Аннотация
Приверженность металлургических предприятий цифровому направлению развития диктует необходимость промышленного внедрения систем онлайн-мониторинга состояния оборудования прокатных станов. Значительные перспективы имеет разработка наблюдателей состояния электромеханических систем прокатных клетей на основе фильтров Калмана (Kalman filter – KF). В результате проведенного литературного обзора подчеркнута актуальность онлайн-мониторинга упругих моментов на шпинделях станов горячей прокатки. Это обусловлено тем, что на амплитуду упругого момента при захвате металла валками оказывают влияние упругие свойства вала и соотношение линейных скоростей раската и валков. Вместе с тем известные наблюдатели на основе KF не получили применения в металлургическом производстве. Основной проблемой, возникающей при разработке KF для электроприводов прокатных станов, является сложность учета скорости заполнения очага деформации при входе раската в клеть. Кроме того, электромеханические системы обладают существенной нелинейностью, которая обусловлена наличием угловых зазоров в шпиндельных соединениях. В связи с этим применение классического KF, разработанного для линейных систем, для исследуемых двухмассовых систем с зазором и ударным приложением нагрузки вызывает затруднения. Недостатком модифицированных KF, в том числе расширенных фильтров Калмана (EKF) и их разновидностей (UKF и др.), является сложность алгоритмов, что затрудняет их промышленное применение. Вклад проведенных исследований заключается в том, что обоснован и разработан наблюдатель упругого момента и момента второй массы (валка) двухмассовой системы клети на основе KF с дополненным вектором состояния, получивший название дополненного фильтра Калмана (Augmented Kalman Filter – AKF). Отличием матричных уравнений такого фильтра является добавление в вектор состояния момента нагрузки 2-й массы двухмассовой системы, что позволяет учесть фактическую скорость заполнения очага деформации при захвате. Представлено описание AKF, записаны матрицы уравнений. Процедура нахождения элементов матриц автоматизирована за счет использования библиотеки Control System Toolbox™. Представлены результаты экспериментальной проверки адекватности путем сопоставления процессов, полученных в сложном аварийном режиме. Выполнен анализ переходных процессов при различных угловых зазорах в механической передаче. В обоих случаях подтверждена удовлетворительная точность восстановления упругого момента. Разработанный наблюдатель на основе AKF прошел испытания в электромеханических системах толстолистового стана 5000. Даны рекомендации по его промышленному внедрению.
Ключевые слова
фильтр Калмана, дополненный вектор состояния, прокатная клеть, электромеханическая система, упругий момент, наблюдатель, разработка, адекватность, рекомендации
1. Development of an automatic elastic torque control system based on a two-mass electric drive coordinate observer / A. A. Radionov, A. S. Karandaev, V. R. Gasiyarov, B. M. Loginov, E. A. Gartlib // Machines. 2021. No. 9. 305. doi: 10.3390/machines9120305.
2. Real-Time Identification of Dynamic Loads Using Inverse Solution and Kalman Filter / J. Jiang, S. Luo, M.S. Mohamed, Z. Liang // Appl. Sci. 2020. No. 10. 6767. doi: 10.3390/app10196767
3. Application of deep learning neural network to identify collision load conditions based on permanent plastic deformation of shell structures / G. Chen, T. Li, Q. Chen, S. Ren, C. Wang, S. Li // Comput. Mech. 2019. No. 64. Pp. 435-449. doi: 10.1007/s00466-019-01706-2
4. Обоснование разработки телеметрической системы мониторинга упругого момента главной линии клети прокатного стана / В.Р. Храмшин, С.А. Евдокимов, О.А. Гасиярова, А.С. Карандаев, Б.М. Логинов // Электротехнические системы и комплексы. 2022. № 3(56). С. 70-79. doi: 10.18503/2311-8318-2022-3(56)-70-79
5. Telemetry System to Monitor Elastic Torque on Rolling Stand Spindles / S.S. Voronin, B.M. Loginov, O.A. Gasiyarova, S.A. Evdokimov, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin // J. Manuf. Mater. Process. 2024. No. 8. 85. doi: 10.3390/ jmmp8030085
6. Ильина А.Г., Маматов А.Г. Синтез оптимального наблюдателя состояний для системы управления вентильного электропривода // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. №. 4. С. 1-6.
7. Branlard E., Giardina D., Brown C. Augmented Kalman Filter with a Reduced Mechanical Model to Estimate Tower Loads on a Land-Based Wind Turbine: A Step Towards Digital-Twin Simulations // Wind Energy Science. 2020. No. 5(3). Pp. 1155-1167. doi: 10.5194/wes-5-1155-2020
8. Wang L., Guan R.P. The Kalman Filter // State Feedback Control and Kalman Filtering with MATLAB/Simulink Tutorials. Wiley, 2023. Pp. 309-375. doi: 10.1002/9781119694625.ch7
9. Kalman filter applied in rolling mill drive system / G. Gang, X. Chao, L. Chongjian, D. Wei // 2009 IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference. IEEE, 2009. doi:10.1109/ipemc.2009.5157731
10. 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 Transactions on Industrial Electronics. 1995. No. 42(6). Pp. 564-571. doi:10.1109/41.475496
11. Kalman-based load identification and full-field estimation analysis on industrial test case / Cumbo R., Tamarozzi T., Janssens K., Desmet W. // Mechanical Systems and Signal Processing. 2019. No. 117. Pp. 771-785. doi: 10.1016/j.ymssp.2018.08.045
12. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971. 320 с.
13. 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 // Изв. вузов. Электромеханика. 2021. Т. 64. № 3. С. 24-35. doi: 10.17213/0136-3360-2021-3-24-35
14. Method for Defining Parameters of Electromechanical System Model as Part of Digital Twin of Rolling Mill / Gasiyarov V.R., Radionov A.A., Loginov B.M., Zinchenko M.A., Gasiyarova O.A., Karandaev A.S., Khramshin V.R. // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. No. 7(5). 183. doi: 10.3390/jmmp7050183
15. Логинов Б.М. Ограничение динамических нагрузок электроприводов горизонтальной клети толстолистового прокатного стана : дис. … канд. техн. наук: 05.09.03 / Логинов Борис Михайлович. Челябинск: ЮУрГУ (НИУ», 2019. 164 с.
16. Substantiating and Implementing Concept of Digital Twins for Virtual Commissioning of Industrial Mechatronic Complexes Exemplified by Rolling Mill Coilers / V.R. Gasiyarov, P.A. Bovshik, B.M. Loginov, A.S. Karandaev, V.R. Khramshin, A.A. Radionov // Machines. 2023. 11. 276. doi: 10.3390/machines11020276
17. Justifying and Implementing Concept of Object-Oriented Observers of Thermal State of Rolling Mill Motors / S.S. Voronin, A.A. Radionov, A.S. Karandaev, I.N. Erdakov, B.M. Loginov, V.R. Khramshin // Energies. 2024. No. 17. 3878. doi: 10.3390/en17163878
18. Регулирование координат электромеханической системы прокатного стана на основе наблюдателя упругого момента / А.А. Радионов, В.Р. Гасияров, Е.А. Гартлиб, Б.М. Логинов, К.Э. Одинцов // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. 2021. Т. 21. № 2. С. 115-129. doi:10.14529/power210212
Логинов Б.М., Храмшин В.Р., Воронин С.С. Наблюдатель упругого момента электропривода клети прокатного стана на основе фильтра Калмана с дополненным вектором состояния // Электротехнические системы и комплексы. 2025. № 4(69). С. 4-14. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2025-4(69)-4-14
© Логинов Б.М., Храмшин В.Р., Воронин С.С., 2025 Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License