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36液压与气动2008年第12期Smith预估控制在冷带轧机液压AGC前馈-反馈控制系统中的应用王益群,孙孟辉,张伟,刘建,孙福ApplicationonSmithPredictiveControlofFeedforward-feedbackControlSysteminHydraulicAGCofColdRollingMillWANGY-iqun,SUNMeng-hui,ZHANGWei,LIUJian,SUNFu(燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004)摘要:作为消除成品厚差的重要手段,液压AGC前馈-反馈控制系统对于提高板带材的成品精度起着至关重要的作用,但是采用机架后测厚仪进行反馈滞后大,系统稳定性变差,导致控制精度降低。因此,引入Smith预估控制与前馈-反馈控制系统相结合的办法来进行控制,并以某四辊可逆冷带轧机为对象进行仿真研究,取得了良好的效果,系统的控制精度和稳定性都有所提高。关键词:液压AGC;Smith预估控制;滞后;前馈-反馈控制系统中图分类号:TH137;TP278文献标识码:B文章编号:1000-4858(2007)12-0036-040引言液压AGC(AutomaticGaugeControl,板厚自动控制)前馈-反馈控制系统是消除成品厚差的重要控制手段,其采用前馈与反馈相结合的方法,可以弥补前馈AGC的不足。但是由于用机架后测厚仪进行反馈,滞后十分大,使系统不稳定[1]。本文运用液压AGC前图1液压AGC前馈-反馈控制系统图馈-反馈控制系统与Smith预估控制结合的方法式中:Kp为PID调节器比例系数;Ki为PID调节器(Smith-FFC-FBC系统),进行计算机仿真研究,得到了积分时间常数;Kd为PID调节器微分时间常数。良好的控制效果。压下闭环控制器采用PID调节器,其传递函数1液压AGC前馈-反馈控制系统的数学模型为:冷带轧机液压AGC前馈-反馈控制系统主要由1Gc(s)=Kp(1+Ki+Kds)(2)PID控制器、电液伺服阀、液压缸、轧机负载、测厚仪等s元件构成[2]。该控制系统采用厚度外环,在机架前后式中:Kp为PI调节器比例系数;Ki为PID调节器各设两台测厚仪,分别测得机架入口和出口压力,用于积分时间常数;Kd为PID调节器微分时间常数。前馈和反馈控制。内环为压下闭环,有位置内环和压位移传感器采用性能稳定、精度较高的索尼磁尺,力内环两种方式。这样,系统可以采用厚度外环位置可视为惯性环节:内环方式,也可采用厚度外环压力内环方式。外环采KsWs(s)=(3)1+Ts用厚度闭环控制器,内环采用压下闭环控制器。系统方块图如图1所示。收稿日期:2007-05-13厚度外环控制器采用PID调节器,其传递函数基金项目:国家自然基金资助项目(60474044)为:作者简介:王益群(1938),男,安徽萧县人,教授,主要从事1Gc(s)=Kp(1+Ki+Kds)(1)电液伺服、轧机板形板厚控制技术方面的研究。s 2007年第12期液压与气动37式中:Ts为位移反馈系数;Ts为位移传感器的时间常2Smith预估控制数。在工业生产过程中,许多系统存在相当大的时间压力传感器也可视为惯性环节:滞后,使控制信号的作用在延迟以后才能反映到被调Kf量上,控制器也不能立即对干扰产生抑制作用,以致目Wf(s)=(4)1+Tf前广泛应用的PID反馈调节都难以适应这样的对式中:Tf为压力反馈系数;Tf为位移传感器的时间常象[4]。这是因为调节器的校正作用在广义对象纯滞数。后时间内对被调节量没有丝毫影响,扰动作用下被调可将位移传感器和压力传感器的传递函数统写为:节量的偏差长时间得不到校正。前馈调节由于按照扰Kfs动量进行及时调节,故对于对象滞后的情况有效。但Wfs(s)=(5)1+Tfs当对象调节通道的纯滞后时间远大于扰动通道纯滞后式中:Kfs为反馈系数;Kfs为传感器的时间常数。时间时,将会给前馈补偿器的实现带来问题。