О О Борисов, Н В Жукова, Я М Верховський - Удосконалення систем автоматичного управління безперервним процесом холодної прокатки - страница 1

Страницы:
1  2 

УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ БЕЗПЕРЕРВНИМ

ПРОЦЕСОМ ХОЛОДНОЇ ПРОКАТКИ

 

Борисов О.О., Жукова Н.В., Верховський Я.М.

Донецький національний технічний університет, м. Донецьк кафедра автоматики і телекомунікацій E-таіІ: а1ехЬог@1Ьіїа.с1п.иа, Zhnatka@mail.ru

 

Abstract

Borisov A.A., Zhukova N.V.,Verhovskiy J.M. Refinement of systems of automatic control of a continuous process of cold rolling. The elementary dynamic equation of continuous rolling, which takes into account correlation between a leading parameters of the rolling process in adjacent closets is offered. The principle of control efficiency estimation is offered and the control strategy tasks are defined.

 

Загальна постановка проблеми. Реконструкція цехів безперервної холодної листо­прокатки з метою виробництва продукції, що задовольняє сучасним вимогам автомобільної, електротехнічної, харчової, машинобудівної, електронної й інших галузей народного госпо­дарства, є найважливішою задачею металургійної промисловості України. У даний час сфо­рмовані устояні напрямки в області удосконалення механічного обладнання прокатних ста­нів, спостерігається визначений прогрес у розвитку технологій його виробництва [1]. Разом з тим у фахівців в області прокатки сьогодні є незаперечним той факт, що без ефективної сис­теми автоматичного управління прокатним станом одержати якість металевого листа, що за­довольняла б сучасним вимогам, неможливо. Це, у першу чергу, зв'язано з необхідністю уз­годження роботи декількох клітей, що впливають одна на іншу через металеву штабу. Таким чином, модернізація систем автоматичного управління безперервною прокаткою на базі удо­сконалення алгоритмів управління залишається істотним резервом у забезпеченні найвищих техніко-економічних показників листопрокатного виробництва. Однак, складність і багато-зв'язність даного об'єкта управління визначають різноманітність підходів до його математи­чного опису і управління, а прогрес у даних питаннях можливий тільки на базі аналізу наяв­них рішень [2]. Цей факт приводить до того, що ряд українських металургійних підприємств із залученням вітчизняних і закордонних фахівців працюють над удосконаленням систем ав­томатичного управління безперервними станами холодної прокатки. Тому, удосконалення математичного опису динаміки безперервної прокатки з погляду автоматизації, методів управління безперервним станом і створення таких систем, які б підвищували ефективність його функціонування і якість продукції, є важливою науковою задачею.

Аналіз положень теорії подовжньої прокатки, результатів експериментальних дослі­джень на діючих станах, відомих моделей і рівнянь, показав наявність деяких протиріч у ма­тематичних описах процесів пластичної деформації металу і кінематики прокатки, що від­значається в останніх публікаціях фахівців у цій області [3].

Постановка задач дослідження. Одним з головних показників якості прокату є сту­пінь його подовжньої різнотовщинності, задача мінімізації якої представляє найбільшу прак­тичну складність. При цьому, товщиною листа управляють шляхом зміни прозорів між вал­ками за допомогою натискних пристроїв і шляхом зміни натягів листа, що залежать від куто­вих швидкостей валків. Основні збурення, що впливають на процес холодної прокатки: варі­ація профілю підкату і подовжнього натягу, розподіл напруг по ширині підкату, знос валків і ексцентриситети валкової системи. Технологічно до основних контрольованих параметрівпрокатки варто відносити: Hi - товщину штаби, Ti - натяг штаби, di - зазор між валками, Pi - зусилля прокатки, wi - кутову швидкість валка (двигуна), vi - лінійну швидкість прокату.

Відомі багатозв'язні динамічні моделі прокатного стана засновані на лінійному рів­нянні, що відображує пропорційну залежність похідної міжклітьового натягу Tii+1 (рис. 1) від різниці лінійних швидкостей штаби на вході i+1-ї і виході iкліті, що залежать від відповід­них кутових швидкостей валків wi+1 і wi.

Системний аналіз наявних теоретичних і експериментальних досліджень показав, що міжклітьовий натяг Ti i+1 залежить не тільки від кутових швидкостей валків суміжних клітей

wi і wi+1, але і від товщини підкату Ні1 і товщини листа на виході iкліті Ні, тобто обтис-

нення в ній. Таким чином виникає задача нового математичного опису і аналізу процесу хо­лодної прокатки металевої штаби.

Рішення задач і результати досліджень. Пропонується найпростіше рівняння дина­міки процесу безперервної прокатки:

 

dT

d

де кт - комплексний коефіцієнт, пропорційний модулю пружності металу, поперечному сі­ченню штаби і довжині міжклітьового проміжку.

