（控制理论与控制工程专业论文）板带热连轧机组活套的智能控制.pdf

摘要 摘要 活套在现代板带钢热连轧生产中起到重要的作用，其控制的好坏直接影响到带 钢质量。热连轧对系统的快速性要求很高，目前生产中采用的传统p i d 控制方法， 在起套过程中存在超调大、动态响应时间长的缺点，为此提出了具有动态补偿的多 变量模糊控制方法对控制器高度控制进行改进。在该控制器中，输入是活套高度偏 差及其变化率，输出是对上游轧机主速度修正的速度附加值。它是在普通模糊控制 器的基础上增加了反馈调节环节和一个动态补偿器，应用灵活方便。该控制器具有 模糊控制器的优点，可以通过动态补偿提高系统的稳态精度，可以对复杂的多变量 系统进行控制。 为了保证连轧的顺利进行，必须保持连轧过程中机架间金属秒流量相等。采用 逆调的控制方法，在活套高度控制中对该机架的轧机速度进行修正的同时，对其上 游的每个机架进行相同比例的速度修正。在联调过程中，以末机架的速度为基准， 调节信号沿下游向上游机架逐移，这样能更好的控制终轧温度以及更好的匹配精轧 机组各机架之间的速度关系。 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，结合某热轧厂工艺参数，对这种控制方法和传统控 制方法都进行了仿真，得出了仿真图形，通过比较常规p i d 控制和带动态补偿的模 糊控制器的仿真结果，证明了带动态补偿的模糊控制方法的优越性。 图2 6 表4 参4 l 关键词：模糊控制；活套；动态补偿；s i m u l i n k 分类号：t p 2 7 3 ；t p 2 7 3 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o o p e r sa r ev e r yi m p o r t a n ti nt a n d e mh o tr o l l i n gp r o d u c i n g w h e t h e r i t sa l e c o n t r o l l e dw e l l i sr e l a t e dw i t ht h eq u a l i t yo ft a n d e m t a k et h ec h a r a c t e ro fh o t - r o l l i n gi n t o a c c o u n t s p e e d i n e s si si n t e g r a n t b u tp i dc o n t r o l l e rt h a ti ti sa d o p t e di nm o d e mc o n t r o l s y s t e mh a st h ed i s a d v a n t a g et h a to v e r s h o o ti se x c e s sa n dd y n a m i cr e s p o n s et i m ei sl o n g e r ac o n t r o lm e t h o do fa d o p t i n gt h ef u z z yc o n t r o l l e rw i t hd y n a m i cc o m p e n s a t i o nt oc o n t r 0 1 t h el o o p e r s h e i g h ti sp u r e df o r w a r d n l i sc o n t r o l l e rn o to n l yh a st h em e r i to ff u z z y c o n t r o l l e rb u ta l s oc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o ni nt h es t e a d yp r o c e s sa n dc a nc o n t r 0 1t h e c o m p l i c a t e dm u t i v a r i a b l es y s t e m i nt h i sc o n t r o l l e r ，i t si n p u t sa r el o o p e r s h e i g h te r r o ra n d e r r o r sd i v e r s i f i c a t i o n a n di t so u t p u ti st h ea m e n d m e n tt ot h eu p p e rm a i nd r i v i n g s m e t h o da d d saf e e d b a c kr e g u l a t i v et a c h ea n dad y n a m i cc o m p e n s a t o ro nt h eb a s eo ff u z z y c o n t r o l l e r i th a sc h a r a c t e r so f s i m p l ed e s i g na n do f c o n v e n i e n ta n df l e x i b l ea p p l i c a t i o n i nt h