Технические науки/12. Автоматизированные системы

управления на производстве.

Студентка Лепихова М.А.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Анализ динамики системы регулирования натяжения на реверсивном стане холодной прокатки

Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований. Реверсивный стан холодной прокатки – это прокатная клеть, обжимающая полосу в валках давлением на нее, создаваемым нажимными устройствами, и ее натяжением, создаваемым разматывающей моталкой (до клети) и наматывающей моталкой (после клети) при заданной скорости вращения валков. Реверс валков клети и моталок позволяет повторять обжатие чередованием направления прокатки. Регулирование толщины возможно как воздействием на давление, так и воздействием на натяжение полосы.

Известная система [1,2] работает следующим образом:

- моталки поддерживают соответствующее измеренное (или вычисленное по их нагрузке) натяжение по их отклонению от заданного значения;

- нажимные устройства регулируют толщину полосы с упреждением по результатам ее измерения до клети (по возмущению) и с запаздыванием по результату ее измерения после клети (по отклонению);

- кроме того, оба результата измерения толщины используются для регулирования толщины полосы изменением натяжения полосы до клети разматывающей моталкой (и по возмущению и по отклонению).

Эта система вполне работоспособна. Однако регулирование толщины полосы натяжением моталки:

- ограничено пределами 5% (для качественной размотки рулона необходимо более или менее устойчивое натяжение полосы);

- моталки имеют большую инерцию и компенсация изменения натяжения будет медленной. Иными словами, колебания толщины полосы на входной стороне, например, 2-3 Гц или выше не могут быть устранены с помощью вышерасмотренной системы управления;

Таким образом, качество проката по толщине во многом зависит от удачной реализации САРТ, которая должна быстро реагировать и компенсировать высокоскоростные и более медленные составляющие изменений натяжения полосы на входе и выходе клети. Тогда возникает задача повышения качества регулирования толщины за счет организации взаимодействия регулирующих связей по основным технологическим параметрам процесса и оптимального использования механизмов стана.

Решение задачи. Для решения задачи рассмотрим общий принцип регулирования натяжения [3-5], приведенный на сруктурной схеме (рис. 1). Момент двигателя необходимый для создания натяжения на катушке моталки с радиусом , равен: . С другой стороны, выходной момент двигателя моталок равен: . Тогда получим: , где - ток двигателя, - поле магнитной индукции двигателя.

Если регулирование устроено так, что радиус катушки становится пропорционален полю магнитной индукции , то принимает постоянное значение и натяжение становится пропорционально току двигателя .

Рисунок 1 – Структура модели регулятора натяжения

На рис. 1 регулятор опущен, так как он имеет высокую скорость отклика. Пунктирной линией отмечены блоки, представляющие характеристику регулятора натяжения, а все остальные – физические явления, происходящие в процессе прокатки. Используемые символы: – модуль Юнга рабочего тела; – ширина рабочего тела; – толщина рабочего тела; – расстояние между рабочей клетью и моталкой; – момент инерции моталки вместе с катушкой; – радиус катушки; – усиление регулятора натяжения; – оператор Лапласа; – изменение скорости прокатки; – обратное изменение натяжения.

Используя данную структурную схему, опишем возникновение текущих изменений натяжения во время процесса прокатки и работу регулятора натяжения. Сначала моталка, вместе с катушкой ускоряется под действием величины , которая пропорциональна значению тока двигателя от регулятора тока (не указан) для образования скорости моталки. Скорость моталки возмущается изменением скорости рабочего тела из-за изменения натяжения на входной и выходной сторонах стана и/или из-за вариаций толщины рабочего тела, которые вызывают дисбаланс скорости через сумматор. Затем, это значение интегрируется в разницу удлинений в продольном направлении рабочего тела, откуда в блоке 2 вычисляется изменение напряжения натяжения . Умножив это значение на , получим обратное изменение натяжения , которое сравнивается на сумматоре со значением натяжения для получения величины отклонения. Моталка управляется этим отклонением так, чтобы скомпенсировать влияние . Компенсационное влияние протекает медленно, как уже было сказано, из-за большой инерционности моталки, что выражено в блоке 1. Это текущая генерация изменений натяжения во время прокаточного процесса и её традиционная компенсация с помощью моталки. Для сравнения, в соответствии с системой регулирования натяжения представленной в данной работе, изменение натяжения конвертируется в блоке 6 в изменение удлинения . Полученное значение усиливается в раз для получения величины , с помощью которой и происходит регулирование натяжения. Таким образом, переходный процесс происходит намного быстрее, так как на него не влияет инерционность моталки.

Если не учитывать блоки, внутри области, отмеченной пунктирной линией (то есть без учёта системы регулирования), то получим следующую передаточную функцию: (1)

Из выражения (1) получим резонансную частоту:

Передаточная функция системы с блоками внутри области, отмеченной пунктирной линией (то есть с учётом системы регулирования):

, (2)

где – динамическая характеристика регулятора натяжения.

Из выражения (2) получим резонансную частоту:

(3)

Фактически регулятор натяжения, служит для того, чтобы изменить модуль Юнга рабочего тела, поэтому он отклоняет резонансную частоту , вызываемую инерционностью моталки и коэффициентом упругости (модулем Юнга) рабочего тела в область, где они не оказывают влияния на систему регулирования. Изменяя коэффициент , можно устранить такое явление, когда натяжение сильно зависит от резонанса моталки, и толщина проката не будет изменяться, даже если зазор между рабочими валками изменяется с большой частотой, как это получается в традиционных известных системах регулирования.

Моделирование данной структурной схемы было проведено с использованием пакета прикладных программ Matlab. Результаты моделирования представлены на рис.2, 3.

Рисунок 2 – Переходные характеристики рассогласования натяжения и удлинения рабочего тела при =1

Рисунок 3 – Переходные характеристики рассогласования натяжения и удлинения рабочего тела при =10

Выводы.

1. Система позволяет быстро реагировать и компенсировать высокоскоростные составляющие изменений натяжения полосы за счет регулятора натяжения на входе клети.

2. Регулятор натяжения устраняет явление зависимости натяжения от резонанса моталки за счет, отклонения резонансной частоты, вызываемой инерционностью моталки, в область, где она не оказывает влияния на систему регулирования.

Литература

1. Дралюк Б.Н., Конторович Б.И., Маланов А.Л.// Электропривод и автоматизация мощных машин: Сб. науч. тр. – Свердловск: НИИтяжмаш, 1991г. С.81-96

2. Дралюк Б.Н., Конторович Б.И., Маланов А.Л.// Внедрение микропроцессорной САРТ на реверсивном стане холодной прокатки. Изд. "Металлургия", "Сталь" N 5, 1996, с.33-36.

3. Выдрин В.Н., Федосиенко А.С. Автоматизация прокатного производства. – М.: Металлургия, 1984 - 472 с.

4. Кузнецов Б.И., И.О. Опришко, И.М. Богаенко и др. Автоматизация управления листовыми прокатными станами. – К.: Техника, 1992. – 231 с.

5. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э., Проектирование систем управления, 2004г - 962 с.