带钢张力控制策略与应用

（积分器积分时间常数是实际电机的等效积分时间常数 Ｔθ）就
得到电机的实际转速 ｎＤ 。
图 2 实际电机框图 ３．２ 负荷观测器的原理
依据电机的传递框图可构成观测 ＭＬ 的负荷观测器，如图 ３ 所示。“负荷观测器”的虚框里表示了负荷观测器的传递函数［２］。 在负荷观测器的系统中，测出电机发出的电磁转矩 ＊ＭＤ，减去 计算出的损耗力矩 ＊Ｍ０，再减去 ＊ＭＬ，经积分后（此处积分时间 常数为计算出的电机等效积分时间常数 ＊Ｔθ），就得到负荷观 测器观测出的电机转速 ＊ｎＤ。把 ＊ｎＤ 与 ｎＤ 相减，当 ＊ｎＤ≠ｎＤ 时， 就有误差 ｅ 存在，ｅ 通过比例通道（ｋＢ）和积分通道（１／τ１ Ｓ）经 闭环调节后，最终使 ｅ＝０ 即使 ＊ｎＤ＝ｎＤ。显然，只要负荷观测器 的参数 ＊ ＭＤ、＊Ｍ０、＊Ｔθ 。与实际电机的参数 ＭＤ、Ｍ０、Ｔθ 是一样 的，在 ＊ｎＤ＝ｎＤ 时负荷观测器的输出 ＊ＭＬ 就一定和实际的负荷 转矩 ＭＬ 相等。
行分析。利用此控制策略用于微张力控制系统，特别是在无测压仪的多数棒、线构轧机中，采用负荷观测器型微张力控制系统效果
显著，明显提高了控制精度。
【关键词】 张力；负荷观测器；力矩
【中图分类号】TG333 【文献标识码】 Ａ
【文章编号】 ２０９５－３５１８（２０１２）１０－５５－０２
在带材、棒材和线材轧机中都有轧件同时在几个机架中连 轧的问题［１］。为了保证顺利地轧制，轧件中要有一定的张力，但 这个张力又不能太大，否则会影响轧件的尺寸。在机架间设置 活套机构是控制轧件中张力的常用有效办法。但有时在机架间 无法设置活套机构，因而就提出了不用活套机构的微张力控制 问题。根据反馈闭环控制理论可知，如果能把控制对象的实际 值在线测出来，控制就容易了。对于轧件张力控制而言，只要能 直接或间接地测出轧件中存在的张力，然后把测出的张力和给 定的张力即我们希望的张力相比较，再根据比较后的差值去控 制相应的对象（例如机架的速度），从而将该差值消除或减到最 小，就可以实现对轧件张力闭环控制。因此，问题就归结为如何 准确而又实时地测出轧件中的张力，只要能把轧件中的张力准 确又实时地测出来，其他问题就好办了。
Ｍ０＝ Ｍ０１＋Ｍ０２＋ Ｍ０３
（６）
２．２ 电动机的电磁力矩 ＭＤ
ＭＤ＝ＫＭ×φ×ＩＡ＝ ＫＭ×（ｆ Ｉ）ｆ ×ＩＡ
（７）
式中，ＫＭ：电机转矩常数；φ：电机磁通 φ＝ （ｆ Ｉ）ｆ ；Ｉｆ：电机励
磁电流；ＩＡ：电机电枢电流。
ＩＡ 和 Ｉｆ 均可实测，再根据电机的磁化曲线即 （ｆ Ｉ）ｆ 由 Ｉｆ 得到
ΣＥ
２பைடு நூலகம்
Ｄ
ＭＤ＝ ３７５
×
ｄｎ ｄｔ
＋ Ｍ０＋ ＭＬ
（１０）
尺寸不匀，温度不匀等引起的轧制力矩变化，会被认为是张力 发生了变化，即使实际上轧件内的张力并没有变化也会去进行 调节，反而使张力发生变化了。当然可以设置一定的调节死区
ΣＧＤ２
来克服这一现象，但带来的是微张力控制的精度降低了［４］。
乙 ３７５ ×ｎ＝ （ＭＤ－Ｍ０－ＭＬ）ｄｔ
（１１）
ＭＬ１＝ ＭＲ１＋ ＭＢ１－ＭＦ１
（１３）
把上式写成算子形式可得：
由于是第 １ 机架，因前张力 ＴＦ１＝０，ＭＦ１＝０。又由于还没有咬入
ｎ＝
１ Ｔθ
Ｓ
（ＭＤ－
Ｍ
０－
Ｍ
Ｌ）
（１２）
第 ２ 机架，故后张力 ＴＢ１＝０，ＭＢ１＝０。因此，这时测得的 ＭＬ１＝ ＭＲ１。此 值被己下来，而且认为在这块钢的轧制过程中保持不变。
（５）
２ 各种力矩的测量
