（机械制造及其自动化专业论文）冷轧带钢轧制过程监测和表面几何质量评价技术的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 i 为提高带钢产品的加工质量和降低生产成本，保证自动化轧制系统可靠、高效 地运行，本学位论文在国家“九五”重点科技攀登预选项目“大型机电系统动力学 特性测试、分析与诊断”( p d 9 5 2 1 9 0 8 ) 和上海宝山钢铁集团有限公司“2 0 3 0 冷轧 带钢振动纹平整分析系统”的资助下，对轧机状态在线监测和表面几何质量评价技 术进行了深入的研究。论文对轧制过程监测和表面质量评价进行了系统的研究与实 践，重点研究了带钢振动纹的形成规律，轧制过程检测信号及特征提取，多通道监 测技术以及表面几何质量测评技术，并成功开发了一套冷轧带钢轧制过程监测及表 面几何质量评价系统。j 论文建立了轧机系统的质量集中模型，研究了机构振动和轧制过程振动相互影 响和相互作用的关系，分析了轧制过程振动纹的形成原因，并探讨了减少振动纹的 相应措施。 研究了轧制过程振动信号的特征提取方法。在分析了高阶统计量、高阶谱、高 阶时频分布以及循环平稳理论优缺点的基础上，将高阶统计量、高阶谱、高阶时频 分布和循环平稳理论引入到设备状态监测和故障诊断技术中，并在生产实际中进行 了应用。 通过对高维数据空间降维技术的研究， 较人工神经网络和支持向量机的分类方法， 质量的评价方法。 提出了多通道状态监测方法。并通过比 提出了基于支持向量机的带钢表面几何 开发了一套基于多通道技术的s l n 过程在线监测与表面几何质量评价系统。介 绍了整个监测系统的总体结构、功能和特点；探讨了基于t c p i p 技术的监测数据通 讯的一般规程，并设计了相关软件程序。 现场实践表明：上述方法是有效的和适用的，该系统稳定可靠，能准确有效地 进行轧制过程设备状态的监测和带钢表面几何质量的评价。在生产实践中具有良好 的应用前景。 本学位论文所研制的冷轧带钢表面几何质量测评系统，在2 0 0 1 年1 2 月通过了宝 钢冷轧部的验收。 关键词：冷轧特征提取，多通道监测，高阶统计分析，支持向量机：i ，钆 一一一一一一一一一一 i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nc o l d r o l l i n go n l i n e c o n d i t i o n m o n i t o r i n g i sc o n c e n t r a t e di nt h e d i s s e r t a t i o nf o ri t sg r e a ti m p o r t a n c et oi m p r o v e r o l l i n gs t r i pq u a l i t y , r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t a n de n s u r ea u t o m a t i o nm a c h i n es y s t e mw o r k i n gi nh i g he f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t y w i t ht h e s u p p o r to f n a t i o n a ln i n e f i f t hk e y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp a n d e n g p r o j e c t ，“d y n a m i c s f e a t u r e m e a s u r e ，a n a l y s i s a n dd i a g n o s i so n l a r g e s c a l e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l s y s t e m ”( n o p d 9 5 2 1 9 0 8 ) ，a n ds h a n g h a ib a o s t e e lg r o u pc o l t d sp r o j e c t ，“t h es t r i p w a v ea n a l y s i ss y s t e mo n2 0 3 0c l o dr o l l i n gp a l n e r ”，t h ed i s s e r t a t i o ni n t e n d st os t u d v f o r m i n gr u l e o ft h e s t r i p sw a v e ，f e a t u r ee x t r a c t i o n o fr o l l i n g p r o c e e d i n g ，m u l t i w a y m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t h ef a c eg e o m e t r i c a lq u a l i t yt e s tt e c h n o l o g y , a n dt o d e v e l