棒线材轧机的机电时间常数辨识方法及装置与流程

本发明涉及轧机控制领域，尤其涉及一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法及装置。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

棒线材热连轧生产线，是指通过物理变形的方式，使得又粗又短的钢坯，经不断受到挤压，形成又细又长的钢材。

在将钢坯送入到棒线材热连轧生产线之前，需要对钢坯进行加热。常温的钢坯，通过步进梁移动到加热炉中，加热炉采用煤气或者天然气燃烧加热钢坯。在加热炉内，通过步进梁不断移动钢坯，能够使得钢坯受热均匀。当钢坯被加热到900～1300℃左右，通过出炉口出炉，送到棒线材热连轧生产线上。由棒线材热连轧生产线将加热到900～1300℃左右的钢坯，通过运输辊道送入多个轧机(通常为10～30个轧机)，各个轧机的转速依次升高，使得钢坯不断产生横向和纵向的形变，每经过一个轧机，钢坯的形状都会变细、变长，从而每经过一个轧机，钢坯的移动速度都要增加，当钢坯被生产线上的所有轧机轧制后，便成为合格的棒线材钢产品。最后将棒线材钢产品送到冷床，在冷床上自然冷却或通过鼓风机强制加速冷却。

图1为现有技术中提供的一种棒线材轧机控制系统示意图，如图1所示，每个轧机由2个轧辊组成，由变频器通过变频电缆与电机连接，电机通过连接轴与减速机连接，减速机通过2个万向轴与每个轧机的2个轧辊连接，由变频器控制轧辊的转速和转矩，实现对钢坯轧制力矩的控制。

图2为现有技术中提供的一种变频器控制棒线材轧机转速和转矩的示意图，如图2所示，变频器向电机发送速度命令vset和转矩命令tset，让电机从静止状态(转速为零，即vset0＝0)缓慢上升到电机的额定转速vset1＝ve，电机反馈给变频器的信号为实际速度vact和实际转矩tact。其中，vset和vact是相对于电机额定转速的百分比，单位为％；tset和tact是相对于电机额定转矩的百分比，单位为％。

机电时间常数tm是指当变频器施加100％电机额定转矩时，电机从静止状态被加速到电机额定转速所需要的时间，定义为机电时间常数tm。该机电时间常数由电机、轧机机械设备、减速机等的转动惯量，共同来决定。该参数代表了机械设备快速响应的能力，也反应了外部扰动的响应能力。当外部轧制力矩相同时，机电时间常数大的轧机，转速波动较小；而机电时间常数小的轧机，转速波动较大。

当轧机电机驱动外部的减速机、机械设备时，都会引起机电时间常数tm发生变化。同时，机械设备元件之间会有一些摩擦力矩，包括静摩擦力矩和动摩擦力矩。静摩擦力矩是指电机从静止旋转状态转到旋转状态时，需要克服的外部力矩；该静摩擦力矩加上负载力矩，就是电机刚开始旋转时输出的力矩，也即：电机输出力矩＝静摩擦力矩+负载力矩。动摩擦力矩是指电机保持旋转时，需要克服的外部力矩，也即：电机输出力矩＝动摩擦力矩+负载力矩。通常静摩擦力矩大于动摩擦力矩，且动摩擦力矩不是一个恒定的值，是随着电机转速的变化而发生变化的，电机转速高时，动摩擦力矩大；电机转速低时，动摩擦力矩小。通常，动摩擦力矩和电机转速是成比例变化的。

传统电机机电惯量辨识方法，没有考虑到动摩擦力矩的影响，认为动摩擦力矩始终为零，这会导致轧机在不同转速下，电机机电惯量辨识的结果都是不同的，由于辨识参数的不同，会导致棒线材轧机轧机的控制精度不高。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例中提供了一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该方法包括：控制棒线材轧机的电机转速线性增加；在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，其中，稳定时间段包含多个时间片，每个时间片对应稳定时间段内的一个子时间段；在稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩；计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值；根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线；获取电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数。

本发明实施例中还提供了一种棒线材轧机的机电时间常数辨识装置，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该装置包括：轧机控制模块，用于控制棒线材轧机的电机转速线性增加；电机数据检测模块，用于在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，并在稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩，其中，稳定时间段包含多个时间片，每个时间片对应稳定时间段内的一个子时间段；数据计算模块，用于计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值；数据拟合模块，用于根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线；机电时间常数辨识模块，用于获取电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述棒线材轧机的机电时间常数辨识方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述棒线材轧机的机电时间常数辨识方法的计算机程序。

本发明实施例中，通过控制棒线材轧机的电机转速线性增加，并在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，在该稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩，计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值，进而根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线，最后获取该电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数，与现有技术中未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下变化的电机机电惯量辨识方法相比，本发明实施例通过逐渐让轧机的转速线性增加，检测电机转速和电机转矩，选择不同时间段内的电机转速和不同时间段内的电机转矩，来减小动摩擦力矩的影响，获得棒线材轧机更准确的机电时间常数辨识结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为现有技术中提供的一种棒线材轧机控制系统示意图；

