一种热连轧薄带板形板厚控制系统多时标模型与稳定控制方法，属于钢铁冶金控制技术领域。针对热连轧薄或超薄带钢板形板厚综合控制系统，提出多时标建模与稳定性分析方法，解决现有理论与方法较难获得高控制性能的问题。多时标建模采用奇异摄动技术，将系统状态变量分解为慢、快两类，建立热连轧薄或超薄带钢板形板厚控制系统的离散时间线性奇异摄动模型。基于此模型，设计慢状态反馈与输出积分器组合控制器，并采用线性矩阵不等式方法推导出了求解控制器增益的定理，并通过仿真验证说明了该方法的有效性。优点在于，无需对板形板厚进行解耦，且能够较准确的表征被控系统的动力学，实现板形板厚的高精度控制性能指标，仿真结果表明了该方法的有效性。
【技术实现步骤摘要】
热连轧薄带板形板厚控制系统多时标模型与稳定控制方法
本专利技术属于钢铁冶金控制
，特别是涉及一种热连轧薄带板形板厚控制系统多时标建模与稳定分析方法。特别适用于热连轧薄板、尤其是超薄板的板形板厚控制，也可用于冷轧情形和其他复杂系统的建模与控制。
技术介绍
热连轧薄或超薄带钢不仅可作为冷轧原料而且还可以不经过冷轧直接应用于汽车、船舶、电器柜与集装箱等。目前国外热薄带代替冷带的比例约20％-40％，如美国占30％-40％、欧洲约27％、墨西哥约25％，且具有与日俱增的趋势，但薄带厚度规格主要集中于1.0-1.5mm，很少有低于1.0mm以下的产品。国内则远低于国外，而且薄板热连轧技术主要引自国外，尚未发现具有自主知识产权的薄带热连轧技术。目前国内发展较快的“以热代冷”产品是酸洗板，即采用酸洗机组去除热轧薄板的氧化层，并对其切边、精整、冷弯成型及冲压，成为部分冷轧板的代替品。热连轧薄或超薄带钢的表面质量、尺寸精度、板形板厚的控制精度要求远高于中厚板，而且板带越宽、越薄，其板形板厚控制难度越大。目前板形板厚控制普遍采用独立设计控制器并通过补偿算法实现板形、板厚间的耦合，如板厚控制主要有压力自动厚度控制(AutomaticGaugeControl，简记)、张力AGC、秒流量AGC、前馈AGC、反馈AGC、油膜厚度补偿AGC、动态设定型AGC以及软测量AGC等；板形控制主要通过轧机硬件结构、辊缝调节、辊系变形理论、检测技术以及控制模型与算法等几个方面的提升来解决，然而上述方法较难获得较高的控制精度，于是板形板厚综合控制问题成为国内外研究热点，但目前仍然存在板形、板厚解耦不彻底、对被控系统的假设较多等缺点而无法推广应用，迫切需要新理论与方法的提出。分析薄或超薄热连轧过程的动力学特性，不难发现其板形板厚控制系统是个具有非线性和多时标并存特性的复杂系统，而现存控制方法均未考虑多时标特性，所获模型只能表征慢时标特性，故较难满足高精度控制性能要求。“多时标建模”是一种解决系统状态变量呈现慢、快时标特性复杂系统的高精度控制问题的建模方法，现已被广泛研究并应用于复杂航天器、柔性机械臂、电力系统以及复杂电子电路的建模与控制中，并得到了非常高的控制精度。2011年法国学者尝试将此方法应用于热轧板带跑偏控制问题，但未涉及板形板厚问题。鉴于上述问题，本专利技术提出热连轧薄或超薄带钢板形板厚多时标建模与稳定性分析方法，在统一模型框架下，实现带钢板形板厚的综合控制方面做出了实质性的突破。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供热连轧薄带板形板厚控制系统多时标模型与稳定控制方法，解决了薄或超薄板带热连轧过程中，现有控制方法无法满足带钢产品板形、板厚高精度控制指标要求的问题。