o pa r o l l i n gp r o c e e d i n gm o n i t o r i n ga n df a c eg e o m e t r i c a lq u a l i t yt e s t i n gs y s t e mb a s e do nh i g h d i m e n s i o nd a t as i m p l i f i c a t i o n f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em a s s c o n c e n t r a t e dm o d e lo f r o l l i n gm a c h i n e s y s t e m r o l l i n gm e c h a n i s mv i b r a t i o na n dr o l l i n gv i b r a t i o n ，d e d u c e st h ei n t e r a c tr e l a t i o no ft h e r o l l i n gm e c h a n i s mv i b r a t i o na n dr o l l i n gv i b r a t i o n m e a n w h i l et h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e f o r mr e a s o n o f t h e s t r i pw a v ea n d t h em e a s u r et or e d u c et h es t r i pw a v e s e c o n d l yt h es t r a t e g i e so ff e a t u r ee x t r a c t i o ni nr o l l i n gm o n i t o r i n ga r ef u r t h e rs t u d i e d t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fc u m u l a n t s ，h i g h - o r d e rs p e c t r u m ，h i g h o r d e rt i m e - f r e q u e n c ya n dc y c l e - s t a t i o ns i g n a lp r o c e e d i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e d a n dt h ea b o v e m e t h o d sa r ei n t r o d u c e di n t ot h e e q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s m o r e o v e r , t h e i ra p p l i c a t i o ni nf a u l td i a g n o s i si st e s t e di np r o d u c t i o n t h i r d l y , t h er e d u c t i o nd i m e n s i o nt e c h n o l o g yo nh i g hd i m e n s i o nd a t as p a c ei ss t u d i e d ， t h em u l t i w a ym o n i t o r i n gm e t h o di sp r o v i d e d t h em e t h o d so fc l a s s i f i c a t i o no nt h en e u r a l n e t w o r ka n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea r ec o m p a r e d ，a n dt h em e t h o do ns u p p o r tv e c t o r m a c h i n et oe v a l u a t et h es t r i pw a v ei sp r o v i d e d t h e n ，ar o l l i n gp r o c e e d i n gm o n i t o r i n ga n df a c eg e o m e t r i c a lq u a l i t yt e s t i n gs y s t e mi s d e v e l o p e d ，o fw h i c ht h ea r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n sa n dp e c u l i a r i t i e s a r ed e s c r i b e d t h e m o n i t o r i n gd a t ac o m m u n i c a t i o nr e g u l a t i o n sb a s e d0 1 1t c p i pt e c h