（机械电子工程专业论文）连轧钢管壁厚电液伺服控制系统的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 捅要 本文以包钢无缝钢管厂为背景，介绍了无缝钢管主要生产工艺流程和连轧钢管 壁厚控制系统，无缝钢管连轧机是多机架机组对荒管进行有芯棒连轧过程。它具有 复杂的金属流动状态，影响其壁厚精度的工艺参数很多，本文对于连轧钢管机轧制 出钢管壁厚精度不高的问题进行了研究。 壁厚精度是连轧钢管质量的主要衡量指标，壁厚精度问题一直是困扰连轧无缝 钢管生产的一个技术难题，在高科技技术日益发达的今天，各行各业对连轧钢管壁 厚精度要求越来越高。在连轧钢管壁厚控制过程中，存在着多种不确定性以及难以 确切描述的非线性特性。传统p i d 控制对于时变，多变量的非线性复杂系统，难以得 到十分满意的控制品质，随着对钢管质量的要求愈来愈高，对系统控制方法的要求 也越来越高。而神经网络作为现代信息智能处理技术的一种，正在很多应用中显示 它的优越性。 本文通过对连轧钢管壁厚电液伺服系统进行分析，建立该系统的数学模型，设 计采用神经网络p i d 控制，将神经网络与常规的p i d 控制结合起来，由神经网络控制 优化p i d 控制器的参数，处理液压系统中的不确定性、不精确性因素，在常规p i d 控 制的基础上，利用神经网络的自适应能力，非线性映射能力、鲁棒性和容错能力， 在线调整p i d 控制参数，实现p i d 控制器参数的在线寻优整定，以满足连轧钢管壁厚 液压伺服系统的动态性能和静态性能要求，提高系统的鲁棒性。从而提高连轧钢管 壁厚精度的控制品质。 通过利用m a t l a b 软件进行了仿真，取得了一些有意义的成果和较为满意的结 论。仿真表明，本论文所设计采用的神经网络p i d 的控制方法对连轧钢管壁厚控制具 有良好的稳定性和鲁棒性，可以有效的抑制负载变化和外界干扰对系统的不利影 响，能够取得很好钢管壁厚控制品质。对于提高钢管壁厚精度及提高整体控制品质 有着重要的实际意义。 关键词：钢管壁厚，液压压下，电液伺服控制，神经p i d 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o d u c tt e c h n i c sf l o wa n d c o n t r o ls y s t e m ，b a s e do n t h eb a o g a ns e a m l e s st u b ep l a n a n dg i v et h er e s e a r c ho n r e a s o nf o rt h e c o n t i n u o u s l yr o l l e ds t e e lt u b et h i c k n e s sa c c u r a c y 。 c o n t i n u o u s l yr o l l e ds t e e lt u b et h i c k n e s sa c c u r a c yi st h em a i ni n d i c a t o r so ft h e q u a l i t yo fr o l l i n gs t e e lp i p e i nt h eh i g h t e c hs k i l l sd e v e l o p e dt o d a y ，a l lw a l k so fl i f e o nt h er o l l i n gs t e e lp i p ew a l lt h i c k n e s si n c r e a s i n ga c c u r a c y p i dc o n t r o lf o rt h e t r a d i t i o n a lt i m e v a r y i n g ，m o r ec o m p l e xv a r i a b l e so ft h es y s t e m ，c a nh a r d l yb e s a t i s f i e dw i t ht h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h ep i p ew a l lt h i c k n e s s ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f p i dc o n t r o l - so f t e nd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec l o s e d 1 0 0 pc o n t r o i o p t i m i z a t i o n t h en e u r a ln e t w o r ko fm o d e r ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya s af b r mi sd i s p l a y e di nm a n yo fi t sa d v a n t a g e s a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sa n i m p o r t a n tb r a n c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，i th a s t h e a b i l i t yo