离散负载扰动观测器在高速线材连轧机中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.02.061 第21卷第2期 北京科技大学学报 Vol.21 No.2 1999年4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 离散负载扰动观测器在高速线材连轧机中的应用 孙韶元”李华德”孙明” 刘杰2) 北京科技大学信息工程学院，北京1000832)唐山钢铁公司，063002 摘要为了抑制高速线材连轧机直流调速系统未知外扰（负载力矩）对系统造成的不利影响，设 计了离散负载扰动观测器及带前馈扰动补偿的直流调速系统，并将重构的负载扰动应用于微张力 控制，现场实验表明，所设计的系统有效地改善了调速系统的动、静态性能，改善了微张力控制效 果，提高了线材质量 关键词观测器：负载扰动；前馈补偿；调速系统 分类号TG333.11 直流调速系统由于其成熟性和可靠性，而普 可以把这类负载看作“常值”.对于变化更快的扰 遍应用于工业生产的各个领域中.但对于高速线 动，只要观测器的响应速度足够快，仍然可当作 材连轧机来说，由于其工艺的特殊性，比如要求 “常值”，它的量测的动态误差很小，可用市=0 控制系统的抗负载扰动能力强，动态速降小，响 来作为它的数学模型.为了减少负载变化影响， 应速度快，起动时无超调等，一般的直流调速系 可采用前馈补偿的方法加以克服.而要构成前馈 统很难满足以上诸方面的动态指标要求.为了改 补偿控制，就要对负载力矩进行量测，但这种量 善调速系统的动态特性，抑制负载扰动对系统的 测在工程上往往是困难的.应用现代理论中的观 不利影响，需要重构负载扰动，并可将重构的负 测器理论去设计常值负载扰动的“量测装置”是 载扰动经前馈环节以抑制负载扰动，文献[1]仅在 一种解决方法. 连续系统方面进行了研究；文献[2]对离散控制系 下面讨论由可控硅装置直接供电的他激电 统作了仿真研究.本文设计了离散负载扰动观测 动机，其框图如图1所示.图1中：k为前置放犬器 器及带前馈扰动补偿的控制系统，并将所设计的 的增益，K,为SCR整流装置的增益，T,为SCR整 控制系统在高速线材轧机上进行了实验 流装置的时间常数，T,为直流电动机的电磁时间 常数.R,为直流电动机的电枢电阻.他激机力矩 1连续型常值负载扰动观测器设计 方程为： 连轧机的负载力矩往往是平缓变化的，因此 (GD2/375)(dn/d)=Cm-M (1) W-M 375 GD 图1由SCR整流装置直接供电的他激电动机系统框图 1998-09-05收稿孙韶元女，54岁，副教授 *国家“八五"攻关项目No.85-311-0211-04)

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 离散负载扰动观测器在高速线材连轧机 中的应用 孙韶元 李华德 孙 明 ‘ 刘 杰 北京科技大学信息工程学院 ， 北京 唐山钢铁公 司 ， 摘 要 为 了抑制高速线材连轧机直流调速系统未知外扰 负载力矩 对系统造成的不利影响 ， 设 计 了 离散负 载扰动观测 器及带前馈扰动补偿的直 流调速系 统 ， 并将重 构的 负载扰动应用 于微张力 控制 现场实 验表 明 ， 所设计的 系 统有效地 改善了调 速 系统 的动 、 静态性 能 ， 改善 了微 张力控制效 果 ， 提高了 线材质量 关健词 观测器 负 载扰动 前馈补偿 调速系统 分类号 直 流 调 速 系 统 由于 其 成 熟性 和 可 靠性 ， 而 普 遍 应 用 于 工 业 生 产 的 各 个领 域 中 但 对于 高速 线 材 连 轧 机 来 说 ， 由 于 其 工 艺 的 特 殊 性 ， 比 如 要 求 控 制 系 统 的 抗 负 载 扰 动 能 力 强 ， 动 态 速 降小 ， 响 应 速 度 快 ， 起 动 时 无 超 调 等 ， 一 般 的 直 流 调 速 系 统很难 满 足 以 上 诸 方 面 的 动 态指 标 要 求 为 了 改 善调 速 系 统 的 动 态 特 性 ， 抑 制 负 载扰 动 对 系 统 的 不 利 影 响 ， 需 要 重 构 负 载 扰 动 ， 并 可 将 重 构 的 负 载扰 动经 前馈环 节 以抑制负载扰 动 文献 【 仅在 连续 系 统方 面 进行 了研究 文 献 汇 对离 散 控 制 系 统作 了仿真研 究 本 文 设计 了 离 散负载 