一种基于变时滞偏差校正技术的锌层厚度控制方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冷乳镀锌过程自动化控制领域，具体地，涉及一种基于变时滞偏差校 正技术的锌层厚度控制方法和系统。
【背景技术】
[0002] 镀锌产品因其良好的耐腐蚀性被广泛应用于建筑、家电、汽车等行业，是我国社会 生产与消费领域应用广泛的钢铁产品。而衡量镀锌产品质量的一项重要的技术指标就是镀 层厚度，产品镀层厚度必须符合产品规格，以确保产品的抗蚀性能；同时，由于镀锌过程存 在时变大纯滞后、模型精度不高、环境干扰大等特点，镀锌产品的镀层厚度波动较大，钢铁 企业往往采用提高控制裕量的方法确保镀锌产品质量合格，导致锌液的过量消耗，大大增 加了生产成本，且镀层不均匀会导致产品表面平整度变差，影响产品的点焊性等使用性能。 因此，迫切需要提出适合镀锌过程生产的控制技术及方法，减小产品镀层厚度的波动，降低 锌液的过量消耗，提高产品质量水平。
[0003] 在镀层厚度控制系统中，生产线速度、气刀刀距、气刀压力是影响镀层厚度的三个 主要因素。在实际生产中，实现镀层厚度自动控制具有很大的难度，主要是因为镀锌生产系 统具有以下三个特点：
[0004] 1)镀锌生产系统存在相当大的测量时变滞后。本控制系统的输出变量为镀层厚 度，需要测厚仪测量获得。由于工艺设计和产线规划等原因，测厚仪安装位置距离气刀较 远，导致从气刀处施加控制量到测厚仪检测到镀层厚度响应改变存在很大的测量滞后现 象。同时，在实际的镀锌生产中，生产线的速度是随时变化的，导致该测量滞后的时间是时 变的。镀锌生产的时变大滞后特性增加了镀锌生产厚度控制的难度，会导致控制系统产生 较大的超调量和较长的调节时间。
[0005] 2)镀锌生产过程模型很难实时准确地反应真实系统的输入输出关系。首先，镀锌 生产过程机理上涉及空气动力学、层流理论等复杂的物理学过程，输入变量间互相耦合，输 入和输出变量之间存在很强的非线性关系，目前无论是采用机理建模或黑箱建模方法都很 难建立完全精准的生产模型。同时，镀锌生产过程存在多种随机扰动因素，如生产线速度、 锌液成分和温度的变化、退火炉温度变化、板形变化、气刀气压的波动等都会对镀层的厚度 产生影响，这些工况的波动会导致生产系统特性的改变，使原有模型与真实系统产生失配， 影响控制的效果。
[0006] 3)测厚仪测量值与检化验值之间存在着变化的偏差。测厚仪属于在线测量仪表， 由于安装维护环境与理论设计条件的差异，导致测厚仪测量数据与检化验分析数据之间存 在较大的偏差，采用测厚仪数据进行闭环反馈控制不能保证产品的合格率，在实际生产中 企业往往采用可信度较高的化验室分析方法对产品进行采样分析以确保产品能够符合规 格指标，但由于化验室分析数据离散且滞后较大，不能够直接作为闭环系统的反馈信息。
[0007] 影响镀层厚度的三个主要因素中，生产线速度受上下游因素的影响，无法独立调 节，因此大多数镀锌控制系统均将生产线速度作为前馈扰动进行处理，同时，为了简化控制 系统设计的难度，将气刀压力作为主要控制变量，气刀距离尽量保持不变。目前，受到上述 三个难点的制约，导致镀锌厚度系统的闭环控制效果不够理想，国内多数企业仍然以人工 控制手段为主，由于操作工基于经验控制的局限性，镀层厚度波动大，控制效果差。针对上 述问题，国内也有一些研究者和机构提出了解决方案，如公布号为CN103205665A的专利 《一种连续热镀锌线锌层厚度自动控制方法》，该发明采用BP神经网络结构自适应控制器及 延迟预估策略实现镀层闭环控制，其中，为克服系统的大滞后问题，该发明采用Smith预估 器，并使用一阶惯性模型代替控制对象，一定程度上解决了时变大滞后的问题。然而，该方 法采用固定时滞对模型输出进行补偿，只适用于产线速度恒定的情形，在实际的生产过程 中，由于受到上下游工序产能的影响，产线速度往往是变化的且不可控；同时，采用Smith 预估器对模型的精度要求很高，当模型比较精确的时候能够取得较好的控制效果，而当模 型误差较大时，预估补偿控制的品质会变坏，甚至失去稳定性，因此，该系统对于生产系统 工况的改变适应力较差。而在文献《热镀锌线锌层厚度的闭环控制简介》（刘海龙，四川冶 金，2006:28(6))中，作者介绍了 VAI公司提供的镀层厚度控制系统，该系统中控制增量经 过一个延迟块后输出，在一定程度上解决了时变大滞后的问题。