（机械电子工程专业论文）冷轧平整机液压压上控制系统遗传算法pid控制器设计.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 根据现代轧钢生产的主要特点为了满足实际生产中对张力、位置、速度和压 力等控制的要求，在平整机上采用液压压上系统控制( 简称a p c ) 方式。 本文以济南钢铁有限公司的p z 一一1 4 0 0 b 单机架四辊不可逆冷轧平整机液压 压上系统为研究对象，进行了较为深入的分析研究。具体分析了平整机液压压上 系统具体原理及实现控制功能和控制策略，根据实际工作技术参数要求选取了相应 液压元件，并确定了相应的参数，同时建立了液压压上系统的数学模型，并对其静态和 动态特性进行分析。 采用了常规的z - n 整定p i d 控制校正分别对位置控制系统、压力控制系统进 行了反馈校正，虽然对该系统的动态特性起到一定的控制效果，但是p i d 控制器一般 需要对比例、微分、积分三个参数进行整定或者调试，很难一次确定下来，工作量烦琐。 因此，为了进一步提高冷轧平整机液压压上系统的动态特性校正参数算法的搜索效率 要求，本文提出了遗传算法控制方法。实现了系统遗传算法的p i d 控制参数自整定。 对优化得到的p i d 参数和z - n 整定p i d 控制效果进行对比比较，结果表明遗传算 法p i d 控制较优于z - n 整定p i d 控制，进一步验证了本课题的可行性和实用性。 关键词：冷轧平整机；液压压上系统；常规p i d 控制；遗传算法 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 a b s t r a c t a c c o r d i n gt om o d e ms t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o nm a i nf e a t u r et os a t i s f yi n t h ea c t u a l p r o d u c t i o nt oc o n t r o la n ds oo nt e n s i t y , p o s i t i o n ，s p e e da n dp r e s s u r er e q u e s t s ，u s e st h e h y d r a u l i cp r e s s u r eo nt h el e v e l i n gm a c h i n et op r e s st h es y s t e m sc o n t r o l ( i e a p e ) t h ew a y t h i sa r t i c l ep r e s s e st h es y s t e mt a k et h ej i n a ns t e e la n di r o nl i m i t e dc o m p a n y sp z 一 1 4 0 0 b s i n g l er a c kf o u rr o l l e ri r r e v e r s i b l ec o l dr o l l i n gl e v e l i n gm a c h i n eh y d r a u l i cp r e s s u r ea s t h eo b j e c to fs t u d y , h a sc o n d u c t e dt h em o r et h o r o u g ha n a l y t i c a ls t u d y t h ec o n c r e t es t u d y l e v e l i n gm a c h i n eh y d r a u l i cp r e s s u r eh a sp r e s s e dt h es y s t e mc o n c r e t ep r i n c i p l ea n dr e a l i z e st h e c o n t r o lf u n c t i o na n dt h ec o n t r o lp o l i c y , h a ss e l e c t e dt h ec o r r e s p o n d i n gh y d r a u l i ce l e m e n t a c c o r d i n g t ot h e p r a c t i c a lw o r kt e c h n i c a lp a r a m e t e rr e q u e s t ，a n d h a dd e t e r m i n e dt h e c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r , s i m u l t a n e o u s l ye s t a b l i s h e dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r et op r e s ss y s t e m s m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dc