液压AGC系统的控制算法研究硕士学位论文.doc

分类号 学号j200764426 学校代码 10487密级 硕士学位论文液压agc系统的控制算法研究a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of control engineeringcontroller design for hydraulic automatic gauge control systemscandidate ：miao suhuamajor ：control engineeringsupervisor ：assoc. prof fan huijinhuazhong university of science &technologywuhan 430074， prchinaoctober，2011华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于 保密 ，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日i毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要钢铁工业在工业化进程中始终处于基础产业的地位，板带钢是各类轧钢企业为了适应不同工业部门工业化生产各类金属或机械产品需要而生产的一种窄而长的钢板，它的生产是钢铁工业发展的一个非常重要方面。伴随现代工业技术的快速发展，对带钢厚度精度的要求越来越高，厚度自动控制系统（automatic gauge control system，简称agc系统）成为轧机自动控制不可或缺的一部分。本文在概述各类agc系统的工作原理的基础上，介绍并分析了在改变轧机可变刚度情况下的几种不同的控制方式。首先，介绍了轧机机座的弹跳方程和轧件的塑性方程， 然后采用机理分析建模的方法建立了液压agc系统的数学模型。针对所建立的数学模型，设计了常规pid控制器和模糊自适应pid控制器。为了验证控制器的控制效果，在matlab/simulink中对轧机自动控制系统进行了仿真。仿真结果表明，这两种控制算法都是有效的，并证明了模糊pid控制器具有强鲁棒性，其性能优于常规pid控制器，能使液压agc系统达到满意的控制效果。关键字：液压agc； 模糊pid控制；pid；模糊控制abstractin the process of industrialization, iron and steel industry is always in an important position, plate strip is all kinds of rolling industrial sector enterprises in order to adopt to different types of industrial production of metal or mechanical products and the production need a long narrow plate , and its production is a very important aspect of iron and steel industry. with the rapid development of modern industrial technology, the precision demanding of the strip thickness have become increasingly, mill automatic gauge control system has become an integral part of automatic control.this paper introduce works for the various types of agc system, and then introduce and analysis in case of changing the mill variable stiffness control of several different ways.first of all, introduced the mill stand of spring equation,and rolling the plastic equation modeling ,and then used