（材料加工工程专业论文）金属圆棒材连轧过程动态特性分析.pdf

中文摘要 中文摘要 随着现代化工业技术和生产工序自动化的迅速发展，对棒材特别是有色金属棒 材的品种规格、尺寸精度及性能都提出了更高的要求。在棒材连轧咬入过程产生的 过大的动态速降不仅有堆钢的危险，而且也给各机架间轧件微张力调节带来困难。 因此，对咬入过程动态速降进行研究，具有十分重要理论研究意义和实际工程应用 价值。 为了提高棒材产品的质量，主要从提高连轧机组轧制参数的预设定精度着手， 在本文中，通过对驱动系统的工作原理、控制方法、系统常用建模方法等各方面的 深入了解，设计双闭环控制系统并建立单机架驱动模型、前滑和张力分配模型。在 模型的实现方面，利用软件m a t l a b 中的s i m u l i n k 动态结构图实现了系统仿真，为研 究动态速降对棒材尺寸精度的影响提供了一种很好的分析方法。 本文通过将实测值与仿真结果比较，证明了所建模型能够很好的反映实际工况， 通过改变预设定参数值，得到参数对工作过程的影响规律，通过分析改进的模型， 可以较有效的改善动态速降的负面影响。本文的研究结论在生产现场得到了验证， 提高了棒材产品的质量。 关键词：棒材连轧；双闭环；动态速降；仿真 a b s l r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dp r 。d u c t i o n w o r k i n gp r o c e d u r ea u t o m a t i o n ，i tm a k e sh i g h e rd e m a n d so nb a ro ft h e q u a l i t y s p e c i f i c a t i o n ，d i m e n s i o n a lp r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c e i n t h e b a rr o l l i n g p r o c e s s ，t h el a r g e rd y n a m i cs p e e dd r o o pi sn o to n l y d a n g e r o u s b u ta l s o d i f f i c u l tt ot h em i c r o - t e n s i o na d j u s t m e n t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n t h ea n a l y s i s o ft h ed y n a m i cs p e e d d r o o pi sq u i t ei m p o r t a n tm e a n i n gt oi m p r o v et h e q u a l i t yo fr o l l i n gb a rp r o d u c t i no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fr o l l i n gb a rp r o d u c t ，t h et h e s i sm a i n l v r e s e a r c ho nt h ep r e 。s e x i n ga c c u r a c yo f t h er o l l i n gp a r a m e t e r i nt h i st h e s i s i t h a sc o m p r e h e n s i v e l yb e e na n a l y z i n gt h ew o r k i n g t h e o r y ，c o m r 0 1m e t h o d m o d e l i n gm e t h o d o l o g i e st oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ed r i v e s y s t e m d e s i g nt h ed o u b l e c l o s e d l o o ps y s t e ma n de s t a b l i s ht h es i n g l e 仔a m e d r i v em o d e l ，a d v a n c i n gs l i pm o d e