a r r i e do nt h e a n a l y s i s t oi t ss t a t i cs t a t ea n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c u s e dc o n v e n t i o n a lz - nt h ei n s t a l l a t i o np i dc o n t r o lt oa d j u s tt ot h ep o s i t i o n - c o n t r o l s y s t e m ，t h ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mh a sc a r r i e do nt h ef e e d b a c ka d j u s t m e n ts e p a r a t e l y , a l t h o u g hh a dc e r t a i nc o n t r o le f f e c tt o t h i ss y s t e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，b u tt h ep i d c o n t r o l l e rn e e d e dt ot h ep r o p o r t i o n ，t h ed i f f e r e n t i a l ，t h ei n t e g r a lt h r e ep a r a m e t e r st oc a r r yo n t h ei n s t a l l a t i o no rt h ed e b u g g i n gg e n e r a l l y v e r yd i f f i c u l to n et i m et od e t e r m i n et h a tt h ew o r k l o a dw a st r o u b l e s o m e t h e r e f o r e ，t of u r t h e re n h a n c et h ec o l dr o l l i n gl e v e l i n gm a c h i n e h y d r a u l i cp r e s s u r et op r e s st h es y s t e m a t i cd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca d j u s t m e n tp a r a m e t e r a l g o r i t h mt h es e a r c he f f i c i e n c yr e q u e s t ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mc o n t r o l m e t h o d r e a l i z e dt h es y s t e mg e n e t i ca l g o r i t h mp i dc o n t r o lp a r a m e t e rs e l fr e g u l a t i n gt o d e c i d e t h ep i dp a r a m e t e rw h i c ha n dz - no b t a i n st ot h eo p t i m i z a t i o nt h ei n s t a l l a t i o np i d c o n t r o le f f e c tc a r r i e so nt h ec o n t r a s tc o m p a d s o n ，f i n a l l yi n d i c a t e dt h a tt h eg e n e t i ca l g o f i t h r a p i dc o n t r o ls u r p a s s e sz - nt h ei n s t a l l a t i o np i dc o n t r o l ，h a sf u r t h e rc o n f i r m e dt h i st o p i c f e a s i b i l i t ya n dt h eu s a b i l i t y k e y w o r d s ：c o l d - r o l l e ds t r i pt e m p e rm i l l ；h y d r a u l i cp r e s s u r eo nt h es y s t e m ； t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ： g e n e t i ca l g o r i t h m l l 兰州理工大学硕士学位论文 插图目录 图2 1 液压a p c 系统原理图7 图2 2 位置闭环控制系统框图9 图2 3 压力闭环控制系统框图1 0 图3 1 负载轨迹曲线。