CN114918264B - 一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法 - Google Patents

一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有增益补偿器的带钢张力‑宽度控制方法，包括：设计获取活套角度‑带钢张力‑宽度的控制器和增益补偿器；基于控制器和增益补偿器获得活套角度‑带钢张力‑宽度控制系统；活套角度‑带钢张力‑宽度控制系统通过输出控制信号实现对活套角度、带钢张力与带钢宽度的动态调节。本发明将活套角度‑带钢张力‑宽度的控制器与智能算法相结合，极大地提高了带钢张力‑宽度控制系统的性能，有效提高带钢板形质量。

Description

一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法
技术领域
本发明属于板形轧制控制技术领域，特别是涉及一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法。
背景技术
目前国内热连轧生产线装机水平处于国际先进水平，但配套核心软件多为成套引进，费用昂贵，影响系统优化和产品开发。再加上基于传统控制理论的连轧控制水平发展日趋成熟、控制效果已近极限，但是所面临的一些关键问题并未得到彻底的解决，因此迫切需要引入新的控制理论和方法以实现控制性能的进一步提升。
在轧制薄规格高强钢，尤其是德标薄规格酸洗板时，活套角度、带钢张力、出口宽度存在严重的波动问题，影响带钢的轧制稳定性和产品质量。薄规格酸洗板平均每月废钢4块以上，且经常出现合同结转的情况。薄规格高强板目前为热轧的热销品种，市场潜力巨大，且面临轧制规格难度增加等问题。解决热连轧板形控制系统耦合震荡问题、提高系统的稳定性对制定与完善板带轧制规程、提高板形质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，提高热连轧板形控制系统的控制性能，改善热连轧带钢产品的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，包括：
设计获取活套角度-带钢张力-宽度的控制器和增益补偿器；
基于所述控制器和所述增益补偿器获得活套角度-带钢张力-宽度控制系统；
所述活套角度-带钢张力-宽度控制系统通过输出控制信号实现对活套角度、带钢张力与带钢宽度的动态调节。
优选地，设计获取活套角度-带钢张力-宽度的控制器和增益补偿器的过程包括，
基于逆线性二次型理论、活套角度测量标定装置、带钢张力测量装置设计获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器；
基于遗传算法优化支持向量回归模型设计获得增益补偿器。
优选地，所述活套角度测量标定装置包括测量外架，外架把手，数显角度尺，水平仪；
所述外架把手与所述测量外架连接，所述数显角度尺的中心线与所述测量外架竖直方向相垂直且于二者中心点处粘接在一起，所述水平仪沿所述数显角度尺的水平线位置固定，所述测量外架插入活套框架上。
优选地，所述数显角度尺包括第一板尺、第二板尺、电子角度测角器、锁紧旋钮；
所述第一板尺、第二板尺通过所述锁紧旋钮进行固定，所述电子角度测角器固定于所述第一板尺一端，所述第二板尺固定于测量外架中心线的垂直方向。
优选地，所述测量外架包括固定端、角度测量端、支架；
所述支架的端部角度与活套框架的角度一致，所述固定端与所述支架连接，所述固定端通过插入活套框架起固定作用，所述角度测量端与所述支架的中心线垂直连接。
优选地，基于逆线性二次型理论、活套角度测量标定装置、带钢张力测量装置设计获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器的过程包括，
根据现场数据和轧制机理，建立活套角度增量模型、活套角速度增量模型、带钢张力增量模型和带钢宽度增量模型；
基于逆线性二次型理论，建立各增量模型的状态空间模型，基于所述状态空间模型获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器。
优选地，基于遗传算法优化支持向量回归模型设计获得增益补偿器的过程包括，
采集设备运行数据，所述设备运行数据包括活套角度、带钢张力和带钢宽度的实际数据，以及对应的主电机速度的输出值和活套液压缸压力的输出值；
建立支持向量回归模型，基于遗传算法，将所述设备运行数据输入所述支持向量回归模型进行优化，获得所述增益补偿器。
优选地，所述活套角度-带钢张力-宽度控制系统通过输出控制信号实现对活套角度、带钢张力与带钢宽度的动态调节的过程包括，
