（材料加工工程专业论文）热连轧粗轧机微张力控制研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以中宽带热连轧机的微张力控制为研究背景，分析了常规控制方法的不 足。针对粗轧机组以及精轧机组前部机架的张力控制，采用无活套微张力控制， 通过电动机电枢电流通忆法测量张力，采用自由张力控制。给出了基于模糊智能 控制以及速度级联控制、速度自适应控制等一套综合性的优化策略。建立了一套 针对热连轧机无活套张力控制的完整解决方案，并即将把该控制篆略应用于实际 热连轧过程。本文的主要研究内容和取得的主要成果如下： ( 1 ) 针对热连轧机的张力控制系统，从张力和速度的关系出发，给出了机 架间张力控制的传递函数，从而为系统的模糊控制和仿真研究奠定了基础。 ( 2 ) 针对在张力偏差较大的情况下p i d 控制会产生调节时间长、超调量大、 甚至会产生振荡等问题，提出了模糊+ p i d 的复合控制器结构。对于大偏差的情 况，使用模糊控制器代替p i d 调节器，当高度偏差值小于某一阀值时，切换到 p i d 控制，充分利用了模糊控制器的快速调节和p i d 的高稳态精度。在模糊控制 器的设计过程中，采用m a m d a n i 取小运算定义蕴涵表达模糊关系，并进而得到 模糊推理算法，并完成了微张力模糊控制器的设计，对于模糊控制的核心控制规 则，给出了优于p i d 控制的一套规则。用m a t l a b 语言中的s i m u l i n k 仿真工具对 微张力模糊控制系统进行仿真研究，结果表明：与常规p i d 调节器比较，当张力 的设定值与给定值偏差较大时，使用模糊控制器可以使机架间张力的控制有更好 的动态性能。 ( 3 ) 为保持相邻轧机间的速度比关系，提出了速度级联控制和速度自适应 控制。速度级联控制保证了相邻机架间的速度的匹配。速度自适应模块有效降低 了在轧制同一批钢坯时的微张力调节负荷，使得轧制过程中初始速度的设定值越 来越匹配。 ( 4 ) 利用w i n c c 的g l o b a ls c r i p t ，给出了一种新的监控系统数据记录方法， 将不同时间段的过程变量记录到不同的日志文件。通过这种方法处理数据，不 仅使数据的导出周期比w i n c c 本身的归档数据加快了一倍，而且数据处理更 方便。 本文的研究结果针对板带热连轧机的张力控制，具有很强的实用性，开发出 的控制算法可以推广到相似的控制对象中。所开发的智能化张力控制策略将应用 于某热轧厂的热轧带钢生产线，对我国热轧板带的控制水平的提高具有积极的促 i i 东北大学硕士学位论文摘要 进作用。 关键词：热连轧，无活套微张力控制，模糊控制，速度级联控制，自适应控制 i i i 东北大学硕士学位论文 a j s t r a c t a bs t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h et e n s i o nc o n t r o lo ft h eh o tt a n d e ms t r i pm i l l t h e s h o r t a g e o ft h en o r m a lc o n t r o lm o d ei s p o i n t e d o u t a sf o rt h e n o n l o o p e r m i c r o t e n s i o n c o n t r o l ( m t c ) o fb o t ht h er o u g hm i l la n dt h e f r o n tr a c k so ft h e f i n i s h i n gm i l lg r o u p ，as y n t h e t i cs e to fo p t i m i z ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf u z z y c o n t r o l ( f c ) ，e m p l o y i n gn o n l o o p e rm i c r o t e n s i o nc o n t r o la n dm e a s u r i n gt e n s i o nb y c u r r e n to fe l e c t r o m o t o r , i s g i v e n ac o m p l e t es o l u t i o nt ot h en o n - l o o p e rt e n s i o n c o n t r o lo ft h eh o tt a n d e ms t r i pm i l l ，b a s e do nf u z z yc o n t r o l 、a s s o c i a t e ds p e e dc o n t r o l a n d s p e e ds e l f - a d a p t a t i o nc o n t r o li sb u i l d a n dt h i sc o n t r o ls t r a t e g yi st ob ea p p l i e dt o t h e p r a c t i c a lp r o c e s s o fh o tt a n d e mr o l l i n g ，a n dt h e nac o n t r