扰动 观 测 器 及 带前 馈 扰 动 补 偿 的控 制 系 统 ， 并 将 所 设计 的 控 制 系 统在 高速 线材 轧机 上 进行 了实验 连续型常值负载扰动观测器设计 连轧 机 的 负 载 力 矩 往 往 是 平 缓 变 化 的 ， 因此 可 以 把这类 负载看 作 “ 常值 ” 对于 变化更 快的扰 动 ， 只 要 观 测 器 的 响应 速 度 足 够快 ， 仍然 可 当作 “ 常值 ” ， 它 的量 测 的 动 态误 差 很 小 ， 可 用 砂 来 作 为它 的数学 模 型 为 了减 少 负载变 化 影 响 ， 可 采 用 前馈 补偿 的方 法加 以 克服 而 要 构成前馈 补 偿 控 制 ， 就 要 对负载 力 矩 进 行 量 测 ， 但 这 种 量 测 在 工 程 上 往 往 是 困难 的 应 用 现代理 论 中的观 测 器 理 论 去 设 计 常值 负 载 扰 动 的 “ 量 测 装 置 ” 是 一 种 解 决方法 下 面 讨 论 由可 控 硅 装 置 直 接 供 电 的他激 电 动机 ， 其框 图如图 所示 图 中 为前置放大器 的增 益 ， ， 为 整流 装 置 的增 益 ， ，为 整 流 装置 的 时间常数 ， 为 直 流 电动机 的 电磁 时 间 常 数 。 为 直 流 电 动 机 的 电 枢 电 阻 他 激 机 力 矩 方 程 为 二 ， 声乙一 麟 图 由 整流装置直接供电的他激电动机系统框图 一 一 收稿 孙韶元 女 ， 岁 ， 副教 授 国家 “ 八 五 ” 攻 关项 目州 一 一 一 一 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．02．061

Vol.21 No.2 孙韶元等：离散负载扰动观测器在高速线材连轧机中的应用 ·213 式中：I,为电枢电流；n为电机转速；Cm为转矩系 离散化，进而设计离散负载观测器.类似前面所 数；GD2为系统飞轮矩.取n,M为状态变量，视 述，可得系统方程（在此取负载电流I=MICm为 I,为控制输人，可得增广系统的状态议程： 不可测状态向量)： ]-[8]]ka (10) M Y=[o 3 Y=0 (11) 其中：F=R2/TCC;n为系统输出，即为可测 状态向量；M,为不可测状态向量；Tm=GDR2/ 其中F'=R:/TmCs,对n,I进行间隔采样，将 375CC,C。为电机的电势系数，R2为电枢回路等 (10),(11)两式离散化为： 效电阻，M为折算到电机轴上的总的负载力矩， k+1) I(k) 是阶跃型常值，即：M=0. =A(T) 由观测器理论可知，只要增广系统是能观测 n(k+1) n(肉 +B(T)I()(12) 的，就存在状态观测器，对式(2)，(3)中包含A= K因 Y(k)=C (13) B ,C=【C]及M在内 n() 其中；T为采样间隔；A(T),B(T)和C分别为 的状态进行估计.将式(2)，(3)分解，则相应的分 A(T)=eT=I+AT+A2(T2/2)+...=I+ 块矩阵为： 10 A11=0,A2=0,41=-F,An=0 B1=0,B2=FCm,Cm=0,C2=1, 14 容易证明此系统能观测，故可构造降维观测 []+ 器.由文献[2]可知降维观测器的方程为： 中=(A-LAΨ+(B,-LB,)U+[A1-LA2L+ An-LAz]Y (4) 0-4oas=,][8n] 代人前述各分块矩阵值（在此，观测器是唯一的， 故L=mu为标量)，可得： dr (15) 中=m,Fψ-mFCo+mFn (5) 取观测器的极点： C=[01] Au-LAz=-mF=-1/to (16) (6) m:=1/Ft。=(GD2/375)(1k) I,()是不可测状态向量；Y)=n()为系统 (7) 输出.类似前节将系统分解，相应的分块矩阵为： 因此，观测器为： 中=-(1/t帅+(Cm/oo+m(1/t)n(8) A1=1,A2=0,A21=-FT,A2=1 负载估计值为： B1=0,B2=F"T,C1=0,C2=1 M,=中-mn (9) 因为系统可观测，故存在： k+1)=A)+HYk)+B() (17) 2离散型常值负载扰动观测 其中： 器的设计 4g=Au-AnC:'C-HIC:Au+CA -(CAn C,Am)C.'C] (18) 由力矩平衡方程推导负载观测器，不仅得到 了适用于以任何方式供电的他激电机的负载观 Hg [Au -AnC:'C.IH-HCAu+CAm- 测器，而且降低了模型的阶次，因此很容易将其 (CAn+C2A)CC]H+AnC:-