根据轧制工况、预设带钢张力与宽度目标值，所述控制器输出控制信号，所述控制信号经所述增益补偿器进行计算，获得主电机速度和液压缸压力的预测结果；基于所述预测结果，将控制信号传递给主电机和活套液压缸，实现对活套角度的动态调节，从而实现对带钢张力与带钢宽度的动态调节。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，利用逆线性二次型(ILQ)理论，设计ILQ控制器；将活套角度控制系统、带钢张力控制系统以及宽度控制系统经ILQ控制器调节后的信号输入到增益补偿器中，通过遗传算法（NSGA-II）优化支持向量回归（M-SVR）模型，预测出主电机速度和液压缸压力，然后将增益信号传递给主电机和活套液压缸，对活套角度-带钢张力-宽度控制系统进行动态调节。本发明将ILQ控制器与智能算法相结合，极大地提高了带钢张力-宽度控制系统的性能，有效提高板带板形质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的带钢张力测量装置示意图；
图2为本发明实施例的活套角度测量标定装置图；
图3为本发明实施例的NSGA-II优化M-SVR原理图；
图4为本发明实施例的带增益补偿器的液压活套ILQ控制原理图；
其中，1为机架，2为带张力传感器的活套，3为张力读出器，4为带钢，5为活套，6为水平仪，7为测量外架，8为数显角度尺，9为外架把手。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法,包括：
S1、设计基于ILQ理论的活套角度-带钢张力-宽度控制器；
S2、设计基于NSGA-II优化M-SVR模型的增益补偿器；
S3、设计带有增益补偿器的活套角度-带钢张力-宽度的ILQ控制系统。
所述设计基于ILQ理论的活套角度-带钢张力-宽度控制器，具体包括：
S1.1、根据现场数据和轧机机理，建立活套角度增量模型、活套角速度增量模型、带钢张力增量模型和带钢宽度增量模型；
活套角度增量模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为第i机架的出口处张力增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第i+1机架的入口处张力 增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为带钢入口厚度增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第i机架带钢入口宽度增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为第i机架带 钢出口宽度增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为轧制力增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为液压缸输出力矩增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为第i机架处的带 钢变形抗力增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE011
分别为带钢张力、厚度、宽度、轧制力、 液压缸力矩和带钢变形抗力的增量系数；
活套角速度增量模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为第i机架处带钢速度增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为带钢速度的增量系数；
带钢张力增量模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，E为杨氏模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为活套套量的变化量，L为i和i+1机架间的间距，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为 时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为i+1机架入口处轧件的轧制速度增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为i机架出口处轧件的速度 增量；
带钢宽度增量模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为第i机架辊缝值增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为辊缝值增量系数；
S1.2、根据ILQ理论，设计活套角度-带钢张力-宽度控制器：
活套角度的控制，与活套液压缸的运动密切相关,活套液压缸输出力矩与带钢的张力力矩、带钢重力矩、活套重力矩和带钢弯曲力矩以及活套运动过程中产生动力矩有关，其增量表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为带钢张力力矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为带钢重力力矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为活套重力力矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为带钢弯 曲力矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为活套粘性系数，J为活套转动惯量，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为活套角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为活套 角度；