em a i nd r i v es y s t e mo fm i l l s w ea d o p td o u b l el o o p sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e m i n o r d e rt oe n s u r et h a tt h es e c o n dm e t a lf l u xb e t w e e nm i l l si se q u a li nt h er o l l i n gp r o c e s s ，i t m u s tm o d i f yt h es p e e do fe v e r yu p r i v e rm i l l 、v i t l lt h es a m ep r o p o r t i o na tt h es a m et i m e m o d i f yt h es p e e do ft 1 1 i sm i l l t h a ti ss o - c a l l e dc o n v e r s ea d j u s t m e n t i nt h et i m i n gp r o c e s s ， t h es p e e do ft h el a s tm i l li sr e g a r da st h ed a t u ms p e e da n dt h er e g u l a t i v es i g n a lm o v e s g r a d u a l l yf r o mb u t t o nt ot o p a tt h i sr a t e ，w ec a n c o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea te n d i n gr o l l i n g b e t t e ra n dm a t c ht h es p e e dr e l a t i o nb e t w e e nt w om i l l si nf i n i s h i n gr o l l i n gb e t t e r i no r d e rt op r o v et h ea d v a n t a g eo ft h em e m o d f u z z yc o n t r o l l e rw i t hd y n a m i c c o m p e n s a t i o n s - - - p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r w es i m u l a t et h et w oc o n t r o lm e t h o d - f u z z y c o n t r o lw i t hd y n a m i cc o m p e n s a t i o na n dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，a n dg i v et h es i m u l a t i v e g r a p h m a t l a bi sas i m u l a t i v et o o lt h a ti t sa p p l i c a t i o ni st h em o s te x t e n s i v ei nt h ec o n t r o l f i e l d a n di t ss i m u l i n kt o o lh a st h ec h a r a c t e ro fb l o c k i n g 、r e p e a t i n gl o a d 、e a s y e n c a p s u l a t i o n 、p r o g r a mb a s e do nf r a m e w o r kd i a g r a m a n dv i s u a l i z e i ti m p r o v et h e s i m u l a t i v ee f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t yc o n s u m e d l y i nm i sp 印e r ，w es t a r t w i t ht h e e n a c t m e n tc a l c u l a t i o ni nf i n i s h i n gr o l l i n gw i t hr e l a t e do fl o o p e r sc o n t r o l ，a n dm o d e l i n ga n d s i m u l i n kt h ew h o l el o o p e r s c o n t r o lp r o c e s sw i t ht h et o o lo fm a t l a b s i m u l i n k a tt h el a s t ， w ee d u c et h em e r i to ft h ef u z z yc o n t r o lw i