[go: up one dir, main page]

RU2504447C2 - Automatic control over dc motors of rolling mill master drives - Google Patents

Automatic control over dc motors of rolling mill master drives Download PDF

Info

Publication number
RU2504447C2
RU2504447C2 RU2011154361/02A RU2011154361A RU2504447C2 RU 2504447 C2 RU2504447 C2 RU 2504447C2 RU 2011154361/02 A RU2011154361/02 A RU 2011154361/02A RU 2011154361 A RU2011154361 A RU 2011154361A RU 2504447 C2 RU2504447 C2 RU 2504447C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
motor shaft
motor
rpm
speed
rotation
Prior art date
Application number
RU2011154361/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011154361A (en
Inventor
Александр Вячеславович Кожевников
Георгий Александрович Сорокин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Череповецкий государственный университет"
Priority to RU2011154361/02A priority Critical patent/RU2504447C2/en
Publication of RU2011154361A publication Critical patent/RU2011154361A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2504447C2 publication Critical patent/RU2504447C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to dc motor ACS. Proposed method comprises measurement of actual motor shaft rpm in rolling. Motor rpm is adjusted. Note here that measured motor shaft rpm is compared with preset one. In case inconsistency occurs, square voltage pulse opposed to deviation of motor shaft rpm it is generated and fed to motor armature. Magnitude and length of voltage are selected subject to control over minimum change in motor armature current at preset motor shaft rpm of reaching the preset rpm.
EFFECT: decreased amplitude and time of transients at variation of rpm and/or torque at DC motor shaft.
3 dwg

Description

Изобретение относится к системам автоматического управления двигателями постоянного тока в главных приводах клетей прокатного стана, в задачу которых входит циклическое изменение скорости прокатки и поддержании заданной скорости прокатки при изменении момента прокатки.The invention relates to automatic control systems for DC motors in the main drives of the stands of the rolling mill, the task of which is to cyclically change the rolling speed and maintain a given rolling speed when the rolling moment changes.

Известен алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования с обратной связью (описанный в Денисенко В.В. «Компьютерное оделирование ехнологическим роцессом, экспериментом, оборудованием»), который доминирует в сфере управления двигателями главных приводов прокатных станов и описывается выражением:A well-known proportional-integral-differential (PID) control algorithm with feedback (described in VV Denisenko “Computer dressing by technological process, experiment, equipment”), which dominates the control of the engines of the main drives of rolling mills and is described by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где t - время;where t is time;

K, Ti, Td - пропорциональные безразмерные коэффициенты,K, T i , T d - proportional dimensionless coefficients,

y - регулируемая,y - adjustable

u - выходная величина регулятора.u is the output value of the controller.

В частном случае пропорциональная, интегральная или дифференциальная компоненты могут отсутствовать и такие упрощенные регуляторы называют П, И или ПИ регуляторами.In the particular case, the proportional, integral, or differential components may be absent, and such simplified regulators are called P, I, or PI controllers.

