带非线性环节的液压活套控制系统.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8 卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS Fe b ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 4 D OI i 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 2 5 带非线性环节的液压活套控制系统 王巍巍 ，武延坤 ，童朝南。 ，张志华 1 ．深圳水务 集团有限公司大涌水厂，广东深圳 5 1 8 0 5 7 ； 2 ．深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，广东深圳 5 1 8 0 5 5 ； 3 ．北京科技 大学信息工程 学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 4 ．辽 宁科技 大学电子与信息工程学院，辽宁鞍 山 1 1 4 0 5 1 摘要为了获得更好的控制效果 ，根据液压活套控制系统实际工作情况及力学分析，建立带非线性环节的对象模型， 并按照实际控制系统设计实现了基于规则的变结构控制器。根据活套高度的偏差量 ，在两种控制方式之间切换，以保证张 力的恒定 ，从而减少张力波动对带钢厚度及宽度的影响。该控制方法已在实际的热轧现场得到了普遍应用，并取得了很好 的控制效果。仿真结果也表明了该方法的有效性。 关键词液压活套 ；非线性环节 ；模型；变结构控制；张力 中图分类号T G 3 3 5 ． 5 5 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 7 4 3 Hy d r a ul i c Lo o pe r Co n t r o l S y s t e m wi t h No n l i n e a r Li n k WANG We i we i ，WU Ya n k u n ．T 0 NG C h a o n a n ．Z HAN G Z h i h u a 1 ． D a y o n g Wa t e r T r e a t m e n t P l a n t ，S h e n z h e n Wa t e r C o ． ，L t d ，S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 5 7 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a nd En v i r o nme n t En g i n e e rin g， S h e n z h e n P o l y t e c h n i c， S he n z h e n Gu a n g d o n g 5 1 8 0 5 5 ，C h i n a ；3 ． S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；4 ． S c h o o l o f E l e c t r o n i c s a n d I n f o rma t i o n E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy L i a o n i n g ，A n s h a n L i a o n i n g 1 1 4 0 5 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e mo d e l o f h y d r a u l i c l o o p e r w i t h n o n l i n e a r l i n k i n h o t r o l l i n g p r o d u c t l i n e Wa S b u i l t b a s e d o n w o r k i n g s i t u a t i o n a n d d y n a mi c s a n a l y s i s o f h y d r a u l i c l o o p e r c o n t r o l s y s t e m． A c c o r d i n g t o t h e w o r k i n g c h ara c t e ri s t i c o f p r a c t i c a