n o l o g ya t ed i s c u s s e da n d t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d f i n a l l y , t h eo p e r a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea b o v em e t h o d sa r ee f f e c t i v ea n d p r a c t i c a l ， a n dt h ep r o t o t y p e s y s t e m w o r k s t e a d i l ya n dr e l i a b l ya n dc a nm o n i t o rt h er o l l i n gp r o c e e d i n g i i 华中科技大学博士学位论文 a n de v a l u a t et h e s t r i p f a c eg e o m e t r i c a lq u a l i t y s ot h es y s t e mh a sw i l d p r o s p e c t i v ei n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a d d i t i o n a l l y , t h es y s t e mh a sp a s s e dt h ee v a l u a t i o n o r g a n i z e db yt h e c o l d r o l l i n g d e p a r t m e n to fb a os t e e lg r o u pc o k e y w o r d s ：c o l dr o l l i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，m u l t i - w a y m o n i t o r i n g ，h i g h 。o r d e rs t a t i s t i c a n a l y s i s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i i 华中科技大学博士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 1 绪论 本学位论文得到国家“九五”重点科技攀登预选项目“大型机电系统动力学特 性测试、分析与诊断”( p d 9 5 2 1 9 0 8 ) 和上海宝l 【j $ f l 铁集团有限公司“2 0 3 0 冷轧 带钢振动纹平整分析系统”两项课题的支持，是上述两项课题的重要组成部分之 。 1 1 2 课题的提出 2 0 0 1 年1 1 月1 1 日世贸会议签字仪式的结束，标志着中国作为最大的未完全开 发市场加入了世界贸易组织。贸易堡垒的消除、关税的降低，使生产厂商面临着国 内外同行更加激烈的竞争。竞争的加剧，导致卖方市场转化为买方市场。企业的生 存权或竞争力，在根本上取决于市场。市场作为一只“看不见”的手，真正操纵着 资源的最优配置和企业的优胜劣汰。 “入世”后，随羞人们可供选择的产品越来越多以及人们生活水平的进一步提 高，对商品的质量要求也越来越高。特别是彩电、空调等家电产业和汽车产业的迅 速发展，在生产用钢量越来越大的同时，对钢材的质量要求，尤其是表面质量的要 求也越来越高。 钢铁生产质量要求的提高不仅要靠轧制设备的安全稳定运行，而且需要选用合 适的工艺参数进行生产。热轧、冷轧机组这样的大型设备要实现安全、有效运行， 必须装备工况监测与故障诊断系统，才能保证其安全、可靠、稳定地运行。而现代 工业生产，特别是流程工业，对生产过程的监测，已远远超出了单纯的设备状况监 测的范畴，要求在生产过程中，能根据生产工艺的变化来控制产品的质量以满足客 户的要求。 而轧制自动生产线始终存在着一个问题：带钢振动波纹。振动纹产生的原因集 中在工艺过程和机械部件缺陷。带钢振动波纹的存在，严重影响了轧制产品的质量 性能，降低了产品的质量等级，无法满足工业产品质量要求越来越高的实际需要。 于是有必要在对整个生产过程进行工况监测、故障诊断的同时，进行质量评价，利 华中科技大学博士学位论文 用生产数据以及建模、优化方法在约束条件下求解最优的工艺生产参数，提供最优 的生产过程。 目前，国内外在各种关键设备上广泛开展了设备状态监测与故障诊断工作，大 型关键设备或生产线几乎都配有规模不等的状态监测与故障诊断系统，然而这类系 统目前大多数局限于单通道技术，以是否超过单通道门限确定设备是否处于正常状 态，是否产生振动波纹。而对于象冶金行业中热轧、冷轧这样的生产设备，它的产 品质量直接取决于生产设备的运行状况、生产过程的工艺参数，因此工艺参数、设 备状态参数共同形成设备正常生产的过程空间。也就是说，设备正常生产过程已不 是单个通道所能描述的，它是多个通道信号所共同确定的。如何对多通道过程进行 描述呢? 定性描述己不能满足现代生产品质的需要，必须对生产过程进行多通道统 计性能评价，使之能更加准确地反映生产线的生产过程。当前由于国内轧机组普遍 缺乏多通道状态监测、分析与故障诊断的手段，致使轧制机组的运行问题较多，而 且产品的质量不能得到很好的保证。 