Входом объекта управления является выход регулятора, т.е. величина u, которая имеет ту же размерность, что и рассогласование е, выходная величина y и управляющее воздействие r. Т.е., если объект управляется током или частотой вращения вала, во всех этих случаях управляющей величиной является u, а в модель объекта управления Р следует ввести преобразователь величины и в ток или в частоту вращения вала соответственно. Таким воздействием во всех случаях должна быть величина u (выходная величина регулятора). Однако прокатный стан включает в себя линию прокатных клетей, содержащих валковые системы и системы привода, состоящие из шестеренных клетей, редукторов, шпинделей, валов и муфт, что составляет сложную многомассовую систему, не поддающуюся полноценному математическому описанию, кроме того, существует взаимное влияние прокатных клетей друг на друга через прокатываемую заготовку. Сама заготовка имеет неравномерный по длине нагрев и может иметь различные дефекты структуры. Это приводит к непредсказуемым и неравномерным изменениям усилий прокатки, которые через систему привода передаются на вал двигателя. Несмотря на полученные результаты в области создания современной теории оптимальных САУ практическое применение этой теории для синтеза реальных систем пока еще сравнительно ограничено. Это объясняется тем, что построение на основе указанной теории систем для сложных объектов, у которых система описывается дифференциальными уравнениями высокого порядка или имеет сложный характер ограничений, при нынешнем состоянии средств управляющей и вычислительной техники практически не реализуемо. Поэтому существующие САУ используют приближенные алгоритмы управления (квазиоптимальные), незначительно в смысле избранного функционала, отличающиеся от строго оптимальных, но зато просто реализуемые на практике. При этом получается некоторое отклонение процесса от строго оптимального, однако управляющее устройство системы существенно упрощается. Для определения оптимальных коэффициентов существуют известные аналитические методы, такие как, методы Зиглера-Никольса, CHR (Chien, Hrones и Reswick) метод. Расчет параметров по формулам не может дать оптимальной настройки регулятора, поскольку аналитически полученные результаты основываются на сильно упрощенных моделях объекта. В частности, в них не учитывается присутствующая нелинейность. Кроме того, модели используют параметры, идентифицированные с некоторой погрешностью. Поэтому после расчета параметров регулятора производят его подстройку. Подстройку выполняют на основе правил, полученных из опыта, теоретического анализа и численных экспериментов.The input of the control object is the controller output, i.e. quantity u, which has the same dimension as the mismatch e, the output quantity y, and the control action r. That is, if the object is controlled by the current or the shaft speed, in all these cases, the control quantity is u, and in the model of the control object P, a value converter must also be introduced into the current or the shaft speed, respectively. In all cases, such an effect should be the value of u (the output value of the controller). However, the rolling mill includes a line of rolling stands containing roll systems and drive systems consisting of gear stands, gearboxes, spindles, shafts and couplings, which is a complex multi-mass system that cannot be fully described mathematically, and there is a mutual influence of the rolling stands each other through the rolled billet. The preform itself has heating uneven in length and may have various structural defects. This leads to unpredictable and uneven changes in the rolling forces, which are transmitted through the drive system to the motor shaft. Despite the results obtained in the field of creating a modern theory of optimal self-propelled guns, the practical application of this theory for the synthesis of real systems is still relatively limited. This is explained by the fact that the construction on the basis of this theory of systems for complex objects in which the system is described by high-order differential equations or has a complex character of limitations is practically not feasible in the current state of control and computer technology. Therefore, the existing self-propelled guns use approximate control algorithms (quasi-optimal), insignificant in the sense of the chosen functional, differing from strictly optimal ones, but simply implemented in practice. In this case, a certain deviation of the process from strictly optimal is obtained, however, the control device of the system is significantly simplified. To determine the optimal coefficients, there are well-known analytical methods, such as the Ziegler-Nichols methods, the CHR (Chien, Hrones and Reswick) method. Calculation of parameters by formulas cannot give an optimal regulator setting, since analytically obtained results are based on highly simplified object models. In particular, they do not take into account the present non-linearity. In addition, the models use parameters identified with some error. Therefore, after calculating the parameters of the regulator, it is adjusted. Adjustment is performed based on the rules obtained from experience, theoretical analysis and numerical experiments.

Они сводятся к следующему:They come down to the following:

- увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и снижает запас устойчивости;- an increase in the proportional coefficient increases speed and reduces the margin of stability;

- с уменьшением интегральной составляющей ошибка регулирования с течением времени уменьшается быстрее;- with a decrease in the integral component, the control error decreases faster with time;

- уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;- a decrease in the integration constant decreases the stability margin;

- увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости и быстродействие.- an increase in the differential component increases the stability margin and speed.

Несмотря на эффективность и широкую распространенность ПИД-регуляторы имеют ряд недостатков. Контуры ПИД-регулирования трудно настраивать, их поведение не всегда предсказуемо, не всегда удается достичь требуемого быстродействия, затруднен поиск неисправностей. Кроме того, поскольку в формировании управляющего сигнала используется значение ошибки в цепи обратной связи форма управляющего сигнала не является идеальной, а «размывается» во времени (линии управляющего (2) и выходного (4) сигналов на фиг.2). Наиболее близким к заявленному изобретению является способ автоматического управления двигателями постоянного тока главных приводов прокатных станов, описанный в SU №1026870 А1, кл. В21В 37/46, 07.07.1983, устройство для управления главным электроприводом клети непрерывного прокатного стана.Despite the effectiveness and widespread use of PID controllers, there are a number of disadvantages. PID control loops are difficult to tune, their behavior is not always predictable, the required performance is not always possible, and troubleshooting is difficult. In addition, since the error value in the feedback circuit is used in the formation of the control signal, the shape of the control signal is not ideal, but is “blurred” in time (lines of the control (2) and output (4) signals in figure 2). Closest to the claimed invention is a method for automatic control of DC motors of the main drives of rolling mills described in SU No. 1026870 A1, class. ВВВ 37/46, 07/07/1983, a device for controlling the main electric drive of the stand of a continuous rolling mill.

