宝钢不锈钢碳钢酸洗线卷取机张力控制系统建模

贝晓晟

摘 要：冷轧带钢卷取是冷轧生产的最后一道工序，卷取质量的好坏，主要取决于卷取机张力控制的精度。本研究课题以宝钢不锈钢碳钢酸洗线建设为背景，为该產线研究开发了一套不依赖张力检测的间接张力控制系统，其张力控制精度满足企业生产需要，投资成本大大低于进口设备。

经过研究，本课题总结出了卷取电机转矩与带钢张力的对应关系，把电机转矩作为控制量，建立了卷取张力间接控制的数学模型。为了对电机转矩进行控制，本课题还开发出了一种新型的钢卷直径简便测量方法。

关键词：冷轧酸洗；卷取机；间接张力控制

1卷取张力控制系统的基本原理

钢带在卷绕过程中，需要根据钢带的规格和材料设定不同的张力，而卷取张力控制系统的任务，就是在卷绕过程中，使钢带实际张力达到这一设定值并保持恒定，简称恒张力控制。

如下图所示：S1和S2为一组张力辊，图中可见张力卷取机的卷筒，运行中的带钢不断卷绕在卷筒上面。图中V1为卷筒上钢卷最外层的线速度，V2为张力辊表面带钢的线速度。如果我们协调控制卷取机和张力辊组的转速，使得V1和V2不管大小如何，都有一个恒定的差值ΔV，那么卷取过程中带钢的张力T就是恒定的，这就是恒张力控制的基本原理。

间接张力控制就是卷取中将张力控制转化为对其他被控对象的控制，通过控制该对象来实现控制张力的目的。一般选择卷取力矩来代替张力，因为带钢张力是由卷取力矩产生的，改变力矩就能改变张力。如图1所示，将带钢张力化为卷取电机的电磁转矩Me，就能实现间接张力控制。要计算系统的转矩，还需要实时测量钢卷的卷径。

2卷取张力控制物理量选择和原理

3卷取过程中的实时卷径计算

要实现恒张力控制，就要进行电枢电流Id和卷徑D的协调控制，卷取过程中卷径是持续增加的，必须实时精确测量出钢卷直径值。而且随着钢卷直径的变大，卷取机的转速也必须相应减小，这样才能维持钢带线速度的恒定。卷径测量计算精确与否，直接关系到张力控制的精度。

本课题采用一种简单的卷径计算方法，利用现有的卷取设备就能实现卷径的计算，且精度可靠，算法简单，不用添加额外设备。

上图中的张力辊和卷取机电机都安装有同轴的脉冲编码器（PLG），这是目前在闭环调速领域中使用最为广泛的电机转速检测元件。它安装上通过联轴器与电机转子柔性连接，实现与电机同步旋转，编码器内部的光栅码盘旋转一圈可以产生固定数量的脉冲，利用脉冲增量原理就可以方便的计算出电机的转速。而系统在运行过程中每处的带钢线速度是相同的，即V1=V2，张力辊的卷径又是已知的，利用这些关系就能方便的计算出卷取机上的钢卷卷径。

在系统运行中，只要把这一补偿电流值加入电机的电流给定值中，就可以补偿系统运行中产生的动态转矩。

本课题通过建模，得出了被控制量电枢电流与张力的关系，设计出了一种简便可靠的卷径计算测量方法，并确定了需要补偿的一系列电流值。

参考文献：

[1]崔丽敬.连续式冷轧卷取张力控制系统研究.河北工业大学，2009.

[2]吴金鹏.卷取机数字控制系统的分析与实现.天津理工大学，2007.