CN111036685B - 基于改进预估补偿的监视厚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，采用一阶惯性模型预测不包含延时的出口厚差；使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度，并与出口测厚仪测量值相比较，然后进行滤波得到延时后模型误差；计算比例积分控制器的初始优化参数，并根据现场条件自适应调节，然后依据总误差计算监视AGC控制量。本发明在预测出口厚差的反馈通道中加入了滤波器，通过设计合适的滤波器，可增强系统稳定性，相比Smith预估补偿方法可明显降低系统对模型精度的要求，使得在整个轧制过程中监视AGC都能保持良好的控制性能。

Description

基于改进预估补偿的监视厚度控制方法

技术领域

本发明属于轧钢控制技术领域，具体涉及一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法。

背景技术

在单机架可逆冷轧机中，为了改善带钢的纵向公差，提高产品厚度命中率，国内外对轧机自动厚度控制系统进行了大量的研究。目前最常用的厚度控制方法是通过在轧机机架后配置测厚仪对带钢的实际厚度进行测量，进而通过调节轧机的液压辊缝来对带钢厚度进行反馈控制。这种厚度控制方法称为监视AGC(Monitor Automatic Gauge Control)。但由于轧机结构的限制，测厚仪一般安装在距离轧机辊缝一定距离的地方，这样实际轧出厚度的波动必须要经过一段滞后时间才能得到，这个滞后时间对控制系统性能是极为不利的。

为解决滞后对控制系统性能的影响，Smith预估补偿方法是应用最广泛的方法之一。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了一定时间的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。根据系统仿真结果，在理想状态下(即模型完全准确的情况下)，Smith预估补偿方法可以消除纯滞后对系统控制品质的影响，使调节过程的品质与过程无滞后环节时的情况一样，效果十分显著。但在实际使用中，Smith预估补偿方法对预估模型的误差十分敏感，当模型失准的时候性能下降很快，严重时系统会发生不稳定的渐扩振荡。而且理论分析可以看出，Smith预估器对负荷扰动无所助益。

在轧机的监视AGC中，轧制过程是一个多因素多干扰的复杂过程，对轧制动态特性的建模不可能是精确的，而且在一个道次中带钢的速度会发生多次变化，从轧机辊缝到测厚仪的传输时间(即延时时间)是个变化的量，这些都使得传统Smith预估方法难以保证稳定性，且难以取得好的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，使得在整个轧制过程中监视AGC都能保持良好的控制性能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10、采用一阶惯性模型预测不包含延时的出口厚差；

S20、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度，并与出口测厚仪测量值相比较，然后进行滤波得到延时后模型误差；

S30、计算比例积分控制器的初始优化参数，并根据现场条件自适应调节，然后依据总误差计算监视AGC控制量。

按上述方案，所述的S10具体包括：

S101、设计一阶惯性模型的参数；

采用一阶惯性模型预测辊缝调节量对轧出厚度的影响，其传递函数为：

式中，C_P为模型增益系数，T_P为模型的惯性时间参数；

S102，根据一阶惯性模型计算不包含延时的预测出口厚差；

h_P(n)＝TPM1[H_act(n)]-U(n)×G_P(s)

e_P(n)＝h_set-h_P(n)

式中，n表示当前时刻；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度；H_act(n)为当前时刻入口厚度实际值；TPM1表示采用了第一同步传输模型将入口测厚仪测量的入口厚度延时传输至轧机辊缝处，延时后得到的入口厚度记为TPM1[H_act(n)]；U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差；h_set为出口厚度设定值。

按上述方案，所述的

式中，C_S为轧机刚度系数，C_M为带钢塑性系数，L_thg为轧机辊缝至出口测厚仪的距离，V_exit为带钢出口速度。

按上述方案，所述的S20具体包括：

S201、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度；

采用第二同步传输模型TPM2来完成延时功能，延时后得到的出口厚度设为h_P,del(n)，即h_P,del(n)＝TPM2[h_P(n)]；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度；

