简单自适应控制在冷轧张力控制中的应用

本文由青岛科技大学科研启动基金资助。作者简介：安世奇（1962-），男，河北省新城县，教授，博士，主要研究方向：控制理论应用、计算机控制。简单自适应控制在冷轧张力控制中的应用安世奇（青岛科技大学自动化与电子工程学院，青岛266042，电话：[phone]，E-mail:[e-mail]）摘要：河北中钢5机架全连续冷连轧机组是我国自主研制开发的全连续冷连轧生产线，并且成功应用TDC作为主要控制器。针对该生产线机架间张力控制所采用的一种简单自适应控制算法进行了相应的仿真研究和实际应用。仿真和实际运行结果表明，该控制器与传统的PI控制器相比，显著提高了系统的动态响应性能，系统输出能够很好地跟踪参考模型的输出，具有较好的鲁棒性。关键词：简单自适应控制；冷轧；张力控制中图分类号：TP273+.2文献标识码：ATheapplicationofSimpleAdaptiveControlincold-rollingmill'stensioncontrolAnShiqi(AutomationandElectricalEngineeringInstitute,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao,266042)Abstract：Five-standcontinuoustandemcold-rollingmillforHebeiZhongSteelisthefirstdomesticproductlineofcoldstrip,whichisresearchedanddevelopedindependently,andusetheSIMATICTDCsuccessfullyasthemaincontrollerforthefirsttime.Inthispaper,onealgorithmofsimpleadaptivecontrolissimulatedandputintopracticeforthetensioncontrolbetweenthestandsinthisline.Theresultindicates,comparingwithcommonPIcontroller,itsdynamicresponseperformanceofsystemisadvancedobservablyandtheoutputcantracewelltheoutputofreferencedmodel,takingongoodrobustness.Keywords:simpleadaptivecontrol;tandemcold-rollingmill;tensioncontrol1引言在带钢的冷轧过程中，张力是一个极为重要的参数，机架间带钢所承受的张力T为常数是轧制过程处于平衡状态下的一个基本条件。任何因素对张力产生影响，使其发生波动，不仅会破坏本机架的平衡状态，而且还会通过带钢顺流和逆流来影响整个轧机系统的平衡状态。因此维持冷轧机机架间张力恒定对轧制过程的顺利进行，提高产品的厚度和板形精度有重要的意义。张力系统是一个多台电机联合控制的复杂控制系统，保证轧制过程正常进行的条件是各机架在单位时间内秒流量相等，若秒流量不相等，就会引起机架之间有张力作用，从而导致拉钢和堆钢。要实现稳定轧制，应使各机架的秒流量完全相等，以实现无张控制。但在实际轧制过程中影响机架间张力的工艺参数很多，不可能做到无张控制。实践又表明张力的变化对工艺参数产生相互影响作用，在轧制过程中张力的相互影响作用是极其活跃的因素，因此张力问题成为核心问题之一。衡量带钢质量指标的２个主要因素是带钢的板厚和板形的精度，要达到所要求的指标，离开张力控制是不可能的。在带钢轧制过程中，恒张是冷轧带钢重要且必备的特点。而目前冷轧带钢张力的控制多采用PID控制，当系统的工艺参数发生变化时，张力控制的精度受到影响，因此本文进行了冷连轧机恒张力简单自适应控制的研究。2简单自适应控制通常，自适应控制算法需要大量估计参数，与一般常规控制器相比，自适应控制器变得特别复杂。自适应控制器由参考模型和对象间输出误差反馈等信号的线性组合构成。若选择一个低阶参考模型，那么，自适应控制器中需要计算的参数就会减少。这种即类似于模型参考自适应控制（MRAC—ModelReferenceAdaptiveControl），又有简洁的结构和算法，易于工程实现的新型自适应控制算法就是简单自适应控制SAC（SimpleAdaptiveControl）。SAC的主要特点是：①控制结构简单，可调参数少；②控制系统的设计几乎与被控对象无关；③可适用于单变量系统和多变量系统；④可实现高阶被控对象对低阶理想参考模型的性能跟踪。SAC作为自适应控制理论的一个新的分支，即有别于自校正控制（STC—SelfTuningControl），也与MRAC理论的出发点不同。它是基于CGT（CommandGeneratorTracker）或输出渐进跟踪（AsymptoticOutputTracker，AOT）理论的，是一种利用参考模型信息和跟踪误差构成的，结构简单的自适应控制方法。简单自适应控制的设计思想是使被控对象跟踪事先设计好的理想参考模型的性能，并不要求被控对象与理想参考模型具有相同的结构和参数，因此通常将理想参考模型设计成阶次较低的线性模型。控制增益是根据跟踪误差和参考模型的过程量，由一定的自适应律进行在线调节。3实际应用以河北中钢1250全连续五机架8辊冷连轧机为应用背景，采用简单自适应控制的基本算法，对机架间张力进行实际控制。3.1张力控制方式轧机张力自动控制系统ATC是在轧制中保证张力稳定。河北中钢1250全连续五机架8辊冷连轧机组机架间均设有独立的张力控制系统。为了保证低速、分卷、轧机调节期间，机架间张力稳定和出口的板形质量，轧机张力自动控制系统根据不同的工况分为：速度ATC控制模式(低速ATC)和压下ATC控制模式(高速ATC)。