D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.05.016 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 基于H∞滤波器和负荷观测器复合补偿的 轧机主传动振荡抑制方法 傅剑杨卫东)李伯群) 1)武汉理工大学自动化学院，武汉4300752)北京科技大学信息工程学院，北京100083 3)辽宁科技大学电信学院，鞍山114051 摘要对双环传动的轧机两质量模型进行理论分析并结合工程实际，提出了一种基于H©滤波器和负荷观测器复合补偿的 轧机主传动振动抑制新方法·在负荷观测器系统基础上，通过求解LMI的EVP问题来构造H©滤波器得到轧辊速度观测值， 并据此构造轧辊速度反馈环。较之传统状态观测器和负荷观测器法，该方法放宽了使用观测器的假设条件，将基于负荷观测 器和状态观测器的补偿有机结合，实现了电机和轧辊速度的综合振荡抑制·仿真结果表明，与传统负荷观测器方法相比，该方 法对电机和轧辊速度同时具有较好的振荡抑制效果· 关键词轧机：主传动；振动：补偿控制；H©滤波器；负荷观测器 分类号TG333.15;TP273 为适应高产量大规格的市场需求，轧机主传动 补偿控制.该方法有一定的鲁棒性工程应用效 系统的机械部分通常有较大的转动惯量和较长的连 果，但是其观测值有一定的滞后，同时在暂态过程中 接轴，造成其机械部分固有频率较低，同时随着电 估计精度有限。对于轧机传动系统，控制目标是轧 力电子器件的快速发展，伺服控制系统的截止频率 辊速度，其理论上最有效和直接的方法是基于状态 已接近机械系统固有频率范围，这样当速度基准或 观测器估计出轧辊速度从而实施控制，文献[56] 负载发生突变时，暂态过程阶段电动机和负载速度 使用Gopinath降阶观测器，文献[7]采用Kalman滤 会有较大的交变速差，使得联结轴承受着比较大的 波器，文献[8]基于Kharitonov稳定性理论进行了 扭力矩，这种持续不断的交变力引发的扭振会严重 探索，但前两种方法基于系统和测量中不存在扰动 影响轧件的质量，降低传动系统的稳定性，导致主轴 或存在的扰动是已知频谱密度的噪声为假设前提， 疲劳，甚至损坏轧辊轴承和轧机机架而引起灾难性 后者主要解决系统内参数摄动问题，实际轧机工作 的后果 场合，负荷冲击大变化频繁，与上述方法的假设前提 解决这种问题的最直接方法是在电气部分限制 有较大的差距，综合负荷观测器法和状态观测器法 基准值的快速变化，机械部分增大主轴直径或增设 的优点并加以改进，本文提出了基于H∞滤波器和 延迟谐振器山，但是这使得系统响应变慢或成本增 负荷观测器的复合控制结构来解决上述问题，在基 加，基于经典控制理论，人们提出了增加一个电动 于负荷观测器补偿这种对电动机速度振荡抑制的简 机速度和负载速度差的控制内环方法来抑制振荡， 单有效结构的基础上，从H∞的角度将负荷、速度基 但是，只有当存在速度差时该方法才有效工作，而且 准以及拟将要投入的新补偿视为L2扰动；基于轧 有些工程场合无法安装负载测速装置，从而使该方 辊速度观测值受其影响最小构造H∞滤波器，并在 法的应用受到了限制，另一种常规方法是采用负荷 此基础上构造轧辊速度反馈环，实现对轧辊振荡的 观测器)和SFC(simulation following control)3]. 快速抑制，最终达到电动机和轧辊速度的综合振荡 其核心思想是将系统简化为单质量系统模型，依模 抑制效果，该方法放宽了传统观测器方法对干扰等 型输出和实际输出的差来估计负载的变化从而实施 信号的苛刻假设条件，更加贴近工程实际；将基于负 荷观测器和状态观测器的补偿有机结合的控制系统 收稿日期：2005-12-18修回日期：2006-10-10 结构简单适合工程实用，仿真实验表明，与工程常 作者简介：傅剑(1973一)，男，副教授，博士；杨卫东(1952-)男， 用的PID和负荷观测器补偿法相比，该方法对电动 教授，博士生导师 机和轧辊速度均有更佳的振荡抑制效果，基于 H∞滤波器和负荷观测器复合补偿的 轧机主传动振荡抑制方法 傅 剑1） 杨卫东2） 李伯群3） 1） 武汉理工大学自动化学院‚武汉430075 2） 北京科技大学信息工程学院‚北京100083 3） 辽宁科技大学电信学院‚鞍山114051 摘 要 对双环传动的轧机两质量模型进行理论分析并结合工程实际‚提出了一种基于 H∞滤波器和负荷观测器复合补偿的 轧机主传动振动抑制新方法．