企业的竞争根本上是质量的竞争。目前国外大公司质量控制已从经典的“3 o ” 质量控制理论，转向全面品质管理( t q m ) 。在9 0 年代初期美国摩托罗拉公司，面对 来自闷本产品品质的强劲竞争，率先喊出了6o 策略。6o 品质管理基本上是“零缺 陷”管理。企业通过实施6o 品质管理策略，产品质量大幅度提高，获得了巨大的 经济效益。以冷轧平整过程机为例，以l o 分钟平整一卷钢、每卷钢价值1 0 万元计 算，年产值则为5 2 5 ，6 0 0 万元。按经典的“3o ”质量控制理论，当生产过程处于 稳定状态时，产品的合格率为9 9 7 3 ，不合格率为0 2 7 ；按现代的“6o ”质 量控制理论，不合格品率为2 x 1 0 一，不合格品率比“3o ”质量控制低1 0 6 倍，不 合格品大幅度降低。 6o 方法涉及到许多控制方法、分析手段以及解决问题的“软”性内容。可采用 的控制方法有因果分析、排列图、矩形图、抽样检验、控制图。分析手段有统计过 程控制( s p c ) 、测评体系分析、失效模式与效果分析( f m e a ) 、实验设计( d o e ) 、 假设分析。用来解决问题的“软”性内容包括团队的建立、项目的管理、矛盾的解 决、跨职能部门问题的解决等方面内容。 本论文从统计过程控制和测评体系分析着眼，首先分析了生产过程产品缺陷的 形成原因，然后研究了如何提取生产过程中振动信号的特征，结合工艺信息和振动 特征信息建立了正常轧制过程模型，进而实现多通道监测，最后利用多维空间降维 技术进行降维处理，以处理后的主成分作为分类工具的输入向量，建立了产品测评 体系。在上述工作的基础上可通过建立工艺参量与产品质量之间的关系，确立满足 质量要求的生产过程工艺规范，以期达到按客户质量要求进行高速、满负荷、优质 2 华中科技大学博士学位论文 的生产降低企业的质量成本，提高企业信誉度。 从以上分析可以看出，采用统计过程控制建立测评体系的技术可获得巨大的社 会和经济效益。目f i i ，国外已成功地将s p c ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术应 j 于流 程工业的质量控制，并开发了m p c a 、m p l s 等一系列质量控制与分析方法。但这 些成功的方法只是针对过程参量中的单一变量或少数变量进行的，这些研究不仅考 虑的变量个数较少，而且不考虑设备的状态信息。尽管国内外将s p c 技术引入状态 监测与故障诊断领域的研究工作取得了长足的进步。但是理论研究与实际应用表明， 还存在着一系列的理论与应用方面的问题。一方面，由于连续过程的特点及其相关 数据处理的复杂性，使得多变量统计过程控制从理论方法到实际应用，都还有许多 问题有待研究解决，因此作为多通道设备监测诊断技术的理论还有许多需要完善的 地方；另一方面，信号处理正进入一个新的发展时期，新的理论成果，新的处理方 法不断涌现，也促使人们在理论和方法上向更深层次探索，此前均假设信号及其背 景噪声是高斯的、平稳的，而对信号的分析只是基于它的二阶特性和傅氏谱，其对 象系统也限于时不变的线性和因果最小相位系统。虽然上述假设及由此而构成的系 统在许多场合是适用的，但更多的实际应用要求人们去研究非平稳、非高斯信号， 以及时变、非线性系统。此外，模式识别方法也层出不穷，新方法的引入也需要投 入人力、物力进行应用性研究。因此可以说，在设备状态多通道监测、故障诊断以 及测评体系的系统研究与开发中，尚有大量的理论和应用问题有待解决和深入研究。 基于以上考虑，本学位论文选择“多通道状态监测、故障诊断以及表面几何质 量测评体系中若干关键技术研究”作为研究方向，并以冷轧带钢平整生产线这一复 杂系统作为具体研究对象，通过建立准确的轧机振动模型研究轧机带钢表面波纹形 成原因；利用高阶统计量、高阶谱、高阶时频分布和循环平稳理论等方法，提取轧 制过程振动信号的特征：研究多通道信号降维技术及多通道监测理论和方法：研究 支持向量机分类方法并提出了基于支持向量机理论的带钢表面质量评价方法：以冷 轧带钢平整生产线为应用对象，研究完成了一套完整的冷轧带钢平整生产线状态监 测和故障诊断系统。 1 1 3 课题的意义 研究和发展轧制过程多通道状态监测、故障诊断以及表面几何质量测评体系中 的若干关键技术问题具有重大的学术价值、社会效益和经济效益。这是因为一方面 它将促进机械设备状态监测和故障诊断技术的发展和完善而具有重要的理论意义， 另一方面这些研究成果直接应用于生产实际而具有重要的现实意义和实用价值。课 题的具体意义体现在以下几个方面： 3 华中科技大学博士学位论文 1 研究了轧机的带钢振动纹的形成原因，为轧制过程状态监测和表面几何质量 评价提供了理论依据。它作为轧机设备状态监测的有机组成部分，将进一步促进监 测技术的发展。 2 探讨了轧制过程振动信号的特征提取技术，特别是高阶统计量、双谱和三谱、 高阶时频分析方法和循环平稳理论在振动信号中的应用，进一步完善了特征提取技 术。 3 研究了多通道监测理论及方法。重点研究了多通道监测变量、监测变量的统 计上限的确定、模型建立以及工艺条件变化后模型的重构，解决了变量间自相关严 重，变量数据空间维数过大、干扰未知、信噪比低等问题。 