Automatisierte Hochachsendrehung von Walztafeln auf Rollgängen

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die automatisierte Hochachsendrehung von Walztafeln, welche auf Rollgängen mit zu diesem Zweck gestuften, gegenläufig drehbaren Rollen aufliegen. Zunächst wird ein mathematisches Modell des Gesamtsystems aus Rollgangsrollen mit deren starr angekoppelten Antriebsmaschinen und der Walztafel erstellt. Die Kopplung zwischen den Rollgangsrollen und der Walztafel erfolgt ausschließlich über Reibkräfte. Da die exakten Berührpunkte der Walztafel mit den Rollgangsrollen unbekannt sind, wird eine ellipsenförmige Kontaktlinie angenommen. Die unbekannten Parameter des Modells werden durch Messdaten einer realen Anlage bestimmt und das Gesamtmodell wird anhand weiterer Messdaten validiert. Zur Messung der aktuellen Position der Walztafel steht ein kamerabasierter Schätzalgorithmus zur Verfügung. Auf Basis der daraus gewonnenen Messwerte werden Zustandsbeobachter zur Schätzung des Systemzustandes entwickelt. Zur automatisierten Hochachsen-Drehung der Walztafel wird eine, auf dem validierten Modell beruhende, 2-Freiheitsgradregelung eingesetzt. Zunächst wird optimierungsbasiert eine Vorsteuerung und die zugehörige Solltrajektorie berechnet. Darauf aufbauend wird eine Trajektorienfolgeregelung für das resultierende nichtlineare zeitvariante Fehlersystem entworfen. Die Validierung der Beobachterkonzepte sowie des Regelungskonzepts erfolgt durch Simulation.

This thesis deals with automatic rotation of plates with respect to their vertical axis, by means of a roller table with shouldered rolls spinning in opposite direction. At first, a mathematical model of the system consisting of the roller table rolls including its drive motors and the plate is derived. The roller table rolls and the plate are only coupled by friction forces. Because the exact contact points between the rolls and the plate are unknown, an elliptical line of contact is assumed. The unkown parameters of the model are identified based on measurements from an industrial plant and the entire model is validated by further measured data sets. A camera-based estimation algorithm for measuring the current position of the plate is used. Based on these measurements, state observers are developed to estimate non-measurable process variables. The automatic rotation of the plates with respect to their vertical axis is based on a 2-DOF controller, which uses the validated model. Initially an optimization based feed forward controller and the corresponding desired state trajectory is calculated. Then, a feedback tracking controller for the resulting nonlinear time-variant error-system is designed. Finally, the estimator and controller concepts are validated in simulation.