一种张紧辊带钢张力滑模控制方法及控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种张紧辊带钢张力滑模控制方法及控制装置，属于工业自动化领域。包括以下步骤：步骤一、张紧辊带钢张力建模；步骤二、张紧辊带钢张力滑模控制方法设计；与传统的PID控制方法相比，本发明专利技术的滑模控制方法能够有效的克服张紧辊带钢张力的非线性、未知外界干扰等控制难点；本发明专利技术一种张紧辊带钢张力滑模控制装置，该控制装置选取西门子S7‑300系列PLC（CPU型号315‑2DP）作为主站，选取自带CPU的分布式I/O ET200S（CPU型号IM151‑7）作为从站，主从站通过Profibus‑DP现场总线通讯。完成了控制装置的硬件设计和软件设计。

A Tension Sliding Mode Control Method and Control Device for Tension Roller Strip

The invention provides a tension sliding mode control method and a control device for tension roll strip steel, which belongs to the field of industrial automation. It includes the following steps: step 1, tension modeling of tension roll strip; step 2, tension sliding mode control method design of tension roll strip; compared with traditional PID control method, the sliding mode control method of the invention can effectively overcome the control difficulties of tension of tension roll strip, such as non-linearity and unknown external interference; the tension sliding mode control device of tension roll strip, the control method. Siemens S7 300 series PLC (CPU model 315 2DP) is selected as the main station, and distributed I/O ET200S (CPU model IM151 7) with CPU is selected as the slave station. The master and slave stations communicate through Profibus DP fieldbus. The hardware design and software design of the control device are completed.

