Карандаев А.С., Литвинов А.В., Гасиярова О.А., Логинов Б.М., Храмшин В.Р Верификация моделей электромеханической системы клети прокатного стана - Журнал «Электротехнические системы и комплексы»

Аннотация

Разработка цифровых двойников (ЦД) и цифровых систем управления электроприводов промышленных установок предопределяет создание виртуальных моделей, которые должны обеспечить оптимальное сочетание точности воспроизведения результатов и высокой скорости обмена данными между устройством управления и объектом. Подобные задачи возникают при цифровизации агрегатов прокатного производства, о которой в последние годы заявляют все ведущие металлургические компании. Это требует верификации моделей электротехнических комплексов прокатных клетей, которые (модели) обеспечивали бы выполнение указанных противоречивых требований. Такая задача возникла при разработке виртуальной модели электропривода клети толстолистового прокатного стана 5000, которая оснащена мощными синхронными двигателями с частотным регулированием скорости. Разработаны две цифровые модели, их отличием является степень детализации замкнутой системы (контура) регулирования тока статора. Первая, более сложная модель, построена на основе модулей библиотеки Simscape, в ней предусмотрено регулирование составляющих тока по осям d, q. Во втором варианте замкнутый контур регулирования тока представлен инерционным звеном первого порядка. Характерной особенностью индивидуальных электроприводов клетей прокатных станов является нелинейность, обусловленная ограничением выхода регулятора скорости и угловыми зазорами в шпиндельных соединениях. Эти факторы должны быть учтены при создании моделей, также необходим анализ их влияния на динамические показатели в переходных режимах. В представленной публикации выполняется верификация названных моделей электроприводов клети стана 5000. С этой целью проводится сопоставление переходных процессов, возникающих при захвате раската валками при одновременном замыкании углового зазора. Сравниваются результаты моделирования с результатами экспериментов, выполненных на стане, также выполняется валидация процессов, полученных при применении исследуемых моделей. Выполнено моделирование режимов, возникающих за цикл прокатки, это ударное приложение нагрузки при одновременном замыкании угловых зазоров и реверс электропривода без нагрузки. Они позволяют оценить влияние замыкания зазора на амплитуду упругого момента на шпинделе. Комплексное проведение моделирования и экспериментальных исследований обеспечивает верификацию разработанных моделей, позволяет оценить преимущества каждой из них и дать рекомендации по их применению при разработке цифровых систем управления.

Ключевые слова

цифровой двойник, виртуальная модель, верификация, стан 5000, прокатная клеть, электромеханическая система, динамические режимы, моделирование, эксперимент, угловой зазор, влияние, рекомендации

Карандаев Александр Сергеевич – д-р техн. наук, профессор, кафедра автоматики и управления, Московский политехнический университет, Москва, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., https://orcid.org/0000-0002-2671-0241

Литвинов Артём Владиславович – аспирант, кафедра автоматики и управления, Московский политехнический университет, Москва, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Гасиярова Ольга Андреевна – канд. техн. наук, доцент, кафедра автоматики и управления, Московский политехнический университет, Москва, Россия, https://orcid.org/0000-0003-3794-9028

Логинов Борис Михайлович – канд. техн. наук, доцент, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., https://orcid.org/0000-0003-3337-3148

Храмшин Вадим Рифхатович – д-р техн. наук, профессор, директор, институт энергетики и автоматизированных систем, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., https://orcid.org/0000-0003-0972-2803

1. Концептуальные направления создания цифровых двойников электротехнических систем агрегатов прокатного производства / А.А. Радионов, А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, О.А. Гасиярова // Известия вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 1. С. 54-68. doi: 10.17213/0136-3360-2021-1-54-68

2. Oztemel E., Gursev S. Literature review of Industry 4.0 and related technologies. Journal of Intelligent Manufacturing. 2020. No. 31. Pp. 127-182. doi: 10.1007/s10845-018-1433-8

3. Цифровые двойники в промышленности: истоки, концепции, современный уровень развития и примеры внедрения. URL:https://digitaltwin.ru/articles/digital-twins-in-industry/ (дата обращения 26.02.2026)

4. Kunath M., Winkler H. Integrating the Digital Twin of the manufacturing system into a decision support system for improving the order management process // Procedia CIRP. 2018. Vol. 72. Pp. 225-231. doi: 10.1016/j.procir.2018.03.192

5. Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and classification / W. Kritzinger, M. Karner, G. Traar, J. Henjes, W. Sihn // IFAC-PapersOnLine. 2018. No. 51(11). Pp. 1016-1022. doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.474

6. Zeballos R. J.-P. Digital Twin and Simulation: Replicating Industrial Systems to Enable Improvement. URL: https://automation.com/article/digital-twin-simulation-industrial-systems-improve (дата обращения 26.02.2026)

7. Menghal P.M., Laxmi A.J. Real time control of electrical machine drives: A review // International Conference on Power, Control and Embedded Systems. IEEE, 2010. Pp. 1-6, doi: 10.1109/ICPCES.2010.5698697