la n dt h et e n s i o nm o d e l i na s p e c to f m o d e l 代a l i z a t i o n ，s y s t e ms i m u l a t i o nh a sb e e nr e a l i z e dt h r o u g h u s i n gd y n 锄i c s t m c t u r e so fs i m u l i n ko fm a t l a bs o f t w a r e ，i tp r o v i d e sa g o o dw a yt oa n a l y s i s t h em p a c tb e t w e e nt h er o dd e m e n s i o n a l a c c u r a c ya n dt h ed y n a m i cs p e e d d r o o p i nt h i s p a p e r ，c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l ta n dm e a s u r e dv a l u e i t p r o v et h a tt h em o d e lc a nr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o n s t r o u g hc h a n g i n gt h e p a r a m e t e r ，i tg e t st h ei n f l u e n c el a wt ow o r kp r o c e s s t h er e s e a r c hr e s u i ti n t h i st h e s i sh a sb e e nc o n f i r m e di n t h ew o r kf i e l da n dt h e p r o d u c t i o ni s i m p r o v e d k e y w o r d s ：r o dt a n d e mr o l l i n g ；d o u b l e c l o s e d - l o o p ；d y n a m i cs p e e dd r o o p ： s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：盔窒 日期：三竺垒! 旦曼! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关- 部f - 送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：蓥叁 日期： 竺! 丝! 堡曼! 导师签名：日期： 第一章概述 第一章概述 1 1 棒材生产的国内外现状及发展 1 9 8 4 年我国棒材连轧比不足5 ，但在1 9 8 5 年北京召开的全国中小型轧机技术改 造会议、1 9 9 3 年无锡召开的全国小型型钢工作会议上，强调了以连轧为方向，推进小 型型钢轧机实现连续化的重要性和紧迫性。1 9 9 4 年在江阴召开的全国小型型钢工作 会议上明确了其具体步骤和基本作法。从这之后，我国小型连轧机的数量从1 9 8 8 年 的1 4 套升至目前的1 0 0 套以上：高速线材轧机的数量也已达到8 0 套，使我国棒材和 线材的生产能力居世界首位。 到2 0 0 4 年，我国棒材生产拥有3 个世界第一，即轧机套数、年生产能力及占钢材 总量的比值( 连轧机套数已超过1 0 0 套，年生产能力约6 0 0 0 万吨，连轧机的轧制能力 可达到生产总量的7 0 。目前我国小型和棒材轧机的总体装备和生产技术己达国际先 进水平，并具有以下特点： ( 1 ) 新建轧机大多为1 8 架，分粗、中、精轧机组，每组6 架，平立交替布置，实现 无扭连轧。采用步进式加热炉，全数字式直流传动系统。坯料一般为( 1 5 0 m m x1 5 0 m m ) 连铸方坯，- t 长( 1 0 - - - - 1 2 ) m 。产品规格为( 0 1 0 0 4 0 ) m m ，0 2 0 r a m 以下产品部分采用切 分轧制。 ( 2 ) 产品以带肋钢筋为主。不生产带肋钢筋的小型连轧机只有杭州钢铁公司、石 家庄钢铁公司和邢台钢铁公司等几家。 ( 3 ) 对提高产量有益的无头轧制、切分$ l 锘j j 技术等，我国使用和推广的力度高于 工业发达国家。