然而，该系统采用灵敏度法 (局部线性化模型）计算控制量，模型与真实系统本身存在一定偏差，而且同样无法进行模 型在线校正，因此，系统对于生产系统工况的改变适应力也较差。此外，由于安装维护环境 与理论设计条件之间的差异，导致测厚仪测量数据不够精准，上述方法缺乏有效的解决方 案。综上，目前国内现有的镀层厚度闭环控制系统虽然引入了一定的机制克服系统的大滞 后特性，但这些方法受到模型精度、随机扰动、工况变化、测厚仪测量偏差较大等因素影响， 控制效果并不理想。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中的缺陷，实现降低镀层厚度波动、提高控制精度和合格率、减少过 量锌消耗的目标，本发明的目的是提供一种基于变时滞偏差校正技术的锌层厚度控制方法 和系统。
[0009] 根据本发明提供的一种基于变时滞偏差校正技术的锌层厚度控制方法，在 控制周期t内，包括：经过化验室偏差校正量计算流程计算获得当前化验室偏差校正 量ACWub(t)，经过校正的锌层厚度预测值计算流程计算获得校正后的锌层厚度预测 值CWp' (t)，根据所述当前化验室偏差校正量ACWub(t)、校正后的锌层厚度预测值 CWp' (t)和锌层厚度设定值Rcw(t)，生成当前气刀压力设定值Pfte(t)作为当前控制周期 中的反馈控制量；
[0010] 所述化验室偏差校正量计算流程包括：
[0011] A1，判断数据库中是否有新的化验室检测值CWub⑴，
[0012] 有，则进入步骤A2，
[0013] 无，则当前化验室偏差校正量ACWub(t) = ACWLab(t-l)，所述ACWLab(t-l)为前 一个控制周期的化验室偏差校正量；
[0014] A2，将所述新的化验室检测值CWub⑴和同一时刻的锌层厚度测厚仪测量值 CWm(t)作为一条记录一起保存入数据库中，从所述数据库中取出第一预设时间内保存的K 条记录，计算所述当前化验室偏差校正量△CWhbU);
[0015] 所述校正的锌层厚度预测值计算流程包括：
[0016] B1，根据预设的生产过程模型以及当前的气刀压力测量值P(t)、气刀刀距测量值 D (t)、生产线速度测量值S (t)计算第一模型预测锌层厚度值CWp (t)，
[0017] 根据当前生产线速度测量值S(t)和所述数据库中保存的第二预设时间内若干 个控制周期的生产线速度值，计算当前锌层厚度测厚仪测量值CWm(t)对应的滞后时间 τ (t)，根据与该滞后时间τ (t)对应的t-τ (t)时刻的过程量计算第二模型锌层厚度预 测值CWd(t)，所述与该滞后时间τ (t)对应的t-τ (t)时刻的过程量包括气刀压力历史值 P(t-T⑴）、生产线速度历史值SU-τ⑴）、气刀刀距历史值D(t_T⑴）；
[0018] B2,根据所述第一模型预测锌层厚度值CWp (t)，第三预设时间内的若干个锌层厚 度测厚仪测量值CWm(t)、CWm(t-l)、…，及与其相对应的第二模型锌层厚度预测值CWd(t)、 CWd(t-l)、…，进行偏差校正计算，得到所述校正后的锌层厚度预测值CWp' (t)。
[0019] 作为一种优化方案，所述步骤A2中，采用滑动窗口滤波的方法计算当前化验室偏 差校正量Δ CWub (t)，具体为：
[0020] 从所述数据库中取出第一预设时间内保存的K条记录为
[0021] 所述K为窗口大小，则，当前化验室偏差校正量
其中 a k，k = 1，2, . . .，K是一组预设的加权滤波系数。
[0022] 作为一种优化方案，其特征在于，步骤B1中所述当前锌层厚度测厚仪测量值 CWm(t)对应的滞后时间τ (t)的计算方法具体为：
[0023] L为从气刀装置到测厚仪的距离，根据速度，时间，距离三者的基本关系如下：
[0025] 其中，Λ T为控制系统的控制周期，S(t)，S(t-l)，...为所述当前生产线速度值和 数据库中保存的第二预设时间内若干个控制周期的生产线速度值。
[0026] 作为一种优化方案，其特征在于，步骤B2中进行所述偏差校正计算得到所述校正 后的锌层厚度预测值CWp' (t)的过程具体为：
[0028] 其中β k，k = 0, 1，. . .，N-1是一组预设的加权系数。
[0029] 作为一种优化方案，其特征在于，根据所述当前化验室偏差校正量Δ CWub(t)、校 正后的锌层厚度预测值CWp' (t)和锌层厚度设定值Rcw(t)，生成当前气刀压力设定值 Pfbc(t)的过程包括：
[0030] C1，