Радионов А.А., Гасияров В.Р., Логинов Б.М., Гартлиб Е.А., Гасиярова О.А. Разработка цифрового наблюдателя упругого момента электромеханической системы клети прокатного стана - Журнал «Электротехнические системы и комплексы»

Аннотация

Обоснована задача разработки наблюдателя упругого момента приводного вала (шпинделя) и скорости валка электромеханической системы клети толстолистового прокатного стана. Рассмотрена конструкция главной линии горизонтальной клети стана 5000 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ПАО «ММК»). Приведены осциллограммы, подтверждающие колебательный характер упругого момента на шпинделе в момент захвата металла валками. Показано, что его амплитуда в несколько раз превышает установившийся момент прокатки. Рассмотрена структура модели двухмассовой электромеханической системы с упругой связью и угловым зазором в соединениях. Записаны уравнения в пространстве состояний, на основе которых разработан наблюдатель координат второй массы (валка) и момента упругого вала по параметрам первой массы: моменту и скорости двигателя электропривода. Представлена структура наблюдателя, основной проблемой при его настройке является обеспечение высокого быстродействия для восстановления переходных процессов в режиме ударного приложения нагрузки. Отмечено, что известные наблюдатели, являющиеся вычислителями координат со сложными алгоритмами, не обладают необходимым быстродействием. Предложен подход, суть которого заключается в симуляции процессов на модели с последующей прямой настройкой на объекте. Рассмотрены переходные процессы восстановленных координат двухмассовой системы при отработке захвата металла валками. Дано сравнение с экспериментальными осциллограммами, полученными на стане. Подтверждено совпадение процессов с удовлетворительной точностью. Представлены обобщенные результаты, полученные при анализе восстановленных зависимостей и экспериментально снятых осциллограмм упругого момента при прокатке заготовок различной толщины. Сделаны выводы о существенном влиянии толщины раската и составляющей, обусловленной упругими свойствами вала, на амплитуду момента на шпинделе. Рекомендовано применение разработанного наблюдателя в системах замкнутого регулирования упругого момента, определены направления их разработки. Отмечено, что необходимым условием эффективной работы таких систем является обеспечение захвата металла при предварительно замкнутых угловых зазорах.

Ключевые слова

Прокатный стан, электромеханическая система, двухмассовая модель, координаты, наблюдатель, динамические процессы, восстановление, осциллограммы, анализ, рекомендации.

Радионов Андрей Александрович – д-р техн. наук, профессор, проректор по учебной работе, Южно-Уральский государственный университет (националь-ный исследовательский университет), г. Челябинск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3914-4429.

Гасияров Вадим Рашитович – – канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой мехатроники и автома-тизации, Южно-Уральский государственный универ-ситет (национальный исследовательский университет), г. Челябинск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9635-4716.

Логинов Борис Михайлович – ведущий инженер по наладке и испытаниям, ЦЭТЛ, ПАО «Магнитогор-ский металлургический комбинат», г. Магнитогорск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Гартлиб Екатерина Андреевна – старший препо-даватель, кафедра мехатроники и автоматизации, Юж-но-Уральский государственный университет (нацио-нальный исследовательский университет), г. Челя-бинск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Гасиярова Ольга Андреевна – младший научный сотрудник, старший преподаватель, кафедра мехатро-ники и автоматизации, Южно-Уральский государ-ственный университет (национальный исследователь-ский университет), г. Челябинск, Россия. E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

1. Калачев Ю.Н. Наблюдатели состояния в векторном электроприводе. М.: ЭФО, 2015. 61 с.

2. Digital twin in manufacturing: a categorical literature review and classification / W. Kritzinger, M. Karner, G. Traar, J. Henjes, W. Sihn // IFAC-PapersOnLine. 2018. Vol. 51. Iss. 11. Pp. 1016-1022. doi: 10.1016/j.ifacol.2018.08.474.

3. Sugiura K., Hori Y. Vibration suppression in 2- and 3-mass system based on the feedback of imperfect derivative of the estimated torsional torque // IEEE Trans. on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43. No. 2. Pp. 56-64. doi: 10.1109/41.481408.

4. Ji J. K. & Sul S. K. Kalman Filter and LQ Based Speed Controller for Torsional Vibration Suppression in a 2-Mass Motor Drive System, IEEE Trans. on Industrial Electronics, 1995, vol. 42, no. 6, pp. 564-571.

5. Szabat K., Orłowska-Kowalska T. Vibration suppression in two-mass drive system using PI speed controller and additional feedbacks – comparative study // IEEE Trans. on Industrial Electronics. 2007. Vol. 54. No. 2. Pp. 1193-1206. doi: 10.1109/41.475496.

6. Setting automated roll axial shifting control system of plate mill / A.S. Karandaev, B.M. Loginov, A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov // Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. Pp. 1753-1750. doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.709.

7. Force limiting at roll axial shifting of plate mill / A.S. Karandaev, B.M. Loginov, V.R. Gasiyarov, V.R. Khramshin // Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. Pp. 1780-1786. doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.713.

8. Обоснование способов ограничения динамических нагрузок электромеханических систем клети прокатного стана / А.Г. Шубин, Б.М. Логинов, В.Р. Гасияров, Е.А. Маклакова // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 1(38). С. 14-25. doi: 10.18503/2311-8318-2018-1(38)-14-25.

9. Constraining the Dynamic Torque of a Rolling Mill Stand Drive / V.R. Khramshin, V.R. Gasiyarov, A.S. Karandaev, S.N. Baskov, B.M. Loginov // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2018. Т. 18. № 1. С. 101-111. doi: 10.14529/power180109.

