模糊控制器在热连轧微张力控制中的应用

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1、模糊控制器在热连轧微张力控制中的应用模糊控制器在热连轧微张力控制中的应用童朝南 高 海 杨 华 朱明澄 陈宜华(北京科技大学) (莱芜钢铁总厂)摘摘 要要 研究的成果是模糊控制器在微张力控制系统中的应用。解决了微张力控制系统中的非线性和滑模变结构问题。给出了电流检测方法， 多机架连轧时微张力控制以及主速度设定自学习方法。使得多机架连轧 微张力控制从理论变为现实。关键词关键词 带钢连轧机 微张力 模糊控制APPLICATION OF FUZZY CONTROLLER TO HOT STRIPMILL MICRO TENSION CONTROLTONG Chaonan GAO Hai YANG H

2、ua(University of Science and Technology Beijing)ZHU Mingcheng CHEN Yihua(Laiwu Iron and Steel Complex)ABSTRACT In this paper,the application of fuzzy controller to microtension control of multi-stand rolling mill is introduced.The problems connected with nonlinear character and sliding mode variable

3、 structure have been solved.The current measurement method,microtension control method for multi-stand continuous rolling and self study method for rolling speed setting are given.This approach makes the theory of multi-stand microtension control become practical. KEY WORDS hot strip mill,micro tens

4、ion,fuzzy control1 1 问题的提出问题的提出在热带连轧机的粗轧机组和棒材、型材轧机中，为了吸收初始主速 度设定中存在的流量不相等引起的套量，仅仅靠修正速度模型提高设定 精度是不够的；同时也不能象精轧机组中利用活套支持器来吸收部分套 量。因为在粗轧段板坯质量大 ，不易采用活套 支持器控制。而且因板 坯温度的不均匀性、轧辊热膨胀和磨损、压下调整等因素的扰动作用， 机架之间线速度不匹配现象总是存在的，所以人们开发研究了微张力无 活套控制方法。此方法在双机架连轧过程中的实际应用在我国轧钢行业 已不少见，但用于多机架连轧中成功的例子却不多。主要原因在于微张 力检测手段不够完善，控制策略

5、上理论与实践存在差距，致使实际应用 效果不佳。本文在理论研究的基础上通过长时间的实际运行摸索，开发 了基于模糊控制理论以及有关智能化思想，使得微张力控制成功地实现在山东莱芜钢铁厂轧钢厂 500 mm 热带轧机的粗轧机组中。2 2 检测与控制思想检测与控制思想实际应用的粗轧机组设备布置见图 1。在生产中可能会轧制长坯， 形成五个机架连轧。这样在 R2，RE2，R3前后可能会形成套量或微张力， 而且每个机架前后均会相互作用。其结果使系统成为强耦合系统，致使 微张力检测存在极大困难。微张力控制关键在于微张力的检测。目前出 现的检测方法大体可分为三种：一是完全电流检测法；二是力臂记忆法； 三是力矩压力

6、比检测法。不同的方法对于某些不利因素起抑制作用，但 仍不能确认某种方法是最佳的。有关此方面工作成果见文献13。 2.12.1 微张力的电流检测法微张力的电流检测法基本思想是当 Ri机架咬钢时，检测主传动电流直至 Ri1机架咬钢 前时刻。对于采样的多点 Ri机架电流实行数字滤波提高精度，得到 Ri 机架平均电流作为电流设定值 Isi。一旦 Ri1机架咬钢将形成 Ri、Ri1 连轧，此时采入 Ri1机架电流作为与 Ri2形成连轧时 Ri1机架的电流 设定值 Isi1。同时采样 Ri电流瞬时值 Ii与设定值比较，以此来间接地 反映出微张力变化情况。在正常轧制过程中，当 Ri、Ri1连轧后一旦拉 钢，

