一种简单自适应算法在机架冷连轧机张力控制系统中的应用

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1、一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用电气传动2006年第36卷第9期一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用张智密王京安世奇1.北京科技大学高效轧制国家工程研究中心2.内蒙古科技大学摘要:河北中钢5机架全连续冷连轧机组是我国自主研制开发的全连续冷连轧生产线,并且成功应用TDC作为主要控制器.针对该生产线机架间张力控制所采用的一种简单自适应控制算法进行了相应的仿真研究和实际应用.仿真结果表明,该控制器与传统的PI控制器相比,显着提高了系统的动态响应性能,系统输出能够很好地跟踪参考模型的输出,具有较好的鲁棒性.该

2、算法在河北中钢12505机架冷连轧机的张力控制系统中得到了成功应用.关键词:简单自适应控制冷连轧机张力控制TDCApplicationofAlgorithmofSimpleAdaptiveControlontheTensionControlSystemofFive-standColdTandemRollingMillZhangZhimiWangJingAnShiqiAbstract:Five-standcontinuoustandemcoldrollingmillforHeBeiZhongGangSteelisthefirstdomesticproductlineofcoldstrip,whi

3、chisresearchedanddevelopedindependently,andusetheSIMATICTDCSUCcessfullyasthemaincontrollerforthefirsttime.Inthispaper,onealgorithmofsimpleadaptivecontrolissimulatedandputintopracticeforthetensioncontrolbetweenthestandsinthisline.Thesimulatingresultindicates,comparingwithcommonPIcontroller,itsdynamic

4、responseperformanceofsystemisadvancedobservablyandtheoutputcantracewelltheoutputofreferencedmodel,takingongoodrobustness.Thenithasbeenputintopracticeandrunsuccessfullyfortensioncontrolsystemintheplantoffive-standcoldrollingmillforHeBeiZhongGangStee1.Keywords:simpleadaptivecontroltandemcoldrollingmil

5、ltensioncontroltechnologydrivercontrol一1er(TDC)1引言河北中钢5机架全连续冷连轧机组是我国在消化吸收国外相关先进技术基础上自主研制开发的全连续冷连轧生产线.其设计生产能力为4O万t,成品规格范围为厚0.32.0mm,宽6001020mm.基础自动化级采用了两台SIMATICS7400可编程控制器和一台高性能控制器SI-MATICTDC.其中TDC主要用于完成需要快速响应的功能,如压下控制,厚度控制,张力控制和速度控制等,响应时间可以达到24ms;PLC主要用于顺序控制和其它一些速度要求不高的控制.大张力轧制是冷连轧的一个特点,张力控制32是冷连轧自

6、动控制的关键.本文针对该生产线机架间张力所采用的一种简单自适应控制进行了阐述.PID控制器以其原理简单,使用方便,鲁棒性强等优越性在工业控制领域中得到了广泛应用.由于PID控制器的3个参数对系统的性能相互影响,虽然有了一些经典的整定方法可供参照,但是PID控制器参数的整定仍然是一件困难的工作.简单自适应控制(SAC)是一种对理想参考模型性能进行跟踪且结构简单的控制算法.本文研究的改进自适应控制算法结构简单,控制规律计算容易,并能适应被控对象的环境变化.通过调整控制器参数,可获得良好的控制效果.仿真一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用电气传动2006年第36卷第9期和实际结果均

7、表明,该方法能够使系统较好地跟踪参考模型的输出,鲁棒性好,具有一定的实用价值.2改进的简单自适应PI控制算法2.1常规PI控制连续系统的PI控制算法为ftUKpP()+K.IP(r)dr(1)J0离散系统的PI控制算法为up.d(是)一Kp(是)e(是)+K.(是)e.(是)一K(矗)E(是)(2)其中e.(是)一P(是)(3)e.(是)一ei(是一1)+e(是)(4)Pr-Y.(5)式中,K.,Ki分别为控制器的可调参数,它们的整定是一个重要的环节,直接影响到系统的性能.2.2改进的简单自适应PI控制改进的简单自适应控制系统框图如图1所示.其设计思想是使被控对象跟踪事先设计好的理想参考模型的