4 比较了神经网络和支持向量机的评价方法，提出了多类支持向量机评价方法， 为表面几何质量测评体系提供了更优化的评价工具，为带钢的品质管理进行多通道 评价提供了一条新的思路。 5 研制了冷轧带钢平整生产线多通道状态监测、故障诊断以及表面几何质量评 价系统，将为冷轧带钢平整生产线的安全运行提供可靠的保障，极大地提高冷轧带 钢平整生产线的监测和质量管理水平。 6 本论文的研究将进一步促进设备由单纯的状态检测向设备预知性维修、过程 控制以及产品质量评价的转化。它不仅可由此制定预知性维修计划，解决诊断领域 专家的短缺问题；而且，提供生产过程的工艺参量和设备状态参数进行多通道监测； 最主要的是可对产品质量进行在线评价，降低了由于不能满足客户要求所造成的质 量成本，进而可提高企业的质量管理水平，产生巨大的经济效益和社会效益。 1 1 4 课题的主要目的和主要内容 本课题的主要目的是从分析带钢振动纹的形成原因出发，准确、全面提取振动 信号的特征信息，通过高维数据空间的降维处理进行多通道监测，最后建立产品质 量测评体系。以冷轧带钢平整生产线为主要研究对象，分析冷轧带钢平整生产线机 架与带钢相互之间的振动现象，在其振动模型的基础上，剖析带钢振动纹的形成原 因；探讨了轧制过程振动信号的信号特征提取技术，包括高阶统计量、高阶谱分析、 高阶时频分析以及循环平稳理论：由于多通道振动信号和过程工艺信号共同构成高 维数据空间，对于过程监测和质量评价有很大困难，研究了降维技术，应用于多通 道监测方法；比较了神经网络和支持向量机等评价方法的优缺点，提出了多类支持 向量机的分类算法，建立了基于支持向量机的质量测评体系；最后研制了一整套冷 轧带钢平整生产线生产过程监测与质量评价系统。 4 7 粤、1 ，乖 技大学博j 0 学位沧 1 2史献综述 2 1 振动纹j “乍机州及枪测的现状i j 发展趋势 化带钢轧制过程i l ，带钢振动纹缺 陷足普遍存n ：的问题，特别是当表面质 最要求较商时，该问题就会显得更加突 。象闻外b e t h l e h e l ns t e e lc o r p ， v o e s t a l p i n es t a h l l i n zg m b h ，l f v s t e e lc o 1 n c ，b r i t i s hs t e e l ，b f i ，同 小t i l f - 制铁所以及台湾中钢，宝钢，武 钢等企业都曾经或f 在被该问题所困扰 1 1 - s 1 。 带钢振动波纹的存在，严重影响了 轧制，“晶的质量性能，降低了产品的质 图1 1 带钢表面振动纹 量等级，不符合工业生产质量要求越来 越r 苛的吱际需耍。同内步i - # i 刑振动波纹的形成、抑制，j l ：展了广泛的研究。| 1 前， 引列振动纹的研究主要集中在二个方面：一是振纹形成的机理研究；，二是扯线蚧测 系统研究。 在振动纹形成机理的研究方而，北京科技大学的闰晓强、邹家祥等卜订! 刘 2 3 0 0 r a m 四辊中板轧机进行研究的过程中发现：钢板越厚、变形抗力越人，波浪越 严垂，f 3 现的几率越高，严重影响表面质量。中板振动波浪特征为：1 ) 厚度无明显 变化：2 ) 通宽性或足宽性，即波浪贯穿整个板宽；3 ) 随机性，即找不到任何两块 相同波浪的钢板；4 ) 严重波浪的典型波长约为轧辊周长的1 2 或1 4 ，或称波浪的 频率为2 h z r 或4 h z r 。对轧机运行状况进行测试，测试结果显示：1 ) 钢板生成的 低频波浪与轧机的垂直振动无关；2 ) 钢板生成波浪与辊系水平的低频振动有关；3 ) l 、f 主电机电枢电流出现低频振荡现象，振荡频率随着轧制速度在0 4 h z 之阳j 变 化，该频率除以电机的转速恒等于2 。通过测试和分析可得出如下结论：1 ) “】于几 阳接轴两端叉头呈垂直布置而导致轧制变形区处t ：周期性异步轧制状态，在搓轧i 基 内钢板处于周期性压剪应力状态，是钢板波浪生成的主要根源；2 ) 由于月向接轴倾 角的存在，工作辊除承受扭矩外，还承受着摩擦弯矩，而造成工作辊晃动，影响轧 件表面质量；3 ) 万向接轴倾角的存在，在传递扭矩时，除万向接轴承受附加弯矩外， i ：作辊也承受了附加弯矩。倾角越大，工作辊承受的附加弯矩也越大，造成工作辊 5 华中科技大学博士学位论文 晃动，影响轧件表面质量；4 ) 由于附加弯矩和摩擦弯矩的综合作用，其结果对工作 辊产生了水平弯矩，导致了附加水平力的出现，从而使工作辊水平摆动。上下工作 辊的摆动与异步轧制速差相叠加，产生严重的波浪。 唐山大学的郭云山和武汉冶金科技大学的熊禾根i ”i 通过对冷轧机垂振系统的研 究，在理论上分析了轧机产生颤振的影响因素，揭示了工作辊的辊径及其表面粗糙 度、辊缝中间的润滑油膜的稳定性及其摩擦系数、轧件的厚度、宽度以及变形抗力、 轧制力、张力以及轧制速度等是影响系统自激振动的主要因素。证明了在辊缝处引 发轧机颤振最活跃的因素是润滑油的浓度及其性能，最后给出了消除或抑制冷轧产 品表面产生振痕的措施：调整轧机颤振的临界速度，在高速轧制过程中应适当降低 轧制油的粘度，在低粘度基础油中添加一定比例的活性边界添加剂，以便形成薄而 强的边界膜：控制油温也是改变辊缝润滑状态行之有效的手段，对油温及流量分别 进行控制，从而实现控制变形区温度的目的；另外，在选定润滑剂的前提条件下， 控制轧辊表面的粗糙度是仅次于控制轧制温度的第二：重要的因素。 