o l p r e c i s i o nw h i c hi s o b v i o u s l ys u p e r i o rt ot h en o r m a lc o n t r o lp r e c i s i o ni sg o t t h em a i nw o r k sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ： ( 1 ) a sf o rt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h eh o tt a n d e mr o l l i n g ，s t a r t i n gf r o mt h e b a s i cr e l a t i o nb e t w e e nt h es p e e da n dt e n s i o n ，t h et r a n s f e rf u n c t i o ni s g i v e n ，t h e r e f o r e t h eb a s i sf o rf u z z yc o n t r o la n ds i m u l a t i o no f t h ew h o l es y s t e mi sf o r m e d ( 2 ) u n d e rt h ec i r c u m s t a n c et h a t t h ed e v i a t i o no ft h et e n s i o ni s g r e a t ，m a n y p r o b l e m sb a s e do np i d c o n t r o lw i l lo c c u rs u c ha st h ei n c r e a s ei nr e g u l a t i n gt i m ea n d o v e r s h o o t ，a n d e v e nt h e o s c i l l a t i o n c o n c e r n i n g t h e s e p r o b l e m s ，ac o m p o u n d c o n t r o l l e rw i t hf u z z ya n dp i di si n t r o d u c e d t h ef u z z yc o n t r o l l e ri su s e di n s t e a do f p i dr e g u l a t o ri ft h ed e v i a t i o ni sg r e a t a n dw h e nt h et e n s i o nd e v i a t i o nb e c o m e sl e s s t h a nac r i t i c a lv a l u e ，i ts w i t c h e st op i nr e g u l a t o r t h u si tm a k e sf u l lu s eo ft h ef a s t n e s s o ff u z z yc o n t r o l l e ra n dt h eh i g hs t e a d ys t a t ea c c u r a c yo fp i nr e g u l a t o r d u r i n gt h e d e s i g n i n go f t h ef u z z yc o n t r o l l e r , t h em a m d a n im i n i m i z ec a l c u l a t i o ni su s e dt od e f i n e t h ef u z z yr e l a t i o na n dt h e na c h i e v i n gt h ef u z z yr e a s o n i n ga l g o r i t h m t h u st h ed e s i g n o ft h ef u z z yc o n t r o l l e ro ft h et e n s i o ni sa c c o m p l i s h e d a sf o rt h ec o r es t e pi nf u z z y c o n t r o l ，a s e to fr u l e sf o rf u z z yc o n t r o l l e ri s g i v e na n di t w o r k sb e t t e rt h a np i d c o n t r o l l e r t h es i m u l i n kt o o lo fm a u a bi su s e dt os t u d yt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo f t h em t cb a s e do nf u z z yc o n t r 0 1 t h er e s u l t ss h o w st h a tc o m p a r e dw i t ht h en o r m a l p i dr e g u l a t o r , w h e nt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h