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基于ILQ理论的热连轧活套控制系统分析与设计.pdf

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上海交通大学硕士学位论文 III RESEARCH AND DESIGN OF LOOPER CONTROL SYSTEM IN HOT ROLLING MILL BASED ON ILQ THEORY ABSTRACT With the rapid development of modernized industrial technology, the requisition on variety, specification, quality and yield of strip steel has become higher. Now, there are some difficulties existing in most hot-rolling production line in China, such as low control precision, so technological transation will be intensified to change this situation. Looper control is one of the most important control items in hot strip rolling mill process, so it’s essential to do some research on control theory and of looper system. Looper system is a typical double -output multivariable system, the most difficult challenge in the controller design and control perance comes from the interaction between looper angle and strip tension. In this text, an in-depth research of angle and tension control is made. The structure, components and work process of looper system is detail studied; the couple relationship between tension and angle is also analyzed. This paper also investigates the strong and weak points of 上海交通大学硕士学位论文 IV various control algorithms proposed in academia as well as industry. According to tension computation ula and torque balance relation of looper motor, the linear mathematical model of looper system on working point is deduced, a control resort based on “pole-place” is proposed. This paper makes a very detail research on ILQ theory Inverse Linear Quadratic and its asymptotical characteristic, moreover some new mathematical proof is presented. The prerequisite, normal design of ILQ is summed up. The basic solution of weight matrix and Riccati Equation in ILQ Design is proposed. A new improved design is proposed based on ILQ theory. This new is applied to controller design of looper system and the “asymptotical trait”, good tuning ability, robust and disturbance attenuation of ILQ design is analyzed. The software of looper controller design is developed. Because of good human-machine interface, it’s very easy for researchers to use this software. The ILQ design is also promoted to solve the same control problem similar with looper system, which is called “controller design of MIMO servo system”. At the end, the weak points of ILQ design and its future development is provided. KEY WORDSLooper system, Multivariable Control, Inverse Linear Quadratic, MIMO, Servo System 上海交通大学硕士学位论文 VII 图片目录 图1-1 热连轧生产线精轧机组............................................ 1 图1-2 轧机速降图...................................................... 2 图1-3 活套起套过程示意图.............................................. 