基于熱連軋機的厚度復(fù)合控制應(yīng)用研究

顧 波，孫和平，2，李智敏

(1.閩南理工學院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700;2.北華大學 電氣信息工程學院，吉林 吉林 132021)

0 前言

針對熱連軋機帶材厚度控制采用的單一反饋控制方式的局限性，將前饋與反饋結(jié)合在一起，既發(fā)揮前饋控制及時的優(yōu)點，又突出反饋控制可以補償任意擾動的長處，同時減少了反饋控制的負擔［1］，可進一步提高帶材厚度精度，因此，復(fù)合控制發(fā)展很快，并日趨成熟［2］。

1 復(fù)合控制

1.1 厚度計厚度自動控制(GM-AGC)

GM-AGC 是相當于把整個機架作為測量厚度的厚度計，通過測量軋制力S 和空載輥逢P(guān) 再按彈跳方程

計算出需要消除的厚度差Δh，它是一切帶鋼熱連軋機厚度自動控制的基礎(chǔ)，目前已得到廣泛應(yīng)用［3］。但是該法對于出口厚度壓下機構(gòu)和機械系統(tǒng)的反饋控制，以及計算機程序運行等時間的滯后仍然不能消除。

1.2 厚度復(fù)合控制研究

復(fù)合厚度控制原理如圖1 所示，采用GMAGC 實現(xiàn)對機架的前饋控制［4］，即當有擾動時，帶材就會產(chǎn)生厚度波動，用GM-AGC 計算出 機架的厚度偏差，作為 機架的入口厚度檢測值，先消除入口厚度波動，同時在 機架處采用監(jiān)控AGC 的反饋控制形式，用于修正出口厚度偏差值，這種復(fù)合控制方式既消除了入口厚度波動，減輕了閉環(huán)反饋的負擔，又補償了出口厚度偏差，進一步提高了帶材厚度的精度。

圖1 復(fù)合厚度控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of composite thickness control system

2 前饋控制的必要性及應(yīng)用

2.1 前饋控制的必要性

熱連軋帶鋼成品質(zhì)量主要取決于帶鋼縱向厚度公差，厚度控制系統(tǒng)具有多擾動性，如帶坯縱向溫度差，且擾動不穩(wěn)定，產(chǎn)生厚度差，引起厚度變化，從而影響厚度精度。

反饋控制可以克服多種擾動，但是屬于滯后控制，對于這種多擾動的厚控系統(tǒng)，反饋控制不能及時的消除干擾對被控對象產(chǎn)生的影響。因此，為了克服反饋方式在控制上的滯后等不足問題，引用了前饋AGC 技術(shù)［5］。

2.2 基于熱連軋機的應(yīng)用

對于復(fù)合控制系統(tǒng)中的前饋控制策略，針對厚度波動，用第i－1 機架的GM-AGC，檢測第i－1 機架帶材出口厚度，作為i 機架入口厚度檢測值，實現(xiàn)對i 機架的預(yù)控?？紤]測量(計算)出的擾動偏差信號在兩機架間的傳遞，需經(jīng)過適當?shù)难舆t時間t。

式中，L為兩機架之間的距離;v為軋制速度。

還包括當擾動偏差到達下一機架后，經(jīng)過的程序算法以及執(zhí)行機構(gòu)運行的時間。針對偏差信號的傳遞問題，本文先令計算出的偏差信號通過零階保持器，再經(jīng)過定時器，對其進行時間的設(shè)定，由于有時間 的存在，因此，需將信號適時提前，然后傳入到執(zhí)行機構(gòu)。

2.3 算法實現(xiàn)

