（机械电子工程专业论文）基于模糊控制的铝冷轧板形控制策略研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 板形精度是板带材的重要质量指标之一。板形自动控制系统 ( a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r o ls y s t e m 简称a f c 系统) 是轧机自行化系 统中不可或缺的一部分。但由于轧制工艺的复杂性，a f c 系统控制 参数存在不确定性，要建立精确的数学模型比较困难，采用智能技术 为轧机板形自动控制提供了一条有效途径。 首先本文介绍了板形的基本知识，研究了铝板材生产过程中使板 形产生偏差的主要原因。在此基础上，分析了调整板形偏差的方式和 几种a f c 系统的工作原理。 其次，在弯辊控制系统的设计中，提出了分级控制的控制思路。 在对称板形偏差较大时，采用粗略模糊控制器，控制系统能有较快的 响应速度；在对称板形偏差很小时，则使用精细模糊控制器，可以使 控制系统工作稳定。并对分级控制系统的工厂现场应用结果进行了分 析。 最后针对局部板形控制中，由于没有基于被控系统变量特征的先 验模型结构，同时被控系统各变量之间建模困难，故采用自适应神经 模糊推理系统，完成对被控对象的建模。通过生产现场采集的数据检 验，自适应神经模糊推理系统能较好的完成控制任务。 关键词板形精度，弯辊控制，分级控制，局部板形，自适应神经模 糊推理系统 硕士学位论文 a b s t r a c t f l a t n e s sa c c u r a c yp l a t es t r i pi so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so f q u a l i t y f l a t n e s sc o n t r o ls y s t e m ( a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r o ls y s t e m ，o r a f cs y s t e m ) i sas y s t e mi nt h em i l li t s e l fa l li n t e g r a lp a r t h o w e v e r ，a s t h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o c e s sr o l l i n g ，t h ea f cs y s t e mc o n t r o lp a r a m e t e r s r e m a i nu n c e r t a i n i ti sd i 伍c u l tt ob u i l da l le x a c tm a t h e m a t i cm o d e l i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y i sa l le f f e c tw a yt os o l v et h ep r o b l e m f i r s ti nt h i sp a p e r ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo ff l a t n e s sw a si n t r o d u c e d i nt h ea l u m i n u ms h e e tp r o d u c t i o np r o c e s st h em a i nr e a s o n so ft h ef l a t n e s s d e f e c t sh a v eb e e ns t u d i e d o nt h i sb a s i s ，t h ea d j u s t m e n tw a yo ft h es h a p e d e v i a t i o na n ds e v e r a la f c s y s t e m sw o r k i n gp r i n c i p l ew e r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，i nt h er o l lb e n d i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g np r o c e s sg r a d i n g c o n t r o li d e a sw a sp r o p o s e d i fs y m m e t r i c a ls h a p ei si nl a r g e rd e v i a t i o n s ， t h r o u g hu s i n gar o u g hf u z z yc o n t r o l l e ra n dt h ec o n t r o ls y s t e mc a nh a v ea f a s tr e s p o n s es p e e d i fs y m m e t r i c a ls h a p ei si ns m a l ld e v i a t i o n s ，t h r o u g h u s i n gaf