D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.04.016 第25卷第4期 北京科技大学学报 Vol.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 可逆冷连轧卷取张力系统中的预测控制应用 李静王京 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083 摘要针对某双机架可逆冷连轧卷取机卷取张力控制中存在的张力波动问题，引入预测 控制算法，在间接-直接张力复合控制思想的基础上，采用动态矩阵预测控制器代替原系统 张力PI调节器的方法.计算机仿真结果表明系统动态特性改善，保证了张力控制的精度. 关键词卷取张力：动态模型：预测控制：动态矩阵控制：可逆冷连轧 分类号TG334.9;TG33;TP273 对于冷轧卷取机张力闭环控制系统的控制 动态矩阵预测控制(DMC),通过预测控制的校正 性能来说，其优劣程度取决于对以下三个方面的 机理来提高系统的鲁棒性，从而消除参数变化带 调节能力：第一，在主机加减速阶段，也就是建张 来的张力波动. 阶段，如何控制卷取机使其跟随主机速度的变 化，克服（补偿）加减速造成的动态力矩对张力的 1系统模型 影响，避免张力的振荡：第二，在主机稳速阶段， 1.1张力控制系统模型 如何克服卷径的变化和AGC工作带来的张力波 以某双机架可逆冷连轧机为例建立张力控 动：第三，如何解决由于卷径及其他工艺参数改 制系统模型"，结构如图1所示.电流环G(s)PI 变而造成的系统模型参数改变的问题 调节器参数按典型I型系统设计：对于张力环 针对第一个问题，对应于系统的稳定性，一 般采取张力开环建张或低速建张能保证在建张 G(s),对象相当于一个大惯性、一个小惯性和一 个积分环节组成，其PI参数按典型Ⅱ型系统设 过程中避免张力的振荡.针对第二和第三个问 题，一般传统的张力闭环控制系统还没有很好的 计.一般情况，张力控制系统主要是要求系统具 有高稳定性，超调量较小，取中频宽h=5得到如 解决方法，只能靠张力反馈的调节作用来消除其 图1所示张力环传递函数， 影响.由于卷径的变化不同于一般的突变干扰， 它的变化是存在于轧制过程的始终，而反馈的调 12张力动态模型 节作用相当于一个滞后补偿，因此对这种时变的 在轧制过程中，忽略带材的宽度，根据金属 秒流量相等原理，分析卷取张力和卷取电动机转 系统和干扰，它的作用就不是很显著了.另外，也 由于各参数的变化范围很大，因此这种控制策略 速的关系，可得卷取张力与卷取电机转速的传递 函数2： 难以在全范围内满足张力控制精度的要求， 本文利用间接张力建张过程稳定性好，直接 G) 60iL s+@ew (1) 张力控制系统控制精度高的特点，采用了间接- 其中，D为带卷外径，E为弹性模量，w为带材宽 直接复合控制.在建张过程中，采用间接张力的 度，h为带材无张力时的厚度，为卷取电机与卷 最大力矩控制方法，并对动态张力进行了补偿： 筒的转速比，L为轧机工作辊与卷取中心间的带 在稳态轧制时，采用直接张力控制方法，并针对 材长度，ow为转折频率，0=VmL,V。为轧制速 卷取的张力闭环控制引入了一种新的控制策略- 度，器N水为卷取电机转速 收稿日期2002-10-23李静女，29岁，助理研究员，硕士 在该系统中，上述各参数均已知，可得图1中 t世行贷款资助项目(No.NERCAR-28) 的实际张力动态模型传递函数G(s)第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加 可逆冷连轧卷取张 力系统 中的预测控制应用 李 静 王 京 北 京 科技大 学 高 效 轧制 国 家 工 程 研 究 中心 ， 北 京 摘 要 针 对某 双 机架 可 逆冷连 轧 卷取 机 卷 取 张 力 控 制 中存 在 的张 力波 动 问题 ， 引入 预测 控制 算法 ， 在 间接一直 接 张 力复合控 制 思想 的基 础 上 ， 采用 动 态矩 阵预 测控 制器代替原 系统 张 力 调 节 器 的方法 计 算机仿真 结果表 明系统 动态特性 改善 ， 保证 了 张 力控 制 的精度 关键 词 卷取 张力 动态模型 预 测 控制 动态 矩 阵控制 可逆 