fs e l fs t u d y ，s e l fa d a p t i n ga n ds e l f - o r g a n i z i n g s oc o m b i n i n gt h ea n na n d t h e p i d ，m a k et h ec o m p o u n da n n p i dc o n t r o l l e ri d e n t i f ya n ds e tt h ec o n t r o l l e d p r o c e s s p a r a m e t e ra u t o m a t i c ，c a ns o l v et h ep r o b l e mo fc o n v e n t i o n a ip i dc o n t r o l l e r w i t h d i f f i c u l tp a r a m e t e rs e t t i n g ，u n f o r c e m e n tr o b u s t n e s sa n dc a nn o tt u n et h e p a r a m e t e r r e a l - t i m e o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho f h y d r a u l i cs e r v os y s t e ma n d s y s t e m sm o d e l ， an o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e rb a s e do nn e u m ln e t w o r kh a v e b e e nd e s i g n e d ，t h e c o n t r o l l e ri n c l u d e sap i dc o n t r o l l e ra n dt w o n e u r a ln e t w o r k s ，t h en o n l i n e a rp i d c o n t r o l l e ri sc o m p o s e do fn o n l i n e a f f u n c t i o na n dc o n v e n t i o n a ip i dc o n t r o l l e r ；o r e n e u r a ln e t w o r k ( n n i ) i s u s e di nn o n l i n e a rs y s t e md i s c r i m i n a t et ok n o w ，a n o t h e r n e u r a ln e t w o r k ( n n c ) i sc o n t r o l l e r ，t h ec o n t r o l l e ra d o p tak i n do fn e wb pa l g o r i t h m t o i m p r o v et h es p e e do fl e a r n i n g ，h a v e r e a l i z e dt h ef a s t e n e ro f c o n t r o l l i n g a l g o r i t h m t h er e s u l t so fm a t l a bs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en e u m ip i d i sv e r ys e l f - a d a p t i v ea n dr o b u s t ，i tc a ni n h i b i tt h ei n t e r f e r e n c e sc a u s e db y e f e c t i v e l y ， a n ds a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs c r e wd o w n ，s t e e lt u b et h i c k n e s s ，e l e c t r o h y d m u l i c s e r v os y s t e m ，n e u r a lp id 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古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。 关于论文使用授权的说明 协。毛| 歹 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：伍必 1x 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 我国钢产量从1 9 9 6 年突破1 亿吨以后，到2 0 0 4 年己连续9 年居世界各产钢国 的第一位，我国钢铁工业步入高增长期，已成为不容争议的事实。但是，钢管产品 的质量和技术含量与发达国家相比还有较大差距1 。随着钢管市场竞争日趋激烈， 降低成本提高钢管尺寸精度则显得尤为重要。无缝钢管的尺寸精度主要是指管子的 外径精度和壁厚精度。目前，包钢无缝钢管厂存在主要问题是成品钢管壁厚与名义 壁厚偏差较大。 造成成品钢管壁厚与名义壁厚偏差较大主要原因的是连轧钢管机轧出的荒管的 壁厚与目标壁厚偏差过大，影响钢管壁厚精度的因素多且复杂，连轧钢管壁厚电液 伺服控制系统是采用位置闭环并配合轧制力主扰动补偿构成的液压h c c s 系统。