毕业设计（论文）-单机架可逆轧机液压AGC控制策略研究.doc

第1章 绪论摘要板带材厚度精度是板带材产品的两大质量指标之一。厚度自动控制简称为AGC(Automatic Gauge Control)，是现代化冷轧薄板生产中实现高精度轧制的重要手段。目前随着轧制理论、控制理论和人工智能理论的发展，以及他们在轧制工程中的应用，使得板带产品的厚度精度与板形指标有了很大程度的提高。然而，对单机架可逆式冷带轧机采用专门的控制技术，用以实现对板带材的高精度控制，仍是板厚控制领域研究的热点问题之一。本文在收集和消化大量国内外相关文献的基础上，对自动厚度控制的基本理论以及轧机的几种AGC控制方式进行了研究，为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据。根据液压AGC系统的构成，详细推导了液压轧机负载动态数学模型，建立了单机架可逆冷带轧机液压AGC位置控制系统的数学模型。在得出液压AGC系统数学模型的基础上，应用单神经元自适应PID算法对控制器进行了设计。最后，通过Matlab软件，对所建模型进行了仿真分析，证明这种方法具有响应较快，超调量小等优点，并且系统的鲁棒性好，达到了设计要求。关键词：液压AGC；位置控制系统；单神经元自适应PID；仿真AbstractThe accuracy of strip gauge is one of the two key quality targets in strip production. Automatic Gauge Control is called AGC for short. Meanwhile,its a important means to achieve the high accuracy in modem tandem cole rolling.At present,huge advancements have been derived with the development of rolling theory,control theory and artificial intelligence theory and with their application in the rolling process.However,it is still one of researching hotspot problem in strip gauge control field that single stand invertible strip mill adopts special control technology and achieves high level control accuracy. In this paper, basic theory of automatic guage control and several AGC control method are studide and analyzed on the basis of collecting and digesting related literature at home and abroad.It provides the way to the higher accuracy research an provides the theory references.Based on the structure of the hydraulic AGC system,dynamic mathematical model of hydraulic mills are deduced and founded in detail.And then designd the controller by using the single neuron adaptive PID algorithm.At last, the model are simulated and analyzed by using Matlab software.The improved system is proved that it has many advantages.For example,fast response,small overshoot,better robust performance and so on.Keywords:hydraulic AGC; position control system; single neuron adaptive PID ; simulation3第1章 绪论第1章 绪论厚度是板带钢最主要的尺寸之一，随着技术的进步，厚度自动控制已成为现代化板带钢生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制（AGC-Automation Gauge Control）的基本方式是通过测厚仪或者其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相比较得到的偏差信号，借助各种测量装置调整压下量、张力或压下速度，将轧机出口厚度控制在允许的偏差范围内。