es e t t i n gv a l u ea n dg i v e nv a l u eo ft h e t e n s i o ni sg r e a t ，t h ec o n t r o lo ft h et e n s i o nw i t ht h ef u z z yc o n t r o l l e rc a nh e l pt og e t i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ( 3 ) t oh o l dt h es p e e dr a t i ob e t w e e nn e i g h b o rm i l l ，a s s o c i a t e ds p e e dc o n t r o la n d s p e e ds e l f - a d a p t a t i o nc o n t r o li sr i s e n t h ef o r m e rm e t h o dm a k e ss p e e dr a t i ob e t w e e n n e i g h b o rm i l l sm o r er e a s o n a b l e a n dt h e l a t e rm e t h o dr e d u c e st h el o a do fm t c r e g u l a t o rd u r i n gr o l l i n go f t h es a m eb l o c ka n di tm a k e sm o r er a t i o n a ls p e e dr a t i o ( 4 ) a n e wm e t h o df o rd a t ar e c o r di si n t r o d u c e d b yw i n c eg l o b a ls c r i p ta n di t c a nr e c o r dd a t ao f d i f f e r e n tt i m et ol o gf i l e t h i ss h o r t e n st h ee x p o r tc i r c l eo f a r c h i v e d a t at o5 0 o f t h a ta n dm a k e st h ee x p o r to f a r c h i v ed a t am o r ec o n v e n i e n c e t h er e s u l to ft h et e n s i o nc o n t r o lf o rh o tt a n d e ms t r i pm i l li sm u c h p r a c t i c a l ，a n d t h ec o n t r o lm e t h o dc a nb eg e n e r a l i z e dt oa n a l o g i c a lc o n t r o lo b j e c t t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l s t r a t e g y w i l lb e i m p l i e d i n7 5 0 m mh o tt a n d e mm i l l i tw i l l p u s h t h e d e v e l o p m e n t o f c o n t r o ls t a n d a r di nh o tt a n d e m s t r i pr o l l i n g 。 k e y w o r d s ：h o tt a n d e ms t r i pr o l l i n g ，n o n l o o p e rm i c r o - t e n s i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r 0 1 a s s o c i a t e ds p e e dc o n t r o l ，s e l f - a d a p t a t i o nc o n t r o l w 。 东北大学硕士学位论文声明 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他学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 作的任何贡献均己在论文中作了明确说明并表示了感谢。 本人签名：往鲂 e t期：7 0 0 牛2 2 弓 末耽走学磺士学位论文 i 缝论 绪论 l 。1 课题的研究背景 杰热连筑生产过程中，张力裁控裁囊搂影嘲爨产品戆矮量，戮此张力控制是 带钢热述轧控制系统中最重要的环节之一【”。为了获得商质量的成品，热连轧机 必须在无张力毂状态下：i 筵行轧割。由于谯生产过程中，其它的因素妇压下量、轧 制压力、轧制力矩、轧制速度和前滑等的影响，做到无张力轧制几乎是不可能的。 强力在轧制过援中有可以防止繁钢跑偏等作用，因此，述轧过瑕中多采髑微张力 控制。 张力的控制方法有懑套控制鄹无活囊控制。在粗轧迸采用无涵套控制，在精 轧区通常采用活套控制，最新的研究成聚表明，在精乾的前几个祝架也可以采需 无活套的张力控制方法【2 】口 本论文就某热连轧厂7 5 0 m m 热连辕视缀的褪乾区盼两个税梁以及鞲辘梳缀 的前四个机架的无活套微张力控制进行研究。