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1、史密斯预估控制策略在厚规格轧制中的应用 摘 要热轧带钢厚度精度一直是提高产品质量的主要目标。正因如此，厚度设定模型AGC曾是热轧带钢自动化首先实现的功能。AGC系统的主要任务是对带钢全长进行厚度控制以保证带钢的厚度精度及其百分比。消除板厚差的主要方法是采用自动厚度控制Automatic Gauge Control ,简称AGC系统。轧机出口板厚很大程度上取决于该出口AGC系统的性能。由于实际轧制过程的复杂性、控制对象的非线性、时变性，单纯的AGC控制系统都不能取得较好的控制效果。在大多数过程控制过程系统中，不同程度地存在着时间滞后的工艺过程，Smith预估补偿控制能很好的解决这一问题。但Smi
2、th控制方法的前提是必须确切地知道被控对象的数学模型，在此根底上才能建立精确的预估模型。本文正是应用Smith预估控制策略来消除纯滞后的影响，并对怎样获得精确的被控对象数学模型进行认真分析研究。本文将纯滞后系统的Smith预估控制算法应用到厚规格成品轧制中，大大改善了系统的动态响应特性。通过对实践的分析发现其出口使用的Smith-AGC系统对改善系统超调,减小滞后对厚度控制的影响都有较好的效果。在应用中Smith-AGC系统与PI控制形成很好的配合，这样才能发挥各自优点使其对厚规格轧制有明显的控制作用。关键词：厚度自动控制；厚度模型；Smith预估器；数字PID控制 目 录摘要I1.绪 论11
3、.1 课题背景11.2 课题特点及技术路线11.3 课题研究意义21.4 国内外研究现状32.数字PID控制与SMITH控制系统42.1 PID控制原理42.2 数字PID控制算法52.2.1 位置式PID控制算法52.2.2 增量式PID控制算法72.3 Smith预估控制器82.3.1 Smith预估补偿原理92.3.2 纯滞后系统的Smith控制算法112.3.3 改良型Smith预估补偿方案133.热连轧AGC系统与厚度模型的控制143.1热连轧概述143.2 AGC控制系统143.2.1 反应AGC143.2.2 监控AGC153.3 厚度模型与控制193.3.1 概述193.3.2
4、 影响厚度精度因素193.3.3 精轧设定所涉及的模型204.SMITH预估控制在厚规格轧制中的应用27结 论30致 谢31参考文献32附录A外文文献33附录B中文译文40附录C其它471 绪 论1.1课题背景 本课题是以鞍钢1700热轧为研究对象使用先进的控制策略，力争做到控制算法上的理论和实际相结合，使其能在1700精轧机组上有所应用。厚度控制的好坏主要决定于精轧机组的控制，而影响精轧机组厚度控制的一个主要因素就是末机架与监控仪之间有一段距离，所以存在纯滞后时间1。含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间，因此纯滞后对象也成为很难控制的问题。由于纯滞后过程是一类复杂
5、的过程所以它的控制问题一直是困扰着自动控制和计算机应用领域的一大难题。因此,对滞后工业过程方法和机理的研究一直受到专家学者普遍的重视。近年来,工业生产对钢板的需求量越来越大,对钢板成品质量的要求也越来越高,而厚度偏差是保证热轧钢板板带最重要的尺寸精度指标之一。热轧带钢厚度精度一直是提高产品质量的主要目标。模拟AGC系统在计算控制应用之前已经开始开展，而冶金工业第一套计算机控制系统1960年即用于热连轧机组的厚度设定。热连轧过程的控制是一个国家自动化水平的表达，控制好一条现代化的高精度连轧生产线的难度，决不亚于控制一颗人造卫星的发射和运行控制。1.2课题特点及技术路线厚度是板带钢最主要的质量指标
6、之一，带钢纵向厚度不均是影响产品质量的一大障碍。因此，热连轧机的一项重要课题就是带钢厚度的自动控制Automatic Gauge Control，简称AGC。带钢热连轧过程的一个显著特点是“机械、电气、液压控制系统和轧件间的紧密联系，形成一个复杂的综合系统2。由于实际轧制过程的复杂性、控制对象的非线性、时变性，单纯的AGC控制系统都不能取得较好的控制效果。针对原有压力AGC比例控制的缺乏，在实际应用中采用PI控制策略1，并将纯滞后系统的Smith预估控制算法应用到厚规格成品轧制中，大大改善了系统的动态响应特性。正因如此本文采用史密斯Smith预估补偿器与AGC的结合即Smith-AGC控制系统
7、。应用此系统来解决带钢热连轧中对板厚度规格的补偿控制。预先估计被控系统过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，从而可以明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质，应用Simth-AGC系统可以更好地控制厚规格轧制的出口厚度。本文主要是介绍了Smith预估器具体在自动厚度控制系统AGC中的应用，同时也介绍了AGC系统的各局部功能与控制。只有各局部AGC系统反应AGC，监控AGC等很好的配合控制才能形成一个很合理的控制系统。轧制技术开展需要强有力的技术支持，既要有充分的理论研究，又需要丰富的实践经验。经过多年开展，热连轧自动化水平已经到达很
8、高的水平。但目前控制水平已经到了一个转折点，即基于传统控制理论的控制效果已近极限，而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跨越式进步。本课题的研究，吸收、借鉴了近年来国内外在PID控制，Smith预估控制，AGC控制及对如何获得精确的数学模型等方面的最新开展和技术动向，以大量现场实测数据为依据，以Smith-AGC系统为研究中心，对实际生产过程进行全面彻底深入研究，并力争把先进的控制方法应用到板带热轧生产中去，做到理论与实际相结合。面对我国板带轧制领域蓬勃的开展势头,本文的研究希望可以对我国板带轧制理论的研究与开展起到积极的促进作用。1.3课
