2023年12月11日发(作者：)

第七届中国叱山｝扯了１，传动拌制学术含泼ｃ阳Ｄ’２００１论义集轧钢机主传动同步电机调速系统动态速降及扭振的研究干永革。，付正权２，王建华２（１冶金自动化研究院，北京【０００７ｌ；２攀枝花钢铁集团公司热轧板厂）摘要：本文以肇钢熟连轧主传动政造工程为背景，针对电机调运系统的动态速降和扭振问题，提出在传统双闭环ＰＩ控制系统基础上增加外扰补偿控制器的解决方案。‘通过仿真计算和实际应用，证明该外扰补偿控制器可以大大减小动态速降，并对扭振有一定的抑制作用，是一种简单有效的方法。关键词：轧钢机；动态速降；扭振；外扰补偿１概述对丁轧钢机来说，其负载冲击人，变化频繁，从而产生动态速降（域速｝ｎ，并容易引起机械轴系的Ｈ振。如何减小动态速降，缩短恢复时问，消除扭振是轧钢机，特别是连轧机士传动的重要课题。动态速降及抖ｉ振的贝体产生原冈分析如Ｆ。与直流电机一样，同步电机调遣系统采Ⅲ的也是电流速度烈州环ＰＩ控制。当轧机咬钢时，负载转矩突然增人，而Ｌｂ磁转矩没有变化，使电机开始降速。当速度凋。¨器反应到转述卜降而开始调１ｙ使定子Ｌ乜流转矩分鼙给定‘·加人，通过电流调坩器闭环调：竹使电磁转矩的输山加人，直到电磁转矩人ｒ负载转矩，电机才停ｆｒ降速，开始加速，恢复咬钢的速降．直到速度恢复到设定值。速度调仃器输山首先要克服负载转矩，然后才去产生加述转矩，升速恢复到原述度。冈此说，动态速降是调遮系统Ｉ朴仃的特性。轧钢机的士传动系统除了电动机转子外还包括轧辊，联接轴，齿轮摩减速机等．这些机械设备的外载荷土要是轧制转矩以及主电机磁场作＿Ｌ｜｜在转子上的扣矩，而机械设备在捌矩的作川卜部存在一定的弹性形变。轧机主传动系统在外载荷的作川ｒ，将发生ｊＩ｝ｉ转振动。通常川“手Ｈ矩放人系数”评定机械传动对外载荷的响应．｛：｝【矩放人系数＿Ｌ｜ｊ卜式表示。扣矩放大系数（ＴＡＦ）＝型型塑萼譬篓罂（¨外邪于儿ｍ产生手Ｈ振的原因根多，如土传动系统扭矩放人系数太人．在轧机传动系统中存在着间隙．轧什头部形状不规则，温度偏低，咬入速度人等等。轧机枉各种咬钢条件的绝人多数场合。轴系均有不同程度的｜ｆｌ振反麻，’硪小姗振的措施主要有两方面，一方面从机械动力学考虑＋如减小传动环。１７中的Ｉ自１隙，改善｝Ｌｆｌ：的咬入条忭，减小接轴刚度以减小丰Ｈ矩放人系数等等。另一方面，在主传动Ｌｂ气控制系统中，席＿ｌ｛ｊ控制理论观测外界扰动，井根据不变性原理增设外扰补偿控制器米提高传动系统的抗扰能力和刚性，以达到避开机电共振点和抑制扭振的目的。在攀钢热迕轧土传动改造ｌ：科的现场凋试中．发现电机动态述降人，使得各个机架之间的活套控制比较复杂，影响钢扳质埘。而且在咬钢冲击的过程中．山现了轧钢机土传动机械轴系的抓振现象，在负载转矩较人时，频繁山现跳闸，无法止常生产。该项目属丁改造ｌ‘群，保留了原有机械设备，所以要解决动态述降霸『士儿振问题，必须从土传动电气控制系统山发。２控制对象数学模型电动机及其以闭环ＰＩ控制系统简化结构如图１所示。其中Ｈ＋为速度给定，”为电机速度实际值，丁ｌ为电机负载扰动．缸为电机磁系数，矗为电机转动惯姑。由幽１，经过推导得山（ｋｐｋＦ一．Ｓ＋女ｆ）订＋一（Ｙ，ＴｏＳ２＋ｒｏｓ）ｔ…（２）正兀以，ｊ３＋瓦以Ｓ２＋ｋ七ｆ瓦Ｊ＋鼻为了研究轧钢机Ｊ：｝ｉ振情况，需建立轧钢机士传动机械轴系的数学模州。以攀钢１４５０热连轧精轧机为例。上ｒ轧辊由一台ｌ乜动机驱动，其力学模州可简化为幽２所示的＿二质坫弹性系统。