专利名称：一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应时滞补偿控制方法，特别是涉及一种冷轧带钢生产系统自适应时滞补偿控制方法。
背景技术：
冷轧带钢生产过程是非线性、大时滞、强耦合过程。时滞作为工业过程中最为普遍存在的现象，是使得系统性能变坏、甚至不稳定的主要根源之一。在实际带钢生产过程中， 由于各种现场因素影响，其在运行过程中容易发生跑偏，且会随着运行越来越严重。防止跑偏的现有办法包括采用八字辊或纠偏辊，但这两种方法都带有一定的时滞，有一定的局限性。另外，半成品在缓冲区进出，电器启动运行和和传输设计中都会因各种因素造成时滞。 为减少此类设计的局限性，设计时滞补偿控制策略有着重大实际应用价值。目前，在生产过程的自动控制中，PID控制作为经典的控制理论，有算法简单、鲁棒性强、可靠性高等特点，为当今工控行业的主导控制方式。但在冷轧带钢制造中，由于系统有高噪声干扰、大滞后以及复杂的信息结构等特点，使得被控量不能及时地反映系统所承受的变化，因此控制系统的稳定性变差，对系统的控制增加很大的困难，应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。另外，通常对于时滞系统，Smith预估控制是一种 有效的时滞补偿方法，但其对参数变化较为敏感，容易引起控制效果的急剧变坏。另外，针对长流程生产过程多重大时滞系统，基于脉冲响应等效系统的多重时间协调参数自调整(MTCPA)控制策略也对时滞有一定补偿，但该方法对系统参数变化也较为敏感。对连续流程生产系统的时滞补偿还能基于线性降阶模型和参数优化设计，得出大时滞系统的自抗扰控制方案，但该方案对系统的控制精度有所下降。现有的学术成果不乏有高级控制策略在线实时补偿非理想因素带来的影响，如申请人在2010年《中国物理B》第9卷第8期中提出的自适应补偿技术。该技术将时滞考虑成有界干扰进行补偿，这种方法对系统参数摄动不敏感，并有抗噪声能力，而且根据它的实时补偿功能，能保证较高的控制精度。但此类技术由于没有合适的物理实现方法，相应的控制模块较难开发，因此很少在工业生产过程有所应用。本专利利用理论分析结果，应用自适应技术实时补偿时滞带来的影响，设计一个与之相对的控制电路模块物理实现自适应控制策略，以应用实际冷轧带钢控制系统中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，本方法利用理论分析结果，结合电路原理以及电阻、电容、运算放大器、乘法器、稳压二极管、三位开关和直流电机等普通电子元器件，设计一个时滞消除电路，提高冷轧带钢生产系统在时滞环境下生产的效率，并保证的产品合格率。本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，该方法包括在冷轧带钢生产系统的控制模块中、针对系统状态的电压信号和设定信号的误差 e设计自适应时滞补偿电路；电路中包括电阻、电容、运算放大器、乘法器、稳压二极管、三位开关和直流电机，其中LM741运算放大器实现电压的加法、减法、反相、放大、积分和开方功能，乘法器AD633提供两个信号的乘积信号，直流电机和三位开关实现信号间的切换；不同阻值的电阻和运算放大器组合得到正相或反相的放大信号，再组合电容可以实现信号的微分，得到自适应律的调节信号；根据实际误差上下界给定的不同信号初始值，获得两个不同的自适应调节信号，并分别输出到开关的和 两端点；另一方面，组合运算放大器、乘法器、电阻和稳压二极管可以得到原电压信号的反相平方信号的绝对正信号1〃丨；绝对正信号和电压的反相信号-之间存在的电势差，可决定是否有电路通过直流电机，直流电机的运行可以实现开关的在a和i两端点的切换；所得到的切换信号即为补偿时滞的控制信号。所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，所述的控制电路组合运算放大器、电容以及电阻，实现控制信号的自适应调节。所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，所述的控制电路由原信号的绝对正信号和原信号的反相信号之间的电压差，决定直流电机的工作与否。 所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，所述的控制电路通过直流电机的切换，实现控制增益的时滞补偿。本发明的优点与效果是
本发明基于自适应技术设计冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，自适应技术可以提供未知参数在每一时刻的估计，并且控制增益可以根据系统参数的变化即时调整，以保证系统的正常运行。利用自适应技术，在系统有时滞甚至干扰故障情况下能够自动调节控制参数使得系统仍能保持稳定。而电路是电子设备运行的基本实现方式，在现实生活中可以较容易的完成。我们所设计的控制电路利用电阻、电容、运算放大器、乘法器、稳压二极管、 三位开关和直流电机等普通电子元器件，能够达到完全消除时滞干扰的功能。自适应时滞补偿控制电路以控制模块形式在冷轧带钢生产系统控制层易于实现，并可以在时滞未知， 以及由时滞引起的干扰界限也未知的情况下自动调节控制参数，提高控制精度，保证生产效果，具有较好经济效益和社会意义。
图I为本发明的时滞补偿控制的电路原理图。
具体实施例方式下面参照图I对本发明进行详细说明。在冷轧带钢生产系统控制层中，有《个所要控制的状态，这里给出针对第一个状态的电路设计图，另外《-I个状态控制模块的电路设计类似。针对系统第一个状态的电