the mechanism modeling method to establish the hydraulic agc system model. pid controller and fuzzy self-tuning pid controller were designed and applied to control the hydraulic agc system. fuzzy pid controller is constructed with a pid controller and a fuzzy regulator. according to input signals and their trends, the fuzzy regulator adjusts parameters of proportional, integral and differetial online through the decision gotten by fuzzy controlling system to make the object have good static and dynamic characters. in order to verify the control effect of the controller, the paper uses matlab/simulink as a simulation tool to simulate the agc. the simulation results show that both control algorithms are valid, and prove the fuzzy pid controller has strong robustnesss. the performance of the fuzzy pid controller is better than conventional pid controller, the hydraulic agc system can achieve satisfactory control effect.keyword: hydraulic automatic gague control; fuzzy pid control; pid; fuzzy control 目 录摘 要iabstractii1 绪言1.1 课题研究背景及意义(1)1.2 轧机厚度控制技术的发展现状(2)1.3 智能控制理论在轧制领域的发展(6)1.4 本文的主要内容(9)2 轧机厚度自动控制原理及方法2.1 厚度控制的基本原理和厚度波动的原因(10)2.2 厚度自动控制的基本方式(17)2.3 轧机等效刚度(23)2.4 本章小结(25)3 液压agc系统数学模型的建立3.1 液压agc系统数学模型的建立(27)3.2 液压agc系统的性能(36)3.3 本章小结(37)4 液压agc系统的控制算法研究及仿真4.1 液压agc系统pid控制器的设计(38)4.2 液压agc系统模糊pid控制器的设计(41)4.3 pid和模糊pid控制器的实现及仿真(47)4.4 本章小结(52)5 总结与展望5.1 总结(53)5.2 展望(53)致 谢(55)参考文献(56)vii1 绪言1.1 课题研究背景及意义钢铁工业在工业化进程中始终处于基础产业的地位。伴随现代工业技术的快速发展，工业生产中的各个领域对各种金属以及板带材的要求标准不断增加。为了生产出更高质量和精度的板带材产品，各国均采用了大量的现代科学新技术制造出高质量的产品，以适应激烈的市场竞争，应用现代化智能控制手段来实现多功能精密轧制，使生产出的板带材产品厚度精确到微米级。目前不管是从轧机的硬件还是结构上来讲，我国均已能生产出较为复杂的轧机设备，但要是与国外先进技术水平相比还存在着很大的差距。这些差距主要体现在控制算法、检测方法以及一些控制策略上。因此快速提高国内轧机的智能自动化控制水平己成为当前发展的重要任务。随着生产的发展，对板带材的厚度精确度的要求越来越严格，尤其是在薄带材、合金钢带材的需求量增多，并且对厚度公差的要求相当严格，应尽量缩小厚度偏差。同时轧制速度的提高也要求及时消除轧制过程中的板厚偏差。对厚度进行控制的自动控制方法是借助测厚仪器来实现的。首先利用测厚仪连续测量钢板实际轧出的厚度，然后将实际的测量值与给定的数值对比得到偏差信号，再通过控制回路和计算机的程序调节张力轧制的速度和压下装置的速度，使得厚度在允许的偏差范围内。