1 2 图3 2 三通阀控液压缸原理图1 6 图3 3 阀控缸的方块图2 0 图3 4 位置控制系统方块图2 2 图3 5 压力控制系统方块图2 3 图4 1 未加k a 时位置开环控制系统仿真模型2 9 图4 2 未加k a 位置控制系统开环b o d e 图2 9 图4 3 位置开环控制系统b o d e 图3 0 图4 4 加k a 位置闭环控制系统模型3 0 图4 5 位置控制系统的闭环b o d e 图3 1 图4 6 位置控制系统的阶跃响应3 1 图4 7 未加k a 压力开环控制系统仿真模型3 2 图4 8 压力开环控制系统b o d e 图3 2 图4 9 加k a 压力开环控制系统仿真模型3 3 图4 1 0 压力控制系统开环b o d e 图3 3 图4 1 l 加k a 压力闭环控制系统仿真模型3 3 图4 1 2 压力控制闭环系统阶跃响应3 4 图4 1 3p i d 控制系统原理3 5 图4 1 4 阶跃响应图3 6 图4 1 5z _ - n 整定p i d 控制器位置控制系统模型3 6 图4 1 6z 刊整定p i d 控制器位移控制系统阶跃响应3 7 图4 1 7z - 一n 整定p i d 控制器位移控制系统闭环b o d e 图3 7 图4 1 8z _ 一n 整定p i d 控制器压力控制系统模型3 8 图4 1 9z _ _ n 整定p i d 控制器压力控制系统阶跃响应3 8 图4 2 0z _ 一n 整定p i d 控制器压力控制系统开环b o d e 图3 8 图5 1 遗传算法执行过程流程4 8 图5 2 位置控制系统单位阶跃响应5 0 图5 3 压力控制系统单位阶跃响应5 0 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 附表索引 表4 1z i e g l e r - - n i c h o l s 整定控制器参数3 6 表5 1 位置控制系统不同算法优化结果5 1 表5 2 压力控制系统不同算法优化结果5 1 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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： 球建闽 日期：蜥6 月占日 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。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：纠哞6 月8e 1 日期：2 爿啤石月彦日 虱泉 ；f戈建 来多 名名签签者师怍导 兰州理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 l 世纪世界钢铁工业发展的一个显著特点是钢材市场竞争愈演愈 烈，竞争的焦点是带钢的质量高而成本低。使带钢应用部门连续化、自 动化作业的程度得到迅速发展，同时随着国民经济的高速发展，科学技 术的不断发展，汽车、机械制造、电器和电子行业对板材及带材的质量 提出了更高的要求。而带钢产品的精度主要是指产品的外形尺寸精度， 对板带钢来说，外形尺寸包括厚度、宽度、板形、平面形状等等。在所 有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板带材质量的最重要指标之一， 己成为国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。厚度自动控制( a u t o m a l i c g a u g ec o n t r o l 简称a g c ) 是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获 得板带材厚度的均匀性，从而生产出合格的产品l l j 。 目前，厚度自动控制己成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。 近年来，国内外在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展，大 大提高了板带材的几何尺寸精度。伴随着轧制产品尺寸精度的提高，经 济效益也会大幅度提升。因此，从2 0 世纪6 0 - 一8 0 年代完成了轧钢设备 的大型化、高速化、连续化和自动化。8 0 年代以来，轧制技术发展的主 要目标是提高轧制精度、性能、扩大品种、降低成本、增加效益，并进 一步扩大连续化的范围。通过对轧制过程计算机的高精度设定和基础自 动化的平整机液压控制系统的改进，对板形厚度精度已经达到很高的水 平【2 1 _o 1 2 冷轧平整机液压控制技术的发展概况 随着钢铁轧制技术及其自动化程度的不断提高，以及市场对成品带 钢质量( 如带钢的板形、机械性能和表面质量等) 的要求日益严格，冷轧平 整机液压控制技术的应用得到了较快的发展。日本在六十年代逐步完成 了平整机从电动压上到液压压上( 或液压压下) 的技术更新，采用电液伺 服阀控制液压缸代替传统的螺杆、螺母压上机构来进行辊缝位置和轧制 力控制。