S202、与出口测厚仪测量值比较获得预测出口厚差；

将延时到出口测厚仪处的出口厚度同出口测厚仪测量的出口厚度相比较，得到预测出口厚差：

e_T(n)＝h_thg(n)-h_P,del(n)

式中，h_thg(n)为当前时刻出口测厚仪测量厚度；e_T(n)为当前时刻的预测出口厚差；

e_T(n)既包含了模型不准确造成的预测值误差，还包含了控制过程中外部干扰造成的出口厚度误差；

S203、设计滤波器参数并对预测出口厚差进行滤波得到延时后模型误差；

在预测出口厚差的反馈回路中加入如下式的滤波器：

式中，F(s)为滤波器传递函数，T₁和T₂为滤波器时间参数，根据系统延时和液压压下响应时间可进行调节；

将当前时刻的预测出口厚差e_T(n)通入滤波器进行滤波，即得到延时后模型误差e_S(n)，即：

e_S(n)＝e_T(n)×F(s)。

按上述方案，所述的S30具体为：

S301，计算比例积分控制器的初始优化参数；

采用比例积分控制器作为系统的主控制器，计算比例积分控制器的初始的比例系数和积分时间系数，并给定开环系统幅值穿越频率和相角裕量；

S302，根据现场工况自适应调节PI参数；

采用以下调节公式：

式中，a为厚差自适应系数，b₁和b₂则为速度自适应系数，a根据出口厚差实际值自适应调节，b₁和b₂根据出口速度自适应调节；K_P,ini和T_I,ini为初始的比例系数和积分时间系数；总的调节方向是出口厚差越大则比例系数K_P越大，出口速度越大则减小K_P，同时减小积分时间参数T_I；

S303，依据总误差计算控制量；

总误差E为不带延时的模型误差和延时后模型误差之和，然后采用上述优化参数的PI控制器计算，得到该监视AGC方法的控制量；

U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_S(n)为延时后模型误差，e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差。

本发明的有益效果为：

1、在预测出口厚差的反馈通道中加入了滤波器，通过设计合适的滤波器，可增强系统稳定性，相比Smith预估补偿方法可明显降低系统对模型精度的要求，使得在整个轧制过程中监视AGC都能保持良好的控制性能。

2、本发明中使用了同步传输模型TPM(Transport Model)来实现带钢参数的同步传输，克服了Smith预估补偿方法难以处理变化的延时时间的不足。即使用移位寄存器来存储输入的参数值，当前时刻的参数值放入寄存器第一个位置，随着参数值对应的物体运行，该参数值也随之在寄存器中往前移动，当相应的物体运行完传输距离的同时，将该参数值输出。本同步传输模型的特点是考虑了带钢速度可能会发生变化，在速度任意变化的情况下仍能精确地实现同步传输。

3.在计算比例积分控制器初始优化参数时既考虑了系统稳定性也考虑了响应的快速性，在轧制过程中PI参数还可随出口厚度和出口速度自适应调整，确保了在整个轧制过程中都取得良好的控制性能。

附图说明

图1为一个单机架可逆轧机的厚度控制系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例的控制原理图。

图中：入口卷取机1，第一转向辊2，第一测厚仪3，液压缸4，带钢5，六辊轧机6，PLC控制器7，第二测厚仪8，第二转向辊9，出口卷取机10，比例积分控制器11，监控AGC的被控对象12，轧制模型13，第一同步传输模型14，第二同步传输模型15，滤波器16。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一个单机架可逆轧机的厚度控制系统的结构如图1所示，当前轧制方向为从左往右，下一道次将从右往左，然后再反向这样反复轧制。在当前道次下，带钢5从入口卷取机1上启动，通过第一转向辊2然后在一个六辊轧机6中轧制，液压缸4提供轧制力，再通过第二转向辊9，最后卷取在出口卷取机10上。机组配置有第一第二测厚仪3和8，分别测量入口和出口带钢厚度。所有的轧制工艺控制功能通过在PLC控制器7中编程完成，具体的控制功能主要包含有厚度控制、液压辊缝控制、张力控制、传动控制、弯辊窜辊控制、板形控制等。厚度控制系统计算出轧机辊缝的调节量，通过液压辊缝控制系统调节液压缸的压下行程实现。

