带钢热连轧精轧厚度-活套综合控制系统的设计与应用

摘要

带钢热连轧精轧是钢铁工业的重要生产过程，其产品在表面质量、几何尺寸及机械性能等方面都有严格的要求。由于其生产过程工艺复杂，工况恶劣，现代热连轧生产线往往装备昂贵的高精设备，且由多种自动控制系统联合工作，包括自动厚度控制系统，自动宽度控制系统，自动板形控制系统等。另一方面，由于各类扰动的存在，前一轧机带钢出口速度和后一轧机带钢入口速度往往并不相等，这样的速差必然导致前后轧机间带钢长度与张力的波动。为保证在恒定张力情况下进行轧制，目前绝大多数热连轧生产线在前后两轧机间都安装了活套装置。由于传统的控制方法将厚度、活套及张力，作为独立的子系统进行控制，不能协调处理系统间的耦合，控制性能很难满足市场对热轧带钢产品日益苛刻的要求。本文以厚度、活套及张力综合系统为研究对象，在滑模控制，H∞控制，几乎干扰解耦控制及预测控制方面做了相关探索性研究。主要内容包括以下几个方面:
　　(1)提出了基于线性模型及滑模方法的活套张力控制方案，采用耦合项对消的方法，实现了系统在滑模面上的解耦，增加了系统鲁棒性，提高了控制性能。另外，针对传统滑模控制无法处理非匹配扰动的缺点，提出了积分滑模和H∞控制相结合的方法，积分滑模方法处理匹配扰动，H∞控制处理非匹配扰动，进一步提高了活套张力控制系统性能，获得了比单独使用一种方法更好的效果。
　　(2)针对活套张力系统固有的非线性特性，提出了基于非线性模型及滑模方法的解耦控制方案和基于反馈线性化的几乎干扰解耦控制，在活套张力系统非线性模型的基础上，对系统的非线性控制方法做了探索性研究。滑模控制能实现非线性耦合项的对消，并能较好地抑制匹配扰动，对执行器的未建模动态具有较好的鲁棒性。基于反馈线性化的几乎干扰解耦控制，则能实现参数化控制器的设计，系统对扰动的抑制能力可调，且参数调节直观方便。非线性控制器具有全局稳定，可运行范围大的优点，能有效解决线性控制方案由于运行区域有限、需要随工作点变化切换控制器的问题。
　　(3)针对现代热连轧生产线大都通过数字可编程逻辑控制器进行系统控制，离散控制器更适合实际应用的特点，并针对厚度系统与活套张力系统间的强耦合，建立了厚度-活套综合系统状态空间模型，并在其基础上，设计约束离散预测控制器，通过加权矩阵的调节，协调厚度、活套与张力的响应动态，提高了综合控制系统性能。
　　(4)以实际生产过程数据为基础进行仿真分析，采用实际扰动作为仿真输入，验证了基于厚度-活套综合系统状态空间模型的仿真程序的可信性。并进一步，对本文提出的约束预测控制算法进行仿真，证明了新算法的有效性，可充分提高综合控制系统的性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 热连轧过程概述

1．3 国内外研究现状

1．3．1 活套张力控制系统研究现状

1．3．2 厚度控制系统研究现状

1．3．3 厚度-活套综合控制系统研究现状

1．3．4 未来发展趋势

第二章 热连轧精轧模型与控制问题

2．1 变形区机理模型及控制问题

2．2 活套张力机理模型及控制问题

2．3 热连轧精轧过程扰动分析

2．4 热连轧精轧模型参数

2．5 系统控制方案

2．6 本章小结

第三章 活套张力系统线性模型及控制方法

3．1 活套张力系统工作点附近线性近似模型

3．2 基于线性模型及滑模方法的活套张力控制

3．2．1 基于滑模方法的分块线性系统控制简介

3．2．2 基于线性模型及滑模方法的活套张力解耦控制

3．2．3 仿真结果

3．3 基于线性模型的H∞控制

3．3．1 H∞控制方法简介

3．3．2 活套张力系统H∞控制器设计

3．3．3 仿真结果

3．4 基于线性模型及积分滑模方法的H∞控制

3．4．1 积分滑模控制方法简介

3．4．2 活套张力系统基于积分滑模方法的H∞控制器设计

3．4．3 仿真结果

3．5 本章小结

第四章 活套张力系统非线性模型及控制方法

4．1 活套张力系统非线性模型

4．2 基于非线性模型及滑模方法的活套张力控制

4．2．1 基于滑模方法的非线性系统控制简介

4．2．2 角度环滑模控制器设计

4．2．3 张力环滑模控制器设计

4．2．4 仿真结果

4．3 基于反馈线性化的活套张力系统几乎干扰解耦控制

4．3．1 非线性系统反馈线性化方法介绍

4．3．2 几乎干扰解耦控制定义

4．3．3 活套张力系统状态反馈线性化

4．3．4 基于状态反馈线性化的几乎干扰解耦控制

4．3．5 仿真结果

4．4 本章小结

第五章 厚度-活套综合系统预测控制

5．1 传统控制方案

5．2 厚度-活套综合系统预测控制

5．2．1 基于离散状态空间模型的预测控制简介

5．2．2 厚度-活套综合系统状态空间模型

5．2．3 厚度-活套综合系统预测控制器设计

5．2．4 仿真结果

5．3 本章小结

第六章 厚度-活套综合控制系统设计与分析验证

6．1 带钢热连轧多级计算机控制系统

6．1．1 计算机控制系统总体架构

6．1．2 在线数据采集系统

6．2 基于实际数据的仿真分析与验证

6．2．1 实际数据分析

6．2．2 仿真验证

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表和撰写的论文

攻读博士学位期间参加项目及申请发明专利情况

致谢