專利名稱：：基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種厚度控制補(bǔ)償
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域作用范圍前饋補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
：在金屬板帶材的軋制生產(chǎn)中，帶材的縱向厚度精度(厚差)是其主要質(zhì)量指標(biāo)。軋制帶材縱向厚度精度受到多種因素制約，其中入口帶材厚度的波動會嚴(yán)重影響出口板厚的精度，因此，現(xiàn)代化冷帶軋機(jī)普遍在入口側(cè)安裝測厚儀和帶材速度測量裝置，通過厚度前饋消除入口帶材厚度波動對出口厚度的干擾。反饋和前饋是板帶厚度控制的兩個(gè)基本方式，由于冷帶軋機(jī)的厚度反饋控制存在測量滯后，其控制效果大打折扣，特別是在來料厚度波動較大時(shí)，僅靠反饋控制難以保證出口板厚的高精度。前饋板厚控制根據(jù)來料厚度波動計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的壓下變動量以減弱其對出口板厚的擾動。前饋控制主要用于克服控制系統(tǒng)中存在檢測滯后、板厚控制精度不高的弱點(diǎn)。單純前饋板厚控制是開環(huán)的，在實(shí)際生產(chǎn)過程中單獨(dú)使用前饋板厚控制很難滿足工藝要求，因此常將前饋與反饋合成為前饋-反饋板厚控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的冷軋帶鋼前饋板厚控制系統(tǒng)工作原理如圖l所示，帶鋼入口厚度由入口測厚儀測得，入口速度由安裝在入口測速輥上的編碼器測得或安裝昂貴的激光測速儀測得。在軋件尚未進(jìn)入輥縫之前，用測厚儀預(yù)先測出來料厚度，并把它與設(shè)定來料厚度值相比較，得出來料厚度偏差，再計(jì)算出由此可能產(chǎn)生的軋出厚度偏差及為消除此偏差所需要的壓下位移調(diào)節(jié)量，先存入一個(gè)緩沖器。當(dāng)所測點(diǎn)到達(dá)輥縫時(shí)，從緩沖器取出其偏差的壓下位移調(diào)節(jié)量，加到輥縫控制上。為保證對帶材位置的準(zhǔn)確跟蹤，要考慮帶材從入口測厚儀至輥縫的運(yùn)行時(shí)間以及液壓伺月良系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，4吏被控制點(diǎn)正好對應(yīng)才全測點(diǎn)。傳統(tǒng)前饋板厚控制系統(tǒng)具有如下特征特征1,以入口設(shè)定來料厚度作為厚度基準(zhǔn)，以入口檢測厚度與入口設(shè)定來料厚度之差作為來料厚差進(jìn)行前饋補(bǔ)償。特征2，入口厚度檢測按帶鋼段來測量，即計(jì)算一定長度內(nèi)所測量的帶鋼厚度的平均值。特征3，檢測與控制之間的延時(shí)根據(jù)檢測點(diǎn)到軋機(jī)輥縫的距離和帶鋼運(yùn)行速度來計(jì)算。上述前饋板厚控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對簡單，能夠在實(shí)際應(yīng)用中一定程度上提高控制精度，但存在如下局限局限1,未建立便于數(shù)學(xué)分析處理的完善的帶鋼軋制運(yùn)動厚度數(shù)學(xué)模型；局限2，板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋的頻域作用范圍相互覆蓋(即前饋與反饋的作用非正交)，前饋頻域作用范圍過大，限制了前饋補(bǔ)償參數(shù)的優(yōu)化(見圖2);局限3，前饋控制效果對補(bǔ)償定位的精確性過于依賴，而實(shí)際應(yīng)用中很難保證補(bǔ)償定位的精確性，主要有如下兩方面原因(1)對帶材位置精確跟蹤要求對帶材瞬時(shí)速度能精確測量，而實(shí)際工程中為了獲得高精度的帶材瞬時(shí)速度信號(如安裝激光測速儀)則需要增加很大成本，況且軋制時(shí)產(chǎn)生的油霧也會給激光測速帶來干擾。(2)作為軋機(jī)壓下控制的液壓伺服系統(tǒng)對于所跟隨指令變化的幅值具有非線性，其伺服跟隨響應(yīng)時(shí)間具有不確定性。針對這些問題，現(xiàn)有相關(guān)的解決方法如下針對局限1，利用動態(tài)數(shù)組對帶鋼段進(jìn)行跟蹤和延時(shí)。