孙 韶 元等 离散 负载扰动观测器在 高速线材连 轧机 中的应用 式 中 为 电枢 电流 。 为 电机 转 速 。 为转矩 系 数 为 系 统 飞 轮矩 取 。 ， 麟 为状态变 量 ， 视 几为控 制输 人 ， 可得增 广系 统 的状 态议程 离 散 化 ， 进 而 设 计 离 散 负 载 观 测 器 类 似 前 面 所 述 ， 可 得 系统方程 在此 取 负载 电流 二 麟 。 为 不 可 测状态 向量 日 一 一 牛 」廿 · 、 ， 一︸ 一 大 且︸ · ， 麟… 一 其 中 为 系 统输 出 ， 即 为 可 测 状态 向量 麟 为 不 可 测 状 态 向量 为 电机 的 电势系数 ， 为 电枢 回路等 效 电阻 ， 麟 为折算 到 电机 轴 上 的总 的 负载 力 矩 ， 是 阶跃型常值 ， 即 城 由观测器理论可 知 ， 只要 增 广系 统是 能观 测 的 ， 就 存 在状态观测 器 ， 对式 ， 中包含月 二 其 中 尸 ， 对 。 ， 进 行 间 隔 采 样 ， 将 ， 两式 离散化 为 比」 一 川 一， 压 元 ， 「万 一 一 ， ， ‘ 卜 【 及 在 内 ， 「狱 一 · 。 ‘，， 的 状 态 进行估计 将式 ， 分解 ， 则相 应 的分 块矩 阵为 ， 二 ， 沐 ， 一 ， ， 几 尸口 口， ， ， 容 易 证 明此 系 统能观测 ， 故可构造 降维观 测 器 由文献 可 知 降维观测器 的方程 为 幼 ，一 冲 ， 一 乙刀 ， 一 ， ， 一 二 代人前述 各分块矩 阵值 在此 ， 观测器是 唯一 的 ， 故 ， 为标量 ， 可得 叻 即 一 ，尸民几 取观测 器 的极点 ， 一 ， 一 一 。 ， 凡 。 ， 。 因此 ， 观测 器为 幼 一 。神 。 负载估计值为 麟 势 一 其 中 为采样 间隔 ， 和 分别 为 月 乃 了 矛 产 · · 一 一 … 」 飞 ︶、︸ 飞 。 一 伽 一 赚 、 一 护 ， 离散型常值负载扰动观测 器 的设计 由力 矩 平衡 方 程 推 导负载观 测 器 ， 不 仅得 到 了 适 用 于 以 任何 方 式 供 电 的他 激 电机 的 负载 观 测 器 ， 而 且 降低 了模 型 的 阶次 ， 因 此 很 容 易 将其 式 是 不 可 测 状态 向量 为 系 统 输 出 类似前 节将 系 统分解 ， 相 应 的分块矩 阵为 一 ， ， 一 ‘ ， ， ， ‘ ， ， 因为 系 统可观测 ， 故存在 城 从 班 其 中 ， 一 ’ 一 ’ ， ， 甲 ， 一 ， ‘ 从 一 ，， 一 ’ 一 斑 粼 ， 通 注 ‘ ， 万 ， ’

·214· 北京科技大学学报 1999年第2期 H(CAn+CA)C:] (19) C。=0.5776V/r·min-),R2=0.0232 Bg =B -HIC B +C.B;] (20) 3.1观测器的设计 代人前述各分块矩阵值，可得（此处H,A, 用第2节中的方法，T为10ms,则由公式 B:均为标量)： (27)和(28)，并代人上述各参数可得离散观测器 A:=1 HFT (21) 为： Hs =HFTH (22) k+1)=0.3+11.0585n()+0.7I,()(29) B=-HFT (23) )=)+15.7978n(附 (30) 将Ae,H,B代人(17)式，可得观测器： 其中，广()的初始值可按下述方法选取，经简单 V(k+1)=(1+HF'T)V(k)+HF'THn(k)- 代换，易推得： HF'TI(k) (24) k+)=A肉-Hn(+(1-A)lo, I的估计值： K=0时刻，1(-1)未知，可取n(-1),o(-1) i(A)=)+Hn( (25) 代人上式，而令-1)=0，则： 由(21)式可得： (0)=-Hn(-1)+(1-A)L,(-1) H=(A-1)/F'T (26) 代入相关数据，可得： 将式(26)代人式(24)，(25)得： 0)=-15.7978n(-1)+0.71(-1). k+1)=A)+[(A-1)2/(FT)】n( 根据公式(29)，(30)可画出直流双闭环系统 (AE-1)I() (27) 采用状态观测器及前馈扰动补偿算法的整个系 i附=)+【(AE-I)/(F'TD]n(k (28) 统的动态结构图如图2所示. 其中0<A:<1为观测器极点.