所述活套角度-带钢张力-宽度控制器的输入端与活套角度测量标定装置、张力传感器3和测宽仪相连，实现对活套角度、带钢张力和带钢宽度的动态测定与调节；所述活套角度测量标定装置，具体包括：水平仪6，测量外架7，数显角度尺8，外架把手9；
进一步地，带钢张力测量装置连接在活套5上，实时测量机架1间带钢4所受的张力大小，并显示在张力读出器3上。
具体地，外架把手9连接到测量外架7上，数显角度尺8中心线与测量外架7中心线垂直方向相重合并粘接在一起，水平仪6沿数显角度尺8的水平线位置固定，测量外架7另一端插入活套框架上；
具体地，数显角度尺8是由两把板尺、电子角度测角器、锁紧旋钮组成，两把板尺通过锁紧旋钮上下位置固定，电子角度测角器固定于上面板尺一端，下面板尺与测量外架7中心线垂直方向相重合且位置固定；
具体地，水平仪6与数显角度尺上面板尺的平行线相重合固定，测量外架7由固定端与角度测量端、支架组成，支架端部呈一定角度，此角度与活套框架角度一致，固定端框架与支架连接，固定端插入活套框架上起固定作用，角度测量端框架与支架中心线垂直连接在一起。活套角度测量标定装置图如图2所示。将ILQ控制器的输入端与活套角度测量标定装置和张力传感器以及测宽仪相连。
S1.3、建立ILQ系统状态空间模型：
建立状态空间矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；
建立系统状态空间模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
其中，x为n维的状态向量，u为m维的输入向量，A为活套角度-带钢张力-宽度控制系统的系统矩阵，B为活套角度-带钢张力-宽度控制系统的输入矩阵，C为活套角度-带钢张力-宽度控制系统输出矩阵；
计算ILQ策略中的状态反馈控制率K，且该控制率下的状态最优:
Figure DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，V为非奇异矩阵，G为特征向量自由度配置矩阵，H为状态变换矩 阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为单位矩阵。
所述设计基于NSGA-II优化M-SVR理论的增益补偿器，具体包括：
S2.1、采集数据，包括多组活套角度、带钢张力和带钢宽度的实际值，以及与之相对应的主电机速度的输出值和活套液压缸压力的输出值；
S2.2、建立M-SVR模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure DEST_PATH_IMAGE043
分别为该超平面的法向量和截距，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为非线性映射函数，C为惩罚因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为损失函数；
S2.3、建立NSGA-II优化M-SVR模型：
选取RBF构建的模型在精度和均方根误差（RMSE）方面均优于由其他核函数组成的传统模型，既保证了模型的泛化能力又减少了计算时间。其数学形式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
其中，x为样本数据点，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为内核函数的中心点，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为大于0的核函数宽度参数；
NSGA-II优化问题可描述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
其中，hi(x)为目标函数，a1，a2为变量x的范围，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为x的约束条 件，Aec，Bec，A和B均为优化问题的特征矩阵。
进一步地，所述设计基于NSGA-II优化M-SVR理论的增益补偿器，包括：
收集多组活套角度、带钢张力和带钢宽度的实际值，以及与之相对应的主电机速度的输出值和活套液压缸压力的输出值，并对所收集的数据进行预处理，去除存在异常扰动的数据；NSGA-II优化M-SVR基本流程图如图3所示。
所述设计带有增益补偿器的活套角度-带钢张力-宽度的ILQ控制系统，具体包括：
根据轧制工况以及设定的带钢张力与宽度目标值，将活套角度、带钢张力和带钢宽度经ILQ控制器调节后的信号输入到增益补偿器中，预测出主电机速度和液压缸压力，然后将增益信号传递给主电机和活套液压缸，通过改变主电机速度与活套液压缸压力，实现对活套角度的动态调节，从而实现对带钢张力与带钢宽度的动态调节；所述增益补偿器放置在ILQ控制器和执行机构之间。
