轧机液压厚度控制系统的定量反馈优化设计.pdf

2 0 1 2年 3月 第 4 0卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma r ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 8 轧机液压厚度控制系统的定量反馈优化设计 张明，杨卫 东 北京科技大学钢铁流程先进控制教育部重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 摘要结合某 2 5 0 0 m m中厚板精轧厚度控制系统设计项目，根据实际设备条件，确定合理的轧机液压伺服控制系统模 型。考虑执行机构的性能与轧机系统整体稳定性的折衷问题，在 P I D控制器基础上，设计液压伺服定量反馈 Q V T控制器。 综合分析执行机构的不确定性范围和系统性能指标的要求，实现了轧机液压伺服系统鲁棒控制器的设计。对比仿真结果表 明Q V T调整方案能够有效保证系统的稳定性 ，同时具有较好的控制性能。 关键词定量反馈理论；液压厚度控制；中厚板轧制 ；回路成型 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 5 0 5 95 Qu a n t i t a t i v e F e e d b a c k T u n i n g f o r Hy d r a u l i c Aut o ma t i c Ga ug e Co n t r o l S y s t e m o f Ro l l i n g M i l l Z HANG Mi n g ．YANG We i d o 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 Ab s t r a c t A h y d r a u l i c a u t o ma t i c g a u g e c o n t r o l H A G C c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m f o r 2 5 0 0 mm p l a t e m i l l w a s e a t a b l i s h e d ．A c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a c t u a l p l a t e mi l l ，a r e a s o n a b l e mi l l h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m mo d e l w a s d e s i g n e d ．C o n s i d e r - i n g t h e o v e r a l l s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d s t a b i l i t y t r a d e - o ff p r o b l e ms ，a P I D c o n t r o l l e r b a s e d o n q u a n t i t a t i v e f e e d b a c k t h e o r y Q v r t u n i g f o r h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m wa s p r o p o s e d ． W i t h c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e u n c e r t a i n t i e s a n d t h e r e q u i r e me n t s o f s y s t e m p e r f o rm a n t e ，a r o b u s t c o n t r o l l e r for t h e r o l l i n g m i l l h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m w a s a c h i e v e d ．S i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ，c o n t r o l l e r w i t h Q v r t u n i n g c a n e f f e c t i v e l y g u a r a n t e e t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m a n d h a s a b e t t e r c o n t r o l p e rf o rm a n c e ． Ke y w o r d s Q u a n t i t a t i v e f e e d b a c k t h e o r y ；H y d r a u l i c a u t o m a t i c g a u g e c o n t r o l ；P l a t e r o l l i n g ；L o o p s h a p i n g 现代中厚板轧制中，液压压下执行机构不断发 展，正逐步取代先前 的电动方式⋯。