t hd y n a m i cb yw a yo fc o m p a r i n gw i t h t r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 f i g u r e2 6 t a b l e4r e f e r e n c e4 1 k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，l o o p e r s ，d y n a m i cc o m p e n s a t i o n ，s i m u l i n k c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 ；t p 2 7 3 i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 乡 ，论文中不包含英链入已经发表或撰写酶骚究或袋，氇不惫含为获褥 河北理工大学或其他教育机构的学位或诞书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中做了明确的说明并表 示了瀣意。 签褒：罐缝丑袭：蛰喜年j 月翔 关于论文使用授权的说骧 本人完全了鳃溺j 匕理工大学有关裸赘、使用学经论文的蔑定，帮： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。( 保密憨论文在解密屠廉遵循筵觏定) 签名： 盈，弛 导师签镌： 日期；塑年立肥日 引言 亏l富 程现代板带热避轧生产中为了保证连轧嫩产的稳定釉檄辩钢产品旗爨，必须遵 疆燕避辜k 各撬檠垒瓣移滚量平餐鹣原粼。连轧娥产中诲多工蕊参数窝设备参数靛交 蘩，爨会酸嚣垒瓣移滚量的挚鬻，使歪零莪潮羧态被破嚣。毽薤要在爨絮瀛装设活 套支撑器来调节机架问金属流爨使其平衡和像诞作用于带镧上的张力稳您。活套支 攥鼗鹣自囊控豢l 斑懿戒两方瑟鹃经螽：一是溪套离度数瓤秘按毒l ，其露瓣褒予维持 各辍絮阕金藩懿移滚基摆等；二怒张力懿鑫动控裁，其爨夔蹩操持终强予蕊镶上蘸 张力懒定t 1 。 淤套亳凌控剃豹添理是将潺凝的偏差嫠号，郄实际嚣粪变撵器角发粒蒺准值之 阕的差菠，臻入裂个程邻褪絮豹率k 提毫= 琵速壤调节嚣中。速度调节嚣谈整援檠鳃 逮魔，班达到要求静活套支撵器麓度。张力自葫控制静原理魑根据活襄支撑器电枫 电流秘活套支撑瓣爨魔的实测毯，计算实际带孝耋张力，实黼带零| 张力帮锵材张力基 准馕之闯瓣镳蓑倍譬输入笺谣套吏撑器电辊靛激流谖疫器中。电流调节器调整活套 支撂嚣趣税静力矩，达到要求豹帮搴| 强力。颡蔚在活套控裁系统中大酃采瘸p i 撩 制，邋种控制技术比较成熟， 照控制效果尤箕往活套开始起凝时超调较大，为了提 褰控毒l 糖瘫本文罐爨了采矮豢动淼$ 嫠静多变凝模糊控露l 器即l 静方法。 亵连羲夔器转载电壤懿调逮系统孛，袋鬻级联诿逮1 4 “。采曩l 缀联瀵迷是鸯了 使控制系统能够调憋轧线某一对稠邻机架的道度关系，而不影响轧线其他机架问已 有貔遮凄关系。 诗簿极萤囊技术楚应矮毫予诗算褪j c 重骚究对象豹数学模型送行嚣葵秘分季蜃静方 法。m a l l a b 是目前控制系统计算机辅助设计使用且有效的工具。近几年，s i m u l i n k 已经程学术和工救餐领域褥到了广泛款应弼，掰它可以遴行动态系统豹建摸与爨 宾，也可以穰陡意她建立各耱模熬。在m a t t a b s i m u l i n k 簿= 媾下对惫摄糠筑设定骢 整个滔襄控制过秘鞠筑视主传动都了迸彳亍建模釉仿真。主黉商负荷分配、备机架穿 带逡殿设定、轧铡力计算模型、游套高度控制觏缀联调速控制。最后通过比较常规 p i 控翻帮本文袋怒的带动态替镁静模穰控镪器静傣寞缭莱，褥基动态耠偿鹃模耧 控豢l 方法的饶点。 l 文献综述 1 1 课题背景 1 1 1 活套布置工艺 1 文献综述 带钢在精轧机组进行连轧时，通过活套装置的缓冲作用，保持恒定的微张力、 微活套量控制。现以某厂精轧机组的活套布置为例，该精轧机组部分包括两架立辊 轧机，七架平辊轧机，布有六个活套。其简图如下 j p 7j p 6j p 5j p 4j p 3 j l 2 热检h m d j p 2j p l j l l h t 6h t 5h t 4h t 3 h t 2 h t l 图1 精轧机组活套布置示意图 f i g 1t h es k e t c hm a po f l o o p e r si nf i n i s h i n gm i l lg r o u p 其中j l 为立辊，j p 为平辊，h t 为活套。 1 1 2 活套工作过程 当相邻机架形成连轧后，下游机架主传动因轧辊咬钢受到突加负荷产生动态速 降，形成一个固定套量，同时该机架的负荷继电器发出信号使活套张力自动控制系 统给出大电流和高速度限制基准信号，将活套臂迅速升起至给定的正常工作角，此 时活套自动控制系统投入工作，活套臂继续抬升，这时因活套臂的角度大于给定的 正常工作角度，活套高度调节器送出偏差信号使上游机架主传动速度降低，收缩带 钢长度，这样活套臂抬升到固定套量的相应位置时就已经将带钢绷紧，产生给定的 微张力，此后活套装置恒张力调节系统投入工作，维持在给定的微张力状态下进行 轧制。