Рівняння засноване на законі суцільності і твердженні про подобу процесів у осередках де­формації суміжних клітей при однакових відносних обтисненнях у них [4].


Відмінною рисою запропонованого рівняння динаміки прокатного стана є відобра­ження взаємозв'язку між всіма основними параметрами процесу прокатки в суміжних клітях: товщиною підкату Нг-1, товщиною листа на виході i-ї кліті Н{, кутовою швидкістю i wi і i+ 1-ї wi+1 кліті, міжклітьовим натягом Tii+1 (рис. 1).

Аналіз (1) дозволяє зробити висновок, що міжклітьове запізнювання, яке визначає уз­годження роботи натискних пристроїв суміжних клітей, і представляє відношення довжини міжклітьового проміжку до лінійної швидкості штаби в ньому є змінною і залежить від тов­щини підкату - основного збурення для прокатного стана. Таким чином, прокатний стан мо­жна класифікувати як нелінійний об'єкт із перемінним запізнюванням. Виходячи з (1), сис­тему рівнянь, що описує процес безперервної прокатки, можна записати у вигляді:

Hi (p) = Km( p)um( p) + к

H+1( p) = н\ (pyn(p) p

< w г (p) =     (p)Uw, (p) - KMl (p)Ma (p)

Ma (p) = кш (H-1 (p) - нi (p))+д (T-и- ( p) - T,+1 (p))

.pT,i+1 (p) = кп,+1 (H (p)w,+1 (p) -     (p)w, (p))


(2)де KHi (p) - передатна функція замкнутої системи управління натискним пристроєм, uHi (p) -значення сигналу управління на вході системи управління натискним пристроєм, Kw ( p) -передатна функція замкнутої системи управління швидкістю двигуна головного приводу, uwi (p) - завдання на систему управління швидкістю двигуна головного приводу, KMi (p) -

передатна функція двигуна головного приводу щодо моменту навантаження, MCi (p) - мо­мент навантаження двигуна головного приводу, Ri - радіуси валків, uHi (p) - коефіцієнти, що підлаштовуються, відповідно в каналах зміни товщини, моменту прокатки і натягу штаби, t (p) - перемінне міжклітьове запізнювання, p - оператор Лапласа.

Регулювання товщин і натягів штаби може здійснюватися за допомогою незалежних систем автоматичного регулювання товщини (САРТ) і систем автоматичного регулювання натягу (САРН), однак більш досконалим є комплексне регулювання за допомогою дво-зв'язної системи управління кліттю, що враховує взаємовплив даних параметрів прокатки. Двомірна система управління визначає розробку відповідної двозв'язної моделі локальної кліті як об'єкта управління.

Для окремої кліті, як двомірного об'єкту, можлива лінійна постановка задачі управ­ління. Враховуючи, що система регулювання товщини мінімізує різнотовщинність на виході і-ї кліті (рис.1), а швидкість і-го двигуна відносно i+1-го постійна, рівняння динаміки міжклі-тьового натягу (1) можна записати у вигляді лінійного операторного рівняння

pTn+1 = К (Hiwi+1(p) - Hi-1(p)w


(3)і задача може бути вирішена в просторі параметрів стану.

Розроблено відповідну двомірну модель у вигляді канонічної структури для стандар­тизації підходу до управління. Модель спрощена практично без утрати її адекватності реа­льному процесу з урахуванням того, що при збільшенні моменту прокатки внаслідок збіль­шення товщини підкату швидкість привода падає по визначеному закону, однак це падіння швидкості, у тім чи іншому ступені, відповідає закону управління, що передбачає визначене зменшення швидкості.

Виходячи з вищевикладеного і моделі (2), двозв'язна модель кліті має вигляд:

(4)

I                   p p

Системі (5) найбільш відповідає Р-канонічна структура, що представлена на рис. 2. У матричній формі вираження, відповідне Р-канонічній структурі, має вигляд:


(6)


Uh ( p)

 

 

 

 

 

 

 

 

Uw ( p )

Рисунок 2 - Р-канонічна структура двозв'язної моделі кліті

 

Рівняння стану, відповідні даній моделі:


0 0

^21 0

0 д

21

0*п(к)

+

Х12(к ) Х21 (к) Х22(к )

Г хи(к)

0

Х12(к ) Х21 (к) Х22(к )


11

12


0 1 0

 

 

Й2 (7)

 

 

 

 

 

(8)

Визначення матриць A(T) і векторів b(T) для об'єктів досить високого порядку не представляє труднощів при використанні програмного забезпечення для наукових і інженер­них розрахунків - MatLab. З його допомогою здійснюється перехід від передатної функції до рівняння стану безперервної системи в просторі станів, а потім до рівняння стану дискретної системи, чи здійснюється перехід до дискретної системи безпосередньо від системи (6).

