（控制理论与控制工程专业论文）预测控制在轧机液压agc系统中的应用研究.pdf

论文题目：预测控制在轧机液压a g c 系统中的应用研究 专业：控制理论与控韦, l - r 程 研究生：王希娟( 签名)圣盘坦 指导教师：黄梦涛 ( 签名) 盈鸳透 摘要 由于轧机的自动化水平及现代工业对板带材的质量要求越来越高，因此对轧机的执 行机构及控制系统性能提出了较高的要求。轧机液压板厚自动控制( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r o l ，简称a g c ) 系统是现代化的轧机设备的核心技术。液压a g c 系统主要由信号 调节器、伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、轧机辊系和传感器等组成，其中的液压器 件具有高度非线性特点，其系统必然也具有高度的非线性。另外测厚仪的安装位置离轧 制点之间有一段距离，实际测量的来料厚度和控制压下位置存在一定的时间延迟，系统 中的时间滞后对控制系统有一定的影响。针对以上问题，本文建立了一个液压伺服系统 非线性动念模型；并结合轧机的输入、输出及延迟时间等因素，提出预测控制策略。 本论文的第一章介绍了课题的研究背景及国内外发展状况，并详细介绍了选题的意 义和主要研究的内容。第二章从理论上分析影响轧机出口厚度的几个主要因素，探讨了 板厚控制的几个基本方式。第三章从液压轧机电液伺服系统的机理模型出发，建立了一 个液压伺服系统非线性动态模型双线性模型，并进行了仿真研究，在仿真模型的基 础上，分析并比较了各种非线性因素对轧制过程中系统性能的影响。 由于液压轧机电液伺服系统的非线性、实变性、液固耦合性等特点，典型p i d 控制 算法无法实现高精度的控制要求。论文第四章结合轧机的输入、输出及时问延迟等因素， 建立了预测控制策略状态预测观测器、在线滚动优化预测控制器、预测模型和修正 模型，并对预测控制策略进行仿真研究。然后利用现场得到的数据，采用预测控制方法 建立一个实际的数学模型，通过反复优化，设计了合适的预测控制器。采用预测控制的方 法对液压a g c 系统的建模和仿真不仅具有重要的理论意义，而且对实际工程会起到一 定的指导作用。第五章针对实际工程提出了轧机a g c 系统的实现方案。 关键词：轧机：a g c ；电液伺服系统：双线性模型：预测控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t：a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fp r e d i c t i o nc o n t r o li nm i l lh y d r a u l i c a g c s y s t e m s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r y & c o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gx i j u a n( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：h u a n gm e n g t a o ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d u et ot h ea u t o m a t e dl e v e lo fm i l la n dt h eq u a l i t yo fb o a r da n ds t r i pb e c o m em o r ea n d m o r eh i g h ，t h eh i g hr e q u e s ti sp u tf o r w a r dt ot h ea c t u a t i n gm e c h a n i s mo fm i l la n dt h en a t u r e o fc o n t r o ls y s t e m m i l lh y d r a u l i ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ( a g c ) s y s t e mi sm o d e mm i l l g e n e r a lk e r n e lt e c h n o l o g y h y d r a u l i ca g cs y s t e mi sb e e nm a d eo fm a i nd y n a m i ce l e m e n t ， w h i c hi n c l u d es i g n a lc o n d i t i o n e r 、s e r v oa m p l i f i e r 、h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 、f l u i dc y l i n d e r 、 m i l lr o l la n dp r i m a r yd e t e c t o r , e t c t h e s ee l e m e n t sh a v eh i g hn