（机械制造及其自动化专业论文）铜板轧制智能模糊控制系统的应用研究.pdf

摘要 摘要 在铜檄轧制生产中，由于带材来料厚度的波动和材料性能的不均匀性，实际 使用的设铸偏差能、外界的干扰和设备零部件的变化等都会使传统的p d 控制很 潞建立其糖确的数学模型，达不戮理想静控剡效暴，这样会使钢援嬲工残暴鲍精 度远远达不到要求。而模糊控制不苛求被控对象具有准确的数学模型，对系统模 羹参数熬变纯毒较强斡逶瘫l 力，有望瓣决传统p 国控翻稳弊端。本文静王 睾裁 是基于这样的背景开展起来的。 模糊囊动控制是骏模糊集舍论、模糖语言交璧及模糊逻辑搀魏为基础盼计算 机数字控话4 。它将操作人员的控制经验和专家知识总结成一系列“如果则” 形式的控制规劂，即模糊条件语旬；然后经过模糊逻辑推理而得到控制 乍用。这 一过程非常类似予人的思维方式，具有餐能性。 本文钟对铜檄轧制过程具有多变量、非线性、时变性的特点，在分析了模糊 按铡基零疆诠的蒸礁上，羲宠设计了镊板筏毒l 燕擎摸! | l 控毒器，这遣是遴一步设 计其它高性能模糊控制器的基础。这种控制器易于设计、实现方便，较传统p m 按蘧有更祆豹晌藏速疫帮透枣静越调，毽箕存在静态误差；为了邈一步撬离模糕 控制器的控制特性，在此然础上分别设计了可调熬控制规则模糊控制器、参数自 熬定模糊控制器鞘模糊- p d 复合控销器；然后利厢m a n a b 7 o 模糊逻辑工具箱图 形用户界蕊建立模糊逻辑推理系统，在s i 妊m l i n k 6 0 系统仿真设计平台中遇过实 例化s 函数模板创建旨在优化模糊控制的s 函数功能模块，并构建模糊控制系统 掇嚣摸型，设置系统仿真参数，疑终对系绞进行动态嫠囊。 本文最后给出了所有的仿真曲线，仿真结果表明所设计的控制器达到了预期 煞控利效暴。 美键词镧板车l 割；模糊控案乳 s i 强l u i i n k ；谤翼 a 转s t r a e t 琢她辩d 1 1 e d o f 也ec o p p e r p i 瓣r 。l l 魄，氇e 鑫u 翻a i i o n 悄m 也i 幽e s so fs p p 湖 m a t 。r i a l s ，n l ed i s p a 由o f 也em a t 嘶a lp m 3 锄黜c m ed “出o no fa c 饥a l l y u 8 e da p p a r 咖8 ， 嘲a l i n t e 娥r b n c ea n d 印p a r a m s c h a n 驴o f 印a r e p a r t ，e t c c a i ln b t 础t r a d i h o n a l p i d c o n 灯0 1 s e tu 口a c c 杖r a t em a 圭l a 蛀c a 王m o d e l ，r e a c ht h ei d e a l c 俄瓣o lr e s u l tt h s ，妇妒c i s o f c o p p 唧l a t e 舯d u c t sc 被tm e e t 恤d e m 姐d s 胁a w a y0 nm ec 咖船m z 州c o n 廿o l d o n f t d d 酗m 毫妞描穗磁m 如l 。f 。赡。聚畦幽e c 蜒ah m 龇豳i l i 档t 。8 d 雌t 蝣氇e c h a n g e so fs y s t e mp e t e r s ，s 。i th a s 虹懈p o t e n h 蛆t oo v e r c a “l et h e 出a w b a 呔so f c o n m n d d n a l c e 建奶ls c h 魁s 。髓e p 耩p e r i s 嘲印醴黼d e rs | l c h 髓g 毡。幽9 1 b 酿擎鞠嫡 f u z z v 腑0 1i sah n do fc o m p u t e ri 】_ 哪两c a lc 仰仃o lb a s e do nm z z ys 。tm e o 辑f h z z y 五n 撕s 虹c v 枷a b l e 丑n df h 2 酃l 。g i c a lf e 鑫8 0 n l n g ，试讲n c h 也e 唧e i e n c eo fs 虹l l e do p e r a t o r s 勰d 血e h o w l e d g e o f e x p e r t sa r es 蝴e d 坤妇c 鼬0 1 m l e s i n 也e f o 凇o f 瑾嘲烈”，妇 i sf u z z y1 0 萄c a ls e n t e n ce ，a n d 也e nt 量坤c o n t r o lr e s u l t sc a nb e 甜血e db yf u z z yl o g i c a lr e a 8 0 n i n g - 碱s 莎。c e 如r e 逸s i i 玎主l 嚣圭。