模糊控制在鋼材鍍層厚度方面的研究

陳星 陳健

摘 要：本文對(duì)帶鋼連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線進(jìn)行了研究，帶鋼鍍層厚度控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行控制帶鋼的鍍層厚度?，F(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)干擾會(huì)導(dǎo)致鍍層厚度模型參數(shù)的改變，導(dǎo)致傳統(tǒng)PID控制的效果受到影響。然而，模糊控制是綜合專家的操作經(jīng)驗(yàn)，具有不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)。為此，在大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于模糊控制的帶鋼鍍層縱向平均控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：氣刀 帶鋼鍍層厚度控制 模糊控制

中圖分類號(hào)：U37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0129-01

1 帶鋼鍍層厚度控制系統(tǒng)

帶鋼熱鍍鋅所用的主要設(shè)備有鋅鍋、沉沒(méi)輥、穩(wěn)定輥以及爐鼻子，還有氣刀及調(diào)節(jié)裝置。在熱鍍鋅生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼通過(guò)爐鼻子進(jìn)入鋅鍋中的鋅液進(jìn)行浸鍍，經(jīng)過(guò)沉沒(méi)輥后出鋅鍋，再通過(guò)穩(wěn)定輥和氣刀，進(jìn)入冷卻階段。氣刀是帶鋼鍍層厚度控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。

下面以某鋼廠熱鍍鋅機(jī)組采用CLECIM公司所研發(fā)的氣刀系統(tǒng)為例介紹氣刀系統(tǒng)。氣刀系統(tǒng)主要包括氣刀體、移動(dòng)和提升裝置等，分別位于鋼帶兩面。氣刀通過(guò)4臺(tái)交流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)前、后刀完成的，這樣可以控制氣刀與帶鋼之間的水平距離，以此控制帶鋼表面鍍層厚度。為了對(duì)帶鋼表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鋼廠對(duì)熱鍍鋅機(jī)組配置了鍍層測(cè)厚儀。

2 鍍層厚度控制及模型

以鋼廠所采用的CLECIM 公司自行開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式函數(shù)模型為例，對(duì)鍍層厚度控制系統(tǒng)的縱向平均控制進(jìn)行分析。該鋼廠所采用的模型經(jīng)驗(yàn)公式為：

（1）

其中，T為鍍層厚度平均值，G為經(jīng)驗(yàn)值，k取決于帶鋼鍍層的類型，P為氣刀噴氣壓力，H為氣刀與帶鋼之間的水平距離，L為氣刀唇縫，V為工藝線速度，A為自適應(yīng)系數(shù)。

工藝線速度僅與帶鋼種類等因素有關(guān)，為不可控變量，因此作為擾動(dòng)量對(duì)其進(jìn)行前饋控制。利用實(shí)際測(cè)量值與目標(biāo)厚度相得出差值，并根據(jù)差值計(jì)算所需壓力P和水平距離H的補(bǔ)償量。這樣，便構(gòu)成是一個(gè)帶有前饋的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際情況下，水平距離H調(diào)節(jié)的不當(dāng)會(huì)造成氣流紊亂，最終影響鍍層均勻度。因此在控制過(guò)程中，以噴氣壓力為主控制量進(jìn)行優(yōu)先調(diào)節(jié)。為解決檢測(cè)信號(hào)的滯后問(wèn)題使用了Smith預(yù)估器控制方法。其帶鋼鍍層厚度縱向平均控制系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

現(xiàn)僅考慮原系統(tǒng)的鍍層厚度縱向平均控制，假定氣刀刀唇平均唇縫值是保持不變的，因此設(shè)計(jì)新的控制方案時(shí)使用簡(jiǎn)化模型：（2），其中a，b，c為參數(shù)。取對(duì)數(shù)，取K=1，則模型轉(zhuǎn)化為：使用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，則可以寫成：。使用普通的最小二乘算法，求出θ的估計(jì)量，并使其性能指標(biāo)最優(yōu)。以目標(biāo)鍍層60 g/m2為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得出系統(tǒng)θ估計(jì)值為：把參數(shù)估計(jì)值代入式（2），得到鍍層厚度估計(jì)值并與現(xiàn)場(chǎng)采集的鍍層厚度實(shí)際值進(jìn)行比較，其誤差基本保持在±1 g/m2。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)方案

帶鋼鍍層縱向厚度控制目標(biāo)是提高帶鋼縱向的平均鍍層厚度的精確度，噴氣壓力、帶鋼距氣刀的水平距離、工藝段線速度對(duì)其鍍層厚度均有影響?；谀：刂圃趲т撳儗涌v向平均厚度的研究方便，現(xiàn)保持水平距離和工藝段線速度不變，僅考慮噴氣壓力和平均鍍層厚度之間的關(guān)系，并把被控制量的誤差、誤差變化作為模糊控制器的輸入。于是，可以得出基于模糊控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

4 模糊控制系統(tǒng)的仿真與分析

根據(jù)上面分析，使用MATLAB/Simulink所提供的模糊邏輯工具箱，采用圖形界面可視化工具建立模糊控制器和傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行仿真?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定帶鋼連續(xù)熱鍍鋅厚度T為60 g/m2，帶鋼線速度V為130 m/min，氣刀與帶鋼水平距離H為12 mm，刀與測(cè)厚儀之間的距離為120 m。若工藝線速度為130 m/min，則滯后時(shí)間為55 s，加上測(cè)厚儀掃描帶鋼時(shí)間為25 s，系統(tǒng)總滯后時(shí)間為80 s。系統(tǒng)采樣時(shí)間為20 s，滯后拍數(shù)為4拍。

5 結(jié)論

在帶鋼鍍層厚度縱向平均控制中，因傳統(tǒng)PID控制器需要非常精確的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)多擾動(dòng)現(xiàn)象，提出了使用模糊PID控制的設(shè)計(jì)方案以增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制性能。仿真結(jié)果表明，模糊控制器與原控制器相比，調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)減小，魯棒性增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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