其主要特点是： ( 1 )响应速度快，由于液压压上装置省掉了驱动电机和机械传动装 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 量曼曼曼罾皇曼i , 1 1 1 一i i 曼曼量罾量曼曼置皇皇皇曼_ 置，采用动作灵敏的电液伺服阀和摩擦阻力很小的压上油缸，系统惯性 大大减小，能够快速跟随给定信号或控制信号动作。即使在高速轧制下， 也能及时自动调节辊缝，消除轧件的厚度偏差。 ( 2 ) 调整精度高，提高了产品的成材率。调整加速度达3 0 1 0 0 r a m s 2 ， 调整速度达2 3 5 m m s ，可控的最小距离达0 。0 0 2 5 m m ，截止频率高达 16 2 0 h z ；而电动压上的调接加速度只有1 7 5 m m s 2 ，调整速度只能达到 1m m s ，可控的最小距离为0 0 1 m m ，截止频率最高只有6 7 h z ；相比之 下，调整精度有所提高。 ( 3 )功率传递密度大，结构紧凑且过载保护简单，可靠。 ( 4 )控制系统比较简单。采用液压系统和弱电控制系统代替了复杂 的直流电控系统i3 引。 2 0 世纪6 0 年代研制出能面向高强度带钢的四辊平整机，除了采用全 液压压上( 或液压压下) 装置外，还采用了液压比例或伺服控制的弯辊装置 或v c 轧辊，使板形在线调整容易实现。另外，轧辊的锁紧、平衡、换辊 和研磨抛光等均采用远程液压控制，操作方便可靠，很大程度上提高了 工作效率。 从7 0 年代开始，随着电子检测技术和计算机技术的发展，促进了液 压控制精度和检测测量精度的不断提高，控制系统的功能不断完善和控 制范围的不断扩大。因此，液压控制技术在热冷轧平整机的应用也逐渐 成熟起来。德国s m s 公司在热轧平整机采取了恒压力控制轧制技术的基础 上，将延伸率控制更加明确地纳入到自动控制系统之中，并且采用数字 技术，构成数字、模拟控制系统。这种控制系统具有设定速度快、控制 精度高、控制灵活等优点，使平整机的控制精度 ! 寻到进一步提高1 5 】。 在8 0 年代，国内只有宝钢2 0 3 0 冷轧平整机和2 0 5 0 热轧平整机及攀 钢和武钢1 7 0 0 热轧厂配备有完整的热轧平整分卷机组，但作为热轧精整 区重要的精整机组，其工艺技术、设备设计、高低压流体系统及三电控 制系统全由外商( 如s m s 、u b e 等公司) 提供，国内对其技术的掌握完全处 于空白状态。当时，即使涉及到一些平整分卷机组项目也只能借助外商 的力量进行部分非重点性的辅助工作。2 0 0 2 年中国第一重型机械集团公 司为鞍山钢铁集团设计制造的国内首台1 7 8 0 冷轧机平整机在一重重型装 备制造厂装配现场全面告捷，填补了国内成套冷轧机制造的空白。随着 计算机技术快速的发展，现代控制理论的应用和系统数学模型的逐步完 善，控制系统软件水平的提高，保证了液压控制技术在冷轧平整机上得 以广泛的应用【7 j 。 2 兰州理工大学硕士学位论文 1 3 现代控制理论的发展 1 3 1p id 控制器参数的优化 2 0 世纪3 0 年代以来，p i d 控制因其控制结构和算法简单、容易实现、 适用对象广、控制效果好和鲁棒性强，已成为工业控制应用中最广泛的 一种控制策略。尽管已经出现了许多新的智能控制方法，但是p i d 控制 在工业生产过程中仍占据主导地位，不过在生产现场往往由于参数整定 不好而使p i d 控制器控制效果欠佳。这是一个棘手的问题，一直制约着 它的发展，尤其是对于具有严重不确定性的系统，一般需要有经验丰富 的工程技术人员来调整它的参数，既费时又耗力，加之实际系统千差万 别，使p i d 参数的整定有一定的难度1 1 4 ，“】。 目前p i d 参数整定方法主要有两种，一种是z n 整定法，包括衰减 曲线法，过程反应曲线法，临界振荡法等，这些方法算法简单，容易实 现，但缺乏灵活性。另一种是随着计算机技术和智能控制理论的发展， 智能控制和常规p i d 控制的结合，产生了许多改进型的智能整定方法， 如专家p i d 控制、自学习p i d 控制、神经网络p i d 控制和模糊逻辑p i d 控制等。这些方法具有很强的自适应能力，但算法比较复杂，无法满足 现场的快速响应要求。同时这些方法大部分对控制系统的综合性能指标 没有做到统筹兼顾，基本上只考虑单一指标，忽略了其他要求i9 1 。 因此，既要有自适应能力强又要求算法相对简单而且能满足工业生 产过程各项要求的p i d 自整定技术成为控制方面学者研究的方向。就平 整机液压压上控制系统而言，判断系统调节品质的指标一般为稳定性、 快速性、准确性，p i d 控制器参数优化问题就是如何调整p i d 控制器的 参数，使系统动态品质达到最好。 1 3 2 遗传算法控制理论的发展及其特点 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 起源于对生物系统所进行的 计算机模拟研究。美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授及其学生受到生物 模拟技术的启发，创造出了一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂 系统优化的自适应概率优化技术一遗传算法。