1.1 课题研究背景和意义板带厚度精度是板带材的两大重要要质量指标之一，板厚控制技术是板带轧制领域里的两大关键技术之一。板带厚度精度关系到金属的节约、构建的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品质量，系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。目前随着轧制理论、控制理论和人工智能理论的发展，以及它们在轧制工程中的应用，使得板带产品的厚度精度与板形指标有了很大程度的提高。然而，对单机架可逆式冷带轧机采用专门的控制技术，用以实现对板带材的高精度控制，仍是板厚控制领域研究的热点问题之一。冷轧板带在轧材产量中所占比重反映了一个国家的现代化水平。我国今儿是年来不仅国有钢铁企业建立了一批高水平的中厚板轧机及带钢冷连轧机，民营企业也业建设了一批水平不低的板带轧机，是我国板带材产量达到了一亿五千多万吨。板带轧机是冶金工业中要求自动化程度最高点的领域，几乎所有板带轧机都应用了计算机控制技术。值得庆贺的是我国60%以上板带轧机的计算机控制系统是国内自主集成和自主开发的，不仅民营企业板带轧机计算机控制系统主要由国内自主开发，一批国有企业，如鞍山钢铁集团公司这样的大型国有钢铁企业也以自己研发为主，依靠国内力量自主集成板带轧机计算机控制系统。与此同时，国内的科研人员对板带轧制计算机控制技术惊醒了深入的研究，对从国外引进的设备和技术进行了学习、改造和创新。随着国民经济的发展高速发展，特别是近些年来家电行业、机电行业、轿车行业、建筑业和运输业的崛起，高性能、高附加值的冷轧板消费在急剧增加，对冷轧板厚控制技术的要求越来越高。在我国，装备较先进的现代冷轧机及控制系统基本上都是引进国外设备，我国自行研制的轧机因技术含量不高，出产的产品竞争力较差。国内轧机厚度精度呃待提高。因此本课题所研究的单机架可逆冷带轧机液压AGC控制策略的问题，不仅为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据而且对生产实践具有重要的指导意义。 1.2 AGC发展的历史概况1.2.1国内外发展过程板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由高到低的发展过程。上世纪三十年代以前，板带轧机厚度控制一直属于人工操作阶段。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动棍缝为主。自三十年代以来，到六十年代进入了常规自动调整阶段。该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。第三阶段是六十年代至八十年代的计算机控制阶段。这一阶段主要形成了计算机控制AGC系统，它能最大限度的消除系统不利影响，在各部分独立工作的同时，充分发挥综合优势，使系统更加完善。第四阶段，八十年代至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化得方向发展。这一阶段已将板厚控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。两方面的不断追求和在一起，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统。1.2.2.国内外发展现状冷带轧机板厚控制技术从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂功能的控制，其发展过程是随着对冷轧带材尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的从最开始的电动压下发展到现在的电液伺服压下，从原来的集中控制到现在的分布式计算机控制，冷带轧机板厚自动控制技术有了长足的进步。特别是近年来，国内外板型和板厚控制技术飞速的进展。国外早在五十年代就开始在电动机械压下轧机上采用AGC控制技术以提高带材纵向厚度精度。国外轧机的厚度控制应用于电动机械轧机和液压轧机、冷轧机和热轧机、连轧机和单机价轧机。近三十年来，国外轧机的装备第1章 绪论水平发展很快。在冷代轧机上广发利用液压压下、液压弯棍、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术，在新技术运用方面均已采用液压AGC系统与计算机控制相结合的DCS，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测张），且装设了板形检测装置。人工智能（AI）技术已经广泛应用，包括模糊控制（FZ）、专家系统（ES）和人工神经元网络（ANN）技术在AGC系统中的应用，已经取得了巨大成果和经济效益。