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东北大学硕士学位论文摘要 板带热连轧活套高度及张力控制系统研究 摘要 本文以某6 0 0 n u n 中宽带热连轧厂的自动控制系统为研究背景，重点研究了精 轧机组的活套控制系统。本文主要研究内容和取得成果如下： 1 ) 分析了带钢热连轧过程和活套套量以及带钢张力产生机理，研究了活套高 度张力控制基本原理和控制系统的组成，以及活套套量和张力控制力矩的计算方 法，为研究活套高度张力控制奠定了基础。 2 j 给出了带钢热连轧活套系统的主要控制策略。主要有：活套高度闭环调节 附加速度的串调，轧机动态速降的预补偿策略，主机速度自适应设定，活套起套 “软接触”控制和落套尾部补偿技术。 3 ) 介绍了某厂6 0 0 m m 热连轧的生产流程、主要设备参数和测量仪表。根据 自动控制所要完成的功能，给出了其自动控制系统的解决方案。主要包括：p l c 系统c p u 的选择，丰要输入输出模板的配置，操作员站的硬件配置，p l c 系统与 远程i o 和人机界面的通信方案。 4 ) 基于西门子公司的s i m a t i c 工业软件家族中的s t e p7p l c 控制程序开发 平台，完成了精轧区p l c 系统控制程序的开发。 5 ) 活套高度张力控制系统是一个典型的双输入双输出多变量控制系统，为了 消除活套高度和张力之间的相互干扰作用，根据现代频域方法中的特征轨迹- 交互 控制器设计法，利用m a t l a b 中的m f d 工具箱，设计了活套高度张力多变量控 制系统解耦控制器。利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱对解耦前后系统进行了仿 真研究，结果表明：解耦后系统控制性能有显著提高。 关键词：板带热连轧；活套控制；控制系统；多变量解耦控制：仿真 r e s e a r c ho n l o o p e rh e i g h ta n d t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m f o ras t r i ph o tt a n d e mm i l l s a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls y s t e mo fa6 0 0 r a mh o tt a n d e mr o l l i n gm i l l ， t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e sl o o p e rc o n t r o ls y s t e mo ff m er o l l i n gs t a n d s t h em a i nw o r k a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r o c e s so fs t r i ph o tt a n d e mr o l l i n g ，a n dt h em e c h a n i c so f t h ef o r m i n go fl o o pb e t w e e nt w os t a n d sa n dt e n s i o no fs t r i p n ep r i n c i p l eo fl o o p e r h e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o la n dt h ec o n s t r u c t i o no fl o o p e rh e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o l s y s t e ma r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o n so fs t r i pl e n g t hb e t w e e n t w os t a n d sa n dt e n s i o nt o r q u e t h e r e f o r et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f l o o p e rh e i g h ta n d t e n s i o nc o n t r o lr e s e a r c hi sf o r m e d 2 ) t h em a i nc o n t r o ls t r a t e g i e sa r eg i v e n s u c h 礤s t r i n gr e g u l a t i o no fl o o p e r h e i g h t c l o s el o o pp i dr e g u l a t i o na d d i t i o n a ls p e e d , p r e c o m p e n s a t i o nt or o l l i n gm i l ld y n a m i c s p e e dd r o po fr o