HC轧机中间辊在线横移控制策略的研究

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Research on Online Control Strategies of HC MiU Intermediate Roller Move TransverselyZHANG Qisheng .LV Meng .WANG Yiqun(1.Mechanical Engineering Institute，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China；2.National Cold Rolling Plate and Strip Equipments and Processes Engineering Technology Research Center，Qinhuangdao Hebei 066004，China)Abstract：The quality of the strip shape is an important index. The intermediate roller move transversely is an efective technolo-gy of improving strip shape contro1. But there is no complete theory to calculate the resistance of middle roller move transversely，andthe interference factors of load was complicated in the control of intermediate roler move transversely. Using experimental method toresearch the problem Of load interference is not only expensive，but also consuming long time. In order to ensure the accurace of inter-mediate roler move transversely，control stifness is usual increased，but it leads to waste in consume energy and manufacture cost。

Computer simulation technology was used to build virtual study platform of interm ediate roller move transversely. Characteristics of thissystem were analyzed. It provides valuable reference and has theorical and practical meaning。

Keywords.HC mill；Interm ediate roler online move transversely；Strip shape control；Control strategy随着社会经济的高速发展，研究进-步提高板形质量的方法，已经成为当今薄带钢生产 的重要问题。

轧制高精度卞时，在轧制过程中能实现中间辊在线横移，将更有利于带钢板形质量的控制。但目前还没有完善的计算中间辊横移阻力的方法 j，在轧制过程中，中间辊横移控制的负载干扰影响因素复杂，是-个棘手的难题。用实验方法研究负载干扰问题，不但投入大、成本高，而且耗时长。为保证中间辊横移精度 ，通常是加大系统控制刚度 ，这又导致耗能和制造成本的浪费。利用计算机仿真技术对中间辊横移系统进行仿真研究能够提供有价值的参考，具有理论与实际意义。

1 中间辊横移系统的工作原理HC轧机中间辊在线横移控制是利用电液伺服控制系统来实现的，该系统主要由控制器、液压系统和被控对象 (中间辊)3个部分组成。置于液压缸上的位移传感器将液压缸的位移反镭来，与输入信号比较得出误差信号，经控制器运算后输入液压系统的伺服阀，进而控制液压缸来驱动中间辊，如此构成-个闭环控制系统 ，实现对中间辊位置的实时控制。如图1所示为该阀控缸系统的传递函数方框图 。

图1 中间辊横移控制系统传递函数方框图收稿 日期 ：2012-04-13作者简介：张齐生 (1954-)，男，教授，主要从事流体传动与控制技术应用的研究。E-mail：QSZhang541 1###yahoo.com.el。

· 44· 机床与液压 第4l卷2 中间辊横移系统仿真策略对中间辊横移系统的研究主要解决两个问题：中间辊横移阻力估算和受干扰影响情况下实现对系统的实时控制。该系统是机、电、液综合控制系统，基于现有对不同对象和工况各具优势的仿真平台软件，利用联合仿真技术可提高仿真精度。

2.1 动力学模型仿真策略以HC1250轧机为对象，其中间辊动态工况动力学模型可基于Pro/E和 ADAMS软件联合建立 。这主要利用了两种软件各 自的优势，Pro/E具有强大的三维建模能力，而 ADAMS则具有动力学仿真优势。

首先利用 Pro/E软件建立轧辊及相关零部件的三维模型并进行装配，然后将建立好的三维模型导人 AD。

在 ADAMS中可以对模型进行动力学仿真。只要完成环境设置、布尔运算，按照实际物理模型参数定义仿真模型参数，然后相应地添加约束、施加作用力，最后校验模型直到模型合理为止，这样中间辊工况的动力学仿真模型的结构简图就建好了，如图2所示。利用该机械动力学模型，即可实现中间辊工况的动力学分析和动态演示。

图2 中间工况动力学模型的结构件图2.2 液压 系统仿真策略AMESim软件是-种优越的液压系统仿真软件 ，利用其图形化界面，可以在虚拟环境中实现整个仿真过程，免去了数学计算和建模，提高了工作效率。该软件中的每个元件都是被严格试验过的，所以是实际模型的真实反映，利用AMESim建模相对来说具有真实性和准确性较高的优点。

中间辊横移液压系统是-个阀控液压缸系统，主要由液压泵、溢流阀、伺服阀、液压缸等组成，用到的元件在AMESim软件的LMS Imagine.Lab中都可以直接调用，利用这些元件搭建好整个液压系统模型，按实际液压系统中的参数设置仿真模型中的参数，就可以进行仿真分析。