我国在这方面的发展也很迅速，如在基础控制方面、计算机控制、控制算法上取得了很大成绩。智能控制等先进控制技术在轧机轧制力控制等方面也有了初步应用，并取得了一定成果。我国自行研制的冷热板带轧机的液压AGC系统也在轧制线上也得到了成功应用。我国的现有冷带板的生产已有较大的改善。然而总体上还存在着装备水平低，单套机组产能低，产品质量有待提高等诸多问题。近几年，许多引进的轧机相继进行了技术改造，增加液压压下系统，并配备计算机控制系统，实现液压厚度自动控制。在吸收国外AGC先进控制的基础上，开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高。1.2.3未来发展趋势虽然AGC系统在各个方面有不同程度的发展，但是，由于各方面因素的限制，AGC系统还并不完美。对于AGC这样一个多变量、强耦合、非线性的实时控制过程，一方面采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等最新控制理论理论，以追求控制性能的最高水平；另一方面采用神经网络、模糊控制、遗传算法等智能算法，以追求系统的灵活性和多样性。以上两方面的追求融合在一起，开发出高精度的厚度自动控制系统是AGC控制技术发展的大趋势。各种控制理论和智能算法的不同组合也在这一领域提供了广阔的探索空间。1.3本文主要内容（1）本文在收集和消化大量国内外相关文献的基础上，对板带轧机厚度控制的基本理论以及轧机的几种AGC控制方式进行了分析，为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据。（2）根据液压AGC系统的构成，从伺服阀的基本方程、液压缸连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程入手，详细推导了液压轧机负载动态数学模型，建立了液压缸系统动态模型及液压AGC电液位置控制系统的数学模型。（3）在得出液压AGC电液位置控制系统数学模型的基础上，应用单神经元自适应PID的知识对控制器进行了设计。（4）使用Matlab软件，对所建模型进行了仿真分析，证明这种方法具有响应较快，超调量小等优点，并且系统的鲁棒性好，达到了设计要求。III第2章 AGC理论基础第2章 AGC理论基础2.1 AGC的基本概念厚度是板带钢最主要的尺寸之一，随着技术的进步，厚度自动控制已成为现代化板带钢生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制（AGC-Automation Gauge Control）的基本方式是通过测厚仪或者其它传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相比较得到的偏差信号，借助各种测量装置调整压下量、张力或压下速度，将轧机出口厚度控制在允许的偏差范围内。2.2 轧机的弹性变形与弹跳方程图2-1轧制时发生的基本现象空载时的棍缝HPS0S=hf2.2.1 轧机的弹跳变形在轧制过程中由于受轧制力的作用，轧机工作机座(轧辊及轴承、压下装置和机架等)产生一定量的弹性变形。工作机座的总变形量可达2-6mm。工作机座的弹性变形将影响轧辊的开口度和辊形，从而对轧制产品的精度造成影响，尤其对轧制薄而宽的板带材产品，影响更大。图2-1示出了二辊轧机工作时轧辊的弹性变形示意图。厚度为H的轧件进入轧辊辊缝前，轧辊的开口度(称为空载辊缝或原始辊缝)为S0，轧件进入轧辊辊缝后，在轧制力P的作用下，工作机座在轧辊辊身中部产生了变形厂，使辊缝增大为S，同时轧辊产生弯曲变形，使与轧件接触的轧辊形状呈凹形(假设轧辊原始辊形为圆柱形)。弹性变形的结果使实际压下量减小，轧件出口厚度大于空载辊缝值，沿轧件宽度方向的厚度不均匀，即出现横向厚差。轧制后的轧件厚度为 h=S0+f （2-1）式中h轧后的轧件厚度(简称轧件厚度)； S0空载辊缝； f机座弹性变形(机座在轧辊辊身中部的弹性变形)； 由此可见，要得到厚度为h的轧件，应把空载辊缝S0调整到比厚度h小一个机座弹性变形量f的值上。机座的弹性变形可分为两部分：一部分是轧辊(或辊系)的变形，它包括轧辊的弯曲变形和弹性压扁。这部分变形除了加大轧辊实际辊缝外，还使辊缝在轧件宽度方向上产生不均匀的变化；另一部分是除轧辊以外的各受力零件的变形，它包括轧辊轴承和轴承座、垫块、压下装置等零件产生的压缩变形，机架立柱的拉伸变形和机架横粱的弯曲变形等。这部分变形使轧辊实际辊缝均匀增大。2.2.2轧机弹跳方程机座的弹性变形与轧制力有关。机座的弹性变形量f与轧制力P之间的关系曲线，称为弹性变形曲线或弹跳曲线，如图2-2所示。由弹性变形曲线可知，当轧制力较小时，机座弹性变形与轧制力成非线性关系，这是由于机座各零件之闻的接触面凹凸不平和轧辊的非线性接触变形造成的。当轧制力达到一定数值后，机座弹性变形与轧制力成线性关系。由于通常不在低负荷区轧制，故一般都把弹性变形曲线看成是线性的。 