本专利技术的技术方案是：针对热连轧薄或超薄带钢板形板厚综合控制系统，提出多时标建模与稳定性分析方法，解决现有理论与方法较难获得高控制性能的问题。多时标建模采用奇异摄动技术，将系统状态变量分解为慢、快两类，建立热连轧薄或超薄带钢板形板厚控制系统的离散时间线性奇异摄动模型。基于此模型，设计慢状态反馈与输出积分器组合控制器，并采用线性矩阵不等式方法推导出了求解控制器增益的定理，并通过仿真验证说明了该方法的有效性。具体包括以下步骤：步骤1.热连轧薄或超薄带钢板形板厚多时标模型建立。根据热连轧板形板厚控制系统的动力学特性，在统一模型框架下考虑板形板厚综合控制问题，建立第i+1机架板形板厚控制系统的连续时间线性奇异摄动模型，并采用合适的采样时间将其离散化，获得离散时间线性奇异摄动模型。建模过程中，将系统的状态变量分解为慢、快两种变量，即将变化慢且能够直接测量的变量作为慢变量，将变化快或不能直接测量的变量作为快变量，具体模型如下：Eεx(k+1)＝(Ad+ΔAd)x(k)+Bd(v(k)-u(k))y(k)＝Cx(k)(1)其中，为奇异摄动系数矩阵，I7×7和I3×3表示n行n列单位矩阵，ε为奇异摄动参数，为状态变量，其中为快状态变量，xs(k)＝[hi+1CRi+1Qi+1ii+1Si+1Pi+1Fi+1]T为慢状态变量，hi+1为带钢厚度，CRi+1为带钢凸度，Qi+1伺服阀流量，ii+1伺服阀输出电流，Si+1为辊缝值，Pi+1轧制力，Fi+1弯辊力，参考输入v(k)＝[ii+1，setSi+1，setPi+1，setFi+1，set]T，ii+1，set伺服阀输出电流设定值，Si+1，set为辊缝设定值，Pi+1，set轧制力设定值，Fi+1，set弯辊力设定值，控制输入u(k)∈R4，系统输出y(k)∈R2，ΔAd描述合适维数的不确定性矩阵，C＝[I2×202×8]，0n×m为n行m列零矩阵，Cp轧机工作辊纵向刚度，Cf轧机弯辊横向刚度，Ts辊缝等效时间常数，Tp轧制力等效时间常数，Tf弯辊力等效时间常数，Ts辊缝等效时间常数，ωv电液伺服阀固有频率，m转化到柱塞上的折算质量，ωr惯性环节角频率，ωh二阶振荡环节角频率，ξv伺服阀阻尼比，As活塞有效面积，Kv电液伺服阀流量增益，Kcl伺服阀的流量压力系数，ξh油缸阻尼系数，Kl负载弹簧刚度，步骤2、热连轧板形板厚离散线性奇异摄动模型的稳定性分析:设计慢状态反馈与输出积分组合控制器，对模型(1)进行稳定性分析，验证其准确性。考虑如下慢状态变量与输出积分组合的鲁棒控制律其中，控制器增益结构分别为Θ＝[Θ1104×3]，Θ∈R4×7，Λ∈R4×2。下面采用Lyapunov稳定性分析原理和线性矩阵不等式方法，推导出使系统渐进稳定的充分条件定理，并通过此定理求解出控制器(2)的增益。定理1对于任意常数δ(0＜δ≤1)，如果存在对称正定矩阵(S11∈R7×7，S22∈R3×3均为对称正定矩阵)、L∈R2×2，矩阵G＝[G1104×3](G11∈R4×7)，和Ω∈R4×4，满足如下线性矩阵不等式那么存在ε*＞0，对于任意控制器(2)使得被控系统(1)渐进稳定，且通过求解式(4)和(5)获得控制器增益。Λ＝ΩL-1(5)步骤3.将所得控制器Matlab代码传化为C语言代码，植入板形板厚控制系统，实现热连轧板形板厚系统的稳定控制。本专利技术的优点：1)、在国内外，首次将多时标建模与稳定性分析方法引入热连轧控制领域，通过研究热连轧薄或超薄带多时标建模与稳定性分析问题，实现热连轧薄带板形板厚高精度控制指标。2)、该方法有效克服系统参数间的耦合和外干扰，减小稳态误差，达到高精度稳定控制目标。