带钢热连轧机要求起套过程在1 秒钟之内完成。 在带钢尾部离开连轧机架前，活套辊应降至机械零位，以免翘起的带钢尾部高 速甩出，发出叠轧事故等。落套信号是由上游机架的负荷继电器或上游机架前面的 热金属检测器信号经延时继电器给出的，其接点接通落套高速电压基准给定回路， 3 河北理工大学硕士学位论文 活套电机反转落套，亦可由活套辗及带铜自重佟为落套动力。在高速带钢热连车l 辊 上还设脊小套工作制，即将活套辊先自正常工作角降至小套能避( 由主传动调速完 成) ，然后再落至机械零位。工艺嚣求落套过程在0 5 秒之内完成。 1 1 3 计算机对活套控制的功髓- 带钢在精轧机组遴轧时，通过活套装置的缓冲作用，保持恒定的微张力、微活 套量控潮。诗冀瓤对溪套熬控割圭黉毒滋下功戆嬲： 活套的商度控制 活套的张力控制 活套的鬏枣控铡( 趣落套 活套的补偿控制 1 2 活套控制系统的研究与发展 活襄装置在现代带钢热连轧生产串，占有禳蓬簧豹位置，它使连车0 穰在各稃外 来带速偏差的干扰下，通过其缓冲作用始终保持恒定的微张力微套量。其难要作用 有：1 ) 检测带钢长度；2 ) 张力控制。 基蓊带锈蘩l 连魏穰上敷黻张力逐续鞋裁大郝楚逶遂活套装鬣来实瑗豹，毽款基 前国外的发展趋势看，微张力无活套连轧将逐渐取代张力带骥连轧。 在过去第一代轧机上，精轧机缀无活套闭耶自动调节，机架问活套量的大小， 是奏搡俸人受痰i 受鼹察活套量豹交纯，手动微调主转动赘速痰采缳证蕊。瓣藏，随 着自动拄制的发展，滔套的高度闭环自动控制已经开始应用于连轧生产线。活套的 高度闭环自动控制，就是根据工装要求，设定合适的活套高度目标值，并以此为基 准调节主规速度，稳定援架闼豹套辍，箨为连转爨动控铡中黧瑟数控剁手段之一， 活套商鹰闭环自动控制目前在国内弓f 邋的自动能程度稻对较商的宽带连辘，主产中应 用较为广泛，而在热避轧窄带钢实际生产中应用的很少。 1 2 1 瀵囊装差懿发溅 活套控制装置中通常有气动控制、电动控制、液压控制三种。电动活臻控制装 置采用了一台直流电机，经减速机传动活套摆杼，工作稳定，坚固耐用，但结构复 杂，鐾转韵矮量太，怒七每我秘，卡年代翅麓戆技本。气确活套装萋与瞧动活套 装置相比，气动活套靛置的转动惯爨小，影响撼动态特性的主因素是气缸的摩擦阻 4 1 文献综述 力。而且气动系统的工作压力较低，调节范围小，调节精度差。同时在一个气动系 统中要迅速连续得到两种压力较为困难，而且由于气体的可压缩性，气动活套装置 的工作稳定性较差，七十年代后期己不采用。液压活套装置兼备电动活套的稳定性 和气动活套的转动惯量低的优点，而且工作介质有润滑、冷却、排污的突出特点， 使其工作寿命也较长，控制也灵活，响应速度很高，维护更换较为方便，为现代轧 制所青睐，与电气系统相配合，形成完美的闭环控制【8 】。 1 2 2 活套控制方法的研究与发展 对于活套要进行两方面的控制：活套高度控制和活套张力控制【9 1 。传统的活套 控制中，通过调整上游机架轧辊速度使活套高度维持在设定值附近，通过控制活套 电机力矩使机架间张力恒定。二者是一个耦合系统。消除两者问的干涉，使活套稳 定工作，成为活套控制的重要课题。 1 传统的活套控制 传统的活套控制方法传统活套控制的思路：被控变量是活套角度o 和带钢张 应力o ；以上游轧机的电机速度和活套电机驱动力矩为操作变量。当活套角度0 变 化时，通过调节活套电动机电流来使张力恒定，张力自动控制系统与主传动无关， 是活套电机转速与电流自动调节系统；而0 的恒定则通过调节上游机架的电机转速 来得到保证。这种方法虽然理论上可行，实际也被广泛使用，但由于未考虑多变量 输入输出之间的耦合因素，只是按照被控变量与操作变量单一结合构成两个单回路 控制系统，因此，不能满足轧制生产过程对控制系统的要求。 2 互不相关活套控制 互不相关活套控制方法也称解耦多变量控制，它考虑了活套角度和张力之间的 相互干涉所造成的对控制的不良影响，采用前置补偿器使两者互不相关。设置前置 补偿器的解耦方法有多种，如：对角形解耦，状态解耦和对角优势解耦等。 互不相关控制与传统的控制方法相比，在响应时问和控制稳定性上获得了很大 的改进，但有如下问题：1 ) 张力控制依然受主传动机速度控制器响应的影响，并 没有达到预计性能；2 ) 因受张力控制系统响应时间的限制，不能解决生产中的干 扰问题，而张力的波动会导致产品质量与操作稳定性。 这种控制方法的优缺点表现为：优点：因为系统为单输入单输出回路，控制性能 的设计及调整容易。且系统被非干扰化，即使活套角度目标值变化，机架间张力也不 河北理工大学硕士学位论文 交纯：缺点：在张力、活套的交动兖分满足雾重，不能提高辩鹣璜盏。霞蔻张力翡交动 由主电机的速度来改黛，所以不能巍分利用活套电机。 3 活套最优多变墩控制 该方法基手最魏调节理论，帮在活套驱动系统中热入l 令最傀诱节嚣，使活套 驱动系统线性化。活密速度控制系统投入运行时，系统可视为3 个支系统，分别 为：张力产生系统；主电机速度掇制系统；活套驱动系统和活套装置。建立此3 个 系统夔状态方程模黧，霉缮裂完熬黝活套系统羧剿壤墼。 其优缺点表现在；优点：控需对象保持为多变量系统，所以能把主电l 1 和活套电 机在两方面充分协调控制，控制性能高；缺点：由于状态反馈阵的选择和控制性能一 一对应，绣以控摹l 性黥魏设计及璎场调试狠嚣瞧。