实现厚度自动控制的系统称为厚度自动控制系统（agc)，是现代化板材生产中不可或缺的重要组成部分，它控制金属带材厚度精度，提高金属带材的成品率1。由于被控对象的复杂性和各种不确定因素影响的未知性，在厚度自动控制系统中，很难建立它的机制模型。经典控制理论是一种基于传递函数、频率特性、根轨迹等理论的控制方法。首先必须建立被控对象的数学模型，才能得到它的线性化模型和传递函数。然后，再对所得出的传函进行有效分析并设计出控制器，从而实现对被控制系统的稳定控制。对于液压agc系统，采用经典控制方法并不能建立它的精确数学模型，故会影响厚度控制的精确度。对于一些现代控制理论，近年来虽然取得了一定的成就，但是该方法的控制精度仍然不高。状态反馈控制是现代控制理论中实现agc系统控制的核心控制方法。该方法对被控系统的描述是在时域中进行的，并且能够很好的解决像agc系统这样的多输入多输出系统的控制问题。状态反馈控制对被控对象没有严格要求，被控对象可以是线性、非线性、定常或时变系统。常见的状态反馈方法主要有极点配置调节器、线性二次型状态调节器(lqr)和线性二次型输出调节器(lqy)。在智能控制领域中，许多智能控制方法都能对液压agc系统进行有效控制且控制精度高于一般的经典控制器。如模糊控制理论在液压agc系统中的应用使得该系统的控制精度得到了进一步的提升。由于模糊控制理论不需要建立被控对象精确的数学模型，且模糊规则的制定是根据经验知识制定的，故能使控制效果进一步增强。如果将模糊控制的这种优点结合到经典pid控制中，利用模糊控制规则对pid控制器的比例因子、积分系数和微分系数进行在线调节，这样能够使液压agc系统的厚度控制更加精确2。随着智能控制理论的发展，可以利用人工智能法将经验者的实践调整经验和知识存入到智能控制方法的调整规则机制库中。迄今为止，由于我国对液压agc系统的研究时间还不是很长，许多控制性能很好的智能控制方法还没能在实践中得到很好的应用。所以自动厚度控制系统的控制精度与国际先进水平还有一定的差距，智能控制程度比较低。目前，我国比较先进的轧机自动厚度控制系统一般都采用进口装置，这在很大程度上阻碍了我国在轧机技术领域的进一步发展。因此，需要将智能控制方法理论在轧机厚度控制系统方面的应用重视起来。开发智能控制的自动厚度控制系统，对于促进国内自动化智能控制技术的发展和经济实力的增强具有十分重要的意义3-5。1.2 轧机厚度控制技术的发展现状板带材厚度控制是钢铁市场发展的关键技术之一，利用自动厚度控制(agc)来提高带材厚度精度是目前提高厚度精度的走向之一，它的控制核心是控制板带材纵向厚度的均匀性6,7。故带材轧机自动厚度控制系统已成为轧制高精度板带材必备技术之一，它在提高成材率、节约原材料以及方便操作者等诸方面均发挥了重要作用。系统具有响应速度快、控制精度高、可靠性能好、系统保护功能完善和关键故障诊断能力强的优点。该系统完全满足单机架或多机架轧机的厚度控制，系统也可以根据设备情况和厂方要求进行功能选项。 板带轧机板厚控制技术和理论的发展经历漫长的发展过程。板带轧机厚度控制的发展过程是伴随对板带尺寸精度要求越来越高而不断地发展改进的，它经历了由最初的人工操作到现在的智能控制等阶段。agc系统的作用是减小轧制过程中产生的纵向上的厚度偏差，使带钢后部厚度与前端厚度基本保持一致。也就是保证带钢纵向长度上的厚度公差范围内。板带轧机厚度控制的发展大致可以分为以下几个阶段8:第一阶段是人工操作阶段。二十世纪三十年代是轧制理论的孕育萌芽时期，这个时期钢铁制造业地设备明显落后，有关液压agc系统的厚度控制采用人工手动的形式。由于科学技术发展水平比较低下，各种检测装置还没有开始使用，所以只能依靠人的经验操作对轧机和实时控制进行调整。轧制理论是在这个阶段之后才被渐渐提出来，但是从理论的提出到实践的应用需要经过长时间的发展。基于开环传递函数的经典控制理论只能对一些结构简单、控制精度要求不高的被控对象进行有效的控制，而对于复杂的轧钢系统则不能进行有效控制。由于在轧机装置工作过程中，轧制条件和状态时时刻刻都在发生着变化，故单凭经验操作并不能满足较高要求。该阶段对厚度的控制还只是处于人的手工操作阶段，远远没有达到自动厚度控制的要求标准9,10。第二阶段是常规自动调整阶段。厚度控制技术出现的标志是以厚控方程的提出和计算机自动厚度控制的带材轧机的建成投产为标志的。常规自动调整阶段的轧制理论是以力学作为出发点对轧件变形规律进行深入的研究，这一阶段进入了以力学和控制理论为核心的阶段。