层流冷却控制PID参数整定与滑模控制器设计

论文摘要

带钢卷取温度是影响热轧带钢产品质量的关键因素,卷取温度控制精度直接影响带钢的组织性能和力学性能。过高和过低的卷取温度都会使钢卷的质量严重下降,所以提高卷取温度的控制精度有着重要意义。在带钢热连轧生产过程中,轧后冷却是一道重要的生产工序,目的是将精轧出口的带钢快速冷却到目标卷取温度。本文以本钢2300mm带钢热轧机组为背景,以轧后层流冷却系统为研究对象,对该系统的工艺过程和控制系统进行分析研究。为了深入了解热连轧层流冷却系统,本文首先学习了层流冷却系统的工艺流程,并对层流冷却数学模型和现场的机械和电气设备进行了详细的了解。其次对本钢层流冷却系统进行了消化吸收,该控制系统将带钢分段控制的策略,根据精轧出口带钢数据对带钢预设定、前馈和反馈控制。其中预设定模型计算带钢冷却到卷取温度需要的冷却水量,前馈控制是对层流冷却预设定的修改,反馈控制是通过实测带钢卷取温度对精冷区带钢喷水量的调整。最后,本文对层流冷却控制系统进行分析和研究。层流冷却系统是个时滞系统,它的被控对象是个大滞后环节,且层流冷却是复杂的非线性过程,难以获得精确的数学模型,这些仅靠常规PID控制器难以调节。本文针对PID控制器的缺陷,将模糊控制和PID控制器结合起来,扬长避短,进行不断的调试和仿真,发现当Smith预估器参数与被控对象参数匹配时,这种方法可以有效地解决PID参数不匹配带来的过高超调和过长的调节时间,并得出了PID控制器的参数范围,提高了现场PID控制器参数调节效率,改善了带钢头部和尾部温度偏差过大的缺陷,具有一定的工程价值。当Smith预估器参数与被控对象参数不匹配时,系统的稳定性没有明显的改善,存在不足。其次,利用滑模变结构控制器具有响应速度快,对参数变化及外界扰动不灵敏和对滞后系统有优越性等特点,设计滑模变结构控制器对系统进行优化,经过仿真比较,这种控制方法比模糊PID控制效果要好,缺点是存在抖振。最后,对现场采集的带钢数据进行处理计算,得出带钢卷取温度控制曲线,发现卷取温度控制在目标卷取温度范围内,满足工程需要,可以应用于实际工程中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 热连轧层流冷却工作原理及装置
• 1.3 热连轧层流冷却控制技术的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 热连轧层流冷却数学模型及现场设备
• 2.1 层流冷却数学模型
• 2.1.1 数学模型的理论基础
• 2.1.2 本钢层流冷却的数学模型
• 2.2 层流冷却设备布置
• 2.3 层流冷却PLC配置
• 2.3.1 PLC主从控制结构
• 2.3.2 PLC间的数据传输
• 2.4 本章小结
• 第3章 基础理论
• 3.1 模糊PID参数整定
• 3.1.1 模糊PID控制器结构
• 3.1.2 模糊PID参数整定原理及算法
• 3.2 滑模变结构控制
• 3.2.1 滑动模态
• 3.2.2 滑模变结构控制原理
• 3.3 本章小结
• 第4章 层流冷却控制系统分析
• 4.1 预设定模型
• 4.1.1 一阶温度预设定模型导出
• 4.1.2 预设定模型的控制过程
• 4.2 前馈控制
• 4.2.1 前馈控制策略及过程
• 4.2.2 前馈控制模型
• 4.3 反馈控制
• 4.3.1 反馈控制模型及控制策略
• 4.3.2 反馈控制系统分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 层流冷却控制系统优化研究
• 5.1 模糊PID参数整定
• 5.1.1 模糊PID控制器设计
• 5.1.2 仿真结果分析
• 5.2 滑模变结构控制器设计
• 5.2.1 滑动模面及控制律设计
• 5.2.2 仿真结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