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史密斯预估控制策略在厚规格轧制中的应用
摘 要
热轧带钢厚度精度一直是提高产品质量的主要目标。正因如此，厚度设定模型（AGC）曾是热轧带钢自动化首先实现的功能。AGC系统的主要任务是对带钢全长进行厚度控制以保证带钢的厚度精度及其百分比。消除板厚差的主要方法是采用自动厚度控制（Automatic Gauge Control ,简称AGC）系统。轧机出口板厚很大程度上取决于该出口AGC系统的性能。由于实际轧制过程的复杂性、控制对象的非线性、时变性，单纯的AGC控制系统都不能取得较好的控制效果。在大多数过程控制过程系统中，不同程度地存在着时间滞后的工艺过程，Smith预估补偿控制能很好的解决这一问题。但Smith控制方法的前提是必须确切地知道被控对象的数学模型，在此基础上才能建立精确的预估模型。本文正是应用Smith预估控制策略来消除纯滞后的影响，并对怎样获得精确的被控对象数学模型进行认真分析研究。本文将纯滞后系统的Smith预估控制算法应用到厚规格成品轧制中，大大改善了系统的动态响应特性。通过对实践的分析发现其出口使用的Smith-AGC系统对改善系统超调,减小滞后对厚度控制的影响都有较好的效果。在应用中Smith-AGC系统与PI控制形成很好的配合，这样才能发挥各自优点使其对厚规格轧制有明显的控制作用。
关键词：厚度自动控制；厚度模型；Smith预估器；数字PID控制
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目 录
摘要 ........................................................................................................................................ I 1.绪 论 ................................................................................................................................ 1
1.1 课题背景 ..................................................................................................................... 1 1.2 课题特点及技术路线 ................................................................................................. 1 1.3 课题研究意义 ............................................................................................................. 2 1.4 国内外研究现状 ......................................................................................................... 3
2.数字PID控制与SMITH控制系统 .......................................................................... 4
2.1 PID控制原理 .............................................................................................................. 4 2.2 数字PID控制算法 ..................................................................................................... 5 2.2.1 位置式PID控制算法 ......................................................................................... 5 2.2.2 增量式PID控制算法 ......................................................................................... 7 2.3 SMITH预估控制器 ........................................................................................................ 8 2.3.1 Smith预估补偿原理 .......................................................................................... 9 2.3.2 纯滞后系统的Smith控制算法 ........................................................................11 2.3.3 改进型Smith预估补偿方案 ........................................................................... 13
3.热连轧AGC系统与厚度模型的控制 .................................................................... 14
3.1热连轧概述 ............................................................................................................... 14 3.2 AGC控制系统 ............................................................................................................ 14 3.2.1 反馈AGC ............................................................................................................ 14 3.2.2 监控AGC ............................................................................................................ 15 3.3 厚度模型与控制 ....................................................................................................... 19 3.3.1 概述 ................................................................................................................... 19 3.3.2 影响厚度精度因素 ........................................................................................... 19 3.3.3 精轧设定所涉及的模型 ................................................................................... 20
4.SMITH预估控制在厚规格轧制中的应用 ........................................................... 27
