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关键词：扭矩;主传动;负荷平衡
一、研究背景介绍
宝钢厚板5m精轧机采用西门子交交变频控制技术实现对上下工作辊的速度和负荷控制。装置采用公共交流母线进线方式，扭矩电流和励磁电流分别控制。10000KVA的大容量设计为精轧高负荷大扭矩需求奠定了基础。
控制系统采用交流电机磁场定向矢量控制原理运行，核心计算单元采用西门子SIMADYN D系统。交流电机矢量控制原理，也称为磁场定向控制原理。它建立在交流电机控制理论基础上。上世纪初，交流同步电机过渡过程的研究，由稳态等值电路，矢量图发展出d，q轴双反应理论。而后建立了交流电机的动态方程，同时提出了多相ABC>dq等坐标变换理论。在此基础上，把各种电机，同步机，异步机，直流机统一为一种电机原型，建立统一的电机理论，交流电机与直流电机的共性，以及相互转化的理论已建立起来。从这些电机理论出发，基于直流机良好的转矩控制性能，把交流电机通过坐标变换控制等效为直流电机，产生出交流电机矢量控制原理。具有很高的动态响应和相当高的过载能力，达到了与直流调速系统相同的控制性能。
主传动系统与轧线主干系统通讯，接收速度给定和控制字给定，同时将电流实际值、速度实际值和状态字反馈给主干系统，实现主传动在轧线的协调控制。主传动系统的通讯、速度计算、电流计算及外围辅助设备控制采用西门子TDC系统，上下辊各一套。与主干TDC系统则通过CP52AO GDM（GlobalDatamemory）模块以满足基础自动化和传动之间高速通信需要。在主传动TDC系统中，最为核心的控制功能为速度计算和扭矩计算功能。
二、基于扭矩负荷观测的复合控制系统在轧机主传动中的应用研究
2.1轧机扭矩计算模型
轧机轧制过程中，主电机轴上输出的传动力矩为：
也：轧制变形的力矩（由变形金属对轧辊的作用合力所引起的阻力矩）。
i：轧辊与主电机间的传动比（=电机转数/轧辊转数）
Mf：附加摩擦力矩（轧制时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩）
Mk：空转力矩（轧机空转时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩）
Ma：轧辊速度发生变化的动力矩（轧机加速或减速时的惯性力矩）
2.2基于扭矩计算模型的扭矩前馈控制
西门子矢量控制系统中，速度环和扭矩环是两个关键的闭环控制环节，通常采用PI控制方式。速度环的输入为实际速度和设定速度，输出为设定扭矩;扭矩环的输入为设定扭矩和实际扭矩，输出为设定电流（电流扭矩分量）。
这是个典型的反馈系统，存在控制滞后、受扰动影响比较大等特点。结合扭矩计算数学模型，引入开环补偿控制G3（s），构成复合控制系统。传递函数为：
开环补偿控制主要将计算好的摩擦力矩、转动惯量力矩、阻尼力矩前馈到扭矩环之前，实现扭矩预控，减少控制滞后量，加快工作辊对速度设定的响应时间。
2.3外扰负荷观测器前馈控制
轧机主传动系统是一个由若干质量单元和弹性单元组成的质量弹簧系统。在咬钢、抛钢等突然加、减载的情况下，系统容易发生扭振。因为扭振产生的扭矩非常大，振动力矩的大小不仅与系统的惯量有关，还随着振动周期与咬入时间比值的变化而变化。同时，在加载的瞬间，因为振动扭矩的存在，极易造成大的速降。大的咬钢速降不仅不利于钢板板型控制，还对传动系统的轴承部分有负面影响。
构造一个外扰负荷观测器，将外扰负荷观测器添加到反馈控制器中，构成复合控制系统。在扰动负荷提前预知的情况下，实施反馈控制，必然减少速度环的输出量，减少因系统的滞后特征导致的速降并减小超调。
带有外扰观测器补偿控制的传递函数与（s）相似。
负荷观测器工作过程中产生计算速度和计算扭矩。其中，计算速度为实际扭矩和计算扭矩相加然后经过一个积分器而获取。计算扭矩由实际速度和计算速度比较并经过一个PI调节器而得到，且PI调节器中实际速度作为参考输入，计算速度作为实际输入。PI调节器的积分输出（扰动扭矩）与速度控制器的wp相连，实现扭矩预控（扭矩前馈控制）。
三、主传动负荷平衡控制应用研究
3.1负荷平衡问题的提出
