冶金板材冷轧机传动系统振动自适应调控优化.pdf
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1、总第2 11期2023年第8 期理论研究冶金板材冷轧机传动系统振动自适应调控优化袁志奇(新乡职业技术学院智能制造学院,河南新乡45 3 0 0 0)摘要:针对轧机运行阶段发生的扭振问题,建立一种基于系统性能调控约束(PPC)的冷轧机振动自适应控制优化方法。选择Matlab软件对上述内容开展仿真测试,确定了本次构建的控制器满足有效性和优越性标准。研究结果表明:未设置PPC约束控制器形成了明显超调,测试0.4s后达到了稳定的系统运行状态;自适应控制器中对性能域设置了约束,有效控制系统超调量并在更短时间内完成调节过程,使系统达到更高稳定性。该研究有助于提高冶金领域板材成形效率,具有很高的应用推广价值
2、。关键词:冷轧机;扭振;自适应控制;性能控制;死区中图分类号:TP2730引言轧机是钢材制造的一个冶金板材成形的重要设备,当其运行过程中发生扭转振动时将会对钢材质量造成不利影响1-2 。由于轧机实际运行阶段发生咬钢、抛钢或形成结构间隙时都会造成冲击作用而形成扰动现象,从而引起传动系统运行失稳的情况,造成扭振问题3 。受扭振因素作用,产品质量将会明显下降并出现产量减小的结果,当缺陷程度较严重时还会出现断带、堆钢以及设备损坏等多种事故。根据以上分析可知应对轧机扭振开展更加深入的探讨来达到有效预防的目的4。当前已有许多国内外学者开展了轧机扭振方面的研究工作。例如,张瑞成5 构建了二质量系统作为轧机的
3、主传动简化结构,同时为轧机扭振配备了自抗扰控制器,使控制性能获得显著提升。张义方6 重点研究了轧机运行期间机电液耦合振动的内容,针对传动系统的非线性动力性能和轧机的耦合作用机制进行了分析。刘爽8 设计了轧机主传动结构的仿真模型,再对其非线性摩擦过程进行了仿真测试,测试了不同分岔结构下的系统运行性能,同时利用非线性反馈器实现扭振特性的调控。候东晓9 综合运用参激刚度与间隙尺寸等条件构建系统仿真模型,对比了非线性条件下的轧机传动特性差异,同时利用H理论构建得到鲁棒控制器,由此完成传动系统速度的非脆弱调控功能。当在电动机中输入不同非线性死区信息时传动结构运行控制状态也出现明显改变10 。本文对轧机运
4、行阶段发生的扭振及其作用机制开展了深入分析,为轧机主传动结构构建了扭振仿真模型。选择Matlab软件对上述内容开展仿真测试。1系统模型建立为了对控制器进行简化分析,按照简化方法为主收稿日期:2 0 2 3-0 3-13作者简介:袁志奇(19 7 5 一),男,河南新乡人,本科,助教,主要从事机械设计方面的工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码:A传动系统建立二质量弹簧仿真模型11,结果见图1。电机端CiJM(t).(t)图1轧机主传动系统模型图图1中:M为力矩;0 为电动机和轧辊转角;J为电动机端与负载端转动惯量;C1为电动机阻尼系数;K,为系统刚度;C为轧辊压下阻尼系数。从
5、动力学层面进行轧机主传动结构分析,得到以下的仿真模型:J,0i+C,0,+K(01-0,)=M1J,02+C,0,+K(01-02)=-M2-M:式中:M为系统受到外负载的反弹力矩。受传动间隙与微裂纹因素的影响,形成了具有周期性变化特征的系统刚度K(t),以下为计算式:K(t)=K1+hicos(f,t)+h2cos(fat)式中:f,表示共振频率;K。表示等效刚度;fa表示缓变频率;h1,h分别为电机和轧辊的刚度变化幅度系数。考虑运行阶段会发生工艺状态的波动以及负荷突变的情况,会在负载力矩M(t)中产生不确定扰动12 ,得到以下计算式:M(t)=M2o+M2i(t)式中:M21(t)是进行稳
6、态轧制阶段形成的负载力矩;M2o(t)表示外界不确定扰动,属于有界量。2仿真分析本实验选择2 0 3 0 mm冷连轧机(现场照片见图2所示)的主传动结构作为研究对象,通过Matlab软件开展仿真测试,实现了控制器有效性的验证。轧制产品类型cQ、宽10 0 0 mm,初始厚度等于2.5 0 mm,加工为成品后的厚度等于0.6 0 mm,第四机架人口部位Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.044文章编号:16 7 2-115 2(2 0 2 3)0 8-0 116-0 2C2JM(t)轧辊端K(t).(t)2023年第8 期袁志奇:冶