l l i n gm i l l ，m a s t e rs p e e ds e l f - a d a p t i v es e t , “s o f t - t o u c h ”c o n t r o ld u r i n g l o o p e rr i s i n g ，a n dt a l lc o m p e n s a t i o nt e c l m i q u ed u r i n gl o o p e rf a l l i n g 3 、t h ep r o d u c t i o nf l o wa n de q u i p m e n t sa r i di n s t r m n e n to fa6 0 0 m mh o tt a n d e mm i l l a r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt of u n c t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o l ，a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d s u c ha st h ec h o i c eo fc p uo fp l cs y s t e m ，c o n f i g u r a t i o no fi n p u ta n do t i t p u t m o d e l ，c o n f i g u r a t i o no fh m i ，a n dt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o nn e tf o rp l c ，r e m o t e i oa n d h 吼 4 ) b a s e do ns t e p7p l cc o n t r o lp r o g r a md e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fs i m a t i c i n d u s t r ys o f t w a r ef a m i l yo fs i e m e n s ，t h ep l cc o n t r o lp r o g r a mo ff i n i s h i n gm i l l si s d e v e l o p e d 5 1t h el o o p e r sh e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sat y p i c a ld o u b l e - i n p u ta n d d o u b l e o u t p u tm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oo v e r c o m et h ei n t e r a c t i o no ft h e l o o p e rh e i g h ta n dt e n s i o n ，am o d e md e c o u p l i n gm e t h o dc a l l e d c h a r i s t i cl o c u s c o m m u t a t i v ec o m p e n s a t o ri sa d o p t e d ，a n db ym e a r l so fm f dt o o l b o xo fm a t l a b l a n g u a g et h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d b ys i m u l i n kt o o l b o xo f 脚l a b l a n g u a g eb o t ht h es y s t e mb e f o r eb e i n gd e e o u p l e da n dt h es y s t e ma f t e rb e i n gd e c o u p l e d a r es i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w st h a tt h e l o o p e rc o n t r o ls y s t e mh a s b e t t e r p e r f o r m a n c ea f t e rb e i n gd e c o u p l e d i i l k e y w o r d s ：h o ts t r i pm i l l ；l o o p e rc o n t r o l ；s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ；c o n t r o ls y s t e m ； m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gc o n t r o l ；s i m u l a t i o n i v 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：旅爱嘈 日 期：知d 6 年2 i | 2 啪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 板带材由于其外形特点被广泛地应用于化工、容器、建筑、金属制品、汽车、 航空、造船等领域，可以说板带材是“万能钢材”。