图2为本发明一实施例的控制框图，将比例积分控制器11作为系统主控制器；监控AGC的被控对象12代表带钢轧制的实际过程；本方法将带钢轧制过程与带钢传输过程(从轧机辊缝处传输至出口测厚仪处)分开来建模处理，其中轧制模型13为简化的轧制过程传递函数模型，可根据控制量计算轧制过程产生的压下量，第一同步传输模型14为模拟带钢从入口测厚仪传输至轧机辊缝处的同步传输模型，使用该模型将入口测厚仪测量的入口厚度延时至轧机辊缝处，减去轧制模型13计算的压下量就得到预测的带钢出口厚度，将其与出口厚度设定值比较即可得到不包含延时的模型误差；第二同步传输模型15为模拟带钢从轧机辊缝处传输至出口测厚仪处的同步传输模型，使用该模型将预测出口厚度延时到出口测厚仪处，同出口测厚仪测量厚度相比较，即可得到延时后的预测出口厚差，该误差通过一个滤波器16反馈回去，同不包含延时的模型误差共同组成总误差E；比例积分控制器11依据总误差即可计算得到监控AGC的控制量。

本发明提供一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，包括以下步骤：

S10、采用一阶惯性模型预测不包含延时的出口厚差。

S101、设计一阶惯性模型的参数；

采用一阶惯性模型预测辊缝调节量对轧出厚度的影响，其传递函数为：

式中，C_P为模型增益系数，T_P为模型的惯性时间参数。

本实施例中，所述的

式中，C_S为轧机刚度系数，C_M为带钢塑性系数，L_thg为轧机辊缝至出口测厚仪的距离，V_exit为带钢出口速度。

S102，根据一阶惯性模型计算不包含延时的预测出口厚差；

h_P(n)＝TPM1[H_act(n)]-U(n)×G_P(s)

e_P(n)＝h_set-h_P(n)

式中，n表示当前时刻；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度；H_act(n)为当前时刻入口厚度实际值；TPM1表示采用了第一同步传输模型将入口测厚仪测量的入口厚度延时传输至轧机辊缝处，延时后得到的入口厚度记为TPM1[H_act(n)]；U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差；h_set为出口厚度设定值。

因为轧机的轧制过程发生在辊缝处，而入口测厚仪距离轧机辊缝还有一段距离，两者在时间上不同步，所以这里采用了第一同步传输模型将入口测厚仪测量的入口厚度延时传输至轧机辊缝处。同步传输模型可在带钢入口速度任意变化的情况下，仍能精确地将跟踪的带钢段从入口测厚仪处同步延时至辊缝处，同步传输模型的相关内容可参见中国专利CN102380515B。

S20、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度，并与出口测厚仪测量值相比较，然后进行滤波得到延时后模型误差。

S201、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度；

为了能与出口测厚仪的测量厚度相比较，需要将预测出口厚度h_P(n)从辊缝处延时至出口测厚仪处，这里采用了第二同步传输模型TPM2来完成延时功能，延时后得到的出口厚度设为h_P,del(n)，即h_P,del(n)＝TPM2[h_P(n)]；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度。

S202、与出口测厚仪测量值比较获得预测出口厚差；

将延时到出口测厚仪处的出口厚度同出口测厚仪测量的出口厚度相比较，得到预测出口厚差：

e_T(n)＝h_thg(n)-h_P,del(n)