7、Ii-Isi0；形成套量堆钢时 Ii-Isi0。图 1 实现微张力控制的连轧机布置图Fig.1 Hot strip mill after achieveing micro-tension control2.22.2 提高电流检测法精度的方法提高电流检测法精度的方法由于被采样的主机电流存在严重的噪声干扰，温度波动等因素使由于被采样的主机电流存在严重的噪声干扰，温度波动等因素使 Ii 不稳定，首先采取了数字滤波方法。在 Ri、Ri1未形成连轧时采样 Ri机 架电流多次，去除 Ri咬钢动态速降并恢复时间内的采样电流，再平均计 算得到 Ri电流设定值 Isi；在检测硬件上也采取措施，目的是减小电流 的

8、噪声扰动。例如采用交直流两用的霍尔元件电流检测器。 2.32.3 微张力控制思想当得到 Isi和 Ii时，比较二者可判断是拉钢还是堆钢，堆拉程度如 何也可发现，然后去调节上游机架的速度。当 Ii-Isi0 时降上游机架 Ri速度；当 Ii-Isi0 时升 Ri速度。这是在完全正常状态下的控制情况。 实现上述电流检测过程中存在误差和波动，这就要求微张力控制时对于 小偏差表现出不灵敏；当 Ii-Isi绝对值很大时一定表现出微张力处于大偏差状态，由于套量是 Ri与 Ri1线速度之差的积分关系，此时要求调 节作用十分明显。同时要考虑设置死区和饱和。由此看出微张力调节过 程是个显著的非线性系统，将不能延

9、用古典的线性系统控制方法。为此 开发了二维输入的模糊控制器4。 2.42.4 非线性变结构的特殊问题在图 1R3R4之间，由于板带相对于入口时已较薄，一旦形成过大套 量之后，R3电流并不比设定电流大，原因在于 R3堆钢轧制电流作用已不 再顶到 R4入口，而是形成更大的套量。这样前述的控制算法将起反作用。 从系统原理上分析，此时对象模型从结构上变号了，它是典型的滑模变 结构控制问题。因此，在模糊调节过程中增加一条特殊 规则，即连续 三次增加了 R3速度，而 R3电流 I3并未呈上升趋势，判别认为此时处于 大套量状态，立刻进行相面切换到相反方面调节，待 R3电流进入正常范 围后再回到正常模式控制。

10、 2.52.5 逐架保证法逐架保证法由于是多机架连轧，当 Ri、Ri1、Ri2连轧时，为使 Ri1、Ri2之 间具有合适的微张力，将必然调节 Ri1速度，同时需逐渐移到 Ri机架 上。但此时如果调节后张力动 Ri机架速度又将影响到 Ri1机架的电流， 进而可能会破坏 Ri1、Ri2之间的微张力平衡关系，严重时会导致系统 控制失败，故而采用逐架保证法。即当 Ri1咬钢时调节 Ri速度，并使 微张力达到设定值，一旦 Ri2机架跤钢时，停止调节 Ri速度，此时调 节 Ri1速度并逐渐移到 Ri机架，保证 Ri1、Ri2之间微张力到设定值。 而 Ri、Ri1之间的微张力已由前面调节保证了。以此类推，从

11、 R1到 R4 均采用此逐架保证法，大大地提高了微张力控制的稳定性和适应性。3 3 具体实现具体实现有了控制策略后仍需在实施中细致地加以实现。特别是检测、控制、 异常轧制状态后的复位时序必须认真对待。控制系统硬件采用了 80486 级现场控制器。使用 C 语言带 50 ms 时间中断的程序实现如下算法。 3.13.1 检测与控制时序对于每个机架，程序设立了 5 个标志和两个计数器，用以控制各种 工作时序。M-flag 表示 Ri机架咬钢，开始采入 Ii供计算电流设定值 Isi之用。F-flag 表示 Ri已稳定，Ri1咬钢瞬间，计算电流设定值 Isi。C-flag 表示已得到 Isi，并判断在