图2为现有技术中提供的一种变频器控制棒线材轧机转速和转矩的示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种理论电机转速曲线示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种理论电机转矩曲线示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种实际电机力矩示意图；

图6为本发明实施例中提供的一种动摩擦力矩示意图；

图7为本发明实施例中提供的一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法流程图；

图8为本发明实施例中提供的一种微积分实现原理示意图；

图9为本发明实施例中提供的一种棒线材轧机的机电时间常数辨识装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图3和图4分别示出了理论情况(即未考虑动摩擦力矩)下的电机转速曲线和电机转矩曲线。图3中横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为电机转速，单位为％，图4中横坐标时间，单位为秒，纵坐标为电机转矩，单位为％。ve为电机转速额定值，对应100％。

当变频器控制速度命令vset从0到电机转速额定值ve，经过10～20秒逐步从t0时刻的0转速，增加到t1时刻的ve转速，电机的转矩也从t0时刻的0转矩逐步提高到t1时刻的tact转矩，进入稳定状态。当电机实际转速vact以稳定的速度提升时，电机的转矩也进入了稳定状态，不再提高。当电机实际转速达到电机额定转速ve，电机转矩又从稳定的tact下降为0，不再对电机进行加速。

当电机实际转矩从0提高到稳定值tact时，机实际转矩达到稳定值tact对应的时刻为tup，对应的电机转速为vup；当电机快要达到额定转速ve时，电机实际转矩开始从稳定值tact降低为0，机实际转矩开始下降的时刻为tdn，对应的电机转速为vdn。

根据机电时间常数tm的定义，通常采用如下公式进行计算棒线材轧机的机电时间常数：

由于轧机在生产不同规格产品的时候，轧机的设定转速和实际转速都是不同的。而电机动摩擦力矩与电机转速相关，不同电机转速下，电机力矩包含加速力矩、动摩擦力矩，图5所示为电机力矩的变化情况。其中，动摩擦力矩随着转速增加而增加，图6所示为动摩擦力矩的变化情况。

传统电机机电惯量辨识方法，没有考虑到电机动摩擦力矩的影响，认为动摩擦力矩为零，从而导致轧机在不同转速下，电机机电惯量辨识的结果都是不同的，事实上，在测试时电机转速vdn越小，电机输出转矩越小，动摩擦力矩占比越大，辨识的结果越不准确。

本发明实施例中提供了一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，通过逐渐让轧机的转速线性增加，检测电机转速和电机转矩，选择不同时间段内的电机转速和不同时间段内的电机转矩，来减小动摩擦力矩的影响，使得轧机的机电惯量时间辨识更加准确。

需要说明的是，当电机实际转速低于10％的电机额定转速时，动摩擦力矩与电机加速力矩相当，甚至还大于电机的加速力矩，从电机反馈的实际力矩信号中，无法有效提取电机加速力矩信号。因此，当电机实际转速低于10％的电机额定转速时，不进行电机机电时间常数的辨识。当电机实际转速大于电机额定转速时，电机进入了非线性弱磁区域，电机的加速力矩不再是一个恒定值，而是一个随转速变化的值，因此无法对电机机电时间常数进行辨识。

通常的方法，在测试过程中连续记录了很多电机转速、电机转矩的数据，但在辨识和分析数据过程中，只用到了2个点的电机转速和电机转矩。由于电机测试过程中数据变化比较大，受外部影响的因素也比较多，人工选择数据时也会出现一些人为的偏差，比如在0.1秒内的电机转速变化不大，都可以认为是达到了vend，因而，可能出现选择vend对应的时刻比较小的情况，也可能出现选择vend对应的时刻比较大的情况，两种情况都会影响辨识结果。

本发明实施例中，基于微积分思想，将原来的2个时间点：tup和tdn，对应的4个数据：vup、vdn、tact_up、tact_dn，扩展到整个电机转速加速过程中的所有数据，使得辨识结果更加准确，不受到人为选点因素的影响，更不受到数据被干扰或者数据自身波动的影响。

图7为本发明实施例中提供的一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法流程图，如图7所示，该方法包括如下步骤：

s701，控制棒线材轧机的电机转速线性增加；

s702，在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，其中，稳定时间段包含多个时间片，每个时间片对应稳定时间段内的一个子时间段；

s703，在稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩；

s704，计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值；

s705，根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线；

s706，获取电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数。

图8为本发明实施例中提供的一种微积分实现原理示意图。由于在电机转速线性增加的过程中，电机转矩会进入一个稳定阶段，对应的时间段为tup～tdn。如图3和图4所示，在tup～tdn时间段内，选择一个小的时间片，例如ttmp1～ttmp2，在这个时间片内，采用公式估算机电惯量时间常数：