东北大学的李鸿光和闻邦椿| l ”以初轧机轧制过程中产生自激振动为例，建立了 切轧机轧制时振动的力学模型，讨论了轧制系统在边界扰动频率等不同的参数作用 下的振动特性。所建力学模型的研究结果表明，动摩擦系数和边界扰动频率是影响 系统振动特性的重要参数。在讨论中还发现该振动系统具有多种非线性振动形式， 其中包括周期振动、概周期振动和混沌振动。 此外东北大学的王章海和王德俊f 1 4 1 根据轧机主传动系统的轧制打滑，建立了打 滑状态下系统的非线性模型，并用渐近法求解非线性力学模型，确定了主传动系统 产生稳定自激振动的条件；给出了计算系统产生自激振动的速度上限和速度下限的 方法，推导出了产生稳定自激振动时，轧制力、轧件和轧辊间的摩擦系数和轧制速 度之间的关系。 中南工业大学的蔡敢为1 1 5 建立了轧机动力分析有限元模型。并根据该理论，计 算得到轧机容易激发的固有频率、振型等动态性能参数，进而可分析轧机的振动类 型、判断振源、确定抑振措施。 国内方面开展的研究主要集中在轧机机构的力学模型的建立，求取轧机振动必 要的参数，判断振动类型、性质和决定抑振措施等研究领域。而国外开展研究不仅 关注轧机机构的振动，而且关注轧制过程的影响。 研究轧制过程的方法主要是有限元模型和集中质量模型。有限元模型方面：g u o 和k o b a y a s h i ! “”1 在小变形理论基础上，用有限元方法分析刚塑材料变形。1 9 8 2 年 他们在不考虑温度影响的条件下，对冷轧带钢接触弧线内速度、应力和压力等因素 进行了分析。l i n 和s h a r i ”j 利用o r o w a j l 改进的非单一变形理论分析轧辊温度变形， 6 华中科技大学博士学位论文 但在研究中，没有考虑轧辊和带钢之间的接触。m o r i 和o s a k a d a 【”i 在假设轧辊刚性 的基础上，利用刚一塑有限元理论模拟了非静态3 维凹轧辊的轧制过程。k i u c h i 和 y a n a g i m o t o l 2 0 i 提出了一个静态金属成型模型组合7 i 素方法。该力法结合i f 板方 法和刚塑有限元方法模拟了3 维形状轧制过程以及软管轧制过程。1 9 9 7 年，z o n g c h i n g l i n 和s h y u e y u a nl e e i ”i 在假设弹性轧辊、忽略热传递问题的基础上，分析了初始平 直的工作辊在轧制过程中弹性变形的规律，和轧制后带钢形状由于这利l 变形的影响。 乎板模型方面：轧制过程模型可用轧制力、扭振、带钢的屈服力以及带钢张力 和操作参量以数学形式表示，它是在轧制力方向上的力平衡方程1 2 1 l 。在过去几十年 罩，不同的模型被相继提出。v o nk a r m a n1 2 2 提出了静态轧制模型，假设切片残余片 在通过辊缝时始终位于同一平面，其沿轧辊接触弧线上的压力分布微分方程，经常 被称为v o nk a r m a n 方程。o r o w a n 2 3 i 对平整轧制模型进行了全面的研究，在他的模 型中，考虑了各种可能因素以求达到最精确解，避免了许多数学近似和假定，允许 并考虑了沿接触弧线的屈服应力和摩擦系数的变化。o r o w a n 也考虑了各种复杂的变 形不均匀性因素( 这些因素导致切片残余片偏离同一平面) ，并介绍了一种非均匀性 变形情况下的校准方法。但实际上，这种不均匀性变形情况下的校准方法并不能严 格适应接触弧线上各种复杂情形。o r o w a n 发现由于工作强度、温度和疲劳度导致带 钢在通过辊缝时屈服应力变化。但是，o r o w a n 的模型也有其缺陷，如应用o r o w a n 模 型显得很冗余，不仅压力分布计算麻烦，而且当计算轧制压力时需要进行压力分布 的积分，这是因为这种公式没有提供轧制力屈服解析解答。b l a n d 和f o r d 2 4 , 2 5 1 ，以及 s i m s l 2 6 】的研究是在简化假设的基础上，以解析表达式的形式表示，避免了o r o w a n 理 论中许多数字积分运算。不幸的是，这种简化不可避免地以牺牲精确度为代价，对 轧制力的估计精确度问题还不算严重，对轧制扭振的估计该问题就严重得多了。f o r d 等【2 7 i 和b l a n d 以及s i m e s t 2 8 1 对b l a n d 和f o r d 提出的冷轧模型的简化理论做了很大的修 正，提高了预测这些参数的精确度，其中最重要的改进是考虑了进出接触弧线的弹 性变形和接触塑性弧线的屈服应力的变化。随着现代计算机的不断发展，描述一个 特定的物理状态的复杂微分方程己不是障碍。a l e x a n d e r 2 9 1 比较了o r o w a n 提出的模型 和那些由b l a n d 和f o r d 、s i m s 导出的简化理论，指出了这些理论在扭振估计中可能出 现的错误，但a l x x a n d e r 在他的研究中也没有考虑变形的不均匀性和在接触弧线处的 温度和疲劳强度等级的变化。v e n t e r 和a b d r a b b o t ”1 在a l e x a n d e r 的工作基础上，提出 了一个更综合、自我包容的解决方案，以适应于热轧和冷轧生产问题；该模型考虑 了导致切片残余片偏离剪切平面的变形不均匀性，进一步完善了a l e x a n d e r 模型。 