CN101362153A - 一种轧机液压agc系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧机液压AGC系统及其控制方法，整个系统以外环闭环和内环单闭环两者相结合的内外环双闭环方式连接而成，以测厚仪作为反馈元件，将测厚仪反馈值与厚度给定值的偏差信号先输入到基于Smith预估器功能的PID控制器再输入到内环单闭环中的PID控制器；将位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪反馈值的偏差信号输入到PID控制器；PID控制器将这些信号由控制模块进行处理，使用触摸屏HMI设置和显示系统各参数，操作和监控各步骤，本发明引入基于Smith预估器功能的PID控制的策略，测厚仪的反馈响应速度快，显著提高了系统的控制精度和稳定性，安装和调试简单、操作方便、运行可靠。

Description

一种轧机液压AGC系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种金属压延技术，特别涉及一种用于轧制板材的轧机液压板厚自动控制(AGC)系统及其控制方法。

背景技术

随着用户对冷轧板带的质量要求不断提高，轧机液压控制系统的精度也需要继续提高，作为消除来料厚差的重要手段，液压板厚自动控制(AGC)系统对于提高板带材的成品精度起着至关重要的作用。目前的轧机液压AGC系统包括依次串联的放大器、伺服阀和液压缸；还包括并联在一起的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪，采用机架后测厚仪进行反馈。这种控制方法的缺陷是：滞后十分大。特别是低速轧制时，从变形区出口运行到测厚仪往往要几百毫秒，大滞后的反馈容易使系统不稳定，而且也影响控制精度，因此，在轧制板材过程中，如何消除由于系统时滞所带来的影响是一个急切需要解决的问题，此问题的有效解决对于提高轧制生产率、保证板材质量是尤其重要的。

在控制方法领域，现有技术应用最为广泛的调节器为PID控制器(闭环控制模块)，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，最适合用PID控制技术。现有技术中基于专家系统的传统的Smith预估控制器(由施密斯提出的一种纯滞后补偿模型)，大幅度降低滞后对控制系统动态性能的影响，比一般的PID控制具有更优的动态特性和鲁棒性。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供了一种响应速度快的轧制板材的轧机液压AGC系统，本发明还提供了一种精度高的轧机液压AGC系统的控制方法。

本发明的一种轧机液压AGC系统采用的技术方案是：依次串联的放大器、伺服阀和液压缸；还包括并联在一起的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪，其特征是：整个系统以外环闭环和内环单闭环两者相结合的内外环双闭环方式连接而成；将放大器的前端串接PID控制器，使并联的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪以及依次串联的PID控制器、放大器，伺服阀、液压缸组成内环单闭环；将测厚仪连接到基于Smith预估器功能的PID控制器的输入端、再将该基于Smith预估器功能的PID控制器的输出作为所述内环单闭环的输入连到PID控制器组成外环闭环；Smith预估器和PID控制器由可编程控制器PLC软件实现，可编程控制器PLC连接上位机图形化触摸屏HMI。

本发明的一种轧机液压AGC系统的控制方法采用的技术方案是依次包括如下步骤：

(1)依据轧机两侧轧制力和油柱差的情况确定轧机的辊缝零位，使轧辊保持平行，通过调零模块将辊缝零位作为板材厚度给定值；

(2)以测厚仪作为反馈元件，将测厚仪反馈值与所述厚度给定值的偏差信号先输入到基于Smith预估器功能的PID控制器再输入到内环单闭环中的PID控制器；将位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪反馈值的偏差信号输入到PID控制器；

(3)PID控制器将这些信号由控制模块进行处理，可编程控制器PLC的算法是基于Smith预估器功能的PID算法，使得系统闭环传递函数的分母中不包含滞后环节，对时滞进行补偿，使延迟了的被控变量超前反映到PID控制器；具体算法如下：

设轧机的传递函数为G_k(s)＝G_p(s)e^-τs，其中G_p(s)为轧机中不含纯滞后的部分，e^-τs为时延部分；G_c(s)表示PID控制器，则系统传递函数 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}},$ 系统闭环传递函数的分母中含滞后环节，于是在实际对象并联一个模型G_p(s)(1—e^-τs)，使得系统闭环传递函数变为 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)};$