幽中，厶为电动机转动惯姑，１５Ｆ｜１Ｌｕ川琦ｌＥ州冒环Ｐｌ抻由ｌ螽缩ｆｉ｝ｌ化蚺＃ｌ３８Ｊ十永革ｔ付正权．］．挫‘＃轧钢崩【主传动川步ｌ也帆调速系统动态速降发抓振的刖ｆ究靠为负载转动惯鼙，矗为电动机力矩，ＴＲ为负载转矩，ｎ。为电动机旋转速度，”Ｒ为负载旋转速度．墨为弹性系数。二质越弹性系统的阻尼是很小的，田此忽略摩擦不会影响分析的精度。它的结构框图如幽３所示。削２轧铡目Ｌ机槭轴系简化结构阳３轧钢机机槭轴系缔树梃削３外扰补偿控制器３．１外扰补偿控制器的引入及其系统频率特性分析根据前面的分析可知ｉ动态速降是在轧机咬钢时由负载的扰动引起的。因此，如果能观测山负载的扰动．并咀此作为附加的转矩给定加到控制系统中，就能人人减小动态速降，缩短恢复时间，提高传动系统控制性能。卜面给山理论分析。（１）外扰补偿控制器的构成引入外扰补偿控制器的目的是要减小由扰动（突加负载转矩）给系统带来的影响。带外扰观测的补偿控制器结构一般按Ｊ｛ｃｃ绝对不变性原理设计。其基本思想是，观测山外界扰动耸，加入到原系统传递函数中．抵消扰动对系统的影响．使得新构成系统的输出与扰动无关。按照绝对不变性原理所构造的带外扰补偿控制器的控制系统结构如幽４所示。ｌ幽４中，”·（５）２。一＋吉’１”ｚ（５）２Ｆ■百’吲５）一ｒ一小）２专。刚４带外扰｝｝偿控制器的拧串Ｉ系统蚺栅呐（ｓ），ｗ６（ｓ）。ｗＴ（ｓ）需要根据系统结构、参数构造。矗为观测的负载转矩。由幽４可以得到”。＝（ｗ，（ｓ）‘一Ｔ。）ｗ．（Ｊ）进一步可以得到ＴＬ一小）ｉ．－肯万月观测的负载转矩可以表示为矗＝ｗ，（５）Ｌ．ｗ。（ｓ枷。令杰＝ＴＬ，可推山ｗ，０）＝ｗ，（ｓ）（３）啪卜高Ｈ）｝！ｆＩ５带外扰补偿挖￥Ｉ器的调谜系统结柑Ｉ！ｃＩ４所示系统的传递函数为””。：当鲤兰盟兰盟！』生Ｈ＊－－——兰堕—一Ｅｌ＋ｗｌ（５）ｗ２（ｓ）ｗ，（ｓ）ｗ４（ｓ）１＋ｗ１（ｓｍ２（ｓ）ｗ３（ｓ）ｗ４（ｓ）‘．Ｗ７（Ｊ）ｗ２（ｓ）ｗ３（５）ｕ（ｊ）子ｌ＋ｗｌ（ｓ）ｗ２（Ｊ）比（Ｊ）ｗ４（５）“所以，要完全抵消扰动对系统的作ｔ｝｝Ｊ．还需令第七届中固Ｉｂ力电了＝与传动控制学术会议ＣＰ印’２００１论文集】Ｗ７（５）＝——■■—■：…ｗ２（ｓ）ｗ３（ｓ）（６）一由式（３）、（４）、（５）、（６）可以得到外扰补偿控制器的结构。对比图４．图１可知，＿二二．．—二一均为微ｗ２０）ｗ４（ｓ）分环诲，则外扰补偿控制器包含Ｌ阶微分环仃．这在实际系统中很难实现。微分环：１，容易引进干扰，从而引起系统新的不稳定．所以席该尽最减少微分环。１，。所以从实际应用出发．必须将含二阶微分环：仃的外扰补偿控制器做改进ａ考虑将ｗ７０）中的：ｊｉ一项去掉，代之以一阶惯性环‘柑；÷－。带这种外扰ｗ，１５）Ｔｓ＋１补偿控制器的系统结构ｊＩ！．闰５。《２）调速系统的闭环频率特性Ｇ刖咖刁万若舞‰Ｆ面针对图１帛Ｉ幽５所示的电机调速系统的闭环频率特性进行分析。首先给山。将ｓ－－ｙ甜ｔ入调速系统输山对扰动的传递函数，便可咀得到系统的闭环频率特性．分别为式（７），（８）对麻的Ⅲ环幅频特性曲线见图６。高阶系统过渡过程的性能指标主要包括最大超调，上皇㈣＝丽再而嵩鬻岛鬻杀丽鳓升时间和过渡过程时间等口Ｉ，根据闭环幅颠特性可以估算过渡过程的性能指标。从幽６（ａ）可以得到，不带外扰补偿控制器的调速系统，其臼Ｊ环幅频特性峰值为０．０１７，对应的峰值频率为１０８Ｈｚ。可见，外扰补偿控制器的引入减小了幅额特性的ｎ）。