棒材的3 切分和4 切分轧制技术，国内企业的研究和推广使用热情很 高，也有很成熟的技术，但仍有国外公司在我国专门推广该技术。 ( 4 ) 对提高产品质量、满足用户需求有益而影响产量的技术，在我国的使用和推 广力度低于世界先进水平国家。这些技术包括： 1 棒材自由规格减定径技术。其可为用户提供任意规格的产品，适应多品种、小 批量市场需求； 2 棒材高精度t f l $ i j 技术： 3 合金钢和低合金钢棒材在线控制冷却技术； 4 多钢种、小批量棒材的市场开发。 5 专用小型材的市场开发。 工业先进国家的型钢轧制品种多达万余种，而我国的热轧型材品种只有上千种。 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 差距最大的是专用小型材。这些型材多用于汽车、纺织、电机、农业等等，我国在这 方面的工作与2 0 年前相比进步不大。 1 2 论文提出的依据 我国是钢铁大国，钢铁厂车间现在都全面实现了计算机自动控制，代表了现代 的先进控制技术。然而国内轧制控制研究方面远远落后于国外发达国家，多数单位 引进了国外先进轧制理论和轧制控制技术，但远没有消化理解，仅仅停留在维持使 用阶段。这一方面是因为国内多数厂家技术力量有限，另一方面是缺乏功能全面的 轧制仿真工具。轧制动态仿真过程牵涉电力电子、机械、运动力学、金属塑性成型 理论、轧制工艺理论、控制理论等多种领域，每个环节模型要切实准确，才能使整 体仿真贴近实际。 本课题所研究的棒材连轧线为某单位现有的钛合金棒材连轧生产线，为了解决 在连轧生产中咬钢过程中出现的故障问题，拟用仿真软件建立此生产线中轧与精轧 连轧过程机电控制的动态模型，分析咬入过程中速度和电流的实时变化过程，解决 实际中动态速降过大的问题，设计并优化速度环和电流环参数数值，模拟连轧中张 力的变化曲线，实现微张力的轧制，为实际生产过程提供指导依据。 1 2 1 仿真技术与轧制仿真研究的内容 仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。 仿真模型一旦建立，可以重复使用，而且应当改变灵活，便于更新。因而随着计算 机技术的发展，仿真软件平台也在变化提高，目前仿真软件分为仿真程序、仿真语 言、仿真窗体( 环境) 三个不同的层次。编程方式又分为基本语句、专用仿真语言、 结构框图和事件驱动四种。图形化操作易于层次分明，便捷使用和后续扩充，大大 减少编程调试的繁琐。编程平台也分为通用平台( 如a n s y s 、m a r c 、m a t l a 8 、l a b v i e w 、 m a t r i x 等) ，专用平台( 如统计平台、自动控制平台等) 。利用专用平台编程可以借 助平台本身的特有功能，减少编程工作量。 计算机数值模拟仿真方法可以划分为微观组织模拟和宏观过程控制仿真两大方 面。过程仿真技术是以数学模型、控制模型、信息技术以及相关领域的专业技术知 识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对实际系统进行动 态试验研究的- f 综合性技术。它以缩短研制周期、降低研究成本以及提前预测结 果而著称，甚至直接提高产品质量和系统可靠性。 仿真的前提在于能准确描述过程之间的联系，及时逼真地描述活动部件在过程 对象发展变化中的状态。为能达到这一要求，仿真系统中的每个活动部件都希望用 2 第一章概述 高精度的模型全面反映对象过程的本质。此外，仿真软件还应能改变并扩充控制算 法，以适应人们对控制方式的新理论、新发现与新组合。 轧制过程计算机仿真，是对轧机、电机等设备建立动态模型，以轧制原理公式 为基础，依照检测控制回路要求，对轧件尺寸变化、张力变化、轧制速度等实现仿 真运行，得到一系列中间数据和最后结果。 从控制角度看，自然界事物变化实质并不相同，但过程对时间的变化描述 高阶微分方程却有惊人的相似，因而适合控制用的仿真平台就可以直接用来对不同 过程实现仿真。 轧制过程是一个有机整体，每个参数都对轧制结果产生影响，仿真过程中可变 动坯料尺寸、加热温度、辊缝开度、轧辊转速、辊面喷水等工艺参数，并在计算机 屏幕上看到仿真轧制结果，成为名副其实的屏幕轧钢。尤其各种控制算法的比较与 改进，利用仿真程序在屏幕上试验轧制，一目了然得到结果，从而提高设计质量， 缩短设计周期。但是轧制变形即便是平辊轧制，由于摩擦边界条件的省略，就是简 单的前滑，也计算出不同结果。