7、金板材冷轧机传动系统振动自适应调控优化117的厚度0.8 7 1mm,出口厚0.6 1mm,设定9.1MN的轧制载荷,设定辊径均值5 7 0 mm,电机保持额定转速280r/min,控制轧辊目标转速2 8 rad/s。表1给出了系统的仿真参数,参数取值均来自于实际操作现场。图2 现场照片见表1系统主要物理参数值名称数值电动机端转动惯量J./(k g m)1552电动机端阻尼系数C/(Nsm-)0.1等效刚度Ko/(MNmrad)5.9电机刚度变动幅值系数hi0.01轧辊刚度变动幅值系数hz0.04负载端转动惯量J/(k g m)1554轧辊端阻尼系数Cz/(Nsm)0.5轧制力p/MN9.32
8、轧辊半径R/m0.58缓变频率f/Hz0.01共振频率f/Hz253不同控制器对比分析依次选择本实验构建的自适应控制系统和未设置PPC约束条件的控制器进行扭振模型仿真测试,比较了这两类控制器的综合性能。未设置PPC约束条件的控制器中没有加人轧辊转速跟踪误差的约束性能函数,再按照性能同样的方式设置其他参数条件。图3 给出了对两种不同控制器进行性能测试得到的结果。根据图3 可以发现,未设置PPC约束条件时,控制器形成了明显超调,测试0.4s后达到了稳定的系统运行状态;其中,自适应控制器中对性能域设置约束,有效控制系统超调量并在更短时间内完成调节过程,使系统达到更高稳定性。302010(s/pe)0
9、-10-20-30-400.0从图4中可以看到自适应控制器各状态变量与自适应率测试所得的结果。根据以上测试结果可以发现,受轧机主传动结构的非线性因素影响,形成了小幅周期波动的电动机和轧辊转角差,同时电动机转速基本呈现周期变化的趋势,通过设计器对轧辊转速实施调整后,到0.2 s时达到平稳状态,只形成了很小的超调量,显著提升了整体性能。352025(s/pE)/鲁亚孚201510500.04结论针对对轧机运行阶段发生的扭振问题,建立一种基于系统性能调控约束(PPC)的冷轧机振动自适应控制优化方法,开展仿真研究得到如下有意结果:1)未设置PPC约束控制器形成了明显超调,测试0.4s后达到了稳定的系统
10、运行状态。2)自适应控制器中对性能域设置了约束,有效控制系统超调量并在更短时间内完成调节过程,使系统达到更高稳定性。3该研究能够有效提供冶金板材冷轧机传动系统稳定性,但在面对异常变化时存在不及时的问题,期待后续引人深度学习算法。参考文献1陈骏生,张文军,崔熙颖,等.冷连轧机组卷取带钢崩断缺陷形成机理及治理技术J.塑性工程学报,2 0 2 2,2 9(9):114-119.2战波,孙业选,刘亚星六机架冷连轧机组超高强钢乳化液浓度及温度优化设定技术J.塑性工程学报,2 0 2 2,2 9(5):8 6-9 1.3孙浩,崔慧慧,魏立新,等,基于动态多目标进化算法的冷连轧负荷分配研究J.矿冶工程,2
11、0 17,3 7(6):13 6-141.4张瑞成,童朝南.基于自抗扰控制技术的轧机主传动系统机电振动控制J.北京科技大学学报,2 0 0 6(10):9 7 8-9 8 4.5张瑞成,杨蔚海,梁卫征.板带轧机主传动非线性系统扭振控制一带PPC约束J.控制工程,2 0 18,2 5(12):16-2 1.不带PPC约束6张义方,闫晓强,凌启辉.多源激励下CSP轧机主传动扭振问题研究J.机械工程学报,2 0 17,5 3(10):3 4-42.7刘洋,王晓晨,杨荃,等.基于预测函数算法的冷连轧边降滞后控制研究J.机械工程学报,2 0 15,5 1(18):6 4-7 0;8 2.8刘爽,张业宽,
12、刘彬轧机主传动机电耦联扭振系统的动态分岔研究J.机械工程学报,2 0 10,46(3):8 3-8 9.10侯东晓,刘彬,时培明,等.两自由度轧机非线性扭振系统的振10.20.4时间t/s图3 轧辊转速跟踪误差图一状态变量x状态变量x2状态变量x30.20.4时间t/s图4状态变量输出曲线0.60.80.61.0动特性及失稳研究J.振动与冲击,2 0 12,3 1(3):3 2-3 6.11时培明,夏克伟,刘彬,等.含间隙多自由度轧机传动系统非线性(下转第12 0 页)0.81.0山西冶金120E-mail:第46 卷参考文献1杨旭,高晶晶,高峰,等.数据驱动的带钢热连轧过程监测与自愈控制研究
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