式中，h_thg(n)为当前时刻出口测厚仪测量厚度；e_T(n)为当前时刻的预测出口厚差；

e_T(n)既包含了模型不准确造成的预测值误差，还包含了控制过程中外部干扰造成的出口厚度误差。

S203、设计滤波器参数并对预测出口厚差进行滤波得到延时后模型误差。

在预测出口厚差的反馈回路中加入合适的滤波器，可提高系统的稳定性，且可明显降低对模型精度的要求，有利于改善系统的控制性能。本实施例中，在预测出口厚差的反馈回路中加入如下式的滤波器：

式中，F(s)为滤波器传递函数，T₁和T₂为滤波器时间参数，根据系统延时和液压压下响应时间可进行调节；在本实施例中，选择T₁＝0.2s，T₂＝0.5s。

将当前时刻的预测出口厚差e_T(n)通入滤波器进行滤波，即得到延时后模型误差e_S(n)，即：

e_S(n)＝e_T(n)×F(s)。

S30、计算比例积分控制器的初始优化参数，并根据现场条件自适应调节，然后依据总误差计算监视AGC控制量。

S301，计算比例积分控制器的初始优化参数；

采用比例积分控制器作为系统的主控制器，计算比例积分控制器的初始的比例系数和积分时间系数，并给定开环系统幅值穿越频率和相角裕量。

采用PI控制器作为系统的主控制器，在整定PI控制器初始参数时既要保有一定的稳定裕量还要考虑系统的快速性，以在稳定的前提下尽可能快速地使出口厚度达到设定值。在本实施例中，采用了给定开环系统幅值穿越频率的方法确保系统快速性(穿越频率越高则系统响应越快速)，同时还给定了相角裕量参数确保系统的稳定性。具体来说，在综合考虑快速跟随性和稳定性时取一个平衡点，给定幅值穿越频率为15.4rad/s，给定相角裕量为60°，经计算得到优化后的比例积分参数的初始值分别为：

K_P,ini＝2.47,T_I,ini＝3.71s

式中，K_P,ini和T_I,ini为初始的比例系数和积分时间系数。

S302，根据现场工况自适应调节PI参数；

采用以下调节公式：

式中，a为厚差自适应系数，b₁和b₂则为速度自适应系数，a根据出口厚差实际值自适应调节，b₁和b₂根据出口速度自适应调节；总的调节方向是出口厚差越大则比例系数K_P越大，出口速度越大则适当减小K_P，同时适当减小积分时间参数T_I。

S303，依据总误差计算控制量；

总误差E为不带延时的模型误差和延时后模型误差之和，然后采用上述优化参数的PI控制器计算，得到该监视AGC方法的控制量；

U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_S(n)为延时后模型误差，e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差。

经过上述步骤，最终得到监视AGC的控制量(辊缝调节量)，将计算的调节量通往液压压下环节中，调节液压缸的压下位置，就完成了这种监视AGC方法。

本实施例提出的一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，首先采用一阶惯性模型模拟轧制过程计算出压下量，然后将入口测厚仪测量的入口厚度使用同步传输模型1延时至轧机辊缝处，减去压下量即得到不包含延时的出口厚度，进而求得不包含延时的出口厚差；再使用同步传输模型2将模型预测出口厚度延时至出口测厚仪处并同出口测厚仪测量厚度相比较，然后进行滤波得到延时后模型误差；不包含延时的出口厚差加上延时后的模型误差得到总误差，通入PI控制器计算出监视AGC的控制量。最终将PI控制器计算出的监视AGC控制量(辊缝调节量)通入液压辊缝控制环节，就实现了这种监视AGC控制方法。该方法在保留Smith预估补偿方法优点的前提下，对其不足进行了改进。通过在预测出口厚差反馈通道中引入滤波器，提高了系统的稳定性，降低了系统对模型精度的要求；引入同步传输模型弥补了Smith预估补偿方法难以处理变化的延时时间的不足；同时在计算PI控制器初始优化参数时既考虑了系统稳定性也考虑了响应的快速性，在轧制过程中PI参数还可随出口厚度和出口速度自适应调整，确保了在整个轧制过程中监视AGC都能取得良好的控制效果。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于改进预估补偿的监视厚度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10、采用一阶惯性模型预测不包含延时的出口厚差；