加上轧辊挠曲变形与弹性压扁的存在，很难建立准 确的相关模型。为了能提高轧制力预报精度，必须输入实际结果来确立修正系数， 通过自适应自学习改进模型精度。不仅如此，压下规程的设定、实际张力的自平 衡过程、速度自动控制、前馈反馈不同方式的组合，往往相互干扰，编制功能全面 的、贴合实际的、预报准确的、实用性强的连轧过程仿真程序成为一项复杂的系统 工程。整个仿真软件要从初期粗略结构框架向精细准确不断进步。 1 2 2 国外轧制仿真研究的历史与现状 国内外学者在轧制仿真方面进行过大量研究。1 9 5 5 年英国h e s s e n b e r g 和 j e n k i n s 发表了速度变化和压下变化对于连轧机固有速度和张力影响的长篇论文， 开始了用数学模拟研究连轧的历史。论文中详细分析了电机转速改变对轧件出口厚 度的影响机理，论述了张力自调整过程。在此基础上分别建立两架轧机出口厚 度变化率与速度变化率的增量线性关系式，并联立求解。该论文对其中几公漪堍舔 数介绍了估计方法，然后引入p - h 图求出影响轧制力的另外几个系数，探讨v 与h 对张力和产品尺寸的影响。依此类推，列出三架甚至五架的联立方程。论文中显而 易见，架数越多，方程越加庞大复杂难解。 美国的r a p h i l l i p s 1 2 1 也较旱地开始了对连轧过程进行动态研究。他分析了从 某一稳定状态到下一个稳定状态的过渡过程，即着眼于轧辊和材料接触弧的中性点， 求解了入口侧板厚、出口侧板厚以及前张力、后张力发生变化将影响中性点轧件厚 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 度变化的一次方程。在连轧机的所有机架中，对后段第4 、第5 机架的自动厚度控制 系统建立了新的自动板厚控制方程。分析问题是以轧制条件改变时前滑率不变为前 提。当时计算机水平很低，计算单元数受到限制，因此作了各种省略。即便这样， 连轧机的变量数目多，要对所有变量的变化范围用模拟计算机全部模拟还是非常 困难的。 f 。s o r i n 在1 9 8 6 年维也纳工f a c 工m a c s 仿真系统座谈会上发表冷轧双机架仿真的 报告f 1 3 ，对轧制工艺系统作了比较全面的考虑，但没有研究轧机本身，也没有加入 活套支撑器。 1 9 9 0 年法国s o l l a c c i r e p 研究所的工程师p 贝洛【1 4 】介绍了四架串列冷连轧全 计算机模拟情况，其中除活套以外，对连轧的张力、电机、液压缸和机座都进行较 详细的描述，提高了连轧仿真水平。 澳大利亚的i r m c d o n a l d f ”1 在1 9 9 3 年发表冷板连轧仿真程序，对轧辊位置、 轧辊热凸度、电机转速、机架间张力、活套支撑器高度、板带形状都有动态闭环p i d 控制。由于程序中s l 带 j 力、力矩、前滑、辊缝、出口厚度的数学模型全部采用线性 经验回归式，虽然计算速度得到提高，但这使得适用范围大大减少，而且需要现场 大量数据才能确定模型中的系数，故而不能随意使用。张力计算使用常用的考虑伸 长的张力微积分方程，其中瞬时速度是用前滑计算得到的。最后输出有板带横截面 挠度和全长厚度。 日本学者镰田正诚【2 0 1 在其1 9 9 5 年发表的专著中，总结了日本同行在轧制仿真中 所做的大量工作。书中首先介绍热精轧与冷连轧的轧制规程设定原则，以及对厚度、 凸度、形状的影响，指出它是影响轧制效率的关键因素。同时运用冷轧影响系数法， 对非线性模型求出偏导数，在小范围内对冷轧出口厚度进行仿真。在冷轧动特性研 究中，还考虑电机特性的影响，求解出各个阶段的稳定状态。接着又对各个稳定状 态之间的过渡阶段进行动态研究。最后介绍穿带与甩尾等非稳定状态的板厚控制以 及在线变规格的方法。日本是利用仿真技术研究轧制过程最成功的国家，许多技术 改进都是在仿真机上首先实现。通过仿真深刻认识轧制过程内在规律，取得了显著 的经济效益【1 9 j 。 国外有几家具有大型连轧计算机安装调试能力的大公司，开发出冷热轧现场实 用的多级计算机的设定软件，在自学习的基础上用于指导生产。同时配备半仿真软 件用于开车前的“试车”检验1 2 1 1 。 b r u n ee f 于1 9 9 5 年在m p t 上发表棒线质量强化的仿真论文，探讨控制轧制 4 第一章概述 与控制冷却模型对产品质量的影响。建立温度仿真软件c r c t ，预报金属微观组织和 机械性能。文中对斯太尔莫风冷线进行图形示意仿真。 