o n l i n e a rf e a t u r e ，t h es y s t e m h a v ei n e v i t a b l yh i g hn o n l i n e a r i na d d i t i o ni th a so n e - s t a g ed i s t a n c eb e t w e e nt h ei n s t a l l e d p o s i t i o no ft h i c k n e s sg a u g ea n dr o l l e dp o i n t ，i th a ss o m et i m e st h a tt h ei n c o m i n gt h i c k n e s s f l u c t u a t i o nw i t hr e a lm e a s u r e m e n ta n dt h ec o n t r o lc o m p e n s a t i o no fs c r e wp o s i t i o np a r ta r r i v e t h er o l l e dc e n t e rp o i n t i nt h i sw a y , i te x i s ti n e v i t a b l yag i v e nt i m ed e l a y i ti sv e r ym a r k e d n e s s t h a tt h ei n f e c t i o no f t h et i m el a g st os y s t e m a g a i n s tt h ea b o v eq u e s t i o n ，t h ep a p e re s t a b l i s h e d an o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lo f h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ；c o n n e c t i n gw i t hi n p u t 、o u t p u to fm i l l a n d d e l a y e dt i m e ，e t c ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo f a g cs y s t e m i nt h ep a p e r , t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n di t sg e n e r a l d e v e l o p m e n tb o t hi n s i d ea n do u t s i d ec h i n ao ft h et o p i c ，a n di n t r o d u c e dd e t a i l l yt h em e a n i n g a b o u tt h ec h o o s et o p i ca n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t o nt h e o r y , t h es e c o n dc h a p t e ra n a l y z e d w h a ts o m em a j o rf a c t o r sa b o u ti n f l u e n c e dr o l le x p o r tt h i c k n e s s ，d i s c u s s e ds o m eb a s i cm o d eo f s l a bt h i c k n e s sc o n t r 0 1 t h et h i r dc h a p t e re s t a b l i s h e dan o n l i n e a rd y n a m i cm o d e lw i t h h y d r a u l i cs e r v os y s t e m - - b i l i n e a rm o d ef r o mt h em e c h a n i s mm o d e l i n go fh y d r a u l i cm i l l e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，a n dp u tu ps i m u l a t i o ns t u d y b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，i t a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ev a r i o u sn o n l i n e a rf a c t o r se f f e c to fs y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h e r o l l i n gp r o c e s s ，s ot h a tb r i n gf o r w a r db e i n gf i