S20、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度，并与出口测厚仪测量值相比较，然后进行滤波得到延时后模型误差；

S30、计算比例积分控制器的初始优化参数，并根据现场条件自适应调节，然后依据总误差计算监视AGC控制量；

所述的S10具体包括：

S101、设计一阶惯性模型的参数；

采用一阶惯性模型预测辊缝调节量对轧出厚度的影响，其传递函数为：

式中，C_P为模型增益系数，T_P为模型的惯性时间参数；

S102，根据一阶惯性模型计算不包含延时的预测出口厚差；

h_P(n)＝TPM1[H_act(n)]-U(n)×G_P(s)

e_P(n)＝h_set-h_P(n)

式中，n表示当前时刻；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度；H_act(n)为当前时刻入口厚度实际值；TPM1表示采用了第一同步传输模型将入口测厚仪测量的入口厚度延时传输至轧机辊缝处，延时后得到的入口厚度记为TPM1[H_act(n)]；U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差；h_set为出口厚度设定值；

所述的S20具体包括：

S201、使用同步传输模型获得延时后的预测出口厚度；

采用第二同步传输模型TPM2来完成延时功能，延时后得到的出口厚度设为h_P,del(n)，即h_P,del(n)＝TPM2[h_P(n)]；h_P(n)为当前时刻预测出口厚度；

S202、与出口测厚仪测量值比较获得预测出口厚差；

将延时到出口测厚仪处的出口厚度同出口测厚仪测量的出口厚度相比较，得到预测出口厚差：

e_T(n)＝h_thg(n)-h_P,del(n)

式中，h_thg(n)为当前时刻出口测厚仪测量厚度；e_T(n)为当前时刻的预测出口厚差；

e_T(n)既包含了模型不准确造成的预测值误差，还包含了控制过程中外部干扰造成的出口厚度误差；

S203、设计滤波器参数并对预测出口厚差进行滤波得到延时后模型误差；

在预测出口厚差的反馈回路中加入如下式的滤波器：

式中，F(s)为滤波器传递函数，T₁和T₂为滤波器时间参数，根据系统延时和液压压下响应时间可进行调节；

将当前时刻的预测出口厚差e_T(n)通入滤波器进行滤波，即得到延时后模型误差e_S(n)，即：

e_S(n)＝e_T(n)×F(s)；

所述的S30具体为：

S301，计算比例积分控制器的初始优化参数；

采用比例积分控制器作为系统的主控制器，计算比例积分控制器的初始的比例系数和积分时间系数，并给定开环系统幅值穿越频率和相角裕量；

S302，根据现场工况自适应调节PI参数；

采用以下调节公式：

式中，a为厚差自适应系数，b₁和b₂则为速度自适应系数，a根据出口厚差实际值自适应调节，b₁和b₂根据出口速度自适应调节；K_P,ini和T_I,ini为初始的比例系数和积分时间系数；总的调节方向是出口厚差越大则比例系数K_P越大，出口速度越大则减小K_P，同时减小积分时间参数T_I；

S303，依据总误差计算控制量；

总误差E为不带延时的模型误差和延时后模型误差之和，然后采用上述优化参数的PI控制器计算，得到该监视AGC方法的控制量；

U(n)为当前时刻的控制量，即辊缝调节量；e_S(n)为延时后模型误差，e_P(n)为当前时刻不包含延时的预测出口厚差；

所述的

式中，C_S为轧机刚度系数，C_M为带钢塑性系数，L_thg为轧机辊缝至出口测厚仪的距离，V_exit为带钢出口速度。

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