 标下 降 本 文关键技术正在 于 此 传统控制系统 中张力环 投入时速度调 节 器处 于 深度饱 和 状 态 ， 张力调 节 器输 出控制速 度 调节器 的限 幅器 ， 进而达到速度环 开环 ， 张力 环 投人 工作 改进措施是使速度调 节 器在投张 时不 处 于 深度饱 和 状态 ， 张力 给定 瞬间 冲击过 大 时 ， 速度调 节器输 出值较小 ， 削弱 了 给定 冲 击 在轧制过程 中 ， 速度调 节器仍不处于深度饱 和 ， 随着 轧速升高而饱和点升高 ， 这样在 给定张 力 大 于 张力 反馈变化 时 ， 调 节作用 全 由张力环 实现快速 响应 当给定张力小 于反馈 张力 ， 差值 较小 时仍 由张力 环调 节 ， 过 大时速度 调 节器将 暂态投人工作 ， 限制 了张力给定变化造成系统 振荡 ， 从而 彻 底解决 了去掉动态补偿带来的不 足 为 使 速 度 调 节 器 在 投 人 张 力 后 偶 尔起作 用 ， 将速度反馈改 为 电压反馈 ， 使得上述思想得 到可 靠实现 另 外 ， 传统 的张力速度调节 系统 中 ， 由于积分环节过多 ， 多环参数整定后一旦参 数漂移 ， 从理论上看系统不 易稳定 ， 实际上 也证 明了这一点 多数直接张力调节 系统加 比例积 分调节器 ， 系统在投张或大偏差调 节时不稳定 本文介绍 的内容正好克服 了这一缺点 应用 在某公 司 进 口 单机架 四辊可 逆 冷轧机上 ， 卷取机控制系统是直流数字化装置 张力 系统采用 间接张力最大力矩控制方法 各 个环节 的参数 已完成数学 描述 主要单元是直 流电机 、 电流调节器 、 速度调节器 、 张力调节器 、 张力方程 如图 所示 每个单元 的数学描述方 法可参考有关文献 ， 非本文讨论范畴 为了说明 了 口国 曰曰 口网 口国 曰口 口口 曰口 叼 曰 国 口 口 图 系统模拟结构框 图 ︶﹃乙、︸八﹃‘ 乏之﹄ 实现 时 的情况 ， 构成实际 的模拟 系统 ， 并模拟 了 系统扰 动 和 给定情况 ， 与实 际生产过程 十分相 似 ， 得 到 的结果 完全与生 产 实 际相 同 图 对应 的是 改进 后 的 系统 给定 和 扰动 时 张 力 波动 图 是改进后 的系统小 张力 给定时张力 波动 图 是对应传统 的张力 调 节方式下速度调 节器深度 饱 和 时 张 力 投 人 时 的冲击 图 大 张力 给定及 升速时张力波动 ·
VoL,24 No.4 童朝南等：卷取张力控制新方法 465● 3.5 投张冲击在小张力给定时占10%，大张力给定 3.0 2.5 时无冲击.当速度调节器投张时处于深度饱和， 2.0 则在小张力投张冲击达到63%，大张力给定投 1.5 张冲击达到21%，这是绝对不允许的.在动态变 1.0 速过程中，系统无需动态补偿，张力波动仅占满 0.5 量程张力的1%，占小张力设定的3%.这满足了 0.0 0 20 40 6080100 高精度高性能的生产要求，在实际工作中，无论 tis 在静态投张，轧制过程中随意变动张力设定，还 图3小张力给定及升速时张力波动 是系统张力平稳过渡，都看不出冲击.特别是在 Fig.3 The tension response in speed up for low tension ref- 加速过程中，可以从穿带速度一次性升到高速 erence 轧制状态，加速度0.3/s2,轧机前后张力平稳， 3.0 2.5 投产以来，还没有由于张力波动而造成断带.这 2.0 个结果对于卷取机张力系统改造，提高设备潜 三 1.5 能有着重要的参考价值. 1.0 参考文献 0.5 1张宏伟，王继海，王京.高精度四辊可逆冷带轧机模 0.0正 0 20 4060 80100 拟数字混合式张力控制方法).电气传动，19935)：20 t/s 2胡齐芳.ST9-19轧机张力同环控制系统剖析.冶 图4速度调节器深度饱和及升速时张力投入冲击 金自动化，1996(6)：19 Fig.4 The tension response in speed up and speed regula- 3张建成.全数字带材加工方式张力控制系统).电气 传动，1997(1)：23 tor extrermely saturation 4田中捷.中心卷取张力控制系统的研制仍武汉冶金 3结论 科技大学学报，1997(2：144 5杨华，童朝南.卷取张力的变参数控制[)冶金自动 在图1中将张力调节器比例系数放在3.0 化，1998(5)13 上，速度调节器初始投张时给定主速度为0.5V, A New Coiling Tension Control Method TONG Chaonan,JI Zhi,PENG Kaixiang,DONG Jie ABSTRACT A new method of coiling tension control is presented.Its key technology is no compensation of traditional dynamic torque,which satisfy no overshoot tension reference and constant tension performance in variable speed process.The method has been applied successfully in high precise produced cold mill. KEY WORDS coil:tension control:max-torque
童朝 南等 卷取 张 力控 制新方法 一 一一 ‘ 卜一 一－ 投 张 冲击在小张力 给定 时 占 ， 大张力 给定 时无 冲击 当速度调节器投张时处于深度饱和 ， 则在小 张力 投张 冲击 达到 ， 大张力 给定 投 张 冲击达到 ， 这是绝对不允许 的 在动态 变 速过程 中 ， 系统无需 动态补偿 ， 张力 波动仅 占满 量程张力的 ， 占小张力设定 的 这满足 了 高精度高性能的生 产要求 在实 际工作 中 ， 无论 在静态投张 ， 轧制过程 中随意变 动张力设定 ， 还 是 系统张力平稳过渡 ， 都看不 出冲击 特别是在 加 速过程 中 ， 可 以从穿 带速度 一 次性 升 到 高速 轧 制状态 ， 加速度 浏 ， ， 轧 机前后 张力 平稳 ， 投产以来 ， 还没有 由于张力波动而造成断带 这 个结果对于 卷取机张力 系统改造 ， 提高设备潜 能有着重要 的参考价值 名之哟史曰 图 小 张 力给定及 升速 时张 力波动 一 － 一 一 一一一一一一一一， 赶之曰 图 速度调 节器 深 度饱和 及升速 时 张 力投入 冲击 结论 在 图 中将 张力调 节器 比例 系数放在 上 ， 速度调节器初始投张时给定主速度为 ， 参 考 文 献 张宏伟 ， 王继海 ， 王京 高精度 四辊可逆冷带轧机模 拟数字混合式张力控制方法 电气传动 ， 胡齐芳 一 轧机张力 同环控制系统剖析 冶 金 自动化 ， 张建成 全数字带材加工方式张 力控制 系统 电气 传动 ， 田 中捷 中心 卷取张力控制系统 的研制 武汉冶金 科技 大学学报 ， 杨华 ， 童朝南 卷取张力的变参数控制 冶金 自动 化 ， 厂口刀 ， ， 众 ， 罗 电 明 ， 一