常规自动调整控制主要对轧件与轧机相互作用变形规律作为研究的中心11,12。随着自动控制理论和自动调节技术的发展，促使对板带材厚度的控制进入到了自动调整阶段。这一阶段的厚度控制主要是在轧机速度调整、张力调整、位置调整等方面。二十世纪五十年代英国某学者根据轧机弹塑性曲线相交点对出口板厚度的影响作用而推导了出口板厚的数学表达式，该数学表达式奠定了板厚控制理论的基础13。该学者所提出的这个理论是通过是对压力和辊缝的测量得到它的弹塑性方程，也就是说将整个机架作为测量厚度的一个测量工具。上面所描述的这种对厚度进行间接测量的方法解决了线测厚仪的传递时间滞后的缺陷，同时减小了厚度控制的响应时间。常规自动控制调整阶段的最主要的特点是以测厚仪来测量厚度，同时以模拟量和逻辑量的组合作为执行机构的来对被控对象进行控制，这样组成的的自动调节系统能够对轧制过程实时控制进行有效的调节。第二阶段的发展是轧制技术发展的一个飞跃阶段。随后，钢铁轧制技术进入到了计算机控制的阶段。计算机的出现和广泛使用对钢铁领域的轧机技术产生了重要的影响。人们最初将计算机应用到轧机领域是将它引用到热连轧设定上14,15。由于在轧钢过程中，要求快速、准确、最优状态下设定各个装置的出口厚度、辊缝值和轧制速度等，所以计算机技术的引进大大改善了控制效果，使运算顺利的进行。十九世纪六十年代，计算机控制阶段的热连轧机系统具有以下优点。(1) 降低了温度对板带材后端厚度偏差的影响；(2) 使轧机负载的分配、带材的板型和平直度大大得到改善；(3) 使带材尾部失去张力造成的厚度偏差的情况有所改善；(4) 利用活套装置减少了需要校正的干扰；(5) 即使有一个机架的厚度自动控制不能正常工作，也可以对厚度控制等进行有效的控制。在计算机控制阶段中，计算机对轧机厚度控制过程中的高精度控制方法在热轧机过程控制起到了很好的控制效果。在上世纪六十年代，由于计算机技术的迅猛发展，使得热连轧机的精确控制进入到飞速发展的高峰阶段，各个先进的工业国家开始大量投产该技术领域。此时，一些传统控制系统中的调节器逐步被淘汰，而计算机占据了主导地位，这样就形成了以检测仪、计算机和传动装置为核心的数字控制时期。计算机的广泛应用使热轧产品质量很高，而且大大节省了人力，操作上也变得更容易。由于厚度计控制方法与张力调节存在着一定的矛盾，故并不能将厚度计应用于厚度控制方案。尤其是在冷轧机的实际工作过程中，由于金属的变形抗力会随外界因素的变化发生改变，故使出口厚度偏差变得不准确。又经过十来年的发展，液压agc技术开始在板厚控制领域逐步发展。在使用液压与电动时有很大的区别，使用液压时的响应速度要快两个数量级以上。这一阶段，液压技术和计算机技术的结合使板带材厚度自动控制技术有了很大的提升。第四阶段是板带材厚度自动控制系统高速发展的阶段，这一阶段是智能控制应用到轧机领域的开始16,17。以上两种控制方法使轧机厚度自动控制系统更精确。在轧机控制领域中，板厚和张力控制是过程控制技术所面临的主要方面，在对它们进行控制的过程中，采用了近年来新研发出来的一种新型的控制器来对被控对象进行有效的控制。二十世纪初期，日本开始使用一种新型的轧机技术，该轧机技术使用冷连轧机的方法。冷连轧机方法的采用多层次多回路的控制手段，将压下自动厚度控制系统和速度自动控制系统相分离。同时，还对系统进行一定的校正，安装上测厚装置和测速装置来提高系统的控制效果。冷轧机的开始使用称为计算机控制轧机阶段的主要成就18。上述几个阶段的轧机控制技术主要采用经典的控制方法，控制效果容易受到外界因素的影响。随着智能控制技术的迅速发展，自适应控制理论、模糊控制算法、神经网络和各种控制算法的结合等都在轧机过程中得到了广泛的应用，控制精度有了进一步的提高。近些年来国内外在轧机技术方面取得了新的进展，无论是在板带材的厚度精度还是在其它方面都有很大成就。为了满足日常生活、军事、工业等各个方面的需求，各国都先后投入了大量的人力物力用于提高板带材的质量和效率，并研发了多种现代化大型轧机设备。例如日本生产出微米级厚度精度的板带材产品19。中国在轧机方面的发展也取得了可观的成绩，在理论方面已经达到了世界先进水平。但是许多轧机的生产现状不能达到满意的效果，厚度精度与先进产品有很大差距，一些理论问题和先进的控制技术没有得到广泛的应用，例如建立数学模型时，忽略的因素太多使控制精度大大下降，因此为了使实施控制效果更好，减少系统调试时间，需要进一步完善轧机装置和控制算法20,21。 