Устройство для фильтрации высокочастотных отклонений толщины и натяжения полосы на прокатном стане Советский патент 1982 года по МПК B21B37/00 

Изобретение относится к автомагизации производственных процессов, а именно, к регулированию толщины и натяжения полосы на прокатном стане.

В процессе прокатки полосы на ее толщину и межклетевые натяжения на- кладьавамтся высокочастотные отклонения, основным источником которых является эксцентриситет прокатных и опорных валков клетей стана. Частота этих отклонений такова,что регуляторы толщины и натяжения полосы не успевают их отработать. Более -того, регуляторы резонируют на эти отклонения, увеличивая их амплитуду. Регулятор, настроенный на оптимальный переходный процесс (с перерегулированием 5-10%), удваивает амплитуду колебаний резонансной частоты. В результате снижаются качество прокатной полосы (увеличиваются отклонения толщины) и устойчивость процесса прокатки (увеличиваются отклонения натяжения полосы).

Такое действие регуляторов приводит к повышенному износу механизмов клетей, на которые воздействуют регуляторы. Поэтому нужно не пропускать в регуляторы возмущения резонансной частоты, не снижая при этом быстродействия регулирования.

Известен линейный фильтр 1 низких частот.

Но линейный фильтр, уменьшая амплитуду отклонений, вносит фазовый сдвиг сигнала. Поэтому применение такого фильтра ведет к уменьшению запаса устойчивости и требует соот10ветствующего замедления действия регулятора. Кроме того, не полностью устраняется резонирующее действие регулятора, так как при применении ЛИ7 нейного фильтра резонансная частота

15 контура регулирования смещается в сторону более низких частот.

Наиболее близко к предлагаемому устройство 12, которое содержит соединенные последовательно элемент

20 сравнения, узел с насыщением и операционный, усилитель. Выход операционного усилителя связан с одним из входов элемента сравнения, и тем самым устройство имеет цепь общей отрицательной обратной связи. Операционный усилитель включен в режиме интегратора. Узел с насыщением имеет большой коэффициент усиления такой, что его характеристика близка к ре30 лейкой.

Если темп изменения входного сигнала устройства не превьлиает некоторого предельного темпа, элемент с насыщением работает на линейной части своей характеристики. При этом, устройство без существенного искалсения повторяет входной сигнал. .Это объясняется тем, что эквивалентная постоянная времени устройства благодаря большому усилению элемента с насьидением мала. При темпе нарастания входного сигнала устройства, превышающем предельный или ему выходной сигнал: элемента с насыщением заходит в область ограничения. И устройство ограничивает сигнал в соответствии с заданным предельным темпом изменения. Величина предельного темпа определяется уровнем ограничения узла с насыщением-и постоянной интегрирования интегратор Если подать ria вход такого устройства отклонения переменной частоты (при заданной амплитуде), то до определенной частоты, пока темп нарастания полуволн отклонений не превысит предельного темпа, эти колебания оудут передаваться устройством без заметного искажения. Выше этой частоты устройство начинает уменьшать амплитуду отклонений , и при некоторой частоте колебания можно считать исключенными из сигнала.

Однако процесс подавления амплитуды высокочастотных отклонений толщины или натяжения прокатываемой полосы таким устройством сопровож- , дается фазовым сдвигом сигнала, который доходит до 90°. Поэтому известное устройство не позволяет подавить отклонения резонансной частоты при . сохранении заданного быстродействия контура регулирования.

Цель изобретения - минимизация фазового сдвига сигнала.

Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержагцее элемент сравнения, узел с насыщением, операционный усилитель, дополнительно цепи обратной связи операционного усилителя включено нелинейное дифференцирующее нарастающий сигнал звено. Кроме того, в устройство введен сумматор, один вход которого соединен с выходом операционного усилителя непосредственно, а другой - через нелинейное дифференцирующее спадающий сигнал звено.

На фиг. 1 дана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - пока- зано его действие на гармонические отклонения; на фиг. 3 - при наложении гармонического отклонения на линейно Нарастающие сигналы; на фиг. 4 - приведено исполнение нелинейного дифференцирующего нарастающие сигналы звена; на фиг. 5 - поka3aHo действие устройства, когда

в нем применено нелинейное звено, дифференцирующее спадающие сигналы; на фиг. 6 - дано исполнение нелинейного дифференцирующего спадающие сигналы эвена.

Сигнал, поступающий на вход 1, пропорциональный отклонению толщины или натяжения прокатываемой полосы от заданного значения (фиг. 1), по(Ступает на один из входов элемента 2 сравнения-и далее через узел 3 с насыщением - на вход операционного усилителя 4.

В обратную связь усилителя 4 включено нелинейное дифференцирующее звено 5. Выходной сигнал усилителя поступает на другой вход элемента 2 сравнения щепь отрицательной обратной связи), а также на сумматор 6 непосредственно и через нелинейное дифференцирующее звено 7.

При подаче на вход устройства колебаний, темп нарастания полуволн которых превышает предельный, с началом каждого полупериода колебаний сигнал, ограниченный по величине узлом 3 насыщения,поступает на вход усилителя 4. Напряжение на выходе усилителя начинает увеличиваться. Характеристика нелинейного дифференцирующего звена 5 такова, что оно дифференцирует только нарастающий сигнал, и при нарастании-Сигнала усилитель 4 ведет себя какинтегратор. Характер изменения сигнала на выходе усилителя 4 показан на фиг. 2. При этом темп нарастания сигнала определяется максимальным выходным сигналом узла 3 и постоянной интегрирования усилителя 4.