【技术实现步骤摘要】
一种张紧辊带钢张力滑模控制方法及控制装置
本专利技术设计了一种张紧辊带钢张力滑模控制方法及控制装置，属于工业自动化领域。
技术介绍
在冶金生产过程中，实现张紧辊带钢张力的精确控制是保证带钢产品质量、提升带钢生产效率的关键性因素。现有的带钢张力控制装置多数采用PID控制算法，控制精度低，控制效果不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计了一种张紧辊带钢张力的滑模控制方法，与传统的PID控制方法相比，本专利技术的滑模控制方法能够有效的克服张紧辊带钢张力的非线性、未知外界干扰等控制难点；本专利技术的另一个目的是设计了一种能够实现上述滑模控制方法的张紧辊带钢张力滑模控制装置，该装置以西门子S7-300系列PLC(CPU型号315-2DP)作为主站，完成了控制装置的硬件设计和软件设计。为了实现张紧辊带钢张力的先进控制系统的开发，本专利技术首先建立了张紧辊带钢张力控制的状态空间模型，其次运用西门子公司的工业自动控制架构开发了基于滑模变结构控制理论的PLC滑模控制器，最后建立由PLC控制系统、上位机监控系统组成的带钢张力滑模控制装置。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种张紧辊带钢张力滑模控制方法，包括以下步骤：步骤一、张紧辊带钢张力建模(1)张紧辊结构按照带钢经过各个辊子的顺序，分别将各个传动辊定义为1号、2号、3号、4号；其中1号辊和4号辊逆时针转动，2号辊和3号辊顺时针转动，v0为张紧辊的上游带钢速度，v1、v2、v3、v4分别为各个传动辊的转动线速度；其中，v0的大小由上游生产过程决定，由测量工具检测，为已知参数；vi(i＝1,…,4)的大小由各个传动辊的电机控制，为可变参数；F1为张紧辊带钢入口处的张力，F2、F3和F4分别为各传动辊间的带钢张力，F5为张紧辊带钢出口处的张力；其中，Fi(i＝1,…,4)通过调节4个传动辊的转速进行调节，下游带钢张力F5由下游生产设备决定；L1为张紧辊带钢入口处的带钢长度，L2、L3和L4分别为各个传动辊之间的带钢长度，各部分带钢长度为固定的已知参数；(2)张紧辊带钢模型建立在张紧辊带钢张力控制过程中，通过调节各传动辊电机的电磁力矩Te,i(i＝1,…,4)来调节各个辊子的转速，进而控制控制带钢张力Fi(i＝1,…,4)；定义Te,i为模型输入变量，定义Fi为模型的输出变量，针对第i个传动辊可以得到其电机运动方程式为：式(1)中，Ji为第i个传动辊的转动惯量，ωi为第i个传动辊的角速度，TL,i为第i个传动辊电机的负载力矩；得到TL,i同带钢张力之间的数学关系式为：TL,i＝(Fi-Fi+1)×Ri,i＝1,2,3,4(2)其中Ri为第i个传动辊的半径；带钢张力的产生是由带钢形变造成的，在张紧辊运行的过程中，带钢因各传动辊之间的速度差而产生秒流量差，进而产生带钢张力；得到带钢张力同带钢秒流量差间的数学关系式为：其中，ki为带钢的弹性系数，其计算公式为：其中，E为带钢的弹性模量，S为带钢的横截面积；假定了传动辊线速度与贴合在辊身表面的带钢速度一致，由角速度线速度换算公式得带钢在张紧辊内流动速度同传动辊角速度间换算关系为：vi＝ωi×Ri,i＝1,2,3,4(5)联立式(1)-(5)整理得张紧辊带钢张力动态机理模型为：根据张紧辊带钢张力控制的动态机理模型，推导出张紧辊带钢张力控制的状态空间表达式；状态空间向量x(t)为：x(t)＝[x1x2x3x4x5x6x7x8]T＝[F1ω1F2ω2F3ω3F4ω4]T，取控制变量u(t)为：u(t)＝[u1u2u3u4]T＝[Te,1Te,2Te,3Te,4]T，输出变量y(t)为：y(t)＝[y1y2y3y4]T＝[F1F2F3F4]T，根据式(6)可求得张紧辊带钢张力控制的状态空间表达式为：式(7)中，A、B、T分别为系统的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵，d为已知的定常干扰向量；其中：步骤二、张紧辊带钢张力滑模控制方法设计令则状态矩阵A可整理为：令则输入矩阵B和定常干扰向量d可整理为：确定控制目标，令带钢张力跟随张力设定值定义滑模函数为：s＝CE(8)式(8)中，各变量的值分别为：s＝[s1s2s3s4]T其中，e1＝yd1-y1，e2＝yd2-y2，e3＝yd3-y3，e4＝yd4-y4，c1＞0，c2＞0，c3＞0，c4＞0；对切换函数s求导可得：对于控制量u(x)的求取采用等速趋近律法，取其中，ε＝diag[ε1,ε2,ε3,ε4]，sgn(s)＝[sgn(s1)sgn(s2)sgn(s3)sgn(s4)]T；联立式(7)-(10)可得控制量u(x)为：取李亚普诺夫函数为：其中，V＝diag[1,1,1,1]；为验证所得张紧辊带钢张力控制器的稳定行，结合选取的等速趋近方法，对滑模对李亚普诺夫函数进行求导可得：从而验证了设计的滑模控制器可以保证系统渐近稳定，使张紧辊带钢张力跟随张力设定值。一种张紧辊带钢张力滑模控制装置，包括监控模块和控制模块，所述控制模块与监控模块连接，控制模块将收到的信号传递给监控模块并在监控模块上显示出来，监控模块将设定的信号传递给控制模块，通过控制模块控制张紧辊。进一步地，所述控制模块包括主站、从站，所述主站选取西门子S7-300系列PLC，CPU型号为315-2DP；所述从站选取自带CPU的分布式I/OET200S，CPU型号为IM151-7，主站与从站通过Profibus-DP现场总线通讯。进一步地，所述监控模块选用WinCC软件内部集成的Activex控件，包括参数显示界面、张力设定界面、状态监测界面、警报报表界面；状态监测界面用于监测张紧辊带钢张力控制模型的各个参数，参数显示界面用于实时显示控制模块中各控制对象的参数信息，并根据带钢的生产规格变化通过张力设定界面改变带钢的张力设定值，同时完成对带钢张力的实时状态检测以及张力控制过程中警报报警的作用。本专利技术的有益效果为：本专利技术设计了一种张紧辊带钢张力的滑模控制方法，与传统的PID控制方法相比，本专利技术的滑模控制方法能够有效的克服张紧辊带钢张力的非线性、未知外界干扰等控制难点；本专利技术的另一个目的是设计了一种能够实现上述滑模控制方法的张紧辊带钢张力滑模控制装置，该控制装置选取西门子S7-300系列PLC(CPU型号315-2DP)作为主站，选取自带CPU的分布式I/OET200S(CPU型号IM151-7)作为从站，主从站通过Profibus-DP现场总线通讯。完成了控制装置的硬件设计和软件设计。附图说明图1为本专利技术控制系统结构图。图2为本专利技术张紧辊结构示意图。图3为本专利技术控制程序流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例如图1-3所示，本专利技术一种张紧辊带钢张力的滑模控制方法，包括以下步骤：步骤一、张紧辊带钢张力建模(1)张紧辊结构本专利技术以由4个传动辊组成的4轴张紧辊为例建立了张紧辊带钢张力控制模型。按照带钢经过各个辊子的顺序，分别将各个传动辊定义为1号、2号、3号、4号。其中1号辊和4号辊逆时针转动，2号辊和3号辊顺时针转动，v0为张紧辊的上游带钢速度，v1、v2、v3、v4分别为各个传动辊的转动线速度。其中，v0的大小由上游生产过程决定，可由测量工具检测，为已知参数；vi(i＝1,…,4)的大小可有各个传动辊的电机控制，为可变参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种张紧辊带钢张力滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、张紧辊带钢张力建模(1)张紧辊结构按照带钢经过各个辊子的顺序，分别将各个传动辊定义为1号、2号、3号、4号；其中1号辊和4号辊逆时针转动，2号辊和3号辊顺时针转动，v0为张紧辊的上游带钢速度，v1、v2、v3、v4分别为各个传动辊的转动线速度；其中，v0的大小由上游生产过程决定，由测量工具检测，为已知参数；vi(i＝1,…,4)的大小由各个传动辊的电机控制，为可变参数；F1为张紧辊带钢入口处的张力，F2、F3和F4分别为各传动辊间的带钢张力，F5为张紧辊带钢出口处的张力；其中，Fi(i＝1,…,4)通过调节4个传动辊的转速进行调节，下游带钢张力F5由下游生产设备决定；L1为张紧辊带钢入口处的带钢长度，L2、L3和L4分别为各个传动辊之间的带钢长度，各部分带钢长度为固定的已知参数；(2)张紧辊带钢模型建立在张紧辊带钢张力控制过程中，通过调节各传动辊电机的电磁力矩Te,i(i＝1,…,4)来调节各个辊子的转速，进而控制控制带钢张力Fi(i＝1,…,4)；定义Te,i为模型输入变量，定义Fi为模型的输出变量，针对第i个传动辊可以得到其电机运动方程式为：...

