D01:10.13374j.isml00103x2006.11.014 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 板宽板厚多变量系统的自抗扰解耦控制 王丽君 童朝南孙一康 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要针对精轧的板宽板厚多变量系统具有强耦合、大时滞、不确定性、干扰因素多，非线性等 特点.应用自抗扰控制(ADRC静态解耦和扩张状态观测器(ES0)动态解耦技术.给出一种多变量 系统的ADRC解耦设计方案.为提高时滞对象的快速性，设计了一种去掉跟踪微分器(TD),由 ESO和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)两部分组成的ADRC,其中NLSEF改用非线性函数 实现.ADRC阶次比常规方法低一阶.仿真结果表明.该控制方案不仅解耦效果好，而且对模型的 不确定性和外部扰动具有较好的鲁棒性和适应能力 关键词板宽：板厚：自抗扰控制：状态观测器：解耦 分类号TP273 板宽精度和板厚精度一样，也是带钢热轧精 近的自然宽展及机架间的蠕变宽度变化量两部 轧机组所追求和关注的重要质量指标，对产品的 分.根据国内现场条件，拟在精轧机组最后2个 成材率（切边量）有决定作用.在热轧粗轧机上 机架实现监控FAWC,因此后2个机架间的张力 有关宽度自动控制的研究开发已取得了较好的效 设定值需根据各机架的板宽偏差而进行动态设 果：在精轧机组上实施宽度自动控制 定，而其他机架的设定值不变.对于精轧机组前 (FAWC的研究和应用还不够深入和成熟. 2~3机架，由于厚度较大且压下量较大，变形区附 面对成品带钢越来越薄的热轧工艺趋势和活套驱 近的自然宽展不能忽略，但对后面的机架该项可 动及制动的特殊性，在热轧精轧机组实施宽度自 忽略不计，因此这里只考虑机架间的宽度变化量. 动控制有一定难度，需要先进的控制技术.而自 机架间的宽度变化主要取决于机架间张力 抗扰控制(ADRC)技术是一种不依赖于模型的非 (即后张应力)，但还受到温度、钢种、前张应力等 线性控制器，它将模型不确定性和未知外扰作用 多种因素的影响，而且这些因素之间的相互作用 (包括耦合项)都归结为对系统的总扰动，由扩张 非常复杂，理论推导其数学模型相当困难.另外， 状态观测器(SO)实时估计并予以动态补偿，具 由于精轧末机架中心线到测宽仪的距离较远，传 有精度高、响应速度快、鲁棒性强、实用性强等特 输延迟造成大的滞后，.因此，热连轧板宽与机架 点9.因此，本文采用ADRC静态解耦技术和 间张应力的关系可近似为一阶惯性时滞环节： E$0动态解耦技术，建立板宽和板厚一体的多变 △w/△-1=Kwe/(Ts十1) (1) 量控制系统实现对板宽和板厚的解耦控制. 式中，△表示与稳态工作点的偏差：w:为出口板 1 热连轧板宽板厚多变量系统的数 宽；为i~i十1机架间张应力，i为机架号； 学模型 K=w/G-,取决于成品板厚、板宽、i机架 由轧制理论的分析可知，轧机变形区内的工 出口温度及钢材种类；：= L/vi+Ln/vm. 艺参数表现为一系列的非线性函数关系，为便于 T=L/v,L和Lm分别为机架间距离、末机架 设计，采用在工作点附近小的变化范围内将非线 到测宽仪的距离，和vm分别为各机架及末机 性函数线性化) 架出口带钢速度. 在精轧机组，板宽变化量主要包括变形区附 同理对于监控AGC热连轧板厚与辊缝的 收稿日期：2005-07-12修回日期：200603-28 关系也可近似为一阶惯性时滞环节： 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.60374032) △h/△S,=KseF1(Ts十1) (2) 作者简介：王丽君(1971一)，女，博士研究生：童朝南(1955一)， 男.散探.鹅生期China cadem oua r Pu术忠nb为患只板晶i为辊缝：Ks示Cnki.ne板宽板厚多变量系统的自抗扰解耦控制 王丽君 童朝南 孙一康 北京科技大学信息工程学院, 北京 100083 摘 要 针对精轧的板宽板厚多变量系统具有强耦合、大时滞、不确定性、干扰因素多、非线性等 特点, 应用自抗扰控制( ADRC) 静态解耦和扩张状态观测器( ESO) 动态解耦技术, 给出一种多变量 系统的 ADRC 解耦设计方案.