机架间张力控制主要用于保持张力在给定值附近的一个固定范围内以避免断带。每个机架间安装一台张力计提供张力反馈。两机架间的速度和辊缝位置的变化将影响机架间的张力，上游机架速度降低或下游机架辊缝位置增加都会使机架张力增加，上游机架速度升高或下游机架辊缝位置减少都会使机架张力降低。因分卷/低速与正常轧制期间条件不同，将提供两种不同的控制方法。（1）开卷张力控制轧机停机张力控制。静张力为正常张力的20％，用于轧机临时停车（轧机间有带钢）；带钢头部进入一机架前。启动张力控制。启动张力为开卷张力的50％，轧机启动后数秒后转成正常张力。轧制张力控制。在轧制任意规格时开卷机的开卷张力为100％（2000kg）。开卷张力的人工干预。开卷张力给定值可在入口操作台、主操作台进行人工干预。（2）机架间张力控制机架间张力是由二级机根据带钢厚度、架次查表后得出轧制单位张力计算得出。一级机实施控制。机架间张力的人工干预。机架间张力得给定值可在机架间操作箱、主操作台进行人工干预。中间机架的张力补偿控制。为了保证轧机在穿带阶段的张力稳定以及在低速阶段(AGC未投入)出口厚度向设定厚度的靠近，需在轧机穿带阶段进行张力补偿控制，即穿带阶段的机架间张力给定必须比正常的张力给定高10%－30%(随着厚度的不同进行选择)。然后在轧机升速过程中随着速度的增加按照一定的斜率回归到正常的张力。（3）卷取张力控制卷取张力给定。卷取张力是由二级机根据带钢厚度、带钢宽度查表后计算得出。一级机根据轧机的运行状态、钢卷直径、机械设备的形状等计算升速，恒速时的张力，并进行控制。卷取变张力控制。钢卷内圈由于弯曲应力，钢卷自重等原因，所需要的卷取张力也应与钢卷本体有所区别．应根据厚度的不同在小卷径时加大或减小张力给定，然后随着卷径的增大按照一定的斜率逐步回归到正常的张力。卷取张力的人工干预。卷取张力给定值可在五机架操作箱、主操作台进行人工干预。（4）低速ATC控制方式在穿带/甩尾期间张力控制改变机架速度，其效果好于改变机架轧制力，对板形的影响最小。穿带阶段由于IR补偿的存在会引起机架速度的下降，因此通常对各机架均进行一定的速度补偿。低速控制方式以机架3为基准机架调节其上游及下游机架的速度，这种速度控制方式与轧机速度分配的原则是相符的。事实是一个机架的速度的变化，将影响其前后两个机架间的张力。因此对所调节机架的相临的非基准机架的速度进行级联调节。（5）高速ATC控制方式此种控制方式对下游机架的压下位置进行控制。以下两种控制模式仅作用于末机架，由操作人员选择。①压下位置控制模式：此控制方式与其他机架的高速控制方式相同，作用于机架5，例如调节机架5的压下位置。②速度控制模式：测到的末机架间的张力误差通过一个调节器输出调整机架4的速度，同时对机架4进行压下位置前馈调节。机架5的压下位置不变。此种方式不会对最终成品的平直度产生影响，通过此模式，末机架可用于提高最终成品的表面品质性能。ATC不对末机架速度进行调整，是为了不影响出口流量和不与AGC功能相冲突。通过调节机架4压下位置，使调整机架4所带来的机架3~4间的张力变化减至最小。3.2仿真研究根据1-2机架间张力和1-2机架轧辊线速度之间的差的实际运行数据，采用最小二乘法建立张力与轧辊线速度差的二阶数学模型：)2(00820)1(00280)2(34670)1(64620)(ku.ku.ky.ky.ky（1）式中，y(k)——k时刻1-2机架间张力，u(k-1)——k-1时刻1-2机架轧辊线速度差。利用数学模型式（1），采用简单自适应控制进行仿真，采样周期T=0.001s，仿真结果见图1。选择参考模型，参考模型的性能指标代表了卷取机张力所期望性能指标，因此，我们给出所选参考模型的超调量和峰值时间就可计算出参考模型的传递函数。我们按超调量为10%，峰值时间为0.08s，2%误差带调整时间tP=0.123s。此时，参考模型的传递函数为236854572368)(2s.ssGm(2)采样周期T=0.001s，变为离散参考模型为94410942100113900011610)(2.z.z.z.zGm(3)其状态方程形式：)(0182003720)()(003130)(0247209481)1(kx..kyku.kx..kxmmmmm(4)其零、极点分别为，z=-0.9811；p=0.971±0.0355i。简单自适应控制算法中，选用的参考模型为式（2），Tp=10-2I，TI=10-4I，DP=80。00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.20.40.60.811.21.4time(s)SAC控制输出参考模型输出从仿真结果可以看出，采用简单自适应控制对1-2机架间张力进行控制，能够得到比较稳定的控制效果。图1实际对象式（1）的简单自适应控制仿真结果3.3现场控制研究将简单自适应控制算法用于实际现场1-2机架间的张力控制，控制算法的计算步骤如下：第一步：选定参考模型（Am、Bm、Cm、Dm）和参考输入um；选用的参考模型为式（2），其状态方程形式为式（4），um=23.4。给定控制器的参数及其初始值Tp=10-2I，TI=10-4I，DP=80和Ke(0)=0，Kx(0)=0，Ku(0)=0；置1k。第二步：通过1-2机架间的张力仪读取1-2机架间的张力值。第三步：利用参考模型式（4）计算出xm(k)，ym(k)。第四步：计算输出误差ey(k)。第五步：利用参考输入um，xm(k)，ym(k)组成向量rm(k)，计算KP(k)、KI(k)和K(k)；第六步：计算up(k)，并输出控制1机架的轧辊线速度。第七步：1kk，返回到第二步。采用C语言编制简单自适应控制的程序，编译成S7能够识别的控制模块，将它嵌入到S7-TDC中，先经过多次的模拟运行调试，不断调整控制器的参数Tp，TI，DP，当Tp=10-2I，TI=10-5I，DP=80时，1-2机架间