3 图1-4 活套装置结构图.................................................. 5 图1-5 张力力矩计算示意图.............................................. 6 图1-6 重力力矩计算示意图.............................................. 8 图1-7 传统活套控制系统................................................ 9 图1-8 张力控制框图................................................... 10 图2-1 角度张力耦合关系示意图......................................... 13 图2-2 传统PI控制框图................................................ 14 图2-3 互不相关控制框图............................................... 16 图2-4 H∞控制框图..................................................... 16 图2-5 最优控制框图................................................... 17 图2-6 AGC-活套系统框图.............................................. 18 图4-1 活套装置工作点附近结构图....................................... 33 图4-2 活套系统工作点附近线性化模型框图............................... 36 图4-3 极点配置方法设计框图........................................... 37 图4-4 系统输出响应曲线(速度扰动)................................... 40 图4-5 ILQ仿真框图................................................... 41 图4-6 实数主导极点变化趋势图......................................... 45 图4-7 主导复数极点变化趋势图......................................... 46 图4-8 非主导极点变化趋势............................................. 46 图4-9 系统输出响应曲线不同控制方法 ................................. 49 图4-10 张力响应曲线(E摄动)......................................... 50 图4-11 角度响应曲线(E摄动)......................................... 50 图4-12 张力响应曲线(多参数波动)..................................... 51 图4-13 角度响应曲线(多参数波动)..................................... 51 图4-14 张力响应曲线速度扰动 ......................................... 52 图4-15 角度响应曲线速度扰动 ......................................... 52 图4-16 张力响应曲线电流扰动 ......................................... 53 图4-17 角度响应曲线(电流扰动)....................................... 53 图4-18 张力响应曲线(速度、电流扰动)................................. 54 图4-19 角度响应曲线(速度、电流扰动)................................. 54 图4-20 活套线性化模型输入界面......................................... 55 图4-21 ILQ设计主界面................................................. 56 图4-22 特征向量自由度配置矩阵G优化界面............................... 57 图4-23 飞行器输出响应曲线............................................. 60 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名高军 日期2008 年1 月30日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密√。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名高军 指导教师签名周坚刚 日期2008 年 1月 30 日 日期2008 年 1月 30 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 热连轧活套控制系统概述 1.1活套系统概述 热连轧各机架金属秒流量平衡,是带钢热连轧生产稳定和带钢质量保证所必须遵循的原则[1]。在轧制过程中,由于主传动存在动态咬钢速降,在稳定轧制阶段又存在着各种外部干扰,因而不可能始终保持各机架之间的速度配比关系[2],设置活套装置的目的即检测相邻机架之间的速度偏差,并由活套装置给出上游机架速度调节器调节量的附加值,纠正带速偏差,实现稳定轧制。与此同时,还进行恒定的小张力控制[3],防止堆钢或拉钢事故的发生。 下图是某热轧生产线七机架精轧机组示意图[4] 图1-1 热连轧生产线精轧机组 Figure 1-1 Hot-rolling product line 图1-1中,APC表示轧机的自动位置控制器,ASR表示主电机的速度调节器,M代表执行电机。 