l c o n t r o l s y s t e m ， a v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l l e r WaS d e s i g n e d， w h i c h c a n s wi t c h c o n t r o l mo d e a c c o r d i n g t o t h e h e i g h t d e v i a t i o n o f l o o p e r t o a s s u r e t e n s i o n c o n s t an t ， an d c a n r e d u c e t h e e f f e c t o f t e n s i o n c h a n g e o n t h e t h i c k n e s s a n d w i d t h o f s t rip ． T h e c o n t rol s t r a t e g y h a s b e e n w i d e l y a p p l i e d i n h o t rol l i n g p r o d u c t l i n e ， a n d t h e b e t t e r c o n t r o l r e s u l t s h a v e b e e n a c h i e v e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c l o o p e r ； N o n l i n e a r l i n k；Mo d e l ； Vari a b l e s t ruc t u r e c o n t r o l ； T e n s i o n 带钢热连轧生产过程是一个复杂 的综合系统， 精轧机组又是整个生产过程的核心，对最终热轧成 品质量起着决定性的作用 。活套在精轧机组 中占 有重要 的位置 ，精轧过程是通过活套实现恒张力、 微套量轧制的。液压活套以其优越 的特性，在热轧 生产线上 已经得 到 了广 泛 的应用 。对 于实 际的液 压 活套控制系统 ，当套高发生较大的波动时，系统模 型参数将发生摄动 ，为了获得 良好 的控制效果，控 制器也随之进行切换。模型发生变化的一个重要原 因是摩擦的变化。因此，作者尝试建立带非线性环 节的实际液压 活套 系统 模 型及 现场 采用基 于规则 切 换 的 P I 控制器。 1 伺服系统摩擦模型 摩擦存在于所有的运动中，特别是对高性能伺 服系统的影响尤为突出。对于伺服系统来说，摩擦 是影响系统低速性能的重要 因素 ，它不但造成系统 的稳态误差，而且使系统产生爬行 、振荡。 S t r i b e c k曲线是 比较著 名 的摩 擦模 型。如 图 1所 示，表明了在不同的摩擦阶段 ，摩擦力矩与速度之间 的关 系 ，该关系 即为 S t r i b e c k曲线 。 摩擦力 黏性摩擦＼／ 静 摩擦 ／ 库伦 摩擦 ／ 0 速 度 图 1 S t r i b e c k摩擦曲线 S t r i b e c k 摩擦模型可表示如下当 lI 0 c 时， 静 收稿 日期 2 0 0 9～ 0 2 0 4 作者简介王巍巍 1 9 7 9 一 ，女，助理工程师。电话0 7 5 5- 2 6 6 3 7 4 4 8 ，E m a i l r anw e n g 3 6 5 s o h u ． c o rn。 第 4期 王巍巍 等 带非线性 环节 的液压活套控制系统 7 5 舶 F 一 ￡ 当 ll ≥ 时，动摩擦为 r ， 扩 1 了 1 1 m 3R 矿 1 豫 矿 1 m r ，2 1 m m ， -- m 4 R 5 对应于广义坐标 0的广义力为 F f t [ F 。 F 一 e ” ‘ ] 2 s g n 0 t t F t J O t 3 式 中 F t 为驱动力 ；F 为最大静摩 擦力 ；F 。 为库仑摩擦 力 ；k 为黏性摩 擦力 矩 比例 系数 ；0 t 为转动 角速度 ； 和 为 非常 小 的正 常数。 实际实验定义 ll 为停滞区，ll ‘ J『 ≥ 为运 动 区 。 2 基于 L a g r a n g方程的液压活套系统模型 活套系统动力机构如图 2 所示。 为液压缸推力 矩，M 为摩擦力矩，m 为活套动力臂 B C r 的质 量，m 为活套工作力臂 C D R的质量，m 为接触 辊的质量 ，m 为带钢的质量 。 图2 活套系统动力机构图 液压活套系统的运动是靠液压缸提供的推力来 实现 的。