帶鋼糾偏系統(tǒng)的自抗擾控制

張東洋，姚小蘭，焦路亮

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081)

糾偏控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于金屬帶材(如帶鋼、帶鋁等)軋機(jī)、縱剪機(jī)列和清洗機(jī)列等生產(chǎn)中，是帶材處理線上重要的環(huán)節(jié)。其作用是對(duì)齊帶鋼的邊部或者使其運(yùn)行在軋制線中央，從而保證帶鋼軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。

典型的帶鋼糾偏控制系統(tǒng)主要由光電傳感器、控制器、伺服系統(tǒng)和糾偏輥組成。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，帶鋼處于光電傳感器中央，如果帶鋼跑偏，即偏離光電傳感器中央，則由光電傳感器檢測(cè)出帶材的位置偏差，并將信號(hào)傳輸?shù)诫娍匮b置，經(jīng)過(guò)放大等一系列的作用后傳輸?shù)剿欧刂葡到y(tǒng)，伺服系統(tǒng)推動(dòng)液壓缸以驅(qū)動(dòng)糾偏輥來(lái)調(diào)整帶鋼的位置。帶鋼位置由光電傳感器進(jìn)行位置跟蹤，當(dāng)跟蹤位置與設(shè)定值相等時(shí)，偏差信號(hào)為零，處于新的平衡，從而實(shí)現(xiàn)帶鋼糾偏。

糾偏控制系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代末期，在80年代和90年代有了很大的提高[1]。近年來(lái)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及參數(shù)整定方便，工業(yè)生產(chǎn)線中常采用傳統(tǒng)的PI/PID控制，但傳統(tǒng)的PI/PID控制很難滿足高精度和快速性的要求。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能，研究者們又提出了智能控制、模糊PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制等方法[2-3]。在糾偏控制系統(tǒng)回路中(包括位置環(huán)和速度環(huán))，位置環(huán)對(duì)擾動(dòng)以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性起主要作用，然而，目前存在的控制方法對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)抑制能力很弱，從而影響了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，限制了這些現(xiàn)存方法的實(shí)用性；因此，尋找一種有效的控制策略實(shí)現(xiàn)高精度、快速、有效的糾偏控制很有必要。

自抗擾控制(ADRC)技術(shù)的出現(xiàn)，給帶鋼糾偏控制帶來(lái)一種新的思路[4-5]。自抗擾控制技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，是一種響應(yīng)速度快、算法簡(jiǎn)單、精度高、適用范圍廣、抗干擾性強(qiáng)且不依賴于系統(tǒng)的模型的新型反饋線性化控制策略，理論上更適用于以抗干擾為主要任務(wù)的糾偏系統(tǒng)?；诖耍疚牟捎米钥箶_控制實(shí)現(xiàn)了高精度、高抗擾性的帶鋼糾偏系統(tǒng)的控制，并對(duì)該控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行證明，總結(jié)出基于帶寬法的參數(shù)整定方法，并將自抗擾控制器應(yīng)用到帶鋼糾偏系統(tǒng)仿真模型中，與工業(yè)PI控制器在跟蹤和抗干擾性能上進(jìn)行了比較分析，以驗(yàn)證該控制器設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 帶鋼處理線偏差校正系統(tǒng)模型

在帶鋼高速運(yùn)行過(guò)程中，一些外部因素(如速度、張力和溫度)的變化會(huì)引起帶鋼位置偏差，甚至發(fā)生斷帶現(xiàn)象，帶鋼糾偏控制系統(tǒng)主要就是針對(duì)帶鋼位置與設(shè)定值之間的偏差進(jìn)行糾正，使帶鋼運(yùn)行在中心位置。中心位置控制(Central Position Control，CPC)的穩(wěn)定性和抗干擾能力是實(shí)現(xiàn)帶鋼穩(wěn)定糾偏控制的前提，因此，為了實(shí)現(xiàn)帶鋼的穩(wěn)定控制，需要尋找一種有效的控制方法來(lái)隔離擾動(dòng)的影響。

1.1 系統(tǒng)分析

帶鋼偏差的修正是通過(guò)調(diào)節(jié)糾偏輥的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于電液伺服控制性能(輸出功率大和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短)優(yōu)于電伺服控制，因此，本文選擇電液伺服系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]已經(jīng)將電液伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于帶鋼糾偏控制系統(tǒng)中，控制框圖如圖1所示。

圖1 糾偏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 糾偏系統(tǒng)模型

1.2.1 液壓缸模型

本文研究的糾偏系統(tǒng)的液壓缸是一個(gè)伺服閥控制的單桿液壓缸。模型的建立包括液壓伺服閥的流量方程、液壓缸流量的連續(xù)性方程以及液壓缸與負(fù)載之間的力平衡方程[7]。

本文做如下假設(shè)：液壓油源恒壓；液壓伺服閥為零開(kāi)啟精確定心閥；忽略泄漏和泄漏對(duì)系統(tǒng)的影響。

1)液壓伺服閥的流量方程。方程為：

qL=kqxv-kcpL

(1)