【技术特征摘要】
1.一种张紧辊带钢张力滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、张紧辊带钢张力建模(1)张紧辊结构按照带钢经过各个辊子的顺序，分别将各个传动辊定义为1号、2号、3号、4号；其中1号辊和4号辊逆时针转动，2号辊和3号辊顺时针转动，v0为张紧辊的上游带钢速度，v1、v2、v3、v4分别为各个传动辊的转动线速度；其中，v0的大小由上游生产过程决定，由测量工具检测，为已知参数；vi(i＝1,…,4)的大小由各个传动辊的电机控制，为可变参数；F1为张紧辊带钢入口处的张力，F2、F3和F4分别为各传动辊间的带钢张力，F5为张紧辊带钢出口处的张力；其中，Fi(i＝1,…,4)通过调节4个传动辊的转速进行调节，下游带钢张力F5由下游生产设备决定；L1为张紧辊带钢入口处的带钢长度，L2、L3和L4分别为各个传动辊之间的带钢长度，各部分带钢长度为固定的已知参数；(2)张紧辊带钢模型建立在张紧辊带钢张力控制过程中，通过调节各传动辊电机的电磁力矩Te,i(i＝1,…,4)来调节各个辊子的转速，进而控制控制带钢张力Fi(i＝1,…,4)；定义Te,i为模型输入变量，定义Fi为模型的输出变量，针对第i个传动辊可以得到其电机运动方程式为：式(1)中，Ji为第i个传动辊的转动惯量，ωi为第i个传动辊的角速度，TL,i为第i个传动辊电机的负载力矩；得到TL,i同带钢张力之间的数学关系式为：TL,i＝(Fi-Fi+1)×Ri,i＝1,2,3,4(2)其中Ri为第i个传动辊的半径；带钢张力的产生是由带钢形变造成的，在张紧辊运行的过程中，带钢因各传动辊之间的速度差而产生秒流量差，进而产生带钢张力；得到带钢张力同带钢秒流量差间的数学关系式为：其中，ki为带钢的弹性系数，其计算公式为：其中，E为带钢的弹性模量，S为带钢的横截面积；假定了传动辊线速度与贴合在辊身表面的带钢速度一致，由角速度线速度换算公式得带钢在张紧辊内流动速度同传动辊角速度间换算关系为：vi＝ωi×Ri,i＝1,2,3,4(5)联立式(1)-(5)整理得张紧辊带钢张力动态机理模型为：根据张紧辊带钢张力控制的动态机理模型，推导出张紧辊带钢张力控制的状态空间表达式；状态空间向量x(t)为：x(t)＝[x1x2x3x4x5x6x7x8]T＝[F1ω1F2ω2F3ω3F4ω4]T，取控制变量u(t)为：u(t)＝[u1u2u3u4]T＝[Te,1Te,2T...

【专利技术属性】
技术研发人员：白锐，祁学鹏，王贺彬，孙丽颖，
申请(专利权)人：辽宁工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21