如果已知电动机发出的电磁力矩 ＭＤ、电动机的加速力矩 Ｍａ、轧制力矩 ＭＲ 和空载损耗力矩 ＭＯ，就可以算出张力力矩的 代数和 ＭＢ－ＭＦ，下面来研究如何测量出这些力矩。 ２．１ 空载损耗力矩 Ｍ０
Ｍ０ 的测取是在电动机空载不加负荷的情况下，测量电动 机转速 ｎ 与电动机发出的转矩 ＭＤ 的关系得到 ＭＤ ＝ｆ（ｎ０）曲线。 这时的 ＭＤ 就是 Ｍ０１，因而就得到了 Ｍ０１ 与 ｎＤ，的关系曲线；Ｍ０２ 通过齿轮效率计算；Ｍ０３ 主要是轴承中摩擦所损耗的力矩，通过 计算得到。
φ，再由式（７）得到 ＭＤ。
２．３ 电动机的加速力矩 Ｍａ
Ｍａ＝ !ＧＤ２ ／３７５ "× ! ｄｎ／ｄｔ "
（８）
２
根据机械及电机参数可以计算
ＧＤ ３７５
，ｄｄｎｔ
也可以实测出来。
图 1 轧制压力和前后张力
轧制力矩：ＭＲ＝ｐ×ａ
（１）
前张力力矩：ＭＦ＝ＴＦ×ｃ≈ ＴＦ×ＲＷ
（２）
后张力力矩：ＭＢ＝ＴＢ×ｂ≈ ＴＢ×ＲＷ
１ 张力检测的基本原理
直接测量机架间轧件的张力是比较困难的，通常都是采用 间接测量轧件中张力的办法。其方法是：先测出电机发出的转 矩，然后减去轧制力矩，加速力矩和空载力矩，剩下的就是张力 力矩，知道了张力力矩就可求出张力。 １．１ 轧制力矩与张力力矩
载转矩，则电动机的力矩平衡公式： ＭＤ＝ＭＲ＋Ｍａ＋ＭＯ＋ＭＢ－ＭＦ
２０１２ 年 １０ 月 第 １０ 期（总第 １６７ 期）
轻工科技
ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
机械与电气
带钢张力控制策略研究与应用
葛笑寒
（三门峡职业技术学院，河南 三门峡 ４７２０００）
【摘 要】 对张力的基本原理进行研究，并分析出张力的参数计算；在此基础上研究负荷观测控制模型，并对其工作过程进
ÁÅÆÇÈÉÁÂÃÄΣ２
式中，Ｔθ 电机等值积分时间常数，Ｔθ ＝
ＧＤ ３７５
×
ＮＤＮ ＭＤＮ
；
ＮＤＮ：电机额定转速；ＭＤＮ：电机额定转矩。
根据微分算子传递函数得到系统传递函数框图，如图 ２ 所
示。即电机发出的电磁转矩 ＭＤ 减去损耗力矩 Ｍ０，再减去负荷
力矩 ＭＬ （实际上剩下的就是加速力矩 Ｍａ），经积分器积分后
据电动机传动力矩平衡式和负荷力矩的定义可以得到：
【作者简介】葛笑寒（1983-），男，河南三门峡人，河南科技大学在读研究生，研究方向：控制工程。
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ＭＤ＝Ｍａ＋Ｍ０＋ＭＬ 结合（８）式可以得到：
（９）
制。由于多数棒、线构轧机没有测压仪，故多用这种无测压仪的 微张力控制系统［３］。这种控制系统的缺点是：在一块钢内，由于
（３）
张力力矩：Ｍ＝ ＭＢ－ＭＦ
（４）
式中，ａ、ｂ、ｃ：张力力臂系数， ＲＷ：工作辊半径
１．２ 传动电动机力矩平衡公式
设 ＭＤ 为电动机发出的电磁力矩、Ｍａ 为加速力矩、ＭＯ 为空
３ 负荷观测控制模型
上述方法从理论上可以求出 ＭＤ、Ｍａ、ＭＲ、Ｍ０ 这些参量，从 而计算出 ＭＢ－ＭＦ，但是这些方法都有精度和实时性的问题，特 别是 ＭＲ 的测量比较困难准确度不高。因此要考虑别的方法来 求张力力矩。若令 ＭＬ 为负荷力矩，则由轧制力矩 ＭＲ、前张力力 矩 ＭＢ 和后张力力矩 ＭＦ 构成，若果能够直接测出 ＭＬ，从 ＭＬ 里 减去 ＭＲ，就可以得到张力力矩的代数和，这样就不必检测 ＭＲ。 ３．１ 电机传递函数模型