也ei d 碰潍o f b u f 蛹b e 如g ， h lm i sm e s i s ，a c c o r d 咄t 0c h a n g e a b i eq u 删劬n o n l 曲a ra n d 劬e w a r y 蚍o f 也e 嘲p e 零融黼晦即# ，妇s 妇p l e 辫e o n 删l 挂w 籀壬l l s t 如s i 戮d 硫碡瓤氇e 蝴i y 豳o f 也e 如z z yc 咖o l 也e 娜w h i c hi gm eb a s i so fo i h e rh i g h - l e v e lc o n 在0 1 l 郴- m s 蜘do f c o n 仃o l l e r - 拮e 雠y 镪s i 辨鞠d 印e 嫩e ，蝴d h s 证带蝌醴e 锄v e r g e n 鞠懈；则l e s so 蛐o t 魄勰p d c o n t r o l k lb u t h a ss t a b l ee r r o t1 no r d e rt oh n p r o v em ep r o p e n i e so f 也e 如z 碍c 驻e r s ， 丘n e n u l e i 试e 蠹l z 珂c 。n 扫瑚1 n n e - t u n e dp a r 黝e t e r 加z 础c o “删e r 鞠df i l z 巧- p lc o n 臼d n e rw e r e d e s i 辨e dr e s p e c 6 v e l yb a s e do n 蛙瓣s i m p l e 勉巧c 蝴拓o l l e r t 艇n 盘疆群l o 垂c 列b 糯正a 圭s y s 她li s e s t a b l i s h e db y1 1 s m gt 。0 1 b o xo f 加则l o g i ci nm a n a b 7 o s e c o n d l y ，协s i 枷1 i n k 6 - o ，缸o u g ht h e i 斑e 。f 妇t e 即l 踟。f s 一觚。e 。n ，赫m o 如ko f s 一曳n c 强赫o p 黼晒n g 触哿e 酬羚l d c o s p o d i n gc o n 订0 lm o d e l 玳c o 璐协1 c t e d ，a n d 岫p m m e t e r so fs i i n u l a 矗o n 粼s e t f i n a l l y ，也e d 礴赫痤c m 诂l 蕊o n 啦es y s 姥辩诂i m p l e 黻露n t e d a tl a s t ，m es i m u l a n o nc u r v ew a sg l v e n ，w h j c hs h o w 血a t 如ed e s i r e dr e s u n sw e r ea h a m e d k e y w o r d st h ec 。p p 嚣r p l a t e r o l 鞋f 越榭c a 瞧o l ；s 妇瞄讧堍s 虹嫩l 誊主i o 强 i i 独创性声明 本人声明所黧交的论文是我个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，除了文中特别加以拣淀和致谢的地方於，论文中不包鑫其媳 人已经发液或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 戆擘位或涯蔷露健鼹遘懿枣| 糕。与我一两工俸翁潮态对本疆突溪镦瓣 王蠢嚣献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 麓名：牡肇隰丝! ：生釜 关于论文使用授权的说明 本人宠全了勰北京工她大学蠢关保鲤、使用学位论文的规定，即：学校毒权 保留送交论文韵炭印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布t 仑文的全部或部 分内容，可以采蠲影印、缠零或菸缝复制手段髹存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲禽建导师弛奎葺慨型：! 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 在早期的过程控制和运动控制中，p 控制由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性 高等特点，得到了广泛应用，尤其在可建立精确数学模型的确定性控制系统中。在 铜板轧制生产中，带材来料厚度的波动和材料性能的不均匀性，实际使用的设备偏 差性、外界的干扰和设备零部件的变化等原因还有控制方式的不同都会使糖确的数 学模型产生变动。应用p d 控制不能达到理想的控制效果。 近年来，模糊控制理论在控制领域己取得了很好的控制效果，利用模糊控制可 以克服参数变化和环境因素造成的不利影响，避免不精确建模造成的误差。模糊控 制( f 1 1 z z yc 打d 1 ) 能摆脱建立精确数学模型的束缚，可以充分利用人们总结的操作和 控带0 经验，从而进行有效的控制。正好可以运用于铜板轧制这样一个复杂的控制系 统。 由于要考虑到实际操作、经济效益、可行性等诸多因素，在实际的复杂系统建 立以前，先用仿真系统模拟现场进行可行性操作和分析是相当必要的。采用仿真手 段可以对物理系统进行试验以获得各项数据、验证系统性能指标、进行控制律调试， 验证与参数是否匹配等，这是既安全有效又节省人力物力的措施。通过这条技术途 径对铜板轧制控制研究中的重要技术问题可蛆进行充分的研究。目前在控制界最为 流行的软件m a t l a b 不仅具有交互式编程功能，而且有丰富的控制系统辅助设计工 具。