液压厚度控制 H y d r a u l i c A u t o m a t i c G a u g e C o n t r o l ，H A G C系 统 成 为板带厚度指标的基本保证。现阶段实际中厚板生产 线大多已采用电动和液压结合的压下系统 。相比传统 的电动压下 ，液压系统的阶跃响应时间一般低于 4 0 m s ，响应频率可达 1 0 H z 以上 ，大大改善了轧制过 程厚度调整 的控制 效率 。H A G C可 以有效 减小 水 印 、 温度不均所造成的厚度偏差 ，提高了同板差和异板差 的控制精度。对于液压执行机构的控制回路，当前 ， 9 0 ％以上依旧采用传统 P I D结构 。P I D控制器以其 结构简单、便于调试的特点 ，在钢铁工业轧制控制中 得到广泛应用。工业控制器要求具有 良好的控制性 能 ，又要求兼顾整个系统的鲁棒稳定性。传统设计方 案通过幅值裕度和相位裕度要求设计稳定域 ，由时域 目标函数优化控制参数 ，可避免控制器设计的有理近 似 ；然而 ，由于 P I D 自身结 构的限 制 ，很 难对 系 统高频进行调整 ，且轧制过程存在大量的不确定因 素，很难同时满足轧机系统标称性能和鲁棒性能要 求 。因此，进一步提高液压控制器性能，寻求适合 工业生产 的板厚鲁棒控制器 ，成为厚度研究的一个新 方 向 引。 文中针对液压控制器控制性能与鲁棒稳定性的折 衷 ，结合某 2 5 0 0 m m中厚板精轧机厚度控制系统设 计项 目，根据中厚板生产工艺特点，应用定量反馈理 论 Q u a n t i t a t i v e F e e d b a c k T h e o r y ，Q V T 设计基于频 域的鲁棒液压控制器，将轧机执行系统的不确定性范 围和性能指标用定量 的方式在 N i c h o l s 图上形成边 界 ， 通过回路整形 ，使得标称对象的开环频率曲线在 不 同频段满足性能边界条件 ，实现控制器设计 。通过 仿真 ，对比验证 了所设计控制器 的鲁棒性和跟踪性 能。 1 问题表述 板厚是热轧 中厚板控制 中的重要质量指标 ，液压 设备 的引人 ，大 大 提 高 了厚 度 自动 控 制 A u t o m a t i c G a u g e C o n t r o l ，A G C 系统的执行效率和纵向厚度控 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 9 ‘ 基金项目北京市教委重点学科控制理论与控制工程 X K 1 0 0 0 8 0 5 3 7 作者简介张明 1 9 8 1 m，男，博士研究生，研究领域为轧钢 自动化 、定量反馈理论 、板带 AG C控制 、鲁棒控制。 E ma i l a f fla t u s z m g ma i l ．t o m。 6 O 机床与液压 第 4 0卷 制精度。 根据轧机设备和控制要求 ，该中厚板轧机厚度计 算机控制系统的结构如图 1 所示。一级硬件系统采用 S i e m e n s 公 司 的 C P U 4 1 6F M 4 5 8E X M 4 3 8的 s 7 一 双 C P U并行工作设计方案，由 F M 4 5 8 E X M 4 3 8 完成 液压厚度控制 ，C P U 4 1 6F M 4 5 8E X M 4 3 8 计算机系 统通过工业以太网与过程级、人机界面 H MI 进行 数据交换 ，通过 P R O F I B U S D P网与操作台和主传动 4 0 0 P L C和 P R O F I B U S - D P远程 I／ O E T 2 0 0系统 。采用P L C 7 - 4 0 0通讯并交换数据 。 l 过 程 控 制 计 算 油 压 检 测 l ／ 传 感 器 l 电动 乐下 桁 詈椅涮 ] 广 J ． ． ／ 口 q ， ＼ ， 、 、 速 度 压 下 电 机 速 度 反 例 笔 ‘ l 电 机 器 i 油￡一 人 电动AP c 卜 _ 一 u 感 位 稻 机 P L C系统 聃 传 癌 缸 器 界 面 计 1 算 液压 AG C 液 压AP C l ” l 、 ， 机 ▲ l ． ＼ ／ 一 L二 二 二_ 液压缸位置检测 四辊可逆轧机 图 1 某 2 5 0 0 m m中厚板厚度控制系统结构 压 下系统 A P C 包括电动压 下逻辑控制和液压 压下逻辑控制两部分 前者用于大位移压下和抬辊操 作，后者主要执行小位移压下和辊缝微调操作。液压 A P C系统作为液压厚度控制系统 的内环 ，是 H A G C 系统的核心 ，结 构如 图 2所示 。由 A G C环 节运算 后 给出的设定参数 辊缝设定值与位移传感器检测 出的轧辊位移量进行比较，偏差信号经控制器 、伺服 放大器，驱动电液伺服阀，改变液压缸的位移，进而 改变轧辊辊缝，达到消除厚度偏差的目的。 图2 H A G C伺服控制系统方框图 1 ． 1 液压厚 度控 制 系统模 型 H A G C液压伺服系统的动态元件包括伺服阀、供 油管路、阀控液压缸、回油管路、传感器和控制调节 器。 1 伺服阀方程 由系统输入输出信号的动态变化，基于伺服阀工 作原理分析各部分结构及受力情况，电液伺服阀采用 电流负反馈放大器，液压伺服阀输出流量 Q 。 