3)、有别于现存的热连轧板形板厚分块儿控制方法，本专利技术基于谱范数的稳定性分析策略，采用线性矩阵不等式方法，得到系统渐进稳定的充分条件。4)、控制器增益可通过求解一组LMI获得，可避免传统PID控制中的试凑方法的不便。附图说明图1为带钢厚度响应曲线。图2为带钢凸度响应曲线。具体实施方式下面采用本专利技术对热连轧薄或超薄带板形板厚综合控制系统进行控制，说明本专利技术的实施方法，具体过程如下：步骤一：热连轧板形板厚离散线性奇异摄动模型的稳定性分析选用带有弯辊的四辊热轧机作为被控对象，对其建立如式(1)的离散时间线性奇异摄动模型，并采用控制律(2)对模型进行稳定性分析。仿真参数如表1所示。表1仿真参数采用初始值x(0)＝[0.20.0101×8]T，ε＝0.01，进行仿真，闭环系统响本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种热连轧薄带板形板厚控制系统多时标模型与稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.热连轧薄或超薄带钢板形板厚多时标模型建立根据热连轧板形板厚控制系统的动力学特性，在统一模型框架下考虑板形板厚综合控制问题，建立第i+1机架板形板厚控制系统的连续时间线性奇异摄动模型，并采用合适的采样时间将其离散化，获得离散时间线性奇异摄动模型；建模过程中，将系统的状态变量分解为慢、快两种变量，即将变化慢且能够直接测量的变量作为慢变量，将变化快或不能直接测量的变量作为快变量，具体模型如下：Eεx(k+1)＝(Ad+ΔAd)x(k)+Bd(v(k)‑u(k))y(k)＝Cx(k) (1)其中，
【技术特征摘要】
1.一种热连轧薄带板形板厚控制系统多时标模型与稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.热连轧薄或超薄带钢板形板厚多时标模型建立根据热连轧板形板厚控制系统的动力学特性，在统一模型框架下考虑板形板厚综合控制问题，建立第i+1机架板形板厚控制系统的连续时间线性奇异摄动模型，并采用合适的采样时间将其离散化，获得离散时间线性奇异摄动模型；建模过程中，将系统的状态变量分解为慢、快两种变量，即将变化慢且能够直接测量的变量作为慢变量，将变化快或不能直接测量的变量作为快变量，具体模型如下：Eεx(k+1)＝(Ad+ΔAd)x(k)+Bd(v(k)-u(k))y(k)＝Cx(k)(1)其中，为奇异摄动系数矩阵，I7×7和I3×3表示n行n列单位矩阵，ε为奇异摄动参数，为状态变量，其中为快状态变量，xs(k)＝[hi+1CRi+1Qi+1ii+1Si+1Pi+1Fi+1]T为慢状态变量，hi+1为带钢厚度，CRi+1为带钢凸度，Qi+1伺服阀流量，ii+1伺服阀输出电流，Si+1为辊缝值，Pi+1轧制力，Fi+1弯辊力，参考输入v(k)＝[ii+1，setSi+1，setPi+1，setFi+1，set]T，ii+1，set伺服阀输出电流设定值，Si+1，set为辊缝设定值，Pi+1，set轧制力设定值，Fi+1，set弯辊力设定值，控制输入u(k)∈R4，系统输出y(k)∈R2，ΔAd描述合适维数的不确定性矩阵，C＝[I2×202×8]，0n×m为n行m列零矩阵，
【专利技术属性】
技术研发人员：陈金香，
申请(专利权)人：冶金自动化研究设计院，
类型：发明
国别省市：北京,11
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