为提高时滞对象的快速性, 设计了一种去掉跟踪微分器( TD) , 由 ESO 和非线性状态误差反馈控制律( NLSEF) 两部分组成的 ADRC, 其中 NLSEF 改用非线性函数 实现, ADRC 阶次比常规方法低一阶.仿真结果表明, 该控制方案不仅解耦效果好, 而且对模型的 不确定性和外部扰动具有较好的鲁棒性和适应能力. 关键词 板宽;板厚;自抗扰控制;状态观测器;解耦 分类号 TP273 收稿日期:2005 07 12 修回日期:2006 03 28 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .60374032) 作者简介:王丽君( 1971—) , 女, 博士研究生;童朝南( 1955—) , 男, 教授, 博士生导师 板宽精度和板厚精度一样, 也是带钢热轧精 轧机组所追求和关注的重要质量指标, 对产品的 成材率(切边量) 有决定作用 .在热轧粗轧机上, 有关宽度自动控制的研究开发已取得了较好的效 果;在 精 轧 机 组 上 实 施 宽 度 自 动 控 制 (FAWC) [ 1-3] 的研究和应用还不够深入和成熟. 面对成品带钢越来越薄的热轧工艺趋势和活套驱 动及制动的特殊性, 在热轧精轧机组实施宽度自 动控制有一定难度, 需要先进的控制技术.而自 抗扰控制( ADRC) 技术是一种不依赖于模型的非 线性控制器, 它将模型不确定性和未知外扰作用 (包括耦合项) 都归结为对系统的总扰动, 由扩张 状态观测器( ESO) 实时估计并予以动态补偿, 具 有精度高、响应速度快、鲁棒性强 、实用性强等特 点[ 4] .因此, 本文采用 ADRC 静态解耦技术和 ESO 动态解耦技术, 建立板宽和板厚一体的多变 量控制系统, 实现对板宽和板厚的解耦控制. 1 热连轧板宽板厚多变量系统的数 学模型 由轧制理论的分析可知, 轧机变形区内的工 艺参数表现为一系列的非线性函数关系, 为便于 设计, 采用在工作点附近小的变化范围内将非线 性函数线性化[ 5] . 在精轧机组, 板宽变化量主要包括变形区附 近的自然宽展及机架间的蠕变宽度变化量两部 分.根据国内现场条件, 拟在精轧机组最后 2 个 机架实现监控 FAWC, 因此后 2 个机架间的张力 设定值需根据各机架的板宽偏差而进行动态设 定, 而其他机架的设定值不变 .对于精轧机组前 2 ～ 3机架, 由于厚度较大且压下量较大, 变形区附 近的自然宽展不能忽略, 但对后面的机架, 该项可 忽略不计, 因此这里只考虑机架间的宽度变化量. 机架间的宽度变化主要取决于机架间张力 (即后张应力), 但还受到温度 、钢种、前张应力等 多种因素的影响, 而且这些因素之间的相互作用 非常复杂, 理论推导其数学模型相当困难.另外, 由于精轧末机架中心线到测宽仪的距离较远, 传 输延迟造成大的滞后 .因此, 热连轧板宽与机架 间张应力的关系可近似为一阶惯性时滞环节 : Δwi/Δσi -1 =Kwσie -τi s / ( Tv is +1) ( 1) 式中, Δ表示与稳态工作点的偏差;w i 为出口板 宽;σi 为 i ～ i +1 机架间张应力, i 为机架号; K wσi = wi/ σi -1, 取决于成品板厚 、板宽 、i 机架 出口温度及钢材种类 ;τi = ∑ m-1 i =1 L/ vi +L m/ v m, Tv i =L/ v i , L 和 L m 分别为机架间距离 、末机架 到测宽仪的距离, vi 和 v m 分别为各机架及末机 架出口带钢速度. 同理, 对于监控 AGC, 热连轧板厚与辊缝的 关系也可近似为一阶惯性时滞环节 : Δhi/ ΔSi =K hSie -τi s / ( Tvis +1) ( 2) 式中, hi 为出口板厚;S i 为辊缝;KhSi =CPi/ 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.014