模糊控制器在热连轧微张力控制中的应用

模糊控制器在热连轧微张力控制中的应用童朝南高海杨华朱明澄陈宜华(北京科技大学)(莱芜钢铁总厂)摘要研究的成果是模糊控制器在微张力控制系统中的应用。解决了微张力控制系统中的非线性和滑模变结构问题。给出了电流检测方法，多机架连轧时微张力控制以及主速度设定自学习方法。使得多机架连轧微张力控制从理论变为现实。关键词带钢连轧机微张力模糊控制APPLICATIONOFFUZZYCONTROLLERTOHOTSTRIPMILLMICROTENSIONCONTROLTONGChaonanGAOHaiYANGHua(UniversityofScienceandTechnologyBeijing)ZHUMingchengCHENYihua(LaiwuIronandSteelComplex)ABSTRACTInthispaper,theapplicationoffuzzycontrollertomicrotensioncontrolofmulti-standrollingmillisintroduced.Theproblemsconnectedwithnonlinearcharacterandslidingmodevariablestructurehavebeensolved.Thecurrentmeasurementmethod,microtensioncontrolmethodformulti-standcontinuousrollingandselfstudymethodforrollingspeedsettingaregiven.Thisapproachmakesthetheoryofmulti-standmicrotensioncontrolbecomepractical.KEYWORDShotstripmill,microtension,fuzzycontrol1问题的提出在热带连轧机的粗轧机组和棒材、型材轧机中，为了吸收初始主速度设定中存在的流量不相等引起的套量，仅仅靠修正速度模型提高设定精度是不够的；同时也不能象精轧机组中利用活套支持器来吸收部分套量。因为在粗轧段板坯质量大，不易采用活套支持器控制。而且因板坯温度的不均匀性、轧辊热膨胀和磨损、压下调整等因素的扰动作用，机架之间线速度不匹配现象总是存在的，所以人们开发研究了微张力无活套控制方法。此方法在双机架连轧过程中的实际应用在我国轧钢行业已不少见，但用于多机架连轧中成功的例子却不多。主要原因在于微张力检测手段不够完善，控制策略上理论与实践存在差距，致使实际应用效果不佳。本文在理论研究的基础上通过长时间的实际运行摸索，开发了基于模糊控制理论以及有关智能化思想，使得微张力控制成功地实现在山东莱芜钢铁厂轧钢厂500mm热带轧机的粗轧机组中。2检测与控制思想实际应用的粗轧机组设备布置见图1。在生产中可能会轧制长坯，形成五个机架连轧。这样在R2，RE2，R3前后可能会形成套量或微张力，而且每个机架前后均会相互作用。其结果使系统成为强耦合系统，致使微张力检测存在极大困难。微张力控制关键在于微张力的检测。目前出现的检测方法大体可分为三种：一是完全电流检测法；二是力臂记忆法；三是力矩压力比检测法。不同的方法对于某些不利因素起抑制作用，但仍不能确认某种方法是最佳的。有关此方面工作成果见文献［1～3］。2.1微张力的电流检测法基本思想是当Ri机架咬钢时，检测主传动电流直至Ri＋1机架咬钢前时刻。对于采样的多点Ri机架电流实行数字滤波提高精度，得到Ri机架平均电流作为电流设定值Isi。一旦Ri＋1机架咬钢将形成Ri、Ri＋1连轧，此时采入Ri＋1机架电流作为与Ri＋2形成连轧时Ri＋1机架的电流设定值Isi＋1。同时采样Ri电流瞬时值Ii与设定值比较，以此来间接地反映出微张力变化情况。在正常轧制过程中，当Ri、Ri＋1连轧后一旦拉钢，Ii-Isi＜0；形成套量堆钢时Ii-Isi＞0。图1实现微张力控制的连轧机布置图Fig.1Hotstripmillafterachieveingmicro-tensioncontrol2.2提高电流检测法精度的方法由于被采样的主机电流存在严重的噪声干扰，温度波动等因素使Ii不稳定，首先采取了数字滤波方法。在Ri、Ri＋1未形成连轧时采样Ri机架电流多次，去除Ri咬钢动态速降并恢复时间内的采样电流，再平均计算得到Ri电流设定值Isi；在检测硬件上也采取措施，目的是减小电流的噪声扰动。例如采用交直流两用的霍尔元件电流检测器。2.3微张力控制思想当得到Isi和Ii时，比较二者可判断是拉钢还是堆钢，堆拉程度如何也可发现，然后去调节上游机架的速度。当Ii-Isi＞0时降上游机架Ri速度；当Ii-Isi＜0时升Ri速度。这是在完全正常状态下的控制情况。实现上述电流检测过程中存在误差和波动，这就要求微张力控制时对于小偏差表现出不灵敏；当Ii-Isi绝对值很大时一定表现出微张力处于大偏差状态，由于套量是Ri与Ri＋1线速度之差的积分关系，此时要求调节作用十分明显。同时要考虑设置死区和饱和。由此看出微张力调节过程是个显著的非线性系统，将不能延用古典的线性系统控制方法。为此开发了二维输入的模糊控制器［4］。2.4非线性变结构的特殊问题在图1R3R4之间，由于板带相对于入口时已较薄，一旦形成过大套量之后，R3电流并不比设定电流大，原因在于R3堆钢轧制电流作用已不再顶到R4入口，而是形成更大的套量。