本论文主要利用m 加凡a b 中的仿真环境s i m u l i n k 平台，对铜板轧制智能模糊系 统进行建模仿真以及控制律的研究。 1 2 铜板轧制智能模糊控制系统国内外研究现状 1 2 1 轧制控制理论的发展历史 人们最初是对轧制后的带材先停机进行人工测量，对测量的结果根据生产的要 求再进行厚度调整。这远远满足不了要求。 随着控制手段水平的提高，有了系统反馈控制；同时在生产中人们要求生产是 一个不问断的过程；因此产生了自动反馈控制，将人为地操作转化为自动进行的控 制。这样就产生了“轧制后测量自动反馈调整辊缝控制”。具体工作构成如图1 1 制。这样就产生了“轧制后测量自动反馈调整辊缝控制”。具体工作构成如图1 1 所示。 薰l 章绪论 辫l l l 蓐辏缝控粼零嚣嚣 爱g 。l * i 髓嚣。鞭杖o l 虫e 媲m 犟靠娴卿o f 娃撞。嘲o i i l gs 脚 擞设备熬正常使瘸串，撩传人爨将工圣筝疑期麓落敏颈先竣入戮赎毽器。在设冬 工作时，通过测厚仪( 可对锵材迸彳予连续厚艘测避) 将测量的厚凝嫱果送入处理器 中与期凝傻遂霉亍比较。对予产生靛镛差由处理器逶过技露器对辜l 辍滚缝鲍撬行元转 一嚣下敬逡穆调整。这穆撩攘方式虽然艉连绥懿对毒k 铡居静带孝芎送费溅量帮逮牙糖 瘟戆藤缝控麓。塑簧求寒辩一数缝蘩箨，不瓣絮带耪寐辩浮疫瓣浚劾窝搀瓣缝筢翁 不均匀。若产生波动，轧制胼的带材厚度超出人们期望的可能性非常大。因此人们 又提出“毒b 前测量预设辊缝羧测”的理论和方法。农带挂进入轧糍魏s 长发时进雩 来料带孝才厚发的测量 ，同时将此数德送到处理器中。在处理器中檄据要达劐的期望 僮菇，遨爝已程处理器中斡毒l 枕剐度数学模型、被轧裁车考糕懿数学搂戮等进移快速诗 冀嚣蠹求褥蕊纛匏裁麓辗缝翁数篷舞；秘薅袁藏潮燕蕊爨迭羲辗辗缝孪掩辊缝灞整篓 矗。这就是简单的霉b 藏测羹獭设辊缝控制原聪闻。霹是这种控制穷戏无法对钝居懿 带榜有掰检验。因诧入臂j 粑遮两种方式结合起来。这样，由于在理论的指导前提下， 又经过轧后的校验、补偿并廿熙正使数学模型更接近予设备和材料的窝际僮，使带材 在辜k 稍爱瓣髓度更瓷。 冀爨貉懿王终方式释溅遴舞整l 瑟录。 毋予麓翦溺量蓣滚辊缝控砖l 需要辜l 销之霜的校羧才能使带材遮猁一个福应静稳 定状恣和带村高精度的状态。但是，轧制之后的校验也存在滞后的现象，这样也会 产生浚鬻攘翻荮豹带耪( 露犏差的) “漉入”成赫串去。 如何熊辩“滞蘑”现象谶行彻底的消除，鄹带滕控制和校验麓蛰袁“郎时”魄 第l 章绪论 耀应? 邀麟是本文艨舞解捩瓣阚题。 1 2 2 模糊控制技术国处发展现状 1 9 蓐5 每乏。矗，z a d 藏教授裁立了蔟凝集遵谂弗褥弱了较莰懿发溪酾实攀舞瘦趸， 成为餐能襁制领域中的一个藤器分支。7 0 年代巾潮，以e h ，m 黜l d a n i 为代液的一批 学者提出了模糊控制的概念，标志糟模糊控制的磁式诞生。 网1 2 辊缝控制系统综禽示意图 r 昏l 21 瓤es y n t l l 嚣虹c 越l ys k e t c hm a po f 娃瓣n 拄昏ls y s 蝴致o f 珏嚣帑 横糊控靠4 斡基本愚怒怒搀入类专家对特定豹液控对象或过程酾控铜策略总结成 一系剡馘“蕊( 条传) t 王 b n ( 1 蕈月) ”产生式形式畿添的控制裁则，邋过模糊攘理得至i 控鬟终燕纂，终赁予被控麓藩或过耧。控毒l 终建纂凳一缝象终溪翅，状态祭释褒整 裁捧弼熄为一缓鼓羹弦了熬壤凝语蠢集，努“菠大”、“囊大”、“鬻”帮“ 羲”等。 它们共同构成了控制过程豹模糊算法。模糊控制技术发展大致分为以下几个阶段3 】： 1 9 6 5 1 9 7 4 年是模糊控制技术发展的第一阶段，即模糊数学发展与形成阶段。 1 9 6 5 单，扎德宦立了模糕爨含埝；1 9 鼹年，怨发淡了模糊算法：1 9 7 4 年，伦敦大学翡 鹾翟麓纛8 藤蒋羞次尝试戮弼模凝遴壤，成功遮器发了整赛主蘩螽壤壤藏粼静蒸汽 弓l 擎。 1 9 7 和1 9 7 9 年，这是模糊控制技术发展的第二阶段。这一阶段，主要是简单模糨 控嘉l 嚣鹣产生与发震狳袋。程这麓蠲，美国麴髑公司率先囊产了篱一嚣模灏遂辑 芯片。 1 9 7 9 零到至今，蘧发瀑舞瞧魏嫫期控副爨鹣第三蹬段。t 9 7 叠冬譬j 擎猕纛v 嚣 第l 章缝论 e h m a m d a l l i 共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善。1 9 8 3 年日本鬻士电机 开翻了磊本第一颈应溺一求洚纯爱鼙。1 9 8 了年蟊本粕台遣铰采用了模糊控稍器。 今天，模糊控制技术己缀应用到了相当广泛的领域中。在家用电器、工业闭环 控镧系统、专瘸系统器萁毯方嚣都霹觅虱英努影。 1 2 2 1 日本模糊控制技术的皮用与发展当代的一些高新技术的发展似乎有这样 夺趋势，帮敬溅戮理论研究为主导，美国将技寒研究为熟点，嚣蠢本霜疑事瘦嚣技 术的开发工作嘲。在模糊控制技术的应用上，日本超步较早并率先推出商晶，而且 逐渗藏惫这骧技术熬主导鼙客。在穰凝技术的应焉磁究方委强本己袁在整爨瓣蓠裂。 从7 0 年代初日本就开始了这方黼的研究。1 9 7 2 年日本成立了模糊系统研究基金 会，1 9 游年秘建了爨际模糊工程磷巍获( 己毯擎) 。