由于应用广泛，板带材生产在 钢铁产品生产中所占比例越来越大是钢铁工业发展的趋势。热轧是板带材生产最 重要的组成部分，热轧板带既是冷轧生产的原料，又能作为最终轧制产品直接使 用，广泛应用于建筑、桥梁、机械制造、车辆、石油、船舶、压力容器等领域。 板带热连轧由于其生产的高效性和高经济性在热轧板带生产中占有非常重要的地 位，从某种意义上说，热连轧设备工艺和产品质量的水平是一个国家工业化水平 的重要标志【1 】。 保证连轧过程稳定顺利进行的前提是单位时间内通过各机架的金属体积相 等，即“秒流量”相等原则，对于带钢热连轧过程来说，保持“秒流量”相等的 主要手段是靠精轧机各机架间活套的调节，从这个意义上说，活套是实现连轧的 关键。热连轧过程是一个复杂的多变量系统，厚度控制和板形控制与张力控制具 有很强的耦合作用。板带材热连轧过程中张力的波动将会影响到最终产品的尺寸 精度和板形质量，因此稳定的张力控制是提高产品尺寸精度和获得良好板形的基 础。 本文重点研究某厂6 0 0 m m 中宽带热连轧带钢活套高度张力控制系统。 1 1 热轧带钢的张力控制方式 由于热连轧时，张力会引起轧件宽度、厚度和尺寸形状等波动，理想状态下， 希望带钢上张力为零或在很小的范围内。但在连轧过程中，由于各个机架的压下 量和轧制速度设定值不合适，咬钢时的动态速降，轧件长度方向上厚度和宽度的 波动，轧件长度方向上的水冷黑印和头尾温度差，轧辊热膨胀、轧辊磨损、轴承 中油膜厚度的变化等原因，都会在轧件上产生张力作用。为了保证连轧顺利进行， 往往采用很小的张力轧制 2 j 。 保证连轧过程止常进行的基本条件是各机架在单位时间内的“秒流量”完全 相等，用流量方程表示为口，3 j ： h i y l = c ( 1 1 ) 式中：危任意架轧机轧件的出i a 厚度； 一任意架轧机轧件的出口速度； c 一连轧常数。 实际生产中，由于坯料、温度，轧机等方面的影响，常常会出现秒流量不等， 连轧关系被破坏的情况，因此需要采取一定的措旅使相邻机架秒流量重新相等。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 秒流量在瞬间的不相等，并不影响带钢的精确度，而张力的不恒定却会对带钢的 精确度产生严重的影响。因此，在带钢连轧机中常采用以下控制策略：在一个小 范围内允许秒流量不等，但张力却始终恒定，即秒流量不等时，张力保持不变。 热连轧生产时常有两类方法可实现秒流量相等和微张力恒定：微张力无活套轧制 和小张力活套连轧。 1 1 1 无活套微张力控制 在现代热连轧生产中，为了减少加热炉燃料消耗和提高产品的成材率，一般 采用加厚粗轧来料的方法，这就要求精轧机组完成较大的压下量；但较厚的带坯 要求精轧前几机架间的活套装置具有较强的带钢弯曲能力，这使活套结构和转动 惯量增大，减弱了活套装置的控制能力；而且活套控制方式与设备复杂、成本高 4 】。 所以，有必要研究无活套微张力控制。 用无活套方式代替活套提供张力并进行张力匹配时，带材在相邻机架间被拉 紧，通过电机转矩测出带材上的张力口 ，通过调整主电机的速度以保持张力恒定。 目前，无活套微张力轧制主要有f t c ( f r e et e n s i o nc o n t r 0 1 ) 、m + i c ( m i n i n u mt e n s i o n c o n t r 0 1 ) 及无活套最优多变量微张力控制 4 ，5 ，“。新日本制铁株式会社室兰和八幡厂 的带钢热连轧机组上己实际采用无活套方式，并证明该系统较常规活套装置具有 动态响应快、控制精度高、穿带与操作性能好等优点【6 】。但因主电机的转动惯量很 大，造成主电机速度控制u 向应慢，并且难以从主电机的转矩精确地测量带材张力， 控制精度还不太高 5 】。所以此种方法很难用于轧制窄带与薄带钢。目前此方法只用 于前几架轧机或厚板轧制【7 j 。 1 ) 自由张力轧制( f t c ) 自由张力轧制是1 9 7 1 年由日本提出的，1 9 7 1 年在日本钢管、福山制铁及日本 新日铁使用成功，它适用于带钢轧机上大断面轧件的张力控制。在此之前，美国 合众钢铁公司和杨斯顿公司在1 9 6 7 年，都曾用重型活套装置对大断面带钢坯进行 轧制，但设备笨重。我国武汉钢铁公司也成功地引进了日本f t c 技术控热带坯连 轧，其优点是设备控制简单。 f t c 连轧传动情况如图1 1 所示。轧件在r 1 、r 2 之间进行连轧，r 1 轧机 用直流电机驱动，r 2 轧机用同步电机驱动，因同步电机不变速，因此用改变r 1 轧 机速度的方法，维持r l 、r 2 之间的带钢张力恒定。 f t c 的基本思想是：f t c 检测张力，并通过对r 1 电机速度的修正来控制张 力。其中，张力是用r l 轧机在无张力和有张力条件的轧制力矩和轧制力来计算的 隅，9 1 ，在张力计算中存在较大的误差，这使系统的精确性受到影响，因此不适用于 精轧机的张力控制。