PPPfhfS0h图2-2机座弹性变形曲线因此，机座弹性变形曲线的斜率，用下式表示： M=tan=Pf （2-2）式中 M一称为轧机的纵向刚度系数； P一轧制力变化量； f一弹性变形的变化量。由式（2-2）可见，轧机的纵向刚度系数的物理意义是使轧机产生单位形变所需的轧制压力，它表征了机座抵抗弹性变形的能力。一般认为，机座的纵向刚度系数越大，轧机控制轧件纵向厚差的能力越强。由图2-1可见，轧制后的轧件厚度h可近似的表示为： hS0+P/M （2-3）式中 P轧制压力。 该式称为机座的弹跳方程。它表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制压力和轧机纵向刚度系数之间的关系，是轧机自动厚度控制系统的一个基本方程。PPAASSS0S0hh图2-3 人工零位时弹跳曲线由于机座各零件之间的非线性接触变形不稳定，每次换辊之后都有变化，故弹跳曲线中的非线性部分经常是变化的，因此式(2-3)很难在实际当中应用。在实际生产中，为了消除上述的不稳定和非线性影响，先将轧辊预压靠到一定的压力只，并将此时的轧辊辊缝指示器读数设置为零，称为人工零位。见图2-3，图中的弹跳曲线A就是预压靠曲线。在零位点处轧辊开始接触，当压靠力为P0时，牟L辊空载辊缝为S，是一个负值。以此点作为人工零位，即将压靠力为P0时轧辊辊缝指示器读数设为零(称为清零)。显然，当压靠力等于零时，实际的空载辊缝为零，而辊缝指示器读数则为S0。如果轧辊上升，当实际的空载辊缝为S时，辊缝指示器读数则为S0=S+ S0。曲线丬为在此辊缝下的机座弹跳曲线，它与压靠曲线A是完全对称的。因此，弹跳方程可表示为： h= S0+(PP0)/M （2-4）式中 S0人工零位后空载辊缝指示值； P0人工零位时的预靠压力。2.3轧件的塑性变形与塑性方程2.3.1 轧制压力及其影响因素 在轧制过程中，轧件在轧辊间承受轧制力的作用而产生塑性变形，与此同时，轧件也给各轧辊以大小相等的反作用力，称为轧制压力。 影响轧制压力的主要因素包括相对压下量、轧件的塑性变形抗力、张力和接触表面摩擦系数等。 (1)相对压下量在其它条件不变的情况下，随着相对压下量的增加，轧割力增大。这是由于随着相对压下量的增加，不仅变形区的长度增加，单位轧制力也增加。 (2)轧件的塑性变形抗力金属的塑性变形抗力是指在一定变形温度、变形速度和变形程度条件下，单向拉伸(或压缩)的屈服极限(又称真实应力)，一般用s表示。金属的塑性变形抗力仅与材料的性质、变形温度、变形速度和变形程度有关，而与应力状态的种类无关。 (3)张力采用张力L制是冷轧板带的工艺特点之一。采用张力轧制使轧制力显着降低，并且张力越大，轧制压力越小。不论前张力或后张力均能使轧制力减小，但前张力的作用效果更大。 (4)接触表面摩擦系数轧辊与轧件间接触表面摩擦系数对轧制压力的影响也很大。摩擦系数越大，轧制压力也越大。热轧时的摩擦系数主要与轧辊表面粗 糙度、轧辊温度和轧制速度有关。冷轧时的摩擦系数主要与润滑剂的种类、轧辊 表面粗糙度、轧制速度和温度有关。一般而言，随着车轧制速度的提高，摩擦系数降低。热轧时，轧辊温度越高，摩擦系数越小，冷轧时则相反。2.3.2 轧件的塑性曲线与塑性方程P图2-4轧件塑性变形曲线PhhHP=f(h)S在一定的轧件宽度和轧辊半径条件下，轧制力P是轧件宽度B，轧件厚度H，出口厚度h，摩擦系数，前、后张力Tf、Tb，以及轧件变形抗力s等因素的函数，可表示为： P=P(H，h，Tf，Tb，s，B) （2-5）称其为轧制压力方程。 当把除h以外所有变量都视为常量时，轧制力P与出口厚度h的关系曲线称为轧件的塑性变形曲线，如图2-4所示，其关系式称为轧件的塑性方程，表示为： P=f(h) （2-6）轧件的塑性变形曲线是非线性的，但在一般的轧机使用的压下量范围内基本是线性的。轧件塑性变形曲线的斜率，称为轧件的塑性刚度系数，可表示为 W= （2-7）式中W轧件塑性刚度系数。 轧件塑性刚度系数W反映了轧件变形的难易程度，即轧件的软硬程度。轧件的塑性变形曲线及轧件塑性刚度系数可以通过实验得到。在轧件来料厚度、张力、 摩擦系数及变形抗力等不变的条件下，改变轧后厚度h，可测得一系列相对应的 轧制压力P。再根据测得的数据，既可绘制出轧件塑性变形曲线，进而得到轧件塑性刚度系数。 当轧制条件变化时，塑性曲线及塑性刚度系数也随之发生变化。在一定的轧制压力下，轧件来料厚度愈薄，塑性曲线愈陡；轧件塑性刚度系数愈大，压下量愈小；而张力愈大，塑性曲线愈平缓，轧件塑性刚度系数愈小，轧后轧件厚度就愈薄；摩擦系数愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后轧件厚度也愈大、愈薄。2.4轧机弹塑曲线（P-H图）轧机的弹跳曲线与轧件的塑性曲线及其方程，从不同的方面反映了轧制压力P与轧件厚度h的关系。将弹跳方程与塑性方程联立求解，即可得到轧件的厚度h。 如果采用图解法，将弹跳曲线与塑性曲线绘制在同一坐标系内，即可得到轧机的弹塑曲线(Ph图)，如图2-5所示。