据不完全缓诗，1 9 9 1 年霾本模翻控 制产品就占全球市场的8 0 左右，程世界上遥遥领先，可以说，日本差不多藻断了 整令模糊逻辏产品载市场。嶷基本的模凝按寒应瘸磺究移嚣发孛，跑较有代衰瞧懿 是o m r o n 公司，以及富士通、三洋、日电、冲电气等公司。 o n 公司在1 0 年中为模糊邂罄斡发震镞出了不攥黢努力。1 9 髓年该公司携 出了第一代模糊逻辑产品：一种医疗诊断系统。1 9 8 9 年开发了适用于机器人、过程控 制、诿音识别以及成像处理的模糊处理器。1 9 9 0 年，忿公司鼹出懿繁一魏越 高速模糊逻辑技术，包括集成块、控制器和软件，掀起了在世界范围对模糊逻辑技 术开发的高潮。 1 9 9 2 年寓士通推出m b 9 4 1 4 0 系列8 位单片模糊控制器，可用予察时控制，是模 糊逻辑集成块开发磺究中的突出代表。三洋公司于1 9 黔年羲次推凄8 n 趣蒙像枧， 此后陆续摧漱微波炉、电饭锅、洗衣机等具有模糊逻辑功能的家用电器，为模糊控 制技术的产品走向人们的生灞做出了贡献。 珂以说，日本将模糊控制技术律为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊 控制产品问世。 l 。2 2 2 德国麓美国横糊控制技术的讲究状况德国怒生产和使用小轿车的大国，因此 对于汽车驾驶的模糊控制技术特别感兴趣。1 9 9 1 年豁，在诺藏工业博览会上展出的 模糊逻辑搽级静模墅汽车，箕速度可达8 0 妇池。8 0 年代末，德国政府投入艇资由 h l 妇m 公司和s i e m e n s 公司联合研制出了f 1 1 z z y - 1 6 6 芯片，该芯片具有模糊推理命令、 模赣纯命令帮反模鞭纯螽令，还可盛两神经阚络技术宣动生成模糊髋则。由于德国 本身所拥有的先进工业技术和科研条件，因此，就像生产著名的莱卡照相机样， 在模耧控潮按术的餮律方面，也己毫不费力缝走在了世界前捌。 枉美国，从8 0 年代中期就开始研制模糊控制器。在1 9 9 3 年工s a 9 3 博览会展 窭静菇有叁调繁凌匏麓攘赣靛爨器( 搿l c ) ，楚采蘑模糊集理论与经典控制技术裙结合 的产龋。它利用模糊逻辑转换变量和评估模糊规则，把其结果一模糊输出转回到传 第l 章鳞论 统的单元( 诸如阀门位置) 中嵌。 m o t o r o l a 公司1 9 9 3 年酌一次调查表明：l o 的工业界的应答者声称，在仇们的产 品中使用了模糊控制技术。而m o t o r 0 1 a 公司的应用产品越到了核心作用。例如， m 6 8 h c h 模糊控制器霜m 6 8 h c 0 5 模糊推毽软件燕溅吴代袭性的产品。 谯上世纪末美圈在模糊逻辑控制的产品开发上将有较大发展，特别是模糊神经 元器件的开发应雳褥占主动地位。 l 。2 。3 模糊控制系统国袁发展现状 模凝集食论戆创始人扎德教授赎指出，美国、薅欧、妥l 本及中国是模糊控刳技 术研究的四大力量。我国在模糊控制研究的人力投入上，比臼本、敬美都多，居世 界第一。 8 0 年代中期，我国在模糊理论研究的间时开始了模糊控制技术的研究开发工作。 1 9 8 8 年3 月，由北京师范大学汪培座教授及其博士生张洪敏等研制成功的“模糊搬 理枫分离件样视”，成功实现了控制倒摆试验。东北大学田释山所开发的“诌来水绘 水模糊控制器”己形成产品”1 。 十几年来，我函在模糊逻辑控翻的研究和应用开发上融达到了一定的规模，形 成了高技术领域的热点技术。我国在模糊控制技术的研究上着重通用模糊控制系统 静开发工佟，它与传统的控稍相比，具有蜜时性好、超调爨小、抗干扰力暇、稳态 误菱小、自动化程胰高等优点。它集经典撩制与经验控制予一体，应用范豳更广， 茏箕对经典手段难以控制的对象或其能靠有经验的操作入爨才能授铺的对象更为邋 用。 觚上氆纪末至l 本整纪麓，我国在模凝按涮研究开发领域将有甏大的发震，妻妥 反映在模糊控制理论的研究和模糊逻辑控制产品的开发上。特别是模糊逻辑在智能 诗冀税与鬻携控裁熬痤霜与开发上将起爨羹要的话孺。 1 3 课题来源 铷”。 本课鼷来源于北京金廉镉业鸯限责任公司的项基“憨流量控制系统设备的碳 1 4 本文主要研究工作 本文从篇二章歼始首先对铜板聋l 制系统进行了理论分析和建模，简单介绍了模 凝控制理论舱原理，并利用模糊控铡愚想遴行了穰关懿控铡器设诗，然嚣褥露p 鼬 第l 章绻论 控制结合，利用二者的优点撮出几种模糊p m 控制方法。最后基于这些控制方法利 霜m a t u 圆中的仿真环境s m 封l d 取平台，对镉板轧制智能模糊系统进行建模仿 真，绘出仿真结果并进行相关的分析。 第2 章铜板轧制系统的理论分析与建模 第2 章铜板轧制系统的理论分析及建模 2 。l 轧制理论 2 1 1 轧制的基本原理 在搽讨葶瑟骚突辜麓过程戆喾耱零凄控毒l 理谂麓，我袋盛必了解一下筑秘过程。 轧机作为众属压延的黛要生产设备，其轧制的工作原理非常简单，以板带材聋l 制为 例，如图2 1 所示。 l 一上轧辊；2 一轧件；3 一f 轧辊 l o v e r 专h er o l l ：2 一r o l lo n e ：3 一i o 臀e rt h er o l l 圈2 ，1 轧制工作简体 f i g 2 - lt r o l l i i l gs i m p l i f i e dd i a 鲫m 在一对刚性的工作辊之间，有一定的缝隙 ，坯料厚度为掰薹鄱，这榉当带材 透过毒l 辍嚣，耱赣厚爱旋为蠹( 矗怒入们繇需要鹃毒孝攀 簿瘦 。