将公式(2)进行归一化处理，可以得到如下公式：

其中，tm表示机电时间常数；δt表示选取的时间片；δv表示时间片内速度的变化；表示时间片内的电机转矩的平均值；ve表示电机额定转速。

将上述公式(3)在tup～tdn时间段内进行扩展和外推，是电机转速微分的倒数。采用微积分的思想，可以表达为其物理含义为电机转速的变化率。

在一个实施例中，上述s705可以采用最小二乘法，对棒线材轧机在稳定时间段tup～tdn内的电机转速数据进行直线拟合，得到如下电机转速拟合直线：

v＝k×t+b(4)

其中，

其中，v表示电机转速；t表示时间；k表示电机转速拟合直线的斜率，用于表征电机转速随着时间的变化率；b表示电机转速拟合直线的截距；为电机转速的平均值；为电机时间的平均值；为电机转速平方的平均值；为电机转速和时间乘积的平均值；tup表示稳定时间段的起始时刻；tdn表示稳定时间段的终止时刻。

因而，在一个实施例中，上述s706可以通过如下公式来确定棒线材轧机的机电时间常数：

其中，tm表示机电时间常数；表示每个时间片内的电机转矩的平均值；k表示电机转速拟合直线的斜率，用于表征电机转速随着时间的变化率；ve表示电机转速的额定值。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的棒线材轧机的机电时间常数辨识方法还可以包括如下步骤：根据棒线材轧机的机电时间常数，确定棒线材轧机的传递函数；根据确定的传递函数，控制棒线材轧机工作。在准确辨识出用于确定轧机转速传递函数的时间常数后，可以准确确定出控制棒线材热连轧生产线上各个轧机转速的传递函数，进而根据该传递函数设定各个轧机的转速，使得棒线材热连轧生产线上各个轧机根据设定的转速转动，实现对钢坯的移动，从而形成棒线材产品，不会使得钢坯材料在生产线上产生堆积。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种棒线材轧机的机电时间常数辨识装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与棒线材轧机的机电时间常数辨识方法相似，因此该装置的实施可以参见棒线材轧机的机电时间常数辨识方法的实施，重复之处不再赘述。

图9为本发明实施例中提供的一种棒线材轧机的机电时间常数辨识装置示意图，如图9所示，该装置包括：轧机控制模块901、电机数据检测模块902、数据计算模块903、数据拟合模块904和机电时间常数辨识模块905。

其中，轧机控制模块901，用于控制棒线材轧机的电机转速线性增加；电机数据检测模块902，用于在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，并在稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩，其中，稳定时间段包含多个时间片，每个时间片对应稳定时间段内的一个子时间段；数据计算模块903，用于计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值；数据拟合模块904，用于根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线；机电时间常数辨识模块905，用于获取电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的棒线材轧机的机电时间常数辨识装置中，可采用公式(7)根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的棒线材轧机的机电时间常数辨识装置中，数据拟合模块904还用于采用最小二乘法，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，以得到公式(4)所示的电机转速拟合直线。

在一个实施例中，本发明实施例中提供的棒线材轧机的机电时间常数辨识装置中，轧机控制模块901还用于根据棒线材轧机的机电时间常数，确定棒线材轧机的传递函数；以及根据确定的传递函数，控制棒线材轧机工作。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述棒线材轧机的机电时间常数辨识方法。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有棒线材轧机的机电时间常数辨识方法，未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下的变化，导致辨识结果不准确，从而影响到棒线材轧机控制精度的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述棒线材轧机的机电时间常数辨识方法的计算机程序。

综上所述，本发明实施例中提供了一种棒线材轧机的机电时间常数辨识方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，通过控制棒线材轧机的电机转速线性增加，并在电机转速线性增加的过程中，确定电机转矩不发生变化的稳定时间段，在该稳定时间段内，检测棒线材轧机在各个时间片内的电机转速和电机转矩，计算各个时间片对应的电机转速平均值和电机转矩平均值，进而根据各个时间片对应的电机转速平均值，对稳定时间段内棒线材轧机的电机转速数据进行直线拟合，得到一条电机转速拟合直线，最后获取该电机转速拟合直线的斜率，并根据电机转速拟合直线的斜率和电机转矩平均值，确定棒线材轧机的机电时间常数，与现有技术中未考虑动摩擦力矩在不同电机转速下变化的电机机电惯量辨识方法相比，本发明实施例通过逐渐让轧机的转速线性增加，检测电机转速和电机转矩，选择不同时间段内的电机转速和不同时间段内的电机转矩，来减小动摩擦力矩的影响，获得棒线材轧机更准确的机电时间常数辨识结果。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。