Моделювання двозв'язної системи показало, що використання в системах автоматич­ного управління кліттю двомірних регуляторів дозволяє зменшити різнотовщинність листо-прокату на 15-20 % у порівнянні з одномірними (рис. 3).

Виходячи з вираження (1) запропоновані наступні способи управління двигунами го­ловного приводу прокатного стана:

-   кутова швидкість двигуна кожної наступної кліті змінюється щодо швидкості двигу­на попередньої кліті відповідно до вираження (1), а швидкість першої кліті незмінна;

-   у залежності від товщини підкату істотно змінюється тільки швидкість двигуна пер­шої кліті, а швидкості двигунів усіх наступних клітей задовольняють умові (1);

-   кутова швидкість проміжного двигуна головного привода є незмінною, а зміни швидкостей попередніх і наступних двигунів задовольняють умові (1) і мають різний знак.

Виконано аналіз даних способів управління і показано істотні переваги другого з них:

-   транспортне запізнювання в міжклітьових проміжках, починаючи з другої кліті, тут на відміну від інших способів інваріантне щодо збурення товщини листа на вході стана, що дозволяє досить просто реалізувати систему компенсації ексцентриситету валків у суміжних клітях;

-  
значно спрощується задача верхнього рівня, тому що збурення товщини листа на вході стана майже не проходить у наступні кліті;

-   значно зменшуються вимоги до динамічних характеристик систем головного приво­ду і натискних пристроїв, починаючи з другої кліті, що дозволяє знизити вартість технологі­чного обладнання;

-   підвищується надійність роботи системи управління за рахунок спрощення алгорит­мів і зменшення обсягів обчислень.

Таким чином, пропонується максимально подавляти збурення товщини вхідного лис­та вже першою кліттю стана, а не "виправляти" різнотовщинність у всіх наступних клітях. У них досягається тільки необхідне обтиснення листа і придушуються відносно високочастотні складові його різнотовщинності, що не можуть бути придушені системою регулювання, че­рез обмеження визначені її швидкодією, і які незначно впливають на міжклітьові натяги, че­рез інтегруючі властивості каналу натягу.

Основні труднощі при оцінці управління прокатним станом зв'язані з численністю фа­кторів, що впливають на цю оцінку, різнорідністю критеріїв оцінки, неможливістю приве­дення до єдиної шкали вимірювання, необхідністю урахування взаємного впливу факторів, ситуацій на «ваги» критеріїв, розпливчастості категорій існуючих оцінок [5]. Як показники, що характеризують управління виробництвом прокату, як правило, виступають геометричні і фізико-механічні параметри прокату, енергосилові витрати на виробничий процес, продук­тивність безперервного стана, інтенсивність зносу механічних вузлів, надійність роботи об­ладнання і т.п.

Пропонується принцип оцінки ефективності управління (стратегії управління) з ура­хуванням взаємовпливу факторів на базі виділення сильно зв'язаних груп, поділу частот об­робки інформації з груп з виділенням групового аргументу (показника, аспекту) і адаптивно­го розподілу «ваг» групових аспектів в оцінках реальних ситуацій. Відповідно до цього принципу, задача оцінки ефективності управління ставиться в такий спосіб:

1.   На базі часткових, прогнозних і статистичних оцінок якості управління складають­ся матриці даних, що відображують вплив визначених факторів на ефективність управління і враховуються при реалізації стратегії (знаходження зв'язків між показниками і факторами взаємовпливу, формування відповідних матриць є окремою задачею, рішення якої повинно базуватися на знайдених залежностях теорії і практики безперервної прокатки).

2.   За даними кореляційного аналізу оцінюється ступінь зв'язку між факторами і фор­мується кореляційна матриця зв'язаності.

3.   У матриці зв'язаності аргументовано виділяються групи сильно зв'язаних факторів, що обумовлюють механізм впливу цієї групи на реалізацію управління.

4.   Для зв'язаних груп даних визначаються приватні аргументовані аспекти, як внутрі­шньої сутності явищ, що відображають інтегрований вплив групи виділених параметрів на ефективність управління.

5.   На базі агрегованих оцінок (аспектів) формується критерій оцінки стратегії управ­ління (рейтинг) по сукупності факторів.

Висновки.

1.  Рівняння динаміки основних параметрів прокатки в міжклітьовому проміжку є не­лінійним.

2.  Безперервний стан варто класифікувати як багатозв'язний нелінійний об'єкт із пе­ремінним запізнюванням.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

О О Борисов, Н В Жукова, Я М Верховський - Удосконалення систем автоматичного управління безперервним процесом холодної прокатки

О О Борисов, Н В Жукова, Я М Верховський - Удосконалення систем автоматичного управління безперервним процесом холодної прокатки