1.3 智能控制理论在轧制领域的发展在二十世纪九十年代，智能控制理论的发展和完善使得轧机理论也得到了新的发展。智能控制理论能够处理轧机过程中一些传统手工控制方法所不能解决复杂问题，同时使得生产效率大大提高了。智能控制是从八十年代开始应用于轧机领域的。1984年日本小园东雄曾介绍将智能控制用于钢生产过程中的最优剪切；九十年代以后日本轧钢界的学者和工程技术人员对智能控制理论在轧钢方面的控制做了很大的贡献。在轧机工作过程中，智能控制能对参数和信息进行智能化处理。由于轧机都配有大量的智能传感器，这些传感器能够快速有效对轧制过程的各种参数（温度、轧制力、张力、速度、辊缝、板形、液压系统压力、冷却系统流量等）进行检测，智能控制器根据检测到的参数对轧机各部分根据实际需求做出相应的调整。所谓的智能化信息处理就是利用智能控制理论和工具对轧制过程中采集到的数据参照数据库进行处理，做出相应的控制对策对被控对象实施有效地控制。轧制线上采集到的数据数量多大、项目多、变化快，故必须进行及时处理，否则数据量将对规律做出不正确的反应，数据采集的效率和实际应用效果大大下降。智能化信息系统通过分析数据对控制模型的参数进行有效的调整达到优化轧制过程的目的22。智能控制理论的应用在监控轧制过程、远程维护软件、故障诊断、模型优化等方面起着重要的作用。智能控制技术在轧机过程中的应用已经成为不可避免的趋势之一，目前，该技术仍处于不断完善中。由于传统agc系统存在许多问题，最明显的问题就是在控制精度上，而智能控制技术中模糊控制和神经网络能够提高agc系统控制精度，改善轧制过程的控制效果23。模糊推理系统能够利用已经获取的专家知识和经验来确定agc系统调节辊缝的准则，实现高精度调节的要求。神经网络控制能够建立数据驱动的知识系统，利用采样数据对操作过程中一些不确定性的知识进行现场学习，对模型及模型参数进行调节，提高系统的精度24。目前应用于钢铁工业的控制方法主要有以下几种：(1) 模糊控制方法模糊数学和模糊逻辑解决了智能控制系统中自然语言和人类思维逻辑推理表达的数学化问题，使机器能模拟人脑的感知、推理等智能行为，在此基础上产生了模糊控制。模糊控制器的设计主要包括对被控对象的模糊化、模糊推理的过程和对控制结论的解模糊化的运算等过程。模糊规则的制定是基于操作者在实际应用中所积累的一些经验和知识。模糊控制理论对一些复杂的难以建立数学模型的被控对象，能够利用专家知识或是操作者的经验来对这些复杂系统进行有效的控制，如钢铁生产过程中液位的控制等。模糊控制理论已经在系统建模、预测、模式识别、故障诊断、过程优化和动态过程控制、板坯连轧等方面得到了广泛的应用25。 (2) 专家系统专家控制是一类包含知识和推理的智能计算机程序，它把某领域专家级的知识、判断、规则、感知、经验、识别、思考和信息，用计算机语言予以表达，即把人类语言符号直接转化成计算机语言信号，使机器代替专家解决某些专门问题。专家系统分直接和间接两种。在直接专家控制系统中，专家系统直接给出控制信号，影响控制过程；在间接专家控制中，专家系统位于外环及监控级中，只是通过层间界面指导内环或执行级的工作。专家系统是通过调整控制器的结构和参数，间接地影响控制过程。在钢铁工业中，专家控制已经在故障诊断、参数优化等方面处于主导地位。(3) 神经网络神经网络控制理论的最大特点就是具有非线性映射的特性。此外，神经网络控制还具备经典控制、现代控制和模糊控制等理论不能实现的学习归纳能力。由于该方法具备以上优点，故它能够对一些非线性的不确定系统进行有效地控制。神经网络擅长于从输入输出数据中学习有用的知识，总结出规律性东西。神经网络控制理论的非线性映射能力很强大，具有大量的并行分布结构以及学习和归纳能力，成为解决非线性问题的强有力工具。神经网络控制方法对不确定性系统的控制效果非常好，使其具有很强的鲁棒性和容错性。目前，神经网络技术已成功应用于轧制力预报、精轧轧件的自然宽展、轧件变形抗力预报等。 (4) 遗传算法遗传算法是一种基于自然选择和基因遗传学原理的全局优化方法，遗传算法在解空间中，能同时从多个样本点开始搜索，而不是单点寻优。遗传算法在寻优的过程中只需要适应值函数来引导搜索，不需要别的辅助信息。遗传算法迭代过程中，先形成初始种群进行迭代，根据某种性能指标保留一组候选解，进行繁殖和变异操作，然后选出新一代的候选解，重复这些过程，直至取得满意的解为止。目前遗传算法主要与其它控制方法相结合来对轧钢系统进行有效控制，如模糊控制与遗传算法相结合、遗传算法和二次型最优控制相结合等。