7 华中科技大学博士学位论文 可以说，振动纹产生机理研究开展得比较早，相应的成果也比较多。比如，r o b e r t s 研究了轧机振动与振动纹之间的关系，发现 在单机架四辊轧机上最常发生的一种扭振和 两种垂振均可产生振动纹；g e r a dl 等人认 为第五倍频程振动是由支承辊的弯曲振动引 起的，并给出了预防和消除该项振动的方 法；j e r r yr 等人从传递函数人手，研究了轧 机振动的特性，分析了引起振动的多种因 素；h a r d w i c k 研究了轧辊磨床振动对轧辊表 面以及带钢表面质量的影响；h o f m a n nw 等 人对带钢表面进行了激光测量，搞清楚了明 暗条纹的几何特征和视觉机理。 应该说，随着研究的不断深入，人们对 图1 2 带钢振动纹几何特征 振动纹产生机理的认识越来越清晰，并取得了如下认识： ( 1 ) 轧机振动以及由此产生的振动纹是可以抑制的，但振动性质与原因的判断 应根据轧机的具体工况条件而定； ( 2 ) 引起轧机振动的原因非常复杂，且振动类型呈现多样性； ( 3 ) 振动纹产生的原因主要集中在工艺过程和机械部件缺陷； ( 4 ) 要完全消除某些振源，要么不切实际，要么成本太高，所以有必要建立一 套在线监测系统。 2 在线监测系统的研究 随着计算机技术的飞速发展，建立振动纹在线监测系统已成为一种趋势，其目 的是通过直接监测轧辊振动情况，判断振动纹的发生烈度，现场人员据此可采取相 应的措施，从而抑制振动纹的发生。 在振动纹在线监测系统研究方面，要重点解决好测点的选取和安装、海量数据 的处理、信号的准确性和系统的可靠性等关键问题。随着计算机软硬件技术的发展， 在线监测系统日趋成熟。 在振动纹在线监测系统的应用方面，奥钢联、s h o t t o nw o r k s 、b e t h l e h e ms t e e l c o r p 、台湾中钢等世界著名钢铁企业通过在线监测系统的应用，成功地解决了生产 过程中有关振动及振动纹问题小”。奥钢联在振动纹在线监测系统的应用方面积累了 不少成功的经验。他们通过在线监测系统，测取不同的工艺参数和不同产品规格下 平整机的振动情况，寻找其振动规律，从而归纳出1 7 类振源与振动纹的关系。在此 基础上，一旦振动在2 0 0 h z - 1 2 0 0 h z ( 这取决于轧制速度) 超限，就进行报警，并通 8 华中科技大学博士学位论文 过改变# l sr l 速度，从而避免振动纹的发生。另外，中钢和b e t h l e h e ms t e e lc o r p 通过 在线监测系统的长期监测，发现工作辊轴承的过力压痕是产生振动纹的主要原因， 随之制定了相应的操作规程。英国s h o t t o nw o r k s 的技术人员认为有了在线监测系 统，即便存在某些振源，也使得操作人员能随时掌握轧机振动状态，帮助操作人员 判断在当前振动状态下用什么样的轧制速度是安全的( 特别是对表面质量要求较高 的时候) 、是否需要换辊等问题。 综上所述，产生振动纹的因素多且复杂，但其机理已基本清楚：建立振动纹在 线监测系统已成为一种趋势。虽然系统构建技术日趋成熟，但仍需不断探索新的更 有效的分析方法，加强对轧机振动规律的掌握，尤其是对不同轧机所具有的特殊规 律的认识和理解。 1 2 2 过程控制与品质管理技术的现状与发展趋势 统计科学的发展为统计过程控制技术的应用奠定了基础。美国贝尔实验室的 s h e w h a r t 博士在1 9 2 4 年5 月绘出了世界上第一张质量控制图，开创了统计过程控制技 术应用的新时代。随后，在第二次世界大战中，统计过程控制在美国和英国得到了 广泛应用，当时主要应用在军工生产领域。二战时英美军队需要大量高质量的军需 品。军需品生产商必须充分利用一切新技术来保证大批量生产中的产品质量。s p c 被 成功用于军工生产后，实现了在增加产量和减低成本的同时，明显提高产品质量的 目标。 二战后，日本将统计过程控制应用于企业生产，使产品质量明显提高，所生产 出的高质量低成本的电子、汽车等产品迅速占领了世界市场，一跃成为经济强国。 统计过程控制在日本的成功应用又引起了西方国家对这一技术的重新认识。美国通 用电器公司的费根堡姆( a v f e i g e n b a u m ) 和质量管理专家朱兰( j m j u r a n ) 又提出了 全面品质管理t q m ( t o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t ) 理论，把质量控制推向新的高度。 近年来在激烈的市场竞争中，为适应连续制造业提高产品质量的需求，在传统 统计过程控制和多变量统计分析方法研究的基础上逐渐提出了多变量统计过程控 制。由于连续过程的特点及其相关数据处理的复杂性，使得多变量统计过程控制从 理论方法到实际应用，都还有许多问题有待研究解决，因此多变量统计过程控制属 于尚在发展中的新技术。 统计过程控制今天已得到广泛的工业应用。单变量统计过程控制方法( 如 s h e w h a r t 控制图、累积和图、指数加权平均图) 以及一些质量控制和质量管理方法 ( 如t a g u c h i 方法等) 已被工业界广为接受，多变量统计控制方法也开始进入工业应 用 3 2 - 4 4 1 。