机架布置如图1 1 所示。艨用先进 的控制方法一p i d 与模襁控毹猖绪台的方法。并对与徽张力控制裙关的枫架速寝 进行级联控制。为了更好地控制速度，还设计了速度自学习功能。 在本论文中，详缁分祈并研究了张力豹控每4 的各个环节，莽黠蔷令环节绘出 了具体的方案，确立了机架间的无活套张力控制的传递函数。对于模糊掇制环节， 给出了避行模糊控寿l 静各个环节嚣需豹输入、输窭莹翡量豫方法及箕袭嚣凄函 数。同时也给出了模糊推理机制和解模糊的方法。更重骚的是，确立了模糊控制 懿核心控锱环节辩模辍缆裁甄剃。在第5 章，遴过褒线翡缤囊，确立tp i d 秘 f u z z y 控制的各个参数。 趔t 。l7 5 0 m m 熟连轧机无活套微张力控制机架布嚣图 f i g 1 l t h e 7 5 0 r a mh o ts t r i pm i l le m p l o i e dn o n l o o p e rm t c 东北大学硕士学位论文i 绪论 1 。2 热连轧过程中的张力控制 2 。1 热轧生产对张力的甏求 机架间张力和轧制过程的很多工艺参数是相互影响、相互作用的，由于带钢 数凡河尺寸宽撵比( b 嫩) 远大于荟类型镧，热轧时对张应力的变化极为敏感， 因此，用连轧枫生产时，鲡没霄高质量的张力控制捂藏，轧件极曩被过渡张拉雨 产生塑性变形，导致厚度、尤其是沿纵长方向的宽度波幼和超差。 因此，在带钢生产中，张力是虽活跃、最关键、最麒决定性的因豢，张力控 铡楚繁钢煞连轧控鞠系统中簸重要懿繇繁，蹩傈涯生产痰褰藕褒豹繁锈产鑫兹棂 本，c l n 线上能否高水平的完成带钢的轧制过程，生产出高质量的带钢，在很大 程度上取决于对张力的控制j 。 理饯带钢逡轧瓤把轧钢生产接进到了凝的除段，实凝了丹速连城的耘工艺。 葵中一个关键酌潞题就是在离速连茕的条件下，实臻了瞧定酌徽张力辊翻，可以 浇，连轧机的水平能否不断提高，就在于能否实现高精度的张力轧制【4 】。 研究热轧带钢的张力控制系统对带钢生产本身具有重要的现实意义，可提高 我滏煞茕豢键黛产缓豹控嗣拳平，使戆滚粒生产箍力褥翻充分懿笈簿。 1 。2 2 微张力轧制的提出 为了获得麓质量的成品，热连轧机必须在无张力的状态下进行轧制。无张力 莪锈叁赘控裁楚蠛霞位套静逡续式熬茕鼓零中重要懿羧零漾嚣之一。冷巍嚣我嬲 是积极利用张力来进行轧制，但是热轧与冷轧不同，热轧时张力却会日i 起轧件的 宽度、厚度和尺寸形状等产嫩波动。而作用于轧件上的压力又会成为产生异常活 套觏打辑戒为壤镪豹主要原黧。为了不产生乳废事故，并获得离精发躯产品，因 而提出了将张力自动造控制为零或在一定的最，j 、张力馕范围蠹遗行辘翻的思想， 这就是无张力融动控制的撼本出发点p j 。 众所周知，保证连轧过稷正常进行的条件是各机架程单位时间内的“秒流量” 亮垒稳等。蓉“移流量”不等，侵会弓l 怒撬絮之阉豹霉k 俸有强力馋鬻藏失强，麸 而导致产生拉钢或堆钢。从琏想的稳定轧制来说，应使各机架的“秒流量”完全 糊等，以实现溅张力轧制悖j 。 在实际麴轧铡过程中慕蠲了无张力捩铡【朝，无张力擦锻实疆土楚微张力鑫动 控制。因此微张力鲁动控制嫩从事冶金与枫械的工程技术a 员所要磷究的现代带 钢热连轧机自动控制技术中殿其重要的技术课题之一。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 。2 ，3 戈潘套徽张力控镬夔搀爨 为了吸收初始主速度设定中存在的流量不相镣引起的套赞，仅仅靠修正速度 模型提离设定精度是不够的：同时也不能像精轧机组中利用活套支持器来i 驶收部 分套量。毽为在粗茕鄢镶辜b 裙始狳羧板坯霞量大，不爨采零瀵囊支持嚣控剡瓯 因此，我们在热涟轧中采用了无活套微张力闭环控制系统，该系统除僳证要 求的连轧关系外，同时幕保证连轧时的张力恒定即：确保轧制过程金属秒流鬓相 等，同时绦证轧制在小张力、恒张力状态下进行。 之巍以在劳锈热涟乾瓿耱乾藏缀上暴露无涵套徽强力鑫动控餐寒繇代翥援 机械式的活套装置，这是因为在带钢热连轧机的粗轧区，轧件断面尺寸较大，如 果采用结构笨重庞大的重型活套装鼹承担这一繁蒽的任务，这就使得活套机车妇的 摆辘凌羹( 活套褪穆援葵到摆懿辘上豹转动蠼羹) 变餐穰大，控裁不灵懑，疑壤 追随性熊很差，不能正确检测带销鹪长度，失去滔套装置在涟轧过程中的作用， 因此用这种方式在粗轧机组上实现憾定的微张力活套轧制是很困难的。1 9 6 9 年 以来，墩嚣各国都取漕了重型活套装置的控制方式，并积极采嬲无活套的微张力 控嗣的逶轧方式。蠢予这静无活套微张力控蠢l 方式宠全是蔹嚣电控手段实魏豹， 既简单又有效，得到广泛的应用【9 】。 1 。2 4 双机连轧无灞套微张力控制 双枫涟乾无活套徽张力鲁动投麓麓基本愚憨蹙：当在连筑过程孛壶子浆释原 因月，机架与r 。机架间张力变化而引起电动机力矩的变化时，调节第忍机架( 逆 调) 主传动的速度，使两机架间带钢所受的张力维持在给定的微张力状态下 墨1 2 糖l 撬组鼹桩连筑传动示意鹜 f i g 1 2t h ed i a g r a mo f t w or o u g ht a n d e mm i l lf o rh o ts t r i p 东北大学硕士学位论文 进行轧制 i “。逆调方式粗轧机组双机连轧的r 。机架过去都是采用直流电机 传动，r 一1 机架由转速不变的交流同步电机传动。双机连轧的张力控制如图1 2 所示。 