式中，qL是負(fù)載流量；kq是流量增益；xv是閥門開(kāi)度；kc是流量壓力系數(shù)；pL是負(fù)載壓力。

2)液壓缸流量的連續(xù)性方程。方程為：

(2)

式中，Ap是液壓缸活塞的有效面積；xp是活塞位移；Vt是總壓縮量；βe是有效體積彈性模量。

3)液壓缸與負(fù)載之間的力平衡方程。方程為：

(3)

式中，mt是加到活塞上的總質(zhì)量；Bp是活塞和負(fù)載的粘滯阻尼系數(shù)；K是負(fù)載彈性剛度，F(xiàn)L是作用于活塞的負(fù)載流量。

對(duì)上述三部分模型進(jìn)行拉氏變換，得出：

(4)

由式4可以推導(dǎo)出液壓缸的傳遞函數(shù)為：

(5)

除去彈性負(fù)載，忽略負(fù)載的擾動(dòng)，式5可以寫成

(6)

在電液伺服系統(tǒng)中，xv不能直接測(cè)量，可由無(wú)負(fù)載流量間接表示為：

Q0=Kqxv

(7)

因此，液壓缸的傳遞函數(shù)為：

(8)

(9)

且需保證液壓缸的頻率：

(10)

1.2.2 電液伺服閥模型

本文研究的系統(tǒng)采用三位四通閥，電液伺服閥的固有頻率是23 Hz，液壓系統(tǒng)的固有頻率是24 Hz。當(dāng)電液伺服閥的固有頻率與液壓系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，電液伺服閥可以近似為1個(gè)二階振蕩連桿[8]，其傳遞函數(shù)為：

(11)

式中，Ksv是伺服閥的流量增益；ωsv是伺服閥固有頻率；ζsv是伺服閥的阻尼系數(shù)；Q0(s)是伺服閥的空載流量；I(s)是伺服閥的額定電流。

(12)

式11的頻域特性為：

(13)

式12的頻域特性為：

(14)

由伺服閥的額定流量Q(s)=6.67×10-4m3/s，伺服閥的額定電流I(s)=0.3 A，燃油壓力Ps=9 MPa，額定壓降Pn=7 MPa，可得：

(15)

根據(jù)糾偏系統(tǒng)的工作情況，查閱所選伺服閥參數(shù)可知：ζsv=0.7，ωsv=144，代入式12，可得：

(16)

1.2.3 傳感器模型

1)帶鋼位置傳感器。帶鋼位置傳感器的范圍為0～500 mm，輸出電壓為-10～10 V。帶鋼位置傳感器可以看成是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，則其模型為：

(17)

2)液壓缸活塞位移傳感器。由于位移傳感器的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)中元件的固有頻率，所以把位移傳感器近似看成比例環(huán)節(jié)。Lw為液壓缸活塞的有效行程，Lw=500 mm，和帶鋼位置傳感器范圍一致；位移傳感器的輸出電壓為-10～10 V，用Iw表示。則液壓缸活塞位移傳感器模型為：

(18)

1.2.4 糾偏輥模型

由于比例積分效應(yīng)糾偏輥應(yīng)用廣泛，本文將其作為實(shí)例來(lái)分析糾偏輥模型的傳遞函數(shù)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，比例積分效應(yīng)糾偏輥有最大旋轉(zhuǎn)角度，取為5°。如上所述，液壓缸活塞杠的有效行程為500 mm。將液壓缸活塞位移和糾偏輥的旋轉(zhuǎn)角度近似看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，則：

(19)

在這里，選取積分效應(yīng)糾偏輥為例，帶鋼偏差可以簡(jiǎn)化為：

(20)

由于偏差角很小，且sinα≈α，則：

(21)

對(duì)式21求導(dǎo)并進(jìn)行拉氏變換，得到：

(22)

式中，v=150 m/min；d=0.1 m；h=1 m。由式19和式22可得，糾偏輥的傳遞函數(shù)為：

(23)

綜上所述，結(jié)合每部分模型的傳遞函數(shù)得到帶鋼糾偏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 帶鋼糾偏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合式9和式12，可以得到：

(24)

由于典型I型系統(tǒng)的超調(diào)性能優(yōu)于典型II型系統(tǒng)，但其抗擾性弱，所以，內(nèi)環(huán)采用I型控制器，即PID控制策略，傳遞函數(shù)為：

WPD(s)=K2p(1+τds)

(25)

取微分時(shí)間常數(shù)τd=2ζh/ωh，則內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(26)

外環(huán)(位置環(huán))采用抗擾性強(qiáng)的自抗擾控制器，這樣既實(shí)現(xiàn)了小超調(diào)量，又達(dá)到了抗擾性的目的。