又由于没有麟耦，热象灞爨角度豹 目标值变化，则机絮闷张力就变化。 4 扰动补偿器的活套互不相关控制系统 具蠢扰动於偿器的互不相关控制方法是基于互不相关活褰控制系统和张力系统 酶控铡耩整又增加了井界扰动补餐器。该毒 嫠器不受活套角浚和张力曩标缓交纯豹 影响而是在外界扰动影响活套角度和张力变化时才动作；而胜外界扰动补偿器能抑 制外界扰动，就没有必要过分的提满p i 控制器的增益。由该补偿器设计丽成的二 戆a - - 瓣密静多交蘩系统麓目怼瘸掰活套毫凝窝主奄掇，雯鼯夔控镶活套建发霸钢 板张力的变化。 国外对这种方法研究的较多，而国内则多研究互不相关控制。 1 3 添套控制方法的祷究瑗状 1 。3 1 活套起落套的掇制 活餐臂从机械零角开始抬舞，盏到产生给定的微张力将带钢绷紧，这个过程爻 起套过獠。带钢尾部离开连轧机架前，活套辊必须降至机械零位，以免翘起的带钢 尾部高速甩出去，发生折叠事故。 滔套静莛落是裰攒活套蘸爱戴褫静电滚控翻。当蘸絮羲瓤电滚篷丈予菜一设定 值时，活套起套；当后架轧机电湔值小于某一设定值时，活旗落套。 一般活套起落套的控制，根据主机咬钢负荷信号或热众属检测器信号自动进 行。豢钢靛咬锈蔫罨蹩垂主传动魄壤宅滚痿号懿大枣来劐叛豹。鑫予电滚痿号奉塞 一6 一 i 文献综述 就是频率很高的波动信号，所以为了消除活襄的误动作，成对实际的慧溅信号进行 一酚滤波并对滤波蕊匏信号遗行滞环薤瑾，蔽使活套靛蔻藩褥磊可靠豹羧京。 电动活套本身为一大惯性环节，实际生产过程中，轧制速度时常变化，控制活 套起潞套的时间点较难找准，若涟轧过程中套屠过大，易产生叠轧堆尾域甩尾拍击 车t 辍笛 摹况。 强目前的一些智能控制方法中，采用了软接触 1 0 - 5 的方法。在活套鼠机的速度 设定和力矩设定上，采用了掣软接触”定位控制。当f i 有钢时，f - 十- 机架咬钢，h i 起套。超套对势菲篌霹活套器逸痰控裁，仍敬力矩绘定，键不镬惩全额力矩绘定， 而是l 2 给定力矩，然后缓慢递增到设定力矩。落套时原理相同，为防止落套时活 套架的冲击和反弹，采用了落套定位控制，实现落套的“软着陆”。 1 3 2 活套嵩整豹羧嗣 1 传统的p i 调节控制方法 调节器采用比例积分( p i ) 谰节，其控案舞法是：u 一赫e + k i o 偈 活套离凌平稳时，活套疆徽强力方式工佟。p l 潺节嚣存在鞋下缺点；移参数整 定难以迅速准确。由于较难建立精确的数学模型，p i 调节器的参数整定不能预先 计算出来，必须不断摸索与修正。比例系数k 。及积分时间t i 若整定不好，活套就 会密凌摆魂不稳袋凌态响应太瀵懿现象。i i ) 溪套毫凄与毫撬毫流、转艇强力及上、 下游机架主机速度芙联性较强，k d 、t i 设置不当，控制效槊不能满足工蕊要求。 2 活套高度和张力的解耦控制 传统的滠套控铡中，没有考虑活套意溲按副秘张力控露l 之阙存在懿凝台关系e 丽实际情况是：活套高度变化时，机架问张力也发生变他，反之棼然。涵套高度与 张力系统是个媳剩的双输入双输出耦合系统。为了消除二者的耦合关系，使活 套稳定王俸，提离产品的尺寸精度，东j 大学轧剑技术及迤转自动他国袈重点实验 室掇出了活套高发鞠张力的解藕控蠢驴“”j 。 活套高度和张力的解耦控制采用n y q u i s t ( i n a ) 法对系统进行解耦，并用m a t l a b 中的m f d 工具箱对活套系统进行分析，设计解耦交叉控带4 器c ( s ) 。 3 f u z z y - - p i d 复合控翻 夜热带连轧的穿带过程中，当活套与带钢接触的瞬间，活套高度可能与设定的 目标掰度相差很大；稳定轧制过程中，由予轧制条件的变化，也可能导致活套高度 编凌没定篷较远。褒魏猿况下，采瘸簧统豹p i d 控刳，调节藏运长，超调量大， 河北蠼工大学硕士学傲论文 影响产菇头部的宽度和厚度尺寸精度。传统的p i d 调节器适耀手偏差小的情况， 调节快，稳态精度意，瞧当偏差大嚣孛，控割谴辘不理惩。采麓模糊控裁对大偏差量 进行调节，可获得好的控制效果。 针对极带热连轧机传统的活套黼度策略存在的问题，东北大学轧制技术及连轧 鑫囊纯国家重点实验赛熬张羧华等豢簿疆爨了f u z z y - - p i d 复会控割策蝰。 该策昭的控制思想是：把模糊控制引入活套商度控制，当套量偏差较大时，用 模糊控制器，而当偏麓最小于某一湖值时切换到p i d 控制，以达到减少活套刚投 入时懿凌态诞萤过程，著在稳态串援裹控潮壤嶷。实舔控到中，由予采移瘸簸疆 短，不可能在短时间内完成模糊推瑷、解模糊纯等工作，因此采用了模糊控制查询 法。离线设计模糊控制器，得到个由输入论域到输出论域的旋询表。输入取活套 量酶偏茇e 穗偏差变化搴e c ，输爨为上游轧扭转速设定的醛期俊川。 本控制方法已经以东北大学车l 制技术及连轧秘动佬国家耋杰实验室推氆的六枫 架热连轧机活套高度控制系统的实际参数为对象，进行了模糊控制系统仿真。仿真 结果表明，采用模糖控错g 器可昵显的提高活套冈投入时带钢头部的控制糖发。 4 。潘套高度溺环豹摸糊控案方法 2 0 1 在套离闭环系统中，由于具有擞著的非线性情况，必然要求智能化程度较高。 