(4)从PID控制器输出的模拟量再输入到放大器中，放大器将模拟信号放大，伺服阀根据放大器传来的信号而动作，以此调节液压缸。

本发明将现有技术中广泛使用的PID控制器和传统的Smith预估控制器相结合，也即引入基于Smith预估器功能的PID控制的策略，采用液压系统与其相结合的内外环双闭环方法控制轧制板材的工艺流程，使得测厚仪的反馈响应速度快，显著提高了系统的控制精度和稳定性，安装和调试简单、操作方便、运行可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明主要硬件部分的连接示意图；

图2是本发明基于Smith预估器功能的PID控制器原理图；

图3是上位机图形化触摸屏HMI的ProTool(V6.0)软件主界面；

图4是ProTool(V6.0)软件工艺参数设定画面；

图5是ProTool(V6.0)软件记录曲线分析浏览画面。

具体实施方式

如图1所示本发明硬件部分包括依次串联的放大器、伺服阀和液压缸；PID控制器串接在放大器的前端。位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪并联在一起。如图2所示，将Smith预估器和PID控制器并入可编程控制器PLC中并且一端连接给定值的输入端，另一端连接时滞对象，可编程控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，目前通用在工业环境应用而设计的。整个系统以外环闭环和内环单闭环两者相结合的内外环双闭环方式连接而成；具体是：将放大器的前端串接PID控制器，使并联的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪以及依次串联的PID控制器、放大器，伺服阀、液压缸组成内环单闭环；将测厚仪连接到基于Smith预估器功能的PID控制器的输入端、再将该基于Smith预估器功能的PID控制器的输出作为所述内环单闭环的输入连到PID控制器组成外环闭环；Smith预估器和PID控制器由可编程控制器PLC软件实现，可编程控制器PLC连接上位机图形化触摸屏HMI，构成了典型的计算机控制系统。该系统中的放大器是用于将控制模板产生的模拟信号放大的，伺服阀是接受放大器传来的信号而动作的，液压缸连接伺服阀，位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪可输入脉冲信号给PID控制器，测厚仪将给定值输入基于Smith预估器功能的PID控制器中。PLC采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算。

本发明的可编程控制器PLC的底层控制采用编程组态软件STEP7(V5.2)进行程序设计，通过将程序下载到S7-400PLC，实现对采样信号进行快速、可靠的处理；在HMI部分，通过ProTool(V6.0)的图形化程序设计，将程序下载到TP270-10触摸屏，实现对工艺流程的控制和实时数据的显示。PLC和图形化触摸屏HMI之间采用MPI(多点)的通讯方式，通过对HMI画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义，实现HMI上相关元件对应的暂存器对PLC存储单元的读写。实施时采用由SIEMENS公司(西门子公司)的型号为S7-400可编程控制器PLC和型号为TP-270-10触摸屏HMI实现。可编程控制器PLC的底层控制采用SIEMENS公司的编程组态软件STEP7(V5.2)，图形化触摸屏软件采用ProTool(V6.0)设计开发，其中ProTool(V6.0)是目前通用的以电脑为基础的数字化音乐系统，版本为6.0，可用于图形化触摸屏HMI。

本发明的编程组态SETP7软件的主要功能模块包括调零模块、预压靠模块和控制模块；主要模块功能说明如下：

(1)调零模块。在每次开始工作之前，或更换工作辊、支撑辊之后都必须依据轧机两侧轧制力和油柱差的情况重新确定轧机的辊缝零位，目的是使轧辊保持平行，并将辊缝零位作为板材厚度控制的基准点。

(2)预压靠模块。由于轧辊在轧制过程中存在机械挤压，导致一定的弹性形变，预压靠模块就是针对这种情况的而设计的，在冷轧机系统第一次运行时必须要执行。通过压力单闭环控制，可以测出轧机的辊缝补偿表，为以后的位置单双闭环控制提供弹性形变补偿。

(3)控制模块。控制模块包括位置和压力单闭环、位置AGC、压力AGC、张力AGC和速度AGC双闭环控制模块，为本系统的核心部分。特别的，在双闭环控制方式下的外环采用基于Smith预估功能的PID控制器。