该系 统采用常规p i d 控制。随着控制理论和技术的日趋完善和成熟，各种先进的控制方 法不断出现，在传统p i d 控制中，一个关键的问题就是参数整定，传统的方法是在 获取控制对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数。然而连轧钢 管壁厚控制系统是一个非常复杂的非线性、时变的系统，难于建立精确的数学模 型，而且模型参数随着工作状况的改变而改变，而各控制参数之间又是相互影响 的，参数整定难度极大乜1 。目前，很多文献已经证明，传统常规p i d 控制对时变， 多变量的复杂系统，难以得到满意的控制品质。要达到对系统比较好的控制性能， 必须对p i d 控制器的控制参数进行准确及时的整定饰1 。 针对以上问题，对于连轧钢管壁厚电液伺服控制系统，本课题提出并采用神经 网络p i d 控制，将神经网络与常规的p i d 控制结合起来，由神经网络控制优化p i d 控制器的参数，处理液压系统中的不确定性、不精确性的因素，以满足液压伺服系 统的性能要求，提高系统的鲁棒性。从而提高连轧钢管壁厚精度的控制品质。神经 网络用于系统控制的关键在于网络中神经元连接权值，阈值等参数的调整和确定， 神经网络控制器n n c 根据系统的运行状态，在线快速调节p i d 控制器的参数，使神 经网络输出对应于控制规律下的p i d 控制器某种最优参数。 长期以来，壁厚精度问题一直是困扰连轧无缝钢管生产的一个技术难题。也是 壁厚精度控制研究中的难点，是钢管质量的主要衡量指标，它直接关系到产品的质 量和经济效益，本课目的旨在采用传统结合智能的控制方法，来提高该厂钢管产品 质量，增强竞争力，提高市场占有率口3 。 从前人的研究中不难发现，目前神经网络在连轧钢管生产中的应用几乎是空白。因 此，基于神经网络p i d 的连轧钢管壁厚控制的研究则更有现实意义。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无缝钢管发展现状及前景 无缝钢管是国民经济建设的重要原材料之一，是一种经济型钢材品种，被广泛 应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业。世界各国特别是 工业发达国家都十分重视无缝钢管的生产与贸易。 连轧无缝钢管机组由于具有高产、优质、低消耗以及便于实现机械化、自动化 和计算机控制等特点，在世界各主要产钢国家得到了广泛的应用。至今，己建成投 产的连轧机组四十余套，世界钢管产量也有了大幅度的增长。连轧无缝钢管技术的 迅速发展，早己引起了我国钢管行业的高度重视，七十年代初就立项开发连轧无缝 钢管机组。宝钢、天津连轧机组的引进，衡钢自制7 6 连轧无缝钢管机组的试轧成 功，都标志着我国连轧无缝钢管技术水平上了一个新的台阶，我国无缝钢管的生产 从无到有、从小到大，已经走过了5 0 多年的历程1 。8 0 年代以来，就在世界各国主 要生产无缝钢管国急剧下调产量之时，中国却是无缝钢管产量增加最快的国家，也 是新建无缝钢管轧机最多的国家，产量从1 9 8 1 年的9 2 万吨持续增长，1 9 9 4 年达到了 3 0 4 万吨，跃居世界第一位。新建无缝钢管轧机1 3 套，增加年产能力共约2 1 3 5 万 吨。特别是近几年来，我国无缝钢管行业出现了有史以来最快的发展，连续6 年产销 两旺，产品结构调整成效显著，钢管自给率逐年提高。2 0 0 3 年全国无缝钢管产量为 6 9 9 5 万吨，出口5 6 3 万吨，进口5 3 1 万吨，成为世界上无缝钢管第一生产、消费国 和净出口国n 】。2 0 0 4 年，钢管产量达蛰j 2 1 2 3 万吨，占全球钢管产量的2 5 以上，无缝 钢管产量成为世界第一。技术改造和投资创历史新高，技术装备大为改善，出现了 两个百万吨级的无缝钢管生产企业，跨入全球大钢管集团的行列。 目前，我国无缝钢管品种结构方面的矛盾己得到基本缓解，产品质量己基本能 满足国内需求，产品无特色的“以冷代热”小直径无缝钢管生产方式及落后的生产 机组正逐步被淘汰。己经拥有了世界上无缝钢管生产的各种典型机组。主要机组的 装备水平、主要生产技术指标和主要品种( 如油井管、轴承管和不锈钢管) 的产量居 世界领先水平，我国的无缝钢管正在从生产大国走向强国。 大量的实践表明连轧管技术的迅速采用为高速度发展无缝钢管生产打开了一个 新局面，我国无缝钢管行业发展到今天，除了一些高端、高难度产品尚需进口外， 绝大部分产品可基本满足市场需要。但是，这部分高质量的高端产品的需求量日渐 增多，同时它也代表着无缝钢管行业生产技术的水平和未来发展的方向1 。是一个 国家钢铁工业和科学技术现代化的重要标志之一。这些高端产品有：高压锅炉管、 不锈钢管、油井管、管线管、气瓶管、蓄能器管等。 内蒙古科技火学硕士学位论文 在高科技技术日益发达的今天，国内外对钢管质量的要求愈来愈高，连轧钢管 的市场竞争愈来愈激烈，于是世界各地的钢管生产厂普遍面临着如何提高钢管质量 和降低生产成本的问题。因此无缝钢管采用轧制新工艺，发展轧制新技术已经形成 一个必然趋势。随着新技术新工艺的问世，一系列轧机新项目也应运而生盯1 。通过 分析无缝钢管行业的发展趋势和格局，以及我国无缝钢管行业所取得的成绩和存在 的问题，可以看出，国内市场具有一定优势和发展空间，国际市场空间越来越大， 要靠质量竞争去提高市场占有率。