在前饋板厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采用一種動態(tài)數(shù)組的方法加以解決，數(shù)組包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)板帶厚度和速度，通過速度來對帶鋼進(jìn)行跟蹤。因?yàn)樗俣仍跁r(shí)間域上的積分等于位移，故而可將機(jī)架前觀'J厚儀至'j輥縫之間的帶鋼長度分為幾段，然后測得每一個(gè)帶鋼段入口厚差的平均值，將其存入構(gòu)造的移位寄存器中，移位寄存器采用"先進(jìn)先出，，的規(guī)則，當(dāng)速度積分等于帶鋼段距離時(shí)，向移位寄存器發(fā)出一個(gè)布爾值的指令，將最前端的帶鋼段厚差彈出，這樣就可以準(zhǔn)確地進(jìn)行延時(shí)，進(jìn)而達(dá)到較好的控制效果。針對局限2，取各帶鋼段的平均厚度經(jīng)自學(xué)習(xí)后作為厚度基準(zhǔn)或在系統(tǒng)中采用傳遞函數(shù)為75/(7^+1)的前置濾波器，不輸出信號中的直流分量。針對局限3，對前饋補(bǔ)償量進(jìn)行加權(quán)處理，減弱前饋補(bǔ)償?shù)膹?qiáng)度，通過犧牲補(bǔ)償?shù)木_性以換取可靠性。利用動態(tài)數(shù)組對帶鋼段進(jìn)行跟蹤和延時(shí)雖然能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出輥縫處帶鋼的厚度，但它不是軋制過程帶鋼厚度跟蹤的全息描述并且靈活性差，因此也使得對軋制過程帶鋼厚度的數(shù)學(xué)分析受到限制。上述措施在一定程度上減少了板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋頻域作用范圍相互重疊，但未給出確定前饋控制頻域作用范圍的方法，相關(guān)控制參數(shù)也不能在線修改，這使得在實(shí)際應(yīng)用中無法對前饋濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而只能憑借經(jīng)驗(yàn)采取保守的濾波器參數(shù)。減弱前饋補(bǔ)償?shù)膹?qiáng)度雖然能降低對瞬時(shí)速度測量精確性的要求，但它是以犧牲補(bǔ)償精確性為代價(jià)的。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，該方法可有效減少板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋之間頻域作用范圍的相互重疊(即最大限度實(shí)現(xiàn)了前饋與反饋?zhàn)饔谜换?，還能抑制高頻干擾對系統(tǒng)的不利影響，從而提高板厚的控制精度。對于局限1,可以通過采用波函數(shù)描述帶鋼運(yùn)動時(shí)的厚度序列加以解決。通過求解軋制過程厚度波函數(shù)可以獲得任意時(shí)刻任意位置的帶鋼厚度，而且提供了軋制帶鋼厚度的時(shí)空二元解析表達(dá)，這是軋制過程帶鋼厚度的全息表達(dá)且靈活性好，它為進(jìn)一步的數(shù)學(xué)分析創(chuàng)造了必要條件。對于局限2和局限3,可以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置帶通濾波器加以解決。前饋補(bǔ)償主要是對位于軋機(jī)輥縫處那一點(diǎn)的厚度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，這就要求濾波算法具有較為精確的定位性，通常的濾波算法不具有定位性。窗口傅立葉變換算法雖然具有定位性，但窗口傅立葉變換存在窗口大小的確定問題，而小波濾波可以根據(jù)所感興趣的信號頻帶，自動選取窗口大小，這正是小波濾波較窗口傅立葉變換的優(yōu)勢所在。這種基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法包括以下步驟步驟l.首先利用測量裝置(包括入口測厚儀、入口軋制速度傳感器)在線測量過程信息，并按4~20ms的采樣周期進(jìn)行采樣。采集入口厚度信號和入口帶鋼線速度。步驟2.將入口測厚儀與出口測厚儀之間帶鋼分段，每一段的長度取zfl=j;承v讓;計(jì)算/時(shí)刻"丄位置處的帶鋼厚度—.zl丄"),"iV，-A^+l,…，iV,;=0對應(yīng)輥縫處的帶鋼段。