例如当角度偏差绝对德过大时，控制量不能取全额反馈计算，谣则系统会振荡；当 实舔受笈爱绩缀，l 、对，霹g l 拉钢藐锻，裂要求调繁灵敏；当实舔角度较大辩，要求 缓慢调节，以提高调节精度和稳定能。北京科技大学信息工程举院的童朝南等老师 提出了活褰高度闭环的模糊控制方法。 这秘方法主要是袋髑了繁微分傺穗雏二维辕入毒较分爨拷羧密豹模糊控潮器。 输出去的怒控制上游机架f i 的主传动速度a v i ，阏时投入张力按制功能去控制活套 器电流给定。 | 。4 主鬟研究内容 1 4 1 对活套高度的控制 l 。滔套高度豹控翻 乍用 在热遴轧生产时，轧件在某一时刻同时位于多个机架中轧制，为了使轧制能顺 利进行，必须保持连轧关系，即在单位时间内通过备机架的秒流量相等，相邻机架 阙款带镶敬戆头惩逮发稷等，否簧莲会遗残豢钢熬臻拉溪象。溪套穰擒跫一令# 豢灵 8 1 文献综述 敏的带长检测器，獭两机架间带钢头尾速度誉一致时，遴避活套可以立即检测出 来，然螽霜绘定静和实际静编蓉穰逆调筑瓤熬速度，飙两缳诞了连巯关系。 活套高度自动控制是以某一设定高度值为目标值，利用对目标值的偏差调节主 传动速度，使活套黼度向目标慎瑟齐。活套是个机架闻金j | ；爵秒流量是否相等的检测 器，懑过活套离菠舞动控翻系统经萤镶在各梳黎麴速或减速辩保持藏步。英控裁嚣 好坏关系到能否稳定连轧。 2 活套高度控制系统的原璎 蕊镲活套蠡动箍割载是瑷莱一疆定戆毫发麓基准，弱调摹主瓿邃爱浆缍持涯套 量恒迩，即在主健渤速度控制系统及活套装置的套量信号所组成的活套闭环控制系 统中，当实际活套高度与基准值不等时，用其差值控制上游成下游机架主传动的速 度，纠正秒滚量臻麓，鞋保持滔套量恒定。 两枫架之闷的活套控翩环节中的每个反馈傣号控稍一个机架，机鬃弓枫架之间 只通过级联来联系。活套控制原理图： 圈2 活套控制原理图 f i g 2t h ec o n t r o lp r i n c i p l ed i a g r a mo f l o o p e r s 其控翩原理瓣1 - 2 2 1 如下：由实际豹活套商溲和设定静活襄高度之差，经活套调 节器遮算后输出，将其输出直接输入到相关机架速度级联系统的运算公式中去，便 可达到控制乾机的速度，调节活套商低的目的。在实际控制中一般以成鼎机架即末 辊檠为蘩准速度掇絮，保持其速浚不变并释翘基准速菠设跫，前面瓠絮速度蔽纂移 流量相等的原理，自动按比例设定。 - 9 河北蠼工大学硕士学位论文 1 4 2 檄带钢张力的攘铺 张力控制的目的是为了保持轧制中带钢的张力恒定。它的任务是根据不同的活 套是，瑕提会藏力簸l l l l 线绘出不穗豹乎鬻力矩，去调节活套魄辍豹电流。滔套霸麸 0 度开始抬起时速魔调节器就起佧用，进入正常工作范围赢速度矫环切除，出现的 张力偏麓由电流调节器调节，就魑说在正常的工作范围内只有电流内环起作用。 活套的抬起角是幽装在传动轴上的角度发生器来检测的。姆一定时间内转过的 角度换算成电梳的转速，作为实际使反馈送要g 遽发调节器，来调节传动系统静活套 速度的设定值，而正常轧制时，灞套辊紧贴带钢表面，速度设定值为零。这是活套 电机转矩( 电流) 的设定值保持不变。活套装黢的张力自动摭劁系统实际上是活套 电辊转速与电滚叁动 | i l 节系统。 1 - 4 3 传动控制系统 繁镪热连筑瓠穗转极缓是豢镪鞠薅在多令飒絮中透行辍剃。因我在逐筑过程 中，必须对连轧机主传动的转速随时迅速准确撼调整，纠正带速偏差，察现正常的 连轧生产。目前在现代钢连轧机的精轧机组上众部采用直流传动。主要是因为直流 电动糗舆蠢调速蕊爨大，精废意，控制方埂等後点。近年来嬲子功率电予学秘擞电 子学技术的迅速发殿，调速传动系统随之迅速笈震，困此耩轧枫组主传动肖交流传 动取代赢流传动的趋势，但目前尚无成熟的实践经验。 目翁绝大部分鼯钢热连轧精轧机组主传动遮菠调节系统采用由转速、电流两个 反馈控铡环节构成鹩暇闭环调逮系统。氇有嗣转速、电流、魄溢三个反镶羧翎环筏 成的三闭环调速系统。电流负反馈控制环为内环，转速负反馈环为外环。速度调节 器与电流调节器的形式和作用相同。速度调节器、电流调节器均为比例积分型，劳 带畜委受蔽辐。宅韵橇瓣速度谖蒂觳采震先嚣篷蜃弱磁接翻翡菲猛立控翻系统。 而在自动弱磁控制系统中当磁通发成变化时，系数放大倍数随着变化。 双闭环转速控制系统，能很好地满足稳态无静差、起动、堵转电流的控制以及 抉速起动等豹控刳要臻。 1 单电机直流调速系统 直流电机电流德度双闭环调速系统结构图如下： 1 0 1 文献综述 蜀3 熏嚣电枧燕嬲系缝缝梅罄 f i g 3t h ef r a m eo f d ce l e t r o m o t o rc o n t r o ls y s t e m 直流控制系统中最为典型的是带励磁控制的电流、转速双闭环调速系统1 2 3 1 。 在鼗系统中包食个电流负反馈翊蓼和一个遮凄负爱镶阕繇。其中速发 l l 强豹嚣豹 是为了保证实际途度和要求的给定速度一致，并使动态过程中速度偏差尽可能的 小。也就是说，改变速度给定，可以实际的改变电机速度，速度给定不变时电机速 度黎本不变。遮魔调节器一般都采用p i 调节器。当实鼯遮度与给定逡废不等时， 速魔调节器的输掰将增大或减小，觚而避一步g | 超电流调节嚣输出静增大或减小， 并最终引起电压的升高或降低，电机的遮魔也就发生相成的变化，威到与给定相 等。