但其优点为：系统设备简单，控制不太复杂，又易于掌握， 因而适用于大断面的轧制过程。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 r 1r 2 厂、厂、 弋 芗专毛 ) 一 之太圭 、 叟寸文今。 直流电机交流同步电机 图1 1 自由张力连轧传动系统示意图 f i g 1 1d r i v es y s t e mo f f r e e o mt e n s i o ni n h o ts t r i p 2 ) 最小张力轧制( m t c ) m t c 是在f t c 的基础上研制成的，m o r o o k a 等1 9 7 7 年研制成一种新的张力 控制系统。在该系统中，应用轧制塑性理论推导出张力检测模型，特点是应用了 压力和力矩( 电流) 信息，并用调节轧机轧辊转速的方法来控制被测张力。此方 法在连续式粗轧机上张力的检测和控制十分精确。t a n i f u j i 等人于1 9 7 8 年曾建议把 这种方法应用到热精轧机上 6 】，但由于检测精度不够而未能实现。后来改进了力臂 计算和力矩计算的方法，使张力检测精度进一步提高。 8 0 年代初在生产轧机上应用表明，张力可控制在1 n 抽m 2 以内。同时，德国 也丌展了无活套的最小张力控制实验和工业化应用。1 9 8 4 年，由西门子公司建立 的一套m t c 系统成功地装配在德国某一大型热带钢轧机上，其原理与t a n i f u j i 等 人研制的方法是一致的，都是在主电机速度控制基础上设置最小张力控制作为外 环控制，并由其计算修正的级联速度设定值来控制机架问的秒流量相等。通过轧 制力矩、主电机电枢电流、励磁电流、轧辊速度、带钢尺寸( 入口厚度和宽度) 、 工作辊直径和每个机架的空载辊缝来精确地计算张力。宝钢2 0 5 0 m m 热连轧机部 分采用了带张力观测器的微张力控制系统。但是，经过近二十年发展，m t c 控制 技术未能获得广泛推广应用，其主要原因是控制上未能解决机架间张力强耦合的 影响。 3 ) 无活套最优多变量控制 以上的无活套控制方法研究的都是如何控制张力，尤其是张力检测方法。实 际上，在无活套系统中，机架间张力的相互影响是很强的，如果只是在两机架问 考虑张力控制，将不会得到机架间张力、带材板形和平直度的良好控制。1 9 8 6 年， y h o n 等人研制出一种新的无活套张力控制方法一无活套多变量控制方法( 1 。把 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系统视为多变量系统，考虑到板形和平直度的控制，运用最优控制算法控制系统。 1 1 2 活套i _ t 0 控制 由于张力波动对热轧成品的厚度控制精度、板形的影响非常大，因此在热带 钢轧机后面儿个机架间一般设有活套支持器保证恒定的小张力轧制。活套支持器 其结构如图1 2 所示。其作用主要有【l l 】： 1 ) 缓冲机架间速度变化带来的金属流量变化，迅速吸收多余带钢，防止带钢 成叠进入轧机，造成事故。 2 ) 调节各机架的轧制速度以保持连轧常数恒定，通过套量监测带钢秒流量的 变化，通过活套高度调节装置，对轧机主传动进行调节，使得金属秒流量相等， 保证连轧顺利进行。 3 ) 实现恒定的小张力轧制。在轧制过程中，活套支持器升起绷紧带钢，并通 过活套张力调节装置来维持一个恒定的小张力，以防止张力过大引起带钢拉缩， 造成宽度不均甚至拉断，以及张力波动对厚度控制带来的不良影响。 ii 固因 图1 2 热连轧活套支持器结构示意图 f i g 1 _ 2 t h ed i a g r a mo f l o o p e rs t r u c t u r e f o r h o ts t r i p m i l l 可以看出，在热连轧带钢对活套的控制分为两个方面：活套高度控制和张力 控带一。 传统的活套控制方法为：高度控制通过调节活套上游机架主传动电机的速度 来实现，恒定小张力控制通过控制活套电机的转矩来保证，即对活套高度和张力 进行独立控制。实际轧制过程叶 ，活套高度和机架问带钢上张力是互相影响的， 当活套高度变化时，机架问张力势必要随之变化；反之亦然，当机架间张力发生 变化时，活套高度也一定会变化，即活套控制系统是一个典型两输入两输出的耦 合系统。排除两者之间的相互干涉，使活套稳定工作，提高产品的尺寸精度，就 成了活套控制研究的一个重要课题，自热连轧投入运行以来，这方面的研究就在 不断进行与发展。随着热连轧过程中降低轧制温度以及提高轧制速度口3 】等新技术 的应用，人们对活套控制提出了更高的要求。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 国内外大量研究和实验证明，影响热连轧厚度精度进一步提高的原因是活套 系统对厚度控制系统的干扰 1 ”，并且热轧带钢宽度对张力变化非常敏感。因此， 为了保证产品的厚度、宽度的尺寸精度，提高热轧带钢产品质量，研究热连轧相 邻机架问的活套控制系统具有重要的现实意义。 1 2 热连轧活套装置的类型 按传动方式分，热轧活套装置可分为：气动活套、液压活套和电动活套三类【l “。 1 ) 气动活套 气动活套的优点为摆轴惯量小，但气动系统比较复杂，动作不太灵活，起落 套不平衡，冲击大，改变张力或更换品种不方便，维修、检修工作量也较大。