i n ef u z z yc o n t r o l l e r , t h ec o n t r o ls y s t e m c a l lb es t a b l e t h ef a c t o r y s i t ea p p l i c a t i o nr e s u l t su s eo fg r a d i n gc o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y z e d f i n a l l yi nl o c a ls h a p ec o n t r o ls t r a t e g yd e s i g np r o c e s s ，w i t ht h e a b s e n c eo fs y s t e mv a r i a b l e sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fap r i o r im o d e l s t r u c t u r e ，a tt h es a m et i m ei ti sd i f f i c u l tt ob u i l ds y s t e mv a r i a b l e sb e t w e e n m o d e l s t h e r e f o r e ，i th a da d o p t e da d a p t i v en e u r o - f u z z yi n f e r e n c es y s t e m s ， c o m p l e t i o no f t h eo b j e c tm o d e l t h r o u g hp r o d u c t i o nt e s td a t ac o l l e c t e da t t h es c e n e ，a d a p t i v en c u r o f u z z yi n f e r e n c es y s t e mc a nb ea b l et ob e t t e r c o m p l e t ec o n t r o lt a s k s k e yw o r d s f l a t n e s sa c c u r a c y , r o l lb e n d i n gc o n t r o l ，g r a d i n gc o n t r o l ， l o c a ls h a p e ，a n f i s i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盔斌日期：上：巫年月土日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。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。 怍者签名：查斌导师签名二盏二聋日期：竺年三月l 日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着科技技术的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对铝及铝合金 材料的品种、规格以及数量的需求不断增加，对材料的性能、质量、精度等要求 也越来越高，从而相应地要求更为先进的铝加工技术和装备作为支撑，为国民经 济和国防建设供给更好的铝合金材料及制品。在国民经济高速发展，国内外市场 对铝加工板材需求强劲增长，以及加入w t 0 后市场竞争日趋激烈的今天，显然已 不能仅依靠原有的老旧轧制生产线。因此，借鉴和引进国外的铝材先进生产技术 和成功经验，研究铝板带材的轧制控制技术，对于将来我国铝板材生产项目的建 设和发展实践必然大有裨益。本文的课题来源于国内某大型铝加工厂，要求提高 铝板材冷轧制过程中的板形控制精度，进一步提高铝板材板形精度，采用智能控 制方法进行设计、仿真，并现场实验。 1 1 课题研究的背景及意义 铝以它在地壳中分布广、含量丰富、比强度高、导热导电性能好、抗腐蚀性 能高、色泽美观、塑性好、易于加工成型等特点，在生产应用方面得到迅速发展。 铝产量已占有色金属总产量的近5 0 ，仅次于钢铁，为世界第二大金属。 我国的铝加工工业是从铝板材轧制开始的【l 】。1 9 1 9 年在上海成立一家作坊式 的铝制品厂，轧制小张铝板，用于制造小型铝器皿。1 9 3 2 年，加拿大铝业公司 ( a l c a n ) 和瑞士铝业公n ( a l u s s u i s e ) 合资在上海杨浦区建设的华铝钢精厂投产，生 产铝板带箔材，生产能力达到3 5 k t a 。从此，中国有了当时东半球最大的达到 当时国际水平的铝# l n 厂，尽管所用的主要设备是一家瑞士工厂淘汰的二手设 备，但一直到1 9 5 5 年，它都是中国最大的铝板带箔材t l n 厂 1 9 5 6 年，我国第一个大型铝加工厂东北铝加工厂的投产使中国铝板带 材生产跨入世界先进行列，其2 0 0 0 m m 四辊可逆式热轧机的通过能力达3 0 k t a 。 两台1 7 0 0 m m 四辊可逆式冷轧机的设计生产能力为2 0 k t a 。其所产铝板带材的 7 0 供给国防工业使用，是亚洲最大的综合性铝加工厂。在。