对于任意给定系 3.2前馈补偿环节H(z)的设计 统，式(27)，(28)中.T均为已知常数，因此对任意 上面已经观测到负载扰动().为了消除负 指定的A,观测器的参数即唯一确定. 载扰动对系统的不利影响，现采用前馈控制以补 偿扰动.根据前馈控制原理，考虑到工程上的可 3实际系统的设计 实现性及简便性，针对本系统前馈控制算法采用 以所研究的高速线材轧机组为例，其直流电 比例型的，即，H()=B,B为常数.电流调节环节 动机的型号为Burdon MCD4568型，500HP, 的动态结构图如图3所示， 850/1750r/min,500V,795A,GD2=464.5N·m2, 由框图可计算闭环放大倍数为： U 0.0352s+1 84 42 0.0047s+1 0.0352s+1 0.0705s 0.00167s+1 0.0518s+1 0.0063 0.0022s+1 2电流环动态结构图 n(k) H(z) 观测器 I) T U T S+I TS+1 1/Rz RE ToS+1 TS+1 T3S+1 TCuS Ce 图3系统动态结构图

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 斑 ， 月 ’ ， 一 ’ ， ， 代 人 前 述 各分 块 矩 阵值 ， 可 得 此 处 ， ， 均 为标量 。 从 二 月子 ， 厂厅 。 一 月， ， ‘ 将 ， 凡 ， 。 代人 式 ， 可得 观测 器 刀 ，乃 为子 ， ‘ 厂日打 一 月 ‘ 刀 角估计值 草才 班 由 式 可得 一 ， 将 式 代 人式 ， 得 欣、 注 六 一 ’ 尸 了 。 一 联 二 一 ，乃 其 中 。 为观测 器极点 对于 任意 给定 系 统 ， 式 ， 中 、 均 为 已 知 常 数 ， 因此 对任 意 指 定 的 ， 观 测 器 的参数 即唯一 确定 实 际 系 统的 设计 以 所研究 的高速 线材 轧机 组 为例 ， 其直 流 电 动 机 的 型 号 为 型 ， ， ， ， ， · ， 代 一 ‘ ， 天 观浏器 的设计 用 第 节 中 的 方 法 ， 为 ， 则 由公 式 和 ， 并代 人 上 述 各参数 可 得 离散观 测 器 为 · 班 · 以 玖 · 其 中 ， 护 的初 始值 可 按 下 述 方法 选 取 ， 经 简单 代换 ， 易推得 办 一 一 汉禹 ， 一 。 时刻 ， 式一 未 知 ， 可取 一 ， 几 一 代人 上式 ， 而令 众 一 ， 则 价 一 枷 一 一 注 几 一 代人相 关数据 ， 可得 一 · 一 · 一 · 根 据公 式 ， 可 画 出直 流双 闭环 系统 采 用 状 态观 测 器 及 前馈扰 动补偿算法 的整个系 统 的动态结构 图如 图 所示 前馈补偿环节 的设计 上 面 已 经 观 测 到 负载扰 动 伽 为 了消除负 载 扰 动 对系 统 的不 利 影 响 ， 现采用前馈控制 以 补 偿 扰 动 根 据 前 馈 控 制 原 理 ， 考 虑 到 工 程 上 的可 实 现性 及 简便性 ， 针 对本系 统前馈控制算法采用 比例 型 的 ， 即 ， 拭习 口 ， 声为常数 电流调 节环 节 的动态结构 图如 图 所示 由框 图可计算 闭环放大倍数为 电流环动态结构 图 。 、 丁 汗 一 。 万 玩 ’ 声 ‘ 、 ‘ 图 系统动态结构图

Vol.21 No.2 孙韶元等：离散负载扰动观测器在高速线材连轧机中的应用 ·215· K.(s=1/0.0063. 4实验结果 为了达到补偿的目的，下式需成立： H(z)IKg·I=0. 实验波形如图4所示.图4(a),(b)分别为系 由于i,是对实际的I的重构，因此=I,从而得 统在轧钢时，轧制钢尾及咬钢时的速度与电 Hz)=0.0063. 流波形图.从图中可看出，加上负载扰动观测器 至此，已确定了状态观测器的算法和前馈补 前馈补偿控制以后，动态速升和速降均小于 偿算法，采用8098单片机实现该系统. l00r/min,而未加时速升和速降均超过 300r/min,且调整时间比未加时要长. a (b) 困4轧制钢坯尾部和头部时的速度与电流波形.()带观测器时；(b)不带观测器时 5结论 (2)将重构的负载力矩应用于微张力控制 中，提高了微张力的控制效果. (1)在考虑扰动的条件下，设计出来的离散扰 动观测器及前馈扰动补偿系统应用于直流调速 参考文献 系统，不仅保持了传统双闭环直流调速系统性能 1高龙，熊光楞，梁德全.