为进一步增强竞争力，必须抓住目前的大好时 机，尽快缩小产品在品种、质量和成本上与国际先进水平的差距，尽快使生产装备 和工艺技术达到国际先进水平，使我国真正成为世界钢管生产强国。 1 2 连轧钢管壁厚液压控制的现状及趋势 经典控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进行分析与综 合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式主要为迟后超前网络和p i d 控制 等。目前，液压伺服系统的经典控制理论己经成熟。对于一些频宽不太高、参数变 化和外干扰不太大的液压伺服系统采用经典方法进行设计已经基本能够满足工程需 要。 近年来，随着对连轧钢管质量壁厚精度的要求的不断提高，对电液伺服系统的 稳定性、快速性、准确性、自适应性和鲁棒性等控制品质提出了更高的要求。对连 轧钢管壁厚控制技术提出了越来越高的要求，为满足这些要求，就要提高连轧钢管 液压伺服系统的控制品质特性，从而使轧机工作精度、响应速度和自动化程度的随 之提高，整个连轧钢管轧制系统是时变，多变量的复杂系统，仅采用经典控制理论 的液压控制技术己难以满足上述应用场合提出的要求n 们。机、电、液一体化技术正 是在这种背景下产生。由此产生新的控制理论。近代伺服系统控制策略的应用现状 及发展趋势是： 1 p i d 控制p i d 控制器具有结构简单易于实现等特点，至今在液压伺服控制 系统中仍有着较多的应用。传统的p i d 采用线性定常组合方式，难于协调快速性和稳 态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。随着对 系统性能要求为不断提高，传统的p i d 控制往往不能满足要求，在这种情况下吸取自 适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势、对传统的p i d 控制进行改 造形成自适应p l o 、模糊p i d 智能积分p i d 和非线性p i d 等，使其适应新的要求n 刳。 2 、人工智能控制( a i c )6 0 年代中期，美国最早开展了对智能控制的研究、付 京孙首先提出了人工智能控制( a i c ) 的概念。按此观点，智能控制是自动控制、运筹 学和人工智能三个主要学科相互渗透、相互结合的产物，a i c 通过对系统特征的描述 内蒙古科技大学硕士学位论文 和提取。符号和环境的识别，知识库和推理机的开发以及控制规律的在线学习和修 正，使系统对实际环境或过程有一定的组织、决策和规划的能力。 3 、自适应控制( a c )如果在设计控制系统时，不完全知道系统的参数或结 构，要求一边估计未知参数，一边修正控制作用，这就是自适应控制问题。a c 可分 为两大类：一类以自校正控制( s t c ) 为代表，另一类以模型参考自适应控制( m r a c ) 为 代表。 4 、变结构控制( v s c )v s c 是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制 器的结构( 控制律或控制器参数) 。从而使系统按照滑模规定的规律进行运行的一种 控制方法。v s c 本质上也是一种自适应控制。 5 、鲁棒控制在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，希望这时 控制系统仍有良好性能，这就是鲁棒控制问题n 驯。近年来出现了h 设计方法，要求频 率响应函数的h 一的上确界极小。这种方法成功地应用了经典函数论。 6 、神经网络控制神经网络控制( n n c ) 是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工 作原理而工作的。它可以同时接受大量信息，并且对它们进行处理，结果也是平行 输出的一批信息。在系统中硬件是模仿神经细胞的网络，软件则是模仿神经细胞的 工作方式，即每个神经元接受信号按“乘权值后相加”，输出信号按“阐值”大小 确定。 尽管随着控制理论发展，涌现出许多新型、具有良好控制性能的控制理论，但 是连轧钢管壁厚液压伺服系统普通存在非线性，且至今没有能够很好地解决这一难 题。连轧钢管壁厚电液伺服系统的非线性主要由电液转换与控制元件的节流特性和 液压动力机构的滞环、死区及限幅以及外干扰等因素引起，对于由后者引起的非线 性( 通常称为本质非线性) ，采用描述函数法已能获得较好的结果：而对前者日前还 没有比较满意的统一处理方法n 引。现有的处理方法是将描述系统特性的动态方程中 的非线性项在工作点附近增量线性化( 即取台劳级数展开式的一次项) 。从而把非线 性系统近似转化为工作点附近的增量线性系统这样当然就可采用线性理论对系统进 行分析与综合了。众所周知的液压伺服阀的三个系数( 流量增益、压力增益和流量压 力系数) 就来源于此。这种处理方法对于系统给定量较小，且外负载不大的经常工作 在额定工作点附近的电液伺服系统是可行的。然而近代液压伺服系统往往要求系统 具有点点跟踪任意非线性函数的能力并且能够承受较强的外负载干扰，因此工作过 程中系统的工作点在较大范围内变化n 副，目前的控制方法难以取得非常令人满意的 效果。 1 3 神经网络p i d 控制研究的意义和现状 内蒙古科技大学硕士学位论文 随着控制理论的迅速发展，在工业过程控制中先后出现了许多先进的控制方 法，然而，p i d 类型的控制技术仍然占有主导地位，特别是在化工、冶金过程控制 中，众多量大面广的控制过程基本上仍然应用p i d 类，因为p i d 控制具有结构简 单、容易实现、控制效果较好、有一定的稳态精度等特点，且p i d 算法原理简明， 参数物理意义明确，理论分析体系完整，为广大控制工程师所熟悉。