本发明的ProTool(V6.0)软件主要功能模块包括现场控制操作模块和工艺流程的参数设置和显示模块：主要模块功能说明如下：

(1)现场控制操作模块。通过在触摸屏HMI进行操作，可以很方便地对轧机进行各种操作，包括调零、预压靠、开辊缝、闭辊缝、油缸和厚度控制操作。

(2)工艺流程的参数设置和显示模块。通过在触摸屏进行操作，可以很容易地对轧机的各项参数进行设置和显示，包括出口厚度、辊缝值、压力值、张力值、速度值、PID参数和采样周期等参数。

本发明的硬件构成主要由可编程控制器PLC、触摸屏、同位素测厚仪、位置传感器、压力传感器、张力传感器、测速仪、电液伺服阀和液压缸等，各设备选用情况列于下表：

 

设备名称：	产品型号：	生产厂家：
			可编程控制器	S7—400	德国SIEMENS
触摸屏	TP-270-10	德国SIEMENS
			同位素测厚仪	HDY5023	大连核工业应用研究所
位置传感器	MD50-4N	日本SONY
			压力传感器	P9073	美国SCHAEVITZ
张力传感器	SMGZ轴承座式	瑞士FMS公司

 

测速仪	Speed Model 3000	荷兰BETA(TSI)
			电液伺服阀	FF106A	中国航空研究院609所
液压缸	Φ150-235	广州珠江钢铁股份有限公司

本发明的控制方法是：操作人员使用触摸屏HMI设置和显示系统各参数，操作和监控各步骤，通过对触摸屏HMI的操作实现对系统整个工艺流程的监控使用。如图3所示，在此界面的左右两端，提供了多种控制方式，包括厚度控制方式、油缸控制方式和辅助控制方式；在此界面的中心部分，显示了工艺流程中的主要参数，包括辊缝值、轧制压力、倾斜程度、轧制速度、卷取张力、开卷张力、开卷电流、卷取电流和主机电流等。操作人员可以通过触摸按钮，可以切换到各子界面，进一步掌握系统的工作情况，或进行参数设定与修改。如图4所示，操作人员在此界面可以对重要工艺参数进行初始化设置，包括调零压力设置、开辊位置设定、预压靠压力初值、预压靠压力增量和弹跳形变值等。如图5所示，此界面给出了重要工艺参数——板材厚度的实时曲线，操作人员可以通过曲线看出整个工艺的趋势。显示时，实时曲线在每个时间单位内一次只从PLC读取一个值，并添加至操作单元上显示曲线。界面设置了对曲线趋势图进行操作的按钮，可以对曲线进行前进、后退等操作。

在系统第一次运行时必需执行预压靠模块，采用内环单闭环控制方法以压力传感器测出轧机的辊缝补偿值以提供弹性形变补偿。依据轧机两侧轧制力和油柱差的情况确定轧机的辊缝零位，使轧辊保持平行，通过调零模块将辊缝零位作为板材厚度给定值；以测厚仪作为反馈元件，将测厚仪反馈值与所述厚度给定值的偏差信号先输入到基于Smith预估器功能的PID控制器再输入到内环单闭环中的PID控制器；将位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪反馈值的偏差信号输入到PID控制器；上述这种内外环双闭环控制方法适用于轧制板材的厚度误差精度为0.01mm，当轧制板材的厚度误差精度为0.1mm时，只采用内环单闭环控制方法。由于系统存在时滞，内外环双闭环回路的外环采用具有Smith预估器功能的PID控制器，内环单闭环控制方法采用一般类型的PID控制器。通过内环偏差的快速调节，再加上外环中测厚仪的反馈作用，液压AGC系统能够得到较好的控制效果和稳定性。

PID控制器将这些信号由控制模块进行处理，可编程控制器PLC的算法是基于Smith预估器功能的PID算法，该算法是一种广泛用于时滞系统的控制方法，其基本思想是：通过引入适当的反馈环节，使得系统闭环传递函数的分母中不包含滞后环节，即通过对时滞进行补偿，使其提前动作，从而抵消掉时滞特性造成的影响，使延迟了的被控变量超前反映到PID控制器；具体算法如下：

设轧机的传递函数为G_k(s)＝G_p(s)e^-τs，其中G_p(s)为轧机中不含纯滞后的部分，e^-τs为时延部分；G_c(s)表示PID控制器，则系统传递函数 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}},$ 系统闭环传递函数的分母中含滞后环节，于是在实际对象并联一个模型G_p(s)(1—e^-τs)，使得系统闭环传递函数变为 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)}.$