В момент времени, когда сигнал превысит сигнал на входе 1, напряжение на выходе узла 3 с насыщением сменит полярность, а напряжение на выходе усилителя 4 начнет уменьшаться (точка q ).

Характеристика нелинейного звена такова, что при спэде сигнала обратная связь усилителя 4 размыкается. Устройство в ЭТОМ режиме превращается в единый операционный усилитель с большим коэффициентом усиления и общей цепью отрицательной обратной связи.Узел 3 с насыщением при этом переходит на линейный участок своей характеристики.И при спадении сигнала от точки а до точки 5 вступает в действие обратная связь с выход усилителя 4 на вход элемента 2 сравнения

В следующий полупериод колебаний характер формирования сигнала повторяется. Таким образом, устройство ограничивает амплитуду сигнала, но моменты перехода через нуль входного и выходного сигналов устройства совпадают. Это обеспечивает минимальный фазовый сдвиг основной гармонической составляющей выходного сигна ла относительно входного сигнала. В процессе прокатки полосы на ст не настройка контуров регулирования изменяется, например/ в функции скорости прокатки. При изменении настро ки регуляторов изменяется их резонансная частота. Поэтому требуется перестраивать устройство, изменяя величину граничного темпа, который. как отмечалось, определяется уровнем ограничения узла 3 с насыщением и ..„„„ , „ „, .. постоянной интегрирования нарастающего сигнала усилителем 4. Для автоматической перестройки устройства нужно сделать управляемым входное сопротивление усилителя 4 или уровен ограничения узла 3, соединив усили-. тель 4 или узел 3 с датчиком скорости прокатки. Предлагаемое устройство является нелинейным, поэтому важно рассмотреть его действие при наложении сигналов. На фиг. 3 показаны колебания частота которых такова, что они про пускаются устройством. Практически без искажения. При прохождении через устройство высокочастотных откл нений (сигнал -L) их амплитуда умень шается (кривая д ). Кривая е соответ ствует выходному сигналу устройства при наложении гармонического сигнала 1 На постоянный сигнал % . Кривая соответствует выходному сигналу устройства при подаче на его вход гармонического сигнала ъ и линейно нарастающего сигнала, и . Темп нарастания сигнала и выбран меньше предел ного, и он не ограничивается устрой ством. При наложении гармонического сигнала на линейно нарастающий, тем нарастания которого равен предельно му (кривая к. ), выходной сигнал устройства будет соответствовать кривой Л, а при наложении сигнала г на сиг нал м,, нарастающий с темпом, больше предельного, выходной сигнал ограничивается предельным темпом. Из фиг. 3 видно, что устройство, подавляя колебания, пропускает линейно нарастающий сигнал с некоторой потерей сигнала, аналогичной наличию .1алой зоны нечувствитель ности. Однако такая зона нечувствительности не превышает амплитуды колебаний. На фиг. 4 показан пример исполнения нелинейного дифференцирующего нарастающий сигнал устройства. В зависимости от полярности входного сиг нала усилителя 4 заряжается конденсатор 8 или 9..Конденсатор 8 заряжается по цепи диоды 10,11, конденсатор 9 - по цепи диоды 12,13. При нарастании сигнала усилитель 4 ведет себя как интегратор. Постоянная интегрирования при этом определяется входным сопротивлением усилителя и ем1 остью конденсаторов 8, 9. Введение в устройство нелинейного дифференцирующего спадающие сигналы звена 7 и сумматора 6 позволяет дополнительно уменьшить фазовый сдвиг сигнала, вносимый устройством. На фиг. 5 (кривая W) показан, выходной сигнал устройства, сформированный с применением нелинейного звена 7 и Сумматора 6.Исполнение нелинейного звена. 7 дано на фиг.б.У звена 7 разделены посредст вом диодов цепи эаряда .и разряда конденсаторов.При нарастании сигнала в зависимости от его полярности заряжается конденсатор 8 или 9 соответственно через диод 14 о или 15, Процесс заряда конденсаторов не влияет на выходной сигнал сумматора. При спаде величины сигнала конденсаторы 8,9 разряжаются соответственно по цепи диод 16 сумматор б или диод 17, сумматор 6. Ток разряда конденсаторов дополнительно увеличивает темп спада выходного сигнала устройства. При этом дополнительно уменьшается фазовый сдвиг основной гармонической составляющей выходного сигнала устройства относительно входного сигнала. Эффективность устройства заключается в том, что оно подавляет высокочастотные отклонения толщины и натяжения полосы на непрерывном прокатном стане практически без сдвига, передаваемого сигнала по фазе. Применение его в системах автоматического регулирования толщины и натяжения полосы позволяет -повысить качество прокатываемой полосы и устойчивость процесса прокатки. Формула изобретения Устройство для фильтрации высокочастотных отклонений толщины и натяжения полосы на прокатном стане, содержащее последовательно соединенные элемент сравнения, узел с насыщением и операционный усилитель, выход которого соединен с элементом сравнения, отличающееся тем, что, с целью минимизации фазового сдвига сигнала в обратную связь операционного усилителя, оно содержит нелинейное дифференцирующее звено и суматор, один вход которого соединен выходом операционного усилителя епосредственно, а другой - через неинейное дифференцирующее звено. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Знаменский А.fi., Теплюк И.И. Активные фильтры, М., -Связь, 1970, с. 30. 2.Лебедев Е.Д. и др. Управление вентильными электроприводами Постоянного тока, М., Энергия, 1.970, :с. Z9, рис, 2-3 В.

Т

I

f

f Л5 cf 7 I