但是传统p i d 控制是基于准确模型的，且系统特性变化与控制量之间是线性映射关系。若采用常 规p i d 控制器，以一组固定不变的p i d 参数去适应那些参数变化、干扰众多的控制 系统，显然难以获得满意的控制效果n 引，甚至当参数变化范围太大时，系统性能会 明显变差，因此p i d 控制在解决大时滞、参数变化大和模糊不确定性的过程控制问 题时无法获得良好的静态和动态性能。基于知识和不依赖对象模型的智能控制为解 决这类问题提供了新的思路，成为目前解决传统过程控制局限问题，提高过程控制 质量的重要途经。 而神经网络以其很强的适应于复杂环境和多目标控制要求的自学习能力，并能 以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性引起控制界的广泛关注。人们普遍意识 到神经网络控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要的地位和意义。 神经网络控制不需要精确的数学模型，因而是解决不确定性系统控制的一种有效途 径。此外，神经网络以其高度并行的结构所带来的强容错性和适应性，对于给定的 系统很容易处理，易于与传统的控制技术相结合。但是，单纯的神经网络控制也存 在精度不高、收敛速度慢以及容易陷入局部极小等问题u 7 1 。 结合传统p i d 控制和神经网络控制各自的优势和局限性可以看出，如果把传统 常规p i d 和神经网络控制结合起来，取长补短，可使系统的控制性能得到提高，是 一种很实用的控制方法。而且，这种控制方法在实际的工业生产中已经得到了成功 的应用，具有很好的应用前景。从传统与现代控制技术应用的发展历史来看，虽然 未来的控制技术应用领域会越来越宽广，被控对象可以是越来越复杂，相应的控制 技术也会变得越来越先进，但是，以p i d 为原理的各种控制器将是过程控制中不可 或缺的基本控制单元。如果能发现性能优于p i d 的控制器，且具有类似p i d 易于使 用的特点n 们，无论在理论还是实践上都将具有重要意义。本文的研究在尽量多地吸 取传统的经典控制理论强大的分析能力基础上，结合神经网络控制的独特特点，将 神经网络控制与传统p d i 控制相结合，一方面用传统控制理论中的方法解决神经网 络控制问题，另一方面用神经网络控制的理念为解决各种控制问题提供新的思路。 1 4 课题提出的前提和背景 连轧无缝钢管是国民经济建设的重要原材料之一，是一种经济型钢材品种，被 内蒙古科技大学硕士学位论文 广泛应于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业。目前，我国无 缝钢管品种结构方面的矛盾己得到基本缓解，产品质量己基本能满足需求，在高科 技技术日益发达的今天，对钢管质量的要求愈来愈高，国内市场，国际市场空间越 来越大，主要要靠产品质量去增强竞争力，提高市场占有率。钢管壁厚精度是连轧 钢管质量主要指标n 羽。各行各业对连轧钢管壁厚精度要求越来越高。 1 9 9 3 年，面对无缝钢管生产工艺的快速发展和新的生产工艺同趋成熟的形势， 为了适应无缝钢管市场的需求，包钢无缝钢管厂从意大利茵西公司引进了 1 8 0 m i n i - m p m ( 少机架限动芯棒连轧管) 机组，并历经曲折于2 0 0 1 年8 月建成投产。 热轧无缝钢管生产的过程是以实心的连铸管坯( 或钢锭) 为原料，经多次变形成具有 一定的形状、尺寸和性能的钢管。 目前，包钢无缝钢管厂存在主要问题是成品钢管壁厚与名义壁厚偏差较大，最 大已达1 0 ，经过分析，该问题来源主要是因为钢管壁厚的主要控制设备，连轧钢 管机轧出的荒管的壁厚与目标壁厚偏差过大，最高1 0 ，由于连轧钢管机控制荒管 壁厚能力不强，而使最终成品质量不高，生产出来的成品钢管在市场上竞争力不 强，无法与高质量钢管竞争，多数以低价换取市场占有率。因而提高该厂钢管壁厚 精度，提高钢管质量己成为目前紧迫需要解决的问题n 引。 该连轧钢管壁厚控制采用常规p i d 控制，常规p i d 控制以其结构简单、工作相 对稳定、鲁棒性等优点在工业控制中占重要地位。但随着工业发展，被控对象越来 越复杂，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其中有的参数未知或缓慢 变化，有的带有延时或随机干扰，都无法获得精确的数学模型。同时，对控制品质的 要求日益提高，常规的p i d 控制难以满足要求。因此常规p i d 控制的应用受到很大 限制。随着对系统性能要求为不断提高，传统的p i d 控制往往不能满足要求， 为了满足钢管壁厚电液伺服系统控制性能的要求，就需要寻求新的控制策略。采 用神经网络p i d 控制，将神经网络与常规的p i d 控制结合起来，由神经网络控制优 化p i d 控制器的参数，处理液压系统中的不确定性、不精确性，以满足液压伺服系 统的动态性能和静态性能要求，提高系统的鲁棒性， 用神经网络p i d 控制使控制器参数可在线调整，有效提高控制品质来提高钢管 壁厚精度。神经网络与常规p i d 控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成智 能p i d 控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的 鲁棒性。所以对连轧钢管壁厚电液伺服控制系统采用神经网络p i d 的控制方法。 