（ｂ）ｑ蹦６Ｉｌ｝机婀琏秉缝ｍ珂：枇捌特性时间．有利丁提高系统的动态响应速度，并且避开了机Ｌ也共振点。总之。外扰补偿控制器的引入可以加快系统的过渡过群。不考虑机械轴系，负载扰动阶跃响应见图７。｜笙ｌ７（ａ）为转速不加外扰补偿控制器．突加负载时Ｌ也机的动态速降为１１％，‘瑚７不士啦机槭轴秉ｐ负故扰动舯跃晌』栌’。：ｒ＿—劳≯——一负载扰动阶跃响麻见幽８。图８（ａ）为电机转速，（ｂ）为电磁《胁－’＇Ｊ２＿３，１３…３ｊ３５ｎ１２＊，ｊ∞引．毕Ｉ考培机械轴系后，可以看剑在突加负载时，机械轴系出现乞ｉ卜—枷弦————一嘲８母也机械轴系一…２’Ⅲ１Ｉ‘）掘拽扰岫阶跃响ｍ统．其闭环幅频特性峰值为０．０２５，对麻的峰值频率为９．５Ｈｚ。从幽“ｂ１可以得到，带外扰补偿控制器的调递系峰值，相应减小了系缆最人超调。同时，峰值频率后移，约为原峰值频率的ｌＯ倍，这缩短了上升时间币Ｉ过渡过程３．２外扰补偿控制器的计算机仿真实验实际值波形．（ｂ）为电磁转矩波＿形。ｌ茔Ｉ中虚线为不加外扰补偿控制器的响席曲线，实线为加入外扰补偿控制器的响麻曲线。恢复时间３９０ｍｓ，加入外扰补偿控制器，电机的动态迷降为４％，恢复时间１５ｍｓ。。可见，动态速降人人减小，恢复时间人人缩短。而对丁Ｌｂ磁转矩，加入外扰补偿控制器突加负载时的冲击要比不３ｎｇＦ扰补偿控制器时的人．但恢复快。这是必然的。因为要尽堵减小动态速降．在根短的时间内使转速恢复原状，需要较人的电磁转矩。转矩，ｆｃ）为负载轴的速度。Ｉ茎Ｉ中虚线为不加外扰补偿控制器的响麻曲线，实线为加入外扰补偿控制器的响麻曲线。抓振，而且．负载轴侧的｛：ｆｉ振要比Ｌ乜机侧的扭振人。加入外扰补偿控制器斤，电机侧抖振幅度减小，振荡时间缩短；负载轴十水节．付ＪＦ杖，Ｊ：锉牛轧钢釉【土传动Ｊ川步）ＬＯＬ诅，Ｊ速系统动态速降发扣振的研究恻｛｛ｌ振掘度变化不人，但振荡时间人人缩短。具体数据如Ｆ。加入外扰补偿控制器厉，电机的动态速降为５％，恢复时问５０ｒｎｓ。饥载轴的动态述降为２０％，恢复时间５０ｍｓ。电磁转矩冲．ｎ较人，为负载转矩２情，５０ｍｓ肝稳定。不加外扰补偿控制器，Ｌｂ机的动态述降为１５％，恢复时间约３５０ｍｓ。负载轴的动态速降为２０％．恢复时间３００ｍｓ。Ｌ乜磁转矩冲击约为负载转矩的１．２５倍，但１５０ｍｓ后才稳定。通过以上仿真实验对比，可以明显看到外扰补偿控制器对系统突加负载时动态过徉的性能有较人改善。考虑机械轴系，转速给定阶跃响应Ｊｌｌ幽９。ｌ！ｆＩ中虚线为不加外扰补偿控制器的转谜响应曲线，实线为加入外扰补偿控制器的转速响应曲线。可以看山，加入外扰补偿控制器斤，ＬＨ机转速阶跃响应快，隹２０ｍｓ内可以跟上给定转速，不／Ｊ口＇９ｔ＂扰补偿控制器，电机转述阶踬响应时间需要１５０ｍｓ。超调苗著不多。考虑机械轴系，转速给定阶跃响应见幽１０。幽１０（曲为电机转速，（ｂ）为负载轴转速。同样，幽中虚线为不加外扰补偿控制器的响麻曲线，实线为加入外扰补偿控制器的响麻曲线。可以看出，加入外扰补偿控制器斤．电机转述希ｆ负载轴转速对速度阶跃晌廊都有所加快，一般在５０ｍｓ内可以跟上转速给定。不加外扰补偿控制器情况Ｆ，相庶转速的凋１，时阃都需要２００～３００ｍｓ。加入外扰补偿控制器，负载轴速度的扭振幅度略有增人．但振荡次数人人减少，即缩短了扭振时间。可见，外扰补偿“控制器的引入对系统速度阶跃响麻的动态性能也有较人故。．善。通过咀上对系统负载阶跃响戍和转速阶跃响＿Ｉ｝ｉ！