8. Mihalic F., Truntic M., Hren A. Hardware-in-the-Loop Simula-tions: A Historical Overview of Engineering Challenges// Electronics. 2022. No. 11(15). 2462. doi: 10.3390/electronics11152462

9. MathWorks Simulink Real-Time Simulation and Testing. URL: https://www.windows-soft.ru/catalog/product/kupit-mathworks-simulink-real-time-simulation-and-testing-po-dostupnoy-tsene#det-description (дата обращения 26.02.2026)

10. Экспериментальное определение параметров двухмассовой электромеханической системы прокатного стана / А.С. Карандаев, А.А. Радионов, Б.М. Логинов, О.А. Гасиярова, Е.А. Гартлиб, В.Р. Храмшин // Известия вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 3. С. 24-35. doi:10.17213/0136-3360-2021-3-24-35

11. Method for Defining Parameters of Electromechanical System Model as Part of Digital Twin of Rolling Mill / V.R. Gasiyarov, A.A. Radionov, B.M. Loginov, M.A. Zinchenko, O.A. Gasiyarova, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. No. 7(5). 183. doi:10.3390/jmmp7050183

12. Soltani A., Assadian F. A Hardware-in-the-Loop Facility for Integrated Vehicle Dynamics Control System Design and Validation // IFAC-PapersOnLine. 2016. No. 49(21). Pp. 32-38. doi: 10.1016/j.ifacol.2016.10.507

13. Гасиярова О.А. Повышение ресурса электроприводов клети толстолистового прокатного стана за счет ограничения динамических нагрузок: дис. … канд. техн. наук: 2.4.2 / Гасиярова Ольга Андреевна. Москва: ФГАОУ ВО «МПУ», 2025. 170 с.

14. Регулирование скоростей электроприводов клети толстолистового прокатного стана в режиме формирования «лыжи» / А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, М.А. Зинченко, В.Р. Храмшин // Известия вузов. Электромеханика. 2022. Т. 65. № 3. С. 26-41. doi: 10.17213/0136-3360-2022-3-26-41

15. Developing Digital Observer of Angular Gaps in Rolling Stand Mechatronic System / O.A. Gasiyarova, A.S. Karandaev, I.N. Erdakov, B.M. Loginov, V.R. Khramshin // Machines. 2022. No. 10. 141. doi: 10.3390/machines10020141

16. Жеребцов А.Л., Чуйков В.Ю., Шульпин А.А. Способ управления током возбуждения как средство обеспечения устойчивости работы синхронного двигателя // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2018. №2. С. 21-31. doi: 10.17588/2072-2672.2018.2.021-031

17. Maximum Torque Per Ampere (MTPA). URL: https://microchiptech.github.io/mcaf-doc/7.0.2/algorithms/flux_control/mtpa.html (дата обращения 26.02.2026)

18. HESM Torque Control. URL: https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/ug/hesm-torque-control.html (дата обращения 26.02.2026)

19. SM Current Controller. https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/ref/smcurrentcontroller.html (дата обращения 26.02.2026)

20. Уайт Д.С., Вудсон Г.Х. Электромеханическое преобразование энергии: пер. с англ. М.; Л.: Энергия, 1964, 528 с.

21. Modeling and research of electromechanical systems of cold rolling mills: monograph // Sadovoi O., Nazarova O., Bondarenko V., Pirozhok A., Hutsol Т., Nurek T., Glowacki Sz. Krakow, 2020. 138 p.

22. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971. 320 с.

23. Математическое моделирование тиристорного электропривода с переключающейся структурой / А.С. Карандаев, В.Р. Храмшин, В.В. Галкин, А.А. Лукин // Известия вузов. Электромеханика. 2010. № 3. С. 47-53.

24. Снижение динамического момента в главной линии прокатной клети толстолистового стана / В.Р. Гасияров, С.Н. Басков, О.А. Гасиярова, Б.М. Логинов, Д.Ю. Усатый // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2019. № 3. С. 22-32. doi: 10.14529/engin190303

25. Development and Practical Implementation of Digital Observer for Elastic Torque of Rolling Mill Electromechanical System / V.R. Gasiyarov, A.A. Radionov, B.M. Loginov, A.S. Karandaev, O.A. Gasiyarova, V.R. Khramshin // J. Manuf. Mater. Process. 2023. No. 7(1). 41. doi: 10.3390/jmmp7010041

26. Наблюдатель упругого момента двухмассовой электромеханической системы / А.С. Карандаев, Б.М. Логинов, Е.Г. Бодров, В.Р. Храмшин, М.Н. Самодурова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2022. Т. 22. № 4. С. 23-33. doi: 10.14529/power220403

Верификация моделей электромеханической системы клети прокатного стана / Карандаев А.С., Литвинов А.В., Гасиярова О.А., Логинов Б.М., Храмшин В.Р. // Электротехнические системы и комплексы. 2026. № 1(70). С. 22-34. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2026-1(70)-22-34

JATS XML

Подробности: Опубликовано: 01 апреля 2026 г.; Обновлено: 01 апреля 2026 г.; Просмотров: 26