面向復雜工程能力培養的精軋AGC實驗虛擬仿真系統

萬春秋， 李 擎， 李希勝， 崔家瑞， 徐銀梅

（北京科技大學自動化學院，北京 100083）

0 引言

基于產業需求為導向的“新工科”新范式建設背景，探索面向復雜工程的課程模式成為培養高素質工程人才、提升高等教育教學質量的一條重要途徑［1］。基于學校學科特色，將自動化專業人才培養目標定位為：“培養具有冶金行業特色的自動化領域復合創新型工程技術人才”。遵從學校“崇尚實踐”的優良傳統，面向冶金自動化工程實踐成為培養學生工程能力的重要環節，其目標是讓學生理解并掌握冶金行業自動控制系統設計的整體知識體系，提升工程意識和工程實踐能力，培養解決冶金自動化領域“復雜工程問題”的能力。基于自動化專業人才培養目標，在實驗實踐類課程教學方面做了很多積極探索，并取得了一系列成果［2-4］，但與人才培養需求仍存在差距。

帶鋼熱連軋過程控制是冶金領域的一個研究熱點，相關實驗課程對于以冶金為特色學科的高校自動化類學生的教學實踐具有重要意義。該系統具有結構復雜、現場環境惡劣等特點，傳統的實驗箱等教學模式不能復現真實的現場環境，不利學生對相關知識進行系統的理解和掌握。為滿足行業對高素質人才的需求，將信息技術與實驗教學進行深度融合［5］，利用虛擬仿真技術進行具有學科特色的實踐教學改革［6-8］。

本文選取帶鋼熱連軋過程控制技術研究中具有典型意義的精軋自動厚度控制（Automatic Gauge Control，AGC）系統為對象，設計開發了虛擬仿真實驗，幫助學生系統地理解AGC系統的原理，掌握系統設計與研究方法，鍛煉工程創新思維和研究探索能力。

1 精軋AGC系統及模型

1.1 精軋AGC系統

精軋AGC系統以軋制規程厚度設定值為控制目標，采用厚度反饋閉環控制方式（PI 控制器調節液壓壓下，控制軋機輥縫調整量），同時考慮溫度擾動（軋件來料溫度波動造成，引起厚差的主要擾動）和厚度擾動（軋件來料厚度不均勻造成）因素，將帶鋼出口厚度波動量控制在要求的精度內［9-11］。7 機架AGC系統控制結構如圖1 所示。其中：δh1～δh7分別為機架F1～F7帶鋼出口厚度波動量；δS1～δS7為相應機架輥縫調節量；δK1～δK6為帶鋼出口硬度波動量（溫度波動造成）。

圖1 精軋AGC系統控制結構

根據現代冶金企業不同規格產品的生產需求及厚度控制要求，帶鋼出口厚度控制范圍一般為1 ～20 mm，厚度誤差控制范圍為20 ～30 μm，超調量要求小于30%，調節時間要求小于2 s。

1.2 系統模型

根據圖1 控制結構，精軋AGC系統涉及模型主要為變形區和液壓系統模型。

（1）變形區模型。主要包括增量厚度方程、增量軋制力方程、增量速度方程和增量套量方程，方程表達式詳見文獻［12-13］。

（2）液壓系統模型。壓下系統由伺服放大器、電液伺服閥、液壓油缸和位移傳感器等環節構成，實質為一高階系統。由于其大部分環節慣性很小，壓下系統一般可簡化為一個二階環節［9，14］

式中：Kh為系統比例放大系數；ξ為系統阻尼比；ωn為無阻尼自然頻率。

2 軟件設計

2.1 實驗框架設計

按照由淺入深的層次構建遞進式虛擬仿真實驗體系，包括控制原理認知、控制系統設計與實現和控制過程研究，詳見圖2。

圖2 虛擬仿真實驗設計框架

（1）控制原理認知。為使學生了解精軋AGC 系統研究的工程背景，加深學生對控制理論專業知識的理解，重點培養學生的工程認知能力和自主學習能力。

（2）控制系統設計與實現。使學生根據精軋AGC系統性能要求完成控制系統方案設計，利用Simulink軟件完成仿真模型搭建，基于Matlab 開發環境完成系統界面設計及后臺編程，使學生系統掌握控制系統的數字仿真技術、軟件編程技術以及獨立分析問題、設計解決方案的基本方法。

（3）控制過程研究。學生利用自主設計的軟件系統完成控制參數整定以及PI參數對控制效果的影響，引導學生對實驗中出現的問題進行分析研究，加強指導老師和同學之間的討論、溝通，培養學生的工程研究、工程創新思維和溝通協調能力。

2.2 實驗模塊設計

根據層次遞進式實驗設計方案，實驗目標是引導學生由淺入深地完成精軋AGC系統的設計與研究，控制過程研究模塊為實驗設計的核心。

2.2.1 實驗界面

實驗界面結構和功能設計如圖3、4 所示。

圖3 控制過程研究模塊實驗界面結構和功能示意圖

圖4 控制過程研究模塊實驗界面

（1）系統參數設置。主要包括變形區和液壓系統參數。通過系統參數設置及相應的仿真，可實現對不同軋機型號和軋制規格精軋AGC系統進行研究。

（2）控制參數設置。主要包括液壓系統PI 控制器的比例常數Kp和積分常數Ki。通過比例和積分常數設置及相應的仿真，可實現控制參數整定方法、不同控制參數的控制效果等研究。

（3）仿真結果展示。主要包括各機架帶鋼出口厚度偏差等控制過程曲線和末機架帶鋼出口厚度偏差穩態及動態性能指標，可用于對實驗仿真結果進行直觀展示，幫助學生學習了解不同控制參數的控制效果和穩態及動態性能指標的特征，理解不同控制參數對系統穩態和動態性能指標的影響。