(5) pid控制与神经网络相结合在非线性系统控制中，特别是一些参数未知的系统，参数随着时间的变化不停的变化，不能有效地对其进行有效的控制，在这些系统中神经网络控制方法发挥出了它的优越性。经典控制方法pid在实际系统控制中经常应用，然而它的结构简单，不适合用于有噪声干扰和参数变化的系统。故将pid控制和神经网络相结合，用神经网络来不断的修正pid系数。实验结果表明，两种控制方法结合可以对轧机的控制效果更加。(6) 模糊控制与神经网络控制相结合模糊控制与神经网络控制有很多相似的地方，同时又各具有自己的优缺点。将神经网络与模糊控制系统结合起来，把神经网络的自学习、自适应能力引入模糊系统，使模糊系统也具有自学习、自适应能力，而神经网络也能够利用已经有的经验知识。将两者结合起来既可以发挥二者的优点，又可弥补各自的不足，各有所长，相互补充，取得更好的效果。模糊神经网络控制器控制是利用神经网络的自学习和自适应功能，实现了模糊控制规则的自动更新，从而实现了更好的控制效果。(7) 模糊控制与遗传算法相结合模糊控制器中模糊集合定义、模糊规则完整性、隶属函数参数和参数、模糊推理机制和解模糊运算都需要根据人的经验来确定，使其在很大程度具有主观性。模糊规则的建立和调整很复杂，这给模糊控制器的设计带来了不少困难。而遗传算法可以优化模糊规则参数，将两者的优点结合起来可以对轧机系统的控制效果更完善。(8) pid控制、神经网络与遗传算法相结合采用pid控制器、神经网络和遗传算法相结合的方法来控制倒立摆系统是以pid控制器作为基础，用神经网络来调节pid控制器的参数，遗传算法对神经网络的最有权值系数进行寻优。这样既拥有了遗传算法的全局随机搜索能力，又具有神经网络的自学习适应能力，取得了较好的控制效果26。虽然智能控制方法具有很多优点，但也有许多不足之处。例如，模糊控制理论虽然不要求建立被控对象精确的数学模型，但是模糊规则的建立、隶属函数参数和论域的选取很复杂。即使根据实际经验和知识选择好了隶属函数和模糊规则，然而许多被控对象都是非线性的，在实际控制中参数时刻发生变化，而模糊控制器不能对这些变化进行有效调节。神经网络具备在线学习和调节能力，然而这需要在一定的基础上进行，故可以考虑将这两种方法结合起来，利用神经网络对模糊控制器的参数进行在线调节来实现对被控系统的有效控制。1.4 本文的主要内容基于前面所概述的轧机厚度控制的发展现状和各类智能控制方法在这个领域的应用情况，本文将在分析各类agc系统工作原理和建立液压agc系统的数学模型的基础上，设计常规pid控制器和模糊自适应pid控制器，并在matlab/simulink中对轧机自动控制系统进行了仿真，比较两种控制器的控制效果。本文的主要工作有：（1）首先介绍了轧机机座的弹跳方程和轧件的塑性方程，得到了弹性曲线和塑性曲线，并在这个曲线图的基础上分析了轧件厚度波动的原因。详细介绍了各类agc系统的工作原理，并介绍了在改变轧机可变刚度情况下的几种不同的控制方式。（2）介绍了agc系统的内环apc系统，并根据伺服阀的基本方程、液压缸连续性方程、被压回油管道方程、力平衡基本方程和位移传感器方程推导出了液压位置压下系统的闭环传递函数。在matlab环境下，分析了系统的稳定性能和动态响应特点。（3）设计了常规pid控制器和模糊自适应整定pid控制器来实现对液压伺服位置系统的控制。并在matlab/simulink中对轧机自动控制系统进行了仿真。仿真结果表明，这两种控制算法都是有效的，并证明了模糊pid控制器的性能优于常规pid控制器。2 轧机厚度自动控制原理及方法厚度作为衡量板带钢材质量的重要的一个方面，故厚度的自动控制也是现代钢材生产的重要部分。厚度自动控制系统是指轧机在轧制过程中，通过对轧辊进行在线调节使钢板的纵向厚度和横向厚度基本保持一致。实现厚度自动控制的系统称为厚度自动控制系统 (automatic gauge control systems,简称agc systems) 。轧机钢板的厚度控制包括两个方面，一个是对横向厚度的控制，也称为板型控制；另一个是对纵向厚度的控制。在轧机厚度控制过程中，使用测厚仪或传感器不断测量出板厚，并将实际测量值与设定值进行比较得出一系列的偏差信号，然后计算机相关程序和控制器根据这些信号偏差使压下装置、张力或轧制速度发生改变，将板带材厚度控制在允许的偏差范围内。由于板带材是通过轧辊辊缝中轧出来的，辊缝的大小和形状对板带材纵向和横向厚度起着关键作用，所以只有深入了解轧辊辊缝大小和形状变化的规律对轧机厚度控制的影响，这样才能提高轧机厚度控制的精度。