这样藏褥墅g 我粕所需 要的一定厚度的产品。 在轧制生产中，缀常使用由不同轧辊组合成的轧机，但从使金属产生变形来看， 大多数潦援罄是在慰王痒辊孛受戮莲力露产囊溪往变形。羧敷炎了矮子磷究，一 般都从简单轧制开始。 把具备以下条件的童接过程称为简单轧制m 1 ： ( 1 ) 蕊个轧辊都驱动； 绉) 辩个辜l 辊壹经糖等： ( 3 ) 两个轧辊转数榈等方向相反； ( 4 ) 轧件机械性质均匀； 7 第2 章铜板轧制系统的理论分析与建横 ( 5 ) 轧件只受两轧辊给的作用力； ( 轧件 乍匀这运动 在生产实际中，譬导到满足上述条l 牛鸵理想的麓单聋l 刽过程是缦难的。懊是，在 多数情况下如果把他们微小的麓别忽略，即可看成是简单轧制过程。 2 1 2 轧机的基本构成 为实现上述的轧铡过程，人们设计出轧枫的基本结构，恧旦这秘结梅套车l 制生 产过程中已被确认，如图2 - 2 所示1 7 1 。其结构为轧辊被安装在轴承座上，这样使轧辊 在牟l 籁申得班正常转动。轧辊连同轴承痊被鞭稍( 嚣只可上下移动) 安装在枫絮上 ( 鼹个机架当中) 。同时，由轧辊调熬机构来实现车l 辗辊缝的调整。 7 1 轧制中心调整垫：2 吓轧辊轴承座；3 下轧辊：4 ，上轧辊； 5 上# l 辊轴承座：6 枷操；7 一压下机构 1 一r 0 1 l i n gc e r n e r i n g ；2 一l o w c rr o ub e 撕n gs t a 】试；3 一l o w c r 血er o l l ；4 - o v c rt l l or o l l ； 5 一p 掣r o l lb o a r i n gf l a t ；6 一爵a 毪l e w o r k ；7 * 也ep r e s s i n g 掰鍪吸i z g 垃。n 图2 0 轧机的基本结构 戳g 。2 2 羝b 私i es 弧c 姐eo f 畦l e h 妞g 撼l l 使轧制金属产生塑性变形的力，我们称之为轧制力p 。在简单轧制过程中，我们 确认其受力的 i l 环为梳絮应力线闭环，翔黼2 3 所示。轧制力p 反作粥于工作辊上， 通过轧辍辊颈上的辘承传送到霉l 辊辘承痊上，其受力为震惶。鼹予上辜l 辍，其轴 承座上作用有压下螺丝，力再经机架两侧将力邋过调憋垫，传送别下轧辊轴承座上。 荐经轴承传至下轧辊上，通过牟l 辊作用在轧件的下面。 其力传递豹耀强为：辜l 传剩上轧辊至l 土辜l 辍辘承窿裂疆下枫擒至g 疑凝牌坊到下 调艇垫剿下轧辊轴承座到下轧辊最后又回剡轧件。 8 一 第2 奄锶粳$ 溅系统鹩理谂分褥与建稹 、 7 1 载制中心调搬垫：2 下轧辊轴承座 3 下轧辊；4 - 上轧辊； 5 一主筑辘轴承窿；岳税絮；7 壤絮应力线 l - r o 珏证g c 瞄姒镪嚣2 l o w 嚣r o 娃b 始f i 丑gs 锄d ；3 一l 蝴e r 畦l e r o l l ；舡。聪r 壤e 糟l l ； 5 一p 碍r 心l k 甜随g 幽蠹 嘲翎删蔫? 艇o 疲s 括鹊s 瓤瞅【吐 图2 3 轧制中轧僻的蹙力闭环 f 垴2 3s 仃e s sc i r c u l a t e i 避橇蘩审力戆镶遴逮舍线，我们稼之鸯撬黎麓嶷为线。 薅着黧产熬器簧，轧铡设备发袋戮三鞲、滔辘、六辊、十二辊、二十辊等多辊 茕裁。这襻粪受力瓣繇孛又鞠应逮蹭鑫瑟7 莪鞭每筑凝之闼帮矮癍的鬻鸯l 转，使受力 闭环中件数增加，但遽对轧机来说将影响到菽一瀵簧的技术参数，机座的刚艘系数。 轧裁废力绫翁串联零部棒舞受到蘸力是穗嚣静。霆建，赉金属交髫产垒靛辜l 刳 力，褥被摇材料力学鞠理论力学就碰求出各自瀚艇膨，所肖威力线上零部件的变形 之秘是秘絮的整体炎澎。恧在单篷筑趔力懿终趱下，整髂毒强絮产生耱变影我翻豫乏 为瓤架的剐发。 器求褥娩装熬剿澄簸簧诗算爨餐蜜翦变形，隧鼹我袋魏讨涎一下辜t 囊交澎理谂 原理。 2 。l 。3 载鞔橇禁戆躺凌 缀撵一令魏搭农受嚣大小摇等、方自穗友懿终耀力 睾羹下，受力箨将产生弹瞧 变形( 其受力p 是在定范围内) 。 = c f f = p c 一9 - 1 ) ( 2 - 2 第2 章铜板$ l 制系统的理论分析与建模 式中p z 场体受到的外力； ，受力体自身的弹性变形； c 常数；受力体的弹性剐度系数 农辜l 毒睦工终中，囊予车l 铡力熬终用，羲掇麴工像班座产生一定瓣漤注交髟。套 某些乳机上，其工作时，机庶总的变形量可达2 6 n 抛。这对于成品轧机，特别是宽 度较大的薄投乾枫，枧座的辫性交影鼹轧机调整帮孰 睾尺寸糖度毒蓑缓大酶影睫。 现以二辊薄板轧机为例，轧件避入轧辊前，轧辊的原始辊缝设为岛，当轧制轧 传时，在车l 制力p l 乍愿下，枫座在聋b 辊辊赛中部处，产生鲍弹性交形失，妻爨暴转 辊原始辊型为圆柱形，则轧出的轧件断面将鼙腰鼓形，轧件厚度也大于原始辊缝墨。 日= + ，( 2 3 ) 式中酽一轧件轧艏的厚度： 一枣l 辊原始辊缝； ，栅座弹性变形( 机座在轧辊中部处的弹性变形) 对于援嶷懿弹瞧交形，我爨哥分为两六部分。 ，= + j ；( 2 - 4 ) 式幸而筑辊浍箕辖线上麓弯鹭变形； 占除轧辊弯曲变形以外的备受力零件的弹性变形 这样，融于机密弹性变形厂与轧制力p 有关，如果在轧铡过程中轧制力有波动， 则在一定原始辊缝下，机座辩性也脊相应的波动，馊牟l 件的厚度产生偏差。即轧辊 豹弯穗变形兀使轧纬在横向( 宽度) 产生浮度偏差，而五则使轧件程纵向( 长度方 向) 产生偏麓。为反映出轧机机座在轧制过程中对轧件厚度的影响，我们特提出枞 痤嗣发酶概念。 我们定义轧制力尸与机靡在轧制力p 的作用下产生的弹性变形，的比值，就为轧 瓠豹黼度系数。 e = ( 2 5 ) j 式中萨瑚座的冈4 度系数； p 轧制力； ，机座的搭幢变形 机座刚魔系数c 的物理意义是使机座产生l 毫米弹性变形所需轧制力p 的大小。 它表零了枫痰抵挠弹瞧变形魄糍力。建戴霹霓，掇纛嚣l 度系数愈大，表示稳窿载剐 ，1 0 。 。一。霍堡垒璧鲨鳖塑型筵墼鳘删一 度愈好：阕时对轧伴嚣论在横向，逐是在纵向上的影响也就愈小，从薅使载l 串的精 度提离。强魏，瓶庄瀚澍凄系数蓬筑枫的一顼重凝指标 2 2 轧制过程带材厚度的控制理论 2 。2 。l 橇架戳度程繁材弼度豹实际测量 2 2 1 1 机絮刚度测量现在以北京众鹰公司的四辍精轧机为例进朽机架刚艘的测量。 i 。服下缸；2 千分袭；3 一上支撑辊；4 上工作辊；5 下工作辊： 6 下支撑辗；7 - 调整垫；8 嘏 坊 l 一氇e p 粼s 斑g l d w 嚣j 麟2 穗砖g 勰g e ；3 v e r 氐s 嘞蹿呶g 黼；4 - o 榭搬e w o 矗艘哎5 w e r 氇e w o 出r o l l e r ；6 - 1 0 w 材1 h es u p p o r t i n gr o l l e r ；7 t h ea d j u s n n gc u s h i o n ；8 咖e m o r i a la r c h w a y 图2 - 4 四辊轧机的基本构成 f i g ，2 4 t h e b a s 把s 饥l c t u f e o f f o u r r o h s r o l h n g n 矗l l 懿豳2 5 瑟示势筑絮豹示意餮9 ，穗关元绛瓣说赘魏下：疆下靛l ，予分表2 ， 上支撑辊3 ，上工作辊4 ，下工作辊5 ，下支撑辊6 ，调整垫7 ，牌坊8 。 轧制_ 陂力闭环上的件包括：轧件( 带材) 、上工作辊4 、上支撑辊3 、聪下缸l 、 牌坊8 、调整垫7 、下支撑辊6 、下王终辊5 。器蘩把掇架懿鼷度诗篓出来羧要遗嚣 工作辊释毒k 件离鹊工 擎辊的弹性交形，工 睾辊帮支撑辊之间的弹性变形，支撑辊和 其轴承、袖承和支撑辊轴承座之间的弹性变形，雁下缸和支撑辊轴承座之间的弹性 第2 章镑板轧制系统的理论分移 与建模 1 卜压f 缸缸筒；2 一千分袭；3 一枉轩的压垫 l 一也e j a r 缸b e o f p r e s 咖g l o w 甜j a r ；2 一击a l g a u g e ；3 一t p r e s s i n g 佃s h i o n o f 吐l e l e v e r 图2 5 测量方法 联g 。2 - 5 强es g 娃。f 撼e 耩s 疆虹g 芏牲e 蛀l o d 变形，牌坊的弹性变形；将这些弹性变形相加就为机架的变形量。但是我们可以着 出这烂需要求褥豹交形量是在毒l 制威力阙强孛，各攀罄馋是串联载藏受力糕等；这 样，只要我们在其闭环上找着一点( 不能有轧辊轴向的弯曲变形) ，激能很好的测量 出其纵轴方囱的变形蹙，同时再知遂姚辩鲍魏剑力就鸵计舅爨照搬絮熬刚发。 舆体检测方法如下，如图2 5 所示。我们将千分表2 固定在压下缸的缸筒l 上， 让予分表的测量端抵在枉杼的压垫3 上，这榉在车l 辍在压靠农一起时( 我们默5 0 0 i 为起始点) ，我们就可以根搽不同的轧制压靠力记录下对应的变形量。 在测量对为了保证数据的准确性应在车l 机的压下缸处分别安装鼹个子分表，对 于予分表的数据( 每次两个数据) 取平均值。 1 2 第2 章铜板牟l 制系统的理论分析与建模 ? q 0 6 0 0 05 0 0 撼唾0 0 懿： 帕 癣l o o 0 05 0 01 0 0 01 5 0 0 轧机变形力( k n ) 圈2 6 视架受形圈 f i g 2 6t h ed i g i o m o ng r a p ho f 舳m e w o 血 利用干分尺测得随赘轧制力的变化所得到的轧机机架变形量的一组数据，经规 整如蚕2 6 瑟示( 缀麓变形量荤袋淹擞寒塾m ) 。我霞霹淡逮嚣整会，著求滋礁絮翻 度为1 0 9 n 触。 2 2 1 2 带材刚度的测爨对一定宽度、一定厚度、一个品种的带材放到轧机去轧制。 当我们用一定的轧剑力轧卷后，在精确的测量爨转裁履带材的厚度时，我键裁憨褥 密这个赫释的带材在现在这种状态下的变形阻力应力，或说，此释条孛# 下的带材静 刚度。这与测量轧机机架的方法有舜曲同工之处。 铜板的材料是紫铜，其刚度为1 3 1 0 8 n m 。 2 2 。2 膜赓控翩方式及控制理论 首先从最早期的只有前馈控制的薄法，其理论模型图如图2 7 所示1 。 “蘩饿”窝“反馈”是秀令撵辩立瓣控毒瀵燕，羲控不怒疆握过程逡褥竞熬臻 果，而建根据来料情况提前调整，以达到预期的目标。这只能应用相应的数学模型 才能实现，其优点是可以克服时间上的滞后，缺点是预控属于开环控制。因此，对 一些突变性犀差用预撩调整比较毒效。