8、性能,改善了传统PI适应律的简单自适应控制算法存在的对被控对象要求过严和控制律计算困难等缺陷,而且不要求被控对象与理想参考模型具有相同的结构和参数,因此通常将理想参考模型设计成阶次较低的线性模型.控制增益是根据跟踪误差和参考模型的过程量,由一定的自适应律进行在线调节.图1改进的简单自适应控制系统框图在线性离散时间系统中,设被控对象的输入输出模型描述为fzp(是+1)一Apzp(是)+Bpp(,IYp(是)一Cz(是)式中:Y为m维输出向量;为m维输入向量;A和B为具有相应维数的定常矩阵.根据被控对象的正实性要求,引入了由D.组成的并联前馈补偿环节,D.为定常非奇异前馈矩阵.由于控制律的计算要用

9、到参考模型的内部状态,所以参考模型由如下状态方程和输出方程描述m(是+)一Amx.m(k)+Bmm(矗(7)1Y(是)一Cz(是)式中:z为m维参考模型状态向量;Y为m维参考模型输出向量;u为m维参考模型输入向量;A,B,C为具有相应维数的定常矩阵.定义输出跟踪误差为e(是)一Y(是)Y(是)(8)控制目的是使被控对象输出Y.(是)跟踪参考模型的输出Y(是),即lime(矗)一0(9)+.控制律的计算式为.(是)一K(是)e(是)-t-K(五)z(矗)+K(是)U(是)一K(是)rT(正)(10)其中K(是)一K(是)K(是)K(是)(11)rT()一P()zT()T()(12)e(是)一e(

10、是)一D.(是)(13)若该算法采用PI型控制律,则K(是)一KP(是)+KI(是)(14)KP(正)一e()rT(是)TpTpTpT>0(15)KI(是)一KI(是一1)+e(正)rT(是)TITIT>0(16)式中,r(是)为误差向量,K(是)为比例积分系数,K(是)为比例项,K(是)为积分项,可通过T.,T.,D调整.可见,简单自适应的PI控制律与常规的PI控制律本质是一样的.该控制算法是收敛的,其计算步骤如下:1)选定参考模型(Am,B,)和参考输入U;给定控制器参数及其初值丁p,D和K(0),K(0),K(0);置k一1;2)对被控对象采样得Y.(是);3)由式(8)计算

11、输出误差e(是);由式(13)计算输出误差e(是);4)组成向量r(k),并由式(14)式(16)分另0计算K(是),KI(是),K(是);5)由式(10)计算U(k),并输出给被控对象进行控制;6)k一是+1,返回到1).33电气传动2006年第36卷第9期一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用3仿真研究按上面的系统结构,首先选取被控对象式(17)进行仿真研究,G(s)一17)选择参考模型.参考模型的性能指标代表了被控对象所期望的性能指标,给出所选参考模型的超调量和峰值时间就可计算出参考模型的传递函数.超调量为10,峰值时间为0.08S,2误差带,调整时间t.一0.123S.

12、则参考模型的传递函数为G)一(18)采样周期T一0.001S,变为离散参考模型为G一z1.4Zz十U.44l转换到状态方程形式,得到A一1.948,一0.472,2.0,0B一Eo.0313,0C一Eo.0372,0.0182以式(17)为被控对象进行仿真.为了考察简单自适应控制对被控对象参数变化的适应情况,在0.6S时被控对象加以幅值为1的扰动,采样周期T一0.001S,简单自适应的控制参数U一1,T.一10J,T.一10J,D.一8O.常规PI控制中,应用ZN方法整定控制器参数,k.一2.8125;k.一17.578.仿真结果见图2.11O厂,一常规PI输出l/出图2被控对象外加扰动时的仿

13、真结果从图2可以看出,简单自适应控制的控制输出能很好地跟随参考模型的输出,超调量和调节时间都小于PI控制,总体控制效果也好于PI控制.且简单自适应与常规PI比较,能够较快地克服扰动,使输出重新回到给定值.仿真证明,干扰越大,自适应的鲁棒性越好.这是因为自适应算法中控制增益由跟踪误差和参考模型的过程量所确定,而常规PI控制增益仅考虑了跟踪误差.可见,简单自适应控制的输出总是跟随参考模型的34输出,只要选择好参考模型,简单自适应控制的输出就会得到较好的效果:具有较强的适应能力,具有一定抗干扰性,鲁棒性较好.4应用实例冷连轧机架间张力控制一般采用速度调整张力和辊缝调整张力两种方式.本文以第一机架为控