将PID控制器输出的经算法后的模拟量再输入到放大器中，放大器将模拟信号放大，伺服阀根据放大器传来的信号而动作，可连续调节液压缸。

本发明通过对测厚仪、位移传感器和压力传感器等相应参数的连续测量，连续调整压下缸位移、压力以及张力或轧制速度等，控制板带材的厚差，可完成如下功能：

(1液压缸位置闭环，随轧制条件变化及时准确地控制压下位移。

(2)轧制压力闭环，通过控制轧制压力来达到控制厚度的目的。

(3)测厚仪监控闭环，消除轧辊磨损、热膨胀及设定值误差等的影响。

Claims (7)

1.一种轧机液压AGC系统，包括测厚仪；依次串联的放大器、伺服阀和液压缸；还包括并联在一起的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪，其特征是：整个系统以外环闭环和内环单闭环两者相结合的内外环双闭环方式连接而成；将放大器的前端串接PID控制器，使并联的位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪以及依次串联的PID控制器、放大器，伺服阀、液压缸组成内环单闭环；将测厚仪连接到基于Smith预估器功能的PID控制器的输入端、再将该基于Smith预估器功能的PID控制器的输出作为所述内环单闭环的输入连到PID控制器组成外环闭环；Smith预估器和PID控制器由可编程控制器PLC软件实现，可编程控制器PLC连接上位机图形化触摸屏HMI。

2.根据权利要求1所述的一种轧机液压AGC系统，其特征是：可编程控制器PLC的底层控制采用编程组态软件STEP7(V5.2)，图形化触摸屏HMI采用ProTool(V6.0)设计，PLC和HMI之间采用多点的通讯方式，通过对HMI画面上所设元件属性和与PLC的数据交换地址的定义，实现HMI上相关元件对应的暂存器对PLC存储单元的读写。

3、根据权利要求2所述的一种轧机液压AGC系统，其特征是：所述的SETP7软件主要的功能模块包括调零模块、预压靠模块和控制模块；ProTool软件主要的功能模块包括现场控制操作模块、工艺流程的参数设置和显示模块。

4.一种轧机液压AGC系统的控制方法，其特征是依次包括如下步骤：

(1)依据轧机两侧轧制力和油柱差的情况确定轧机的辊缝零位，使轧辊保持平行，通过调零模块将辊缝零位作为板材厚度给定值；

(2)以测厚仪作为反馈元件，将测厚仪反馈值与所述厚度给定值的偏差信号先输入到基于Smith预估器功能的PID控制器再输入到内环单闭环中的PID控制器；将位置传感器、压力传感器、张力传感器和测速仪反馈值的偏差信号输入到PID控制器；

(3)PID控制器将这些信号由控制模块进行处理，可编程控制器PLC的算法是基于Smith预估器功能的PID算法，使得系统闭环传递函数的分母中不包含滞后环节，对时滞进行补偿，使延迟了的被控变量超前反映到PID控制器；具体算法如下：

设轧机的传递函数为G_k(s)＝G_p(s)e^-τs，其中G_p(s)为轧机中不含纯滞后的部分，e^-τs为时延部分；G_c(s)表示PID控制器，则系统传递函数 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}},$ 系统闭环传递函数的分母中含滞后环节，于是在实际对象并联一个模型G_p(s)(1—e^-τs)，使得系统闭环传递函数变为 $G\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}{1+G_c\left(s\right)G_p\left(s\right)};$

(4)从PID控制器输出的模拟量再输入到放大器中，放大器将模拟信号放大，伺服阀根据放大器传来的信号而动作，以此调节液压缸。

5.根据权利要求4所述的一种轧机液压AGC系统的控制方法，其特征是：步骤(2)中的内外环双闭环控制方法适用于轧制板材的厚度误差精度为0.01mm，当轧制板材的厚度误差精度为0.1mm时，只采用内环单闭环控制方法。

6.根据权利要求4所述的一种轧机液压AGC系统的控制方法，其特征是：系统第一次运行时在步骤(1)前执行预压靠模块，采用内环单闭环控制方法以压力传感器测出轧机的辊缝补偿值以提供弹性形变补偿。

7.根据权利要求4～6任一所述的一种轧机液压AGC系统的控制方法，其特征是：使用触摸屏HMI设置和显示系统各参数，操作和监控各步骤。

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