2.1 厚度控制的基本原理和厚度波动的原因2.1.1 厚度控制的基本原理我们将轧机弹性变形曲线与轧件的塑性变形曲线在同一坐标系内所形成的曲线图称为轧机的弹塑性曲线，简称为图，如图2-1所示。如图2-1所示的轧机弹性曲线和塑性曲线图，其中，板带的轧制过程是轧件产生塑性变形和轧机产生弹性变形的过程，两个过程在同一系统中，又是同时发生的。轧件在轧制过程中的变形时按一定的规律进行的，这一规律就是塑性特性曲线。图 2-1 弹性曲线和塑性曲线图下面对图2-1中的一些参数进行定义，如表2.1所示。表2.1 参数定义表轧辊空载辊缝机座弹性变形量带材的实际厚度轧制力轧制力的变化量机座弹性变形增量轧机纵向刚度系数设轧件进入辊缝之前的原始辊缝为。轧件进入辊缝之后，开始进行轧制工作，工作机座就会在轧制力的作用下发生弹性形变，此时辊缝变大，导致与轧件接触的轧辊形状呈现出凹形状态。弹性变形会导致实际压下量减小27，经分析，所得到的轧件厚度的表达公式如式（2-1）所示。 （2-1）所谓的轧机弹性变形曲线就是轧机弹性变形的程度大小与轧制压力之间的关系用图形的形式表达出来，这个曲线也被称作是轧机的弹跳曲线。它们的关系表达曲线图如图所示。 在这里引入纵向刚度系数的概念。对照图，在曲线图上截取轧制力的变化量和机座弹性变形增量，则纵向刚度系数的表达公式如下式（2-2）所示28。 （2-2）将式（2-1）与式（2-2）联立，可以得到轧件的实际轧出厚度表达式为： （2-3）在上式中，表达了、以及之间的关系，这个关系方程式又称为是轧机的弹性变形曲线方程29,30。在图2-1-b所表示的塑性曲线中，我们将轧制力写成线性函数的形式，如式（2-4）所示。 （2-4）在这里定义轧制力的上述表达方程为金属压力方程。式（2-4）称为是轧件的塑性曲线方程。下面对式（2-4）中的一些参数进行定义，如表2.2所示。表2.2 塑性曲线方程中的参数定义表轧制力轧带材宽度来料厚度实际轧出厚度摩擦系数前张力后张力变形抗力在这里假设实际轧出厚度是变量，而、等设为恒定值，则轧制力就可以表达为： （2-5）在这里引入塑性刚度系数的概念。对照图2-1-b，在曲线图上截取轧制力的变化量和轧件弹性变形增量，则塑性刚度系数的表达公式如式（2-6）所示28。塑性刚度系数用符号来表示。 （2-6）为了提高板带材厚度控制的精度，一般需要消除一些非线性性质的影响。对于如方程式（2-3）所确定的轧机弹性变形方程，需要按照下面的方程式进行有效的调整31。 (2-7)将轧机弹性曲线和塑性弹性曲线进行组合，就可以得到轧机的图，如图2-2所示。其中曲线、曲线分别称为轧机弹性曲线、轧件的塑性曲线。轧机弹性曲线的斜率是在曲线图上截取轧制力的变化量和机座弹性变形增量的比值，称为是纵向刚度系数。轧件塑性曲线的斜率是在曲线图上截取轧制力的变化量和轧件弹性变形增量的比值。轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的交点对轧制力具有很大的作用。当塑性曲线分别变化到时，为了保障实际轧出厚度组要将轧机弹性曲线由变化到，而此时只需调整就能实现。故可以总结出，为了保障实际轧出厚度的精确控制，总使轧机弹性曲线与塑性曲线相交于等厚轧制线，从而得到恒定厚度的带材。图 2-2 轧机图由图可以看出，要获得等厚的板材，必须使轧机的弹性特征曲线和轧件的塑性特征曲线始终交到垂直的直线上，这条垂线相当于轧机刚度为无穷大时的弹性特征线，故称为厚轧制线。因此，板材厚度自动控制系统实际上就是不管轧制过程中轧件的塑性特征曲线如何变化，也不管轧机的弹性特征曲线如何变化，总是使它们交到等厚轧制线上。2.1.2 板带厚度波动的原因分析在轧机厚度控制过程中，实际轧出厚度会受到轧制压力、原始辊缝和轴承油膜厚度等因素的影响，这些因素大致可以分为轧机和轧件两个方面。其中，原料厚度变化、变形抗力以及板带材张力变化等因素都是轧件方面的因素；辊缝和油膜厚度的变化属于轧机方面的因素。油膜厚度的变化是由于支撑辊动压轴承受速度变化的影响而产生的。辊缝变化是由于轧机工作机件的弹性形变和支承辊重心发生变化致使轧辊旋转而产生的。 在图可以很清晰的分析出造成厚差的各种原因。影响轧件厚度的因素主要有温度的变化、空载辊缝变化、轧制压力、轧机的纵向刚度系数和轴承油膜厚度。（1）空载辊缝的变化在轧机工作过程中，由于轧机工作部件会产生热膨胀导致轧辊的磨损和轧辊偏心，从而使辊缝产生变化影响轧出厚度。若是在高速轧制时，出现辊缝周期性变化时就会产生高频的周期性厚度的波动32。此时的弹跳曲线变化图如对图2-3所示。