1.2 活套控制系统的工作过程 轧件在精轧机组中的轧制过程一般是按照咬钢、形成连轧、建立连轧张力、上海交通大学硕士学位论文 2 稳定连轧、甩尾抛钢的顺序进行[5]。活套装置作为精轧机组中的关键设备,对应的可以将其工作状态分为三个阶段起套、张力连轧、落套[6]。 1.2.1 活套起套过程 1.2.1.1 动态速降的产生 活套起套过程是伴随着精轧机组的“咬钢”过程而产生。咬入阶段主要是指带钢头部被轧辊咬入开始,一直到带钢在机架间建立张力之前的阶段[7]。这一阶段时间很短,约为一秒钟左右,轧机在此阶段主要有如下特点轧机在咬入阶段受到轧件冲击,轧机会产生动态速降。这是因为当轧机空载运行时有一定的空载转速n0,而当有载荷作用时轧机转速会有所降低,因此,动态速降是指轧机受到轧件冲击咬入轧件,由空载状态到负载状态时所产生的速度降,而把轧机重新恢复到稳定状态时速度的降低称为静态速降。如图所示[8] dL?静态速降动态速降dtdn?cn?图中阴影部分表示由于动态速降产生的固定套量图1-2 轧机速降图 Figure 1-2 Curve of speed down in rolling machine 1.2.1.2 活套量的形成 以机架Fi和Fi1为例。当带钢被Fi1机架咬入,Fi1机架轧机产生一定的动态速降,结果Fi机架的出口速度大于Fi1机架的入口速度,由于动态速降的恢复需要一定的时间,因此在i和i1机架之间便形成了一定的活套量?Ld[9],如图1-2所示。从图1-2可知,机架之间积累的活套量大小是由动态速降?nd和动态恢上海交通大学硕士学位论文 3 复时间td的大小决定的。这部分固定套量破坏了金属秒流量平衡的原则,如果不及时排出,容易造成堆钢,使得轧制过程不稳定[10]。 现代化精轧机组机架之间积累的活套量一般很小,约为3050mm, 但一些旧式精轧机组其活套量可达50178mm左右,可以说微套量小张力连轧是当代宽带热连轧很重要的特点之一[11]。 1.2.1.3 起套过程 1 活套起套的逻辑控制信号 活套起套的逻辑控制信号一般来说有以下两种。一种是检测下游机架Fi1的轧机电枢电流信号。当Fi1咬钢时,迫使轧机减速,电机反电动势随之减少,在转速调节器尚未做出有效的反应之前,晶闸管变流装置输出电压仍保持为原值,而电枢电流迅速增大,当电枢电流超过某一设定值时,给出活套起套的逻辑控制信号[12]。另一种是通过检测轧制压力信号。当Fi1机架咬钢时,轧制压力迅速增大,这一信号的突变也可作为活套起套的逻辑控制信号[13]。 2 活套起套的特点 1α α00 αα工作零位角refα θMiv活套高度调节器投入工作,排除因动态速降积累的固定套量越过工作零位角,以排除固定套量,同时绷紧带钢当带钢绷紧后,产生一定张力,将活套摆辊压向接近工作零位角机械零位角图1-3 活套起套过程示意图 Figure 1-3 Raising process of looper device 如图1-3所示,活套逻辑控制装置发出起套信号后,活套电机以某一设定的大电流值(或者是恒定力矩值)迅速起套。活套辊从机械零位以下的位置上升到上海交通大学硕士学位论文 4 工作零位(活套角度设定值)一般需要0.30.5秒,此时带钢仍处于松弛状态,一方面活套辊将越过工作零位继续升起绷紧带钢;另一方面由于此时活套调节器投入工作,使得上游机架(即Fi机架)主电机稍微降速,排除由于动态速降所积累的固定套量,以收缩带钢长度,直到将活套辊压向接近工作零位角的位置,此时活套电机的速度调节器处于饱和状态,活套电机堵转[14],同时活套电机切换到电流控制阶段,为小张力连轧过程做好准备。 1.2.2 小张力连轧过程 小张力连轧阶段是指带钢被轧辊完全咬入之后,并在机架之间建立起小张力,处于稳定连续轧制的阶段,也就是图1-3所示当活套辊重新回到工作零位角之后的阶段。该阶段所占的时间约为整个连轧时间的95,也是本文所重点研究的阶段。此阶段活套辊的摆角θ在活套高度调节器的作用下,在工作零位角附近波动,而带钢张力围绕着给定张力值上下波动。 1.2.3 落套阶段 在带钢尾部离开轧机前,活套辊必须降至机械零位以下,以免翘起的带钢尾部被高速甩出去,发生折叠事故。当带钢尾部离开上游机架(也就是Fi机架),因为负荷消失,Fi机架电枢电流显著下降,采集到此变化信号,经过一定延时,接通落套高速给定,此时活套电机速度调节器退饱和状态,使电机反转落套[15]。 1.3 活套系统基本方程 1.3.1 活套套量计算 图1-4为相邻机架间活套装置示意图,R为活套支持器活套辊的臂长,r为活套辊的半径,θ为活套辊的摆角,α、β分别为带钢与轧制线之间的夹角,θ0是活套装置的机械零位;L为机架之间的距离。设机架之间的活套量为?L,按照图中的关系,则有 上海交通大学硕士学位论文 5 θ0HRLrFiFi1v0θABC1L2Lα β图1-4 活套装置结构图 Figure1-4 Sketch of looper device 11cos coscos cosLR LLRLABBCL Lθ θαβ ??? ? ? 1-1 222 2101 0cos coscos cos sin cos sin sin LR LRLR R rH LR R Rθ θαθθ θθθ? ?1-2 1122 2 2101 0cos coscos cos sin cos sin sin LL R LL RLL R R rH LL R R Rθ θβθθ θθθ?? ???? ? ?? ?1-3 0011sin sin sin arctan arctancos cosRrH RLR LRθ θθαθ θ? ?1-4 0011sin sin sin arctan arctancos cosRrH RLL R LL Rθ θθβθ θ? ??? ??1-5 0022 221010sin cos sin sin cos sin sin 1 6HR rLLR R R LLR R Rθθθθ θθθ? ? ? ? ? ?其中综上由式1-6可知,活套套量?L是活套辊摆角θ的三角函数,即 LFθ? 1-7a 式1-6所示的表达式比较复杂,为了分析活套量?L与θ之间的变化规律,将Fθ在θ0附近进行泰勒展开,即 2000 00 0011 ... 2 nnFF F F Fnθ θθθθ θθθ θθθ ? ? ? 1-7b 当θθ0时,?L0,Fθ00,且F’θ00。如果忽略高阶小项,那么活套量?L
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