[发明专利]一种热镀锌镀层厚度动态变规格预设控制方法

权利要求书

1.一种热镀锌镀层厚度动态变规格预设控制方法，其特征在于，应用主成分分析法，以带钢速度、气刀压力、气刀到带钢表面距离作为镀层厚度的主要影响因素，采用对数空间最小二乘拟合算法建立一个镀层厚度预设模型，提高镀锌层厚度预设定控制精度；针对镀锌生产动态变规格过程中，时常出现的变速度、目标厚度和带钢基板厚度干扰量对镀层厚度的影响，进行镀层厚度的长期自适应和短期自适应调整，提高镀锌层厚度模型的自适应调节能力；在镀层厚度控制中应用Kalman滤波算法和平滑滤波算法为镀层厚度模型参数在线更新计算，提高模型参数预设定精度，保证镀层厚度控制的准确性和稳定性；其具体步骤为：

（1）、建立镀层厚度预设模型

应用主成分分析及模型的在线应用角度，选取气刀压力P、带钢线速度V、气刀到带钢表面距离D三个对镀层厚度CW影响较大的因素，建立镀层厚度预设模型：

P=KVx1Dx2CWx3---(1)]]>

式中：K为模型常量；x₁、x₂、x₃是模型系数，可以通过实际测量数据回归分析得到；

根据实际工艺参数，建立非线性模型转化对数空间的线性预设模型方程为：

lnP=lnK+x₁lnV+x₂lnD+x₃lnCW    (2)

（2）、预设模型参数长期自适应调整方法

在镀层厚度预设模型基础上，增加预设模型参数长期自适应调整，投入到设定计算中，实现对热镀锌产品规格变化的跟踪；当一批同规格的带钢镀锌完成后，更新同一规格的预设模型参数；在模型中测量数据是整卷的平均值，并形成K个数据集合Q_k，每个矩阵依据锌层厚度划分有N个数，从Q₁到Q_N，依据先进先出原则实现新旧数据替换公式如下：

Qk=Qk_1Qk_2...Qk_n=Pk_1Vk_1Dk_1CWk_1Pk_2Vk_2Dk_2CWk_2............Pk_nVk_nDk_nCWk_n---(3)]]>

矩阵Q_k的列平均值为：

Q‾k=[P‾kV‾kD‾kCW‾k]---(4)]]>

式中，为气刀压力平均值、为带钢线速度平均值、为气刀到带钢表面距离平均值，为镀层厚度平均值；

在转化对数空间的线性预设模型方程（2）为线性化方程时，则长期预设模型为：

P=exp(lnK_l+x_1llnV+x_2llnD+x_3llnCW)    （5）

式中，x_1l，x_2l，x_3l是长期预设模型参数；K_l为长期预设模型常量；

将的平均值代入上述方程，且将K_l=1代入得：

P_k=K_l+x_1l·v_k+x_2l·d_k+x_3l·CW_k    （6）

则统计矩阵变化为B_k=A_k·X_k    （7）

其中，Bk=lnQ‾40_k(:,1)Q‾50_K(:,1)Q‾60_k(:,1)Q‾90_k(:,1)Q‾110_k(:,1)Q‾138_k(:,1),Ak=1nQ‾40_k(:,2-4)Q‾50_k(:,2-4)Q‾60_k(:,2-4)Q‾90_k(:,2-4)Q‾110-k(:,2-4)Q‾138_k(:,2-4),Xk=x1lx2lx3l]]>

这里，参数x_k应用最小二乘法参数预设得到；

Xk=(AkTAk)-1AkTBk---(8)]]>

在这个长期预设模型中，系统参数更新对于控制变量具有自适应能力，它随着数据集的改变而自动修正，即在系统运行过程中，不断的测量系统的输入输出数据，不断地根据这些数据去预设和修正模型中的参数值，模型参数的在线更新采用指数平滑滤波算法，公式如下：