一五一计划期间和 “二五 计划前期，全国各地还建设了约1 7 个板带材生产厂家，全为小型二辊 轧机，总设计生产能力为1 2 k t a 。到1 9 6 0 年我国铝板带材的设计生产能力已达 硕士学位论文第一章绪论 到4 0 k f f a 。所产铝板带材能满足当时国民经济各部门的需要。 在2 0 世纪6 0 年代及7 0 年代前期，我国建成了西南铝加工厂，板带材生产 系统采用我国自行设计和制造的2 8 0 0 m m 四辊可逆式热轧机与冷轧机，可生产宽 2 5 0 0 m m 的特大板材。在这期间各地又相继建设了约2 0 个铝板带材厂。截止1 9 7 5 年，我国铝板带材的设计生产能力达到1 0 0 k t a 。但是实际产量仅为5 0 k t a 。至此， 与工业发达国家相比，我国铝板带材生产系统的工艺装备已明显落后约3 0 年。 东北铝加工厂和西南铝加工厂的轧机实际上与美国2 0 世纪4 0 年代中后期水平相 当，而其它中小型厂的轧机则仅相当于2 0 世纪3 0 年代水平。 改革开放以来，特别是进入2 0 世纪8 0 年代后期，迎来了铝板带材快速发展 期，一方面国家对东北铝加工厂和西南铝加工厂的板带材系统作了全面的技术改 造，另一方面从国外引进了约3 0 台先进和较先进的轧机，此外，国内一些单位 在消化吸收先进轧机技术的基础上，设计与制造了一些较先进的轧机。目前，我 国有自制的辊面宽度大于1 2 0 0 m m 的铝板、带材冷轧机3 6 台，生产能力5 2 0 k t a 。 还有一些小型的四辊冷轧机，生产能力约1 0 k f f a ，此外还有7 0 0 k t a 的二辊轧机( 即 “二人转 轧机) ，现代化冷轧机己占总生产能力的6 6 。 我国铝加工生产已有几十年的历史，特别是近二十年来在生产规模和技术上 得到了长足的发展，铝加工工业水平得到了很大的提高，先后整机引进2 0 余台 现代化冷轧机，大大缩短了冷轧产品与国际先进水平的差距。但与工业发达国家 相比，我国铝加工业整体水平还存在着较大的差距。 上个世纪九十年代以来，在铝轧制工业生产过程中，各国均采用了大量的新 技术以适应激烈的产品竞争。对带材来说，其外形尺寸包括厚度、宽度、板形、 板凸度、平面形状等越来越来受到生产厂家重视。在所在的尺寸精度指标之中， 板形精度指标是基本、最重要的指标之一。随着仪表、电器、汽车及轻工业的发 展，对板带板形的要求也日趋严格，但在我国，铝板材轧制过程中的自动控制还 是一个相当薄弱的环节，每年由于板形不良所造成的经济方而的损失十分严重， 解决我国板带生产中板形质量问题是一项具有巨大经济意义的课题。 围绕板形控制技术的开发，国际上先后出现了h c ，c v c ，p c 等多种新一 代轧机机型。不同机型的同时并存和相互竞争，既表明它们各有所长，也表明板 形控制技术目前仍是一项发展中的技术，存在着进一步研究的空洲2 1 。由于轧制 加工工艺的复杂性以及各种未知因素影响的不确定性，得到精确的数学模型是比 较困难的。所以，在经典控制领域中，a f c 控制系统往往只能由相关的数学模 型粗略地给出控制参数。显然，粗略给定的控制参数影响系统的控制精度，容易 导致控制精度较差，造成废品率高，生产效率降低等不良后果。因此，采用现代 控制方法( 如最优控制、自适应控制、预测控制等) 和智能控制方法( 如模糊控制、 2 硕士学位论文 第一章绪论 专家系统、神经网络等方法) ，已经成为板形控制系统的发展趋势。如果国内板 带生产厂能够广泛采用各种板形控制新技术来提高板形质量，经济效益将十分可 观。 智能控制技术具有极强的处理非线性和不确定性问题的能力，而这些也是板 形控制中的难点问题，因此随着知识处理技术的发展，智能控制技术在板形控制 中的应用研究也越来越多，相关的报道也日渐增多。我国板形控制技术虽然已经 应用多年，然而我国自主研发轧机的时间比较晚，很多先进的控制理论，比如模 糊控制、神经网络控制等等，还没有很好应用于实际生产中。a f c 系统的控制精 度达不到国际先进水平，自动化程度还比较低，高精度的a f c 均采用进口设备， 这严重阻碍了我国轧机自动化程度的提高以及我国国民经济的发展。因此，开展 智能控制方法在此类对象的建模与控制中的实际应用和仿真探讨，从而自行开发 智能控制a f c 系统，不仅具有相当重要的理论意义，而且对于促进我国铝加工技 术的发展，提高人工智能在轧制领域的应用水平，均具有积极的意义。 1 2 板形控制的发展及国内外研究现状 1 2 1 板形控制技术的发展 2 0 世纪5 0 年代以前，板形控制主要用磨削轧辊原始凸度的方法加以实现。 由于原始凸度磨削完成后是固定不变的值，很难适应千变万化的轧制情况，因此 人们又采用人工控制压下制度和控制轧辊热凸度及合理编制生产计划来弥补其 不足。但是，这必然会影响轧机生产能力的发挥和增加编制生产计划的复杂性。 2 0 世纪6 0 年代，液压弯辊装置被应用到钢板轧机上，这标志着带钢板形控制进 入了新的时期。采用液压弯辊装置的目的是为了能调节轧辊挠度，使得带钢板形 的在线控制成为可能。日木石川岛播磨重工株式会社于2 0 世纪7 0 年代初期，开 始研制在带钢平直条件下的最佳弯辊力计算，把它作为预设定控制模型，用计算 机进行在线控制，这是板形模型控制的雏形。虽然弯辊控制技术比较成熟，而且 被公认是控制板形和板凸度的有效手段，但是由于受弯辊力和模型的限制，把它 应用到连轧机上去还存在不少问题。后来出现了最优轧制规程和动态负荷分配法 生产带钢的板形控制技术。