的仿真计算，可以右山．加入外扰补偿控制器后减小了动态述降，２９２辚３３（１５３１３＇５ａ２３”Ｍ日加快了系统的动态响麻，、在一定科座上抑制了＝｝｝【振。总之，ｎ在提高系统性能方面取得了明显效果。３．３外扰补偿控制器的工程实现在攀钢热连轧土传动故造ｒ榉的现场凋试Ｊ：作中．一开始没有加外扰补偿控制器．Ｆ３机架的咬钢响应实测波形见幽１ｌ。（ａ）为定子电流转矩分苗‘波形，（ｂ）为Ｌｂ机转速波形。ｆ‘：：从幽中可以看山，速降约为６％，恢复时间６００ｍｓ。，１帆“。动态响麻较慢，使得机架之间的活套控制比较斟难。而且ａ）：ｌ｛｝ｆ【振现象比较明显，在负荷较人时，频繁山现跳闸，使生产无法正常进行。由］ｉ已经投入生产，这些问题从机械方面很难解决根据本文的研究结果，决定在控制系统中加入外扰补偿控制器以改善动态响戍，抑制｛＝Ｈ振。由丁外扰补偿控制器的引入使转矩电流冲击较人．冈此在实际系统中，外扰：ｖ—补偿控制器观测的转矩值乘咀５０％平｜ｔ速度调仃器的输山Ｈ１Ｉ不加外扰朴偿托制器ｎ抗扰功阶跃呐博蛮跚渡形相加作为电流的给定，以撼小电流冲击。幽１２是加外扰补偿控制器斤Ｆ３机架咬钢响席的实测波形。包括叱机转速波形雨ｌ定子Ｌｂ流转矩分坫‘波形。。．：：…ｒ．从幽中可以看到，加入外扰补偿控制器后，速降约为（０彗一？一…，’。ｊ，。。，、一．一，、．４％．恢复时间３００ｍｓ．扭振得到抑制。外扰补偿控制器的Ｌ．囊：ｊ引＾使系统性能有了撤人改善。系统再也没出现过跳闸。（ｂ）誊。通过本Ｉ，对系统两种动态过样的仿真分析币ｌ实洲波一一，，ｉ、～～形比较．可知加入幽５描述的外扰补偿控制器，系统的动：；ｊ：态性能有较人改善，士要表现在动态述降的减小，恢复时：间的缩短上，对抓振的抑制主要表现住振荡时间的缩短，二一”：＋蚓１２㈨十｝扎朴偿控制器，们找扰－打阶跃删＊丈驯渡肜第七屈中固Ｊ乜力Ｉｂ了≮传动撺制学术会议ＣＰＥＤ’２００１论文集这对延艮殴备寿命啦常有好处。４结论本文针对热连轧主传动要求动态响麻快的特点，分析父量控制交流调速系统的动态述脐羽ｆ抓振产生的原闻．建立了主传动系统包括机械轴系的简化数学模型，利＿【ｌｊ扰动不变性原理得剑外扰补偿控制器的传递函数。根据攀钢Ｉ：捌山现的动态速降帛ｌ扭振问题，加入外扰补偿控制器，抑制了机械扭振，系统的动态性能有较人改善．主要表现在动态速阶的减小，恢复时间的缩短等。但要减小咬钢初捌振荡的幅度需要进一步研究更为有效的方法。参考文献［１］干永革．热连轧机主传动同步电机调速系统的研究．博士学位论文．北京：清华大学电机Ｉ：稃与席＿ｆＩｊ电子技术系，２０００．［２］邹家祥，徐乐江等．冷连轧机系统振动控制．北京：冶金业ｆ：出版社．１９９８．［３】ＧｕｏｇｕａｎｇＺＨＡＮＧ。ＪｕｎｊｉＦＵＲＵＳＨＯ．ＳｙｓｔｅｍａｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｎＴｗｏＬｎｅｒｔｉａＳｙｓｔｅｍ．Ｉｎ：Ｔｒａｎｓ．ｏｆｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ．１９９９，Ｖ０１．３５，Ｎｏ．１，１０５·ｌ１２．【４］高龙．熊光楞．粱德全．状态观测器在调速系统中的应心．清华人学学报，１９８０。２０（４）：３３．４６［５］高龙．ＨｉｌｌＤ…Ｊ王幼毅．马海武．非线性系统的ＤＦＬ及隐动态．清华大学学报．１９９．６．３６（９）：１－８¨，；．ｆ，；