將兩機架設(shè)為A、B 兩點(如圖1 所示)，其之間的距離為L，軋制速度為v，則從A 點到B點的傳遞時間應(yīng)為。零階保持器將采樣到的偏差信號保持一個周期T，那么經(jīng)過保持器的時間就是一個采樣周期T，將A、B 兩點分成N等分，每段長，則每段距離經(jīng)過的時間就是一個采樣周期，根據(jù)采樣周期T 的設(shè)定，可求得，由于執(zhí)行機構(gòu)的運行時間t1已知，t可求，T 根據(jù)軋制要求可設(shè)定，因此定時器的停止時間設(shè)定為t'=t－T－t1，然后再經(jīng)過前饋控制器和執(zhí)行機構(gòu)的運行調(diào)節(jié)輥縫大小。

2.4 前饋控制器的設(shè)計

某熱連軋機兩機架距離L=3 m，v=20 m/s，則傳遞時間t=0.15 s，已知程序算法以及執(zhí)行機構(gòu)運行的時間t1=0.05 s，根據(jù)香農(nóng)采樣定理及工程經(jīng)驗選擇數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)定T=0.01s，則=15，即A、B 兩點之間的帶鋼平均分成15 份，定時器的停止時間應(yīng)設(shè)定為t'=t－T－t1=0.09s，然后擾動偏差經(jīng)過精確的時間傳遞到執(zhí)行機構(gòu)。通過厚度自動控制的原理、工藝及技術(shù)特性分析，本文將i－1 機架GM-AGC 計算出的出口厚度偏差Δhi－1，作為ΔHi機架入口厚度偏差，輥縫調(diào)節(jié)量與厚度偏差關(guān)系。

式中，M為軋機剛度系數(shù);Q為軋件塑性系數(shù)。

根據(jù)公式(3)適時進行壓下輥縫調(diào)節(jié)，因為存在偏差，為了增強實時性，先對ΔHi進行線性外推，然后再對其進行控制以至消除。消除入口厚度波動對出口厚度的影響，提高了厚度精度。

3 復(fù)合控制仿真的實現(xiàn)

因為AGC 厚度控制系統(tǒng)，最終是對輥縫進行修正、調(diào)節(jié)，都是通過調(diào)節(jié)液壓壓下系統(tǒng)的液壓缸位移來實現(xiàn)的，液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型是個高階系統(tǒng)，可以將被控系統(tǒng)近似成一個二階環(huán)節(jié)。

由此通過simulink 建立加入前饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2 所示，在MATLAB仿真系統(tǒng)中將Simulink 下的干擾模塊設(shè)置10%的干擾量，并在5 s 處出現(xiàn)，未加前饋與加入前饋的仿真對比結(jié)果如圖3 所示。采用前饋控制的復(fù)合系統(tǒng)，預(yù)先對擾動進行前饋作用，系統(tǒng)產(chǎn)生的波動由8% 降到1%，大大提高厚度控制的精度。

圖2 復(fù)合控制系統(tǒng)仿真數(shù)學模型Fig.2 Mathematical simulation model of Composite control system

圖3 未加前饋與加入前饋的仿真對比Fig.3 Contrast of simulation results of control systems with feedforward and without feedforward

4 結(jié)語

通過對熱連軋機厚度復(fù)合控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，先采用前饋控制對入口部分干擾進行抑制，最大程度的消除入口厚度波動對出口厚度的影響，同時也大大減輕了出口反饋控制的負擔。仿真結(jié)果證明此方法提高了厚度精度，對有色冶金行業(yè)提高帶材質(zhì)量具有重要的實用價值。

［1］邵裕森，戴先中.過程控制工程第二版［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:199-204.

［2］王宇林，李琳.前饋-改進型PID 復(fù)合控制策略的研究［J］.機床與液壓，2012(11).

［3］燕鐸，張進之.DAGC 在600 mm 九機熱連軋機上的應(yīng)用［J］.重型機械，2012(6):11－14.

［4］XuXinhe，ZHONG Yunfeng et al.Research and Application of the Feedforward-AGC System in Hot Strip Rolling Mills［J］.Journal of Northeastern University(Natural Science)2009，30(2):169－171.

［5］Bulut B，Katebi M R.Predictive control of hot rolling processes［C］.Proceedings of the American Control Conference.Chicago:［s.n.］.2000:2058-2062.