步驟如下子步驟1，計(jì)算時(shí)刻z前一拍帶鋼運(yùn)動的位移zv(0，W)=o.57;-(，)+f(i))(1)子步驟2，初始化g-O;子步驟3，令及等于+-g-l取整，計(jì)算丄扁，(2)子步一驟4，^口果i頻k丄一;(o—p-Ai,貝寸2=3;否貝'Jg二g+i，返回子步驟3;子步驟5，令S等于丄-l取整，于是得到任意時(shí)刻,和任意位置pd丄的帶鋼厚度為+AZ,,)=i^)，p=-A^，扁7V+1，…，O,l,...，TV.(3)令—0且/>=0，得到^(0,0)的值即當(dāng)前時(shí)刻位于輥縫處帶鋼段的厚度。其中△Z—每一段的帶鋼長度，m;rs—時(shí)間離散化間隔，s;iV_入口帶鋼最快運(yùn)動速度，m/s;;(0—時(shí)刻,前一拍帶鋼運(yùn)動的位移，mv(O—f時(shí)刻帶鋼瞬時(shí)速度，m/s一Z時(shí)刻入口測量厚度，pm丄en—入口測厚^f義與輥縫的距離，mW—將入口測厚儀到輥縫之間的帶鋼等長劃分的段數(shù)g、e、5、S、》、i、丄_均為計(jì)算過程中用到的輔助變量。步驟3.確定小波分解的層次子步驟1，令分解層次乂=1子步驟2，計(jì)算第)層的細(xì)節(jié)部分的最高有效頻率/=0.5"力；子步驟3，如果/〉/，則7=7'+1，轉(zhuǎn)到子步驟2，否則轉(zhuǎn)到子步驟4;子步驟4，令最低分解屋次Ml二乂-1子步驟5,_/=1;子步驟6，計(jì)算第乂層的細(xì)節(jié)部分的最低有效頻率/=0^厶；子步驟7，如果/>/,.",則乂=)+1，轉(zhuǎn)到第六步,否則轉(zhuǎn)子步驟8;子步驟8，令最高分解層次為MH=V';分解屋次耳又^^Ml，Ml+1,..,Mh;其中,-輸入采樣頻率；_反饋頻域作用范圍上限頻率；取由于補(bǔ)償定位不確定性造成的厚度記錄偏差下限頻率；tI^-最低分解層次；MH-最高分解層次；M-分解層次。步驟4.采用小波分解方法對序列^/(/'zl丄，G)，/二iV,-Ar+l,…，7V進(jìn)行分解，得到/Z肌OvlL，&)，^),//則(pv!L，")，G肌w(/.zl丄，……，i^麗0./I丄，&)，G麗(p-AL，")；其中仏-第w層分解的細(xì)節(jié)分量；G-第w層分解的低頻分量；&-液壓伺月良系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。步驟6.通過前饋補(bǔ)償器按照得到的/(0,/》對輥縫設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。前饋補(bǔ)償量取4&;A'/(0，^);其中補(bǔ)償系數(shù)，為非負(fù)數(shù)。本發(fā)明的有益效杲是該發(fā)明提出了軋制過程帶鋼厚度波函數(shù)描述方法，將軋制過程中的帶鋼厚度在時(shí)空域中加以描述，為板厚控制及其建模仿真提供了一個(gè)實(shí)用的工具，該方法與傳統(tǒng)方法的一個(gè)區(qū)別是面向?qū)ο蠖皇敲嫦騿栴}，是基于狀態(tài)而不是基于輸出。采用小波閾值濾波方法減小了板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋頻域作用范圍的重疊，最大限度實(shí)現(xiàn)前饋與反饋控制作用的正交化，合理地減少了前饋頻域作用范圍，有利于前饋補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，提高了板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋這兩種基本控制方式的配合效率，最終能有效提高板厚控制精度。本發(fā)明有限頻域作用范圍前饋補(bǔ)償系統(tǒng)具有如下特征特征1,前饋控制的頻域作用范圍是有限的而不是整個(gè)頻域，而且前饋控制頻域作用范圍可以確定并通過濾波器精確實(shí)現(xiàn)。特征2,前饋與反饋之間頻域作用范圍的相互重疊得到減少(即最大限度上實(shí)現(xiàn)了前饋與反饋?zhàn)饔玫恼换?。特征3，前饋頻域作用范圍得到減小，有利于前饋補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。特征4，對補(bǔ)償定位不確定性的靈敏度得到降低，即對補(bǔ)償定位不確定性的魯棒性得到提高。特征5,以軋制過程厚度波函數(shù)作為前饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的厚度數(shù)學(xué)模型。'