tf o rt h ep r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo fa g c s y s t e m a g a i n s tt h en o n l i n e a r 、r e a lv a r i a b l ec h a r a c t e r 、f l u i d - s o l i dc o u p l i n gc h a r a c t e r , e s t o f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e mo fh y d r a u l i cm i l l s ，t y p i c a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mc a r l ts a t i s f y t h ei n f l u e n c eo f h i g hc o n t r o lp e r f o r m a n c e c o n n e c t i n gw i t hi n p u t 、o u t p u to f m i l la n dd e l a y e d t i m e ，e t c ，t h ef o u r t hc h a p t e rp u tf o r w a r da n de s t a b l i s h e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y q t a t e p r e d i c t i v eo b s e r v e r 、o n - l i n er o l l i n go p t i m i z a t i o np r e d i c t i v ec o n t r o l l e r 、p r e d i c t i o nm o d e lm a d c o r r e c t i o nm o d e l t h ef o u r t hc h a p t e rd e s i g n e da n ds i m u l a t e ds p e c i f i c a l l yp r e d i c t i v ec o n t r o l s t r a t e g y , a n dt h es a m et i m e ，u s i n gt h ef i e l dg a i n e dd a t a ，i te s t a b l i s h e dap r a c t i c a b l e m a t h e m a t i cm o d e lw i t ht h ew a yo fp r e d i c t i v ec o n t r o la n db u i l tt h ep r o p e rp r e d i c t i v ec o n t r o l l e r t h r o u g hc y c l i co p t i m i z e t h ep r e d i c t i v ec o n t r o le m p h a s i z e so n l ym o d e lf u n c t i o n ，d o n t e m p h a s i z ei t ss t r u c t u r a ls t y l e ，s oi tn o to n l yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n gt ot h em o d e l a n ds i m u l m i o no fh y d r a u l i ca g cs y s t e mb u ta l s oh a sv e r yd e e pe x p l o r et oe n g i n e e r i n g p r a c t i c e a g a i n s tr e a le n g i n e e r i n g ，t h ef i f t hc h a p t e rp u tf o r w a r dt h er e a l i z e dp r o j c o to fm i l l s a g cs y s t e m k e y w o r d s ：r o l lm i l l sa u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m b i l i n e a rm o d e p r e d i c t i o nc o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 要错技大学 学位论文独创性说明 y92 3 0 9 7 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王磊蚋 日期：沙石石石 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指剥币签名兹哩嘞 侧f 年月y 日 ；u 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 2 1 世纪世界钢铁工业发展的一个显著特点是钢材市场的竞争愈演愈烈，竞争的焦 点是钢材的质量高而成本低。