理论上，轧机上下辊扭矩应该完全一致。实际生产过程中，因为一个换辊周期内轧辊磨损不一致等原因，上下辊会出现一辊拖另一辊现象，导致其中一根辊扭矩大，另一根辊扭矩小的情况，即扭矩负荷不平衡。
负荷不平衡是上下辊线速度不一致的表现，当出现扭矩不平衡时，除了扭矩负荷增大外，因为上下辊线速度不一致，造成严重的钢板翘扣头。因为线速度有偏差，必然存在一根辊与轧件之间打滑的问题，现成轧制异音，同时对轧件厚度控制不利，也加剧了负荷不平衡特征。
3.2负荷平衡方案
負荷不平衡的主要原因是上下辊线速度不一致，若能计算负荷偏差量，并设计一个控制系统计算线速度偏差补偿，降低线速度快的工作辊速度直至负荷重新达到平衡。考虑系统扰动因素，设计允许不平衡量，当偏差在该范围之内，控制系统不起作用;当偏差超过该范围，控制系统再起作用，起到纠偏作用。
精轧主传动负荷平衡控制原理为：当上、下辊扭矩差大于5%（100%对应于4775KNM）即238.75KNM时，将此差值进行积分后，作为对速度较快的辊子的附加速度给定，且总是负值。这样，速度较快的辊子就能及时减速，达到负荷平衡的目的。
四、结论及研究展望
4.1现有模型结论
负荷平衡是一项有效而又成熟的技术，其作用在轧机的主传动控制中得到了最充分的体现。
基于扭矩观测的复合控制系统对于轧机这种负荷多变、且控制精度要求较高的设备来说是非常有益的。西门子己将这种设计理念体现在主传动控制系统中，然而因为在轧机中的应用并不成熟，实际并没有投入使用。目前，随着产品的不断拓展，高强度、大压下的工艺设计越来越多，显著的咬钢速降和大的振荡扭矩俨然己成为了一道门槛。如果能将扭矩观测复合控制调试成功并投入使用，不管是对工艺还是设备都将是一件非常有利的事情。
4.2咬钢过程中速度差波动问题展望
咬钢过程中，负荷平衡并没有投入，因为翘扣头系数的作用及上下辊之间的相互扰动，两辊之间速度差存在波动现象。不稳定的速度差造成钢板头部1m范围内出现“瓦楞”状，矫直机无法矫平。如果能投入扭矩观测的复合控制，减少外扰对速度的影响，这种现象一定能够得到缓解。
4.3上下辊麻花状扭矩问题展望
负荷平衡功能有其优点但也存在一些缺陷，扭矩呈现麻花状是负荷平衡功能当前的主要问题。优化负荷平衡参数可有效改善这种缺陷。
一、研究背景介绍
宝钢厚板5m精轧机采用西门子交交变频控制技术实现对上下工作辊的速度和负荷控制。装置采用公共交流母线进线方式，扭矩电流和励磁电流分别控制。10000KVA的大容量设计为精轧高负荷大扭矩需求奠定了基础。
控制系统采用交流电机磁场定向矢量控制原理运行，核心计算单元采用西门子SIMADYN D系统。交流电机矢量控制原理，也称为磁场定向控制原理。它建立在交流电机控制理论基础上。上世纪初，交流同步电机过渡过程的研究，由稳态等值电路，矢量图发展出d，q轴双反应理论。而后建立了交流电机的动态方程，同时提出了多相ABC>dq等坐标变换理论。在此基础上，把各种电机，同步机，异步机，直流机统一为一种电机原型，建立统一的电机理论，交流电机与直流电机的共性，以及相互转化的理论已建立起来。从这些电机理论出发，基于直流机良好的转矩控制性能，把交流电机通过坐标变换控制等效为直流电机，产生出交流电机矢量控制原理。具有很高的动态响应和相当高的过载能力，达到了与直流调速系统相同的控制性能。
主传动系统与轧线主干系统通讯，接收速度给定和控制字给定，同时将电流实际值、速度实际值和状态字反馈给主干系统，实现主传动在轧线的协调控制。主传动系统的通讯、速度计算、电流计算及外围辅助设备控制采用西门子TDC系统，上下辊各一套。与主干TDC系统则通过CP52AO GDM（GlobalDatamemory）模块以满足基础自动化和传动之间高速通信需要。在主传动TDC系统中，最为核心的控制功能为速度计算和扭矩计算功能。
二、基于扭矩负荷观测的复合控制系统在轧机主传动中的应用研究
2.1轧机扭矩计算模型
轧机轧制过程中，主电机轴上输出的传动力矩为：
也：轧制变形的力矩（由变形金属对轧辊的作用合力所引起的阻力矩）。
i：轧辊与主电机间的传动比（=电机转数/轧辊转数）
Mf：附加摩擦力矩（轧制时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩）