14、制对象,将离散时间的简单自适应控制算法应用在12机架间的速度调整张力系统中,即12架张力有偏差,2架速度不变,调1架速度.设张力与速度差之间的传递函数为二阶,其模型描述为Y(是)一一n1y(k1)一.2y(k一2)+bU(k一1)+bU(是一2)(20)首先用现场采的数据y(k)(是时刻12机架间张力),U(是一1)(是一1时刻12机架轧辊线速度差),用最小二乘法建模,辨识得到参数n一一0.9839,n2=0.0140,b10.0006,b20.0050.分别采用常规PI控制和简单自适应控制对以上对象进行仿真,采样周期T一0.001S,简单自适应控制算法中,选用的参考模型为式(19),U一1,

15、T一10J,T.一10J,D一8O.0.U(k)输出控制1机架的轧辊线速度.常规PI控制中仍用zN方法整定控制器参数,k.一9.079;k.一69.8377.两种算法的仿真结果见图3.参考模型输出/<常PI输出l,简单自适应输n图3简单自适应控制与常规PI控制仿真结果比较从仿真结果可以看出,简单自适应控制能很好地跟踪模型输出,而PI控制却较慢地跟踪设定值.采用简单自适应控制对1,2机架间张力进行控制,能够得到比较稳定的控制效果.采用C语言编制简单自适应控制的程序,编译生成TDC能够识别的控制模块,将它嵌入到TDC中,张力给定值U=1.先经过多次的模拟运行调试,不断调整控制器的参数T.,T

16、,D.,当T=10J,T.一10J,D=8O.0时,1,2机架间的张力最接近给定值.由于自适应控制增益的初一种简单自适应算法在5机架冷连轧机张力控制系统中的应用电气传动2006年第36卷第9期值K(0)均随意选定为零,可先通过仿真或对实际被控对象控制一段时间后,将取得的K(是)的稳定值作为实际控制的自适应控制增益的初值.根据实际运行结果画出历史曲线,每秒钟纪录一个数据,纪录了1h共3600组数据,其中简单自适应控制在第2600采样点时开始投入,投入了约18rain,第3600采样点时撤出,现场运行结果见.图4.图4现场运行结果从图4可以看出,简单自适应控制未投入时,张力波动大,简单自适应控制投

17、入后,抑制了张力的波动,而简单自适应控制撤出后,张力又产生了较大的波动.简单自适应控制未投入时,1,2机架间张力的最大误差达到0.96t,最大相对误差达到3.97,方差为0.2277,张力波动较大.简单自适应控制投入时,1,2机架间张力的最大误差0.38t,最大相对误差1.62,方差为0.0194,张力波动较小.因此,简单自适应控制可以对1,2机架间的张力进行稳定控制,且能满足生产现场的要求.图5是简单自适应控制投入时的控制系统现场运行结果.奏?40;2300硬福百丽修改稿日期:20060428西门子向中国科学院捐赠价值100万人民币的先进实验设备西门子自动化与驱动集团进一步推动中国工业自动化

18、人才培养和学科发展2006年8月8日,西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团与中国科学院举行了设备捐赠协议签字仪式.根据协议,西门子自动化与驱动集团向中国科学院自动化研究所自动化系统工程师资格认证(ASEA)技能测试中心捐赠价值人民币100万元的先进实验设备.西门子再次以实际行动证明了其为推动国内自动化人才培养和学科发展所付出的不懈努力.中科院自动化研究所成立于1956年.是我国最早成立的国立自动化研究机构.代表着国内一流的自动化学术水平.ASEA项目由中国自动化学会提出.目标在于彻底改变以往工程师认证制度的模式.建立社会化的工程技术人员认证体系.从而使得认证制度成为工程技术人员不断进行再教育

19、.理论及技术更新的有效手段.目前已建立了包括过程控制.运动控制和数字仿真等多套实验装置在内的综合实验室此次捐赠充实了ASEA中心的培训和测试能力,有助于大力推动中国自动化技术人才水平的全面提升,也进一步加深和巩固了西门子与中科院的合作关系.ASEA项目提出后.西门子自动化与驱动集团积极响应,并于2005年9月向参与了中国自动化系统工程师项目(ASEA)的lO所全国重点大学捐助了超过l000万元人民币的设备.同时通过提供技术培训和文档方面的支持.帮助自动化系统工程师认证测试中心全面系统地发展.ASEA技能测试中心正在成长为国内自动化系统工程师培训的重要基地之一作为在中国最大的外国投资者之一.西门子长期以来一直积极致力于在中国履行优秀企业公民的承诺,并得到了社会的广泛认可,在2004年和2005年连续两次荣获企业光明公益奖.并获得由2l世纪经济报道主办的首届2005中国最佳企业公民奖西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团供稿35