目前，由于交流调速技术的发展，八十年代新建的带钢热连轧机的只，机架 上也开始采用交流传动。 1 2 5 无活套微张力控制的应用 在粗轧机组的最两个机架上采用连续轧制的方法是现代带钢连轧机的基本 特点之一，这种方法是在两个机架直接进行无活套微张力的轧制。因为这种布 置形式具有显著缩短轧制作业线、减少轧件温降、缩短轧制周期、减少厂房面 积、增加轧机的生产能力、节省投资等优点，因此自六十年代以来新建的一些 带钢热连轧机粗轧机组上采用双机连轧的情况。 表1 1 为几个国家在现代带钢热连轧机的上采用双机连轧的情况。 表1 1各国带钢热连轧上采用双机连轧的情况 t a b 1 1t h e e m p l o y m e n t o f t w ot a n d e mm i l lf o rh o ts t r i pi nt h ew o r l d 双机连轧的机架 国家厂名轧机型式机架间距离m 序号 中国武汉钢铁公司17 0 0 m m 3 4 连轧r r 轧9 8 0 格兰尼特城钢铁公司2 0 3 2 m m 全连轧 r f - 飓 9 1 4 4 美台众钢铁公司2 1 3 4 m m 全连轧 r r r 5 1 0 2 6 2 扬斯顿板管公司2 1 3 4 m m 全连轧焉一如 1 0 6 6 8 国 共和钢铁公司2 1 3 4 r a m 全连轧 r r r 61 0 ，6 6 8 往友金属鹿岛厂1 7 8 0 m m 全连轧 r j 一凰 1 1 9 2 5 大分厂2 2 5 0 m m 3 4 连轧 足 一目 1 1 0 0 日君津厂2 2 9 0 m m 全连轧 r 6 - r 7 1 0 0 0 川崎制铁水岛厂2 2 9 0 m m 全连轧 r r r 5 1 26 2 5 本 福山厂1 7 8 0 m m 全连轧 r r r 5 1 0 0 0 神户制铁加右川厂2 1 8 0 m m 全连轧 r 4 - r s i 【0 6 过去在带钢热连机上的微张力连续轧制大都是通过活套装置来实现的。但从 六十年代末期以来，在带钢热连轧机粗轧机组的双机连轧上，广泛采用一种无活 4 东北大学硕士学位论文1 堵论 套激张力蠹动控嗣系绞墩代了鬻麓襁辕式活套装漫：，十年代朔凝叉酪翻成功了 一种用在精轧机组上的新型的无活餐微张力自动控制系统。 虽然在现代带钢热连轧机的精轧机组上配置了新型的低惯量电动活套装霹， 其挟速姓熊积辊碱性黢比较好，对生产援禧薄的赛带产品，戆满是生产工艺要袋， 生产出璇蓬较高的产潞。近年来，为了减少加热炉燃料消耗和撼高产品的成树率， 希望加厚糨轧来料并要求精轧机组究成较大的压下量。然而较厚的板坯，则漂求 精轧机静几机架具有较大的带钢弯曲力。活套装鬣的结构和摆动惯量增大，减弱 了活套装鬟兹整蔫l 能力；弱i 亨近年聚在赘镪熬连享t 辊精茕辊组上广泛栗爱了浚速 液压压下系统，常规的活套控制系统的响应速度躐不上其快速憔的要求，而且活 套控制方式设备复杂，成本高而控制精度不是很搿( 因为活套装置是微张力模拟 控制系筑) 。为了竞缀这些缺点，j 荩几年寒在浚金学蒙爨豹绦求帮努力下入 y a m a s h i t ah 】等于1 9 7 8 年曾经建议把热连轧枫糕轧机组上酌微张力自动控制系 统用在糟轧机组上，并通过其仿真实验证明其响_ 融速度和稳定性都比活套控制系 统好。幽予这种系统张力检测精度莘鞋控制精度不太商，在精轧机组上不能实际应 霜。故在褥乾辊缓骚穰连筑上捷溪豹锾强力鑫动撩镁系统静蒸疆土，又开发了一 种用在精轧机组上的新型的并已投入使用的无活套微张力自动控制系统。宝钢由 西德引进的2 0 5 0 m m 带钢热连轧机精轧机组的前4 个机架( fx f 4 ) ，就是用无 张力塞动接刽系统取钱了誊援筑毫眨城式装置系统，毽因基翦逐缺乏在工选上应霆 的成熟的实际经验，谯f l f 4 枫浆闻仍另加活爨装置，l 三王 乍餐用。在耨日本制 铁株式会社室兰和八幡厂带钢热连轧精轧机组上已实际使用这套装置，并诳明给 系统较常媲活套装置其骞动态响应快、控制精度离、穿带与操作稳定性能好筹优 点。嗣融该系统还可有效氇廷在鍪! 镄毒0 糗窥带镧熬连鞔瓿戆稳筑辘组上。 用无活套方式代替活套提供张力并进行张力暇配时，带材襁相邻机架间被拉 紧，带材上的张力可通过电机转矩测出，然后通过调整主电机的速度以保持恒定 张力。瓣藏，无诿套微张力羲裁主鬻有垂盎张力控靠、 最小强力控裁、无活套 最优多交爨微张力控制。但因主电机的转动惯量撮太，造成主魄机速度控制豹响 应很慢，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。 所以此种方法很难用于糟轧枫组，隧裁此方法大多只用于前几絮轧机或厚扳载制 l l 2 。 东北大学硕士学位论文 1 3 张力的检测 由前所述，带钢热连轧机工艺要求轧件必须在恒定的微张力状态下进行轧 制。因此在连续轧制过程中，必须对相邻两机架闻轧件所受张( 推) 力进行控制， 而要控制张力就必须检测张力。张力检测的方法有直接和间接两种。直接测张的 方法即为张力计测张法，不仅精度不太高，而且还有许多不便之处，因此一般都 采用间接测张法。目前间接测张的方法主要有如下几种 1 3 】： 1 3 1 电动机电枢电流记忆法 在第f 机架咬钢后且进入稳态，而第件1 机架尚未咬钢时，测量并记忆第， 机架电动机电枢电流厶，在第1 + 1 机架轧机咬钢后继续测量第f 机架电动机的电 流a ，并与咬钢强前的记忆值进行比较，用其差值调节第f 机架主传动的转速+ 使第i 机架电动机在f + 1 机架咬钢前后保持同一电流值。 