压 力调节范围小，调节精度差，同时在一个气动系统中要迅速得到两种压力很困难 ( 迅速起套要求高压，正常张力状态要求低压) 。气动活套在低频时扰动较低， 但在其共振频率时衰减严重，因此它的整体性能不好。 2 ) 电动活套 电动活套的优点为：低惯量、恒张力、快速响应。其结构简单、坚固耐用、 性能稳定、张力调节方便、运行可靠且易于维修，已是一种可靠的成熟技术。国 内新建和改建的宽带或窄带钢热连轧机组普遍采用电动活套，研究我国活套控制 系统的主要对象也是电动活套控制系统。 3 ) 液压活套 早期的液压活套除了具有类似气动活套的缺点以外，如果密封不好，容易漏 油，造成污染。但它有一个明显的优点：转动惯量小，这对于活套的快速响应是 至关重要的。第一代带钢热连轧机大都使用了大惯量的气动活套或液压活套机构， 使活套与主电机闭环调速动作迟钝，而处于手动控制、大张力调节状态，经常出 现轧件被拉窄，产生缩颈的现象。这种轧制一旦产生套量，有可能来不及及时排 除而使套量不断增加，造成飞钢事故。第二代热连轧机一般均配置了性能良好的 “低惯量恒张力快速电动活套”，以使连轧过程中的带钢始终处于小张力微套量 轧制状态，活套对带钢的追随性能也非常好。近几年，国外在液压活套控制方面 又有了新的突破：用压头取代以前的汽缸式压力传感器，提高了带钢的张力控制， 避免了头部的张力过大；低惯量的活套与高精度的压力测量相结合，并采用多变 量控制方法，提高张力精度的同时，也增大了带材轧制的厚度、宽度范围与屈服 性能。这种活套的控制效果在目前所有活套控制方式中是性能最好的，它的优点 为：低惯量、压力测量精确、摩擦小、控制可靠、易于维修、投资小等，已在实 际生产中得到使用【4 】。 般意义上的活套主要用来控制带钢张力和调节主电机速度以维持带钢流量 平衡，近年来国外又研制出了张力差测量活套( d t h ) 和板形仪活套( t m l ) 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 国内外大量研究和实验证明，影响热连轧厚度精度进一步提高的原因是活套 系统对厚度控制系统的干扰口“，并且热轧带钢宽度对张力变化非常敏感。因此， 为了保证产品的厚度、宽度的尺寸精度，提高热轧带钢产品质量，研究热连轧相 邻机架间的活套控制系统具有重要的现实意义。 1 2 热连轧活套装置的类型 按传动方式分，热轧活套装置可分为：气动活套、液压活套和电动活套三类【1 2 1 。 1 ) 气动活套 气动活套的优点为摆轴惯量小，但气动系统比较复杂，动作不太灵活，起落 套不平衡，冲击大，改变张力或更换品种不方便，维修、检修工作量也较大。压 力调节范罔小，调节精度差，同时在一个气动系统中要迅速得到两种压力很困难 ( 迅速起套要求高压，_ f 常张力状态要求低压) 。气动活套在低频时扰动较低， 但在其共振频率时衰减严重，因此它的整体性能不好。 2 ) 电动活套 电动活套的优点为：低惯量、恒张力、快速响应。其结构简单、坚固耐用、 性能稳定、张力调节方便、运行可靠且易于维修，已是一种可靠的成熟技术。国 内新建和改建的宽带或窄带钢热连轧机组普遍采用电动括套，研究我国活套控制 系统的主要对象也是电动活套控制系统。 3 ) 液压活套 早期的液压活套除了具有类似气动活套的缺点以外，如果密封不好，容易漏 油造成污染。但它有一个明显的优点：转动惯量小，这对于活套的快速响应是 至关重要的。第一代带钢热连轧机太部使用了大惯量的气动活套或液压活套机构， 使活套与主电机闭环调速动作迟钝，而处于手动控制、大张力调节状态，经常出 现轧件被拉窄，产生缩颈的现象。这种轧制一日产生套量，有可能米不及及时排 除而使套量不断增加，造成飞钢事故。第二代热连轧机一般均配置了性能良好的 “低惯量恒张力快速电动活套”以使连轧过程中的带钢始终处于小张力微套量 轧审0 状态，活套对带钢的追随性能电非常好。近几年，国外在液压活套控制方面 又有了新的突破：用压头取代以前的汽缸式压力传感器，提高了带钢的张力控制， 避免了头部的张力过大；低惯量的活套与高精度的压力测量相结合，并采用多变 量控制方法，提高张力精度的同时，也增人了带材轧制的厚度、宽度范围与屈服 性能。这种活套的控制效果在目前所有活套控制方式中是性能最好的，它的优点 为：低惯量、压力测量精确、摩擦小、控制可靠、易于维修、投资小等，已在实 际生产中得到使用1 4 j 。 一般意义上的活套主要用来控制带钢张力和调节主电机速度以维持带钢流量 半衡，近年来国外又研制出了张力差测量活套( d t h ) 和板形仪活套( t i v l l 。 半衡，近年来国外又研制出了张力差测量活套( d t h ) 和板形仪活套( t i v l l 。 一e 一 东北走学硕士学位论文第一章绪论 d 1 1 h 活套是在活套辊上安装了张力测量装置，根据测量带钢两侧张力差控制调平 轧机。t m l 活套除了具有常规活套的作用外，还可以控制带钢平直度。 1 3 活套高度一张力控制方法的发展 从传统的活套高度张力控制发展至今，已经历了几个阶段，各种方法都力求 提高活套对秒流量变化的快速响应，并且将张力控制在一个尽可能小的偏差范围 之内。 活套高度控制是以某一设定的活套高度为基准，用调节上游机架速度来维持 活套量恒定，即主传动速度控制系统与活套装置的套量信号相结合组成活套高度 闭环控制系统。