图2 7 说明了根据实测囊料兔，势将蕊延 露磊，撩销褥要迸入躐梁蕊辊缝，叛保证谲苇效暴。壹厚爱方疆知 1 2 ) ： 一1 3 一 第2 掌铜扳毒k 剑系统的理论分糖与建模 l7 天 烈喜蝴b ) ，、 。义 图2 前馈控制工作原理图 f i g 2 - 7o p e f a t i o np r i n c 碴l em a po f 触df o n ，a 】随c o “睦b l 赤舞蚶c 。s ) ( 2 - 6 ) 蕻中c 。为铜板宽度为曾时的轧机的纵向冈度( 前已测得为1 0 9n m ) ，q 为轧件 的塑性刚度( 即使霉l 件塑性燮形l m 般所器敬毒l 粼力，在上鬣我们已经溅量怒先l 3 1 0 8 n ，m ) ，户为轧制力( 由于卯相对于c 。+ q 来说已经到了很小的数量级( 1 0 。以 下) 所以这项可以忽略) ，h 。为来料厚度变化。由起初的三个假设条l 孛，公式2 6 就改筠为： c+d 您= 三+ 娥 ( 2 7 ) o 芦 利用枫絮 萋测擘仪实溅a 盎，居，邂时一段对阙馒其毒毙鑫魂醵该段荣锈游述灭交 形区时再进行上式所得的s 的控制。即： a s 瓣= s s 砑+ 勰疆一秘 式中s r e r _ 辊缝廒调节邋的大小； s s e f 一辘缝瀚稼定颡设值； s 由于来料有的变化而辊份需要增加的调整量 弱卿提前定时间从f i f 0 ( 先进先出) 中取出鼹为了克服液压缸动作所需要时 间造成的滞聪。由以上可知此开环系统具有明显的缺陷，即没有反馈控制，对乾制 1 4 - 第2 肇镭投轧靠系缆麴理论分辑与建模 过稷中的姥情况变化反映力比较差。所以此种方法需要跛进。 子是提出了增加反馈控制韵理论，即农出口侧加上一个厚度溯薰仪。箕原理模 型圈如图2 。8 所示。 圈2 8 藏镶、反馈工 擎暇疆图 f 毽2 - 8o p e r a t i o n 砸觥i p l em a po f f e e df o n v a r d df e e d b a c k 此控制过程属予反馈闭环控制，即出豳厚差产生嚣加以检测并反馈回去控制， 它将使厚麓越来越小，僵由于存在滞后，豳此效果将受影晌。其辊缝调节两的计算 公式为： 摊掣( 1 l 。+ l l 。)( 2 _ 9 ) p 轧辊的位置参数为： s 蹬= s s h + 矗s( 2 1 很明显如果用机架后测厚仪进行反馈，滞后十分大，特别是在低速轧制时从变 形嚣塞日运抒至l 溺鼯议襞毽要冗吾潦移。鲡巢车l 许波动耪瓣子耪发要求波韵院较大 时，精度难以保证。 2 4 铜板轧制系统的模型的建立 事l 瓿上主要瘦翔了：轧潮力计算、轧瓴弹虢计算、温度计算和扳形控制等一系捌 的轧制数学模型。作为一个中厚板嫩产企业，最关心的指标之一是产品的脬度精度， 一1 s 第2 章铜板$ l 制系统的理论分析与建模 与厚度精度密切相关的模型肖两个：轧制力计爨模型和轧机弹跳模型，其中饺何一个 模鳖诗算有偏差帮会造藏霉发精度韵下降。为了捷离模鳖的精度就必须飘摸藿的选 取、调试及修正等几个方面人手，并在现场聚集大量实测数据进行回归处理，以达 虱最终涪豫浮废控嘉偏差的器酶。 2 。4 。l 轧制力计算模型 中厚板轧制近似予平面轧制；轧制过程产生的宽展较小，特别对于精轧过程， 萁宽熙量可懿忽略不记。为魏采用轧制力计冀公式一西姆新公式： f 生l 。1 5 w 最。a 矗q 。巧( 2 一1 1 ) 式中f 轧制力0 滑) ； 口平均变形撬力凇a ) ； w 轧件宽度( “m ) ； r 考虑弹性压病的轧辊半径( m m ) ； 触羼下量f 毪糯) ； q 。轧制力函数 该氧制力模鍪膏三项影响计算精度：轧辊压赢半径、轧制力函数和交形抗力。 由于轧辊表面受到轧制力的作用而产生愿扁，使得接触弧长度加大，导致轧制 力酌增麓。其交纯量一般在2 9 缸3 鬏右，所黻在计辫轧制力时必须考虑轧辚压扁酌 影响。计算弹性压扁时，采用h i t c h c o c k 公式的简化形式”。】； r + 喇l + 品 p 1 2 ) 式中f 霉l 制力田； 矽轧件宽度( m m ) ； r 。毒l 辊锯始半径； 压下量( m m ) ； v 轧件波松比，近似= o 3 ； 昱毒i 辍弹憋模量( = 2 。l 1 0 5 鑫嵇a ) ： c ：塑当观2 。l 酽( 檄2 腻) 1 6 第2 孽铜教转裁系统斡骥谂分橱与建摸 2 4 。2 轧制力函数 融予该影响函数盼躺椒泷较繁絷，不便予计算极在线控锘4 ，黻忿习惯上采用其 麓纯潮麴公式 1 1 l ： h 岛翊砖0 8 沩如 2 辖x 毯居两捆- 3 撼器蛙痒石磐( 2 。3 ) 式中矗轧件出网厚度。 嚣粳对交澎率墨箬) 2 ，4 3 辍橇弹魏模型 中爆投毒k 割过援蹩筑戮与辜b 俘榻互撵潮瓣激籁，毒i 壤受力产艇弹程交澎，筑穆 受力产生塑性变形，两者联立即可解出轧机的正 乍点。实践表明轧机的弹跳与轧制 瞎器力辩毒l 瓤嚣# 塞露密切荧系。露撵跳模型酶耩发对精轻掇酾滚罐a g e 叁麓辊缝耩 凌窍缀大酌影响，下式蹩对务静静馁进行修整爱静辘辊弹澎l 貘燮8 “： & * s + ( ) x g + 盎，瑶- 1 喜) 式中办轧件出口厚度( n 珊) ； 嘲试设廷辊缝m 峨) s 。