Заявлено изобретение, характеризующееся тем, что позволяет решить задачу оптимального управления двигателем постоянного тока, то есть обеспечить выход на заданное значение скорости прокатки за минимальное время при минимальной диаграмме изменения тока якоря, не допуская перегрева двигателя и избежать указанных выше недостатков за счет формирования прямоугольного импульса напряжения в момент возникновения отклонения частоты вращения вала двигателя от заданной. Подобное отклонение возникает в момент изменения заданной частоты вращения, за счет инерционности двигателя и всей системы привода прокатной клети в целом, а так же, в момент изменения усилия прокатки (вход и выход заготовки из клети, неравномерность прогрева заготовки по длине и т.д.).The claimed invention is characterized by the fact that it allows to solve the problem of optimal control of a DC motor, that is, to achieve a predetermined rolling speed in a minimum time with a minimum diagram of the armature current, avoiding overheating of the motor and avoiding the above disadvantages due to the formation of a rectangular voltage pulse at the moment of occurrence of a deviation of the engine shaft rotation frequency from the preset one. A similar deviation occurs at the moment of changing the set rotation speed, due to the inertia of the engine and the entire drive system of the rolling stand as a whole, as well as at the time of changing the rolling force (input and output of the workpiece from the stand, uneven heating of the workpiece along the length, etc. )

Для определения оптимального управляющего воздействия строится математическая модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения, которая описывается следующей системой дифференциальных и алгебраических уравнений:To determine the optimal control action, a mathematical model of a DC motor of independent excitation is constructed, which is described by the following system of differential and algebraic equations:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где u - напряжение на якорной обмотке,where u is the voltage at the armature winding,

е - ЭДС якоря,e - EMF of the anchor,

i - ток якоря,i is the armature current,

Ф - поток создаваемый обмоткой возбуждения,F is the flow created by the excitation winding,

М - электромагнитный момент двигателя,M is the electromagnetic moment of the engine,

Мс - момент сопротивления движению,M s - moment of resistance to movement,

ω - угловая частота вращения вала двигателя,ω is the angular frequency of rotation of the motor shaft,

R - активное сопротивление якорной цепи,R is the active resistance of the anchor chain,

L - индуктивность якорной цепи,L is the inductance of the anchor circuit,

J - момент инерции якоря и привода,J is the moment of inertia of the armature and drive,

Сω - коэффициент связи между угловой частотой вращения и ЭДС,With ω is the coupling coefficient between the angular frequency of rotation and EMF,

CM - коэффициент связи между током якоря и электромагнитным моментом.C M is the coupling coefficient between the armature current and the electromagnetic moment.

Для получения передаточных функций к уравнениям применяется преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях. Уравнение (2) дает функцию, связывающую ток якоря и падение напряжения на якоре:To obtain transfer functions, the Laplace transform is applied to the equations under zero initial conditions. Equation (2) gives a function connecting the armature current and the voltage drop across the armature:

Figure 00000006
Figure 00000006

Уравнение (3) дает функцию, связывающую динамический момент и угловую частоту вращения:Equation (3) gives a function connecting the dynamic moment and the angular frequency of rotation:

Figure 00000007
Figure 00000007

Схема модели двигателя приведена на фиг.1.A diagram of the engine model is shown in figure 1.

Для формирования оптимального управляющего воздействия составляется таблица зависимости значений выражения

Figure 00000008
от величины и длительности импульса (табл.1). Таблица 1 значений может составляться исходя как из результатов испытаний, так и на базе математической модели привода, при условии ее адекватности реальному приводу. Как известно, для получения оптимального по быстродействию переходного процесса необходимо поддерживать максимальный уровень управляющего воздействия. В данном случае необходимо с максимально допустимым ускорением разогнать систему, а по достижении заданной частоты вращения снизить управляющий сигнал (линии управляющего (1) и выходного (3) сигналов на фиг.2). В идеальном случае при данном подходе можно достигнуть сколь угодно малого времени переходного процесса, однако реальный привод накладывает на способ формирования сигнала следующие ограничения:To form the optimal control action, a table of dependence of the expression values is compiled
Figure 00000008
on the magnitude and duration of the pulse (table 1). Table 1 of values can be compiled on the basis of both test results and on the basis of a mathematical model of the drive, provided that it is adequate for a real drive. As you know, to obtain a transient process that is optimal in speed, it is necessary to maintain the maximum level of control action. In this case, it is necessary to accelerate the system with the maximum allowable acceleration, and upon reaching the specified speed, reduce the control signal (control line (1) and output (3) signal in figure 2). In the ideal case, with this approach, you can achieve an arbitrarily short transient process time, however, a real drive imposes the following restrictions on the signal generation method:

