冷连轧机速度系统建模仿真及鲁棒控制研究

【摘要】：本课题来源于2000年立项的国家自然科学基金“冷连轧机设备多学科建模与动态仿真及虚拟轧机的研究”（编号为60074022）及上海宝山钢铁集团公司的“2030五机架冷连轧机建模、轧制动态过程仿真及控制优化”总课题中、燕山大学所承担的“虚拟轧机研制”实际科研课题。主要对其中的“冷连轧机速度系统建模仿真及控制优化”子课题进行理论和应用研究。 冷轧带钢属于高附加值钢材品种，是汽车、机械、建筑、电工电子、食品等行业必不可少的原材料。冷连轧是一种高效、优质的冷轧生产工艺，其设备众多、控制过程复杂。所建立的2030冷连轧机轧制动态过程仿真系统软件，为2030冷连轧机工艺质量的提高和技术改造提供了理论指导和实际数据，对于新产品的开发、轧制工艺的革新和新控制算法的应用测试、乃至冷连轧机的新建均具有重大的实际价值和理论意义。 本课题首先以宝钢2030五机架冷连轧机为依托，在分析速度控制系统电气原理的基础上，将外部一个速度环、内部两个电流环、带弱磁调速和速度自适应的冷连轧机双电枢电机速度控制系统，等效简化为含一个速度环和一个电流环、带弱磁调速和速度自适应的冷连轧机单电枢电机速度控制系统，建立了各机架速度控制系统仿真的机理模型，并详细计算了其参数。文中还综合运用电机电气控制系统和轧制塑性变形原理，考虑了电机负载转矩由于来料厚度、材质、张力等因素的变化而产生的动态变化，给出了电机负载转矩的简便、快速的在线计算公式。 其次，利用MATRIX编制了冷连轧机速度控制系统的仿真软件，并与虚拟轧机的其它子系统和冷连轧机的设定级等相连，构成了整个冷连轧机轧制动态过程仿真系统。对冷连轧机速度控制系统和整个冷连轧机轧制动态过程联合仿真的结果及与现场实际情况的比较表明：所建立的速度控制系统模型是准确的，电机负载转矩计算公式正确可行，速度控制系统的仿真结果与现场实际情况吻合。 最后，在完成冷连轧机速度系统建模和轧制过程动态仿真的同时，还对冷连轧机速度控制系统负载扰动的时变性、参数不确 WP=5 定性和电枢反应非线性等因素进行了鲁棒跟踪控制方面的研究。其中包括以下几方面的内容：（1）针对冷连轧机速度控制系统负载扰动的时变不确定性，设计了基于负载扰动估计器的速度变结构鲁棒跟踪控制器。（2）基于冷带轧机速度系统线性模型设计了其 鲁棒跟踪控制器，包括基于内模原理的速度系统 鲁棒跟踪控制器和具有弱磁调速的直流电机速度系统 鲁棒跟踪控制器。（3）对速度控制系统进行了非线性鲁棒控制的研究，设计了考虑电枢反应非线性的直流电机速度变结构鲁棒跟踪控制器、考虑电枢反应非线性为不确定性的电机速度 鲁棒跟踪控制器，以及具有弱磁调速的他励直流电机非线性MIMO控制器。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。