两曲线交点的横坐标即为轧制后的轧件厚度h。其中曲线A为轧机弹性曲线，曲线B为轧件塑性变形曲线。曲线A的斜率即是轧机刚度M，曲线B的斜率是轧件的塑性刚度W，它表征了使轧件产生单位变形所需的轧制力。 Ph图直观的表示了机座弹性变形与轧件塑性变形的情况，利用该图可以综合研究变形区轧件与轧机间的相互作用力与变形的关系。P-h图是目前分析厚差和板厚控制问题的一个重要工具。2.5 轧件厚度波动的原因由弹跳方程式(2-4)可见，轧制后的轧件厚度主要取决于空载辊缝、轧制压力、 轧机纵向刚度系数这三个因素。因此，无论是分析造成轧件厚度波动的原因，还是阐明板厚控制的基本原理，都应该从对这三个因素的分析入手。 (1)空载辊缝的变化图2-5 轧机弹塑曲线（Ph图）hPPP00ABOS0S0Hh轧辊的偏心、磨损和热胀都会使实际的空载辊缝S0发生变化，从而使轧制后轧件厚度产生波动。当空载辊缝增加时，弹跳曲线向右移， 从而使轧件轧后厚度增加。反之减小。 (2)轧制压力的波动轧制压力的波动是造成轧件厚度波动的主要因素。所有影响轧制力的因素都会影响到轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过改变弹跳曲线和塑性曲线交点的位置，来控制轧件的实际轧出厚度。 a当来料厚度H增大时，塑性曲线B的起始位置右移，轧制压力增大，使轧件厚度h增大；反之，轧件厚度就减少。所以。当来料厚度不均时，轧出的轧件厚度就会出现相应的波动。这种情况虽然通过厚度控制能够得到改善，但最终难以完全消除。因此，要得到高精度的轧件轧后厚度，来料厚度必须要求在一定的公差范围内。 b当张力增大时，轧制压力减少，塑性曲线的斜率交小，轧件厚度变薄。 c当轧件与轧辊间摩擦系数减小时，轧制压力会降低，塑性曲线的斜率变小，轧件厚度变薄。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦系数的影 响而起作用的。 d当变形抗力增大时，轧制压力增大，塑性曲线的斜率增大，轧件厚度变厚，所以，当来料力学性能不均或轧制温度、轧制速度发生变化时，由于造成轧件的变形抗力波动，轧出的轧件厚度将会产生相应的波动。 (3)轧机纵向刚度系数的变化轧制过程中，由于轧辊的磨损和热膨胀沿辊身长度方向的分布不均，将使轧辊间的接触状况发生变化，造成辊系的弹性变形量的波动，即轧机的纵向刚度系数发生变化。另外，轧件变形抗力的波动，也会通过影响变形区工作辊的弹性压扁，而使轧机的纵向刚度系数发生变化。当纵向刚度系数增加时，则轧机的弹性变形减小，实际的轧出厚度减小，反之增加。 因此，定义一个等效纵向刚度系数M，来控制轧机的厚度调节能力。 M=M(1) （2-8）式中 补偿系数。 在实际轧制过程中，以上诸因素对轧件实际轧出厚度的影响都不是孤立的，往往是同时作用。因此，在厚度控制中必须综合考虑各因素。 通过以上分析可知，在图2-4中曲线A、B的交点O决定了实际轧制力的大小，从而决定了该道次的实际轧出厚度h，因此，一切影响曲线A、B的交点O位置的因素，都将影响轧件的出口厚度。板带材的厚度控制就是力图在交点位置变化的情况下，维持交点的横坐标h不变，来保证轧件厚差。为了消除各种原因造成的厚差，运用轧制时的弹塑性曲线，可采用各种不同的厚度调节方案和措施，具体有如下几种方法。 （1）调压下。调压下是厚度控制最主要的方式，常用来消除由于轧件和工艺方面的原因影响轧制压力而造成的厚度差，调压下方法包括反馈式、厚度计式、前馈式、秒流量法液压式等厚度自动控制系统，广泛应用于热连轧、冷连轧的头几机架、单机架冷轧机上。 （2）调张力。调张力即利用前后张力的变化来改变轧件塑性变形线的斜率以控制厚度。这种方法在冷轧薄板时用得较多。但目前在冷轧厚度控制时不单独应用此法，往往采用调压下与调张力互相配合的联合方法。（3）调轧制速度。轧制速度的变化影响到张力、温度和摩擦系数等因素的变化，故可通过调速来调张力和温度，从而改变厚度。2.6板厚控制方式及其数学模型xpg放大器电液伺服阀xpxpcuiQ位移传感器图2-6位置闭环原理图一个完整的AGC系统由若干个厚度自动控制系统组成，其中最主要的是压下位置闭环系统、轧制压力变化补偿系统、测厚仪监控系统、前馈控制系统及张力控制系统等，油膜厚度变化补偿、轧辊偏心补偿和加减速过程的厚度补偿也成为提高厚度精度的有效辅助控制方式。随着厚度自动控制技术的进步，近来又发展了棍缝闭环控制、物流控制及速度张力优化等更高级、更先进的厚控方式，使厚度控制的精度得到了进一步的提高。本文只对压下位置闭环系统、轧制压力变化补偿系统和测厚仪监控系统作分析，其他厚控方式不涉及，因此不再对其做介绍。2.6.1压下位置闭环系统为了轧出给定厚度的轧件，首先必须在轧件进入棍缝之前正确地设定空载棍缝。其次，在轧制过程中，为了使轧后的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时地调整空载棍缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制压下位置来完成的。