当实际的活套高度与基准值有偏差时，用套量差值调节上游机架 主传动的速度，纠正秒流量偏差，以保持活套量恒定。 活套张力控制的目的是为了使带钢在不同的活套高度下，仍能保持在恒定的 微张力状态下进行轧制。目前，我国热轧带钢生产线多采用传统方法即开环控制， 根据检测到的活套高度值，调节活套电机力矩( 电流) 使张力保持恒定。电机力 矩m 为张力力矩与重力平衡力矩之和，是活套辊摆角0 和张力，的函数，即 m = ( o ，t ) 。在实际轧制过程中，由于工艺参数( 如辊缝、轧制速度等) 的波动， 活套辊不可避免地会在一定角度内摆动。若电机供给的力矩不变，则带钢在相邻 两机架间所受的张力r 将随活套臂的摆角波动而变化，即0 角增大，张力下降；0 角减小，张力上升。所以要保持张力恒定，活套装置电机的传动力矩必须随角度 的波动而按前面所述函数关系而变化。这表明活套控制系统的张力和高度是相互 影响的，即是一个耦合的多变量系统。 1 3 1 传统活套控制方法 传统的活套控制方法将活套角度0 和带钢张力z 作为被控量，将上游机架的速 度和活套电机的力矩作为控制量，通过调节上游机架主电机的速度来控制活套角 度，调节活套电机驱动力矩来控制带钢张力。 传统的活套控制图如图1 3 所示【1 4 ，”j 。活套电机电流基准值计算器( c r c c ) 计算出活套输出的电流基准值，此值与板带张力基准值相对应，与活套实际高度0 运算后被送到电机的电流控制器上，保证在角度变化时，相应的张力不变。活套 高度控制器由活套角度基准值与实际值之偏差计算出主电机速度设定的附加值， 此附加值被送到主电机速度控制器上，它能使活套角度回到基准值。这种方法虽 然理论上可行，实际在我国大部分钢铁厂也被广泛使用，但由于未考虑多变量输 入输出之间耦合因素的存在，而只是按照被控变量与操作变量单一结合构成两个 单回路控制系统，并不能很好地满足s l n 生产过程对控制系统的高精度要求。 6 东北丈学硕士学位论文第一章绪论 m a i nm o t o rd r i v es y s t e m t e n s i o r 。一p 画1 = 式 l o o p e r o r e f l o o p e l a = 几 s y s t e m a n g l e 半厂 _ 一l b u r i v l 2 , o l rr f 0 图1 3 热轧活套系统传统控制方框图 f i g 1 3t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ld i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e rc o n t r o l 若对此方法做一下改进，即张力与活套角度均用闭环控制，考虑角度及张力 输出波动对带钢速度及活套电机力矩的影响，且改变传统的用力矩控制张力，舸 用主电机速度作为张力的控制输入量，用力矩控制活套高度【1 3 1 。如图1 4 中去掉交 叉控制器所示。这种方法改进后仍未解决张力与高度的相互耦合，其结果仍不能 满足控制要求。 1 3 2 活套互不相关控制 二十世纪8 0 年代初，活套支持器的控制采用d d c ( 直接数字控制) 系统代替 模拟数字控制系统，d d c 系统由微型计算机组成，它根据轧制中各轧机、压下装 置及活套支持器的数据以及来自主过程计算机的数据精确计算各种控制参数，从 而获得高精度控制口o 】，为开发和应用控制性能高的活套控制方法提供硬件基础。 互不相关活套控制方法也称解耦多变量控制，它考虑了活套角度和张力之间 的相互干涉所造成的对控制的不良影响，采用前置补偿器使两者互不相关。 y o s h i k a z uk o t e r a 、f u m i ow a t a n a b e d 等人对此方法作了研究，他们结合轧制条件推 导出活套支持器的运动方程式，在仿真基础上将此控制方法用于实际的生产轧机， 实验表明其性能远比传统方法好得多。在正常轧制条件下，活套支持器的位置变 化减小到1 2 度，机架间张力变化到可以忽略不训1 0 】。设计前置补偿器的解耦方 法有多种，如：对角形解耦、状态解耦和对角优势解耦等【。 如图1 4 所示为互不相关控制框图，它采用交叉控制器( c r o s s c o n t r o l l e r ) 日( j ) 作为前置补偿器，使( ； = g c s ，日c 疹 ；习= ( 晶窖引g ：。， ( ；： ，活套角度与 张力被控制于互不相关状态而改进了系统的控制精度和响应时间。此方法对于需 要分离两个耦合变量的控制系统是很有效的。 互不相关控制与传统的控制方法相比，在响应时间和控制稳定性上获得了很 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 大的改进，但是依然有如下问题存在【1 3 】： ( 1 ) 虽然采用了互不相关控制，张力控制依然受主电机速度控制器响应的 影响，所以并没有达到预期性能。 ( 2 ) 由于受张力控制系统响应时间的限制，不能解决生产中的干扰问题，而 张力的波动会导致产品质量问题并影响系统运行的稳定性。 