10. Гасияров В.Р. Совершенствование электротехнических систем реверсивной клети толстолистового прокатного стана: дис. … докт. техн. наук / Гасияров Вадим Рашитович. Челябинск: ЮУрГУ, 2021. 358 с.

11. Крот П.В. Телеметрические системы мониторинга динамических нагрузок в линиях привода прокатных станов // Вибрация машин: измерение, снижение, защита: научно-технический и производственный сборник статей. Донецк: ДонНТУ, 2008. Вып. 1. С. 46-53.

12. Implementation of telemetric on-line monitoring system of elastic torque of rolling mill line of shafting / A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov, M.M. Tverskoi, V.R. Khramshin, B.M. Loginov // 2nd International Ural Conference on Measurements (UralCon). 2017. Pp. 450-455. doi: 10.1109/URALCON.2017.8120750.

13. Krot P.V. Nonlinear vibrations and backlashes diagnostics in the rolling mills drive trains // Proc. of 6th EUROMECH Nonlinear Dynamics Conference (ENOC). 2008. doi: 10.13140/2.1.3353.1840.

14. Hori Yo., Sawada H., Chun Y. Slow resonance ratio control for vibration suppression and disturbance rejection in torsional system // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1999. Vol. 46. Iss. 1. Pp. 162-168. doi: 10.1109/41.744407.

15. Bouheraoua M., Wang J., Atallah K. Influence of control structures and load parameters on performance of a pseudo direct drive // Machines. 2014. No. 2. Рp. 158-175. doi: 10.3390/machines2030158.

16. Szabat K., Orlowska-Kowalska T. adaptive control of the electrical drives with the elastic coupling using Kalman filter // Open access peer-reviewed chapter, 2009. doi: 10.5772/6507.

17. Orlowska-Kowalska T., Kaminski M., Szabat K. Implementation of a sliding-mode controller with an integral function and fuzzy gain value for the electrical drive with an elastic joint // Industrial Electronics IEEE Transactions on. 2010. Vol. 57. No. 4. Рp. 1309-1317. doi:

10.1109/TIE.2009.2030823.

18. Лебедев С.К., Колганов А.Р., Гнездов Н.Е. Электромехатронные системы позиционирования с наблюдателями нагрузки: монография. Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», 2016. 340 с.

19. Лебедев С.К., Колганов А.Р., Гнездов Н.Е. Выбор модели динамики для систем векторного управления электроприводами переменного тока // Электроприводы переменного тока: труды XVI междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина». 2015. С. 103-106.

20. Szabat K., Orlowska-Kowalska T. Performance improvement of industrial drives with mechanical elasticity using nonlinear adaptive Kalman filter // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55. Iss. 3. Рp. 1075-1084. doi: 10.1109/TIE.2008.917081.

21. Cychowski M., Orlowska-Kowalska T. Constrained model predictive control of the drive system with mechanical elasticity // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol. 56. Iss. 6. Рp. 1963-1973. doi: 10.1109/TIE.2009.2015753.

22. Orlowska-Kowalska T., Dybkowski M., Szabat K. Adaptive sliding-mode neuro-fuzzy control of the two-mass induction motor drive without mechanical sensors // Industrial Electronics IEEE Transactions on. 2010. Vol. 57. Iss. 2. Рp. 553-564. doi: 10.1109/TIE.2009.2036023.

23. Thomsen S., Hoffmann N., Wilhelm F. Fuchs PI control, PI-based state space control and model-based predictive control for drive systems with elastically coupled loads – a comparative study // Industrial Electronics IEEE Transactions on. 2011. Vol. 58. Iss. 8. Рp. 3647-3657. doi: 10.1109/TIE.2010.2089950.

24. Машины и агрегаты металлургических заводов. Машины и агрегаты для производства проката / А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребеник, Ф.К. Иванченко. М.: Металлургия, 1988. Т. 3. 680 с.

25. Calculating simulation model parameters for electromechanical system of rolling mill stand / A.S. Karandaev, S.N. Baskov, O.A. Gasiyarova, B.M Loginov, V.R. Khramshin // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (Ural-Con). 2020. Pp. 469-474. doi: 10.1109/UralCon49858.2020.9216265.

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

27. Обоснование способов ограничения динамических нагрузок электромеханических систем клети прокатного стана / А.Г. Шубин, Б.М. Логинов, В.Р. Гасияров, Е.А. Маклакова // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 1(38). С. 14-25. doi: 10.18503/2311-8318-2018-1(38)-14-25.

28. Use of automated electric drives for limiting dynamic loads in shaft lines of roll mill stands / A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin // Journal of Engineering. 2019. Iss. 17. Pp. 3578-3581. doi: 10.1049/joe.2018.8135.

29. Гасияров В.Р. Способ ограничения динамических нагрузок мехатронных систем клети толстолистового прокатного стана // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер.: Машиностроение. 2019. Т. 19. № 2. С. 5-18.

30. Dynamic torque limitation principle in the main line of a mill stand: explanation and rationale for use / V.R. Gasiyarov, V.R. Khramshin, S.S. Voronin, T.A. Lisovskaya, O.A. Gasiyarova // Machines. 2019. No. 7(4). 76. doi: 10.3390/machines7040076.

31. Колганов А.Р., Лебедев С.К., Гнездов Н.Е. Электромеханотронные системы. Современные методы управления, реализации и применения: учебное пособие. Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2019. 256 с.

32. Колганов А.Р., Лебедев С.К., Гнездов Н.Е. Современные методы управления в электромеханотронных системах. Разработка, реализация, применение. Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2012. 256 с.

33. Ключев В.И. Теория электропривода: учеб. для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2001. 760 с.

Подробности: Опубликовано: 25 июня 2021 г.; Обновлено: 25 июня 2021 г.; Просмотров: 573