1 9 6 7 年，h o l l a n d 的学生 b a g l e y 在其博士论文中首次提出了“遗传算法一词，他发展了复制、 交叉、变异、显性、倒位等遗传算子，在个体编码上使用双倍体的编码。 1 9 8 9 年，g o l d b e r g 系统地总结了遗传算法的主要研究成果，全面完整的 论述了遗传算法的基本原理及其应用。1 9 9 2 年k o z a 将遗传算法应用于计 算机程序的优化设计及自动生成，提出了遗传编程的概念。在控制系统 3 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 的离线设计方面遗传算法被众多的使用证明是有效的策略。从遗传算法 的整个发展过程来看，2 0 世纪7 0 年代是兴起阶段，2 0 世纪8 0 年代是发 展阶段，2 0 世纪9 0 年代是高潮阶段。遗传算法作为一种实用、高效、鲁 棒性强的优化技术，发展极为迅速，已得到国内外学者的广泛应用。遗 传算法是一类可用于复杂系统优化计算的鲁棒搜索算法，与其他一些优 化算法相比，它主要有下述几个特点 5 2 , 5 6 】： ( 1 )遗传算法以决策变量的编码作为运算对象。这种对决策变量的 编码处理方式，使得我们在优化计算过程中可以借鉴生物学中染色体和 基因等概念，可以模仿自然界中生物的遗传和进化等机理，也使得我们 可以方便地应用遗传操作算子。 ( 2 ) 遗传算法直接以目标函数值作为搜索信息。传统优化算法不仅 需要利用目标函数值，而且往往需要目标函数的导数值等其他一些辅助 信息才能确定搜索方向。而遗传算法仅使用由目标函数值变换来的适应 度函数值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索范围。这个特性对很多 目标函数是无法或很难求导数的函数，或导数不存在的函数的优化问题， 以及组合优化问题等，应用遗传算法时就显得比较方便。 ( 3 )遗传算法同时使用多个搜索点的搜索信息。单个搜索点所提供 的搜索信息毕竟不多，所以搜索效率不高，有时甚至使搜索过程陷于局 部最优解而停滞不前。遗传算法从由很多个体所组成的一个初始群体开 始最优解的搜索过程，这是遗传算法所特有的一种隐含并行性。 ( 4 )遗传算法使用概率搜索技术。很多传统的优化算法往往使用的 是确定性的搜索方法，而遗传算法属于一种自适应概率搜索技术，其选 择、交叉、变异等运算都是以一种概率的方式来进行的，从而增加了其 搜索过程的灵活性。与其他一些算法相比，遗传算法的鲁棒性会使得参 数对其搜索效果的影响尽可能地降低1 x 5 , 5 3 】。 当前，遗传算法理论已经比较成熟且正在越来越多的应用。而将遗 传算法的目标函数优化应用于p i d 参数，可以在满足系统运行指标的前 提下获得一组相对最优的p i d 控制器参数，遗传算法控制p i d 参数优化 也被广泛的应用于工程实际中。 1 4 课题研究的目的及意义 1 4 1 课题研究的目的 过去人们常对伺服系统的线形化或非线性化数学模型进行分析和简 单p i d 控制，在调试过程中比较烦琐，也难以取得比较理想的控制效果。 4 兰州理工大学硕士学位论文 所以，本文主要研究的目的就是针对于p z 一一1 4 0 0 b 四辊冷轧平整机液 压压上控制系统设计技术要求和性能指标要求，在该系统运用常规z n 整定p i d 控制方法进行分析和研究过程中，提出一种新的控制方法一一 遗传算法p i d 控制参数优化。运用m a t l a b 语言编程，并对该系统的被控 制对象进行遗传算法p i d 控制参数优化设计，得出优化后p i d 参数和最 优值j ，同时得到了该控制系统的阶跃响应仿真实验，其结果表明遗传算 法是一种较好的优化分析方法1 1 3 1 。 1 4 2 本课题的研究意义 在工业现代化进程中，钢铁工业一直处于基础工业的地位，而冷轧 带钢的生产又是钢铁工业发展中的重要课题之一。随着经济的发展，带 钢的生产一直呈不断增长的趋势，用途十分广泛，主要应用于汽车工业、 重型机械、制造业、建筑业、化学工业、轻工业等。在所有的应用领域， 都对带钢的质量提出了较高的要求。生产高质量的带钢，对生产设备要 求较高，应不断提高装备的总体水平，为达到更高的板形质量，除主轧 机外，各种形式的高精度平整机也得到了广泛的应用，部分冷轧或热轧 后的板带材须经过平整工序，才能更好的满足用户的要求。对于成品带 钢而言，板厚精度和板形达不到应用的要求，带钢质量必将处于较低水 平，影响其在具有较高要求的工业领域的应用，因此，提高冷轧钢板平 整的质量，充分发挥我国冷轧钢板的生产能力，满足国内市场急需和促 进国民经济发展，具有重要的作用和意义1 6 j 。 冷轧平整机是生产优质薄板、确保冷轧带钢成品质量的最后一道关 键工序，它对于提高产品质量、控制板形、根据用户需要使板带钢具有 合适的力学性能和表面状态等起着重要的作用。经退火的冷轧带钢几乎 完全处于软质状态，其表面光洁度、平直度和组织性能等均不能满足用 户要求，此时，如对退火带钢进行轻度加工，在带钢表面上就会产生拉 伸应变和不规则的滑移线，影响外观，不适于用户直接进行机械加工。 所以，作为成品的带钢在出厂前必须进行小形变量的平整轧制【1 6 j 。 平整的主要目的为： ( 1 ) 消除退火后带钢的屈服平台，防止冲压成形时产生滑移线。 ( 2 ) 提高和改善带钢的机械性能。