板形控制技术在2 0 世纪7 0 年代取得了重大进展。1 9 7 2 年日立公司开发的h c 轧机( h i g hc r o w n c o n t r o lm i l l ) ，使板形理论和板形控制技 术进入了一个新的时期。1 9 7 4 年日本住友金属工业公司开发了v c ( v a r i a b l e c r o w n ) 车l 辊技术，并在1 9 7 7 年研制成功。它通过瞬时改变轧辊的凸度的方法来 3 硕士学位论文第一章绪论 控制板形质量。1 9 8 2 年，连续可变凸度的c v c 轧机( c o n t i n u o u s l y v a r i a b l ec r o w n m i l l ) l 扫s m s 公司开发成功。它可以连续调节一对轧辊的凸度，改变初始辊凸度 的大小和正负，以此达到控制板形的目的。1 9 8 4 年，由日本三菱重工与新日铁 合作研制的p c 轧机( p a i rc r o s s e dr o l l i n gm i l l ) l h l 世，由于其在凸度及板形方面优异 的控制能力，受到了世界各国的重视。2 0 世纪9 0 年代，法国克莱西姆( c l e c i m ) 公司研制成功动态板形辊s r d y n a m i cs h a p er o l l e r ) 及其板形控制系统，不仅能 够对轧制辊缝进行全辊缝调节，而且能够对轧制辊缝中任意位置进行调节，满足 对轧制辊缝中任意一个局部缺陷的调控要求【3 4 1 。 1 2 2 板形控制中存在的问题 目前，实际生产中均采用板形自动控制沁c a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r 0 1 ) 系 统，其存在的主要问题为： ( 1 ) a f c 系统的模型开发：a f c 系统的模型包括预设定模型和反馈控制模型。 在轧制过程中，由于影响板形的因素十分复杂，无法得到与轧机辊缝对应的精确 的数学关系【5 】。另外轧制过程的环境恶劣，板形受到的干扰异常复杂，这给a f c 系统的建模带来了更大的困难。 ( 2 ) 板形检测信息的模式识别：板带材生产过程中，影响板形的因素很多， 板形检测得到的成分也很复杂，因此板形模式识别对板形控制来说至关重要。只 有准确识别出板形的各种特征信息，才能为确定板形控制策略提供依据，否则将 鱼目混珠，甚至可能导致执行机构误动作，从而影响板形质量 6 1 。目前采用的模 式分解方法是基于多项式回归方法，其主要不足是抗干扰能力差，计算量大，因 此寻求简单实用、鲁棒性强的板形模式识别方法，使板形控制做到有的放矢，是 板形在线控制急待解决的问题。 ( 3 ) a f c 系统的解耦控制：在a f c 系统中，无论是全局板形控制还是局部板 形控制，耦合现象都无法避免。为了提高板形控制系统的控制质量，消除各种控 制手段间的相互影响是a f c 的一个现实问题。 ( 4 ) a f c 系统的控制方法：在a f c 系统全局板形缺陷控制中，目前多数采用 简单的p i d 控制方法，由于控制系统固有的复杂性，难以取得理想的控制效果【刀。 因此根据板形控制各自的工艺特点，适当的引入先进控制技术对带材板形缺陷进 行控制，是提高a f c 系统控制质量的关键。 近年来，由于工业界对铝板的需求日益增长，对质量要求也越来越高。在此 推动下，a f c 技术取得了长足的进步1 8 】。在冷轧板带过程中，研究板形控制不仅 可以提高带材产品质量，而且可以节约能耗，节省原材料，提高生产效率，因此 研究板形控制的问题是一项具有重大经济意义的课题。 4 硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 板形控制的未来发展方向 ( 1 ) 轧机设备的创新 轧机设备的创新包括新设备的开发和旧设备的改造。轧制设备最主要的就是 轧机，虽然自7 0 年代以来，涌现出了一大批高新技术的轧机，使带材的板形质 量得到了明显的提高，但无论是h c 系列轧机，还是c v c 系列轧机都不是完善 无缺的。随着工业用户对带材板形的要求越来越高，开发既节省能源又具有良好 板形控制能力的新型轧机已成为今后的发展方向。目前在我国开发高新轧机还有 许多困难，所以引进国外的先进设备，消化其核心技术，吸取其精华，对原有轧 机进行技术改造成为轧机设备更新的主要方向。 ( 2 ) 板形信息检测及数据处理 板形信息检测技术的提高主要是板形仪测量精度的提高，因此开发高精度的 板形测量传感器，寻求合理的检测方法，生产出高质量的板形仪是改善板形的一 个突破口。 由于板形检测的成分复杂，所以对获得的板形信息进行处理也是至关重要 的，否则将会鱼目混珠，导致控制器误动作，从而影响板形质量。因此用神经网 络等先进的识别方法抽取板形特征信息，也将是板形控制努力的一个方向。 ( 3 ) 控制方法的研究 板形控制方法的研究既要考虑到板形的控制能力，又要考虑到生产过程的复 杂性，探求新的控制方法或实现多种方法综合控制己成为板形控制发展的另一个 方向。值得注意的是多种控制方法同时实施，它们之间必然相互影响，因此在控 制器设计时一定要考虑到各种控制方法的解耦。 ( 4 ) 控制器的完善 控制器是板形控制系统的核心，因此在设计控制器时，一定要考虑到来料尺 寸、形状差异及轧件材质等多方面因素的影响，力争实现。自由轧制”。