压下位置闭环的作用就是准确地控制压下位移，达到设定和控制空载棍缝的目的。她是整个厚度自动控制系统的基础。压下位置控制系统又称为APC（Automatic Position Control）系统。如图2-6所示的液压上推位置闭环控制系统，其柱塞或活塞相对缸体的位移xp通过位移传感器检测出来。为消除柱塞或活塞相对缸体摆动的误差，通常在缸体两侧对称位置安装两个位移传感器，取其平均值作为实测位移值，或只在油缸中心位置安装一个位移传感器。位移传感器检测出来的电压信号，负反馈到信号输入端，与给定xp的电压信号相比较，如有误差u，则通过放大器放大并转换成电流信号i送给电液伺服阀。伺服阀获得电流信号i后，转换成液压油的流量Q送给压下油缸，再由油缸变为柱塞位移，一直到xp的反馈至xpc（实测值）与给定值xpg相等为止。这就是压下位置闭环的调节过程。图2-6中的压下位移调节量xp是整个厚控系统中其他控制环的反馈量。当没有此反馈量时，压下位置闭环实现空载棍缝的给定；当有此反馈量时，压下位置闭环实现轧制过程中空载棍缝的控制。由于空载棍缝不仅受压下位移的影响，而且还受轧辊的磨损、热膨胀及偏心的影响，所以测量压下位移还不能准确地反映空载棍缝的大小。这是上述压下位置闭环的不足之处。放大器电液伺服阀xpxpgxpcuiQ位移传感器测压仪P图2-7轧制压力变化补偿原理图2.6.2轧制压力变化补偿仅有压下位置闭环只能实现空载棍缝的设定，轧出压下规程所规定的厚度，而不能消除轧制过程中的厚度波动。当实际的轧制条件偏离压下规程所依据的轧制条件时，由于轧制压力的波动将造成轧件轧后厚度的波动。轧制压力变化补偿通过连续地测量轧制过程中的轧制压力波动P，计算出由此造成的后差h，然后根据一定的控制方案去调整压下装置以消除此厚差。图2-7所示为轧制压力变化补偿原理图。轧制压力P通过支撑辊轴承座与机架间的测压仪测量出来。将测得的轧制压力P与其设定值Ps相比较，得到轧制压力的波动信号P，把P除以轧机纵向刚度模数M，再乘以补偿系数，得到压下位移的调节量xp，把此压下位移调节量反馈到压下位移信号的输入端，去补偿xp的给定值，最后通过压下位置闭环实现空载棍缝的调整，控制纵向厚差。此时，压下位置闭环保证压下位移调节量的实现。此种控制方式压下位移调节量得数学模型为：xp= (2-9)放大器电液伺服阀xpxpgxpcuiQhchgh图2-8测厚仪监控原理图根据补偿系数的取值不同，可以实现从等候轧制到等压轧制范围内不同的控制方案，有效地改变轧机的等效纵向刚度模数。轧制压力的设定值Ps是采用轧件头部咬入时所测得的轧制压力数值，把它存入锁住存储器中作为基准值（或锁住值）。然后，轧制压力变化补偿的功能就是以轧件头部为基准，保证沿整个带卷长度上厚度是均匀的。而如何保证带卷头部的轧出厚度合格，则是设定系统的任务。AGC系统与设定系统在功能上相互补充，从而保证了厚度的控制精度。2.6.3测厚仪监控上述的压下位置闭环控制和轧制压力变化补偿，都不能消除轧辊磨损、热膨胀对空载棍缝的影响以及位移传感器与测压仪元件本身的误差对轧出厚度的影响。为了消除上述因素的影响，在轧机出口侧直接用测厚仪测出厚度偏差，然后反馈调整压下装置，改变空载棍缝，消除厚度偏差。这种控制方式称为测厚仪监控（监控AGC）或反馈式厚控系统。图2-8为测厚仪监控系统原理图。当轧件从轧机中轧出后，用测厚仪测出其厚度hc，并将它与给定目标厚度hg相比较，得出其厚度偏差h=hchg。将厚差h乘以传递系数（1+W/M）转换为压下位移的调节量xp，由压下控制系统去调整压下装置，压下位移调节量的精确实现仍由位置闭环保证。厚度测量的精确与否直接关系到厚度控制的精度。对热连轧来说，测厚仪可以是x射线或r射线的非接触式测厚仪。对冷连轧来说，除采用上述两种形式的测厚仪之外，在轧制速度较低的情况下，还可以采用接触式测厚仪。考虑到轧机结构的限制，测厚仪的维护以及为防止断带损坏测厚仪所采用的保护措施等因素，测厚仪一般安装在离辊缝较远的地方，通常L=1501750mm。因此，厚度测量点与轧制点不在一处，之后时间为 = (2-10)式中测量滞后时间 L轧辊中心线到测厚仪的距离轧制速度由于有时间滞后，所以采用比例控制很难保证系统的稳定性。而要保证稳定控制，则需要降低放大倍数，这将影响静态精度。通常，为提高系统的稳定性，测厚仪监控系统是断续采样的呃，有的还设置死去，以避免系统频繁动作。采样周期根据滞后时间和系统时间常数确定，使调整点走到测厚仪时再进行下一次采样。这种周期性的采样调节，能有效地控制系统超调，提高厚度控制精度。采样周期随轧制速度的变化而变化，因此，常使用与轧制速度成反比的计时器或脉冲发生器的计时器来控制采样周期。滞后时间越短，对压下调节系统快速性的要求就越高。当滞后时间达到压下系统时间常数的数量级后，仅仅缩短滞后时间已经不能带来明显的效果，这就要求采用快速度的压下调整装置。测厚仪监控由于存在时间滞后，难以纠正因入口厚度骤变而引起的轧后厚差。它只能纠正低频、缓变的偏差，并且必须经过几次传递时间之后，才能得到纠正。