2.2.2 后臺程序設計

在Matlab2018b開發環境下，通過回調函數編程、Simulink仿真模型調用等實現實驗界面“默認仿真參數”“仿真運算”等不同功能按鈕后臺程序的設計，軟件流程結構如圖5 所示。

圖5 控制過程研究模塊軟件流程

3 實驗仿真分析

以某1700 mm 熱連軋為例，對精軋AGC 系統控制過程研究模塊的實驗方法進行說明。鋼種為Q235，帶鋼入口厚度h0＝32 mm，成品厚度h＝2 mm，帶鋼厚度擾動δh0＝1.5 mm，溫度擾動δT＝20 ℃，仿真時間為t＝5 s。根據軋機型號和帶鋼軋制規格，仿真實驗的變形區參數見表1。液壓系統比例放大系數Kh＝53.17，阻尼比ξ ＝157.42，無阻尼自然頻率ωn＝6.3。

表1 控制過程研究仿真實驗變形區參數

3.1 控制參數整定研究

學生通過實驗虛擬仿真完成精軋AGC系統PI控制器比例常數Kp和積分常數Ki的整定研究，涵蓋了發散、臨界穩定和穩定等控制系統不同運行狀態，仿真實驗結果如圖6 所示。

由圖6（c）可知，當控制參數取Kp＝7.5、Ki＝4時，各機架帶鋼出口厚度偏差隨時間變化逐漸減小，系統處于漸進穩定狀態。末機架帶鋼出口厚度穩態誤差僅有δh∞＝-2.34 μm（液壓模型含飽和非線性環節，系統存在穩態誤差），超調量σp＝28.71%，調節時間ts＝1.09 s，較好地滿足了性能指標要求。

借助以上實驗虛擬仿真，可讓學生通過不同控制參數的仿真直觀地理解各類控制狀態的系統動態特性，獲得滿足性能指標要求的控制參數，了解和掌握控制參數整定的流程和方法。

3.2 控制參數影響研究

在精軋AGC 系統的實際運行中，PI 控制器的比例常數Kp和積分常數Ki對系統的控制效果影響不同，需要通過仿真實驗理解和掌握。通過對實驗仿真結果的比較和分析，可引導學生獨立思考不同控制參數對精軋AGC系統控制效果的影響，提升學生對實際工程問題自主分析的能力。

（1）比例常數影響。令PI 控制器的比例常數Kp分別在［4，10］區間等間隔0.5、［10，50］區間等間隔5取值，積分常數取固定值Ki＝4，分別進行控制過程實驗仿真，仿真結果如圖7 所示。根據圖7 仿真結果綜合分析：對于精軋AGC系統，比例常數Kp取值范圍為［7.5，10］能夠取得比較好的控制效果。

圖7 比例常數Kp 對實驗結果仿真的影響

（2）積分常數影響。令PI控制器的積分常數Ki分別在［0，2］區間等間隔0.5、［2，20］區間等間隔2取值，比例常數取固定值Kp＝7.5，分別進行控制過程實驗仿真，仿真結果如圖8 所示。由圖8 可知，積分常數Ki在［0，2］范圍時，具有明顯的調節誤差的作用，但超調量和調節時間隨著積分常數Ki的增加均呈逐漸升高的趨勢，需在滿足系統控制精度要求的前提下，盡量降低積分常數的取值。

4 實驗考核評價

基于工程教育專業論證成果產出導向和以學生為中心的要求［15］，按照實驗“預習→過程→總結→成果驗收→學生評價”五維一體評價體系設計了實驗課程的考核評價方法，實現對學生全過程的記錄與評價，突出對學生實驗成果的驗收和學生主體作用的發揮，評價要點如圖9 所示。

圖9 考核評價體系

（1）實驗預習。根據實驗任務及相關背景資料編寫預習報告，完成實驗工作的準備，占總成績10%。

（2）實驗過程。根據實驗方案、實驗規范等進行實驗操作與調試，對實驗中出現的問題進行思考解決。實驗過程是實驗課程的重要環節，占總成績20%。

（3）實驗總結。根據實驗數據和實驗現象撰寫實驗報告，重點檢驗學生的工程研究能力和工程創新思維，占總成績30%。

（4）實驗成果驗收。實驗成果是實驗質量評價的重要依據，重點檢驗學生的工程建模與設計能力、現代工具使用和綜合思維能力，占總成績30%。

（5）學生評價。除了教師的全過程評價外，還通過學生自評與互評加強學生對實驗內容的思考和同學之間的溝通，培養學生獨立思考和研究型學習的習慣，充分發揮學生的主體作用，占總成績10%。

通過以上多維度、全方位、多樣化的評價模式，以保障實驗考核的全面和公正性，以學生的實驗成果為導向，充分激發學生的實驗積極性，提升實驗效果。

5 結語

本文針對冶金自動化領域復雜工程能力培養的需求和現場工程實踐的局限性，設計了精軋AGC實驗虛擬仿真系統。實驗框架采用分層遞進的模式，由淺入深培養學生的工程認知、工程建模與設計、工程研究等能力。在實驗的考核評價中，通過五維一體的評價體系實現對學生實驗全過程記錄與評價，以學生的實驗成果為導向，充分調動學生實驗的積極性和主動性，切實強化學生解決復雜工程問題能力培養。

·名人名言·

正確的結果，是從大量錯誤中得出來的；沒有大量錯誤作臺階，也就登不上最后正確結果的高座。

———錢學森