结 论 .................................................................................................................................... 30 致 谢 .................................................................................................................................... 31 参考文献 .............................................................................................................................. 32 附录A （外文文献） ....................................................................................................... 33 附录B （中文译文） ....................................................................................................... 40 附录C （其它） ............................................................................................................... 47
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1 绪 论
1.1课题背景
本课题是以鞍钢1700热轧为研究对象使用先进的控制策略，力争做到控制算法上的理论和实际相结合，使其能在1700精轧机组上有所应用。厚度控制的好坏主要决定于精轧机组的控制，而影响精轧机组厚度控制的一个主要因素就是末机架与监控仪之间有一段距离，所以存在纯滞后时间[1]。含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间，因此纯滞后对象也成为很难控制的问题。由于纯滞后过程是一类复杂的过程所以它的控制问题一直是困扰着自动控制和计算机应用领域的一大难题。因此,对滞后工业过程方法和机理的研究一直受到专家学者普遍的重视。
近年来,工业生产对钢板的需求量越来越大,对钢板成品质量的要求也越来越高,而厚度偏差是保证热轧钢板板带最重要的尺寸精度指标之一。热轧带钢厚度精度一直是提高产品质量的主要目标。模拟AGC系统在计算控制应用之前已经开始发展，而冶金工业第一套计算机控制系统（1960年）即用于热连轧机组的厚度设定。热连轧过程的控制是一个国家自动化水平的体现，控制好一条现代化的高精度连轧生产线的难度，决不亚于控制一颗人造卫星的发射和运行控制。
1.2课题特点及技术路线
厚度是板带钢最主要的质量指标之一，带钢纵向厚度不均是影响产品质量的一大障碍。因此，热连轧机的一项重要课题就是带钢厚度的自动控制（Automatic Gauge Control），简称AGC。
带钢热连轧过程的一个显著特点是“机械、电气、液压控制系统和轧件间的紧密联系，形成一个复杂的综合系统[2]”。由于实际轧制过程的复杂性、控制对象的非线性、时变性，单纯的AGC控制系统都不能取得较好的控制效果。针对原有压力AGC比例控制的不足，在实际应用中采用PI控制策略[1]，并将纯滞后系统的Smith预估控制算法应用到厚规格成品轧制中，大大改善了系统的动态响应特性。
正因如此本文采用史密斯（Smith）预估补偿器与AGC的结合即Smith-AGC控制系统。应用此系统来解决带钢热连轧中对板厚度规格的补偿控制。预先估计被控系统过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，
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从而可以明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质，应用Simth-AGC系统可以更好地控制厚规格轧制的出口厚度。
本文主要是介绍了Smith预估器具体在自动厚度控制系统（AGC）中的应用，同时也介绍了AGC系统的各部分功能与控制。只有各部分AGC系统（反馈AGC，监控AGC等）很好的配合控制才能形成一个很合理的控制系统。
轧制技术发展需要强有力的技术支持，既要有充分的理论研究，又需要丰富的实践经验。经过多年发展，热连轧自动化水平已经达到很高的水平。但目前控制水平已经到了一个转折点，即基于传统控制理论的控制效果已近极限，而所面临的一些关键问题并未得到彻底的解决，因此迫切需要引入新的控制理论和方法以实现控制性能的跨越式进步。
本课题的研究，吸收、借鉴了近年来国内外在PID控制，Smith预估控制，AGC控制及对如何获得精确的数学模型等方面的最新发展和技术动向，以大量现场实测数据为依据，以Smith-AGC系统为研究中心，对实际生产过程进行全面彻底深入研究，并力争把先进的控制方法应用到板带热轧生产中去，做到理论与实际相结合。
面对我国板带轧制领域蓬勃的发展势头,本文的研究希望可以对我国板带轧制理论的研究与发展起到积极的促进作用。
1.3课题研究意义
板厚是热轧板带质量的主要衡量指标之一，它直接关系到产品的质量和经济效益。厚度自动控制是提高带钢质量的重要方法之一，其目的是获得带钢纵向厚度的均匀性。目前，厚度自动控制系统已成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分，它主要取决于精轧机组。现代热连轧精轧机组都装备有自动厚度控制系统，它用来克服带钢工艺参数波动对厚差的影响并对轧机参数的变动给予补偿[2]。长期以来AGC系统以反馈GM-AGC+MN-AGC为主体。对厚度控制采用“基于出口厚度偏差反馈闭环控制”的方法，缺乏对厚度偏差产生原因分析，针对不同原因采用不同措施的控制策略。影响带钢厚差的主要因素有三个：来料硬度波动(主要来自温度的波动)、来料厚度波动(来自粗轧区)和轧辊偏心，理论与实践都证明来料硬度波动是影响厚差的主要原因。
90年代以来，各新建及改建的热轧厂厚度控制精度及其百分比都有明显提高。随着用户要求的日益提高，常规的AGC系统已不能满足用户的要求，其控制系统的缺点不可忽略并成为进一步提高产品质量的关键。
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从厚度控制原理的角度看，目前大都采用前馈、反馈、监控AGC等几种控制方法。本文主要是研究自动厚度的控制，即采用先进的控制技术与算法弥补常规AGC系统的不足（时间滞后环节），力求达到最优控制。控制的好与坏，直接关系到产品的质量（厚度精度）和生产的稳定性。因此，本课题的研究与实现具有重要的理论意义和实际意义。
1.4国内外研究现状
随着钢铁行业的竞争日益激烈,高质量、高产量、高成材率、低成本已经成为现代钢铁企业得以生存的必备条件。这就要求企业采用先进工艺、先进设备、先进的控制策略来完善控制系统。热连轧带钢精度一直是提高产品质量的主要目标。正因如此，厚度设定模型及自动厚度控制（AGC）曾是热连轧带钢自动化首先实现的功能，减少头尾不考核长度是当前努力的方向[3] （一般是不考虑头10m和尾10m）.
20世纪50年代，由史密斯（Smith）和雷斯威克（Reswick）先后提出了以补偿原理构成的系统方案。不过这种补偿原理与前馈是不同的，它是按照过程的特性，设想出一种模型加到反馈控制中，以补偿过程的动态特性。换言之，就是从补偿厚度的等效对象模型中消除其纯滞后特性。因而控制质量可以得到很大的提高。Reswick提出的补偿控制方案，甚至当过程特性参数?/T=1.2时，其控制效果仍能令人满意。但其基本原理与Smith预估补偿原理相似。本文只讨论Smith预估的研究，希望可以通过其优越的控制性来补偿带钢热轧过程中的纯滞后，使系统更优越、完善。但研究表明Smith预估的前提使要获得很精确的数学模型才能起到很好的控制作用。一般当过程参数变化10%～15%时，Smith预估补偿就失去了其良好的控制效果。因此，虽在理论上证明了Smith预估补偿的良好补偿功能，但在工程上仍存在着一定的局限性。为此，很多科学工作者先后提出了一些改进方案。