如图3所示为中间辊横移液压系统的模型，其中负载和控制器在联合仿真时建立。

④图3 中间辊横移液压系统模型2.3 控制器的设计及其仿真策略这里针对中间辊横移系统控制负载干扰因素复杂而设计了自抗扰控制器 ，并建立了其仿真模型。

2.3.1 自抗扰控制器的设计自抗扰控制技术是吸收现代控制理论成果、发扬并丰富 PID思想精髓、开发运用特殊非线性效应而发展起来的新型实用技术 。用对象的输入输出对未知扰动”进行估计并对它进行补偿，突破了 绝对不变性原理”和 内膜原理” 的局限性 ，而这种扰动的估计和补偿能力就是抗干扰功能。

中间辊横移液压系统可看作-个五阶系统，而 目前对 自抗扰控制器中的扩张状态观测器的研究 ，在系统阶数不高于二阶时比较成熟 ，对高阶系统的扩张状态观测器的设计可用低阶观测器串联组合来实现 ，进而实现高阶自抗扰控制器的设计。

如图4所示，框中的部分就是中间辊横移系统的自抗扰控制器。

图4 自抗扰控制器结构其中各个部分的设计如下 ：(1)安排过渡过程 (TD)。中间辊横移系统的安排过渡过程，用-个二阶跟踪微分器安排过渡 ，然后获得其阶微微分，其算法为：第9期 张齐生 等：HC轧机中间辊在线横移控制策略的研究 ·45·1 - 2V2/ 口n( l- ，V2，r， )1l l2-/30 Z( l1- 2，a1，6)12-[3jar( 1- 2，a2，8) (1)21V22-[30 Z( 21- 12， l，6)V 2乞3-[3jal( 21- l2， I， )23-[330 z( 21- 12， 2，8)(2)扩张状态观测器 (ESO)。中间辊横移系统的观测器，可用低阶观测器串联实现。这里用-个二阶ESO和两个三阶ESO串联够成六阶ESO，其算法如下：l三l1 l2-8o z(e1l，口1， )Ij12-卢0 z(el1'02，8) e z - 。：Ij2lz2-3ole2l三2 3-卢o： z(e2。， I， )l j23-卢0 f(e2l， 2，8)e， 。 - zz，fj31z32-30leI j32Z3-卢02， l(e3， 1，6)buLj"-[30 f(e ：，8)(3)非线性控制律的算法如下：(2)I e - -zI0卢 z(e1，Ⅱ，6)[3JaZ(e2，0，6)L [3afal(e3，a，8)[3dCal(e4，0，6) l(e5，a，8)(3)(4)决定最终控制量的算法如下 ：UU0-z6/ (4)非线性函数 on( 。， ，r，h)的算法为：dohdY 1hx2n。 。 ：f si ， l音 lyld非线性函数.厂02(e，a， 的算法为： 、 [e/d - ≤6 Ja '。， ) 1 ixI · lel>8sign a ll J 1)2.3.2 控制器仿真策略在众多仿真软件中，Simulink是-种能够将控制系统的复杂模型输入计算机中，并对其进行仿真分析的软件。它借助便捷的建模功能和 MATLAB强大的计算功能，能有效地解决控制系统仿真技术中的问题H 。自抗扰控制器的Simulink建模 过程如下：(1)非线性函数的建模。对于两个非线性函数知z(e，a，6)和titan(x ， ，r，h)的建模，可以分别将它们的算法编成 M文件，然后用 MATLAB Function调用即可。

(2)ESO建模。根据式 (2)的算法，首先搭建二阶和三阶观测器的模型，然后将低阶观测器模型封装后，串联连接就后构成最终的扩张状态观测器模型，如图5所示。

图5 扩张状态观测器模型(3)TD的建模。这部分的建模与观测器建模的方法类似。图6为微分跟踪器的模型，利用前述观测器模型获取其输出 ：的各阶微分就构成了最终的TD模型，如图7所示。

图6 跟踪微分器模型图7 安排过渡过程模型(4)非线性控制律的建模。非线性反镭制律是将输入与输出的各阶状态误差经非线性运算后，经· 46· 机床与液压 第41卷加权求和得出的最终反镭制输入量，其模型如图8 所示。

] UutI r- I m. I 已芟Jin3 fal(e )由铂 口0utl] >--.J Lh口 Outlfal(e，口，)2r-1h Ql fat(P，口，)l Gain2 -- f口 Out1.h图8 非线性控制律模型将控制器的各个部分连接到-起即可构成最终的自抗扰控制器模型，图9为封装后的模型，中间辊由两个液压缸驱动，所以图中有两个控制器。

- r目 叩- ] I s图 9 最终控制器模型 2.4 中间辊横移系统联合仿真策略作者的最终目的是设计整个系统的综合仿真研究方案，而利用联合仿真的方法针对前面建立的各部分模型建立联合仿真关系，就能很好地实现这-目的。

2.4.1 Simulink和AMESim联合仿真参阅文献 [14-15]设置两平台软件的接口，接口设置完成后，首先在 AMESim中点击 Modeling-Interface Block Create Interface Icon，在弹出的对话框中设置输入、输出，完成之后就会生成-个接口图标，把它作为控制器拈接入 AMESim中的液压系统模型的对应位置即可，如图10中图标 A所示。然后从 AMESim中启动Simulink，并打开控制器模型，用s函数调用AMESim中液压系统模型后，将其与控制器连接，如图 11所示 ，这就实现了两种软件的联合仿真。