取整个活套 系统 为研究对象 ，由图 2所示 的 活套动力机构只有一个 自由度 ，所受约束 皆为完整、 理想、定常的，可取活套工作臂与水平轧线夹角 0 为 广义坐标，系统受到的主动力有 液压缸的推力 ，摩 擦力，带钢张力以及活套动力臂、工作臂、接触辊和 带钢的重力。 根据 L a g r a n g 方程 ，可得 d L, OT ． 一 O T Q 。 4 活套运动时的动能为活套工作臂 C D、动力 臂 B C 、接触辊及带钢的动能，有 。 m ， R 1 帆R Q pF L r c o s 6一 一 ， n l g r c o s 咖一0 一 1 ， n 2 氓 c o s 0一， n 3 g Rc o s Om4 g R c o s OR T [ s i n 0 一s i n 0 一 ]一F f r c o s 8 6 求式 5 的导数及偏导数如下 ， m R m ， R m R 2 7 0 0 苦 , 1 ,2 了 1 0‘ 等 0 8 9 将式 6 、 8 和 9 代人式 4 ，可得 m r ，2 m 4 R F L r c o s 一 1 m g r ， c 。 s 一 一下 1 m 2 c o s 0一m3 c 。 s 一 m 2 g R c o s O R T [ s i n 0 卢 一 s i n 0 一a ] 一 F f r c o s 8 1 0 即 0 M M w M T M f 1 1 式中M 为活套机构和带钢的总重力矩， 为带 钢张力矩 。 J T1 2 m m 3R m 4 R M F c o s 6 Mw 1， 扎 l ， c 。 s 一 十 1 ， n 2 g c 。 s 十 m3 g Rc o s Om4 g Rc o s O Mr R T [ s i n 0 JB 一 s i n 0 一 ] Mf F f r c o s 8 1 2 这样就得到 了活套 系统的液压控 制对象模 型。 其中的 按公式 1 取 S t fi b e c k摩擦模型， 可由 文献 [ 4 ]获得，R ，0 ， 及 的具体表达式可参 照文献 [ 5 ] 。并由文献 [ 6 ]可知张应力 ．r ； 为 i 等△ 2 1 3 3 控制方案 基于以上建立的液压活套模型 式 1 1 ，结合 热轧现场实际液压活套控制系统 ，可得到带非线性环 节 的液压 活套控 制系统结构如 图 3所 示。该 控制系统 以带钢张应力 r作 为控 制 目标 ，将 轧机主速度 差引起 7 6 机床与液压 第 3 8 卷 的活套高度 表现为 0的变化波动作为扰动来考虑。 图3 带非线性环节的液压活套控制系统结构 在热带钢 的正 常生 产过 程 中，液 压 活套 在低 速 运行时摩擦大，在高速运行时摩擦小。活套系统 中 的摩擦因数不仅呈现非线性，而且对活套模型有重 要影响 。所 以，在实 际的活套控制 中，如果只采用一 个 P I 控制器 ，会使带钢张力产生过大的波动。于是， 设计了基于规则切换的 P I 控制器 ，这个规则就是套 高的偏差量，一般是在 3 。 一5 。 之间，具体值 由现场 调试确定。在稳定工作段，活套的实际控制器设计 为当活套高度波动大于某个 阈值 比如 5 。 时， 控制器就会发生切换，由小于这个 阈值时的 P I 控制 切换到 P控制。此时的比例控制系数要小于 P I 控制 器的比例系数。因为，如果这时取大比例控制 ，活套 高度会快速 向稳定值趋近，但是速度过快会产生振 荡。所以，当活套高度波动大于某个阈值时，控制器 取小比例控制；当活套高度的偏差小于这个阈值时， 控制器再切换成大比例小积分控制，大 比例可以保 证控制效果 的快速性 ，而小积分用来消除静差。这 种控制器在现场取得 了满意的控制效果。在控制器 的切换过程 中，其实活套的模型也在变化 ，这主要 是因为在这 个过 程 中 ，油缸 的摩 擦 因数 随着 活套 运 行速度变化很大 ，另外就是活套系统传动机构的摩 擦也在变化 。图 3中的变结构控制器完全按照 以上控 制思想设 计实现。 4仿真分析 该仿真控制系统主要是张力闭环控制 ，而非高 度闭环控制。当前后机架的轧机主速度差发生波动 时 ，会引起活套 高度 的波动 ，从 而影 响到带钢 张力 。 为了保证张力的恒定，将活套高度的偏差量作为控 制器的切换条件。对于实际的活套 系统，当套高发 生波动时，活套控制系统就会对主速度系统进行 自 动调节 ，此 次仿 真并 不关 注这 个 调节 过 程 ，仅关 注 和分析高度波动引起的张力波动及其对张力的危害。 这种基于规则的变结构控制器已经在热轧工业 现场得 到普遍应用，并且取得了很好 的控制效果。 这里将其 引人仿真研究 ，以证明该方法的有效性。 