基于热连轧机的厚度复合控制应用研究

顾 波，孙和平，2，李智敏

(1.闽南理工学院 电子与电气工程系，福建 石狮 362700;2.北华大学 电气信息工程学院，吉林 吉林 132021)

0 前言

针对热连轧机带材厚度控制采用的单一反馈控制方式的局限性，将前馈与反馈结合在一起，既发挥前馈控制及时的优点，又突出反馈控制可以补偿任意扰动的长处，同时减少了反馈控制的负担［1］，可进一步提高带材厚度精度，因此，复合控制发展很快，并日趋成熟［2］。

1 复合控制

1.1 厚度计厚度自动控制(GM-AGC)

GM-AGC 是相当于把整个机架作为测量厚度的厚度计，通过测量轧制力S 和空载辊逢P 再按弹跳方程

计算出需要消除的厚度差Δh，它是一切带钢热连轧机厚度自动控制的基础，目前已得到广泛应用［3］。但是该法对于出口厚度压下机构和机械系统的反馈控制，以及计算机程序运行等时间的滞后仍然不能消除。

1.2 厚度复合控制研究

复合厚度控制原理如图1 所示，采用GMAGC 实现对机架的前馈控制［4］，即当有扰动时，带材就会产生厚度波动，用GM-AGC 计算出 机架的厚度偏差，作为 机架的入口厚度检测值，先消除入口厚度波动，同时在 机架处采用监控AGC 的反馈控制形式，用于修正出口厚度偏差值，这种复合控制方式既消除了入口厚度波动，减轻了闭环反馈的负担，又补偿了出口厚度偏差，进一步提高了带材厚度的精度。

图1 复合厚度控制原理图Fig.1 Schematic diagram of composite thickness control system

2 前馈控制的必要性及应用

2.1 前馈控制的必要性

热连轧带钢成品质量主要取决于带钢纵向厚度公差，厚度控制系统具有多扰动性，如带坯纵向温度差，且扰动不稳定，产生厚度差，引起厚度变化，从而影响厚度精度。

反馈控制可以克服多种扰动，但是属于滞后控制，对于这种多扰动的厚控系统，反馈控制不能及时的消除干扰对被控对象产生的影响。因此，为了克服反馈方式在控制上的滞后等不足问题，引用了前馈AGC 技术［5］。

2.2 基于热连轧机的应用

对于复合控制系统中的前馈控制策略，针对厚度波动，用第i－1 机架的GM-AGC，检测第i－1 机架带材出口厚度，作为i 机架入口厚度检测值，实现对i 机架的预控。考虑测量(计算)出的扰动偏差信号在两机架间的传递，需经过适当的延迟时间t。

式中，L为两机架之间的距离;v为轧制速度。

还包括当扰动偏差到达下一机架后，经过的程序算法以及执行机构运行的时间。针对偏差信号的传递问题，本文先令计算出的偏差信号通过零阶保持器，再经过定时器，对其进行时间的设定，由于有时间 的存在，因此，需将信号适时提前，然后传入到执行机构。

2.3 算法实现

将两机架设为A、B 两点(如图1 所示)，其之间的距离为L，轧制速度为v，则从A 点到B点的传递时间应为。零阶保持器将采样到的偏差信号保持一个周期T，那么经过保持器的时间就是一个采样周期T，将A、B 两点分成N等分，每段长，则每段距离经过的时间就是一个采样周期，根据采样周期T 的设定，可求得，由于执行机构的运行时间t1已知，t可求，T 根据轧制要求可设定，因此定时器的停止时间设定为t'=t－T－t1，然后再经过前馈控制器和执行机构的运行调节辊缝大小。

2.4 前馈控制器的设计

某热连轧机两机架距离L=3 m，v=20 m/s，则传递时间t=0.15 s，已知程序算法以及执行机构运行的时间t1=0.05 s，根据香农采样定理及工程经验选择数据采样周期设定T=0.01s，则=15，即A、B 两点之间的带钢平均分成15 份，定时器的停止时间应设定为t'=t－T－t1=0.09s，然后扰动偏差经过精确的时间传递到执行机构。通过厚度自动控制的原理、工艺及技术特性分析，本文将i－1 机架GM-AGC 计算出的出口厚度偏差Δhi－1，作为ΔHi机架入口厚度偏差，辊缝调节量与厚度偏差关系。

式中，M为轧机刚度系数;Q为轧件塑性系数。

根据公式(3)适时进行压下辊缝调节，因为存在偏差，为了增强实时性，先对ΔHi进行线性外推，然后再对其进行控制以至消除。消除入口厚度波动对出口厚度的影响，提高了厚度精度。

3 复合控制仿真的实现

因为AGC 厚度控制系统，最终是对辊缝进行修正、调节，都是通过调节液压压下系统的液压缸位移来实现的，液压系统的数学模型是个高阶系统，可以将被控系统近似成一个二阶环节。

由此通过simulink 建立加入前馈控制的复合控制系统仿真模型，如图2 所示，在MATLAB仿真系统中将Simulink 下的干扰模块设置10%的干扰量，并在5 s 处出现，未加前馈与加入前馈的仿真对比结果如图3 所示。采用前馈控制的复合系统，预先对扰动进行前馈作用，系统产生的波动由8% 降到1%，大大提高厚度控制的精度。

图2 复合控制系统仿真数学模型Fig.2 Mathematical simulation model of Composite control system

图3 未加前馈与加入前馈的仿真对比Fig.3 Contrast of simulation results of control systems with feedforward and without feedforward

4 结语

通过对热连轧机厚度复合控制系统的应用研究，先采用前馈控制对入口部分干扰进行抑制，最大程度的消除入口厚度波动对出口厚度的影响，同时也大大减轻了出口反馈控制的负担。仿真结果证明此方法提高了厚度精度，对有色冶金行业提高带材质量具有重要的实用价值。

［1］邵裕森，戴先中.过程控制工程第二版［M］.北京:机械工业出版社，2004:199-204.

［2］王宇林，李琳.前馈-改进型PID 复合控制策略的研究［J］.机床与液压，2012(11).

［3］燕铎，张进之.DAGC 在600 mm 九机热连轧机上的应用［J］.重型机械，2012(6):11－14.

［4］XuXinhe，ZHONG Yunfeng et al.Research and Application of the Feedforward-AGC System in Hot Strip Rolling Mills［J］.Journal of Northeastern University(Natural Science)2009，30(2):169－171.

［5］Bulut B，Katebi M R.Predictive control of hot rolling processes［C］.Proceedings of the American Control Conference.Chicago:［s.n.］.2000:2058-2062.