Фильтр низших частот для подавления резонанса контура регулирования параметра прокатки

 

ФИЛЬТР НИЗШИХ ЧАСТОТ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРА ПРОКАТКИ, содержащий измеритель знака сигнала, измеритель модуля и корректор усиления, корректируемый вход которого соединен с входом измерителя знака сигнала , а корректирующий вход - с выходом измерителя модуля, о т л и чающийся тем, что, с целью более полного подавления резонанса и повышения быстродействия контура регулирования, в него введены нелинейный интегратор нарастающего сигнала с ограничением результатов интегрирования , измеритель скорости, нелинейный преобразователь, сумматор и устройство дифференцирования спадающих сигналов, причем вход нелинейного интегратора соединен с выходом измерителя знака сигнала, а его выход - с входом измерителя модуля, вход нелинейного преобразователя соединен с измерителем скорости , а его выход - с входом задания О) уровня сигнала измерителя знака, вход устройства дифференцирования спадающих сигналов соединен с выходом корректора усиления, а его выход - с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом корректора усиления. п. со ел ел

ОсЕ 01) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) В 21 В 37/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (И

ГОсудАРстВенный НОмитет сссР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ н лвтоескомм свидктельствм (21) 3644921/22-02 (22) 22.09.83 (46) 23.01.85. Бюл. М- 3 (72) Б.Н.Дралюк, Б.И.Конторович, Г.В.Синайский, M.В.Клейнбок и С.К, Щипанов (71) Научно-исследовательский институт тяжелого машиностроения Производственного объединения "Уралмаш" (53) 621.771.065(088.8) (56) 1. Хьюлсман Л.Г. Активные фильтры. M., "Мир", 1972, с. 19 24.

2. Попов Е. П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М., "Наука", 1979, с. 205 — 207. (54)(57) ФИЛЬТР НИЗШИХ ЧАСТОТ ДЛЯ

ПОДАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРА ПРОКАТКИ, содержащий измеритель знака сигнала, измеритель модуля и корректор усиления, корректируемый вход которого соединен с входом измерителя знака сигнала, а корректирующий вход — с выходом измерителя модуля, о т л ив ч а ю шийся тем, что, с целью более полного подавления резонанса и повышения бйстродействия контура регулирования, в него введены нелинейный интегратор нарастающего сигнала с ограничением результатов интегрирования, измеритель скорости, нелинейный преобразователь, сумматор и устройство дифференцирования спадающих сигналов, причем вход нелинейного интегратора соединен с выходом измерителя знака сигнала, а его выход — с входом измерителя модуля, вход нелинейного преобразователя соединен с измерителем скорос- I ти, а его выход — с входом задания уровня сигнала измерителя знака, вход устройства дифференцирования спадающих сигналов соединен с выходом корректора усиления, а его Я выход — с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом корректора усиления.

Изобретение относится к элемен» там систем регулирования, технологических параметров, а именно систем регулирования толщины и натяжения полосы на прокатном стане. 5

Особенностью регулирования толщины и натяжения полосы в процессе ее прокатки является периодическое изменение этих параметров, неизбежно возникающее из-за эксцентриситета 10 прокатных и опорных валков клетей стана. Эти изменения вызывают нало жение на возмущение регулируемых параметров колебаний, частота которых зависит от скорости полосы. Соответствующие регуляторы не успевают отрабатывать эти колебания.. Более того, регуляторы увеличивают их амплитуду примерно в 2 раза. Такой резонанс ухудшает качество регулирования, сни-20 жает устойчивость процесса прокатки и повышает износ механизмов стана, на которые действуют регуляторы. Требуется полностью подавить резонанс контура регулирования, но так, чтобы со-25 хранить быстродействие регулирования.

Известен линейный фильтр, который способен подавить резонанс, но при этом ухудшается качество отработки медленно изменяющихся возмущений.

Это ухудшение связано с тем, что фильтр сдвигает фазу колебательных возмущений в стороны отставания, что равносильно внесению в контур регулирования дополнительного запаздыва35 ния, которое требует снижения быстродействия регулирования. Сдвиг фазы особенно вреден для подавления резонанса, так как отставание по фазе

40 приводит к сдвигу резонансной частоты в сторону более низких частот (!).

Следовательно, для удовлетворения одновременно двух требований (подавление резонанса и сохранение быстродействия) необходим фильтр, который

45 бы не сдвигал фазу колебаний в сторону отставания. Сдвиг в сторону опережения допускается, так как компенсируя имеющиеся в системе регулирования запаздывания, он способствует подавлению резонанса.