钢材应用部门连续化、自动化作业的迅猛发展，除要求钢 材的性能均匀之外，还要求钢材的尺寸精度高。同时，随着国民经济的高速发展，科学 技术的不断进步，汽车、机械制造、电器和电子行业对板材及带材的质量的要求也越来 越高【”。 在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材及带材的最重要的质量指标之 一，它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 g c a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获 得板带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格的产品。目前，厚度自动控制已成为现 代化板带生产中不可缺少的组成部分。 轧制成型的钢材是数量最大的金属材料制品，冶炼钢的9 0 以上要经过轧制工艺 才能成为可用钢材。轧制钢材与汽车、建筑、能源等国民经济的支柱产业及人民的生 活密切相关，而钢铁企业要生存和发展，就必须满足用户要求，实现市场销售，从而 获得利润。因此，提高轧制产品的精度，不仅是用户的需要，也是轧制技术的永恒的 目标，它是社会市场经济发展的需要，也是作为产品的最基本条件1 2 j 。 1 2 课题背景 本文以横向课题“3 5 0 m m 冷带轧机液压厚度控制系统的研制”为背景，对冷带轧 机液压厚度自动控制技术进行了深入的研究。 重庆某公司的3 5 0 m m 可逆冷带轧机于2 0 0 3 年开始筹建，洛阳某企业承担了该 轧机的a g c 系统的研制工作。针对其存在的时间滞后，本系统在硬件设计和软件设 计上都进行了探索，为今后研究同类轧机控制系统提供了实践经验。 1 3 轧机厚度控制发展概述 1 3 1 板厚控制技术的发展概况 从轧机诞生之日起，到由计算机完成各种复杂控制功能，板带轧机厚度控制是随着 对板带尺寸精度的要求越来越高而相应发展起来的，板带轧机厚度控制的发展大致可以 分为以下几个阶段【2 13 ： 西安科技大学硕士学位论文 第一阶段是上世纪三十年代以前的人工操作阶段。该时期技术上还不成熟，轧制速 度比较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝方式为主，由于当时各种 检测手段尚不完善，轧机的调整和过程的实时调节主要是凭操作人员的经验进行的。在 这一阶段中，轧机理论在后期才刚刚建立起来，还没有达到应用的程度，又由于s l n 条 件和轧制状态不断发生变化，仅仅依靠操作人员的操作经验很难达到较高的要求，致使 轧机的各项技术指标都比较低，相应的该阶段的厚度控制尚未形成自动控制。1 9 2 8 年 在美国威尔顿钢铁厂最早投产的五机架带钢冷连轧机组的速度只有1 0 2 m m i n ，一直到 4 0 年代才达到1 0 0 0 m m i n ，因此冷连轧机的产量并不高。 第二阶段是上世纪三十年代到六十年代的常规自动调整阶段。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，同时，随着自动调节理论和技术的发展， 并逐渐应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。在这个 阶段英国的h e s s e n b e r g 等由轧机弹性曲线和轧件塑性曲线交点决定出口厚度的理论而 推导出板厚表达方式，从此奠定了板厚控制的理论基础。 上世纪六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到钢铁 制造业，使板带产品的生产发生了变革，形成了上世纪六十至八十年代的计算机控制阶 段，即板厚控制的第三阶段。这一时期，带钢冷连轧机已进入高速( 六机架轧速高达 2 5 2 0 m m i 山巨型轧机的领域，轧机的年产量己高达2 5 0 万吨。不仅在工艺和设备等方面 有很大的进步，而且还采用了许多新技术，如：全液压压下轧机、全连续式轧机等。整 个生产过程全部采用计算机控制，使高速、高精度的过程控制成为现实。另外，由于精 度高、反应灵敏的测厚、测压、测张等检测装置技术的发展，使自动控制更加可靠，更 加精确。为了保证成品带钢厚度均匀一致，己经由不断完善厚度自动控制系统，发展到 了板厚板形综合自动控制系统【4 】。 计算机在板厚控制中的应用首先是从热连轧机的设定上开始的，由于在穿带过程 中，要根据被轧带材的各种情况，要求快速、最优地设定各机架的出口厚度值、辊缝值 以及轧制速度等，这样单凭经验及简单的计算已经无能为力了，必须引入计算机运算才 能完成。六十年代后期，板带轧机的控制逐步过渡到了以计算机设定和以微机进行d d c 过程控制阶段。自上世纪七十年代起，液压厚度控制技术( 液压a g c ) 的应用，使板厚控 制技术产生了重大变革。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控制技 术大大地向前迈进了一步。 从上世纪八十年代末至现在，板厚控制技术正向着大型化、高速化、连续化的方向 发展，成为板厚技术发展的第四阶段。