对于轧辊热膨胀和磨损引起的变换缓慢的干扰量xt和xm、弹性曲线的不完全线性、空载棍缝和轧制压力的设定值不准、位移传感器和压力传感器的测量误差等因素所造成的轧后厚度偏差，采用测厚仪监控是可以得到补偿的。测厚仪监控由于采用测厚仪直接侧厚，因而厚度的测量精度较高。但由于它存在时间滞后，因此在整个AGC系统中需要采用滞后时间较短的轧制压力变化补偿控制系统。3.目标厚度值给定厚度目标值的给定是由厚控系统以外的给定装置或计算机完成的。目前，普遍采用目标值锁定的方法，即把轧件头部咬入时所测得的轧制压力数值，把它存入锁住存储器中作为基准值（或锁住值）。然后带卷全长上的厚度仍是均匀的。如果使用真正的目标值，由于设定模型的误差，轧件头部的轧出厚度不一定等于真正目标值。这样，当AGC系统开始工作时，会由于厚度偏差过大，使调整时间过长，导致厚度不合格的长度增加，另外也会加重厚控系统的负担。板厚自动控制的核心是液压位置闭环控制系统(AGC)，板厚自动控制系统由液压位置闭环控制。如果设定准确，而且轧制过程中不存在干扰，棍缝恒定，轧件出口厚度即可保持恒定。但实际上影响厚度变化的因素是多种多样的，必需引入对出口厚度的测量，并与给定的目标厚度进行比较，当二者出现偏差时，经控制运算后对棍缝设定值做适当修正，以维持出口厚度等于目标厚度。由此构成一个简单的板厚自动控制系统。如果对板厚精度要求不是很高，改系统是可以胜任的。由于测厚仪不可能安装在靠近轧辊出口处，某一时刻的出口厚度要经过一段时间滞后才能被检测出来，因此依靠测厚仪检测来修正出口厚度，对于缓慢变换影响厚度的因素是可行的，如轧辊磨损，轧辊热膨胀等，而对变化较快的影响因素，依靠测厚仪监控环来修正，就显得无能无力了。实际轧制过程中，所有影响轧制力的因素，最终都将导致影响轧件的出口厚度，而这种变化较快的轧制力波动，不能依靠厚度监控环来修正。为减小轧制力变化对出口厚度的影响，可通过测量轧制力进行必要的补偿修正。轧制力补偿属开环控制。由以上三个环节，就构成了板厚自动控制系统的基本原理，这种控制系统具有一定的代表意义，如果参数选择合适，这种板厚自动控制系统可以轧制出具有较高精度的板带材产品。2.7 本章小结本章的主要内容是对自动厚度控制理论的分析研究。首先从轧机的弹性变形和弹跳方程切入课题，接着介绍了轧件的塑性变形和塑性方程，进而得到了目前分析厚差与板厚控制问题的重要工具P-h图，并运用轧机的弹塑曲线详细分析了轧件厚度波动的原因，最后介绍了板厚控制的几种方式。第3章 液压AGC动态模型的建立第3章 液压AGC动态模型的建立3.1 液压AGC系统的组成带材厚度自动控制AGC系统是指为使带材厚度达到设定的目标偏差范围而对轧机进行在线调节的一种控制系统。液压AGC即HAGC系统采用液压执行元件的AGC，国内称为液压压下系统。HAGC是现代板带轧机的关键系统，其功能是不管引起板厚偏差的各种扰动因素如何变化，都能自动调节压下缸的位置，即轧机的工作棍缝，从而使出后板厚恒定，保证产品的目标厚度、同板差、异板差达到性能指标要求。一个完整的液压AGC系统由若干个厚度自动控制系统组成，其中最主要的是电液位置伺服系统，它由供油管道、伺服阀、回油管道、液压缸、传感器、控制放大器组成。AGC系统可以采用厚度外环位置内环或厚度外环压力内环方式如图3-1。恒压力内环可以消除偏心但将使带钢的扰动放大，因此一般仅在凭证方式时使用，在恒压力外环上加上厚度环可以消除带钢带来的扰动以纠正恒压力环的不足。位置内环和压力内环两种方式下控制量不同，厚度外环位置内环方式算出与h与S的关系，将S加到棍缝设定值上作为位置内环给定值来消除厚度偏差h。3-1液压AGC系统的组成方式厚度外环位置内环伺服阀磁尺SSET+S厚度外环压力内环伺服阀压力传感器PSET+PSREF=SSET+S （3-1）厚度外环压力内环方式需计算出h与P的关系，将P加到压力设定值上作为压力环的给定值消除厚度偏差。PREF=PSET+P （3-2）AGC系统由测厚仪测量带材的厚度构成反馈闭环控制系统。自动位置控制系统由位移传感器测量液压缸位移或测量轧辊棍缝的位移量构成反馈闭环控制。APC系统作为AGC系统的内环，是一个高精度、高响应的电液位置伺服系统，它的任务是接受厚控AGC的指令，进行压下缸的位置闭环控制，使压下缸实时准确地定位在指令所要求的位置，也就是说，液压APC是液压AGC的执行系统。其性能指标直接决定着AGC的指标，是AGC的核心。3.2 液压伺服系统实际的液压伺服系统无论多么复杂，都是由一些基本元件组成的，根据元件的功能，系统的组成可以用3-2图表示图3-2 液压伺服控制系统的组成输入元件放大转换装置液压执行元件控制对象反馈测量元件比较元件液压能源输入元件：也称指令元件，它给出输入信号（指令信号），加于系统的输入端。例如机械位移、指令电位器、计算机等。测量反馈元件：测量系统的输出量，并转换成反馈信号。如缸体与阀体的机械连接、反馈电位器、位移、速度、压力传感器等。比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。