基于细分PI控制的热连轧卷取机自动踏步控制仿真和优化

01研究背景卷取作为热连轧的最后一个加工步骤，对成品的质量有重要影响。其中，助卷辊作为卷取机控制中最复杂的部分，其功能是协助带钢建立，紧密地缠绕在卷筒上。因为卷取机自动控制技术的研究热点之一是助卷辊的自动控制，近年来，采用具有避让卷取过程中钢卷层差特点的AJC（autojumpcontrol）已经成为一个研究重点。在研究背景方面，日本和德国的工程师发明了AJC后，该技术引起了广泛的研究兴趣。一些研究者设计开发了闭环控制系统，其中包括带有压力内环的位置闭环控制卷取机踏步控制系统以及通过简化的控制混合灵敏度算法进行系统的闭环增益设定。还有研究者分析了助卷辊机械结构和运动方程，并建立了用于液压踏步位置控制系统动态特性分析的数学模型。其他研究工作则关注于具体实现，如使用可编程逻辑控制器控制器设计全自动化热连轧机组中的AJC部分。尽管已有相关研究工作在结构仿真、控制理论、AJC策略和工业现场等方面给出了参考，但这些工作在仿真精度、控制理论可行性和策略效果等方面存在一些缺陷。为了改善这些问题，本文提出了一些创新内容，包括使用AMEsim软件进行精确的机械、液压和控制仿真模型构建，提出了快速切换策略的改进思路，并将细分PI控制应用于卷取机液压伺服上。该方法根据专家经验，在不同工况下采用不同参数，而不依赖实时计算，从而在保证决策层对控制系统的指导作用的前提下，大大缩小了运算量，保证了策略的可行性和可靠性。02研究方法1）助卷辊机械模型每一个助卷辊都由电液伺服阀驱动液压缸进行控制，液压油经伺服阀控制流入液压缸无杆腔时，液压杆向外运动，使助卷辊压靠卷筒，反之则使助卷辊起跳离开卷筒。液压缸可绕固定顶点旋转，助卷辊的物理结构侧视图可视为稳固的三角形，与液压杆以转动连接，运动过程如图1所示。图1运动数学模型示意图2）助卷辊液压模型将液压缸的运动看作液压杆在运动过程中，活塞杆工作时由于作用方向的改变，被迫对液压缸产生抬升作用，所以可以将液压缸和助卷辊看作一个整体，这个整体拥有一个新的重心。改进后位置控制转矩方程为（1）压力控制转矩方程为（2）式中：为整体重心对液压杆作用力臂，为液压缸的质量，为整体的转动惯量，为整体的阻尼系数。根据图2中的几何关系，可以得出助卷辊转角为（3）根据几何关系，精确计算液压缸活塞位移和辊缝关系：

（4）（5）（6）3）数学模型根据式（3）~式（6）进行计算，得出助卷辊辊缝与活塞位移的关系式，并导出关系表，在位置控制中，根据关系表的对应关系设置液压缸的位置设定值，关系如图2所示。图2所示为不同增益下的仿真曲线，液压缸在收到控制信号后，控制液压缸摆好辊缝，带钢厚度为3~4mm，根据安全值设定，使助卷辊起跳5.27mm。KP＝4时，实际系统超调量为20％，而仿真系统为24％，总体上能够较好地模拟实际系统的特性。图2助卷辊仿真响应曲线03研究结果1)快速切换压力控制环策略起跳时间更晚，但由于其始终处于位置控制环阶跃响应的上升期，大幅增加响应速度，可以在延迟启动的情况下避让带头，并且快速切换到压力控制环，完成下压，位置控制环所需时间大幅减少，保证带钢较长时间处于压力控制环控制。但在实际情况中，由于切换压力控制环时间较晚，对带头追踪精度提出更高要求，且切换压力控制环时辊缝处于较大值，会增大下压过程的末速度，可能会对带钢造成冲击，对仿真的理想状态来说，3种策略的压力反馈曲线基本一致，没有造成较大冲击的问题。图33种控制环切换仿真曲线2)细分PI算法。为了在避免占用TDC过高算力的前提下，提高控制效果，提出一种细分PI液压伺服系统控制方法。结合项目中使用的PI策略，在每个起跳周期内，根据预设的个性化的PI参数细分表，在每个TDC周期内更新PI参数。设反馈误差为设定值与反馈值之差，PI参数设定原则如下。(1)

KP。初始值最大，当E＞0时，根据的减小而减小，最终保持一定数值。(2)

KI。E＞0时KI＝0（避免初始误差累计，使超调增大），第一次E≤0时，KI取最大值，随后逐渐减小。细分PI控制可以分阶段改变控制参数（在TDC系统中可以每周期改变一次参数），适应阶跃响应在不同阶段的需求，这种控制策略可以分为5个阶段。阶段1：在助卷辊辊缝保持阶段，使用很小的KP及一定的KI，降低稳态波动。阶段2：起跳后，在超调之前使用由大到小变化的KP来获得更快的响应，而不依靠积分控制，这样可以避免增大超调量。阶段3：超调前的小时段内，使用负KP参数来进行“刹车”。阶段4：超调的瞬间使用较大的KI参数来快速累计误差，避免超调量继续快速增大，并且同上升阶段一样，在回调阶段使用大KP参数保证快速回调。阶段5：原理同阶段1，接近稳态时使用很小的KP及一定的KI，降低波动。按照原理参数设置原则，进行细分PI参数仿真。图4PI控制响应与细分PI控制响应对比04研究结论1）基于某厂1450mm热连轧卷取机助卷辊AJC系统，设计了精确的机械结构模型，构建了更加复杂的仿真模型。2）设计并仿真了快速切换压力控制环策略，细分PI控制的方法，在某厂进行应用试验，取得了较好的效果，验证了方法的有效性。从现场调试过程中可以发现，一套PI参数难以满足不同的带钢和不同圈数的层差避让需求，使带钢受到的冲击力很大。采用细分PI参数踏步控制后，层差产生的冲击和噪声明显减小，且