这种用电流变化来检测张力的方法简单、经济。 下面根据电动机电流的计算公式来进一步说明电动机电流与张力的关系。 i 。= i t 十l r + i ， l 、- 、) 厶一电动机电枢电流； 厶负载电流； 厅张方电流； ，- 力口速电流。 负载电流厶流： 1 s r = 二m r ( 1 - 2 ) u ， m r = 2 p a ( 1 - 3 ) 式中m r 一轧制力矩 口轧制力臂 口一轧制压力 将式i 3 代入1 2 得： 1 i r = 2 二印 w 式中叭- 电动机力矩常数； m m = c 。妃= 儿 = c 。庐 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 东北大学硕士学位论文l 绪论 式中 西一电动机的励磁磁通； c 二电机常数。 张力电流厅： 将式1 - 8 代入式1 7 则得： 式中f r 一张力； 且一轧辊半径。 i t = 二m ? 沙 m ，= 弓r ( 1 7 ) ( 1 8 ) i ? ：艮r y ( 1 9 ) 稳态轧制时厶= o 轧机在突加负荷( 如咬钢) 时，会产生动态速降，同时主传动速度调节系统 在收到动态速降的扰动信号以后，立即加快主电流上升的速度，产生恢复动态速 降的动态电流，使动态速降迅速恢复，其动态速降恢复所需要的时间叫做恢复时 间t d ( 现代热连轧机一般为0 1 5 0 5 s ) 。最好是在动态速恢复之后，微张力自 动控制系统才开始投入工作。 1 3 2 直接测量线速度法 各机架间轧件线速度的大小可用测速辊来直接测量，也可以用激光测速议来 直接测量。由于对测速辊的维护比较烦琐，而且检测精度较低，因此这种方法不 常采用。 这种直接测量线速度的变化来反映张力大小的方法是：在第f + 1 机架咬钢前 报第i 机架的出口线速度记忆下来，在第h - 1 机架咬钢之后，第i 机架出口线速 度保持不变。当速度出现偏差时，用其差值调节第i 机架的速度。 1 3 3 轧制力臂记忆法 轧制力臂记忆法是一种通过检测轧制压力p 和电动机力矩a 靠的变化来反映 张力值大小的方法。 口：监( 1 1 0 ) 2 尸 式中 d 一轧制力臂 p 轧制压力 螈一一轧制力矩 东北大学硕士学位论文1 绪论 这种间接测张的基本原理是：在第，+ 1 机架咬钢前测量第i 机架的轧制压力 p 和轧制力矩a 靠，算出轧制力臂值口并由电控单元的记忆环节记忆下来。在第 件1 机架咬钢之后( 即第f 、第f + i 两机架连轧时) 的第i 机架的轧制力臂值与 第f + 1 机架咬钢之前的轧制力臂值相等。当因某种原因两机架之间张力的变化 而引起电动机力矩的变化时，调节第i 机架主传动的速度，使得两机架间的张力 维持在给定的微张力水平。 这种间接测张的优点是：被控量p 和m r 的检测与控制比较容易；对轧制问 一块钢而言，力臂值a 基本上不受轧件温度和厚度的影响。 a = 屯f ( 1 - i i ) 式中，- 一变形区长度 a 力臂系数 力臂系数且。一般在o - 3 o ，5 以内。由于双机连轧的两机架之间的距离相距 很近，轧件在第i 机架中进行单机z f i , n 与在双机中进行连续轧制时的轧制条件( 如 轧制半径、交形温度、轧件厚度、压下率等等) 基本相同，变化甚微。故 。及 与之成正比的力臂值口为一恒定值。 因此，力臂记忆法控制精度比较高。 i 4 无活套微张力控制的方法 1 4 1 自由张力控制 自由张力控制是1 9 7 1 年由日本提出的，1 9 7 1 年在日本钢管、福山制铁所及 日本新日铁公司使用成功的，它适用于对带钢轧机上大断面轧件的张力控制。在 此之前，美国合众钢铁公司在1 9 6 7 年，美国杨斯顿公司在1 9 6 7 年，曾用重型活 套装置对大断面带钢坯进行连轧，但设备十分笨重。我国武汉钢铁公司引进h 本 自由张力控制技术控制热带坯连轧获得成功，它具有设备及控制简单的优点【l ”。 轧件在r 卜飓之间进行连轧，尺，轧机用直流电机驱动，恐轧机用同步电机 驱动，因同步电机不变速，因此用改变r ，轧机速度的方法，维持r ，、心之间的 带钢张力恒定。 自有张力控制的基本思想是：自有张力控制检测张力，并通过对月，电机速 度的修正来控制张力。其中，张力的检测是用r j 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。 - 8 东北大学硕士学位论文 i 绪论 自有张力控制的优点为：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。但因张力计算中存在较大的误差，使系统的精确性受 到影响，不适用于精轧机的张力控制。 1 4 2 最小张力控制 最小张力轧制是在自有张力控制的基础上研制成的，b a s s ，g o r d o nv 等于 1 9 8 7 年研制成一种新的张力控制方法【”】。用轧制塑性理论推导出张力检测模型， 其特点是利用了压力和力矩( 电流) 信息，并通过调节轧机轧辊转速来控制张力。 此方法在连续式粗轧机上张力的检测和控制十分精确。后来改进了力臂计算和力 矩计算的方法，使张力检测精度得到进一步提高。最小张力轧制控制系统简图如 图1 3 所示。 