2.4.2 AMESim和 ADAMS联合仿真参阅文献 [16]设置两平 台软件的接口，然后按照相关步骤建立动力学模型和液压系统模型的联合仿真关系 ”。 。首先需要创建/检查需要交换 的变量 ，这里是用 AMESim中的液压缸来驱动 ADAMS中的中间辊，所 以 ADAMS中的输入是液压缸的位移 ，输出是轧辊横移的阻力。在 ADAMS中点击 Build-System E1ement-State Variable--New在弹出的对话框A-液压系统拈 B-中问辊工况动力学模型图 10 基于 AMEsim的联合仿真模型图 1 1 基于Simulink的联合仿真模型中定义输入输出变量。定义输入变量时，在 Name后面输入 zgqdl(2)，在 F后面输入 0，然后双击中间辊上的位移驱动模型，在弹出的对话框中的 Function后面输入 VARVAL(zgqdl(2))，这表示位移驱动由输入变量 zgqdl(2)来决定；定义输出变量时，在 Name后面输入 zgforcel(2)，在 F后面输入 MO-第 9期 张齐生 等：HC轧机中间辊在线横移控制策略的研究 ·47·TION (.Motion.Motionl(2)，0，1，0)，表示返 回位移驱动上的作用力作为输出变量值。

接着定义接 口，点击 ControlsPlant Expo，在弹出的对话框中对应地将上面定义的输入、输出变量调入其中对应的位置，选择 c作为编译器，在Target Software后选择 Easy5点击 OK，模型输出成功。

这时在工作目录中会生成后缀分别为 inf、adm、cmd的3个文件，在 AMESim中点击 ModelingInterfaceBlock--Import ADAMS Model，选择工作 目录中后缀为inf的文件打开，在对话框中完成仿真参数设置，点击 OK就会生成-个接 口图标 ，如 图 10中图标 B所示，将其按接口名称接人液压模型的对位置，两种软件的联合仿真连接完成。

至此整个中间辊横移系统的联合仿真模型就建立完成了。此时只要在Simulink中点击运行，ADAMS就会 自动运行中间辊工况动力学模型，同时 AMESim中的液压系统模型也会自动运行。这就实现了利用控制器控制液压系统 ，进而驱动中间辊横移 ，并实现位移的实时控制。以这个联合仿真模型为研究平台，就可以对中间辊横移系统的性能进行分析研究。

3 结果分析3.1 中间辊横移阻力仿真结果分析在中间辊横移速度 和滚动速度 V 之比分别为0.002和 0.000 5时，利用中间辊工况动力学模型预估中间辊横移 阻力，然后 与实测结果 进行对 比，如图 l2所示。

1 300Z 1 200杀 1 100西 1 000鎏暴 7006O08 8.5 9 9.5 l0tO.511 11.5轧制力/MN图 12 中间辊横移阻力与轧制力的关系图通过对比可以看出仿真结果与实测结果存在-定的偏差，但这个偏差在能够接受的范围内，所以利用仿真的方法研究中问辊横移阻力是可行的。

3.2 中间辊横移控制系统联合仿真分析图 13为运行仿真 ，模型时获得的中间辊轴曩向横移阻力曲线，可见嚣2.0在轧制过程中横移阻力 帮1.5是随机变化的。 ·。

对中间辊横移系统研究的目的是 ：实现对中间辊横移的在线实时0 0.2 0.4 0.6 0.8 1时 间/s图 13 仿真过程中中间辊横移阻力动态曲线控制，其响应曲线反映出控制效果的优劣。如图14所示，联合仿真结果显示了自抗扰控制器 (ADRC)与 PID控制效果的对比，从图中可以看出：ADRC的控制效果更好，它使系统的阶跃响应快速而平稳。

图15表示以ADRC为控制器 ，系统对正弦输入V的跟踪效果，从图中可以看出，系统对信号的跟踪能力也很好。

图 14 中间辊横移系统 图 15 中间辊横移系统对控制性能对 比 正弦信号的跟踪4 结论目前，中间辊在线横移技术研究是-个具有挑战性的课题，对改善高性能薄带钢的板形质量具有重要意义。

通过分析中间辊横移存在的问题和中间辊横移系统的构成和特点，给出了中间辊横移联合仿真研究策略。利用这个研究平台，对中间辊横移系统的负载进行了分析，通过与实测结果对比得出：利用动力学仿真模型研究中间辊横移阻力是可行的；基于作者设计的自抗扰控制器对中间辊横移控制系统的控制性能进行了分析，通过与PID的控制效果对比可知：ADRC具有较好的控制效果。

上述结论为研发节能、精密的中问辊横移系统提供了有益参考，具有理论与实际意义。