这一阶段已将板厚、板形控制的全部过程融入到 计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。一方面，在过程控制级的控制中，采用最 优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等控制理论的最新成果，以追求控制性能 的更高水平；另一方面，在监控层的设定计算中，采用人工智能、模糊控制、神经网络 2 l 绪论 等手法，以追求系统的灵活性和多样性。以上两个方面的不断融合在一起，开发出高精 度、无人操作的厚度自动控制系统，这也是第四阶段轧机的发展目标。 1 _ 3 2 国内外发展现状 ( 1 ) 国际上在板带轧机厚度控制方面的发展状况：近年来，国外在板形和板厚等 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。具有代表性 的有住友的v c ( v a r i a b l e c r o w n ) $ l 机、n k k 和日立w r s ( w o r k r o l ls h i f l i n g ) l 机、德 国西马克公司研制的连续可变凸度c v c ( c o n t i n u o u sv a r i a b l ec r o w n ) 轧机、三菱重工 与新日铁的p c ( p a i rc r o s s ) $ l 机等。这些轧机配以现代化控制手段，可实现多功能精 密轧制，生产出微米级厚度精度的板带材产品。近年来，随着经济的发展，世界各国 对冷轧带钢的质量、品种和数量提出了新的要求，为轧制过程的控制进一步增加了难 度，用传统方法已经很难进一步提高控制水平了。因此，一些国家开始全面、有计划 地开发智能控制，如模糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求( 1 】。 ( 2 ) 国内在板带轧机厚度控制方面的发展状况：国内冷轧板带工业起步较晚，为 实现工业化，到1 9 6 0 年，鞍钢才建立了第一台1 7 0 0 m m 单机可逆式冷轧机。但随着 科学技术的发展，智能控制技术在轧机中也得到了一定的应用，如鞍钢中板厂2 3 5 0 四辊轧机智能控制的开发研究、济钢中板轧机液压a g c 系统中模糊控制技术的应用 等。但自行研制的轧机，技术含量不高，每年尚需进口大量的高精度板带产品，许多 轧机的生产状况，还不令人满意，厚度精度也亟待提高。要对这些轧机实施改造，许 多理论和技术上的问题还有待研究。因此，提高国内产品的轧制精度是国内钢铁工业 发展的当务之急。 ( 3 ) 国内在板带轧机厚度控制方面所存在的问题和解决的办法【4 、5 1 ：影响板材质 量的关键因素就是轧机的控制精度跟不上。现有的控制方案有：测厚仪闭环反馈控制 系统、缸位移闭环反馈控制系统、辊缝闭环反馈控制系统、压力闭环反馈控制系统等 等，或者几种方法共同配合使用，而所有这些方法历来都是采用常规p i d 控制方法， 其中之所以没有采用新型控制方法的一个主要原因是现代控制理论的许多方法都是 建立在精确的数学模型的基础上的，而我们知道，对于轧机这样如此庞大复杂的系统 要得到它精确的数学模型是相当困难的，甚至是不可能的，因为其中存在很多的不可 预测因素，所以当我们用常规那些对模型精度要求比较高的控制方法时，实现起来就 非常困难6 1 。 目前的工业过程控制中被控对象往往都是非线性、时变的系统。由于常规p i d 控制是建立在被控对象的机理模型之上，所以，常规p i d 控制存在着很大的局限性， 它对于一些复杂的控制系统显得无能为力。另外，由于计算机技术的飞速发展，常规 p i d 控制算法对于高的精度性能要求已经无法胜任，因此必须对轧机的控制方法进行 西安科技大学硕士学位论文 改进。针对常规p i d 控制的局限性，人们努力探索绕过精确数学模型的建立而对系 统进行控制的方法。为此，提出了自适应神经网络p i d ，模糊p i d 控制，预测控制等 等。虽然模糊技术与p i d 调节器相结合的控制方法的动态响应能力和抗干扰能力优 于p i d 控制，但是对于厚度控制系统存在的时间滞后，任何p i d 控制器都不能很好 的克服。所以，寻找一种对系统模型要求精度较低而控制效果能够满足经济生产需要 的新型控制方法就很有必要了。 预测控制作为一种新型计算机控制算法，是一种基于预测模型，滚动实施并结合 反馈校正的优化控制算法。预测控制汲取了优化控制的思想，它利用滚动的有限时段 优化，取代了一成不变的全局优化。这种建立在实际反馈信息基础上的反复优化，能 不断估计不确定性的影响，并及时加以校正，反而要比只依靠模型的一次优化更能适 应实际过程，具有更强的鲁棒性和稳定性【7 l 。 1 4 选题的意义及主要研究的内容 1 4 1 选题的意义 ( 1 ) 随着现代化工业技术的迅速发展，对板、带钢的品种、规格和产量的要求同益 增高，对轧机液压a g c 系统的控制要求也越来越高。因此，建立一个完整、正确的机 电一体化式轧制模型，进行轧机体系在轧制过程中的变形和液压控制系统的动态响应的 实时模拟，实现轧制过程中的动念可视化十分必要。 ( 2 ) 液压伺服系统是一个非线性系统【“”，这个非线性系统由一些非线性元件组成， 这些元件具有高度非线性特点，其系统必然也具有高度的非线性。