- максимально допустимое напряжение, подаваемое на якорь двигателя;- the maximum allowable voltage supplied to the motor armature;

- максимально допустимая перегрузка по току якоря двигателя (линия 1 на фиг.3);- the maximum allowable current overload of the motor armature (line 1 in figure 3);

- инерционность многомассовой системы, ограничивающей максимальное ускорение;- the inertia of a multi-mass system that limits maximum acceleration;

- время обработки сигналов существующими АСУ ТП. Предлагаемый способ управления двигателем можно реализовать на- signal processing time by the existing process control systems. The proposed engine control method can be implemented on

существующих ПИД контроллерах. Для этого полученное значение величины управляющего импульса вводится как коэффициент усиления пропорциональной составляющей, а по истечении необходимого времени регулирования данный коэффициент приравнивается к единице, до возникновения следующего отклонения. Интегральная и дифференциальная составляющие равны 0. На вход регулятора подается заданное значение частоты вращения, а значение отклонения используется для определения времени начала импульса.existing PID controllers. For this, the obtained value of the value of the control pulse is introduced as the gain of the proportional component, and after the necessary regulation time, this coefficient is equal to one, until the next deviation occurs. The integral and differential components are equal to 0. The setpoint value of the rotation frequency is supplied to the input of the controller, and the deviation value is used to determine the pulse start time.

Предлагаемый способ позволяет изменять параметры регулирования в широком диапазоне для достижения различных задач (учитывая указанные выше ограничения):The proposed method allows you to change the regulation parameters in a wide range to achieve various tasks (given the above limitations):

- максимально быстрый выход привода на заданную частоту вращения;- the fastest output of the drive to a given speed;

- минимизация токовых нагрузок;- minimization of current loads;

- исключение колебательных процессов перерегулирования;- the exclusion of oscillatory processes of overshoot;

- оптимизация управления по совокупности времени достижения заданной частоты вращения при минимальном токе якоря.- optimization of control over the aggregate time to reach a given speed with a minimum armature current.

Таблица значений, графики управляющих и выходных сигналов построены для двигателя МП 7000-115У4 со следующими номинальными параметрами - скорость w=l2.075 с-1, напряжение u=930 В, ток якоря I=7150 А, максимальная перегрузка по току 2.25 отн.ед., поток обмотки возбуждения Ф=0.4258 Вб, индуктивность якорной цепи L=0.000156 Гн, сопротивление якорной цепи R=0.003682 Ом, совокупный момент инерции многомассовой системы привода J=172000 кгм2, коэффициенты Cω=176 и CM=172. Параметры импульсного сигнала приняты исходя из равенства максимального тока в якорной цепи при ПИ и предлагаемом регулировании (фиг.3).A table of values, graphs of control and output signals are constructed for the MP 7000-115U4 engine with the following nominal parameters - speed w = l2.075 s -1 , voltage u = 930 V, armature current I = 7150 A, maximum current overload 2.25 rel. units, field winding flux Ф = 0.4258 W, inductance of the armature circuit L = 0.000156 H, resistance of the armature circuit R = 0.003682 Ohms, the cumulative moment of inertia of the multi-mass drive system J = 172000 kgm 2 , coefficients C ω = 176 and C M = 172. The parameters of the pulse signal are taken based on the equality of the maximum current in the anchor circuit with PI and the proposed regulation (figure 3).

Figure 00000009
Figure 00000009

Claims (1)

Способ автоматического управления двигателями постоянного тока главных приводов прокатных станов, включающий измерение фактической скорости вращения вала двигателя в процессе прокатки, отличающийся тем, что регулируют скорость вращения вала двигателя для поддержания заданной частоты его вращения, при этом замеренную фактическую скорость вращения вала двигателя сравнивают с заданной и при наличии отклонения формируют противоположный по направлению отклонению скорости вращения вала двигателя прямоугольный импульс напряжения, который подают на якорь двигателя, при этом величину и продолжительность импульса напряжения выбирают, исходя из условий обеспечения минимального изменения тока якоря двигателя при максимальной скорости выхода вала двигателя на заданную частоту вращения. A method for automatically controlling DC motors of the main drives of rolling mills, including measuring the actual speed of rotation of the engine shaft during the rolling process, characterized in that the speed of rotation of the motor shaft is controlled to maintain a predetermined frequency of rotation, while the measured actual speed of rotation of the motor shaft is compared with a predetermined and if there is a deviation, a rectangular voltage pulse is formed which is opposite in direction to the deviation of the motor shaft rotation speed, which rye is fed to the engine armature, while the magnitude and duration of the voltage pulse is selected based on the conditions for ensuring a minimum change in the current of the motor armature at the maximum output speed of the motor shaft at a given speed.
RU2011154361/02A 2011-12-29 2011-12-29 Automatic control over dc motors of rolling mill master drives RU2504447C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011154361/02A RU2504447C2 (en) 2011-12-29 2011-12-29 Automatic control over dc motors of rolling mill master drives