1 5 本文的主要工作 内蒙古科技大学硕十学位论文 本文以包钢无缝钢管厂为背景，介绍了无缝钢管主要生产工艺流程和分析连轧 钢管壁厚电液伺服控制系统，对于连轧钢管机轧制出钢管壁厚精度不高的问题进行 了研究，建立起神经网络p i d 控制的整体方案。基于神经网络的p i d 控制系统主要 由以下构成。一部分是常规的p i d 控制器，直接对被控对象进行闭环控制，而另一 部分是神经网络控制器n n c 。系统工作流程是：b p 神经网络具有逼近任意非线性 函数的能力，而且结构和学习算法简单明确。通过神经网络自身的学习，可以找到 某一最优控制律下的p i d 参数。基于b p 神经网络的p i d 控制系统结构由两个部分 组成：一部分是经典的p i d 控制器，直接对被控对象进行闭环控制，并且p i d 三个 参数为在线整定；另一部分是神经网络n n ，它根据系统的运行状态，调节p i d 控 制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化。即使输出层神经元的输出状态对应 于p i d 控制器的三个可调参数k i ，k p ，k d ，通过神经网络的自学习、调整权系 数，从而使其稳定状态对应于某种最优控制律下的p i d 控制器参数n 9 1 。 具体工作如下： ( 1 ) 对包钢连轧钢管壁厚电液伺服控制系统进行分析，分析动静态因素进行研 究，并且建立本系统数学模型。 ( 2 ) 神经网络p i d 控制系统控制器的设计。神经网络n n c ：根据系统的运行状 态，调节p i d 控制器的参数，以期达到某种性能指标的最优化。输出层神 经元的输出状态对应于p i d 控制器的三个可调参数k l ，k v ，k s ) 通过神 经网络的自身的学习、调整加权系数。 ( 3 ) 运用m a t l a b 对连轧钢管壁厚控制系统的b p 神经网络p i d 控制系统和 常规p i d 控制系统进行仿真。 ( 4 ) 对仿真结果进行比较，结合仿真结果分析这种控制器，得出结论。为高效 解决连轧钢管壁厚问题的研究提供可靠依据。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 连轧钢管壁厚电液伺服系统介绍及分析 2 1 连轧钢管机机构的介绍 连轧无缝钢管机组由于具有高产、优质、低消耗以及便于实现机械化、自动化 和计算机控制等特点，在世界各主要产钢国家得到了广泛的应用。至今，己建成投 产的连轧机组四十余套，世界钢管产量也有了大幅度的增长。连轧无缝钢管技术的 迅速发展，早己引起了我国钢管行业的高度重视，七十年代初就立项开发连轧无缝 钢管机组。宝钢，天津连轧机组的引进，衡钢自制连轧无缝钢管机组的试轧成功， 都标志着我国连轧无缝钢管技术水平上了一个新的台阶。大量的实践表明连轧管技 术的迅速采用为高速度发展无缝钢管生产打开了一个新局面，是一个国家钢铁工业 和科学技术现代化的重要标志之一1 。 包钢无缝钢管厂从意大利引进的限动芯棒连轧无缝钢管机，轧管时，芯棒由限 动机构控制以某一恒定速度前进。穿孔后的钢管，往其内插入涂有润滑剂的长芯棒 后，再将它连同芯棒一起送入连轧管机中，经过9 0 。交叉顺序布置的5 机架连续轧 管进行轧制( 图2 1 ) 。钢管连同芯棒依次通过各机架的孔型，经压缩而获得减径、 减壁和延伸变形。轧制完后由安装于连轧机后的脱管机将钢管从连轧机最后机架中 拉出并脱棒。钢管送至下一道工序，芯棒由限动机构驱动，快速返回原位。更换润 滑好的芯棒，进行下一轮轧制。用过的芯棒再经冷却、润滑，循环使用。连轧钢管 机壁厚控制系统采用的液压伺服控制心1 | 。液压伺服系统通过对液压缸的位置和力的 控制，来克服轧件的不均匀性、轧机弹跳等因素，保持轧辊的辊缝恒定不变，从而使出 口管厚恒定，保证钢管目标厚度达到性能指标要求。 惩溺 杰f 1 隧勤 1 - 一， 、十一， 、， ，一、 _ 、一一一 曛缈1 1 j 曛缈i1 j 瞧纱 jlj 图2 1 五机架连续轧辊 内蒙古科技大学硕士学位论文 连轧管机组是由5 机架轧辊组成，毛管在多机架轧辊里连续轧制变形达到工艺 所要求的外径和壁厚。每个机架里放入由上、下两个轧辊组成的轧辊组件，相邻机 架的轧辊互成9 0 。布置。每对轧辊组件的每个轴承座，分别由一个液压压下缸支撑 和一个平衡缸平衡。平衡缸的活塞杆从液压压下缸的中间通孔穿过，与轧辊轴承座 的t 形槽相连呻，。在工作时，平衡缸的有杆腔通高压油，油缸受拉力，伺服缸的有 杆腔通恒定压力，无杆腔是伺服阀的控制腔。该机构的简图如图2 2 所示。 平衡液压缸 图2 2连轧钢管机机架 2 2 连轧钢管壁厚控制液压系统介绍 连轧钢管壁厚电液伺服控制系统( h y d r a u l i cc a p s u l ec o n t r o ls y s t e m )简称 h c c s 系统。连轧钢管的s l $ j 过程是一个复杂的非线性过程，电液伺服控制系统的控 制方式作为自动壁厚控制系统( h c c s ) 核心，其性能指标直接决定着钢管壁厚控制精 度，它存在着许多不确定因素和时变的参数，另外，在轧制过程中许多扰动因素亦 内蒙古科技大学硕士学位论文 会对控制指标产生影响。 连轧机液压伺服系统是用于调整和控制轧辊位置和力，由一液压缸驱动，由适 当的液压和电气设备正确控制。五机架连轧机液压伺服控制系统( h c c s ) 是连轧钢管 的核心设备，每个二辊机架由4 个液压缸控制，液压缸分别由伺服阀和其它液压元 件组合控制，通过对液压缸位置的控制来控制连轧机辊缝，实现钢管壁厚轧制的设 定和调整。