模糊控制在鋼材鍍層厚度方面的研究

陳星 陳健

摘 要：本文對帶鋼連續熱鍍鋅生產線進行了研究，帶鋼鍍層厚度控制系統采用傳統PID控制器進行控制帶鋼的鍍層厚度。現場的強干擾會導致鍍層厚度模型參數的改變，導致傳統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驗，具有不依賴被控對象的精確數學模型的特點。為此，在大量現場數據的基礎上設計了基于模糊控制的帶鋼鍍層縱向平均控制系統。

關鍵詞：氣刀 帶鋼鍍層厚度控制 模糊控制

中圖分類號：U37 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0129-01

1 帶鋼鍍層厚度控制系統

帶鋼熱鍍鋅所用的主要設備有鋅鍋、沉沒輥、穩定輥以及爐鼻子，還有氣刀及調節裝置。在熱鍍鋅生產過程中，帶鋼通過爐鼻子進入鋅鍋中的鋅液進行浸鍍，經過沉沒輥后出鋅鍋，再通過穩定輥和氣刀，進入冷卻階段。氣刀是帶鋼鍍層厚度控制系統的核心設備。

下面以某鋼廠熱鍍鋅機組采用CLECIM公司所研發的氣刀系統為例介紹氣刀系統。氣刀系統主要包括氣刀體、移動和提升裝置等，分別位于鋼帶兩面。氣刀通過4臺交流無刷電機驅動前、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。為了對帶鋼表面進行實時監測，鋼廠對熱鍍鋅機組配置了鍍層測厚儀。

2 鍍層厚度控制及模型

以鋼廠所采用的CLECIM 公司自行開發的經驗公式函數模型為例，對鍍層厚度控制系統的縱向平均控制進行分析。該鋼廠所采用的模型經驗公式為：

（1）

其中，T為鍍層厚度平均值，G為經驗值，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為自適應系數。

工藝線速度僅與帶鋼種類等因素有關，為不可控變量，因此作為擾動量對其進行前饋控制。利用實際測量值與目標厚度相得出差值，并根據差值計算所需壓力P和水平距離H的補償量。這樣，便構成是一個帶有前饋的雙閉環控制結構。

在實際情況下，水平距離H調節的不當會造成氣流紊亂，最終影響鍍層均勻度。因此在控制過程中，以噴氣壓力為主控制量進行優先調節。為解決檢測信號的滯后問題使用了Smith預估器控制方法。其帶鋼鍍層厚度縱向平均控制系統框圖，如圖1所示。

現僅考慮原系統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，因此設計新的控制方案時使用簡化模型：（2），其中a，b，c為參數。取對數，取K=1，則模型轉化為：使用現場數據，則可以寫成：。使用普通的最小二乘算法，求出θ的估計量，并使其性能指標最優。以目標鍍層60 g/m2為例，根據現場采集數據進行參數估計，得出系統θ估計值為：把參數估計值代入式（2），得到鍍層厚度估計值并與現場采集的鍍層厚度實際值進行比較，其誤差基本保持在±1 g/m2。

3 模糊控制器設計方案

帶鋼鍍層縱向厚度控制目標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、工藝段線速度對其鍍層厚度均有影響。基于模糊控制在帶鋼鍍層縱向平均厚度的研究方便，現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結構，如圖2所示。

4 模糊控制系統的仿真與分析

根據上面分析，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PID控制器進行仿真。現根據實際情況，設定帶鋼連續熱鍍鋅厚度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，刀與測厚儀之間的距離為120 m。若工藝線速度為130 m/min，則滯后時間為55 s，加上測厚儀掃描帶鋼時間為25 s，系統總滯后時間為80 s。系統采樣時間為20 s，滯后拍數為4拍。

5 結論

在帶鋼鍍層厚度縱向平均控制中，因傳統PID控制器需要非常精確的被控對象數學模型和現場多擾動現象，提出了使用模糊PID控制的設計方案以增強對現場的控制性能。仿真結果表明，模糊控制器與原控制器相比，調節時間短，超調減小，魯棒性增強。

參考文獻

[1]黨建武.模糊控制技術[M].北京：中國鐵道出版社，2007：38-92.

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