一种基于滞后补偿的冷轧板形闭环控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冶金乳制技术领域，特别涉及一种基于滞后补偿的冷乳板形闭环控制 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在乳制过程中，许多控制对象存在着严重的滞后时间。这种纯滞后往往是由 于物料或能量的传输过程引起的，或者是由于测量传感器的客观布置引起的。在板形控制 中，由于板形仪和乳机辊缝之间有一定的距离，导致板形仪反馈的板形测量信号并不是当 前辊缝中带材的实际板形，而是滞后一定的时间，因此板形控制也是一种典型的滞后控制 过程。一方面，由于测量滞后的影响，使得被调量不能及时触发控制信号，控制信号的作用 只有在延迟一定时间后才能反映到被调量，导致控制系统的稳定性降低;另一方面，当对象 受到干扰而引起被调量改变时，控制作用不能立即对干扰产生抑制作用。这样，含有纯滞后 环节的板形闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。
[0003] 由于纯滞后过程是一类复杂的控制过程，对滞后工业过程控制方法和机理的研究 一直受到专家学者的普遍重视。在冷乳板形控制过程的滞后补偿控制研究方面，许多学者 分别基于人工智能方法提出了许多新颖的控制策略，但是这些新型的自适应及智能控制算 法大多具有复杂的结构和繁琐的计算过程，导致其执行效率并不高，难于应用到对实时性 要求较高的工程实际中。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种根据乳制速度变化自动切换控制模式、提高闭环控制系 统稳定性和稳态精度的基于滞后补偿的冷乳板形闭环控制方法。
[0005] 为实现上述目的，采用了以下技术方案:本发明所述控制方法的具体步骤如下：
[0006] 步骤1，制定基于多变量优化模型的板形闭环控制系统的结构；
[0007] 步骤2，设计板形闭环控制系统的多变量优化模型；
[0008] 步骤3，制定各个板形调节机构的PID控制模型；
[0009] 步骤4,制定各个板形调节机构的PID+Smith预估器控制模型；
[0010] 步骤5,确定每个板形调节机构控制回路的过程模型，整定相应PID参数；
[0011] 步骤6,制定板形闭环控制系统的控制模式。
[0012] 进一步的，所述步骤1的具体方法如下：
[0013] 所述板形闭环控制系统包括四个控制回路，每个控制回路对应一种板形调节机构 的控制过程，并由相应的Hydrau 1 i c Gap Contrο 1系统即HGC系统完成位置/压力控制;在每 个控制周期内，板形闭环控制系统计算当前的板形偏差，利用多变量优化模型求解每个板 形调节机构的最优调节量，并将其发送给每个板形调节机构的HGC系统，HGC系统接收到这 些调节量信息后，对板形调节机构的设定值进行更新以形成新的辊缝形貌，进而实现对板 形偏差的控制。
[0014] 进一步的，所述步骤2的具体方法如下：
[0015] 采用残余板形偏差的平方加权和法设计板形控制多变量优化模型的目标函数，用 于求解板形调节机构最优调节量的多变量优化模型为
[0017] 式中，f( Au)为优化模型的目标函数；Au为待求的板形调节机构最优调节量向 量，且△ ueRn;n^Pn分别代表板形测量段数目和板形调节机构数目；i和j分别代表测量段 序号和板形调节机构序号 ;gl是第i处测量段的板形偏差权重因子；A yi是第i个测量段的板 形偏差；为第j个板形调节机构的待求调节量;Effu为第j个板形调节机构对第i个测量 段的板形调控功效系数;BUdPBLj分别为第j个板形调节机构的机械设计上、下极限;为第 j个板形调节机构的当前周期实际值。
[0018] 进一步的，所述步骤3中，在每个板形调节机构控制回路中，在多变量优化模型环 节和控制对象模型之间均串联一个PID控制器，PID控制器用于接收步骤2中优化模型计算 的各个板形调节机构的调节量。
[0019] 进一步的，所述步骤4中，在完成各个板形调节机构的PID控制模型后，分别给每个 PID控制器并接一个Smith预估器，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。
[0020] 进一步的，所述步骤5中，分别确定工作辊弯辊、中间辊弯辊、乳辊倾斜和中间辊横 移板形调节机构的对象模型，确定每个PID控制回路的临界振荡周期和临界增益，采用 Ziegler-Nichols参数整定法对各个控制回路的PID控制器参数进行整定。
[0021] 进一步的，所述步骤6中，设定乳制速度阙值，使板形闭环控制系统模式随乳制速 度变化而自动切换，即让板形闭环控制系统随滞后时间的变化而自动切换控制模式;低速 乳制时，系统滞后较大，采用Smith预估+PID控制方式;高速乳制时，系统滞后较小，则采用 常规PID控制方式。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] 1、基于目前工业生产中常用的Smith预估和PID控制方法对板形闭环控制系统进 行建模和仿真，板形闭环控制系统会根据滞后时间的变化选择不同的控制方式，只需根据 乳制速度变化对板形闭环控制模式进行切换即可消除板形控制过程中测量滞后对板形闭 环控制系统稳定性的影响，以保证系统具有稳定和快速的响应。
[0024] 2、相比于自适应、神经网络等人工智能算法具有系统结构简单、计算复杂度较低、 工程应用开发容易以及控制实时性较高的优点。无论是处于平稳乳制过程还是处于乳机加 减速阶段，采用该方法均可确保板形闭环控制系统的稳定性不受测量滞后的影响，并具有 较高的稳态控制精度，具有进一步推广应用的价值。
【附图说明】
[0025] 图1本发明方法的板形闭环控制系统图。
[0026] 图2本发明方法的工作辊弯辊PID控制系统结构图。
[0027]图3本发明方法的工作辊弯辊PID+Smith预估器控制系统结构图。
[0028]图4本发明方法的板形闭环控制方式的切换方式图。
[0029] 图5本发明方法的流程图。
[0030] 图6本发明方法的大滞后时板形闭环控制系统阶跃响应曲线图。
[0031] 图7本发明方法的小滞后时板形闭环控制系统阶跃响应曲线图。
[0032] 图8本发明方法的小滞后时板形闭环控制系统阶跃响应曲线的标准差图。
[0033] 图9本发明方法的冷乳钢板形偏差的标准差曲线图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步说明：
[0035] 实施例1:
[0036]本实施例公开的是某1450mm五机架冷连乳机末机架基于滞后补偿的板形闭环控 制方法处理过程。板形调节机构有乳辊倾斜、工作辊正/负弯辊、中间辊正弯辊和中间辊横 移，主要控制参数及乳制参数如表1所示。
[0037] 表1乳制过程主要参数
[0040] 如图5所示，本发明所述控制方法的具体步骤如下：
[0041] 步骤1，制定基于多变量优化模型的板形闭环控制系统的结构;所述板形闭环控制 系统包括四个控制回路，每个控制回路对应一种板形调节机构的控制过程，并由相应的 Hydraulic Gap Control系统即HGC系统完成位置/压力控制;在每个控制周期内，板形闭环 控制系统计算当前的板形偏差，利用多变量优化模型求解每个板形调节机构的最优调节 量，并将其发送给每个板形调节机构的HGC系统，HGC系统接收到这些调节量信息后，对板形 调节机构的设定值进行更新以形成新的辊缝形貌，进而实现对板形偏差的控制，制定的 1450mm五机架冷连乳机的板形闭环控制系统结构如图1所示。图1中，△ Y表示目标板形和测 量板形之间的偏差向量;Eff表示板形调节机构的板形调控功效系数矩阵；AU={ Autr, A Uwrb, Auirb, Auirs}表示由多变量优化模型计算的