而在实测厚仪传递函数:现动态前馈调节,当存在大滞后时,为获得良好的调节Kv品质,只能在反馈网络中解决。Wv(s)=(6)1+Tvs1959年,SmithO.J.提出了用Smith预估器来式中:Tv测厚仪反馈系数;Tv测厚仪传感器的时间常控制含有纯滞后环节的控制对象,以此来消除控制通数。道纯滞后的影响[5]。当液压执行机构的固有频率h低于50Hz时,伺前馈-反馈(FFC-FBC)控制系统如图3所示[6]。服阀阀芯位移和输入电流的关系可用惯性环节表示:xvKsv=(7)Ics1+sv式中:Ksv阀芯位移对输入电流的放大系数;sv伺服阀固有频率。液压缸的传递函数为:Kc图3FFC-FBC系统方框图Wp(s)=(8)Vt系统的输出信号和扰动信号之间的传递函数为:Ctcs+eY(s)1=[G4(s)+G2(s)G3(s)]式中:Kc增益系数,Ctc液压缸总泄漏系数,Vt液压缸D(s)1+G1(s)G2(s)控制腔容积,e油液等效容积模量。(10)[3]将辊系传递函数近似为二阶环节:式中:G1(s)为PID控制器传递函数;G2(s)为被控过1程控制通道传递函数;G3(s)为前馈补偿器传递函数;Gh(s)=2(9)msG4(s)为被控过程扰动通道传递函数。式中:m为上支撑辊和上工作辊等效总质量。根据全补偿条件,可得:根据上述液压AGC前馈-反馈控制系统的主要元G4(s)件的数学模型,其仿真模型如图2所示。G3(s)=G(11)2(s)图2液压AGC前馈-反馈控制系统方框图 38液压与气动2008年第12期图5加Smith预估控制的液压AGC前馈-反馈控制系统方框图考虑时间滞后,则:*G4(s)-(-)sG3(s)=-*e24(12)G2(s)**式中:G2(s),G4(s)为不含纯滞后时间的控制通道数学模型与扰动通道数学模型,2和4分别为控制通道数学模型与扰动通道数学模型的纯滞后时间。当24时,由于对被控量产生影响后,控制作图4Smith-FFC-FBC系统方框图用还要经过很长时间才能起作用,所以FFC-FBC系统的控制品质会变得很差;而且由于系统的特征方程中厚仪所得到的信号有一定的时间滞后,k时刻检测*-s-s1+G1(s)G2(s)e2=0存在有纯滞后ez项,会影到的信号,是k-时刻控制参量作用的结果。大滞响系统的稳定性[7]。后使系统的稳定性变差,同时还会使系统的超调量增鉴于上述情况,可在前馈-反馈控制系统的反馈回大,过渡过程特性变差,从而影响成品带钢的精度。路内部增设一个Smith补偿回路,如图4所示。用为了克服测厚仪信号的大滞后,采用本文所述方法,Smith预估控制作用,消除控制通道纯滞后的影响,使引入Smith预估控制,可提高控制精度和系统的稳定性,系统稳定可控。此时式(10)为:其中Smith预估器Gk(s)按式(14)来取,如图5所示。Y(s)以某四辊可逆冷带轧机为对象,进行仿真研究。=[G4(s)+G2(s)G3(s)][1+G1(s)Gk(s)]D(s)仿真时,在测厚仪反馈时加入延迟环节,以模拟实际轧1制过程中的滞后环节,采用常规PID控制时的系统同(13)1+G1(s)[G2(s)+Gk(s)]响应曲线和采用Smith预估控制时的系统响应曲线如该系统FFC前馈控制能实现静态全补偿,动态部图6所示。分补偿。而系统的稳定性主要取决于系统的特征方程1+G1(s)[G2(s)+Gk(s)]=0。令:*-sGk(s)=G2(s)(1-e2)(14)则系统特征方程可写为:*-s*-s1+G1(s)[G2(s)(1-e2)+G2(s)e2)]=0(15)整理得:1+G1(s)G*图6加与不加Smith预估控制的系统仿真曲线2(s)=0(16)-s式(16)中不再包含有e2,系统的稳定性得到提高,从图6中可以看出,进行Smith预估控制后,系统并且易控。的稳定性和控制精度都有所提高。3Smith预估控制在液压AGC中的应用4结论在冷带轧机中,采用机架后测厚仪反馈,滞后十分冷带轧机板厚自动控制(液压AGC)系统采用大,特别是低速轧制时从变形区出口运行到测厚仪往Smith预估控制的方法,可以有效的改善因板厚检测往要几百毫秒,大滞后的反馈容易使系统不稳定。