状态观测器在调速系统中的应 指标的良好品质，而且具有良好的抗扰性能，动 用.清华大学学报，1980,20(4)：33 态速降也比一般双环系统大大诚少，实验表明， 2张竞新.离散常值负载观测器及带前债扰动补偿的 此种方法在实际中是可以应用的. DDC调速系统.电气传动，1995(1)：44 Application of Discrete Load Disturbance Observer in High Speed Wire Rod Continuous Rolling Mill Sun Shaoyuan,Li Huade,Sun Ming,Liu Jie Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABTRACT In order to restrain the harmful effects of load disturbance on the high speed wire rod continuous rolling mill by direct current speed governing system,a discrete load disturbance observer and forward feedback disturbance compensation direct current speed governing system were applicated,and the restructured load fluctuation was applied to minute tensile force control.The experiment on the spot showed that the designed system improves the dynamic and static perfor- mance of the speed governing system,lower the dynamic and static state velocity jump and loss, so the quality of rolling wire is improved much more,and reduce the rate of waste production. KEY WOED observer;load fluctuation;forward feedback compensation;speed governing system

孙韶元等 离散负载扰动观测 器在 高速线材连轧机 中的应用 凡 为 了 达到 补偿的 目的 ， 下式需 成立 拭 吞凡 · 几 由于 云是 对实 际 的 ‘ 种重 构 ， 因此 界 一 ，从而得 拭 至 此 ， 已 确定 了状态观 测 器 的算法 和 前馈 补 偿算 法 ， 采 用 单片机实 现 该 系统 实验结果 实验 波 形 如 图 所 示 图 ， 分 别 为系 统 在 轧 钢 时 ， 轧 制 钢 尾 及 咬 钢 时 的 速 度 与 电 流 波 形 图 从 图 中可 看 出 ， 加 上 负 载 扰 动 观 测 器 前 馈 补 偿 控 制 以 后 ， 动 态 速 升 和 速 降 均 小 于 ， 而 未 加 时 速 升 和 速 降 均 超 过 ， 且 调整 时间 比未加 时要 长 口 口 均州 娜峨户 气户 ， 、 产饭州脚脚州 代山扮 图 轧制钢坯尾部和头部时的速度与电流波形 带观侧器时 不带观测器时 结论 在考虑 扰动 的条件下 ， 设计 出来的离散扰 动观测 器 及 前 馈 扰 动 补 偿系 统应 用 于 直 流 调 速 系统 ， 不 仅保持 了传 统双 闭环直流调 速 系 统性 能 指 标 的 良好 品 质 ， 而 且 具 有 良好的抗 扰性 能 ， 动 态速 降也 比一 般 双 环 系 统大大减 少 ， 实验表 明 ， 此种方法在 实际 中是 可 以应用 的 将 重 构 的 负载 力 矩 应 用 于 微 张 力 控 制 中 ， 提 高 了微 张力 的控 制效果 参 考 文 献 高龙 ， 熊光楞 ， 梁德全 状态观测器在调 速系 统 中的应 用 清华大学学报 ， ， 。 张 竟新 离 散常值 负载 观 测 器 及 带 前馈 扰 动 补偿 的 调速系统 电气传动 ， 毋 ， ， 泌 ， ， ， 右月洛占 ， 召 峨洲 ， ， ， 加 ， ，