圖l是傳統(tǒng)厚度前饋原理圖2是常規(guī)前饋板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋頻域作用范圍的重疊示意圖3是采用波函數(shù)^(x,0描述軋制過程帶鋼厚度；圖4是有限頻域作用范圍前饋補(bǔ)償板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋頻域作用范圍示意圖5是有限頻域作用范圍前饋補(bǔ)償板厚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖6是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施例方式實(shí)施例圖6是本發(fā)明公開的一個(gè)實(shí)施例，板厚控制系統(tǒng)采用典型的位置內(nèi)環(huán)加厚度外環(huán)的方式，位置環(huán)的初始設(shè)定值按照設(shè)定模型計(jì)算給出，通過位置閉環(huán)調(diào)節(jié)油缸位移到設(shè)定值。入口厚度由入口測厚儀測出，入口帶鋼速度由測速輥編碼器測量并換算成線速度得到，由入口厚度和入口帶鋼速度構(gòu)建軋制過程帶鋼厚度波函數(shù)描述，再通過有限頻域作用范圍前饋控制器得到位置修正量送給位置環(huán)，達(dá)到入口厚度前饋補(bǔ)償?shù)哪康?。出口厚度由出口測厚儀測出，出口厚度與目標(biāo)厚度做比較后得到厚度偏差值，經(jīng)厚度調(diào)節(jié)器后，得到位置修正量送給位置環(huán)，達(dá)到反饋閉環(huán)監(jiān)控的目的。在本實(shí)施例中，CPU的程序執(zhí)行循環(huán)周期為10ms,對入口厚度與入口速度的采樣周期均取20ms,入口測厚儀與出口測厚儀之間的距離是4.9m，入口速度的最大值為6m/s,將入口測厚儀到出口測厚儀這段帶鋼分段，每一段的長度為20ms*6m/s=0.12m,即平均分成41等份。設(shè)液壓伺服系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)稱值^為60ms，通過求解波函數(shù)計(jì)算得到wOrzl丄，&)，/=-20,-19,...,20。在本例中，選用計(jì)算最方便簡單的Haar小波。分解層次確為M尸1，M/產(chǎn)4，M=l、2、3、4。原始采集序列<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>以上表格中斜體數(shù)據(jù)為輥縫處帶鋼的厚度。(0,")=-2.29，前饋補(bǔ)償量化=-0.8*(-2.29)=1.832對于某可逆六輥冷軋機(jī)，在未采用本發(fā)明方法時(shí)采用位置環(huán)加厚度監(jiān)控軋制出口厚度為0.26mm的帶鋼，長度8000m,所得到的金屬帶材同板厚差小于5pm。采用本發(fā)明的方法在同一設(shè)備上軋制同樣的帶鋼，所得到的金屬帶材同板厚差小于3pm。同時(shí)，采用本發(fā)明的方法減少了不穩(wěn)定軋制階段的板厚超差段長度，有效提高了軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。本發(fā)明的方法適用于單機(jī)架冷軋機(jī)或冷連軋機(jī)。權(quán)利要求1.一種基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，其特征在于所述方法包括以下步驟步驟1首先利用測量裝置在線測量過程信息，所述測量裝置包括入口測厚儀和入口軋制速度傳感器，按照采樣周期采集入口厚度信號和入口帶鋼線速度；步驟2計(jì)算t時(shí)刻p·ΔL位置處的帶鋼厚度ψ(p·ΔL，t)，p＝-N，-N+1，...，N；p＝0對應(yīng)輥縫處的帶鋼段；步驟3確定小波分解的層次；步驟4采用小波分解方法對序列ψ(p·ΔL，td)，p＝-N，-N+1，...，N進(jìn)行分解，得到HML(p·ΔL，td)，GML(p·ΔL，td)，HML+1(p·ΔL，td)，GML+1(p·ΔL，td)，......，HMH(p·ΔL，td)，GMH(p·ΔL，td)，p＝-N，-N+1，...，N；其中Hn-第n層分解的細(xì)節(jié)分量，Gn-第n層分解的低頻分量；步驟5令ψ*(p·ΔL，td)＝GML(p·ΔL，td)-GMH(p·ΔL，td)，p＝-N，-N+1，...