由于板 形控制系统是一个复杂的工业控制系统，无法建立其精确的数学模型，而且影响 板形的因素繁多，板形检测又很不完善，这样给控制带来诸多困难。实践证明， 对于这样一个复杂系统，常规的控制方法难以取得理想的控制效果。因而采用现 代控制方法( 如多变量控制、最优控制、自适应控制、预测控制等) 和智能控制方 法( 如模糊控制、专家系统、神经网络等方法) 相结合的手段，已成为板形控制的 发展趋势。 1 3 智能控制发展历史及其在板形控制中的应用 5 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 传统控制的局限和智能控制的发展 控制理论学科自2 0 世纪3 0 年代以来已走过了近7 0 年的历程，控制理论包 括经典控制理论及现代控制理论。经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数 线性系统，它只适用于s i s o 控制系统。2 0 世纪6 0 年代，由于计算机技术的成 熟和发展，以及所需要控制的系统不再是简单的s i s o 线性系统，促使控制理论 由经典控制理论向现代控制理论过渡。最优控制、系统辨识和最优估计、自适应 控制等为现代控制理论分析和设计方法的代表。系统分析的对象转向多输入和多 输出线性系统。系统分析的数学模型主要是状态空间描述法。随着要研究的对象 和系统越来越复杂，尤其是在具有不确定性模型、高度非线性、复杂的任务要求 等现代控制工程中，建立在数学模型基础上的经典和现代控制方法( 统称为传统 控制方法) 遇到许多难以逾越的障碍，面临空前的挑战，同时也给智能控制方法 的发展带来了良好的机遇嘲。 智能控制是传统控制发展的高级阶段，是一门新兴的交叉学科，它的发展得 益于许多学科，其中包括人工智能、认识学科、现代自适应控制、最优控制、神 经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和激励学习等。它主要用来解决那些 用传统方法难以解决的复杂系统的控制。其中包括智能机器人系统、复杂工业过 程控制系统、计算机集成制造系统、航空航大控制系统、社会经济管理系统、交 通运输系统、环保及能源系统等。智能控制的研究对象一般具备不确定模型、高 度非线性、复杂的任务要求等特点。近年来智能控制在板形控制中的应用取得了 较大进展，在这项工作开发比较活跃的有日、韩等国n 叫。我国也已经开始尝试利 用人工智能解决板形控制的问题。 1 3 2 神经网络的发展与研究现状 1 3 2 1 人工神经网络技术的发展 神经网络领域研究的背景工作始于1 9 世纪末2 0 世纪初。它源于生物学、心 理学和神经生理学的跨学科研究，这些研究主要还是着重于有关学习、视觉和条 件反射等一般理论，并没有包含有关神经元工作的数学模型。现代对人工神经网 络的可以追溯到2 0 世纪4 0 年代3 ，经历6 0 年的发展，目前已经在许多工程研 究领域得到了广泛应用。1 9 4 3 年，由心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 合作， 首先提出一个简单的神经网络模型叫一p 模型。该模型用逻辑的数学工具把客 观事件用形式神经元进行表达，并使人们认识到模拟大脑可用于逻辑运行的网 络。1 9 4 9 年，心理学家d 0 h e b b 提出了对神经网络研究具有重要影响的h e b b 6 硕士学位论文第一章绪论 学习规则。1 9 5 7 年，r o s e n b l a t t 在发展了m - p 模型的基础上，提出了感知器 ( p e r c e p t i o n ) 模型，给出了两层感知器的收敛定理，并提出了引入隐层处理元 件的三层感知器这一重要的研究方向。这是历史上第一个完整意义的神经网络模 型，初步具备了神经网络的一些基本特征，后来的一大类神经网络模型都是感知 器模型的变形。1 9 6 0 年，w i d r o w 和h o f f 提出了自适应线性元件( a d a l i n e ) 模型 及一种有效的网络学习方法，即通常所说的w i d r o w - h o f f 学习规则( 又称万学习 规则) 。1 9 6 8 年，d e r u m e l h a r t 和j l m c c l e l l a n d 等人提出了多层前向神经网 络的反向传播算法( b a c k p r o p a g a t i o n ) ，解决了感知机存在的问题，极大的推动 了神经网络的研究。b p 算法已成为迄今为止应用最普遍的神经网络学习算法。 1 9 6 9 年，美国麻省理土学院的著名人工智能专家m i n s k y 和p a p e r t 出版了 口， 则热凸度一轧制力关系曲线上升为石，实际凸度k 在良好板形线之上，会造成 中浪。 t lf - t ” 越 司 臻 谣 t 夕 墨 气巧 o p 轧制力 图2 - 9 初始轧辊凸度对板形的影响 硕士学位论文 第二章铝冷轧板形控制基本原理 2 2 5 板宽变化对板形的影响 通常所说的轧机刚度是指轧机的纵刚度，但在研究板形问题时，更关心的是 轧机的横刚度。所谓横刚度是指造成板中心和板边部单位厚度差所需要的轧制 力，单位是k n m 。 轧机的横刚度是相对一定板宽而言的，当板宽变化时，轧机的横刚度发生变 化，因而在承受同样轧制力的情况下，轧辊的变形以及为弥补轧辊变形所必需的 轧辊凸度均发生变化，当然良好板形也发后变化。