这些非线性环节严重 影响到了板厚精度。因此，建立一个完整、正确的轧制模型，实现轧制过程中的动态可 视化十分必要。 ( 3 ) 由于测厚仪的安装位置离轧制点之间有一段距离，实际测量的来料厚度波动和 控制压下位置部分补偿要等一段时问才能达到轧制中心点，这样不可避免地要存在一定 的时间延迟，如图1 1 。入口侧的测厚仪测得的入口厚度与设定值的误差经过计算机、 伺服放大器、送给伺服阀进而控制液压压下动作，这叫做预控；出口侧的测厚仪测得的 出口厚度与设定值的的误差经过计算机、伺服放大器、到伺服阀进而控制液压压下动作， 这叫做监控；时滞的存在会影响监控控制和预控控制的作用效果。轧机液压a g c 系统 是一个非常典型的时滞系统，虽然在有些情况下人们往往忽略时间滞后对系统性能的影 响，但在通常情况下，特别是在轧制薄而宽的带材时，时间滞后对系统的影响非常显著， 它达不到比较高的控制性能。因此，本文对时滞系统的研究具有较强的理论和实践意义。 4 1 绪论 可 口测厚仪 州- k -蛐磐仪1 1 一j 出v h - v l三v 2 1 汕 万一将牟 r 百亍广 图1 ，1 时滞示意图 进行a g c 仿真研究的意义在于： ( 1 ) 节省人力、物力、财力，是一种最经济的手段。可以使工程设计人员集中精力 于控制方案的选择和计算结果的分析。 ( 2 ) 可以进行轧机复杂控制系统的分析设计，提高设计质量。可采用多种设计方法， 在大量的设计方案中寻求最佳方案，实现对控制系统的最佳设计与控制。 1 4 2 主要研究内容 本论文着重对以下几个问题进行研究： ( 1 ) 液压伺服系统非线性动态模型的建立。根据伺服阀、供油管道、液压阀、轧机 辊系、回油管道、传感器等的非线性模型，建立一个完整、正确的液压a g c 系统模型。 这个非线性的轧制模型是该课题研究的基础。 液压伺服阀采用双线性模型，它是一种特殊的非线性模型。由于在动态特性上，液 压伺服系统有着高度非线性，这种非线性主要来自液体的可压缩性和伺服阀内复杂的流 动特性，因此相对较难控制8 】【9 1 。对一般非线性系统，在工作点附近，若用双线性模型 近似，往往能得到更符合实际系统的近似模型，同时双线性模型利用在实际预测过程中 得到的残差信息进行反馈校正，只用较少的参数就可保证伺服阀具有较高的精度和较好 的性能。 轧机辊系采用两自由度质量分布负载模型，它抛弃了传统的单自由度负载模型，因 为实际轧机的上下辊系是不完全对称的，尤其是在上支撑辊与上横梁之间有液压油缸， 上辊系的刚度比下辊系的刚度要小很多。因此，按两自由度不对称分布质量系统模型对 轧机液压a g c 进行分析将更符合实际工况。 ( 2 ) 建立数学模型的可视化仿真模型。以( 1 ) 所建立的轧制模型为基础，将这个模型 分别转化为仿真模型( s i m u l i n k 仿真模型1 或编译成m a t l a b 程序，实现控制系统仿真结 果的可视化，并进行比较。 ( 3 ) 在仿真模型的基础上，分析各种非线性因素对轧制过程中系统性能的影响，以 便提出更适合于a g c 系统的预测控制策略。 ( 4 ) 由于液压轧机的电液伺服系统具有非线性、实变性、液固耦合性等特性，轧制 过程中又不可避免地存在大的时间滞后，用常规p i d 控制算法无法满足高控制性能的要 西安科技大学硕士学位论文 求，因此，建立了预测控制策略。并对预测控制策略进行了具体的设计和仿真研究，同 时利用现场得到的数据，采用预测控制方法建立了一个实际的数学模型，通过反复优化， 建立了合适的预测控制器。并针对预测控制方法在a g c 系统中的应用提出了合理的方 案。 2 轧机厚度自动控制原理 2 轧机厚度自动控制原理 厚度是板带材最主要的质量标志之一，厚度自动控制是板、带材发展中不可缺少的 重要组成部分。板、带材的高精确度主要是指厚度( 纵向和横向) 的精确度。板、带 材是从轧辊辊缝中轧出来的，所以辊缝的大小和形状决定了板、带材纵向和横向厚度 的变化。那么，要提高产品的厚度精度，就必须研究轧辊辊缝大小和形状变化的规律 m 。 厚度自动控制系统是通过测厚仪或传感器对带材实际轧出厚度连续进行测量，并 根据实测值与给定值比较后的偏差信号，再借助于控制回路或计算机的功能程序，改 变压下装置、轧制压力、张力或轧制速度等，把带材出口厚度控制在允许的偏差范围 内，将轧制品的厚度自动控制在一定尺寸范围内的系统称为厚度自动控制系统，简称 为“a g c ”u 2 1 。 根据轧制过程中控制信息流动和作用情况的不同，厚度自动控制系统可分为：反 馈式、前馈式、监控式、张力式等。从执行机构看，可分为：电动a g c 和液压a g c 。 2 1 厚度控制的基本原理 板带材的几何尺寸包括纵向厚度、横向厚度和板形。纵向厚度是指设定厚度与板宽 中点沿轧制方向的厚度之差；横向厚度是指板带材在同一横断面上，中点与边部的厚度 之差；板形直观上是指板带材的翘曲程度，实质是指板带材内部残余应力沿横向的分布 n ”。本文以带材纵向厚度的控制方式为主要研究内容。 2 1 1 液压伺服压下系统的控制结构分析 液压a g c 系统的厚度控制结构是由初始控制回路、前馈控制回路、反馈控制回路、 位置环和压力环等联合应用来实现高精度板带材的厚度自动控制i l ，如图2 1 。 ( 1 ) 初始控制回路：在前馈和反馈控制回路未能正常投入使用之前，带材的头尾由入 口测厚仪到卷取机，就小型轧机而言，般至少有2 3 m 的料长都不能进行正常的轧制。 初始控制回路是当带材一通过入口测厚仪，轧机就根据该测厚仪测得的入口厚度与给定 厚度相比较的结果，针对所要求的出口厚度，按延伸律的原则，通过计算机和液压系统 准确地进行辊缝的设定和轧制，使带材头尾的厚度基本上可以符合要求，就0 1 o 5 m m 的带材而言，一般初始控制回路可以使带材头尾的厚度精度达到士( 3 5 ) 。 ( 2 ) 反馈控制回路：它是在轧机的出口侧设置精度比较高的测厚仪，直接测出带钢 的实际轧出厚度并与设定的目标值进行比较，将测得的厚度偏差矗和按金属秒流量相 等原则计算出的厚度偏差 。，形成复合反馈控制修正指令信号，并将这个反馈信号反馈 西安科技大学硕士学位论文 图2 1 液压a 6 c 系统的厚度控制结构图 给厚度自动控制装置，经放大，送给液压伺服阀，从而控制压下电动机的速度，移动压 下螺丝，调节轧辊辊缝，使其准确地停止在轧辊辊缝所要求的位置，以消除该厚度偏差。 但是这种结构的控制方式因纯滞后环节的存在，即厚度变化的检测量与控制量不是在同 一时问内发生的，因为考虑到轧机结构的限制、测厚仪的维护及为防止带断而损坏测厚 仪所采取的保护措施等因素，测厚仪一般安装在离轧辊较远的地方，一般为7 5 0 2 1 0 0 m m ，控制作用总是落后于扰动作用，使其难以纠正入口厚度骤然变化而引起的厚 差，它只能纠正低频率的变化而导致的缓慢的偏差，并且必须经过几次传送之后，才能 得到纠正。 ( 3 ) 前馈控制回路：为了克服反馈控制回路中的滞后现象，引入了前馈控制回路， 它是用来消除来料厚度差的。进入轧机的带材厚度是用入口测厚仪进行测定的，并将入 口测厚仪至轧机中心线的距离分成若干段，带材每移动1 0 0 m m ，测厚仪就测定一次带 材的厚度，将测出的厚度与预期给定的入口带材厚度进行比较，产生一个厚度偏差a h ， 经过适当的延迟，在干扰正好到达轧制点时，控制压下传动机构适时动作，对干扰进行 校正，从而得到所要求的目标厚度，即在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度 偏差，经放大，送给液压伺服阀，控制压下电动机的速度，移动压下螺丝，调节轧辊辊 缝，使其准确的停止在轧辊辊缝所要求的位置。只要在预定的时间内提前调整压下机构， 就可以保证获得所要求的带钢轧出厚度。这样，如果时间控制的准确就不会有追随误差。 具体做法是：带材每移动1 0 0 m m ，液压系统便对厚度偏差作为一次纠正【l “。 ( 4 ) 压力环：是a g c 控制的一个基本内环，它也需要与其它a g c 模式一起使用。 2 轧机厚度自动控制原理 安装于压下油缸上的压力传感器检测油缸内的压力，经转换得到轧机轧制力反馈信号， 这个信号和一个压力给定信号相比较，用两者的差值来驱动伺服阀，调整压下油缸是差 值趋于零。压力控制主要用于压力一张力一速度a g c 控制、轧机预压靠调零、轧机调 试及故障诊断。 ( 5 ) 位置环：是a g c 控制的另一个基本内环，由位移传感器测量液压缸位移量构成 反馈闭环控制，在轧机的操作侧和传动侧分别有两个或两组传感器获取位置反馈信号， 然后把这两个信号加以平均产生一个代表中央位置的信号，这个平均值和一一个辊缝给定 信号相比较，用两者的差值来驱动伺服阀，调整压下油缸使差值趋于零。 压力环和位置环两环之一工作时，控制另外一环处于跟踪热备用状态，一旦系统过 压或者欠压超过给定域值，备用环之一立即投入控制。 2 1 2 轧机的弹性变形与弹跳方程 在轧钢生产中，轧辊和轧件的相互作用是通过轧制压力p 实现的。轧辊对轧件施加 某数量的轧制压力p 使之产生塑性变形，使轧件的厚度变薄，这是轧制过程的主要目 的之一。同时，轧件又给轧辊以大小相同、方向相反的反作用力，并通过轧辊轴承、压 下螺丝等零部件传到机架上，使整个机座( 轧辊及其轴承、压下装置和机架等) 产生一定 量的弹性变形，轧机的总变形量可达2 - 5 n m l 。以至对轧制成品的精度造成影响，对轧制 薄而宽的带材，影响更为明显i l “。 轧机的弹性变形与轧制压力有关，在车l a j 压力较小时，轧机弹性变形与轧制压力成 非线性关系，这是由于轧机各零件之间的接触面凸凹不平和轧辊的非线性接触变形造成 的。当轧制压力达到一定数值后，轧机弹性曲线与轧制压力就成线性关系，由于通常都 不在低负荷区轧制，故一般都把弹性曲线看成线性。 图2 2 的曲线a 称为轧机弹性变形曲线或弹跳曲线。轧机弹性变形曲线直线段的斜 率，称为轧机的纵向刚度系数。可用公式( 2 1 ) 表示： 匿= ( 2 1 ) 式中k ：轧机纵向刚度系数( k n m ) ，它表征使轧机产生单位弹跳量所需的轧制压力。 p ：轧制压力的变化量( k n ) ； 厂：机座弹性变形值( m m ) 。 机座的弹性变形除与轧制力有关外，还与轧机的纵向刚度系数有关。实际系统中， p 越大，则轧机纵向刚度系数越大( 即弹性曲线越陡) ，表明轧机刚度越大，轧机弹性 变形越小。因此，轧机刚度系数世是表示轧机工作机座软硬程度的系数。由图2 2 可 见，轧件出口厚度h 可近似地表示为【1 7 】： 西安科技大学硕士学位论文 h s o + a f = s o + 三 ( 2 2 ) a 式中s o ：空载辊缝值。 