正在加载图片...
D0I:10.13374/方.issm1001-t63x.2010.10.023 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vol 32 No 10 2010年10月 Journal of Un iersity of Science and Technology Beijing 0ct2010 热连轧液压活套系统非线性多变量建模及控制 李壮举山)石馨3)刘贺平) 杨卫东) 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)北京建筑工程学院电信学院，北京100044 3)沈阳航空职业技术学院航空电子工程系，沈阳110034 摘要为进一步提高带钢热连轧厚控精度及控制品质，在液压活套的工作点附近，考虑带钢自重、液压伺服系统和活套本 身的非线性，建立了液压活套系统的非线性多变量动态数学模型，并验证了该模型的有效性·针对该模型，考虑未建模动态和 各种扰动，提出了一种基于反推控制和扩张状态观测器(ESO)补偿的解耦控制方法.用Lyapunov稳定理论证明了闭环系统是 鲁棒稳定的·仿真表明新的模型和解耦控制方法都是有效的· 关键词热轧：液压控制设备：非线性系统：建模；解耦；反推 分类号TP273 M odelling and control of hydrau lic looper non linear m ultivariable system s LI Zhuang),SHIX in,LWU He ping,YANG Wei-dong) 1)School of Infomation Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)School of Eleetric and Infomation Engneering Beijng University ofCivil Engineering and Architecum Beijing 100044 China 3)Deparment of Avionics Engineering Shenyang Aviation Vocational TechnicalCollege Shenyang 110034.China ABSTRACT In onler to iprove the control accuracy and quality of automatic gauges in hot trip rolling a nonlinear multiple-input multiple-output (M MO)model of hydraulic bopers was built clse to the working point in consideration of strip weight and the nonlin- earity of hydraulic cylinders and loopers and its validity was verified A decoupling method based on back-stepping and extended state observers (ESO)was proposed for this new model taking all unmodelled dynamn ics and various distutbances into account The robust stability of the clsed-loop system was proved w ith the Lyapunov stability theory Smulation results show that the proposed model and decoupling controlmethod are available KEY W ORDS hot rolling hydraulic control equipment nonlinear systems modelling decoupling back"stepping 采用活套控制轧制张力是现代热连轧系统的一 给模型设计了相应的控制器，获得了一定的控制效 个基本特征，与电动活套相比，液压活套因为成本 果，但这都是在忽略了多种非线性因素和带钢重力 低、动态响应快和稳态精度高而被越来越多地采 矩的基础上研究的，要进一步提高连轧产品的质 用山，目前国内热连轧中的液压活套控制系统大都 量，就必须提高液压活套系统的控制精度；这就要求 采用国外的产品，国内液压活套的资料和数据还比 系统设计不但要考虑耦合问题，还要考虑通常被忽 较少，这造成液压活套控制系统的调试要比电动活 略近似的系统非线性问题山4).所以，对液压活套 套难度大).活套系统的高度和张力是两个相互耦 进行研究，建立其非线性模型，对进一步提高其控制 合的量，是一个典型的二入二出耦合系统，而液压这 性能，提高连轧效率和产品质量，仍具有重要意义， 一执行环节的采用，使得系统的非线性程度更加严 本文采用机理建模方法，在考虑了液压缸和活 重.文献[2-3]份析了液压活套的动态耦合过程， 套本身的非线性，以及带钢重力矩等诸多因素的基 给出了基于增量方程的线性化简化模型，并结合所 础上，建立了液压活套在稳定工作段的非线性模型， 收稿日期：2009-11-17 基金项目：北京市教委重点学科共建资助项目(N。XK100080537) 作者简介：李壮举(1975)男，博士研究生；刘贺平(195-)，男，教授.博士生导师，Email hpi@scus山cdtm第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．10 Ｏｃｔ．2010 热连轧液压活套系统非线性多变量建模及控制 李壮举 12） 石 馨 3） 刘贺平 1） 杨卫东 1） 1） 北京科技大学信息工程学院北京 100083 2） 北京建筑工程学院电信学院北京 100044 3） 沈阳航空职业技术学院航空电子工程系沈阳 110034 摘 要 为进一步提高带钢热连轧厚控精度及控制品质在液压活套的工作点附近考虑带钢自重、液压伺服系统和活套本 身的非线性建立了液压活套系统的非线性多变量动态数学模型并验证了该模型的有效性．