如图2 - 1 0 所示，对应某板宽 的完好板形线为鼻，当板宽变窄时，轧制力仍保持原来的只，它们集中作用于 较窄的辊身中间的区域，必然增大了轧辊的弹性变形。为抵消这种变形，需要更 大的轧辊工作凸度，良好板形线即变化到只。 隧 一孙 日 醉 露 d 蝴7 2 2 6 张力对板形的影响 图2 - 1 0 板宽变化对板形的影响 张力对板形的影响体现在几个方面。其一是张力的改变可对轧辊的热凸度发 生影响，特别是后张力影响更大；其二是张力对轧制压力产生影响，根据轧制理 论，张力变化，特别是后张力变化，对轧制压力有很大的影响，而轧制压力变化 必然导致轧辊弹性变形发生变化；其三是张力分布对金属横向流动发生影响。当 张力沿横向分布不均时，能促使金属发生明显的横向流动，从而改变横向延伸分 布，即改变铝带的板形啪1 铝带获得良好轧制质量的主要条件之一是采用适宜的张力。当轧制条件变化 时，张力应能可靠和准确地进行调整，并在轧制中保持不变( 波动最小) 。因张 力波动、不稳定将使铝带本身受到损害。例如，张力稍大则铝带中央会出现波浪； 张力太小，铝带两边会出现波浪。因此，为了保证轧制铝带取得良好的板形，在 2 l 硕士学位论文第二章铝冷轧板形控制基本原理 正常轧制情况下一般不允许调整张力，即使在加速或者减速的时间，也应控制卷 取机、开卷机平滑地转变速度以使张力保持恒定不变。 2 2 7 轧辊接触状态对板形的影响 工作辊和支撑辊的接触状态对板形的影响是近年来人们注意探索的一个问 题。通过对这个问题的研究，人们找到了一些新的改善板形的方法，例如采用双 锥度支撑辊、h c 轧机、u c 轧机、c v c 轧机、p c 轧机、大凸度支撑辊等。 如图2 一1 1 所示，普通四辊轧机工作辊和支撑辊是沿整个辊身接触的，在轧 制过程中，在轧制力的作用下，工作辊与支撑辊之间形成接触压力g 。，在板宽以 外的区域a ，辊间压力形成一个有害弯矩，它使轧辊发生多余的弯曲。为抵消这 个有害弯矩引起的轧辊变形，可以改变轧辊的初始凸度，也可以使用液压弯辊。 当单位宽轧制力p 改变时，有害弯矩也随之变化，使板形改变。为了获得满意 的板形，必须随着轧制力的变化不断地调整液压弯辊力。也可以设法改变轧辊之 间的接触状态，例如采用双阶梯支撑辊，使中间接触段长度缩短，从而减小有害 弯矩，由有害弯矩引起的轧辊弯曲也随之减小，如图2 - 1 2 所示。当中间接触长度 缩短到一定程度时，有害弯矩可以完全消除。这时即使轧制力改变，工作辊挠度 曲线也可以基本保持不变，轧机具有无限大的横刚度。由此可见，轧辊之间的接 触状态对板形有重大影响，它能有效地调整和控制板形。 f w 图2 - 11 普通四辊轧机的轧辊接触状态 f w 硕士学位论文 第二章铝冷轧板形控制基本原理 p b p b 图2 - 1 2 双阶梯支撑辊的四辊轧机的轧辊接触状态 2 3 板形控制的主要方法 2 3 1 液压弯辊控制 在提高板形改进设备的一切措施中，液压弯辊法是最基本的方法，其它方法 都离不开液压弯辊的配合。因此，液压弯辊法是目前使用最为广泛的一种板形控 制手段，它的基本工作原理是：通过向轧辊辊颈施加液压弯辊力，来瞬时地改变 轧辊的有效凸度，从而改变轧机承载辊缝的形状和轧后带材沿横向的延伸分布， 以达到控制带材板形的目的。 弯辊系统通常可分为工作弯辊系统和支撑辊弯辊系统两大类，每种弯辊还可 以分成正弯辊和负弯辊。正弯辊系统即弯辊力使辊凸度增大，负弯辊系统则使辊 凸度减小。由图2 1 3 ，2 - 1 4 可以看出，通过对轧辊采取正、负弯曲的手段可以 有效地消除全局板形缺陷中双边浪和中间浪。液压弯辊的控制特性随轧辊直径有 很大不同。当辊径与辊身的比值较大时，轧辊的挠度曲线以二次曲线为主，而当 辊径与辊身的比值较小时，轧辊的挠度曲线以四次曲线为主。对于一般六辊轧机 而言，中间辊的直径要明显大于工作辊的直径，因此中间辊弯曲具有控制二次板 形缺陷的能力，而工作辊弯曲则具有控制四次板形缺陷的能力嗍。 硕士学位论文第二章铝冷轧板形控制基本原理 2 3 2 轧辊横移 图2 - 1 3 工作辊正弯辊 图2 - 1 4 工作辊负弯辊 轧辊横移系统通常在冷轧和和热轧中都应用，其主要目的是扩大板带凸度的 控制范围、减少板带横断面上的边部减薄和重新分布板带边缘附近的轧辊磨损。 对普通四辊轧机轧辊挠曲的分析表明，工作辊与支撑辊之间的超出板宽区域的有 害接触导致了轧辊的过度挠曲。这种挠曲的大小不仅取决于轧制力，还取决于所 轧的带宽。另外，当在工作辊上施加弯辊力时，所产生的挠曲会在超出带宽的部 分上受到支撑辊的约束。 在给定带宽的情况下，解决这一问题的理想方法是采用阶梯形支撑辊。这种 支撑辊与工作辊的接触长度与带宽相等。然而，在轧制不同宽度的产品时，这种 方法并不实用。而h c 轧机采用适应任意带宽的双向轧辊横移技术，如图2 一1 5 所示，可以很好的解决这一问题。 2 4 硕士学位论文第二章铝冷轧板形控制基本原理 2 3 3 轧辊分段冷却 图2 - 1 5h c 轧机 轧辊分段冷却用于消除四次及以上板形缺陷，即板形多项式中的口，及以上 项次。由于四次及以上高次板形缺陷在整个板形缺陷中所占的比例较小，因而采 用轧辊分段冷却来控制。在轧辊分段冷却控制系统中，根据与每个测量段上带材 应力相对应的轧辊分段冷却分量按数学模型计算出每个冷却区的冷却设定值，同 时要保证在轧制过程中轧辊在任何时候都有一个基本冷却量，即轧机开始工作 时，电液比例阀门有一个基本开度，该基本冷却量一般约为最大冷却量的1 5 。 