陈星 陈健

摘 要：本文对带钢连续热镀锌生产线进行了研究，带钢镀层厚度控制系统采用传统PID控制器进行控制带钢的镀层厚度。现场的强干扰会导致镀层厚度模型参数的改变，导致传统PID控制的效果受到影响。然而，模糊控制是综合专家的操作经验，具有不依赖被控对象的精确数学模型的特点。为此，在大量现场数据的基础上设计了基于模糊控制的带钢镀层纵向平均控制系统。

关键词：气刀 带钢镀层厚度控制 模糊控制

中图分类号：U37 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0129-01

1 带钢镀层厚度控制系统

带钢热镀锌所用的主要设备有锌锅、沉没辊、稳定辊以及炉鼻子，还有气刀及调节装置。在热镀锌生产过程中，带钢通过炉鼻子进入锌锅中的锌液进行浸镀，经过沉没辊后出锌锅，再通过稳定辊和气刀，进入冷却阶段。气刀是带钢镀层厚度控制系统的核心设备。

下面以某钢厂热镀锌机组采用CLECIM公司所研发的气刀系统为例介绍气刀系统。气刀系统主要包括气刀体、移动和提升装置等，分别位于钢带两面。气刀通过4台交流无刷电机驱动前、后刀完成的，这样可以控制气刀与带钢之间的水平距离，以此控制带钢表面镀层厚度。为了对带钢表面进行实时监测，钢厂对热镀锌机组配置了镀层测厚仪。

2 镀层厚度控制及模型

以钢厂所采用的CLECIM 公司自行开发的经验公式函数模型为例，对镀层厚度控制系统的纵向平均控制进行分析。该钢厂所采用的模型经验公式为：

（1）

其中，T为镀层厚度平均值，G为经验值，k取决于带钢镀层的类型，P为气刀喷气压力，H为气刀与带钢之间的水平距离，L为气刀唇缝，V为工艺线速度，A为自适应系数。

工艺线速度仅与带钢种类等因素有关，为不可控变量，因此作为扰动量对其进行前馈控制。利用实际测量值与目标厚度相得出差值，并根据差值计算所需压力P和水平距离H的补偿量。这样，便构成是一个带有前馈的双闭环控制结构。

在实际情况下，水平距离H调节的不当会造成气流紊乱，最终影响镀层均匀度。因此在控制过程中，以喷气压力为主控制量进行优先调节。为解决检测信号的滞后问题使用了Smith预估器控制方法。其带钢镀层厚度纵向平均控制系统框图，如图1所示。

现仅考虑原系统的镀层厚度纵向平均控制，假定气刀刀唇平均唇缝值是保持不变的，因此设计新的控制方案时使用简化模型：（2），其中a，b，c为参数。取对数，取K=1，则模型转化为：使用现场数据，则可以写成：。使用普通的最小二乘算法，求出θ的估计量，并使其性能指标最优。以目标镀层60 g/m2为例，根据现场采集数据进行参数估计，得出系统θ估计值为：把参数估计值代入式（2），得到镀层厚度估计值并与现场采集的镀层厚度实际值进行比较，其误差基本保持在±1 g/m2。

3 模糊控制器设计方案

带钢镀层纵向厚度控制目标是提高带钢纵向的平均镀层厚度的精确度，喷气压力、带钢距气刀的水平距离、工艺段线速度对其镀层厚度均有影响。基于模糊控制在带钢镀层纵向平均厚度的研究方便，现保持水平距离和工艺段线速度不变，仅考虑喷气压力和平均镀层厚度之间的关系，并把被控制量的误差、误差变化作为模糊控制器的输入。于是，可以得出基于模糊控制的系统结构，如图2所示。

4 模糊控制系统的仿真与分析

根据上面分析，使用MATLAB/Simulink所提供的模糊逻辑工具箱，采用图形界面可视化工具建立模糊控制器和传统PID控制器进行仿真。现根据实际情况，设定带钢连续热镀锌厚度T为60 g/m2，带钢线速度V为130 m/min，气刀与带钢水平距离H为12 mm，刀与测厚仪之间的距离为120 m。若工艺线速度为130 m/min，则滞后时间为55 s，加上测厚仪扫描带钢时间为25 s，系统总滞后时间为80 s。系统采样时间为20 s，滞后拍数为4拍。

5 结论

在带钢镀层厚度纵向平均控制中，因传统PID控制器需要非常精确的被控对象数学模型和现场多扰动现象，提出了使用模糊PID控制的设计方案以增强对现场的控制性能。仿真结果表明，模糊控制器与原控制器相比，调节时间短，超调减小，鲁棒性增强。

参考文献

[1]党建武.模糊控制技术[M].北京：中国铁道出版社，2007：38-92.

[2]宋加.我国热镀锌钢板生产及镀锌技术的发展[J].轧钢，2006，23（3）：42-43.