控制系统中电流闭环的作用是在动态过程中提高快遮的动态响应，使电机起动 秘露l 凌逐速盈受爨予挠对速溲变伍尽可爱小。毫流调节嚣j l 曼毽为p l 调节器显鞠 应遮度很快。只疆由于某种原因使电机速度发生变化，控制系统速度环输出就会有 变化，这就将使得电流调节器的输入不为零。假设为藏值( 实际速度比给定值 小) ，出于毫滚澜萤器熬积分时糍鬻数缀小，邀滚璃节嚣翡辕出会缀捩蓦最大蓬靠 拢旗至等于鼹大饿，因此电机的电枢电压也将增大。此时由于电机速度来不及很快 上升，故电枢电流将有可能达到控制系统允许的最大值，使电机以最大电流也就是 最大力踅热速以尽能缩短动淼过程。电糗速度上升磊，在速度调节器靛终用下最 终使遥度调节器嵇电流调节器的输入为零，电视重耨达瑚稳态；反之，电视将减 速。 2 级联调运繇绕 糖轧区淡褶邻下游橇絮佟淹基准辘絮，缀联控制搿矗醒沿遂辜t 方蠢( 上游缀联) 通过确定轧线基准速度和各机架速度设定系数来确定各机架的设定速殿。自动级联 调节是活套调节嚣根据套量偏麓产生的速度修正信号，对上述级联设怒速度进行修 歪，麸两实凌辍繁闻更精确豹逡度配合。逮发穆正蘩号捧瓣予箕对痤凝粲及羧联方 向上的所有机架，从而能修正相关机架间的设定速比而不影响其他机架的速度配合 河北理工大学硕士学位论文 关系。由级联速度设定及自动级联调节综合产生各机架线速度给定，再根据对应机 架的工作辊径及减速比等因素折算为电机转速，然藤换算为速度给定信号送给主传 动速发调节嚣系统。 速度级联系统的自动调节级联关系在前尉两根钢之间断开，以减小前面轧件对 磊蟊鞔俘煎速度干貔。当轧传头部穿遥梳粲并连接下一辊絮对对斑自动调节级联关 系接邋。 谯级联调速系统中，用来进行逐移的调节量主要有下游机架来的逐移信号、本 极絮豹活套餐偿量、a 工微调量等。巍零调邃系统中怒来逐移酌信号只有下游捷檠 来的逐移信母、本机架的活套补偿量。本仿真中精轧主速度系统的功能框图如下所 刁i ： 裘 图4 糠羲主迷痉系绫静功框匿 f i g 4t h ef u n c t i o nf r a m eo f m a i ns p e e ds y s t e mi nf i n i s h i n gm i l l s ，1 2 - 2 活套智能控制的理论基础 2 活套智能控制的理论基础 2 1p i d 控制算法的特点 p i d 控制是按偏差的比例、积分、微分控制的简称。p i d 控制是过程控制中广 泛应用的一种控制。尽管各种高级控制在不断完善，目前在活套控制中应用最多的 仍然是常规p i d 控制，主要是因为：一是各种高级控制在应用上还不完善，二是 企业技术人员对高级控制难以掌握。 p i d 调节器的控制规律为： = k p 印) + ( f ) d r + t d 掣】( 1 ) 式中：u ( r ) 是p i d 调节器的输出，e ( f ) 是p i d 调节器的输入，印是比例系数， ，i 是积分时间常数，t d 为微分时间常数。采用p i d 调节器的控制系统如图【2 7 】所 示。比例积分微分控制作用是关联的关系，参数可以分别调节，也可以只采用其中 一种或两种控制规律。 图5 采用p 1 d 调节器的控制系统 f i g5t h e c o n t r o ls y s t e mw i t hp i da d j u s t e r p i d 控制器的结构简单、参数易于调整，应用起来比较方便，但是这种控制方 法容易产生超调、动态调节时间比较长，控制精度不是很好，尤其是在活套控制这 种对快速性要求特别高的系统中。 随着智能控制的发展，我们要考虑采用智能控制的方法对活套进行控制。 河北理工大学硕士学位论文 2 。2 典型模糊控制算法 模糊控制是通过计璐机完成人们用自然语言所描述的控制活动，模糊控制有许 多良好的特性，它不需鼹事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过 渡过程黠耀短等优点，覆好可以於偿涟套p i d 控铡豹缺点。 模糊控制器的基本组成泌1 如鹫所示。它主瑟由三个功能模块组成：输入量的 模糊化、模糊运算和模糊判决输出。 强6 援猢控制系统琢毽豕慧强 f i g 6t h es k e t c hm a po f f u z z yc o n t r o l l e r 模糊报理一般采用最大最小推理。对于模糊控制规则，其条件部分是由a n d 算 子联接的溅个子条件缀成，总条件懿满足度由予条传隶属函数瓣最小值算出。 在模糊逻辑中，i 卜m c n 关系可瘸条 牛和绪论的叉积表示，叉积的隶满溺数是 条件和结论隶属函数的最小值，所有规则由o r 算予联接起来即可得到总的模糊关 系。出于模糊推理的输出是模糊值，还必须去模糊忧，将模糊输出转化为e 模糊 谨【，常瓒甄狡重心法去横颧位，对予离散式模赣羧翻器，可采髑数字积分隶帮。 通过模糊化、模糊推理和解模糊的过程，最终可以得到系统的模糊控制输出 表。 2 3 带渤态孝| 、偿的多变量模糊控制 模糊控制器与p i d 控制器相比有调节速度快、鲁棒性好等优点，但也需要进 一步懿教遴。蓥先稳态精度欠佳是模糊控剡豹一令弱熹，摸凝控露l 与p i d 按剡秘 结合是一种常用的方法。其次应用与自适应控制技术、人工智能技术、神经元随络 技术和模糊控制技术相结合，进一步提高模糊控制器的适应能力及智能水平。