Наиболее близким к предлагаемому является нелинейный фильтр с малым сдвигом фазы, содержащий корректор (умножитель), корректируемый вход которого связан с входом измерителя знака сигнала (элемента с двузначной релейной характеристикой), а коррек1!35510 3 тирукнций вход — с выходом измерителя модуля сигнала. Выход измерителя знака связан с входом измерителя модуля через апериодическое звено.

Этот фильтр ослабляет амплитуду колебаний с увеличением частоты, не сдвигая полупериоды колебаний. При этом процесс ослабления не зависит от

;исходной амплитуды колебаний. Эффект ослабления получен за счет фильтрующего действия апериодического звена. Стабильность всех полупериодов колебаний по времени получена эа счет умножения результатов фильтрации на исходные колебания, которое сохраняет нули этих колебаний (умножение на нуль дает нуль) .

Отсут ствие э ависимо сти от исходной амплитуды получено тем, что фильтрация осуществляется по результатам измерения знака колебаний без контроля их амплитуды (2).

Однако известный фильтр не только сохраняет нули колебаний, но и дополнительно вводит ложный нуль, соответствующий нулю сигнала апериодического звена и сдвинутый относительно нулей исходных колебаний.

Сдвиг ложного нуля меняется с частотой колебаний, изменяя форму каждого полупериода колебаний, в том числе нарушая его симметрию. Такое искажение равносильно сдвигу по .фазе первой гармоники колебаний. Этот сдвиг мешает полному подавлению резонанса и требует снижения быстродействия отработки медленно изменяющихся возмущений. Кроме того, ложный нуль и соответствующее ему искажение формы колебаний не допускают использование форсирующих связей по производной, как средства смещения фазового сдвига в сторону опережения.

Фильтр не приспособлен для подавления резонанса в условиях, когда параметры контура регулирования (толщина и натяжение полосы и частота колебаний (эксцентриситетных) зависят от одного и того же параметра — скорости прокатки. Требуется перестройка фильтра.

Цель изобретения — более полное подавление резонанса и повышение быстродействия контура регулирования.

Указанная цель достигается тем, что фильтр низших частот для подавления резонанса контура регулирования параметра прокатки, содержащий

11355

15 измеритель знака сигнала, измеритель модуля и корректор усиления, корректируемый вход которого соеди нен с входом измерителя знака сигнала, а корректирующий вход — с выходом измерителя модуля, дополнительно содержит нелинейный интегратор нарастающего сигнала с ограничением результатов интегрирования, измеритель скорости, нелинейный преобразователь, сумматор и устройство дифференцирования спадающих сигналов, причем вход нелинейного интегратора соединен с выходом измерителя знака сигнала, а его выход — с входом измерителя модуля, вход нелинейного преобразователя соединен с измерителем скорости, а его выход — с входом задания уровня сигнала измерителя знака, вход устройства дифференцирования спадающих сигналов соединен с выходом корректора усиления, а его выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом корректора усиления.

Нелинейность интегратора заключается в наличии ограничения и в сбрасывании результатов интегрирования на нуль при смене знака входного сигнала. Отсутствие ложного нуля позволяет включить в состав фильтра элемент, форсирующий результаты фильтрации.

На фиг.l дана функциональная схема предлагаемого фильтра; на фиг.2 — 4 - З5 графики работы фильтра; на фиг 5 и 6 — упрощенные схемы примера исполнения .нелинейных элементов фильтра.

Фильтр представляет собой (фиг. 1) 40 корректор 1 (умножитель), корректируемый вход 2 которого связан с входом измерителя 3 знака сигнала, а корректирующий вход 4 — с выходом измерителя 5 модуля, вход которого подключен к выходу интегратора 6, измеритель 7 скорости клети, определяющей изменение запаздывания контура, связан через нелинейный преобразователь 8 с входом задания уровня 50 сигнала измерителя 3 знака. Выход корректора 1 связан с выходом фильтра в целом через сумматор 9 непосредственно и через звено 10 дифференцирования спадающих сигналов. 55

Устройство также содержит задатчик ll нелинейности преобразователя 8, задатчик 12 темпа интегратора 6 и за10

-датчик 13 коэффициента форсирования звена 10.

Нелинейный преобразователь 8 реализует U8 следующую функцию от скорости полосы U о U (1-К %+ К Ц

111 11 1

Тм4 где !(= — †---=0-1 — параметр 1 Т +Т

У

"/"" з адав аемый вручную;

Т „ — суммарное инерционное запаздывание контура регулирования (датчика и привода), с;

Т „ ;„ - минимальное значение транспортного запаздывания, от клетй до датчика (при максимальной скорос ти полосы), с;

08 CHI HcUIbl BbIpаженные B долях от максимального значения.

Запаздывание Т „ определяется экспериментально с использованием пробных сигналов.