经平整后会提高冲压性能。 ( 3 ) 提高带钢平直度精度。冷轧后经热处理的带钢，其板形会产生新 的不平直度，经平整后会大大改善其板形，提高质量。 ( 4 ) 提高带钢厚度精度。 ( 5 ) 提高带钢表面质量。平整机工作辊表面光洁度较高，经平整后除 5 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 了可消除轻微的表面缺陷外，还会提高表面光洁度。 ( 6 ) 调整并给出带钢表面的光亮度和粗糙度。 平整机伺服液压系统为平整机液压压上系统( a p c ) 及工作辊弯辊控 制系统提供液压能源。整个液压系统由泵站、蓄能器装置、控制阀台、 压上液压缸、压力传感器、位置传感器、压力继电器及连接管路等组成。 平整机液压压上操作系统是由阀控液压缸实现的，取决于控制阀、 液压缸和负载组合的动态特性决定着整个系统的性能。系统分析中按集 中参数考虑，假定负载力主要由质量力、弹性力和阻尼力构成，在控制 系统的整个调节过程中，所有变量与其稳定值之间只发生微小的偏差 f 1 1 ，12 1 。 1 5 本课题的主要研究内容 ( 1 )在本文的第1 章中，重点阐述了冷轧平整机液压压上系统的特 点以、它在国内外现代轧机生产中的应用现状情况及研究目的和意义， 同时也介绍了目前广泛应用常规p i d 控制和遗传算法控制方法的一些原 理、概念和特点。 ( 2 ) 在第2 章中，主要介绍了p z 一1 4 0 0 b 四辊冷轧平整机液压压上 系统基本原理，详细介绍了液压a p c 主要控制功能和控制模式。 ( 3 )在第3 章中，阐述了p z 一1 4 0 0 b 四辊冷轧机液压压上系统的设 计分析和计算，并给出了该系统控制的技术性能指标和技术参数，重点 说明了液压压上闭环控制系统数学模型并进行特性分析，对构成液压 a p c 系统的6 种主要动态元件：伺服阀、液压缸、平整机、传感器、控 制调节器分别进行了分析，最后推出整个a p c 系统的模型和分析计算确 定相关参数。 ( 4 ) 在第4 章基础上利用s i m u l i n k 对平整机液压压上系统的位置控制和压 力控制进行建模仿真，确定伺服放大参数，并通过常规z n 整定p i d 控制仿真 实验，结果表明基本满足了系统的设计要求。 ( 5 )在第5 章中，详细说明了遗传算法控制方法的特点，以及应用 遗传算法方法对液压a p c 系统p i d 优化，并通过m a t l a b 语言编程对系统 模型进行数字仿真试验，比较结果表明了遗传算法方法是优于常规z n 整定p i d 控制的一种方法。 6 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章平整机液压a p c 系统设计及控制策略 随着工业计算机技术的发展，对带钢的质量要求越来越高，对平整 机液压压上系统的控制要求也随之越来越高，在实际系统中影响出口带 厚的因素很多，这些因素都将使工作时的辊缝发生变化，而液压a p c 其 功能是不管引起板厚偏差的各种扰动因素如何变化，都能自动调节压上 缸的进行位置控制和压力控制，即使平整机的工作辊缝出口处带厚恒定， 保证产品的性能指标要求，而液压a p c 系统是平整液压系统的核心。 2 1 平整机液压a p c 系统的组成及原理 平整机完整的液压a g c 系统是有许多自动控制闭环系统组成，其主 要是a p c 系统。a p c 系统主要由电液伺服阀、液压缸、传感器、控制器 和放大器供油管道、回油管道等几部分组成如图如2 1 所示。 图2 i 液压 p c 系统原理 1 、1 8 一电磁铁换向阀，2 、1 9 一液控单向阀，3 、1 1 、2 1 一蓄能器，4 、2 2 一电液 伺服阀，5 、2 3 一二位二通电磁换向阀，6 、2 4 一卸荷阀，7 、1 0 、2 5 一压力传感器， 8 、2 6 一位移传感器，9 一传动侧液压压上油缸，1 2 、1 3 一二位三通电磁换向阀， 1 4 一先导溢流阀，1 5 一二位四通电磁换向阀，1 6 、1 7 一直动式溢流阀，2 0 一过滤 器，2 7 一操作侧液压压上缸。 7 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 2 2 平整机液压压上控制原理 平整机液压上控制由两个完全相同的进油阀台和一个回油阀台完 成，它们均安装在平整机牌坊的下部，分别对压上液压缸的活塞腔供给 压力油，并且可以以手动、自动卸荷。传动及操作侧各配置一个液压压 上缸，并分别配备一个伺服阀( 4 、2 2 ) 由双电磁铁换向阀( 1 、1 8 ) 控 制。压上缸无杆腔侧分别配置压力传感器( 7 、2 5 ) ，有杆腔侧连接有一个 压力传感器1 0 以检测轧制压力。压上缸有杆腔侧分别设置一个单电磁铁 换向阀( 5 、2 3 ) ，此外还安置一个压上系统卸荷阀( 6 、2 4 ) 。在传动及操作 侧的压上油缸内配置用于位置检测的位移传感器( 8 、2 6 ) ，并分别检测 下支撑辊传动侧及操作侧的上极限。 ( 1 ) 减压回路：在辊缝关闭到稳定轧制的过程中，电磁换向阀( 1 、 1 8 ) 得电，为液压缸有杆腔提供一定的背压；在辊缝打开过程中，电磁 换向阀( 1 、18 ) 失电，将由低压向高压切换，至辊缝完全打开停止时电 磁换向阀( 1 、18 ) 得电，恢复一定低压。