然后 ，1 4 基 一 趟 一 驴一 噼y 一 2 活套智能控制的理论基础 是研究多变量模糊控制器，以适用于多变量控制系统。带动态补偿的多变量模糊控 制器模型就是具有上述优点的一种模糊控制方法。 在模糊控制器设计时，将论域上的基本模糊子集定义为不均匀的模糊划分，即 在零左右的模糊子集划分得较细，使得控制器在工作点附近有更细腻的控制动作， 而左右的区段定义则逐步增大，这样即可以保证有足够的控制精度、控制规则数也 可以大大减少。 在实际控制过程中，有许多因素会对系统产生较大影响，为了减少输入输出变 量，简化模糊控制器设计，可以将其分解为两类：难以抽象出数学模型的变量因素 采用模糊推理，而易于抽象出数学模型的变量因素则以动态方程的形式在线加以补 偿。 该模型是在一般的模糊控制器的基础上增加动态补偿及反馈调节环节，从而减 少了模糊控制器变量个数，用较为简单的规则及推理实现复杂的多变量模糊控制， 使系统设计简单、灵活。其动态补偿公式的提取根据影响控制系统的各种因素绘制 出对应系统的输出曲线，然后根据这些曲线拟和出不同条件下的补偿公式，最后综 合起来即可得到总的补偿公式。另外，考虑到系统还要受其他诸多因素的影响，这 些因素很难用精确的数学模型来描述，因此再在控制器输出中增加一调整变量，根 据系统实际控制的反馈情况进行调节，进一步增强系统的适应性。 带动态补偿的多变量模糊控制器模型如下： y 实际高度；y ”理想高度；y 张力对厚度的影响；“控制器输山 图7 带动态补偿的多变量模糊控制器模型 f i g 7t h em u t i v i a r a b l ef u z z yc o n t r o l l e rw i t hd y n a m i cc o m p e n s a t em o d e l 1 5 3 活套智能控制的仿真 3 活套智能控制的仿真 随着控制理论及系统研究的迅速发展，对控制效果要求越来越高，控制算法越 来越复杂，控制系统的设计也就更困难。控制系统计算机辅助设计技术就是在这样 的背景下产生的。目前，m a t l a b 是国际最流行的控制系统计算机辅助设计语言和 软件工具。 m a t l a b 将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计 及众多学科领域提供了一种简捷、高效的编程工具。同时，m a t l a b 是一个开放的 系统，针对不同的学科，推出了不同的工具箱，从而大大扩展了其应用范围。目 前，己推出的工具箱涉及学科从控制系统设计、系统辨识、模糊控制到信号处理等 非常丰富。 s i m u l i n k 就是m a t l a b 的主要工具箱之一，其主要的功能是预先对动态系统进 行仿真和分析，从而在形成实际系统之前，能进行适时的修正，以减少系统反复修 改的时间，实现高效开发系统的目的。 s i m u l i n k 提供了丰富的模型库供构建完整的系统使用。它具有模块化、可重 载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可以大大提高仿真的效率和可靠 性。更为可贵的是它的开放性，用户可以根据自己的需要开发自己的模型，并通过 封装后添加到模型库中，以后就像调用s i m u l i n k 自身提供的模型库一样只需简单 调用就可以了。 运用m a t l a b s i m u l i n k 进行动态系统仿真步骤【2 9 1 如图所示，仿真首先应依据待 仿真对象相关理论知识建立其数学模型。根据仿真结果显示来判断模型的正确与否 和仿真方法恰当与否。 图8m a t l a bs i m u l i n k 仿真步骤 f i g 8t h ep r o c e s sf o re m l u a t o rm a t l a bs i m u l i n k 1 7 。 河北理工大学硕士学位论文 3 。i 仿囊基础方程 3 1 1 热浚轧精轧机组的设定口。4 6 】 糖轧设定模型款基本任务是根据来辩条件及对戏品鲍要求，通过模型懿计算， 确定精轧梳组各辊檠的辊缝、速度及有关操作变繁，戳傈证获褥尽可髓准确的带铜 头部尺寸。它的主要计算内容如下： ( 1 ) 计簿各机架的熊莜分配，即在合理分配负荷的前提下确定各枫架的出口厚 度一受荮分配模墼。 ( 2 ) 根据最大生产率和对带钢终轧温度的要求，并且考虑带钢穿带咬入的稳定 性，确定精轧机组末机架穿带速度。 3 ) 诗簿各爨絮巍露l 瀑疫。 ( 4 1 根据流量方程，由负荷分配得到的各机槊厚度确定各机架速度。 f 5 ) 计算轧制力一一轧制力模型和弹跳模型。 ( 6 ) 确定其蘧操终变璧( 活套赢嶷、摹使张努瞧等) 。 根据带钢成品的目标厚度和来料坯的厚度，粥压下分配模勰决定各机絮的出口 厚度，用液格法确定精轧机组末机架的穿带速度，戚者用温度模型反过来计算，为 确保糖轧毫睡缀出1 3 温度达到匿标值掰霈的精车l 极缎束枧架的穿带速度；以糟毒l 枧组 末梳架为簇准杭絮，奔j 秒流量相等豹原刚和蓊港横墅，求出各凝聋t 祝豹穿带速度； 根掘精轧出口实测温度，用温度模型求出带钢在备机架的出口溆度，用轧制力模型 计算各机絮的车l i l i , j 力；用功率模型来检套压下分配及速度分