Mk：空转力矩（轧机空转时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩）
Ma：轧辊速度发生变化的动力矩（轧机加速或减速时的惯性力矩）
2.2基于扭矩计算模型的扭矩前馈控制
西门子矢量控制系统中，速度环和扭矩环是两个关键的闭环控制环节，通常采用PI控制方式。速度环的输入为实际速度和设定速度，输出为设定扭矩;扭矩环的输入为设定扭矩和实际扭矩，输出为设定电流（电流扭矩分量）。
这是个典型的反馈系统，存在控制滞后、受扰动影响比较大等特点。结合扭矩计算数学模型，引入开环补偿控制G3（s），构成复合控制系统。传递函数为：
开环补偿控制主要将计算好的摩擦力矩、转动惯量力矩、阻尼力矩前馈到扭矩环之前，实现扭矩预控，减少控制滞后量，加快工作辊对速度设定的响应时间。
2.3外扰负荷观测器前馈控制
轧机主传动系统是一个由若干质量单元和弹性单元组成的质量弹簧系统。在咬钢、抛钢等突然加、减载的情况下，系统容易发生扭振。因为扭振产生的扭矩非常大，振动力矩的大小不仅与系统的惯量有关，还随着振动周期与咬入时间比值的变化而变化。同时，在加载的瞬间，因为振动扭矩的存在，极易造成大的速降。大的咬钢速降不仅不利于钢板板型控制，还对传动系统的轴承部分有负面影响。
构造一个外扰负荷观测器，将外扰负荷观测器添加到反馈控制器中，构成复合控制系统。在扰动负荷提前预知的情况下，实施反馈控制，必然减少速度环的输出量，减少因系统的滞后特征导致的速降并减小超调。
带有外扰观测器补偿控制的传递函数与（s）相似。
负荷观测器工作过程中产生计算速度和计算扭矩。其中，计算速度为实际扭矩和计算扭矩相加然后经过一个积分器而获取。计算扭矩由实际速度和计算速度比较并经过一个PI调节器而得到，且PI调节器中实际速度作为参考输入，计算速度作为实际输入。PI调节器的积分输出（扰动扭矩）与速度控制器的wp相连，实现扭矩预控（扭矩前馈控制）。
三、主传动负荷平衡控制应用研究
3.1负荷平衡问题的提出
理论上，轧机上下辊扭矩应该完全一致。实际生产过程中，因为一个换辊周期内轧辊磨损不一致等原因，上下辊会出现一辊拖另一辊现象，导致其中一根辊扭矩大，另一根辊扭矩小的情况，即扭矩负荷不平衡。
负荷不平衡是上下辊线速度不一致的表现，当出现扭矩不平衡时，除了扭矩负荷增大外，因为上下辊线速度不一致，造成严重的钢板翘扣头。因为线速度有偏差，必然存在一根辊与轧件之间打滑的问题，现成轧制异音，同时对轧件厚度控制不利，也加剧了负荷不平衡特征。
3.2负荷平衡方案
負荷不平衡的主要原因是上下辊线速度不一致，若能计算负荷偏差量，并设计一个控制系统计算线速度偏差补偿，降低线速度快的工作辊速度直至负荷重新达到平衡。考虑系统扰动因素，设计允许不平衡量，当偏差在该范围之内，控制系统不起作用;当偏差超过该范围，控制系统再起作用，起到纠偏作用。
精轧主传动负荷平衡控制原理为：当上、下辊扭矩差大于5%（100%对应于4775KNM）即238.75KNM时，将此差值进行积分后，作为对速度较快的辊子的附加速度给定，且总是负值。这样，速度较快的辊子就能及时减速，达到负荷平衡的目的。
四、结论及研究展望
4.1现有模型结论
负荷平衡是一项有效而又成熟的技术，其作用在轧机的主传动控制中得到了最充分的体现。
基于扭矩观测的复合控制系统对于轧机这种负荷多变、且控制精度要求较高的设备来说是非常有益的。西门子己将这种设计理念体现在主传动控制系统中，然而因为在轧机中的应用并不成熟，实际并没有投入使用。目前，随着产品的不断拓展，高强度、大压下的工艺设计越来越多，显著的咬钢速降和大的振荡扭矩俨然己成为了一道门槛。如果能将扭矩观测复合控制调试成功并投入使用，不管是对工艺还是设备都将是一件非常有利的事情。
4.2咬钢过程中速度差波动问题展望
咬钢过程中，负荷平衡并没有投入，因为翘扣头系数的作用及上下辊之间的相互扰动，两辊之间速度差存在波动现象。不稳定的速度差造成钢板头部1m范围内出现“瓦楞”状，矫直机无法矫平。如果能投入扭矩观测的复合控制，减少外扰对速度的影响，这种现象一定能够得到缓解。
4.3上下辊麻花状扭矩问题展望
负荷平衡功能有其优点但也存在一些缺陷，扭矩呈现麻花状是负荷平衡功能当前的主要问题。优化负荷平衡参数可有效改善这种缺陷。