冷 连 轧 分 类号 仰 对 于 冷 轧 卷 取 机 张 力 闭环 控 制 系 统 的 控 制 性 能来 说 ， 其优 劣 程度 取 决于对 以下 三 个 方 面 的 调 节 能力 第 一 ， 在 主 机加 减速 阶段 ， 也 就 是建 张 阶 段 ， 如 何 控 制 卷 取 机 使 其 跟 随 主 机速 度 的 变 化 ， 克服 补 偿 加 减 速 造 成 的动 态 力 矩 对 张 力 的 影 响 ， 避 免 张 力 的振 荡 第 二 ， 在 主 机 稳 速 阶 段 ， 如 何 克服 卷 径 的变 化 和 工 作 带 来 的 张 力 波 动 第 三 ， 如 何 解 决 由于 卷 径及 其 他 工 艺参 数 改 变而 造 成 的系统模型 参 数 改变 的 问题 针对第 一 个 问题 ， 对 应 于 系 统 的稳 定性 ， 一 般 采 取 张 力 开 环 建 张 或 低 速 建 张 能保 证 在 建 张 过 程 中避 免 张 力 的振 荡 针 对 第 二 和 第 三 个 问 题 ， 一般传 统 的张 力 闭环 控 制 系 统 还 没有 很好 的 解 决方 法 ， 只 能靠 张 力 反馈 的调 节 作用 来消 除其 影 响 由于 卷 径 的变 化 不 同于 一 般 的 突变干 扰 ， 它 的变 化 是 存在 于 轧制过程 的始 终 ， 而 反馈 的调 节 作用 相 当于 一 个 滞 后 补 偿 ， 因此对这 种 时变 的 系统和 干扰 ， 它 的作用 就 不 是 很 显 著 了 另 外 ， 也 由于 各参 数 的变化 范 围很 大 ， 因此 这种 控 制 策 略 难 以在 全 范 围 内满 足 张 力控制 精 度 的要 求 本 文 利 用 间接 张 力 建 张 过 程 稳 定 性 好 ， 直 接 张 力 控 制 系 统 控 制 精度 高 的特 点 ， 采 用 了 间接一 直接 复合 控 制 在 建 张 过 程 中 ， 采 用 间接 张 力 的 最 大 力矩 控 制 方 法 ， 并对 动 态 张 力 进 行 了补 偿 在稳 态 轧制 时 ， 采 用 直 接 张 力 控 制方 法 ， 并 针 对 卷 取 的张 力 闭环控制 引入 了一 种 新 的控 制策 略一 动 态 矩 阵预 测 控 制 田 ， 通 过 预 测 控 制 的校 正 机 理来 提 高系统 的鲁棒 性 ， 从 而 消 除参数变化 带 来 的 张 力 波 动 ， 系 统 模 型 张 力控 制 系 统 模 型 以某 双 机 架 可 逆 冷 连 轧机 为例 建 立 张 力 控 制 系统模 型 『 ， 结 构 如 图 所 示 电流环 几 调 节 器 参 数 按 典 型 型 系 统 设 计 对 于 张 力环 ， 对 象 相 当 于 一 个 大 惯 性 、 一 个 小 惯 性 和 一 个 积 分 环 节 组 成 ， 其 参 数 按 典 型 型 系统 设 计 一 般 情 况 ， 张 力 控 制 系统 主 要 是 要 求 系统 具 有 高 稳 定 性 ， 超调 量 较 小 ， 取 中频 宽 得 到 如 图 所 示 张 力环 传 递 函 数 张 力 动 态 模 型 在 轧制 过 程 中 ， 忽 略带材 的 宽度 ， 根据 金 属 秒 流 量相 等 原 理 ， 分析 卷 取 张 力和 卷 取 电动 机转 速 的关 系 ， 可 得卷取 张 力 与卷取 电机转速 的传 递 函 数 价， 侧 △ 兀 神人 八从 切 收稿 日期 一 卜 李静 女 ， 岁 ， 助理研 究 员 ， 硕 士 世 行贷款 资助项 目 卫 其 中 ， 为 带 卷 外 径 ， 为 弹 性 模 量 ， 为 带 材 宽 度 ， 。 为 带 材 无 张 力 时 的厚度 ， 为卷 取 电机 与 卷 筒 的转 速 比 ， 为 轧 机 工 作 辊 与卷 取 中心 间 的带 材 长 度 ， 。 、 为 转 折 频 率 ， 。 ， 几 ， 几 为 轧 制速 度 ， 一雾狐 ， ’ ‘ ’ ， ‘ ’ 为卷 取 电机 转 谏 ， 一 ‘ 从 勺 似 “ 权 池 ’ 在 该 系统 中 ， 上 述 各参 数均 己知 ， 可 得 图 中 的 实 际 张 力动 态模 型 传 递 函 数 侧 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．04．016