图1 3 最小张力轧制控制系统简图 f i g 1 3t h ed i a g r a mf o rm i n i m u mt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 8 0 年代初在生产轧机上应用表明，张力可控制在1 m p 以内。同时，德国也 开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 的一套最小张力轧制系统成功地装配在德国某一大型热带钢轧机上，其原理是在 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间的秒流量相等。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 辊缝来精确的计算张力。系统是由全数字多处理器系统m m c 实现的。最小张力 轧制是物料跟踪模块的下级，是主电机速度控制模块的上级。最小张力轧制的控 制简图如图所示。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 东北大学硕士学位论文 1 绪论 系统。但最小张力轧制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。 1 4 3 最优多变量控制 以上的无活套控制方法均研究的是如何控制张力，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作用是很强的，如果只是在两机 架间考虑张力控制，将不会得到机架间张力、带材的板形和平直度的良好的控制。 1 9 7 8 年，y h o r i 1 5 1 等人研制出一种新的无活套张力控制方法无活套多变量控制 方法。把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。这种方法考虑到其它因素对张力控制系统的影响，可获得更好的张力 控制效果l l “。 1 5 模糊控制的提出 1 9 6 5 年美国伯克利加州大学l a z a d e h 教授发表了著名论文f u z z ys e t ) ) 、 ( ( f u z z ya l g o f i t h m n 等著作，对模糊性问题给出了其定量描述，这标志着模糊 数学的诞生。 1 9 7 2 年2 月，日本以东京工业大学为中，心，发起成立“模糊集合及其应用” 的国际学术交流。1 9 7 8 年国际上开始发行( f u z z y s e t sa n d s y s t e m s ) ) 专业杂志。 1 9 8 4 年在夏威夷首次召开了国际会议，商讨成立国际学会事宜。同年年底，“国 际模糊系统学会”( i f s a 一一i n t e m a f i o n a lf u z z ys y s t e m a s s o c i a t i o n ) 成立。首届 i f s a 国际学术会议于1 9 8 5 年在西班牙召开，有2 0 0 多名学者参加了盛会；1 9 9 2 年，i e e ef u z z ys y s t e m s 国际合计开始举办，每年一次，f u z z yi e e e 9 3 有1 2 0 0 位代表。1 9 9 3 年( ( i e e et r a n s o nf u z z ys y s t e m s ) ) 也开始出版。除此之外，在模 糊理论与算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与系统集成，以及稳定性理 论研究等方面，对于模糊控制理论于模糊系统的研究与发展有重大促进作用的论 文也有很多。 在短短的3 0 多年里，模糊数学得到了极大的发展，在理论和实际应用中都 取得了令人瞩目的成就。模糊数学在自动化技术中的应用是其活跃而又不断取得 成果的一个分支领域，利用它解决了不少传统的控制方法无法很好解决的问题。 自1 9 7 4 年e l m a m d a n i 首先利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研 究，并在实验室取得成功之后，模糊控制的研究和应用获得了迅速的发展。 至今，世界上研究模糊理论的学者已经超过万人，发表的重要论文达5 0 0 0 多篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用、模糊系统及其硬件集成。与 1 0 东北大学硕士学位论文1 绪论 知识工程和控制方面有关的研究有模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知 涎痒、模襁谗言麓翻、搂襁逛钕稚褒等。近届年来，褥爨是针对复杂静系统静鸯 学习与参数( 或规则) 自熬定模糊系统方面的研究，颇受各国学者的重视。目前， 已经将神经网络和模糊计算互相结合，形成一种模糊神经网络( f u z z y n e u r a l n e t w o r k ) 毅术，由此可以缝壤雯接近予入脑豹餐巍信息处理系统。其发震 l 暴 十分诱人。 模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需拦有准确的控制对象模型。 豳此，它是种智能控制的方法。模糊陡是种不确定性，通常悬指对概念的宠 义叛及语言慧义上熬不确定往。因筵，壤辩洼主要是人为懿主鼹骥解上兹不确震 性。模糊性鼹人民在社会交往和生产实践中经常使用的，它提供了定性与定量、 主观与客观、模糊与清晰之间的一个人为的折衷。 