9、题研究意义板厚是热轧板带质量的主要衡量指标之一，它直接关系到产品的质量和经济效益。厚度自动控制是提高带钢质量的重要方法之一，其目的是获得带钢纵向厚度的均匀性。目前，厚度自动控制系统已成为现代化板带生产中不可缺少的组成局部，它主要取决于精轧机组。现代热连轧精轧机组都装备有自动厚度控制系统，它用来克服带钢工艺参数波动对厚差的影响并对轧机参数的变动给予补偿2。长期以来AGC系统以反应GM-AGC+MN-AGC为主体。对厚度控制采用“基于出口厚度偏差反应闭环控制的方法，缺乏对厚度偏差产生原因分析，针对不同原因采用不同措施的控制策略。影响带钢厚差的主要因素有三个：来料硬度波动(主要来自温度的波动)、来料
10、厚度波动(来自粗轧区)和轧辊偏心，理论与实践都证明来料硬度波动是影响厚差的主要原因。90年代以来，各新建及改建的热轧厂厚度控制精度及其百分比都有明显提高。随着用户要求的日益提高，常规的AGC系统已不能满足用户的要求，其控制系统的缺点不可忽略并成为进一步提高产品质量的关键。从厚度控制原理的角度看，目前大都采用前馈、反应、监控AGC等几种控制方法。本文主要是研究自动厚度的控制，即采用先进的控制技术与算法弥补常规AGC系统的缺乏时间滞后环节，力求到达最优控制。控制的好与坏，直接关系到产品的质量厚度精度和生产的稳定性。因此，本课题的研究与实现具有重要的理论意义和实际意义。1.4国内外研究现状随着钢铁行
11、业的竞争日益剧烈,高质量、高产量、高成材率、低本钱已经成为现代钢铁企业得以生存的必备条件。这就要求企业采用先进工艺、先进设备、先进的控制策略来完善控制系统。热连轧带钢精度一直是提高产品质量的主要目标。正因如此，厚度设定模型及自动厚度控制AGC曾是热连轧带钢自动化首先实现的功能，减少头尾不考核长度是当前努力的方向3 一般是不考虑头10m和尾10m.20世纪50年代，由史密斯Smith和雷斯威克Reswick先后提出了以补偿原理构成的系统方案。不过这种补偿原理与前馈是不同的，它是按照过程的特性，设想出一种模型加到反应控制中，以补偿过程的动态特性。换言之，就是从补偿厚度的等效对象模型中消除其纯滞后特
12、性。因而控制质量可以得到很大的提高。Reswick提出的补偿控制方案，甚至当过程特性参数/T=1.2时，其控制效果仍能令人满意。但其根本原理与Smith预估补偿原理相似。本文只讨论Smith预估的研究，希望可以通过其优越的控制性来补偿带钢热轧过程中的纯滞后，使系统更优越、完善。但研究说明Smith预估的前提使要获得很精确的数学模型才能起到很好的控制作用。一般当过程参数变化10%15%时，Smith预估补偿就失去了其良好的控制效果。因此，虽在理论上证明了Smith预估补偿的良好补偿功能，但在工程上仍存在着一定的局限性。为此，很多科学工作者先后提出了一些改良方案。2 数字PID控制与Smith控制
13、系统数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛应用。本章主要介绍了PID控制根本原理，数字PID控制算法4及Smith预估控制系统。2.1 PID控制原理 在模拟系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图2.1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 图2.1 模拟PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 2.1将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为 (2.2)或写成传递函数 (2.3式
14、中KP比例系数 TI积分时间常数 TD微分时间常数简单的说，PID控制器各校正环节的作用入下：1. 比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2. 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之那么越强。3. 微分环节 能反映偏差信号的趋势标化速率，并能在偏差信号值变化之前，在系统中引入有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.2 数字PID控制算法 在计算机控制系统中，使用的数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法4。2.2.1 位置式PID控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式2.3中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式2.3先以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，那么可作如下近视变换： (k=0,1,2,) (2.4)式中 T采样周期.显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证又足够的精度。为书写方便，将e(kT)化表示成e(k)等，即省去T。将式2.4 代入2.2，可得离散的PID表达式为 或 (2.5) (2.6)式中 k-采样序号，