，N；步驟6通過前饋補(bǔ)償器按照得到的ψ*(0，td)對輥縫設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，前饋補(bǔ)償量為ΔSg＝-k·ψ*(0，td)；其中k-補(bǔ)償系數(shù)，為非負(fù)數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟2計(jì)算^(/7.Z1Z,《-#+1，…，;V的具體步驟如下子步驟1:計(jì)算時(shí)刻/前一拍帶鋼運(yùn)動的位移Zv(0，zvO)=o.57;.(r(o)十r(i))(1)子步驟2:初始化g二o;子步驟3:令》等于+-l取整，計(jì)算丄，，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>子步驟4:如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>,則2=^;否則3=^+1，返回子步驟3;子步驟5:令i等于務(wù)-g—i取整，于是得到任意時(shí)刻？和任意位置;'zLL的帶鋼厚度為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>令^=0JLp=0,得到v/(0,0)的值即當(dāng)前時(shí)刻位于輥縫處帶鋼段的厚度；"0)—時(shí)刻,前一拍帶鋼運(yùn)動的位移，m;7;—時(shí)間離散化間隔，s;v0)—,時(shí)刻帶鋼瞬時(shí)速度，m/s;AO)—f時(shí)刻入口測量厚度，fim;ZEN—入口測厚儀與輥縫的距離，m;AL—每一段的帶鋼長度，m;TV—將入口測厚儀到輥縫之間的帶鋼等長劃分的段數(shù)；g、2、■、S、及、i、丄顯均為計(jì)算過程中用到的輔助變量。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于波函數(shù)的冷帶禮機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟3確定小波分解的層次，其具體步驟如下子步驟l:令分解層次7'=1;子步驟2:計(jì)算第y層的細(xì)節(jié)部分的最高有效頻率/^0.57—1/,;子步驟3:如果/>/似，則7'=_/+1，轉(zhuǎn)到第二步，否則轉(zhuǎn)到第四步；子步驟4:令最低分解層次ML=>1;子步驟5:戶l;子步驟6:計(jì)算第7'層的細(xì)節(jié)部分的最低有效頻率/K).5V;;子步驟7:如果/>厶,"，則7=/+1，轉(zhuǎn)到第六步,否則轉(zhuǎn)第八步；子步驟8:令最高分解層次為^H二乂；子步驟9:分解層次取肘=714,^^+1,..，#1{;其中,-輸入采樣頻率；/加-反^t頻域作用范圍上限頻率；由于補(bǔ)償定位不確定性造成的厚度記錄偏差下限頻率；ML-最低分解層次；MH-最高分解層次；M-分解層次。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，其特征在于采樣周期為420ms。全文摘要本發(fā)明公開一種基于波函數(shù)的冷帶軋機(jī)板厚控制有限頻域前饋補(bǔ)償方法，該方法包括以下步驟步驟1利用測量裝置在線測量過程信息；步驟2計(jì)算ψ(p·ΔL，t)，p＝-N，-N+1，…，N；步驟3確定小波分解的層次；步驟4采用小波分解方法對序列ψ(p·ΔL，t_d)進(jìn)行分解，得到各層的低頻成份和細(xì)節(jié)成份；步驟5令ψ^*(p·ΔL，t_d)＝G_ML(p·ΔL，t_d)-G_MH(p·ΔL，t_d)；步驟6通過前饋補(bǔ)償器按照得到的ψ^*(0，t_d)對輥縫設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。該發(fā)明采用小波濾波方法減小了板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋頻域作用范圍的重疊，最大限度實(shí)現(xiàn)前饋與反饋控制作用的正交化，合理地減少了前饋頻域作用范圍，有利于前饋補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，提高了板厚控制系統(tǒng)中前饋與反饋這兩種基本控制方式的配合效率，最終能有效提高板厚控制精度。文檔編號B21B37/58GK101596554SQ20091007481公開日2009年12月9日申請日期2009年7月1日優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日發(fā)明者王益群,剛陳申請人:燕山大學(xué)