h c c s 系统是一个非常复杂的液压伺服系统，动力油源要供给2 0 个液压 缸控制回路。而且系统要求响应速度快，控制精度高n7 1 ，其部分液压伺服系统的简 图如图2 3 所示。h c c s 系统每个液压子系统回路主要有伺服阀、锁紧电磁阀回路、 卸荷回路、平衡回路系统、执行元件和检测系统组成。 图2 3 连轧钢管壁厚电液伺服系统简图 图中：( 1 ) 一个三位四通伺服阀，用以精确的位置控制；( 2 ) 锁紧电磁阀用来关 闭伺服阀环路，轧制期间用于保持轧辊位置，起锁紧保压作用；( 3 ) 一个快速打开 电磁阀用来释放液压缸主腔油压在报警情况下快速打开辊缝；( 4 ) 两个检测主腔和 辅腔的压力传感器，实时检测液压缸两腔压力，反馈到计算机，通过软件计算轧制 力的大小，并对伺服阀压力控制量进行参考修正；( 5 ) 平衡系统由电磁阀、两个单向 节流阀和液压缸组成；( 6 ) 一个位移传感器，用来检测液压缸的实际位置，实现液 压缸的位置伺服控制盼，。 内蒙古科技大学硕士学位论文 图2 3 中，液压缸主油腔压力p = 3 0 m p a ，经伺服阀和液控单向阀后通往缸中。 通过压力传感器测量液压缸前、后腔的压力，可算出轧辊负荷，当负荷超过预定值，液 压缸就会自动后退( 大打开、小打开) ，从而打开轧辊。位置传感器反馈系统实时检 测反馈给计算机通过软件运算处理实现伺服阀的闭环控制。h c c s 系统具有以下功 能：( 1 ) 通过控制液压缸位置来控制连轧机辊缝；( 2 ) 实现流量增益补偿；( 3 ) 实现位 置传感器归零；( 4 ) 实现力归零；( 5 ) 计算轧制力；( 6 ) 位置的预设定；( 7 ) 液压缸的 同步性检验；( 8 ) 轧制期间修正辊缝值；( 9 ) 液压缸报警。 包钢连轧钢管壁厚控制液压伺服系统具有如下特点啪1 ： ( 1 ) 液压元件的功率一重量比和力矩一惯量比大，传递的力( 力矩) 和功率很 大。因此组成了体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服系统，来控制大功 率和大负载。 ( 2 ) 液压执行元件响应速度快，在该伺服控制中采用校正装置可以使回路增益 提高，频带加宽。 ( 3 ) 液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强，调速范围广，特别低速性能好。 2 3 连轧钢管机电液伺服系统控制原理及构成 影响钢管厚度的各种因素表现在轧制力和辊缝上。而轧制力和辊缝又各有其影 响因素，本系统采用位置闭环并配合轧制力主扰动补偿构成的液压h c c s 系统。 h c c s 系统的每个机架都是位置反馈控制系统，由指令装置、伺服放大器、伺服 阀、液压缸和位移传感器等组成嘲3 ，如图2 4 所示。 从图2 4 可以看出，连轧钢管壁厚电液伺服系统的控制部分有以下几个单元构 成。 控 图2 4 电液伺服系统控制方框图 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 指令单元 它可以是计算机或其它电子器件，根据系统动作的要求发出相应的电压信号。 采用计算机，可由计算机软件发出相应的指令，由d a 转换器转换成电压信号。 2 比较单元 将控制信号和反馈信号比较得出偏差信号的电子部件或计算机软件，一般包含 在计算机或控制放大器中。 3 p i d 控制器 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与对象输出值构成控制偏差，将 偏差的比例( p ) 、积分( d 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制。 4 控制放大器 根据选用的电液控制阀型号、种类而不同，有伺服控制器、比例控制器、开关 式放大器等，它将输入的电压信号转换成电流信号，并包括各种补偿环节和功率放 大部件等。 5 电液伺服阀 电液伺服阀是电液联合控制的多级伺服元件，它能将微弱的电气输入信号放大 成大功率的液压能量输出。电液伺服阀具有控制精度高和放大倍数大等优点。 6 执行元件 可以是工作液压缸和平衡缸，根据液压控制阀输出的流量和压力使液压缸动 作。与负载连接在一起。内部装有位置传感器、压力传感等检测元件。 7 检测单元 用来检测控制量的元件，如压力传感器，位置传感器等。 轧辊位置由指令装置给出电压信号，此信号经过伺服放大器输出电流i 给伺服 阀，伺服阀阀芯移动输出流量q ，推动液压缸按指定方向运动。实际轧辊位移值( 液 压缸压下量) 由位移传感器测量，测量值被转化成电压信号，当测量值与设定值相等 时，伺服阀处于零位，没有流量输出，液压缸不移动。若有差异，经过比较器产生偏 差信号。此信号再经伺服放大器、电液伺服阀传到液压缸缸活塞上，使液压缸向着 减少偏差方向变化，直到位置值等于指令信号所规定的值为止心鄹。 2 4 连轧钢管机电液伺服系统p i d 控制方法分析 内蒙古科技大学硕士学位论文 该系统采用常规p i d 控制，p i d 是将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线 性组合构成控制量，对被控对象进行控制，又称p i d 控制器。常规p i d 控制器系统原 理如图2 5 所示。 图2 5p i d 控制器原理图 给定值r ( t ) 与实际值y ( t ) 的偏差为：e ( t ) = r ( t ) 一y ( f ) t 它的控制规律为：u ( t ) = 廓【p ( ，) + 1 乃i p ( ，) + r o d e ( t ) d t 6 式中：k p 为p i d 控制器的放大系数； t i 为p i d 控制器的积分时间常数： t d 为p i d 控制器的微分时间常数。 