进一步地，所述设计带有增益补偿器的带钢张力-宽度的ILQ控制系统，包括：
将增益补偿器安装在ILQ控制器与执行机构之间，将ILQ控制器输入到系统之中，控制器的输入端与活套角度测量标定装置和张力传感器以及测宽仪相连，输出端与增益补偿器的输入端相连，增益补偿器的输出端与执行机构相连，设计出带增益补偿器的液压活套ILQ控制系统，采用PLC编程的方式将所设计系统输入计算机控制系统之中。
带增益补偿器的液压活套ILQ控制原理图如图4所示。
本发明提出了一种带有增益补偿器带钢张力-宽度控制方法，设计了基于ILQ理论的活套角度-带钢张力-宽度控制器，以及基于NSGA-II优化M-SVR理论的增益补偿器。将增益补偿器安装在ILQ控制器与执行机构之间，活套角度与带钢张力和宽度经ILQ控制器调节后的信号输入到增益补偿器中，然后增益补偿器通过计算，预测出主电机速度和液压缸压力，最后将控制信号传递给主电机和活套液压缸，实现对活套角度的动态调节，从而实现对带钢张力与带钢宽度的动态调节。
本发明所应用的自动化系统，包括活套扫描仪、PLC控制器、人机交互界面(HMI)，以及变频传动系统。活套扫描仪负责将采集到的活套原始数据发送至PLC控制器中；PLC控制器负责进行数据处理与计算；人机交互界面(HMI)负责数据以及设备状态的显示；变频传动系统负责执行PLC控制器最终计算出的设备速度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，包括：
设计获取活套角度-带钢张力-宽度的控制器和增益补偿器；
基于所述控制器和所述增益补偿器获得活套角度-带钢张力-宽度控制系统；
所述活套角度-带钢张力-宽度控制系统通过输出控制信号实现对活套角度、带钢张力与带钢宽度的动态调节；
所述活套角度-带钢张力-宽度控制系统通过输出控制信号实现对活套角度、带钢张力与带钢宽度的动态调节的过程包括，
根据轧制工况、预设带钢张力与宽度目标值，所述控制器输出控制信号，所述控制信号经所述增益补偿器进行计算，获得主电机速度和液压缸压力的预测结果；基于所述预测结果，将控制信号传递给主电机和活套液压缸，实现对活套角度的动态调节，从而实现对带钢张力与带钢宽度的动态调节。
2.根据权利要求1所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，设计获取活套角度-带钢张力-宽度的控制器和增益补偿器的过程包括，
基于逆线性二次型理论、活套角度测量标定装置、带钢张力测量装置设计获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器；
基于遗传算法优化支持向量回归模型设计获得增益补偿器。
3.根据权利要求2所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，
所述活套角度测量标定装置包括测量外架，外架把手，数显角度尺，水平仪；
所述外架把手与所述测量外架连接，所述数显角度尺的中心线与所述测量外架竖直方向相垂直且于二者中心点处粘接在一起，所述水平仪沿所述数显角度尺的水平线位置固定，所述测量外架插入活套框架上。
4.根据权利要求3所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，
所述数显角度尺包括第一板尺、第二板尺、电子角度测角器、锁紧旋钮；
所述第一板尺、第二板尺通过所述锁紧旋钮进行固定，所述电子角度测角器固定于所述第一板尺一端，所述第二板尺固定于测量外架中心线的垂直方向。
5.根据权利要求3所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，
所述测量外架包括固定端、角度测量端、支架；
所述支架的端部角度与活套框架的角度一致，所述固定端与所述支架连接，所述固定端通过插入活套框架起固定作用，所述角度测量端与所述支架的中心线垂直连接。
6.根据权利要求2所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，
基于逆线性二次型理论、活套角度测量标定装置、带钢张力测量装置设计获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器的过程包括，
根据现场数据和轧制机理，建立活套角度增量模型、活套角速度增量模型、带钢张力增量模型和带钢宽度增量模型；
基于逆线性二次型理论，建立各增量模型的状态空间模型，基于所述状态空间模型获得所述活套角度-带钢张力-宽度的控制器。
7.根据权利要求2所述的带有增益补偿器的带钢张力-宽度控制方法，其特征在于，
基于遗传算法优化支持向量回归模型设计获得增益补偿器的过程包括，
采集设备运行数据，所述设备运行数据包括活套角度、带钢张力和带钢宽度的实际数据，以及对应的主电机速度的输出值和活套液压缸压力的输出值；
建立支持向量回归模型，基于遗传算法，将所述设备运行数据输入所述支持向量回归模型进行优化，获得所述增益补偿器。
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