2.1 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

典型的自抗擾控制器組成包括1個(gè)跟蹤微分器(TD)、1個(gè)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)、狀態(tài)誤差反饋(SEF)和擾動(dòng)補(bǔ)償項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中，不需要TD環(huán)節(jié)，且為了減少控制器參數(shù)，常采用線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)，即線性狀態(tài)誤差反饋(LSEF)和線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(LESO)。

根據(jù)傳遞函數(shù)(式26)，設(shè)計(jì)1個(gè)二階線性自抗擾控制器，控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將被控對(duì)象(式26)轉(zhuǎn)化成如下形式：

(27)

(28)

對(duì)于式28，按照自抗擾控制的設(shè)計(jì)方法，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器用于系統(tǒng)狀態(tài)和總擾動(dòng)的估計(jì)，其結(jié)構(gòu)為：

(29)

式中，β1,β2,β3為需要確定的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)。

狀態(tài)誤差反饋控制律為：

(30)

式中，kp、kd、b0為控制器參數(shù)；r為參考輸入。

2.2 自抗擾控制器穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)應(yīng)用的最基本條件之一，針對(duì)自抗擾控制器的穩(wěn)定性目前也有很多研究[9-13]。本文將針對(duì)二階線性自抗擾控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

結(jié)合式28和式29，可以得到觀測(cè)器誤差為：

(31)

(32)

很明顯，閉環(huán)系統(tǒng)是有界輸入有界輸出(BIBO)穩(wěn)定的，如果式32的特征值都具有負(fù)實(shí)部，則閉環(huán)系統(tǒng)的特征值滿足：

(33)

(34)

也就是說(shuō)，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由式34所示的特征多項(xiàng)式?jīng)Q定的。為了便于分析，令：

(35)

可見(jiàn)，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和自抗擾控制閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由帶寬ω0和ωc決定的。根據(jù)項(xiàng)z3/b0可以得出，控制增益b0能夠補(bǔ)償系統(tǒng)擾動(dòng)項(xiàng)，且大量研究表明，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定域?qū)?huì)隨著b0的增大而增大。

2.3 參數(shù)整定方法

由式33可以看出，觀測(cè)器帶寬ω0、控制器帶寬ωc以及控制增益b0需要整定。

(36)

綜上得出該二階控制器的參數(shù)整定過(guò)程為：1)給定ts，令k=4，根據(jù)式37，確定kp、kd；2)根據(jù)式38，計(jì)算β1、β2、β3；3)反復(fù)調(diào)節(jié)b0，直至滿足系統(tǒng)要求，結(jié)束。

3 仿真實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性，下述將從跟蹤性能和抗擾性能方面進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PID與ADRC仿真參數(shù)

3.1 跟蹤性能

當(dāng)不加入任何擾動(dòng)時(shí)，設(shè)定值為400，跟蹤性能如圖4所示。從圖4中可以明顯看出，本文提出的控制系統(tǒng)的跟蹤性能優(yōu)于PID控制方法。具體的性能比較見(jiàn)表2。

表2 PID與ADRC控制跟蹤性能比較

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)跟蹤性能

3.2 抗擾性能

當(dāng)t=5 s時(shí)，增加1個(gè)控制輸入擾動(dòng)u1=10時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)如圖5所示。當(dāng)增加1個(gè)正弦擾動(dòng)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)如圖6所示。從圖5和圖6可以看出，自抗擾控制方案的抗擾性優(yōu)于PID控制。圖5中，當(dāng)加入1個(gè)控制輸入擾動(dòng)時(shí)，需要大約0.4 s恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調(diào)量很小；而PID控制方法需要1.3 s恢復(fù)到原穩(wěn)定狀態(tài)，且超調(diào)量很大。圖6中，當(dāng)加入正弦擾動(dòng)時(shí)，自抗擾控制方案以很小的誤差在穩(wěn)定狀態(tài)上下波動(dòng)；而PID控制的振蕩很明顯。

圖5 具有控制輸入擾動(dòng)的位置糾偏控制響應(yīng)

圖6 具有正弦擾動(dòng)的位置糾偏控制響應(yīng)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自抗擾控制的抗擾性，加入1個(gè)白噪聲擾動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)如圖7所示。從圖7可以看出，自抗擾控制方案效果優(yōu)于PID控制方法。

圖7 具有白噪聲擾動(dòng)的位置糾偏控制響應(yīng)

綜上所述，本文提出的雙閉環(huán)自抗擾控制方案能夠有效地控制帶鋼糾偏系統(tǒng)，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)帶鋼糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)自抗擾控制方案，用于實(shí)現(xiàn)帶鋼跑偏糾正。設(shè)計(jì)了1個(gè)二階線性自抗擾控制器用于位置外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用PID控制；并證明了自抗擾控制閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，總結(jié)出了控制參數(shù)整定規(guī)則，提高了所設(shè)計(jì)控制方案的實(shí)用性；對(duì)帶鋼糾偏系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了自抗擾控制方案的有效性，且具有很強(qiáng)的抗擾性能。

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