p i d 控制器各校正环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节 即成比例地反映系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用， 以减小偏差。比例系数越大，调整速度越快。即时成比例的反映控制系统的偏差信 号e ( t ) ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例系数增大， 可以加快系统相应速度，减少系统稳态误差，提高控制精度。但是过大会产生较大 超调，甚至导致不稳定，若取得过小，虽能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但 会降低了系统的调节精度，使得过渡时间延长。比例控制加大增益，使系统动作灵 敏，速度加快，但增益偏大，振荡次数增加，调节时间加长。过大的增益会引起振 荡，过小的增益会使调节过程变的太慢。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡 过程的要求，以及操作量的经验，我们通常在控制过程的初期让k p 较小，以减少 各物理量初始变化的冲击，控制过程中期加大k p ，提高快速性和动态响应性，在控 制末期，为了避免出现较大超调，提高稳态精度，可以减小k p 乜引。 ( 2 ) 积分环节 可以消除系统稳态误差。其作用的强弱取决于积分常数t i ，t i 越大，积分作用 越弱，反之越强，而且易带来系统的稳定性降低、振荡加剧等负面问题。主要用于 内蒙古科技大学硕士学位论文 消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数t i ，t i 越大， 积分作用越弱，反之则越强。积分环节存在滞后现象，使系统相应速度变慢，超调 量变大的弱点。增强积分作用可以减少系统静差，但过强的积分作用会使超调加 剧，甚至振荡。积分时间越小表明积分作用越强。积分作用太强时也会引起振荡， 积分时间的选择是与控制过程的时间常数密切相关的。一般而言，控制过程的时间 常数越短，选择的积分时间越小。我们通常在控制过程的初期让t i 较小，防止某些 因素引起的饱和非线性现象造成积分饱和而使超调量太大，控制过程中期采用适中 t i ，保证动态稳定性不受影响，在控制末期，应采用较大t i 来减少系统静差，提高 精度。 ( 3 ) 微分环节 反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值增大之前，在系统中引入一个有 效的早期纠正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。能反映偏差信号的 变化趋势( 变化速率) ，并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早 期修正信号，从而加快系统的动作速度。微分调节依据偏差变化速度来动作。它的 输出与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切变化，有超前调 节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。微分环节的缺点是抗干扰能力较差。t d 的值对相应过程影响非常大。增加微分作用，可以加快系统相应，减少超调，但是 同样会对扰动更加敏感，抗干扰能力变弱。t d 太大或太小都不好，太大容易使系统 过分提前制动，反而延长了调节时间，过小则制动滞后，超调量会增加，系统相应 速度慢。所以，在控制调节的过程中，t d 不应取定值，应随被控对象的时间常数变 化，达到最好的控制效果。 p i d 控制p i d 控制器具有结构简单易于实现等特点，至今在液压伺服控制系统 中仍有着广泛的应用。采用常规的p i d 控制方式，难于协调快速性和稳态特性之间 的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。 很多文献以证明传统常规p i d 控制对于时变，多变量的复杂系统具有动态响应 速度不快，稳态精度不高，鲁棒性不强等不足，在进行补偿控制时，易造成跟踪效 果差，稳态精度低的问题，常常难以得到满意的控制品质，有时跟踪误差很大，在 复杂系统中的控制效果不佳。 p i d 算法以其结构简单、工作相对稳定、鲁棒性等优点在工业控制中占重要地 位。但随着工业发展，被控对象越来越复杂，尤其对于大滞后、时变的、非线性的 复杂系统，其中有的参数未知或缓慢变化，有的带有延时或随机干扰，都无法获得 精确的数学模型啪1 。同时，对控制品质的要求日益提高，常规的p i d 控制难以满足 内蒙古科技人学硕士学位论文 要求。因此常规p i d 控制的应用受到很大限制。随着对系统性能要求为不断提高， 传统的p i d 控制往往不能满足要求。 以上可以知道连轧钢管机壁厚电液伺服系统控制方法是壁厚精度不高主要原 因。通过采取有效的壁厚电液伺服系统控制方法可以提高该厂钢管壁厚精度，提高 钢管产品质量。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 连轧钢管壁厚电液伺服控制系统影响因素及数学模型 连轧钢