12、正常范围内，Ri、Ri1形成连轧， 对 Ri机架速度进行微张力调节，输出 Vi。S-flag 表示 Ri2机架咬钢，停止 Ri的速度调节，但保证 Ri已有 调节量时 Vi不变，接受下游机架逐移。R-flag 当 Ri抛钢时，清除调节量，复位有关标志和计数器，为下 一根钢作准备。Counter1 记下 Ri咬钢动态速降与恢复时间的计数器。Counter2 记下 Ri电流设定值采样的个数，为计算电流平均值的分母之用。 3.23.2 微张力模糊控制器微张力模糊控制器微张力控制采用二维输入带积分保持的模糊控制器，用以解决系统 非线性问题和电流检测中的干扰影响问题。模糊控制器结构见图 2 所示图 2 二

13、维输入带积分输出型模糊控制器Fig.2 Fuzzy controller with 2-dimension inputs and integral output图 2 中量化框是对电流差值进行量化和差值的变化率进行量化。根据实 际情况，量化级别定为EINT(IsiIi)/(Isi)(100)/(2) 3E3E3 E3E3 E3ECINT(Ik1Ik)/(Isi)(100)/(2) 3EC3EC3 EC3EC3 EC3 式中，IkIsiIi为第 k 次采样后的微张力电流差值。根据实际调试和逐步摸索调整，最后确定的模图 3 模糊决策Fig.3 Fuzzy decision糊决策规则如图 3 所示。

14、图 3 中 E 为微张力电流量化值；EC 为微张力电 流变化率量化值；U 为控制 Vi输出的量化值。从图 3 可以看出，控制量相对于零点并非是对称的，目的是略堆钢 轧制比拉钢轧制受到生产欢迎，此时轧件不易被拉窄，保证了宽度质量。 另外，在图 3 中三角虚线区域内控制量对于大套量情况下将变号控制， 解决滑模变结构问题。 3.33.3 速度控制的逐移速度控制的逐移由于是多机架连轧，后架速度调节量要分别逐移到前几架，以此保 证速度匹配。逐移算法为式(1)是以图 1 为依据，5 号机架为基准机架，即 R4速度为机组的 基准速度。3.43.4 速度自学习功能速度自学习功能为了减轻微张力调节负担，在同一批

15、钢中同样辊缝和速度的设定条 件下，学习速度差值能使流量关系越轧越匹配。张力调节效果将会逐步 提高。具体做法是将每架调节量求取平均值在本机架抛钢瞬间以逐移形 式叠加到速度设定值上。4 4 结论结论采取了多项措施提高电流法间接检测微张力的精度；采用了模糊控 制技术解决了系统的非线性问题、速度学习功能和逐移控制算法，使得 多机架连轧机微张力控制得以实现，在生产中发挥了作用。研究的内容 在山东莱芜钢铁厂轧钢厂 500 mm 热带轧机上应用，已得到实际运行成 果。实践表明，初始速度 误差在8 设定值之内，方法正常有效调节；误差 在15 时，通过人工干预后，在第三根钢时可进图 4 微张力控制投入后各机架电

16、流曲线示意图Fig.4 R1、R2、RE2、R3、R4 current tendency after microtension control入稳定轧制。图 4 给出的是微张力控制时实际各机架电流变化情况，是 以来料 100 mm250 mm，粗轧出口 20 mm254 mm 实际生产情况绘制的。 从中可以看出，在下游机架咬钢时，本机架电流将上升，原因在于动态 速降的存在，但立刻会产生调节作用使得电流回到设定值。在多机架连 轧时，各机架电流由于在调节作用下将会有 5 的波动，它将在允许的 微张力要求范围内，如不采用微张力控制，人工必须手动干预轧制，各 机架之间套量变化很大，会对产品宽度质量造成不良影响。参参 考考 文文 献献1 王国栋译.热轧带钢轧机的无活套支撑器的控制系统.日立评论， 1