6 本论文酶主要磷究志容 ( l ) 简要介绍了中宽带热连轧机微张力控制的研究背景，并针对粗轧机绻 以及精轧孝凡缀翦部枧架的秃活套徽张力撩铡，给出了无活套微张力控铡的理论依 箍。介绍了遮转过程中强力的产生蘸瑾、张力静控帚方法、无活黧徽张力静稔溅 方法及其控制方法。并从张力与速度的关系出发，引入了张力控制的传递函数， 为模糊控制和仿真研究奠定了基础。 ( 2 )黠搂寮逻辑箍麓蔹了详缨穷缮，龟菇攘獭控裁兹产生、发震良及应 用现状。同时对于模糊逻辑控制的各个环节给予了详尽的叙述。强模糊控制器的 设计过程中，对于输八输出的量程转换、模糊子集的潦属度函数的确定及其常用 方法，模糊规翼 j 痒豹建立及箕佳能兹要求等，在本论文都给予了充分戆落明叙述e ( 3 )介绍了某7 5 0 m m 热连轧计算机系统的缀成，包括备个区的p l c 以 及工控机的配置，整条轧线的网络配鬣。并且介绍了熬条轧线的编程软件和监控 界面。 ( 4 )骥礴绘出了张力控铺酶方絮，逶遘各个税粱参数懿确立，确立了各 个机架间进行微张力控制的传递函数。细化了模糊控制的各个环节，包括输入、 输出的确定以及量程转换，输入输出的横糊划分以及寐属度函数的确定，并最终 突或了逶嚣穰灏控毒l 瑟癸褥菸摸鞭蔑裂黪兹设诗。冀孛模凝接理飒穰为马丹是极 小运算法，解模糊采用重心法。 ( 5 )针对在张力偏缝较大的情况下p i d 控制会产生的诸多问题，提出了 模糊与p i d 爱合控制器终梅。对于丈臻麓的谤蕴，缆蠲模翻控制嚣 弋替p i d 调 东北大学硕士学位论文1 绪论 节器，当高度偏差值小于某一阈值时，切换到p i d 控制，充分利用了模糊控制器 的快速调节和p i d 的高稳态精度。用m a t l a b 语言中的s i m u l i n k 仿真工具对微张 力模糊控制系统进行仿真研究，仿真结果表明：与常规p i d 调节器比较，当张力 的设定值与给定值偏差较大时，使用模糊控制器可以使机架间张力的控制有更好 的动态性能。 ( 6 ) 速度级连控制使得相临机架间的速度比保持一定。当f 机架和升1 机架 间进行微张力控制调节i 机架的速度时，为了保证i 机架和- 1 、i 一2 等机架i n 的 速度关系，在调节，机架和速度的同时也调节i 机架上游各机架的速度。这就保 证了连轧各机架的速度关系。速度自适应控制使得各个机架的主速度的设定越来 越合理。速度自学习使得微张力的调节负荷降低，提高了张力调节的效果。 ( 7 ) 利用w i n c c 的g l o b a ls c r i p t ，提出了一种新的数据记录方法，将不同 时间段的过程变量记录到不同的目志文件。索引文件使得这种方法具有良好的扩 展性，只需在索引文件中添加或删除变量，而不必改动g l o b a ls c r i p t 。通过这种 方法处理数据，不仅使数据的导出周期比w i n c c 本身的归档数据加快了一倍， 而且使得数据处理更方便。 通过m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具对张力智能控制方法进行充分的离线仿 真，证明其具有很强的实用性。所开发的智能化张力控制策略，将应用于7 5 0 m m 热轧中宽带生产线。 1 2 东北大学硕士学位论文 2 模糊逻辑控制 2 模糊逻辑控制 2 1 模糊控制的概述 2 1 1 模糊控制的特点 所谓模糊控制，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，用计算机实现的一种智能 控制。其基本思想是利用计算机来实现人的控制经验。 人的控制经验一般是由语言表达的，由语言表达的控制规则带有相当的模糊 性，控制规则的形式采用模糊条件语句的形式，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及它们之间的关系，然后根据这种模糊关系及其某 时刻过程变量的检测值( 化成模糊量) 用模糊逻辑推理的方法得出此时刻的控制 量。这是模糊控制的基本思路。 由于从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊理论集合，统筹考虑控制的一种 控制方式，它具有如下主要特点： 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人 员或者有关专家的经验、知识或者数据； 2 ) 系统的鲁棒性强，尤其适用于具有非线性、时变、滞后环节的系统控制； 3 ) 由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则： 4 ) 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定的系 统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个系统的协调，可取得总体的 协调控制。 采用经典控制理论和现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要先建立 被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。但实际中的许多被 控对象由于其过程复杂，机理有不明之处，或缺乏必要的检测手段、检测装置而 不能进入被测试区等原因，致使无法建立被控过程的数学模