热连轧厚度--活套综合控制系统的协调优化策略研究

摘要

现代工业的发展对热轧带钢的控制精度提出了越来越高的要求，厚度和活套控制策略作为热连轧控制系统的核心一直是轧制自动化研究的热点。经过多年发展，热连轧自动化已经达到很高的水平，基于传统控制理论的厚度与活套控制效果已近极限，迫切需要引入先进控制理论和方法以实现控制性能的进一步提升。本文以某1700mm热连轧机组为研究对象，构建了热连轧系统状态空间表达式，并对轧制特性进行了研究分析。将滑模变结构控制、模型预测控制等先进控制策略引入到热连轧厚度与活套控制系统中，从而使热连轧控制具有更佳的控制效果。主要内容包括以下几个方面: (1)对热连轧计算机控制系统的主要功能及数据通讯方式做了具体的分析。研究了秒流量方程、张力方程等热连轧过程基本方程，并分析了适于在线应用的温降模型、轧制力模型等热连轧数学模型。采用多项式回归法，建立了适合实际工程应用的高次多项式轧机弹跳曲线与套量方程。 (2)结合轧制过程基本方程，逐一推导了各机架用于轧制特性分析的增量模型，建立了状态空间表达式的系数矩阵，并利用状态空间分析法对轧制特性进行了研究。模拟了外扰量或调节量变化时，各机架间带钢出口厚度，机架间张力与活套角度变化的动态过程，并对该过程进行了深入地分析研究，获得了各外扰量和调节量对系统各输出值的影响规律。根据某热连轧生产线的实际生产数据，对传统厚度与活套系统的控制效果及其存在的局限性进行了研究与分析。 (3)建立了液压辊缝控制系统(HGC)的理论模型并对其进行了降阶处理，通过系统辨识获得了HGC系统的模型参数，并在此基础上建立了常规Smith预估监控自动厚度控制系统。将滑模变结构控制器(SMC)引入到Smith预估监控AGC系统中，以增强Smith预估监控AGC系统的鲁棒性。在SMC控制器的设计中以双幂次趋近律取代传统趋近律，有效地消弱了SMC控制器带给监控AGC系统的抖振现象。研究结果表明，当模型参数匹配时，两种控制系统均取得了良好的控制效果;当模型参数失配时，基于SMC控制器的Smith预估监控AGC系统具有更强的鲁棒性。 (4)通过对活套高度与带钢张力系统耦合过程的分析，建立了活套系统的多变量动态数学模型。将双输入双输出的活套系统分解为两个双输入单输出系统，采用动态矩阵控制策略(DMC)对活套高度与带钢张力控制系统分别设计控制器。通过选择合适的二次型性能指标函数，实现了对活套高度与带钢张力的协调优化控制。结果表明，DMC控制系统对被控对象的数学模型精度不敏感，当系统模型参数发生摄动或受到外界干扰时，活套系统仍具有良好的控制效果。 (5)通过联立厚度与活套系统的状态方程，建立厚度-活套综合系统状态空间模型，提出了基于逆线性二次型理论(ILQ)的综合系统控制器的设计方法。根据综合系统期望的动态性能指标，选择合适的期望闭环极点，在系统中引入状态反馈实现期望的极点配置。为了应用方便，对特征向量的选取进行优化，改进ILQ理论算法。将改进的ILQ控制策略运用到了综合系统中，通过对厚度、张力与角度的协调优化控制，解决了传统控制方法将厚度与活套系统作为独立的子系统，不能协调处理系统间耦合的问题。 (6)按照实际采样周期对厚度-活套综合系统进行离散化，获得综合系统的离散状态空间模型，并设计了基于增广状态空间的离散模型预测控制器(MPC)。通过对MPC控制器性能指标函数中加权矩阵的调节，协调优化带钢厚度、张力与活套角度的响应动态。将综合系统的实际输出值引入到MPC控制器的反馈校正环节，对预测输出值进行校正。并对性能指标函数进行滚动优化，以增强系统的鲁棒性。结果表明，当综合系统受到外界干扰时，ILQ与MPC控制器可对系统输出值进行协调优化控制，使得系统具有良好的抗干扰能力;当系统的模型参数发生摄动时，基于滚动优化及反馈校正控制策略设计的MPC控制器，对系统数学模型精度要求不高，系统的输出值平均波动量与模型匹配时相近，比ILQ与PI控制器具有更强的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究的背景、目的和意义