在仿真中，给活套高度 0 一定的扰动量 ，观察张应力 的变化，看是否符合实际热轧现场的情况。根据有 关热轧工艺学要求 ，张应力的波动在 0 ． 1 ～ 0 ． 3 5 MP a 时，将不会对带钢厚度及宽度精度造成 明显影 响。 所 以 ，活套控 制 系统 的 目标就 是将 张应 力 的波 动 控 制在 0 ． 3 5 M P a以下。对于实际的液压活套系统，在 小角度范围内运动时，运动速度小，系统摩擦大；而 角度波动大于一定值后 ，活套运动速度大，系统摩擦 小。所以，变结构控制器的切换角度定义在 3 。～ 5 。 之间是有 实用性 的。 以某热轧厂 1 7 0 0 m lT l 实际液压活套系统数据为 依据，不采用切换控制器 ，即无论活套高度偏差量的 大小都采用一套 P I 控制参数，从 0 7 S 给活套高度 8 。 的方波扰动，活套系统响应曲线如图4所示。 a 为 张应力 增量 的 响应 曲线 ，从 中可 以看 到张 应力 的 波动超出了 0 ． 3 5 M P a ，这样会对成品带钢质量造成 影响。 b 中实线为高度设定值 ，点划线为实际的 套高，虚线为给定的套高扰动，可以看到套高波动比 较剧烈 。 0 0 O 。0 司 一 O -0 ．0 lIIllIlf 0 5 1 0 1 5 0 5 1 0 1 5 t ／ s t ／ s a 张应力增量响应曲线 b 给定套高扰动时套高波动曲线 图4 当控制器不切换时，大角度扰动响应曲线 针对该 热轧厂 1 7 0 0 m m实际液压 活套系统 ，采 用切换控制方式对图3进行仿真研究。在实际的带钢 轧制过程 中，前后机架主传动速度差的变化会引起 活套高度的变化，从而影响带钢张力的变化。从 0 7 s 给活套高度 8 。 的方波扰动 ，活套系统响应曲线如 图 5所示 。由 a 知 ，张力 的波 动 小 于 0 ． 3 5 I P a ， 满足热轧工艺学对张应力波动量的要求。图5 b 中实线为高度设定 ，点划线为实际的套高，虚线为给 定的套高扰动。活套高度大角度波动时，活套系统运 行速度快，摩擦变化大，所以采用图3的切换控制方 式能够获得较不切换控制器更好的控制效果。将图4 a 与图 5 a 进行对 比可 以发 现 ，控制器 不切换 时 ，张应力 波动较 大。并 且 由图 4 b 与图 5 b 的比较，不难发现 ，控制器不切换时，活套高度抖动 也加剧。所以，实际活套控制系统采用切换的 P I 控 制器，可以获得更好的控制效果 ，减少了张力波动对 t | s t | s a 张应力增量响应曲线 b 给定套高扰动时套高波动 曲线 图 5 当控制器切换时，大角度扰动响应曲线 下转第 6 8页 6 8 机床与液压 第 3 8卷 4 ． 2 G S D文件设计 若要将 P r o f i b u s 设备添加到现场总线网络中，每 台设备必须提供一个 G S D文件，以定义每台设备的 生产厂商、设备支持的传输速率、诊断信息、通用通 信规范等参数，主要根据 P r o fi b u s D P从站程序中规 定的参数进行设计 ，以实现 D P从站 的即插 即用配 置。使用 P r o fi b u s 用户组织提供的 G S D E d i t 文件编辑 器和检验工具，可以很方便地编制 自己所需 G S D文 件。G S D文件是由若干行组成 ，每行都用一个关键 字开头，包括关键字及参数两部分。G S D文件中的 关键字可以是标准关键字 在 P r o fi b u s 标准中定义 或自定义关键字。标准关键字可以被 P r o fi b u s 的任何 组态工具所 识别 ，而 自定 义关 键字 只 能被特 定 的组 态工具识别 。在进行 P r o fi b u s 网络系统组 态时 ，可 以 很容易地把不同制造商生产的设备组态到 P r o fi b u s 网 络 中。 4 ． 3 P C机 软件 设 计 在该设计 中P C机作为主站 ，通过 串口传送其命 令，其通讯软件主要是采用西门子公司的 Wi n C C 6 ． 0 组态软件设计标准 的人机界 面 ，主要 包括用户 管理 、 过程监控、参数修改，故障报警等几个部分。即利用 组态软件建立一个库文件 ，将 P C机接收现场控制器 上传的大棚温湿度的当前数据进行显示、存储，同 时可修改温湿度的上下限。用户管理部分负责数据 的统计、查询 以及数据库 的备份和维护。系统集成 度高，人机界面友好 ，便于维护与管理，很容易做到 与下位监控机之间的数据通信和数据管理等。 5 结束语 大型智能温室的分布式监控系统的设计采用 了 P r o fi b u s 现场总线技术，实现了多点、多信号 的连续 实时监测。