对输入 电流 ， 的传递函数可简化为 Q ∞ s K v s s 1 2 Ls 1 式中t 为伺服阀惯性环节时间常数 ；K v 为 电液伺 服 阀流量增益 ，m ／ s A ； 为电液伺 服阀 的固有 频率 ，r a d ／ s ； 为伺服阀阻尼比。 电液伺服阀的传递函数根据所带所驱动的执行元 件负载的固有频率 ∞ 不同，分别近似为 Q t o s t o ,0 1 1 其中 小I I 12 ∞ f 1 计算各选样频率处不确定对象模型的稳定性能和 跟踪性能指标复合边界，如图 6所示。进行 回路整 形 ，如图7所示，通过 N i c h o l s 图分析，使得标称开 环传递函数响应图形每一个频率点都在相应的边界上。 兽 葙 磐 瞬 开环相角， 。 图 6 电液伺服系统的 Q F T复合边界 -3 6 0 3 l 5 ． 2 7 0 - 2 2 5 1 8 0 1 3 5 ． 9 0 ． 4 5 0 开环相角， 。 图7 液压控制器定量反馈回路整形 通过对系统进行分析与综合 ，在 P I D控制器基础 上可得 Q F T二 自由度控制器反馈控制器 G s 和前 向滤波器 F s C s 紫 等击 F s 1 5 液压控制器 G可由 N i c h o l s 图的边界条件得 出， 如图7所示。在一定程度上，Q F r控制器设计依赖于 设计者的经验和一定设计规律的结合。整形后的开环 频率响应曲线应在边界上方，并应尽可能与边界靠 拢 ，且在高频段不应与稳定边界相交。 4仿真研究 根据以上讨论，由某批次 2 5 0 0 m m中厚板设定 轧制规程，取第5道次的轧制数据作为仿真参数，其 中 Q2 3 5 ， 8 0 0 m m。测 试 参 数 为 9 6 0 ． 6 ℃ ， S 5 31 ． 8 6 mm， 3 2 ． 8 0 mm， 5 1 4 8 ． 9 M P a 。设采样时间 0 ． 0 0 1 S ，应用 M A T L A B 定量反馈控制工具箱 ，对设定的液压伺服系统控 制 系统进行仿真 。得到系统鲁棒 稳定边 界曲线 ，性能 跟踪曲线分别如 图 8 、9所示 。 蕾 园 罄 0 - 2 1 0 。 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 频；l／ r a d s ‘ 1 图8 液压伺服系统鲁棒稳定边界响应分析 由图8 可见 定量反馈控制器能有效抑制模 型不确定性与系统外在扰动，在保证系统鲁棒稳定性 的同时，能够保证系统具有良好的性能跟踪特性。 设计轧机液压执 行机 构存 在 1 0 m s延 时，在 。枷舶瑚枷渤枷m。 第 5期 张明 等轧机液压厚度控制系统的定量反馈优化设计 6 3 0 ∞． 5 。1 0 馨 ． 1 5 ．20 ．2 5 l 0 。 2 l 0 ‘ 1 1 0 0 频率／ r a d s 1 图9 液压伺服系统跟踪性能指标分析 1 0 0 m s 改变参考输入，对 比传统 P I 和频域 P I D控制 效果 图 1 0 定量反馈调 整方案在 保证 液压 系 统鲁棒稳定基础上 ，有较好的跟踪性能，且系统无超 调。因此 ，该控制器设计方案可保证执行机构安全运 转 ，有利于延长设备的使用寿命。 图 1 0 Q 盯一 H A G C控制性能分析 4结 语 实用的轧机液压控制器整定方法应合理地考虑负 载干扰衰减 、测量 噪声效果 、过程变化 的鲁棒性 、设 定值变化的响应、所需模型、计算要求等特性的折衷。 Q F T作为一种工程设计方法 ，可直观地对液压伺服控 制器复杂性和轧机系统性能等要求做出折衷处理。 采用 Q r r整定可解决伺服系统的鲁棒性 问题 ， 实现执行机构不确定性的分析 ，适于钢铁轧制工业流 程 自动化的复杂生产控制。结合频域 P I D策略，可实 现轧机系统的高精度控制。需要指出定量反馈回路 整形过程不唯一 ，所得未必是最优控制器 ，设计更有 效的回路整形方法具有较大的现实意义。 参考文献 【 1 】 金兹伯格 V B ． 高精度板带材轧制理论与实践[ M] ． 北 京 冶金工业出版社， 2 0 0 2 1 4 3 1 5 1 ． 【 2 】 崔风平， 孙玮， 刘彦春． 中厚板生产与质量控制[ M] ． 北 京 冶金工业出版社 ， 2 0 0 8 3 1 4 3 2 9 ． 【 3 】 ． s t r S m K J ， H a g g l u n d T ． T h e F u t u r e o f P I D C o n t r o l [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 0 1 9 1 1 6 31 1 7 5 ． 【 4 】 L e e C H ． A S u r v e y o f P I D C o n t r o l l e r D e s i g n B a s e d o n G a i n a n d P h a s e M a r g i n s[ J ] ． I n t J o f C o m p u t a t i o n a l C o g n i t i o n ， 2 0 0 4， 2 3 6 31 0 0 ． 