在负荷观测器系统基础上‚通过求解 LMI 的 EVP 问题来构造 H∞滤波器得到轧辊速度观测值‚ 并据此构造轧辊速度反馈环．较之传统状态观测器和负荷观测器法‚该方法放宽了使用观测器的假设条件‚将基于负荷观测 器和状态观测器的补偿有机结合‚实现了电机和轧辊速度的综合振荡抑制．仿真结果表明‚与传统负荷观测器方法相比‚该方 法对电机和轧辊速度同时具有较好的振荡抑制效果． 关键词 轧机；主传动；振动；补偿控制；H∞滤波器；负荷观测器 分类号 TG333∙15；TP273 收稿日期：2005-12-18 修回日期：2006-10-10 作者简介：傅 剑（1973—）‚男‚副教授‚博士；杨卫东（1952—）男‚ 教授‚博士生导师 为适应高产量大规格的市场需求‚轧机主传动 系统的机械部分通常有较大的转动惯量和较长的连 接轴‚造成其机械部分固有频率较低．同时随着电 力电子器件的快速发展‚伺服控制系统的截止频率 已接近机械系统固有频率范围．这样当速度基准或 负载发生突变时‚暂态过程阶段电动机和负载速度 会有较大的交变速差‚使得联结轴承受着比较大的 扭力矩．这种持续不断的交变力引发的扭振会严重 影响轧件的质量‚降低传动系统的稳定性‚导致主轴 疲劳‚甚至损坏轧辊轴承和轧机机架而引起灾难性 的后果． 解决这种问题的最直接方法是在电气部分限制 基准值的快速变化‚机械部分增大主轴直径或增设 延迟谐振器［1］‚但是这使得系统响应变慢或成本增 加．基于经典控制理论‚人们提出了增加一个电动 机速度和负载速度差的控制内环方法来抑制振荡． 但是‚只有当存在速度差时该方法才有效工作‚而且 有些工程场合无法安装负载测速装置‚从而使该方 法的应用受到了限制．另一种常规方法是采用负荷 观测器［2］ 和 SFC （simulation following control） ［3］． 其核心思想是将系统简化为单质量系统模型‚依模 型输出和实际输出的差来估计负载的变化从而实施 补偿控制［4］．该方法有一定的鲁棒性工程应用效 果‚但是其观测值有一定的滞后‚同时在暂态过程中 估计精度有限．对于轧机传动系统‚控制目标是轧 辊速度．其理论上最有效和直接的方法是基于状态 观测器估计出轧辊速度从而实施控制．文献［5—6］ 使用 Gopinath 降阶观测器‚文献［7］采用 Kalman 滤 波器‚文献 ［8］ 基于 Kharitonov 稳定性理论进行了 探索．但前两种方法基于系统和测量中不存在扰动 或存在的扰动是已知频谱密度的噪声为假设前提‚ 后者主要解决系统内参数摄动问题．实际轧机工作 场合‚负荷冲击大变化频繁‚与上述方法的假设前提 有较大的差距．综合负荷观测器法和状态观测器法 的优点并加以改进‚本文提出了基于 H∞滤波器和 负荷观测器的复合控制结构来解决上述问题．在基 于负荷观测器补偿这种对电动机速度振荡抑制的简 单有效结构的基础上‚从 H∞的角度将负荷、速度基 准以及拟将要投入的新补偿视为 L2扰动；基于轧 辊速度观测值受其影响最小构造 H∞滤波器‚并在 此基础上构造轧辊速度反馈环‚实现对轧辊振荡的 快速抑制‚最终达到电动机和轧辊速度的综合振荡 抑制效果．该方法放宽了传统观测器方法对干扰等 信号的苛刻假设条件‚更加贴近工程实际；将基于负 荷观测器和状态观测器的补偿有机结合的控制系统 结构简单适合工程实用．仿真实验表明‚与工程常 用的 PID 和负荷观测器补偿法相比‚该方法对电动 机和轧辊速度均有更佳的振荡抑制效果． 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．016