x_p=αx_n+(1-α)x_n-1    （9）

式中，x_n-1为前一时刻的模型参数值；x_n为当前时刻的模型参数值；x_p为更新的模型参数值；α为平滑系数，取值为0.85；

（3）、预设模型参数短期自适应调整方法

针对当前卷的预设方法，能够对偏差快速的响应控制；假设在当前同一卷带钢中相对于输入变量刀距、压力和带钢速度的变化，带钢表面的镀厚变化很小，此时可以将镀锌过程看作是线性变化的过程，即将镀锌过程中的非线性控制采用线性控制算法来处理；短期预设控制方法首先要将公式（1）中的绝对变量替换成可变变量，然后将公式（1）两边求微分，则短期预设模型为：

dP=∂P∂VdV+∂P∂DdD+∂P∂CWdCW---(10)]]>

式中，∂P∂V=X1s·PV;∂P∂D=X2s·PD;∂P∂CW=X3s·PCW]]>

将方程中的dP，P，V，D，CW分别用ΔP，及某段采样时间内代替得方程为：

ΔP=X1s·P‾V‾·ΔV+X2s·P‾D‾·ΔD+X3s·P‾CW‾·ΔCW---(11)]]>

式中，D‾=(DTD+DBD+DTW+DBW)/4,CW‾=(CWTop+CWBot)/2,P‾=(PTop+PBot)/2;]]>

其中，D_TD和D_TW是上气刀喷嘴与带钢传动侧和工作侧的距离；D_BD和D_BW是下气刀喷嘴与带钢传动侧和工作侧的距离；CW_Top和CW_Bot分别为带钢上下表面锌层厚度；P_Top和P_Bot分别为上下表面气刀压力；

然后，公式（11）转化为如下形式：

P-P‾=x1sP‾V‾(V-V‾)+x2sP‾D‾(D-D‾)+x3sP‾CW‾(CW-CW‾)---(12)]]>

式中，x_1s，x_2s，x_3s是短期自适应模型系数；

在频域范围内，系统的传递函数为，

G_P(s)=G_V(s)+G_D(s)+G_cw(s)    （13）

从（k-1）步到k步镀层厚度、带钢速度、气刀与带钢距离、压力变化量为ΔCW_k，ΔV_k，ΔD_k，ΔP_k；

从（k-2）步到（k-1）步变化量为ΔCW_k-1，ΔV_k-1，ΔD_k-1，ΔP_k-1，则方程为：

ΔPk=X1s·P‾kV‾kΔVk+X2s·P‾kD‾kΔDk+X3s·P‾kCWkΔCWk---(14)]]>

将方程（14）转化成矩阵形式为：

Z_k=H_kθ_k    （15）

式中，Z_k=[z_kz_k-1z_k-2]^T=[ΔP_kΔP_k-1ΔP_k-2]^T，

Hk=hkhk-1hk-2=P‾kV‾kΔVkP‾kD‾kΔDkP‾kCW‾ΔCVkP‾k-1V‾k-1ΔVk-1P‾k-1D‾k-1ΔDk-1P‾k-1CWk-1‾ΔCWk-1P‾k-2V‾k-2ΔVk-2P‾k-2D‾k-2ΔDk-2P‾k-2CWk-2‾ΔCWk-2]]>

θ_k=[x_1sx_2sx_3s]^T；

则短期自适应参数调整更新采用Kalman滤波算法，公式如下：

Gk=Qk-1xk(ρ+xkTQk-1xk)-1]]>

Qk=1ρ(I-GkxkT)Qk-1]]>

θ^k=θ^k-1+Gk(zk-HkTθ^k-1)---(16)]]>

式中，I为单位矩阵，G_k为增益矩阵，z_k+1刀压测量实际值矩阵，速度、刀距、镀厚的测量实际值转置矩阵，当前时刻短期自适应参数预设值，前一时刻短期自适应参数预设值，Q_k是验证精度的协方差矩阵，ρ自适应调节速率；

当连续带钢通过气刀，带钢的镀层厚度规格发生改变时，长期自适应方法用于锌层厚度的预设定控制中，当镀锌过程中出现速度变化干扰或镀层厚度出现较大偏差时，短期自适应方法用于镀层厚度前馈、反馈和倾斜控制。