【 5 】 H w a n g C ， H w a n g J H ． S t a b i l i z a t i o n o f F i r s t o r d e r P l u s D e a d t i m e U n s t abl e P r o c e s s e s U s i n g P I D C o n t r o l l e r s [ C] ／ ／ I E E P r o c e e d i n g s C o n t r o l T h e o r y a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 4 8 9 94． 【 6 】 欧林林 ， 顾诞英， 张卫东． 基于幅值裕度和相位裕度的 P I D参数最优整定方法[ J ] ． 控制理论与应用 ， 2 0 0 7 ， 2 4 5 8 3 7 8 4 0 ． 【 7 】吕恩海， 赵长安． 基于 Q r T的 P I D控制器设计[ J ] ． 电机 与控制学报， 2 0 0 6 ， 1 0 4 4 0 2 4 0 6 ． 【 8 】王伟， 张晶涛， 柴天佑． P I D参数先进整定方法综述[ J ] ． 自动化学报， 2 0 0 0 ， 2 6 3 3 4 7 3 5 5 ． 【 9 】 杨斌虎． 热轧带钢 A G C的鲁棒控制策略研究 [ D] ． 北 京 北京科技大学， 2 0 0 8 ． 【 1 0 】Y ani v O ， N a g u r k a M． A u t o m a t i c L o o p S h a p i n g o f S t m c t u r e d C o n t r o l l e rs S a t i s f y i n g Q r r P e rf o r ma n c e[ J ] ． T r a n s - a c t i o n s o f t h e A S ME， 2 0 0 5， 1 2 7 9 4 7 2 4 7 7 ． 【 1 1 】 H o u p i s ， R a s m u s s e n ． Q u a n t i t a t i v e F e e d b a c k The o r y F u n d u me n t als a n d A p p l i c a t i o n s 『 M] ． 2 n d e d ． N e w Y o r k Ma r c e l De k k e r ， I n c ． ， 2 0 0 6 ． 【 1 2 】 B o r g h e s a n i C ， C h a i t Y， Y a n i v O ． T h e Q r r F r e q u e n c y D o ma i n C o n t r o l D e s i g n T o o l b o x f o r U s e w i t h M a h a b[ M] ． T e r a s o fl， I n c ．， 2 0 0 3 ． 上接第 3 1页 时，其磨削区表面热源则趋向于均匀分布。 3 根据有限元分析结果在表面下O一 0 ． 2 m m 以内，工件温度变化梯度较大，为 1 5 0 0 C ／ ra m；表 面下0 ． 2～ 0 ． 5 m m处温度梯度 下降到 9 5 0 o C ／ m m；表 面下 1 ． 6 m m处的温度只有约 8 0℃。 参考文献 【 1 】严勇． 金属材料超高速磨削温度场的有限元仿真[ D ] ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】张国华． 高速高效磨削温度的研究[ D ] ． 长沙 湖南大 学 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】林正百， 徐昌齐． 热电偶测量磨削区温度时的动态特性 [ J ] ． 磨料磨具与磨削， 1 9 8 1 4 1 1 2 ． 【 4 】 金滩， 蔡光起 ， 冯宝富． 深磨条件下磨削区热流及表面温 度分布[ J ] ． 湖南大学学报， 1 9 9 9 2 1 51 9 ． 【 5 】 R o w e W B ． The r m a l A n a l y s i s o f H i g h E ff i c i e n c y D e e p G ri n d i n g 『 J ] ． I n t e r n a ti o n a l J o u r n al o f M a c h i n e T o o l ＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 1 ， 4 1 11 9 ． 【 6 】G U O L i ， X I E G u i z h i ， L I B o ． G ri n d i n g T e m p e r a t u r e i n H i g h S pee d D e e p G ri n d i n g o f E n g i n e e r i n g C e r a mi c [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u ma l o f A b r a s i v e T e c h n o l o g y ， 2 O O 9 ， 2 3 2 4 5 - 2 5 8 ．