这两个冷却量迭加后作为每个冷却区实际的冷却量输出给控制装置，并有控制装 置开大和关小相应的控制阀，达到对板形控制的目的。如图2 - 1 6 所示。 图2 1 6 利用冷却液的板形控制 硕士学位论文第二章铝冷轧板形控制基本原理 2 4 冷轧板形控制系统的组成 板形控制系统是对板形进行控制的最关键的部分。板形控制系统主要分为开 环和闭环两种。在没有检测装置的情况下，只能采用开环控制系统，执行机构的 调整量( 一般是液压弯辊力) 要依据规程给定的板宽和实测的轧制力由合理数学 模型给出。对于设定偏差和某些扰动造成的板形缺陷，只能由操作工根据目测手 段予以修正。 具有板形检测装置，则可以进行闭环控制。闭环板形控制是首先采用板形仪 在线测取板形信息，然后将实测板形和目标板形的偏差值作为反馈信息，通过适 当的板形识别方法给出轧机各执行机构相应的调节量，最后按照设定的控制策略 实现板形在线控制。由于闭环板形控制系统充分利用了系统的在线反馈信息，与 开环控制相比具有更强的鲁棒性。也正是因为板形开环控制系统控制性能较差， 目前处于被闭环控制取代的阶段。因此，我们研究的板形控制主要是闭环板形控 制。不同形式的冷轧机其板形控制系统的配置差别很大。板形控制功能如图2 - 1 5 所示。现代高速冷轧板形控制系统的一般配置如图2 - 1 6 所示。 图2 - 1 5 板形控制功能框图 带材张力 纠正局笛一工作辊一分段冷却= - i t 分布谢量 板形i 晁釜冷却 棚控瞄冶 i ，纠正对称一工作辊一鼍啊稠一 _ _ 暑 板形误差嘲 浼籼一 n - 辊变持_ 工作辊一舅鞠一_ - j 系统翻穆 几 扳形给 定嵝 纠正棋 打印显示。形板形一 压下机构一一位置睦制- - - i t 误差 辊鼠 嬲量鳓 图2 - 1 6 板形控制系统组成图 硕士学位论文第二章铝冷轧板形控制基本原理 2 5 冷轧板检测装置及其原理 2 5 1 板形检测装置及其分类 板形检测是板形自动控制系统的眼睛，所有板形信息均来自板形检测装置。 板形检测包括横截面几何形状检测和平坦度检测。横截面几何形状检测用于测量 带材的横向张力分布，以检测隐含板形，平坦度检测用于测量带材板面的波浪度， 以检测带材的宏观波形。板形检测实现板形自动控制的重要前提之一。对板形检 测装置的主要要求如下： ( 1 ) 高精度，即它能够如实地精确地反映板带的板形状况，操作者或控制 系统提供可靠的在线信息； ( 2 )良好的适应性，即它可以用于测量不同材质、不同规格的产品，在轧 制线的恶劣环境可以长时间地工作而发生故障或降低精度； ( 3 ) 安装方便，结构简单，易于维护； ( 4 ) 对带材不造成任何损伤。 因此，板形检测确实是一个比较困难的问题。板形本身受到许多因素的影响， 板形缺陷又有各种复杂的表现形式，这就给精确检测带来困难。特别是在实行张 力轧制时，又会将板形缺掩盖起来。在生产中轧机的操作环境十分恶劣，剧烈的 振动，水、油、灰尘等介质的侵入，住住会降低检测精度甚至损坏板形检测装置。 2 5 2 板形检测基本原理 测量装置由测量辊、滑环、敏感元件、电子线路和显示单元等组成。测量辊 由2 5 - 4 0 个辊环装配而成，将测量辊沿长度方向分成2 5 - 4 0 个测量区。每个辊 环可测量出作用于其上的径向压力。从各个辊环上所测得的径向压力值，可以确 定板带宽度方向张应力分布不均匀的状况，图2 - 1 7 为测量辊环受力图。测量辊 实物图如图2 - 1 8 所示。 巴 、一_ 一一! 一一 。 图2 - 1 7 板形测量辊环受力图 2 7 硕十学何论文 第一章钭玲轧扳形控制基本原理 26 本章小节 图2 - i8 板形测量辊实物图 本章详细介绍了板形驶其相关概念，分析了影响铝带板形的几个主要凼素， 进而提出了消除或减小上述因素对板形精度影响的方法，即板形控制的几种基本 方式如弯辊控制、轧辊横移、轧辊分段冷却控制等。并介绍了现代高速冷轧扳 形控制系统的一般配置和板形检测的基本原理。本章内容是板形控制的理论基 础。 硕士学位论文第三章对称板形控制模糊建模 第三章对称板形控制模糊建模 3 1 传统板形控制方法的局限和模糊控制的特性 经过几代人努力建立的传统轧制理论，曾经帮助人们加深了对轧制过程本质 的认识，解决了主要轧制过程参数( 如宽展、前滑、轧制力等) 的近似计算问题。 但是，由于轧制过程多变量、非线性、强耦合的特征，利用传统方法，从几条基 本假设出发，按照推理演绎的方法，导出控制参数的计算公式或者轧制过程的数 学模型，往往由于假设条件偏离实际情况太多，或者所列基本方程太复杂，而使 其不能满足现代化高精度轧制过程控制的要求。智能控制方法的出现适应了这种 需要。智能控制避开了对轧制过程深层规律的无止境的探求，而是以事实和数据 作为依据，通过模拟专家来实现对生产过程的优化控制。 模糊控制就是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言 变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控 制。用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念以及它们之间 的关系，根据这些模糊关系及某时刻过程变量的检测值( 需化成模糊量) 用模糊逻 辑推理的方法得出当前时刻的控制量。 