1 9 9 6 年j e p s o n0n 发表冷连轧的模型仿真论文，文中画出连轧机实物图和控制示 意图。然后使用类似现代p l c 所用的梯形图来编程。其中电机、连接轴、传动轴、 牌坊、带钢等全部看作弹性体模型，对研究振动很合适。文中对轧制模型讨论不多， 屏幕也还不够直观。但已初步具有图形化仿真思想【1 7 】。 1 9 9 7 年f r a n kf e l d m a n n 在 m p t 上发表扁平件 l n 仿真论文，专门讨论数学 模型在仿真与控制方式的作用。针对电机与轧辊质量系统建立弹性模型，得出各部 件的工作频率，为研究共振提供参考数据，另外还讨论了五机架轧机部件振荡对张 力与带厚的影响。并研究了轧辊弯辊与热凸度。该文全部用框图表示工作原理，模 型中有液压h a g c 。此文没有讨论轧机、活套特性以及具体连轧张力，但证明了快速 设备响应调整能适应波动较大的压下规程 z s l 。 1 2 3 国内轧制仿真研究的历史与现状 国内最早研究连轧仿真的是中国科学院数学研究所张永光和钢铁研究总院张进 之等人。他们在自动化学报上发表论文讨论模拟冷连轧的方法。在论文中，由 张力微分方程及张力与前滑线性关系为基础，导出张力状态模型。同时把张力系统 与厚度系统分离，使得厚度的计算变为单变量的非线性隐式方程，再用差分方程作 递推计算，求出张应力，最后由割线法( 弹跳方程) 解出各架瞬时的出口厚度。计 算中考虑张力对电机力矩和前滑的影响，从而得出转速的变化以及轧件出口速度3 7 1 。 1 9 8 9 年上海交通大学的张浩等人在冶金自动化发表宝钢2 0 3 0 冷连轧机单机 架速度控制系统的仿真研究论文，该论文利用仿真结果分析了该系统存在的问题， 对实际p i 参数调试提供了指导。文中介绍冷轧机的直流电机有两种供电模式，一种 是p 调节器加扰动及状态观测器控制方案，另一种是普通双环p i 控制方案。他们利 用速度系统结构图和特征方程，求出有利于系统稳定的五个开环极点，而现有系统 并不在稳定极点上。结果分析中，他们提出启动与运行采用不同阻尼调节的方案， 使电机能够平稳启动和快速调节。因为是控制问题，所以他们直接采用面向结构图 的通用控制仿真程序包c s s f ，把冷轧传动系统的传递函数送入程序，得到最后仿真 结果。 2 0 0 1 年东北大学崔建江在系统仿真学报上讨论了仿真技术在冷连轧系统的 应用与发展，指出 l n 仿真正从单项、局部、静态向动态整体发展。特别指出可视 化技术在轧制仿真中的应用前景。不但应加入人工神经网络，还有专家系统、模式 气 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 识别、自适应修正，甚至有虚拟轧机( 实景轧机) d s 。同年崔教授还发表关于优化 计算机的建模与仿真的论文。文中提到软件模块化问题，对模块的层次性、独立性、 重组性、替换再生提出要求。这一时期东北大学关于仿真算法上还发表多篇论文， 对仿真数据库及离散时间等技术问题进行探讨。 东北大学谭树彬在计算机仿真杂志上探讨冷轧穿带工艺仿真，主要是针对 端头没有张力，厚度偏高时制定优化的压下过程，保证各道咬入时压下均匀，减少 压下过大，造成跑偏的事故出现。仿真结果对现场生产进行指导，修改个别道次压 下量，大大减少出现头部跑偏的几率，受到现场欢迎1 3 9 1 。 2 0 0 4 年燕山大学张伟、王益群、高英杰等人在机床与液压上发表冷轧动特 性仿真研究论文。文中讨论液压缸模型和直流电机模型，对厚度干扰进行了仿真【柏1 。 以上不难看出，对轧制仿真研究历史悠久，但多数集中在冷轧方面。这一方面 由于冷轧摩擦系数较低，温度和硬化计算可靠，轧制力计算较为准确；另一方面限 于计算和编程条件。这些研究大都是用基本运算语句完成所有计算、画图和数据分 析的编程，直到近期才有人应用s i m u l i n k 图形化编程。编程模块只是子程序段，还 没有实现整体图形化，不宜在屏幕上直接连线和组合，改动不很方便。软件本身缺 乏通用性和局部独立性，不利于以后深化提高。 总之，经过前人多年的研究开发，轧制局部仿真都有层次不同的报道，实现轧 制全面系统仿真的条件已经具备。一方面有关轧制设备的动态模型陆续得到建立。 另一方面控制平台软件也有多种，e a s y 5 、m a t r i x x 、m a t l a b s i m u l i n k 等，它们具有 图形化编程建立复杂模型、代码文件自动生成、文档自动生成等众多功能，为实现 图形化轧制系统仿真带来可能。 