Нелинейность (1) обеспечивает поддержание оптимальной настройки фильтра при всех скоростях полосы путем изменения уровня сигнала блока 3, интеграл от которого формируется блоком 6.

Фильтр работает следующим образом.

На фиг.2 показана работа фильтра на подавление колебаний в полосе пропускания, примерно на частоте среза (фиг.3) и в полосе подавления (фиг.4). За единицу сигналов принято их максимальное значение. Дейст вие фильтра в каждом полупериоде одинаково, начиная с нуля. Кривая Я прЩ ставляет собой сигнал на выходе корректора 1 (фиг.l), умножающего исходное колебание (кривая Б) на сигнал (кривая В), сформированный иитегратором 6. В момент смены знака исходного колебания (кривая Б) измеритель 3 знака скачком реверсирует . сигнал на входе интегратора 6, который начинает интегрировать этот сигнап с нуля (после смены знака интегрируется только нарастающий сигнал). Результат .ннтегрирования (кривая В) ограничен насыщением на уровне (кривая 1 ). В период насыщения исходный сигнал (кривая 6) повторяется на выходе корректора 1 без искажения. В конце полупериода в момент смены sIIatca исходного колебания (кривая Ь ) результат интег1135510 рирования сбрасывается в нуль, спадающий сигнап (кривая Д1. проходит без интегрирования-. Поэтому в следующем полупериоде все повторяется, начиная с нуля. Задатчик 11 и измеритель 7 через нелинейный преобразователь 8 задают темп интегрирования (кривая В) и этим самым период колебаний, с которого практически начинается подавление, и период колебаний, после которого колебания можно считать практически подавленными. За начало процесса подавления можно принять совпадение темпа интегрирования (кривая В) с темпом, нарастания исходного сигнала (кривая В) в начале полупериода .(фиг.2).

Середина процесса — это насыщение интегрирования в конце полупериода (близко к процессу фиг.3). Для определения полного подавления необхбдимо задаться допустимым остатком, которому соответствует нарастание результатов интегрирования (фиг.4, отрезок 0,2) .

Ослабление амплитуды предлагаемым фильтром начинается несимметрично — с переднего фронта (кривая

А).каждого полупериода. Поэтому неизбежен сдвиг по фазе первой гармо,ники результатов фильтрации в сторону отставания. Звено 10 дифференцирования спадающих сигналов компенсирует это отставание по фазе (фиг.З) добавлением с помощью сумматора 9 к сигналу фильтра результатов его дифференцирования. Суммарный сигнал представлен кривой С . Дифференцирование только спадающих сигналов обеспечивает отсутствие влияния на процесс подавления, который осуществляется в основном за счет огра" ничения нарастающего сигнала.

На фиг.5 приведен пример выполнения нелинейного интегратора б, а на фиг.б — элемента 10 нелинейного дифференцирования на базе операционных усилителей У. Интегрирование только нарастающего сигнала (фиг.5) получено с помощью двух однополярнык

5 (стабилитроиы Д7 и Д8) усилителей

Уl и У2 за счет того, что в обратной связи каждого усилителя Уl (У2) диоды Дl (Д2) и ДЗ (Д4) пропускают только ток заряда интегрирующего конденсатора Cl (С2). Разряд этого конденсатора проходит вне обратной связи усилителя Уl (У2) через диод Д5 (Дб) и резистор RÇ (R4), имеющий достаточно малое сопротивление, чтобы обес15 печить самую низкую постоянную времени. Регулируемые резисторы 1 и 2 задают исходный темп интегрирования.

Дифференцирование только спадающего сигнала (фиг.б) получено с по20 мощью двух односторонне действующих конденсаторов Cl и С2, связанных с суммирующей точкой усилителя У, который одновременно является и сумматором 9, добавляющим результаты

25 дифференцирования к сигналу фильтра (резистор ЕЗ). Каждый конденсатор Сl (С2) заряжается через диоды Д1 (Д2) и

Д5 (Дб) мимо усилителя У, а разряжается через суммирующую точку усили3О теля У, диод ДЗ (Д4)и резистор Р! (R2), имеющий низкое сопротивление.

Резисторы R1 и R 2, кроме того, задают требуемый коэффициент форсирования действия фильтра.

Эффективность предлагаемого фильтра заключается в повышении качества прокатываемой полосы, сокращении простоя стана и износа его механизмов.

Указанные преимущества достигаются

sa счет более полного подавления резонанса и повышения быстродействия контура регулирования, содержащего фильтр, что приводит к уменьшению

45 высокочастотных составляющих разнотолщинности прокатываемой полосы.

I135510

1135510 фиг.б

Составитель В. Этинген

Техред Ж. Кастелевич

Редактор А.Мотыль

Корректор 0.Луговая с

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4

Заказ 10145/4 Тираж 548 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5