该式称为轧机的弹跳方程式。由该式可知，若已知轧机刚度系数世，则可求出在某 一轧制压力p 下，轧机产生的弹性大小，便可求出当轧件出口厚度为h 时所需辊缝的设 定值s 。因此，弹跳方程不仅是辊缝设定计算中的基本公式，还是厚度自动控制的基础。 2 1 3 轧件的塑性变形与塑性方程 金属塑性变形是在一定的轧制压力尸下产生的，而轧制压力，与轧制条件和受力状 态等各种因素有关。在轧制过程中，轧件和轧辊之间因承受轧制力的作用而产生了弹性 变形，由于反作用力的存在，轧件也给轧辊大小相等的作用力，轧件发生的是塑性变形， 轧机发生的是弹性变形。一旦轧件离开轧机，辊缝自然回到初始状态，因此，称该现象 为轧机弹跳现象。 轧制时的轧制压力p 是所轧带钢的宽度b 、轧辊半径r 、来料入口厚度h 、出口厚 度矗、摩擦系数、温度f 、前张力吒和后张力o h 以及变形抗力正等的函数叫1 9 1 。 p = ( b ，r ，h ，h ，肚t ，o h ，)( 2 3 ) 式( 2 3 ) 为金属的压力方程，当把除h 以外的所有变量都视为常量时，轧制力与出e l 厚度h 的关系曲线称为轧件的塑性变形曲线。如图2 2 中的曲线口为轧件塑性曲线，其斜 率称为轧件的塑性刚度系数m ( k n m ) ，它表征使轧件产生单位压下量所需的轧制压力。 其关系式称为轧件的塑性方程。 p = ( h ) ( 2 4 ) m ：一竺 ( 2 5 ) a h 、。 它反映了轧件的软硬程度，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。此外，也可以用直线斜率m = 竺近似代替塑性曲线上工作点处的切线斜率的 a 办法来确定，系数i 是为了修正此种近似计算所产生的误差，一般k = 0 9 1 1 。 当轧制条件( 某些因素) 变化时，塑性曲线及塑性刚度系数亦随之发生变化。在一定 的轧制压力下，轧件轧前厚度愈薄，塑性曲线愈陡，轧件塑性刚度系数m 愈大，压下 量愈小；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厚度也愈大、愈薄；变形抗力愈大，曲 线愈陡，轧件刚度系数和轧后厚度也愈大、愈薄。 2 轧机厚度自动控制原理 2 1 4 轧机的弹塑性曲线 由于轧机各零部件间的非线性接触变形不稳定，故弹跳曲线的非直线部分经常是变 化的。因此，轧辊真正的零位点是找不到的，也就是说如何根据要求的轧件出口厚度h 来确定空载辊缝鼠是个较困难的问题。在实际生产中，为了消除上述不稳定和非直线段 的影响，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为零( 称 为人工零位) ，然后抬起轧辊，计算轧辊的辊缝值。 p p h = s o + 三= 卫一( 占一磊) ( 2 6 ) a 式子中繇：人工零位后空载辊缝指示值； 只：人工零位时的预压靠力； 万：液体摩擦轴承油膜厚度； 矗：对应于人工零位时的油膜厚度。 由此，可得n s l 机弹塑性曲线p h 图2 2 。其中a 为轧机的弹性曲线；b 为轧件的 塑性曲线。曲线a 、b 的交点决定了实际轧制力的大小，一切影响曲线a 、b 交点位置 的因素，都将影响轧件的出口厚度。 p ( k n ) p 墅m ) h 图2 2 弹塑性曲线叠加的ph 图 厚度控制的基本原理是：无论轧制过程如何变化，总使轧机弹性曲线a 与轧件塑性 曲线b 相交于等厚轧制线c ，从而得到恒定厚度的带材。 2 1 5 板带钢厚度波动的原因 引起带钢厚度偏差的原因很多，概括起来主要有：原料厚度的波动；轧制状态及轧 制条件的波动( 如轧制速度的变化，轧辊的磨损、热膨胀相偏心，以及速度变化时轴承 油膜厚度的变化等) 2 0 - 2 2 。 ( 1 ) 实际轧出厚度随辊缝而变化的规律：轧辊的偏心、热膨胀和磨损等都会使实际 西安科技大学硕士学位论文 的空载辊缝墨随着压下螺丝设定值位置的改变。在其他条件不变的情况下，它将按图 2 3 所示的方式引起带钢的实际轧出厚度h 的改变。 例如：因为压下调整，辊缝变小，则a 曲线左移，从而使得a 曲线与b 曲线的交 点由q 变为q ，此时实际轧出厚度便有 变为鸭，带钢便被轧的更薄。当采取预压紧 轧制时，使上下轧辊以一定的预压靠力只互相压紧，也就相对于辊缝为负值( 一s o ) ，这 样就能使带钢轧的更薄，此时实际轧出厚度变为髓，见 k 1 h ( m m ) 目 图2 3 辊缝变化对轧出厚度的影响图2 4 轧机刚度变化对轧出厚度的影响 ( 3 ) 实际轧出厚度随来料厚度而变化的规律：由图2 5 可知，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 小。并且其斜率稍有增大，即材料的塑性刚度稍有增大，实际轧出厚度也增大，反之实 际轧出厚度减小。所以当来料厚度不均匀时，则所轧出的轧件厚度就会出现相应的波动。 这种情况虽然可以通过厚度控制得到改善，但最终难以完全消除。 ( 4 ) 实际轧出厚度随摩擦系数而变化的规律：由图2 6 可知，在轧制过程中，当减小 摩擦系数时，轧制压力会降低，可以使带钢轧的更薄。轧制速度对实际轧出厚度的影响， 也主要通过对摩擦系数的影响来起作用，当轧制速度高时，摩擦系数减小，则实际轧出 厚度也减小，反之则增厚。 ( 5 ) 实际轧出厚