1．2热连轧生产技术概述

1．3热连轧自动控制系统概述

1．4自动厚度控制技术概述

1．4．1厚度控制技术的发展历程

1．4．2厚度控制策略和补偿控制

1．4．3厚度控制的研究现状和发展趋势

1．5热轧带钢活套控制概述

1．5．1传统的活套控制方式

1．5．2活套的互不相关控制

1．5．3活套多变量最优控制

1．5．4具有扰动补偿器的活套互不相关控制

1．6厚度-活套综合控制研究现状

1．7本文的主要内容

第2章热连轧控制系统与基础理论研究

2．1热连轧自动控制系统

2．1．1过程自动化系统

2．1．2基础自动化系统

2．1．3人机界面系统

2．1．4系统数据通讯

2．2热连轧过程基本方程

2．2．1轧机弹跳方程

2．2．2秒流量方程

2．2．3套量方程

2．2．4张力方程

2．3热连轧过程数学模型

2．3．1温降模型

2．3．2轧制力模型

2．3．3前滑模型

2．3．4活套张力模型

2．4小结

第3章热连轧过程轧制特性综合分析

3．1状态空间分析法概述

3．1．1状态空间分析法的基本概念

3．1．2状态空间与状态方程的建立

3．2增量模型建立

3．2．1厚度增量模型

3．2．2机架间张力增量模型

3．2．3活套角速度增量模型

3．2．4调节执行机构模型

3．2．5延时环节处理

3．3偏微分系数的确定

3．3．1轧制力偏微分系数

3．3．2前滑偏微分系数

3．3．3活套角加速度偏微分系数

3．3．4温度延时偏微分系数

3．3．5轧制特性分析计算

3．4热连轧轧制动态特性分析

3．4．1外扰量的影响

3．4．2调节量的影响

3．5热连轧轧制参数影响规律分析

3．5．1外扰量的影响

3．5．2调节量的影响

3．6热连轧传统控制系统的控制效果分析

3．6．1传统厚度控制系统效果分析

3．6．2传统活套控制系统效果分析

3．6．3厚度-活套综合系统耦合分析

3．7小结

第4章基于滑模变结构的Smith预估监控AGC控制策略

4．1液压辊缝控制系统建模

4．2液压辊缝控制系统系统辨识

4．2．1频域系统辨识算法

4．2．2 HGC参数系统辨识过程

4．3常规Smith预估监控AGC系统

4．4基于滑模变结构的Smith预估监控AGC系统

4．4．1滑模变结构控制原理

4．4．2滑模变结构监控AGC系统设计

4．4．3系统收敛性分析

4．5控制效果分析

4．5．1预估模型匹配时控制效果

4．5．2预估模型失配时控制效果

4．6小结

第5章活套角度-张力综合多变量控制策略

5．1活套系统概述

5．1．1活套控制工艺

5．1．2活套控制系统特性

5．1．3活套系统控制原理

5．2活套多变量系统模型

5．2．1活套基本结构

5．2．2活套系统的传递函数模型

5．3基于动态矩阵控制的活套多变量控制

5．3．1动态矩阵控制算法研究

5．3．2动态矩阵解耦控制在活套系统上的应用

5．4活套动态矩阵控制的仿真分析

5．4．1仿真模型的建立

5．4．2控制效果分析

5．5小结

第6章热连轧厚度-活套综合系统协调优化控制研究

6．1 ILQ算法及其控制器设计

6．1．1 ILQ理论概述

6．1．2 ILQ控制器的设计

6．1．3基于ILO理论的厚度-活套控制器的设计

6．1．4 ILQ算法渐进性分析

6．2MPC算法及其控制器设计

6．2．1 MPC算法概述

6．2．2厚度-活套系统MPC控制器的设计

6．3控制效果分析

6．3．1响应性能分析

6．3．2抗干扰性能分析

6．3．3模型失配分析

6．4小结

第7章结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

致谢

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