这滞后而带来的问题,使得系统的稳定性提高、动态品质主要是因为轧机出口侧与测厚仪有一段距离,因此测得到改善。 2007年第12期液压与气动39900t提梁机液压行走系统原理分析及其功率匹配赵静一,孙炳玉,李鹏飞PrincipleAnalysisandPowerMatchofHydraulicTravellingSystemof900tGirderMachineZHAOJing-yi,SUNBing-yu,LIPeng-fei(燕山大学机械工程学院流体传动与控制研究所,河北秦皇岛066004)摘要:分析了900t提梁机液压行走系统的工作原理,阐明了闭式液压系统应用于车辆行走系统中存在的问题,提出相应问题的解决方法,并提出了闭式液压系统中功率匹配方案。关键词:液压行走;闭式液压系统;差速;防滑;功率匹配中图分类号:TH137文献标识码:B文章编号:1000-4858(2007)12-0039-030引言过马达将液压能变为机械能输出,油液经过马达后温度液压传动因其具有良好的无极调速和灵活布局的升高,一部分发热的油液经过冲洗阀流回油箱,同时补特点,并且可以进行多种多样的调节和控制,特别是与油泵补充泄漏及经冲洗阀排除的流量。而单向溢流阀控制器及传感器电子技术相结合,促进了工程机械的旁的单向阀可以保证向回路的低压侧补油。电比例换智能化,节能化,液压传动正在越来越广泛应用于工程向阀可以控制泵的排量,使其根据输入的电信号按比例机械中。900t轮胎式提梁机采用行走液压控制系统变化,在不改变发动机转速的情况下改变泵的输出流量,满足设计要求,并具有良好的操作性能。从而改变车速;通过使不同电磁铁通电,柱塞泵的斜盘1工作原理可以平稳地转过中位,达到油液流动方向改变,即车辆900t提梁机液压行走系统相对其他部分的开式系行驶方向改变的目的。马达中的电比例换向阀可以改统而言结构简单,现以单泵双马达系统为例进行说明。变马达的排量,从而改变马达输出的最大扭矩。如图1所示,该系统整体而言由4部分组成:比例换向阀、2行走系统存在的问题及解决方法变量柱塞泵、单向溢流阀、补油溢流阀、压力切断阀及补2.1防滑油泵的电比例变量泵、补油过滤器和并联的两台变量液当车辆驱动轮行经光滑路面时,可能出现打滑,如压马达(包含冲洗阀、比例换向阀和变量柱塞马达)。该系统由单台变量柱塞泵为并联的两台变量马达收稿日期:2007-05-13供油,变量马达通过减速机将扭矩传递给驱动轮,完成作者简介:赵静一(1957),男,河北定州人,教授,博士,主行走运动。发动机驱动变量柱塞泵输出高压油,油液通要从事液压技术的科研与教学工作。参考文献:工程,2003,14(20):1770-1773.[1]孙一康.带钢冷连轧机计算机控制[M].北京:冶金工业[4]RomanGorecki,JanJeckielek.Simplifyingcontrollerfor出版社,2002.processcontrolsystemwithlargedeadtime[J].ISATrans-[2]ZhangWei,SunMenghui,WangYiqun.Researchofauto-action,1999,38:37-42.maticgaugecontrolmodelinhydraulicscrew-downsystemof[5]吕勇哉,等.前馈调节[M].北京:化学工业出版社,1980.stripmill[R].HangzhouinChina:ProceedingsoftheSixth[6]吴春富,等.一种改进型Smith预估控制控制方案[J].InternationalConferenceonFluidPowerTransmissionand山东交通学院学报,2004,12(2):61-63.Control,2005,4:717-721.[7]彭宇宁.前馈-反馈控制系统的Smith预估控制探讨[J].[3]王益群,等.虚拟冷连轧机数字仿真研究[J].中国机械广西大学学报(自然科学版),1997,22(2):164-166.