针对该模型考虑未建模动态和 各种扰动提出了一种基于反推控制和扩张状态观测器 （ＥＳＯ）补偿的解耦控制方法．用 Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定理论证明了闭环系统是 鲁棒稳定的．仿真表明新的模型和解耦控制方法都是有效的． 关键词 热轧；液压控制设备；非线性系统；建模；解耦；反推 分类号 ＴＰ273 Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｏｐｅｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｍｕｌｔｉ-ｖａｒｉａｂｌｅｓｙｓｔｅｍｓ ＬＩＺｈｕａｎｇ-ｊｕ 12）ＳＨＩＸｉｎ 3）ＬＩＵＨｅ-ｐｉｎｇ 1）ＹＡＮＧＷｅｉ-ｄｏｎｇ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＢｅｉｊｉｎｇ100044Ｃｈｉｎａ 3） ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｖｉｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｈｅｎｙａｎｇＡｖｉａｔｉｏｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅＳｈｅｎｙａｎｇ110034Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｇａｕｇｅｓｉｎｈｏｔｔｒｉｐｒｏｌｌｉｎｇａｎｏｎｌｉｎｅａｒｍｕｌｔｉｐｌｅ-ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ-ｏｕｔｐｕｔ（ＭＩＭＯ） ｍｏｄｅｌｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｏｐｅｒｓｗａｓｂｕｉｌｔｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｏｉｎｔｉｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｉｐｗｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎ- ｅａｒｉｔｙｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｓａｎｄｌｏｏｐｅｒｓａｎｄｉｔｓｖａｌｉｄｉｔｙｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ａｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｂａｃｋ-ｓｔｅｐｐｉｎｇａｎｄｅｘｔｅｎｄｅｄｓｔａｔｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒｓ（ＥＳＯ） ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｉｓｎｅｗｍｏｄｅｌｔａｋｉｎｇａｌｌｕｎｍｏｄｅｌｌｅｄｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．Ｔｈｅｒｏｂｕｓｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｌｏｓｅｄ-ｌｏｏｐｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｔｈｅＬｙａｐｕｎｏｖｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌａｎｄ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄａｒｅａｖａｉｌａｂｌｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｓ；ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ；ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｂａｃｋ-ｓｔｅｐｐｉｎｇ 收稿日期：2009--11--17 基金项目：北京市教委重点学科共建资助项目 （Ｎｏ．ＸＫ100080537） 作者简介：李壮举 （1975— ）男博士研究生；刘贺平 （1951— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｌｈｐｊｘ＠ｉｓｅ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 采用活套控制轧制张力是现代热连轧系统的一 个基本特征．与电动活套相比液压活套因为成本 低、动态响应快和稳态精度高而被越来越多地采 用 ［1］．目前国内热连轧中的液压活套控制系统大都 采用国外的产品国内液压活套的资料和数据还比 较少这造成液压活套控制系统的调试要比电动活 套难度大 ［2］．活套系统的高度和张力是两个相互耦 合的量是一个典型的二入二出耦合系统而液压这 一执行环节的采用使得系统的非线性程度更加严 重．文献 ［2--3］分析了液压活套的动态耦合过程 给出了基于增量方程的线性化简化模型并结合所 给模型设计了相应的控制器获得了一定的控制效 果但这都是在忽略了多种非线性因素和带钢重力 矩的基础上研究的．要进一步提高连轧产品的质 量就必须提高液压活套系统的控制精度；这就要求 系统设计不但要考虑耦合问题还要考虑通常被忽 略近似的系统非线性问题 ［14--5］．所以对液压活套 进行研究建立其非线性模型对进一步提高其控制 性能提高连轧效率和产品质量仍具有重要意义． 本文采用机理建模方法在考虑了液压缸和活 套本身的非线性以及带钢重力矩等诸多因素的基 础上建立了液压活套在稳定工作段的非线性模型 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．10．023