压力的实际值由压力传感器1 0 测定。另外，背压蓄能器用氮气填充，充气大约压力1m p 口，并设有专门 的排油回路；用来吸收背压的波动，以改善恒轧制压力控制的动态特性。 两级安全阀用来防止液压缸有杆腔过载。 ( 2 ) 压力回路：电磁换向阀得电时，打开伺服阀进出1 ：3 的液控单向阀， 由伺服阀向系统供高压油。当系统压力高于2 9 m p a 时，电磁溢流阀开始 卸荷。压力传感器( 7 、2 5 ) 检测压力的实际值，既可作为轧制压力控制系 统的反馈信号，又可作为位置控制系统的跟随信号。位置传感器检测液 压缸运动的实际位置，既可作为位置控制系统的反馈信号，又可作为轧 制压力控制系统的跟随信号。两组高压蓄能器充氮压力为2 0m p a ，并设 有专门的排油回路，与恒压变量泵匹配，既用来消除压力波动，也作为 紧急动力源1 1 2 , 1 9 l 。 2 3 平整机a p c 的液压控制的主要功能及控制模式 2 3 1 液压压上装置的主要功能 ( 1 )矫正板形：由冷轧生产线生产冷轧钢卷的平直度不十分理想，为 此在平整机上进行压下率为1 5 的轻挤压，对带钢全宽施加均匀延伸 矫正平直度。 ( 2 )改善机械性能：通过平整机对带钢施加压力，随着轧制压力的增 加，带钢的屈服极限的延伸减小，抗拉强度增加，从而通过平整可以消 除带钢因屈服平台产生的拉伸应变和吕德斯线的皱纹缺陷，增加其弹性 8 兰州理工大学硕士学位论文 变形区域。 ( 3 )改善表面质量：通过乎整机对带钢施加压力，可以将轧制状态下 的粗糙表面改善为光滑表面，也可以使带钢表面的氧化皮层产生龟裂， 有利于下道工序的酸洗除氧化铁皮。 2 3 2 位置控制系统 位置控制是用于平整机辊缝标定时和穿带时的辊缝关闭，以及辊缝 标定后和平整后的辊缝打开，可以保证两侧液压压上( 或液压压下) 缸的 同步运行，主要是为轧制压力控制准备前提的条件，其位置反馈来自安 装在压上液压缸内的位置传感器分别获得位置信号来控制。 位置控制是平整机液压压上系统控制的基本功能之一如图2 2 所示。 位移测量采用高精度位移传感器，其可靠性高，安装和检修均比较方便。 位置控制回路的执行机构为伺服阀驱动的液压压上缸。在正常工作过程 中。位置控制回路和压力控回路可根据具体情况自动切换。液压缸位置 控制由基础自动化控制。在自动方式时，由操作员设定的位置基准值， 或根据液压a p c 在线调整计算出动态辊缝修正值，提供液压缸伺服阀电 流基准值，并接收来自安装于液压缸内位置传感器检测的位置反馈信号， 形成位置闭环控制，以提供液压缸快速、准确的定位。在手动方式时， 可控制液压缸停止在任意位置。手动上升、下降用于操作工对轧机辊缝 进行调整、轧辊预压靠和轧机液压压上系统的维护、检修。初始给定辊 缝用于本道次的辊缝预定值，a p c 给定则是用于平整过程中，由于厚度 的变化，给出的动态辊缝修正值。操作侧和传动侧液压缸中的位移传感 器给出的位移量经求和、取其平均值作为实际辊缝值。辊缝给定值和实 测值进行比较，获得位置偏差。按照偏差的方向和大小，给出液压缸伺 服阀驱动电流，控制液压缸升降运动，以获得精确的轧机辊缝定位值， 可以用于矫正带钢单边浪形1 1 3 j 。 比较器 图2 2 位置闭环控翻系统框图 9 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 2 3 3 压力控制系统 压力控制分轧制压力控制和弯辊力控制。轧制压力控制用于平整机 辊缝标定和平整操作，通过标定消除平整机机座各零件间存在的间隙和 接触不均；平整操作采取恒压力控制轧制方式如图2 3 所示，力求达到带 钢全宽范围内压力分布均匀，以便矫正板形。轧制压力的调节是建立在 辊缝关闭基础上的，在低于一个设定的最小轧制压力值时，必须自动转 换到位置控制。弯辊力控制具有正、负弯辊控制功能，用于补偿由于轧 制压力的变化而引起的辊缝变化，在没有采用板形闭环控制的平整过程 中弯辊力设定值不变，可以用于矫正带钢中间浪形和双边浪形i ”j 。 比较器 2 4 本章小结 图2 3 压力闭环控制系统框图 本章介绍了四辊冷轧平整机a p c 液压上控制系统原理图，并详细阐述 了其工作原理，并对其实现功能进行分析，建立了系统基本控制模式， 为下章建立数学模型和分析提供了理论基础。 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 第3 章平整机a p c 液压闭环控制系统数学模型 的建立及特性分析 3 1 p z 一14 0 0 b 四辊冷轧平整机的技术性能指标及其液压 压上控制系统的技术参数 ( 1 )原料带钢 钢种材质：普碳钢、管线钢、集装箱钢、低合金钢等( 6 3 7m p a ， q 4 9 0m p a ) ： 平整带钢厚度：1 2 1 2 7 m m ： 带钢宽度：1 0 0 0 一- - 1 3 8 0m m ； 带卷内径：7 6 2m m 带卷外径：中1 1 0 0 1 9 5 0 m m ； 带卷最大重量：2 4 3 k n ： ( 2 )成品带钢 带钢宽度：1 0 0 0 1 3 8 0m m ； 平整后带钢厚度：1 0 1 2 7 m m ； 带卷最大重量：2 4 0 k n ； ( 3 )作业线速度y 平整带钢厚度：1 0 4 5 m m ，= 4 0 0 m m i n ； 平整带钢厚度：4 5 6 3 5 r a m ，i m = 2 7 0 m m i n ： 穿带速度：y = 3 0 m m i n ； ( 4 )轧辊尺寸 支撑辊：o1 1 5 0 1 4 0 0 m m 工作辊；m6 0 0 1 4 0 0 r a m 控制方式：恒轧制压力控制、位置控制、同步倾斜度控制和延 伸率控制。 ( 5 ) 轧制力 轧制最大压力： 2 6 0 0 0 k n ； 工作辊弯辊力：4 9 0 k n ； 最大压上率：- ：5 ； ( 6 )系统控制性能指标要求： 位置控制：静态精度6 i im ，响应时间9 0 m s ； 恒轧制压力控制：控制精度2 ，频宽0 1 6 h z ； 振幅为o 0 5 r a m 时系统的幅值比频宽厂埘：6 1 0 h z ； 冷轧平蔡液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 墨皇量鼍曼皇量薯皇皇量| 曼曼皇曼曼曼鼍皇曼曼曼量皇置曼i | , i l 量皇舅曼皇鼍曼皇舅曼曼置曼皇量量皇曼曼量鼍量_ 压上油缸极限行程：1 5 0 m m ； 压上油缸工作行程：1 0 0 m m ； 压上油缸压上速度：= 3 m m s ；- 5 m m s ： 压上油缸最大加速度：口一= 1 2 0 m m s 2 ； 压上油缸位置分辨率：s 1i tm ： 压上油缸行程定位精度： 3 0ui n ； 系统相位裕量：，一4 0 0 6 0 0 ； 系统幅值裕量：k ，1 0 d b ； 系统频宽：2 0 - 3 5 h z ； 3 2 平整机a p c 液压控制系统静态分析及计算 3 2 1 负载分析计算 通过对轧制负载大小的变化规律和运动变化规律的分析，求出负载轨 迹，并分析其特点。轧机的轧制压力大小是由轧件材料、坯料厚度、压 上量、轧辊直径等因素决定的。由于各种条件比较复杂，轧制压力一般 不能确定给出，具有随机性，在压上油缸任意速度下都可能出现最大负 载力( 最大轧制压力) 。为了保证系统可靠工作，可认为系统只承受一恒定 的负载力，即用最大轧制压力k 来确定负载轨迹。因此，可得到如图3 ，1 所示的负载轨迹，图中负载轨迹曲线上的a 点即为系统负载的大功率点 【2 l ，22 1 。 v ma o fma f 图3 1 负载轨迹曲线 根据系统设计要求，0 0 5 m m 幅值比频宽为8 1 0h z 。油缸以0 0 5 m m 振幅值作正弦运动时，油缸的最大速度可以按下式求得： x 一0 0 5s i nm t( 3 1 ) 兰州理工大学硕+ 学位论文 v ；坐，0 0 5 c o s 烈 ( 3 2 ) 出 式中，x 一一压上油缸的位移，m m ； 一一系统要求的角频率，r a d s ，即= 幼，- 3 口； y 一一压上油缸的速度，m m s ； 由式( 3 2 ) 可知，油缸在频率下的最大速度为： ，。一0 0 5 x 2 n x f 姗 ( 3 3 ) 由于振幅为o 0 5 m m 时系统的幅值比频宽厂- 姗：5 1 0 h z ；将 厂- ，扭= ( 6 1 0 ) h z 代入式( 3 1 ) 可得 y 。；0 0 5 x 2 r r f 3 西= ( 1 8 8 5 3 1 4 2 ) m m s ( 3 4 ) 也值大于设计要求的油缸最大压上速度2 5m m s ，所以取油缸最大速 度v 一= 3 1 4 2 m m s ，负载轨迹图中y 邮一v 。时，系负载即为最大功。 3 2 2 确定动力元件的参数 ( 1 ) 确定油源压力。由于冷轧平整机负载力大，压上油缸外形尺寸又受牌 坊窗口尺寸的限制，所以油源压力不宜选择过小。参照同类轧机的参数 并经初步计算，确定油源压力p s = 2 6m p a 。 ( 2 ) 确定压上油缸尺寸参数。由于液压压上系统的负载轨迹比较简单，所 以近似用式直接最佳匹配参数。可得压上油缸有效面积爿。 f a 。，1 3 6 r t 一。0 2 4 2 9 m 2 ( 3 5 ) 1 p s 式中， 瓦一一一单侧平整机轧制最大力( 由于操作侧和传动侧系统控制 对象对称，本文只考虑作用于单侧液压缸力) ，n ； p 一一系统压力，m p a ； 压上缸：2 一一6 0 0 5 2 0 一一1 5 0 m m ( i 作行程1 0 0 r a m ，由操作侧和传动 侧各伺服阀控制) ，类型：工程用液压缸，安装形式：双耳式，型号：2 1 ， 压力范围：2 1 31 5 m p a ；速比：2 ；由沈阳工良液压设备有限公司生产。 活塞侧管道尺寸：外径和壁厚：4 8 8 r a m ，长度：5 m ； 背压压力：只- 4 0 m p a ； 公称压力：p = 2 1 0m p a ； 压力梯度：卸= 1 7 0m p a ； 一个油缸等效体积： 圪= 5 3 0 6 x1 0 七m 3 为了提高油缸位置检测精度和增加油缸的导向长度，把位移传感器安 装在油缸内部，直接检测油缸活塞中心的位移。 ( 3 ) 电液伺服阀选用 冷轧平整液压压上液压控制系统遗传算法p i d 控制器设计 由于液压压上油缸由初始压上状态转换压力最大状态过程中，按系 统频宽的要