如果把上位监控机通过以太 网接入 I N - T E R N E T，实现远程用户的监控和多个上位管理机的 集中管理，可大大提高了工作效率和 自动化程度。此 外利用 F r e e s c a l e 公司生产的 MC 6 8 H C 9 1 2 B C 3 2单片机 作为控制核心，采用 了 “ 微控制器 接 口电路”的 结构 ，适合具有模拟量输入输出的应用场合，性价比 高，设计中既保持了下位机与上位机之间的合作关 系，也做到了下位机的独立性 ，使得系统的整体监控 灵活性好。不论是硬件还是软件均满足大型温室温 湿度参数 的分布 式监 控 系统要 求 ，其 技术 也 移植 到 水处理、冶金等其他需要远程监控的场合。 参考文献 【 1 】 盂飞， 罗爱斌． 多点温湿度测量仪的设计[ J ] ．电子技 术 ， 2 0 0 8 1 4 7 4 9 ． 【 2 】F r e e s c a l e I n c P r o c e s s o r E x p e r t U s e r G u i d e [ M] ． 2 0 0 3 ． 【 3 】S I E M E N S 公司． C o n fi g u r i n g H a r d w a r e a n d C o m m u n i c a t i o n C o n n e c t i o n S T EP 7 V 5 1 0 S I MA T I C S o f t w a r e Man u a l [ M] ． 1 9 9 8 ． 【 4】S I E ME N S公 司．S P C 3 S i e m e n s P R O F I B U S C o n t r o ll e r H a r d w a r e D e s c r i p t i o n [ M] ． V1 ． 3 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】杨国田， 白焰． M o t o r o l a 6 8 H C 1 2系列微控制器原理、 应 用与开发技术[ M] ．北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 6 】章民融， 秦艳华 ， 徐亚锋． 基于 S P C 3的 P R O F I B U S D P 的研究与开发[ J ] ． 计算机应 用与软件， 2 0 0 8 8 1 8 5 1 8 6． 上接第 7 6页 带钢厚度及宽度的影响。从图4与图5的对比，可以 看 出基 于规则 的变结 构控 制 器 的有 效 性 ，从 而验证 了实 际现场采用 的控制策略 的正确性 。 5结论 针对热连轧液压活套控制系统，根据现场的实 际情况 ，采用 L a g r a n g 方程建立其带非线性环节的模 型，并设计了根据活套高度变化情况进行切换的 P I 控制器。在模型的研究 中，突破传统活套模型研究 的局限，将液压活套实际工作过程中油缸摩擦及活 套系统传动机构摩擦考虑进来，并采用 S t r i b e c k摩擦 模型来描述。仿真结果基本符合现场实际液压活套 控制系统的工作情况 ，表明在热轧现场普遍采用的 变结构 P I 控制策略是有效 的。 参考文献 【 l 】G i n z b u r g V B ． 板带轧制工艺学[ M] ． 北京 冶金工业出 版社， 1 9 9 8 ． 【 2 】刘金琨． 滑模变结构控制 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 清 华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】王永岩． 理论力学[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 7 ． 【 4 】 武延坤， 童朝南， 彭开香． 热连轧机液压活套系统在非稳 定工作段模型的研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7， 3 5 1 1 8 79 0 ． 【 5 】童朝南 ， 武延坤， 宗胜悦， 等． 热连轧中液压活套系统数 学模型的研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 2 0 6 1 3 8 1 1 38 5． 【 6 】 刘玢， 孙一康． 带钢热连轧计算机控制[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 7 ．