摘  要：smith预估器是工业系统中解决纯滞后问题的有效手段之一。针对2050mm热连轧机组卷取温度反馈控制系统的滞后问题，在层冷精冷区建立了Smith预估器模型结构，并给出了实施方案，使厚规格带钢(厚9mm以上)卷取温度精度(±20℃)从89．1％提高到92％以上。

关键词：热连轧；Smith预估器；反馈控制；响应速度

    Smith于1957年提出了Smith预估器。Smith预估器是解决纯滞后问题的有效方法之一，其将纯滞后环节改变为无滞后环节，系统可按无滞后进行设计，从而提高系统的稳定性。．

    在带钢热连轧生产中，层流冷却精冷区域的卷取温度反馈控制存在较大的纯滞后环节，但绝大多数厂家仍采用传统的PI调节器，这对提高热轧带钢卷取温度的控制精度是远远不够的。本文从技术上解决了Smith预估器模型的应用结构以及相关模型参数的调整方法，实现了Smith预估器在热连轧带钢生产中卷取温度反馈控制上的应用，提高了卷取温度控制精度。

1     2050mm热连轧原卷取温度反馈控制模型

    2050mm热连轧层流冷却系统分为主冷区和精冷区两部分。主冷区采用前馈动态补偿模型，即在带钢进入层流冷却区域时，根据带钢的实际温度、速度、厚度变化，采用分段跟踪控制方法，消除这些变化对温度的影响。其在预设定模型的基础上，根据带钢的实际温度、速度、厚度不断修正模型参数，预设定控制阀门的开启数量和开启时刻。

在精冷区，根据实测温度采用了反馈控制。2050mm热轧层冷精冷区的反馈控制原设计由过程机实现，过程机采用了一个简单的比例积分调节器，见图1。

    由图1可以推导出系统的传递函数为：

    在实际生产过程中，精冷区的反馈控制存在着较大的滞后。轧制不同规格的带钢，其滞后时间不同，尤其是在轧制较厚规格带钢时，由于带钢速度较慢，控制的滞后时问加长；轧制同一块带钢，由于其速度制度变化，带钢在加减速过程中的速度不同，系统的滞后时间也显著不同，这给PI调节模型的参数设定带来了很多困难。2050mm轧机轧制厚规格(厚9mm以上)带钢卷取温度精度(±20℃)一直在90％以下，随着大批量高品质带钢生产的增多，卷取温度控制精度逐渐成为一个瓶颈问题，如何更好地调整参数，适应不同规格带钢的生产成为一个难点问题。

2   Smith预估器的应用

2．1  问题分析

    2050mm热连轧层流冷却精冷区域的阀门位置见图2。精冷区域由编号G18和G19的两组集管组成，阀门数量上下8对共16个，每对阀门之间的距离约为1．26m。第1个精冷阀门至测温点的距离为20．18m，最后一个精冷阀门至测温点的距离为11．36m。每对阀门至测温仪的距离不同，即每对阀门的滞后时间均不相同。这为系统参数的调整带来不少困难，式(1)中控制器D(s)模型参数的确定比较复杂。

2．2  Smith预估器的应用形式

    对Smith预估器的应用理论研究已相当充分，很多学者发表了不同形式的Smith预估器模型。但在具体工业应用上，Smith预估器成功应用的报道相对较少。虽然它能够有效地解决滞后问题，但由于Smith预估器对实际生产过程参数的变化非常敏感，其稳定性和动态性能都受到限制，这也是Smith预估器应用不够广泛的原因之一。本文从最基本的smith预估器形式入手，开发了Smith预估器加PI调节器的应用方法。

    Smith预估器基本形式如图3表示：

    其传递函数为：

    根据smith预估器的基本形式，结合层冷精冷反馈控制系统的特殊情况，初始设计Smith预估器的实施方案如图5所示。

对于Smith预估器的应用，最关键的问题是确定对象的模型。层冷精冷区域可控喷水阀门存在顶喷和底喷两种形式，并存在不同的喷水时间常数，这给系统的建模带来了困难。初始系统设计时，对冷却系统作了简化，认为该系统是一个惯性环节。通过反复测试，最终确定了系统的时间常数。

    预估器模型的参数调整是一个难点，也是整个项目的关键点。在进行温度估计时，纯粹的预估器模型应用存在一定的问题，主要是估计的温度数值偏差过大，有时因为测量数据的失真产生严重错误，因此，在温度预估方面做了一个变比例系数的线性方程，通过该方程的动态估计，提高了温度的预估精度。

    在系统设计完成后，进行了在线程序的编制和调试，在调试过程中发现，如果仅仅调整修正系数a，系统仍存在较大静差。因此，在阀门计算部分增加了一个小的积分环节，从而有效地消除了静差，提高了卷取温度的控制精度。原来的比例环节也成为一个比例积分环节，使精冷反馈控制模型成为Smith预估器加PI调节器的形式。PI调节器的参数通过一次整定后不用再做调整，即参数无需跟随时间的变化做调整，这为现场的维护带来了很多方便。

3  Smith预估器应用效果分析

    Smith预估器投入使用后，提高了系统的稳定性，提高了卷取温度控制精度。2007年1月进行在线调试，从2007年2月起，Smith预估器模型正式投入在线运行，迄今为止，已经正常生产2个多月，轧制了约10万余吨厚规格带钢，卷取温度精度从2006年平均89．11%提高至目前92％以上，如图6所示。

4  结论

    Smith预估器较为有效地解决了热轧卷取温度的控制滞后，克服了原PI调节器参数调整的困难。在实际应用中，由于冷却水和氧化铁皮的影响，温度的检测精度会受到一定影响，这给系统控制带来一定困难，在调试过程中，需采取相应的措施，避免出现误调整。

    另外，在实际生产中，对于新钢种，过程机的预设定精度不够高，而且精冷区域的阀门可控数量仅为16个，即使精冷区阀门全部打开或全部关闭，都无法将带钢温度调整到目标温度。下一步需要对新钢种的设定进行完善。