由图2-3所示，当空载辊缝发生变化时，弹跳曲线也发生响应的变化。如，空载辊缝转换到或时，曲线也相应的移到或，从而使得厚度曲线由移到或。图2-3 弹跳曲线变化图（2） 温度的变化温度变化是通过温度差对轧机厚度波动产生影响，温度波动会对金属变形抗力和摩擦系数的产生很大影响，从而有一定的厚度差。（3）轧制压力的变化轧制压力的变化是产生板带材厚度控制不精确的重要原因之一。它的变化可以使弹塑性曲线的位置和斜率发生变化从而使轧机厚度发生波动。只要弹跳曲线和塑性曲线的交点位置发生变化，轧机厚度就会受到影响。以下分别是原料厚度，张力、摩擦系数、变形抗力不同时对弹塑性曲线的影响图。图2-4 轧制压力波动对轧件厚度的影响a)当原料厚度增大时，塑性曲线的起始位置右移至。轧制压力增大时，轧件厚度增大至；反之，轧件厚度就减少至。故原料厚度不均匀使轧出的轧件厚度产生相应的波动。所以将原料厚度控制在一定的误差范围内就可以使轧件厚度精度更高。b)张力的变化可以对带钢头尾部厚度和其它部分的厚度产生影响。张力增大使得轧制压力减小从而使塑性曲线的斜率变小，即轧件厚度变薄。但是若张力过大，不但会使厚度发生变化，同时宽度也会发生变化，所以在热连轧过程中通常采用微套量的不变张力进行轧制，而冷连轧是在冷态进行轧制，采用较大张力进行轧制。c) 轧件与轧辊间摩擦系数增大会导致轧制压力变大，塑性曲线的斜率变大，从而导致轧件厚度变厚。反之，会使轧件厚度变薄。轧制速度对轧件厚度的影响就主要是通过对摩擦系统来实现的。d) 变形抗力减小使得轧制压力减小，塑性曲线斜率减小，从而导致轧件厚度变薄，故当原料力学性能不均匀、温度变化或者其它参数变化时就会对厚度精度控制产生影响。(4) 轧机纵向刚度系数的变化对轧机的厚度自动控制过程中，由于受到外界因素的影响使得弹性变形曲线发生变化，进而影响轧机纵向刚度系数的变化。纵向刚度系数与轧机的弹性变形量成反比的关系，故为了提高板带材的厚度控制精度，应该增加纵向刚度系数的值。(5) 油膜厚度变化对轧件厚度的影响变化油膜厚度的变化也会影响轧件的厚度。油膜的厚度与轧件的厚度成反比的关系，它们之间的关系与空载辊缝变化对于轧件厚度的影响原理大体上是相似的33,34。除了上述因素可以对轧件厚度产生影响外，机械性能的不均匀和带钢焊缝处的硬度也会引起厚度的波动。2.2 厚度自动控制的基本方式对厚度进行控制的自动控制方法是借助测厚仪器来实现的。首先利用测厚仪连续测量钢板实际轧出的厚度，然后将实际的测量值与给定的数值对比得到偏差信号，再通过控制回路和计算机的程序使张力轧制的速度、压力、张力、压下位置及金属的秒流量等，使得厚度在允许的偏差范围内。实现厚度自动控制的系统称为厚度自动控制系统(agc)。实际板厚的获得根据方式不同可以分为直接测量和间接测量。直接测量的方法是指用安装在轧辊后的测厚仪测量轧件实际厚度。由于测厚仪与轧辊有一定的距离，所以测出的板厚不是轧制时正在辊缝中的板厚，而是到达测厚仪处的板厚。如果根据这个厚度调整压下，必然有时间滞后，其误差也是较大的。间接测量的方法是通过弹性特征方程进行计算而间接测量的，即先测出轧制力和原始辊缝，然后根据弹性方程得出板厚。这些运算过程是在plc数字计算装置中进行的，系统中的基本信号是轧制力，被调节量是辊缝。间接测量方法测出的板厚是正在辊缝中的板厚，因而无时间滞后现象。将直接或间接测厚得到的厚度输入厚度计中，并分别转换成电气量相加。如果相加后为零，说明辊缝中的板厚与设定板厚相等，即无厚度偏差，此系统中无信号输出。如果相加后不为零，则说明辊缝中的板厚与设定板厚有一个厚度偏差。此时agc便有一个信号输出，去调整压下改变辊缝或者调整张力与辊缝速度直到输出量为零，即消除了板厚差。厚度控制系统可按轧制过程中控制信息流动分成反馈式、前馈式、监控式、张力式和金属的秒流量式等方式。下面分别对这几种控制方式进行介绍。2.2.1 反馈式厚度控制虽然采用轧制压力补偿策略和闭环控制系统能够实现对压下位置的调节，然而这两种方法既不能改变轧辊磨损和膨胀对空载辊缝产生的作用，又不能减小位移传感器与测量元件自身误差对控制板带厚度所造成的影响。采用反馈式厚度控制策略能够减小上述因素对板厚控制带来的不利影响。如图2-8所示，该图为反馈式agc的结构图。在板带材轧制的工程中，是由测厚仪测量出来的，它代表实际轧出来的厚度。给定的厚度用来表示。将这两个厚度值进行比较就可以得到厚度差。故，当时，。然后将所得到的厚度偏差传递给反馈agc装置，则agc装置根据得到的信号进行一定的分析，然后对