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011154361/02A RU2504447C2 (en) 2011-12-29 2011-12-29 Automatic control over dc motors of rolling mill master drives

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011154361A RU2011154361A (en) 2013-07-10
RU2504447C2 true RU2504447C2 (en) 2014-01-20

Family

ID=48787436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011154361/02A RU2504447C2 (en) 2011-12-29 2011-12-29 Automatic control over dc motors of rolling mill master drives

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2504447C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619746C1 (en) * 2016-03-24 2017-05-17 Евгений Витальевич Зубков Method of expansion of the range of adjustment of acp without loss of sustainability

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2348756A1 (en) * 1976-04-20 1977-11-18 Westinghouse Electric Corp TANDEM ROLLER CONTROL INSTALLATION
EP0130551A2 (en) * 1983-06-29 1985-01-09 Hitachi, Ltd. Control method and apparatus for rolling mill
DE4220121C2 (en) * 1992-06-16 1995-06-01 Elpro Ag Process for recording the actual tension value for a minimum tension control in a multi-stand continuous rolling mill

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2348756A1 (en) * 1976-04-20 1977-11-18 Westinghouse Electric Corp TANDEM ROLLER CONTROL INSTALLATION
EP0130551A2 (en) * 1983-06-29 1985-01-09 Hitachi, Ltd. Control method and apparatus for rolling mill
DE4220121C2 (en) * 1992-06-16 1995-06-01 Elpro Ag Process for recording the actual tension value for a minimum tension control in a multi-stand continuous rolling mill

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619746C1 (en) * 2016-03-24 2017-05-17 Евгений Витальевич Зубков Method of expansion of the range of adjustment of acp without loss of sustainability

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011154361A (en) 2013-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9423782B2 (en) Motor drive device
CN102426417B (en) PI (Proportional Integral) parameter mixed setting method
KR101223669B1 (en) Engine bench system control system
CN106020124B (en) Servo motor control device and collision detection method
EP0884835A1 (en) Method and apparatus for the field-oriented control of a sensorless asynchronmotor
Pratama et al. Design and implementation of water level control using gain scheduling PID back calculation integrator Anti Windup
CN104993766A (en) Two-mass system resonance suppression method
DE112020005865T5 (en) PROCESSING EQUIPMENT AND METHOD FOR DETERMINING A MODEL FOR CALCULATION OF WINDING TEMPERATURES
RU2504447C2 (en) Automatic control over dc motors of rolling mill master drives
DE2605689C2 (en) Procedure for setpoint control of the steam temperature for starting up the turbine and steam generator in block power plants
Kaiser et al. Fundamentals of servo motion control
CN104971951A (en) Transmission speed control method and system for reversible mill
WO2012037983A1 (en) Method for controlling an asynchronous machine having a converter in a manner that is optimal for (copper) loss
JP5278333B2 (en) Motor control device
RU2446552C2 (en) Device for automatic control of electromechanical system with viscoelastic kinematic link
Salem et al. PD controller structures: comparison and selection for an electromechanical system
Mohammed et al. Comparative Study of PID and FuzzyControllers for Speed Control of DC Motor
Malafeev et al. Mechatronic simulation of the 300 rolling mill
RU2489797C1 (en) Direct current electric drive for controlling object with elastic coupling
EP4066375A1 (en) Method and device for regulating an electric machine
RU2837996C1 (en) Method of controlling excitation of brushless synchronous generator
Morfin et al. Super-Twisting Algorithm Applied to Velocity Control of DC Motor without Mechanical Sensors Dependence
RU2721791C1 (en) Method for power controlling of system gas turbine - generator
Holm et al. Active control of speed fluctuations in rotating machines using feedback linearization
RU2544483C1 (en) Automated electric drive of rolling mill

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151230