a ：t e n s i o n ；m ：t o r q u ef a c t o r ；s c ：s p e e dc o n t r o l l e r ；0 ：l o o p e ra n g l e ； l t c ：l o o p e rt e n s i o n c o n t r o l ；s ：l a p l a e i a n ； l h c ：l o o p e rh e i g h tc o n t r o l ；c r c c ：c u r r e n tr e f e r e n c ec a l c u l a t i o nc o n t r o l l e r ； r e f ：r e f e r e n c e ；m a i n a s r ：m a i nm o t o rd r i v es y s t e m ；c c ：c u r r e n tc o n t r o l l e r 图1 4 热轧活套系统互不相关控制方框图 f i g 1 4 t h e n o n - i n t e r f e r e n c ec o n t r o ld i a g r a m f o rh o ts t r i p l o o p e r 1 3 3 活套最优多变量控制 1 9 8 8 年，k e n y af u k u s h i m a ，y u i c h it s a j i 等人设计了活套最优多变量控制方法。 该方法基于最优调节理论，即在活套驱动系统中加入一个最优调节器，使活套控 制系统线性化。这种控制可由可编程控制器实现 1 4 ，”】。 如图1 5 所示，活套速度控制系统投入运行时，整体系统可视为三个子系统： a 张力产生系统；b 主电机速度控制系统；c 活套传动系统和活套装置。建立这三 个系统的状态方程模型，再结合这三个系统就可以得到完整的活套系统控制模型。 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 l o o p e rd r i v es y s t e ma n dl o o p e r m e c h a n i c s t e n s i o ng c n c r a t i o ns y 3 t c m 值1 a 2 ：i n t e r a c t i o np a m m e t e r ； 十kt h et o r q u ec o e f f i c i e n to f m a i na n dl o o p e rm o t o r e s p e c t i v e l y kj l ：t h ei n e r t i ao f m a i na n dl o o p e rm o t o r , r e s p e c t i v e l y ； e ：y o u n g sm o d u l u so f s t r i p ；l ：t h el e n g t ho f s t r i pb e t w e e ns t a n d s ； k lk t ：c o n s t a n t s 图1 5 活套最优控制系统框图 f i g 1 5t h eo p t i m a lc o n 廿o ls y s t e md i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e r 最优多变量控制框图如图1 6 所示，与图1 5 结合，则为完整的活套控制系统。 被控制量是张应力仃与活套角度0 ，通过调节上游机架主电机与活套电机的速度校 正值城，珂、a n i ，。来实现控制张应力和活套角度。 仿真结果表明：由于增加了最优调节器来消除被控量与其参考值之间的误差， 该控制方法达到较好的控制效果。采用互不相关控制时，张力波动为传统方法的 8 3 ，而这种方法为传统方法的4 5 ；角度波动与互不相关控制接近，为传统方法 的2 4 。 图1 6 最优多变量控制框图 f i g 1 6t h eo p t i m a lm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e md i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e r 一9 一 东北欠学硕士学位论文第一辛绪论 1 3 4 具有扰动补偿的活套互不相关控制 1 9 9 2 年，植山高次等又设计了一种具有扰动补偿器的互不相关控制方法【l7 l 。 在此先讨论互不相关控制与最优多变量控制的优缺点： 1 互不相关控制的优缺点 优点：因为把系统作为单输入单输出而设计的，控制性能的设计及调整容易。 因为系统被非干扰化，即使活套角度的目标值变化，机架问张力也不变化。 缺点：在张力、活套的变动被充分满足时，不能提高p i 的增益。因为张力的 变动由主电机的速度来改变，所以不能充分利用活套电机。 2 最优多变量控制的优缺点 优点：控制对象保持为多变量系统，所以，能把主电机和活套电机两方面充 分协调控制，控制性能高。 缺点：由于状态反馈矩阵的选择和控制性能是一一对应的，所以控制性能的 设计及现场调试就很困难。因为没有解耦，如果活套角度的目标值变化，则机架 间张力也会变化。 为了充分利用活套活套互不相关控制和最优多变量控制的的优点并去其缺 点，植山高次基于活套控制系统和张力控制系统的模型，用h o o 理论为互不相关控 制系统设计扰动补偿器，控制器框图如图1 7 。