输入信号与反馈信号应是相同形式的物理量，以便进行比较。比较放大元件有时并不单独存在，而是由输入元件、反馈测量元件或放大元件一起，由同一结构元件组成。放大转换元件：将偏差信号放大并进行能量形式的转换。如放大器、电液伺服阀等。放大元件输出级是液压的。前置级可以是电的、液压的、气动的、机械的或他们的组合形式。执行元件：产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。在液压伺服系统中，执行元件是液压缸或液压马达。Ur输入信号伺服放大器电液伺服阀压下油缸位移传感器油源 U Uf 反馈信号XP 输出信号偏差信号图3-3 位置伺服系统工作原理控制对象：被控制的机器设备或物体，即负载。一个完整的液压AGC系统由若干个厚度自动控制系统组成，其中最主要的是电液位置伺服系统，它有供油管道、伺服阀、回油管道、液压缸、位移传感器、控制放大器组成，如图3-3所示。3.2.1电液伺服阀电元件在传输、运算、参量转换等方面即快速又方便，而且几乎各种物理量都能转换成电量。所以在自动控制系统中广泛使用电气装置作为信号的比较、放大、反馈检测等元件。另外，液压元件是较理想的功率执行元件，这样把电、液结合起来，在信号处理部分用电元件，在功率输出部分用液压元件，就可以充分发挥电液两种元件的长处。所以，电液控制系统的应用日益广泛。电液控制系统中将电信号转换为机械信号的元件以力矩（力）马达应用最广，力矩（力）马达与液压放大元件一起，就组合成电液伺服阀。图3-4即为电液伺服阀的基本构成，其中，电机械转换器（力矩马达）与液压放大元件组合成电液伺服阀，它将电信号转换为液压信号输出。输入（电流）前置放大级功率放大级(滑阀)电机械转换器反馈机构位移力压力流量压力流量图3-4电液伺服阀的基本构成输出电液伺服阀与普通的电磁阀或电磁比例阀不同，它的输入信号功率很小，一般只有几十毫瓦；能够对输出流量和压力进行连续的双向控制；具有极快的响应速度和很高的控制精度，所以可以用它来构成快速高精度的闭环控制系统。缺点是造价高，对油的质量及清洁度要求高。伺服阀具有高度非线性特点，通常将它线性化处理以增量形式表示。其输出流量级得线性化方程为QL=KqxvKcpL （3-3）式中 Kq流量增益或流量放大系数，表示负载压力PL不变式，当阀芯位移xv有微小增量时所引起的流量增益；Kc压力流量系数，表示阀芯位移不变时负载压力增量与负载流量增量之间的关系，也称伐刚度。xv主阀芯位移增量；pL伺服阀负载压力增量。由于伺服阀通常工作在零点附近，工作点在灵位，其参数的增量就是它的绝对值，因此伺服阀方程式可以写成下式QL=KqxvKcpL （3-4）式中 QL伺服阀负载流量；xv阀芯位移；PL负载压力；当阀芯正向移动时，流进液压缸的流量为QL=CdWxv （3-5）当阀芯负向移动时，流出液压缸的流量为QL=CdWxv （3-6）实际上，伺服阀的响应特性既不是典型的一节环节，也不是典型的二阶环节。伺服阀究竟用什么环节表示，要由系统的频宽来决定。通常在系统液压固有频率h低于50Hz时，可用一节环节表示Gsv(s)= = （3-7）液压固有频率高于50Hz时，伺服阀频率特性用二阶环节表示，即Gsv(s)= （3-8）式中Ksv电液伺服阀的流量增益，(m3/s)/A；sv电液伺服阀的等效固有频率，rad/s；sv电液伺服阀的等效阻尼比；Tsv电液伺服阀的等效时间常数；Qv0伺服阀的空载流量。 伺服阀固有频率sv可从伺服阀制造厂提供的频率响应曲线获得。 3.2.2液压缸液压放大元件也称液压放大器，是一种以机械运动去控制流体动力的元件。在液压伺服系统中，它把输入的机械信号（位移或转角）转换为液压信号（流量、压力）输出，并进行功率放大，因此它也是一种功率放大器。液压放大元件是液压伺服系统中的一种主要控制元件，又是构成电液伺服阀的主体，它的性能和直接影响到系统的工作品质，因此了解和掌握它的特性是十分必要的。DC轧机中，我们使用零开口四通滑阀式伺服阀，而在液压压下和弯棍控制系统中，我们是封锁四通阀的一个负载窗口而将四通阀当做三通阀使用。本节我们主要介绍三通阀的特性及方程。3-5三通阀控制差动液压缸xvp00ps12QLApArPcPzXPMtBPFLK三通阀控制差动液压缸的原理如图所示：(一) 基本方程阀的线性化流量方程为：QL=KqXVKcPL （3-9）PL= PCPS/2，则其增量的拉氏变换为： PL= PC故而式的拉式变换形式又可写为：QL= KqXvKcPL （3-10）对液压缸控制腔建立连续性方程，则得QL+Cip（pspc）= （3-11）Vc=V0+ApXp （3-12）式中Cip液压缸内部泄露系数，(m3/s)Pa；Vc液压缸控制腔容积，m3；V0液压缸控制腔初始体积，m3；Ap液压缸控制的活塞面积，m2。假定活塞位移很小，即|ApX | V0,则VcV0，合并式（3-11）、（3-12）得到：QL+Cipps = （3-13）其增量的拉氏变换式为：QL =ApsXP +CipPc+ （3-1