压信号和设定信号的误差A，我们设计如图I的自适应时滞消除电路，其中，LM741为运算放大器，AD633是输出因子为O. I的乘法器，1N709为稳压二极管，电阻取值分别为1ΚΩ， 10ΚΩ , 100ΚΩ，电容取值为0.，电动机可以选取Z2系列直流电动机。
按照申请人在2010年第19卷第8期《中国物理B》上发表论文的理论证明，如果系统状态和设定状态的误差为,有界时滞诈)所带来的系统状态影响可以转化为一个有界干扰MO = 〃(〃_))-< )。根据实际情况，当通信通道中时滞坨)趋于无穷大时，此通信通道可以理解为中断，因此在实际系统中的时滞都是有界的。我们令^和-分别为輿、的未知上界值和未知下界值。由此，理论证明，利用自适应律估计常值F和？(其估计
值分别表示为f(i)和！￠))，并设计如下控制增益方程即可以完全消除有界时滞带来的影响
t2(i) - -(I-σ) (￡)-σ￡( )(I)
其中 = 為2,(i)f , J 为,>2:;<衫单位阵，
. ι > O
O"= dlf . . ■ , CC I, CTr — ] , m(2)
[O当/巧<0
其中e(i) e P，为系统跟踪误差，P1为正定矩阵P的第I列，/ e {1,2,L ,不失一般性，
r可以取^化维的单位阵,#￠)=^(1)，#2(>)工為(l)f和1(1) = ^(1),I2(I)1L名(l)f由如下自适应律进行调节
S1U)
, ⑶
= s/(I)Ps
di
其中巧> O为加权常数。(3)式中的自适应律的初始值#(0)和|(0)由设计者按照实际情况给出。从式子(1)-(3)可以看出，控制增益方程(I)由微分方程(3)和切换开关方程(2)组成。根据电子元器件的功能，运算放大器可以实现电压的加、减、反相、积分和微分功能，而切换开关功能可以由直流电动机带动开关按钮实现。因此，根据电路原理，我们可以物理实现并应用现有的理论研究成果，并设计控制模块应用于冷轧带钢生产控制系统的控制层。首先，将冷轧带钢生产系统控制层中系统电流信号和设定信号的误差q利用反相和同相放大运算电路得到反相信号和放大10倍的同相信号。然后利用得到的反相信号和积分运算电路实现(3)中的自适应律务。接着采用已根据实际情况设计好的自适应初始信
号I1(O)和I2(O)以及同相加法电路分别得到信号！!和I2,且分别与接线开关和i连接。另
一方面，利用乘法器将放大10倍巧的同相信号和反相信号- 相乘,得到信号- 2。将该信
号利用开方运算电路得到信号q的绝对正相信号丨巧I，利用这个绝对正相信号和原信号的
反相信号-A比较，如果原信号为正相信号，则电动机有电流通过，电动马达使得开关Si和,占接通(对应公式⑵中的情况)，如果原信号是反相信号，则开关保持和&点接
通(对应公式(2)中的 <石<0情况)。通过电动马达的切换得到的信号利用反相运算电路
进行反相，我们就可以得到控制增益(1)中&的第一个分量信号I21。其他分量的电路设计图与图I相似。由此电路实现控制增益(I)的时滞补偿功能。
权利要求
1.一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，其特征在于，该方法包括在冷轧带钢生产系统的控制模块中、针对系统状态的电压信号和设定信号的误差e设计自适应时滞补偿电路；电路中包括电阻、电容、运算放大器、乘法器、稳压二极管、三位开关和直流电机，其中LM741运算放大器实现电压的加法、减法、反相、放大、积分和开方功能，乘法器AD633提供两个信号的乘积信号，直流电机和三位开关实现信号间的切换；不同阻值的电阻和运算放大器组合得到正相或反相的放大信号，再组合电容可以实现信号的微分，得到自适应律的调节信号；根据实际误差上下界给定的不同信号初始值，获得两个不同的自适应调节信号，并分别输出到开关的<3和 两端点；另一方面，组合运算放大器、乘法器、电阻和稳压二极管可以得到原电压信号的反相平方信号的绝对正信号kl ;绝对正信号和电压的反相信号％之间存在的电势差，可决定是否有电路通过直流电机，直流电机的运行可以实现开关的在ω和■&两端点的切换；所得到的切换信号即为补偿时滞的控制信号。
2.根据权利要求I所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，其特征在于，所述的控制电路组合运算放大器、电容以及电阻，实现控制信号的自适应调节。
3.根据权利要求I所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，其特征在于，所述的控制电路由原信号的绝对正信号和原信号的反相信号之间的电压差，决定直流电机的工作与否。
4.根据权利要求I所述的一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，其特征在于，所述的控制电路通过直流电机的切换，实现控制增益的时滞补偿。
全文摘要
一种冷轧带钢生产系统时滞补偿控制方法，涉及一种自适应时滞补偿控制方法，在冷轧带钢生产系统的控制模块中，针对系统状态的电压信号和设定信号的误差，设计如下自适应时滞补偿电路LM741为运算放大器，AD633是输出因子为0.1的乘法器，电阻取值分别为，，，电容取值为，二极管为1N709型稳压二极管，电动机选取Z2系列直流电动机。通过微分运算放大电路实现自适应微分方程，直流电机的运行实现信号切换。自适应时滞补偿控制电路以控制模块形式在冷轧带钢生产系统控制层易于实现，并可以在时滞未知，以及由时滞引起的干扰界限也未知的情况下自动调节控制参数，提高控制精度，保证生产效果，具有较好经济效益和社会意义。
文档编号B21B37/00GK102699039SQ201210157828
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者李彦平, 车伟伟, 金小峥 申请人:沈阳大学