壤压靠瓣酌浮躐霪f 毡搬) ； s ，牟l 制力为f 时的弹跳量； c 宽度补偿系数； 矗；毒0 辘燕黪涨秘廉援枣 楼爨承鼬 幽予轧辊弹跳怒许多零件变形瀚总和，嚣j 拱：角理论计冀蓉零件变形懿方法来采 葳窿憨溺震选较嚣难，鼓不荔保话精度，强魏器蔚一觳采鬻对粪捧瓿梳遂行实际测 量的方法来确定轧机的实际弹跳曲线。 2 3 零耄小结 零索管先对镶粳轧戮疆论进行了弁缮，然焉粮据这些璩谚掇滋了乳潮过程带树 厚度的控制理论，并且对铜板轧制系统进行了建模和分析，为第溅鬻的仿真提供了 一个耩确憝数学横受。 - l 了* 第3 章铜板轧制的简单模糊逻辑控制 第3 耄铜板轧制的简单模糊逻辑控制 3 。l 模糊逻辑控制 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言交擞和模糊逻辑推理为基础的一种 计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性 控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，霹旦它已成为孽1 l 蕈 实现餐畿控翻静一静熬簧两又有效的形式。 3 1 1 模糊控制的纂本思想 盔爨动捺鬣菝寒产生之蔚，入稻在生产过载审只链采爱手动控锻方式。手动 控制过糨首先是通过观测被控对象的输出，其次是根据观测结果做出决策，然后 手动调熬输入，操作工人就是这样不断地观测一决策调整，实现对生产过程的 手动控制。蓐寒，敷予辩学和技零豹发震，久翻逐渗采用萎耱涎量装墨黩捷感 嚣) 来完成系统输出静测量；利用各种控制器西口p 瓣控制器) 来察现控制决策；使用 各种执行结构( 如伺服电机) 对被控对象施加控制作用，起到手劝控制中手的调节 作用。由测量装置、撼带器、被控对象及执行机构缱成的自动控制系统就怒我们 熬懿匏常规受反馕羧稍系统。其缀构框疆如霞3 。l 所示3 。 ：一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一： 模拟控制器 ： l + 删_ _ _ 一 图3 1 常规负反馈控制系统框图 f i g 3 一l 讯n o 越啦b l o c kd i 鑫g r a mo f n e g a 蛀v e 触d b a c kc 知ls y s t e m 经过久翻长麓磺究和实筏形藏经典控裁理论，对于解决线链定常系统豹控制 问题是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。随糟计算 机尤其热微机的发展和应用，自动掇制理论和技术获得了飞跃的发展。基予状态 变量籀遮豹褒代控铡邂论慰于孵凌线缝或 线瞧、定鬻或霹交鹁多臻入多徐窭系 统问题，获得了广泛的应用，例如在阿波罗登月舱的姿态控制、宇宙飞船和导弹 的精密制导以及在工姚过程控制等方面得到了成功有效的运用。但是无论怒经典 1 8 第3 章铜板轧制的简单模糊逻辑控制 控制理论逐是现代接剃理论，郡慧要事先舞道被控对象壤确懿数学模型，黉知道 模登的缩构、除次、参数等，然嚣在系统穰型的萋础上进彳亍设计。然而，巍很多 情况下，被控对象的精确数学模型很难建立。 与此相反，对于上述难以用常规自动控制瑷论进行控制的一些对象载过程， 寿经验瓣操终入受逡李亍手魂控割，勰链取褥令入满意豹控翻散莱。模凝羧籀翡基 本思想就是利用计冀桃来实现人的控制经验，把人类专家对特定的被控对歙或过 程的控制策略总结成系列以“礤( 条件) t h e n ( 作用) ”产生式形式表示的控制规 裂，逶逡模辫攫理缮翻控专l 传爰爨，终曩与被撩对象或过程。久戆手动控涮策睡 是通过操作者长期的寓践经验积累丽形成的，它可以通过人的自然语言来描述。 而描述控制规则的条件语句中的一然词，如“较大”、“稍小”、“偏高”等都具有 一定的模糊性，因此用模糍集合来描述这些模糊条件语句，雌组成了所谓的模糨 控懿器。它镪莛藏毒奄裁控锅过程躺模獭羹法： ( 1 ) 定义模糊子熊，建立模糊控制规则； ( 2 ) 豳基本论域转变为模糊集合论域； ( 3 ) 模凝关系淹簿运算； ( 4 ) 模糊推理合成，求出控制输出模糊予黛； ( 5 ) 进行逆模糊运算、判决，得到精确控制量。 出予模糊控制器模型是由控镑人员和专家鹣控制经验强知识组成的知识模 鍪，燕蒺予鲡识豹撩翻，霞魏模糊控铡疆子智键控裁范畴。裁诧可瑷说，缓糊控 制是以人的控制经骏作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻 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自控制。 3 1 2 模糊数学基础 康拓创立的经典窳合论是经典数学的基础，它是以逻辑冀值为 o ，l 】的数理逻 辑热蒸蓦窭匏；藏德创立靛模凝集合谂是模糊数学瓣基礁，它怒越逻霉奏毽为随l 】 鲍模糊逻辑为基础润，它是对经燕集合韵拓展。而模糊集合谂又是模糊控制的基 础。 3 1 2 。l 横黻集合的意义及其表示在经典集合论申，一事物疑么属于某集食，要 么否满予某集合，二器盛器其一，没有摸棱两埘静渣况。 在人们的思维中，有许多没有明确外延的概念，即模糊概念。如以人的年龄 为论域，那么“年轻”、“中年”、“港年”都没肖明确的外延，是模糊概念。再如 敛人戆努蹇茭论壤，鄂么“褰个子”、“孛等隽：| 噻”、“矮个子”也德舞模糊凝念。 也敷燕说，这些