由于模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条 件语句构成的语言形式，因此从这个角度上讲，模糊控制器又称为模糊语言控制 器。模糊控制适用于非线性系统控制m ，它与常规控制方法相比有以下优点： ( 1 )模糊控制是一种非线性控制方法，工作范围广，适用范围广，特别适 合于非线性系统的控制。 ( 2 )模糊控制不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对 象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器完成控制任务。而传统的控制方法 都要已知被控对象的数学模型，才能设计控制器。 ( 3 )模糊控制具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对 象的特征变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整。 ( 4 )模糊控制与通常计算机数字控制系统的主要区别是采用了模糊控制 ( f c - f u z z yc o n t r o l l e r ) 而模糊控制器均以计算机为主，因此，它不仅兼有计 算机控制系统所具有的数字控制精确性和软件编程的柔软性，而且可以拥有友好 的人一机界面，操作简单方便，容易实现。 模糊控制的深入的理论和应用研究，主要有以下方而：模糊控制的稳定性研 究：模糊模型及其辨识，模糊最优控制，模糊自组织控制，模糊自适应控制，传 统p i d 与f u z z y 控制相结合的多模态模糊控制器。模糊控制理论近3 0 年来在理 硕士学位论文 第三章对称板形控制模糊建模 论和应用上已取得了引入瞩目的成果，成为控制理论及其应用中的重要组成部 分。8 0 年代以后和9 0 年代初出现了模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 控制使模糊控制 更加接近了智能控制。 3 2 模糊控制器 模糊控制器是模糊控制系统的核心。一个模糊控制系统的性能优劣，主要取 决于模糊控制器的结构、所给出的模糊规则和采用的合成推理算法以及模糊决策 方法等因素。模糊控制器由输入量模糊化接口、数据库、规则库、模糊推理机和 输出解模糊化五部分组成。如图3 - 1 所示。 3 2 1 模糊化 图3 - 1 模糊控制器基本结构图 在模糊控制系统运行中，控制器的输入值、输出值是有确定数值的清晰量， 而在进行模糊控制时，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，在清晰量和模 糊量之间有一定的对应关系。这种把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过 程叫做清晰量的模糊化。 通常把系统输出反馈与给定值之间的误差e 和误差变化率血作为模糊控制 器输入语言变量e 和e c ，其语言值实际上是一个模糊子集，是通过隶属函数来 描述的。语言值隶属函数又称为语言值的语言规则，它可以以连续函数或离散量 化等级形式出现，前者比较准确，后者简洁直观。在实际控制问题中，根据能满 硕士学位论文第三章对称板形控制模糊建模 一般要求，又可简化计算的原则，普遍选用的隶属函数有三角形、半三角形、由 梯形、半梯形、钟形( 正态型) 、矩形、z 形、s 形和单点形( 万函数) 等多种h 。 一般来说，隶属函数的形状越陡，分辨率也越高，控制灵敏度也越高；相反， 若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也较平缓，系统的稳定性好。因此，在选 择语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附近区域，采用分辨率较高的隶属函 数，而在误差较大的区域，可采用分辨率较低的隶属函数。 3 2 2 模糊数据库和规则库 这两部分合起来构成的知识库包含了该模糊控制器在具体应用领域中的知 识和所要求的控制目标。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，输入输出的 尺度变换因子以及对输入输出空间所进行的模糊划分的级数等；规则库包括用语 言变量所描述的一整套模糊控制规则，由于控制规则一般来源于专家知识，所以 规则库反映了此具体应用领域内的控制经验和知识。知识库是模糊控制系统必不 可缺的基础。 模糊规则库包含有与过程相关的经验型知识，控制规则就是这些规则的描 述。规则库存放的知识可以用一簇规则的形式给出或用矩阵表的形式给出心，。 3 2 3 模糊推理 模糊推理包括三个组成部分：大前提、小前提和结论。大前提是多个多维模 糊条件语句，构成规则库：小前提是一个模糊判断语句，又称事实。以已知的规 则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程称为模 糊推理例。 模糊推理机是模糊控制系统的核心，它具有模拟入的基于模糊概念的推理能 力。模糊推理机运用知识库内的模糊规则，按照模糊逻辑中的蕴涵关系以及各种 模糊推理方法进行模糊推理。所以，模糊系统中的知识库和推理机是紧密结合的。 模糊推理机根据模糊逻辑法则把模糊规则库中的模糊”i f - t h e n ”规则转换成 某种映射，即将：u = 阢阢x - - - x u 。c 彤上的模糊集合映射成v 上的模糊集合。 3 2 4