扰动补偿器不受活套角度和张力目 标值变化的影响，而是在外界扰动影响活套角度和张力变动时才动作，所以它具 有互不相关控制的优点；另外，因为外界扰动补偿器能抑制外界扰动，所以没有 必要过分地提高p i 控制器的增益，且由外界扰动补偿器设计而成的二输入二输出 的多变量系统能同时利用活套电机和主电机两者，更好地控制活套角度和带钢张 9 f o r 。活套速度修正量；v r r ：轧辊线速度修正量。 图i 7 h 理论控制方法框图 f i g 1 7 t h eh o o c o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e r - 1 0 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 力的变动，取得很好的控制效果。 仿真结果表明，此方法比前述各控制方法具有更好的性能。但这种方法还未 见应用于实际生产中。 1 3 5 其它活套控制方法 最近三菱公司提出了i l q 活套控制即反线形二次形( i n v e r s el i n e a rq u a d r a t i c ) 活套高度一张力控制。宝钢1 8 8 0 m m 热轧厂的活套控制采用此方法。 最近又有人提出活套智能控制，将解耦控制和模糊控制结合起来，现场应用 取得了很好的效果【1 8 】。还有人提出了基于神经元网络的简单自适应多变量解耦控 制( n n m s a c ) 【19 1 。 1 4 多变量系统的解耦控制 耦合是生产过程控制系统普遍存在的现象。因为生产过程都是一环扣一环地 协调进行工作，一个过程变量的变化必然会涉及到其它过程变量的变化，这种现 象称为耦合。一个多变量的控制系统中，如果对象存在耦合，会明显降低控制系 统的调节品质，在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行2 0 。1 】。分析目 前许多难于投入运行的系统，不少是耦合的原因造成的，尤其是在一些工业过程 十分复杂的、且操作变量很多的控制中，耦合的结果一般是使控制过程拖长、振 荡加剧，甚至影响到系统的稳定性 2 2 “ 。 对于单变量系统米说，其输入和输出是一一对应的，不存在所谓关联性的问 题。但对于多变量系统而言，根据它的输入输出关系： y 0 ) = g 0 ( j )( 1 2 ) 式中：g ( s ) 为m m 传递函数矩阵， 甜( s ) 为m 列的输入列向量， y ( j ) 为输出列向量； 除非g ( s ) 为对角阵，否则，当在第f 个输入端有旋加控制作用时，除了对应的 输出端引起响应卫( s ) 外，必然还会在其它输出端也产生相应的响应。一般把这种 现象称为多变量系统的“关联性”，关联胜是多变量系统特有的一种效应 2 ”。 多变量系统在耦合比较严重的情况卜，按照被控量与控制量单一结合，构成 多个单回路控制系统，常常满足不了生产过程对控制系统的要求。即使耦合不太 严重，由于对调节品质要求较高，耦合因素的存在也是提高系统品质的一个障碍， 因此从工程应用角度，对系统进行解耦，消除或消弱耦合系统的关联性，将复杂 的多变量系统化成比较简单并且在丁业应用方面已经发展非常成熟的单变量控制 系统进行控制是目前最好的途径。 解耦方法可分为传统解耦、智能解耦，自适应解耦等。 1 4 1 传统解耦方法 按照研究问题的角度，传统解耦方法可以分为两类2 8 】： 1 ) 通过把系统开环( 或闭环) 传递函数对角化来完全消除系统内的关联。此 方法又称全解耦。包括以下几种方法： a 对角综合法 图1 8 多变量反馈系统图 f i g u r e18m u l t i v a r i a b l ef e e d b a c ks y s t e md i a g r a m 系统的开环传递函数为： q ( s ) = g 0 ) k 0 ) q ( s 、取既能保证闭环稳定又能满足系统性能指标要求的对角阵 因为d e t g ( s ) 0 总成立 故有世( s ) = g 。1 ( s ) q ( s ) 这样就可以求出控制器传递函数矩阵x ( s ) 。 b 单位矩阵综合法 令( 1 4 ) 式中 瓣 于是得到k ( s ) = g - 1 ( j ) c 前馈补偿综合法 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 前馈补偿法是把系统关联信号看作干扰，对系统采取干扰补偿的办法来消除 关联影响。图1 9 为前馈解耦控制系统方框图。 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9 前馈解耦控制系统方框图 f i g u r e1 9f e e d f a r w a r dd e c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 系统加前馈解耦装置后开环传递函数矩阵为 若 则有： q 。，= ( g 蜀2 “1 ( 5 s ；兰i ： ( 岛二。，岛f d c s ， 一端 一篇 ( 1 7 ) q ( s ) = g l l 。+ 。与2 。g i 。( d 吒。善) + 占：( 。) ( 1 8 ) 从而达到完全消除耦合作