这样前述的控制算法将起反作用。从系统原理上分析，此时对象模型从结构上变号了，它是典型的滑模变结构控制问题。因此，在模糊调节过程中增加一条特殊规则，即连续三次增加了R3速度，而R3电流I3并未呈上升趋势，判别认为此时处于大套量状态，立刻进行相面切换到相反方面调节，待R3电流进入正常范围后再回到正常模式控制。2.5逐架保证法由于是多机架连轧，当Ri、Ri＋1、Ri＋2连轧时，为使Ri＋1、Ri＋2之间具有合适的微张力，将必然调节Ri＋1速度，同时需逐渐移到Ri机架上。但此时如果调节后张力动Ri机架速度又将影响到Ri＋1机架的电流，进而可能会破坏Ri＋1、Ri＋2之间的微张力平衡关系，严重时会导致系统控制失败，故而采用逐架保证法。即当Ri＋1咬钢时调节Ri速度，并使微张力达到设定值，一旦Ri＋2机架跤钢时，停止调节Ri速度，此时调节Ri＋1速度并逐渐移到Ri机架，保证Ri＋1、Ri＋2之间微张力到设定值。而Ri、Ri＋1之间的微张力已由前面调节保证了。以此类推，从R1到R4均采用此逐架保证法，大大地提高了微张力控制的稳定性和适应性。3具体实现有了控制策略后仍需在实施中细致地加以实现。特别是检测、控制、异常轧制状态后的复位时序必须认真对待。控制系统硬件采用了80486级现场控制器。使用C语言带50ms时间中断的程序实现如下算法。3.1检测与控制时序对于每个机架，程序设立了5个标志和两个计数器，用以控制各种工作时序。M-flag表示Ri机架咬钢，开始采入Ii供计算电流设定值Isi之用。F-flag表示Ri已稳定，Ri＋1咬钢瞬间，计算电流设定值Isi。C-flag表示已得到Isi，并判断在正常范围内，Ri、Ri＋1形成连轧，对Ri机架速度进行微张力调节，输出ΔVi。S-flag表示Ri＋2机架咬钢，停止Ri的速度调节，但保证Ri已有调节量时ΔVi不变，接受下游机架逐移。R-flag当Ri抛钢时，清除调节量，复位有关标志和计数器，为下一根钢作准备。Counter1记下Ri咬钢动态速降与恢复时间的计数器。Counter2记下Ri电流设定值采样的个数，为计算电流平均值的分母之用。3.2微张力模糊控制器微张力控制采用二维输入带积分保持的模糊控制器，用以解决系统非线性问题和电流检测中的干扰影响问题。模糊控制器结构见图2所示图2二维输入带积分输出型模糊控制器Fig.2Fuzzycontrollerwith2-dimensioninputsandintegraloutput图2中量化框是对电流差值进行量化和差值的变化率进行量化。根据实际情况，量化级别定为E＝INT(Isi－Ii)/(Isi)×(100)/(2)－3≤E≤3E＝3E＞3E＝－3E＜－3EC＝INT(ΔIk＋1－ΔIk)/(Isi)×(100)/(2)－3≤EC≤3EC＝3EC＞3EC＝－3EC＜－3式中，ΔIk＝Isi－Ii为第k次采样后的微张力电流差值。根据实际调试和逐步摸索调整，最后确定的模图3模糊决策Fig.3Fuzzydecision糊决策规则如图3所示。图3中E为微张力电流量化值；EC为微张力电流变化率量化值；U为控制ΔVi输出的量化值。从图3可以看出，控制量相对于零点并非是对称的，目的是略堆钢轧制比拉钢轧制受到生产欢迎，此时轧件不易被拉窄，保证了宽度质量。另外，在图3中三角虚线区域内控制量对于大套量情况下将变号控制，解决滑模变结构问题。3.3速度控制的逐移由于是多机架连轧，后架速度调节量要分别逐移到前几架，以此保证速度匹配。逐移算法为式(1)是以图1为依据，5号机架为基准机架，即R4速度为机组的基准速度。3.4速度自学习功能为了减轻微张力调节负担，在同一批钢中同样辊缝和速度的设定条件下，学习速度差值能使流量关系越轧越匹配。张力调节效果将会逐步提高。具体做法是将每架调节量求取平均值在本机架抛钢瞬间以逐移形式叠加到速度设定值上。4结论采取了多项措施提高电流法间接检测微张力的精度；采用了模糊控制技术解决了系统的非线性问题、速度学习功能和逐移控制算法，使得多机架连轧机微张力控制得以实现，在生产中发挥了作用。研究的内容在山东莱芜钢铁厂轧钢厂500mm热带轧机上应用，已得到实际运行成果。实践表明，初始速度误差在±8％设定值之内，方法正常有效调节；误差在±15％时，通过人工干预后，在第三根钢时可进图4微张力控制投入后各机架电流曲线示意图Fig.4R1、R2、RE2、R3、R4currenttendencyaftermicrotensioncontrol入稳定轧制。图4给出的是微张力控制时实际各机架电流变化情况，是以来料100mm×250mm，粗轧出口20mm×254mm实际生产情况绘制的。从中可以看出，在下游机架咬钢时，本机架电流将上升，原因在于动态速降的存在，但立刻会产生调节作用使得电流回到设定值。在多机架连轧时，各机架电流由于在调节作用下将会有5％的波动，它将在允许的微张力要求范围内，如不采用微张力控制，人工必须手动干预轧制，各机架之间套量变化很大，会对产品宽度质量造成不良影响。参考文献1王国栋译.热轧带钢轧机的无活套支撑器的控制系统.日立评论，1983，(2)：46～50.2童朝南，张宏伟，孙一康.热连轧机带观测器的微张力控制.控制与决策.1996，(2)：291～295.3丁修.轧制过程自动化.北京：冶金工业出版社，1986.4陈理君，符健豪.微机模糊控制.武汉：武汉大学出版社，1992.