目前所报道的多变量统计控制在工业生产中的应用主要集中于北美和欧洲。 9 华中科技大学博士学位论文 m i l le r 等“引( 1 9 9 3 ) 报告了美国柯达公司应用多变量统计控制的情况，并提出了贡献 图方法。k o s a n o v i c h 和p i o v o s o ( 1 9 9 5 ) 【4 刚报告了美园杜邦公司应用多变量统计控制 的情况。w js e 等( 1 9 9 9 ) h 7 1 报告了将多向主元分析、三线性分解及平行因素分析应用 于美国德克萨斯仪表公司的半导体蚀刻过程的情况。m a r t i n 等副( 1 9 9 9 ) 报告了多变 量统计过程控制在欧洲的应用情况。这些应用基本上通过多变量统计分析方法来对 生产过程进行监控，及时找出产生不正常运行情况的原因或故障。通过及时排除这 些故障，可以提高生产能力和产品质量。 由于工业过程生产系统涉及物理、化学、生化反应，物质及能量的转换和传递， 系统的复杂性、不确定性导致了过程参数检测的困难，虽然过程检测技术已有长足 的进步，但目前实际工业过程中仍存在y 1 ：彰无法或难以直接用传感器或过程检测仪 表进行测量的重要过程参数，它们难以在线测量或测量滞后大而难以进行有效控制。 而无论是过程控制中先进的过程控制算法和策略的具体实施，还是过程优化、 生产协调、故障诊断和状态监测，其工厂实现的前提是有效地获取反映过程的信息。 过程检测技术发展水平的限制，导致了许多先进的控制算法和策略目前只能停留在 理论探讨上，难以在工业上实际应用，许多工业生产系统也无法依靠故障诊断和状 态监测等措施来提高系统运行的安全性和可靠性。 一般解决工业过程的测量要求有两条途径：一是沿袭传统的检测技术发展思路， 通过研制新型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量；另一就 是采用间接测量的思路：利用易于获得的其他测量信息，通过计算来实现被检测量 的估计，近年来在过程控制和检测领域涌现出的一种新技术软测量技术( s o f t s e n s i n gt e c h n i q u e ) 正是这一思想的集中体现。 软测量技术一般依据软测量模型的建立方法进行分类。建模的方法多种多样， 且各种方法互有交叉，目前又有相互融合的趋势。软测量技术分为机理建模、回归 分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、相关分析和现代非线性信 息处理技术等多种。 有许多因素影响软仪表性能，如辅助变量类型的选择和变量数目的选择，检测 点位黄的选择，测量数据误差处理和测量数据变换，以及软仪表的在线校正等。 由于软仪表可以像常规过程检测仪表一样为控制系统提供过程信息，因此软测 量技术目前已在过程控制领域得到了广泛应用。 综上所述，随着近年来计算机系统、数据库系统的普及应用，使工厂拥有了相 当丰富的生产数据资源，多变量统计分析方法对大量测量控制数据、产品质量数据 等进行处理，揭示和反映了生产数据的过程变化，为提高产品质量，将数据资源转 化为生产效益和产品质量优势提供了保证” 。 1 0 华中科技大学博士学位论文 1 2 3 故障诊断技术的发展现状与发展趋势 故障诊断技术是本世纪5 0 年代初从美国发展起来的。这项技术诞生以后逐渐引 起了学术界的关注，并且在近十年来得到了迅速的发展，已取得了许多应用成果。 促进故障诊断技术迅猛发展的一个主要动力是市场的迫切需求“。“1 。7 0 年代初以来， 随着计算机科学的发展，人们所建造的自动化装置的规模越来越大，投资也越来越 高，某些微小故障若不能及时排除，就有可能造成巨大的灾难。美国挑战者号航天 飞机的失事，原苏联切尔诺贝利核电站的泄漏事故就说明了这一点。因此，在这种 情况下，系统的安全性就显得极其重要。提高系统可靠性和安全性的方法有多种， 其中一个重要的方法就是采用故障诊断技术。我们通常所说的故障是指系统所出现 的一些异常现象。根据故障发生的部位，可以把故障划分成被控过程的元器件故障、 执行器故障、传感器故障，以及控制器的软件、硬件故障等。故障诊断技术包含了 故障检测、故障分离、故障估计和故障预报等内容。如果我们可p j , x , j - 故障做到早期 渗断，就有可能采取必要的措施，避免故障的进一步传播，或者采用容错技术，使 得被控过程在某些故障发生时，仍可以有效地运行。故障诊断技术又可以分为在线 诊断技术与离线诊断技术两种。为了有效地及时处理可能发生的故障，在线故障诊 断技术是必需的。 而提高机械诊断中的确诊率，正确地判断机器在运行中所隐含的故障m ，是机 械诊断技术成败的关键，也是诊断技术能否立足于生产之中的前提。故障确诊率的 提高取决于诊断信息的质量、故障本身的性质、设备的可诊断性和所采用的信号处 理方法，一旦待诊的对象和采集的方式确定后，设备故障很大程度依赖于所采用的 信号处理方法。 当前，信号处理方法已取得了重要进展，其本质可用一个“非”字来高度概括， 即研究和分析非线性、非因果、非最小相位、非高斯、非整数维( 分形) 信号和非 1 3 色的加性噪声畸“。此前均假设信号及其背景噪声是高斯的、平稳的，而对信号分 析只是基于它的二阶矩特性和傅氏谱，其对象系统也限于时不变( 或缓变) 的线性 和因果最小相位系统。虽然上述假设及由此而构建的系统在许多场合是适用的，但 更多的实际应用要求人