1 3 车l $ 1 j 仿真研究的技术路线 l - 3 1 研究内容 计算机在硬件和软件方面发展很快，具有特殊功能的软件平台也不断涌现。自 控系统的仿真软件尤为发达，它是专门依靠微分方程转换的传递函数的矩阵来解算 问题。而自然界电子电路的微分方程与机械动力学的微分方程有着惊人的相似。适 合电类控制的软件也适合复杂机械类控制。因而轧制这一包括机械、电力拖动、电 力电子、运动力学的复杂过程可以用已有的电气控制动态编程平台来仿真。 本课题经过对比，采用开放的模块化编程的仿真平台s i m u l i n k ，意欲发挥其在 建立控制结构图和自动控制计算分析方面的优势，全面考虑轧机设备各系统对轧制 速度影响动态特性，建立通用性的模型模拟连轧过程中重要参数变化的曲线图，从 6 第一章概述 而解决过去轧制模型脱离设备、操作扩展灵活性差的问题，为现场调试设备和改进 传动系统作理论的分析。 具体研究步骤及内容如下： ( 1 ) 搜集资料，确定研究方案 查新论证，运用现代信息手段，查阅有关资料，了解和学习前人研究工作与成 果。确定本论文采用的方案。 ( 2 ) 工艺过程分析与金属变形负荷计算 对采用三辊机组轧制圆棒材的生产工艺进行分析，根据成品尺寸和原料尺寸， 选择合理道次和延伸率，确定孔型尺寸；根据金属所提供的线材出口速度，设计合 理的速度制度。对单机架轧制力和轧制力矩进行计算。 ( 3 ) 机电驱动系统的特性分析 调速范围大、精度高、静态速降小、动态品质好、调速快等是轧制控制系统对 主传动的要求。轧制过程中当坯料刚咬入轧机时，最大的负载就产生了，当负载从 零突变到满负载时，电机的速度能否在最短的时间内平稳过渡至0 系统允许的范围内。 这是衡量速度控制系统动态过程好坏的一个重要标志。较高的动静态参数能比较顺 利的调整出合格的产品。根据直流电机的特性，分析直流调速器的双闭环反馈系统 特性与全数字控制系统特性，以此设计电流速度反馈的双闭环系统。 ( 4 ) 对三辊y 型连轧机咬钢时的动态速降进行计算 过大的动态速降不仅有堆钢的危险而且给微张力控制带来困难，所以根据分析 咬入前后的机电平衡状态，尽可能减小速度波动对产品质量的影响，对双闭环的稳 定性进行分析，设置合理的补偿制度对原控制系统进行改进。 ( 5 ) 建立连轧机传动系统的模型图，并对其进行分析。修正速度环的数值，通过实 验验证模型的正确性。 1 3 2 技术路线 本文的技术路线是采用计算机模拟和理论分析相结合的方式，根据现场已有的 设备提取出需要的参数，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对金属棒材连轧过程进行数值 模拟，研究轧制过程中咬入的动态速降和张力变化规律，并以实现微张力轧制等工 艺优化结果为目的，确定控制系统的控制参数值。 1 3 3 研究难点 对连轧咬入过程的模拟过程至少具备四方面的知识：数学力学基础知识、专业知 识、分析软件、计算机知识。本文将涉及孔型设计、轧制力前后滑的计算、自动控 7 金属圆棒材连轧过稃动态特性分析 制的双闭环设计、s i m u l i n k 模型的建立等诸多内容。在进行模拟分析研究之前，熟 练掌握和运用分析软件需要一个过程。在模拟分析时，模型建立过程中相关参数的 确立需要不断尝试、计算、比较，反复验证。用到的很多塑性变形方程都是经验公 式，又由于系统过程复杂，这给运算的误差增大带来麻烦。由于棒料连续轧制各机 架之间没有活套反馈，这大大增加了控制的难度。 1 4 论文研究和试验的意义及预期达到的技术经济指标 在棒材轧制线上使用全数字直流调速驱动装置，实现对直流电机的速度控制， 并通过p l c 网络通讯实现监控、报警、传送命令等功能，在棒材轧制线得到了广泛 的应用。在调节直流电机性能及参数，实现稳定的闭环控制，有利地提高轧线自动 化控制水平，经过适时维护，可使故障率得以控制，生产稳定，使适时控制更加精 确，对于轧制提速和提高产量，降低轧废，提高成材率，有着非常大的经济价值。 当今小型棒材轧机的发展方向以连续高速自动化为特征，与炼钢连铸紧密衔接，形 成短流程生产工艺，具有高效率、低消耗、质量优的显著特点。对于现代小型棒材 连轧机组，各机架通过轧件相互联系，从而使轧制的变形条件、运动学条件和力学 条件方面具有一系列的特点，构成一个相互联系的统一系数，某一机架平衡状态破 坏，必然影响和波及到前后机架，在达到新的平衡之前，整个机组都要有所波动。 因此，本课题的目的在于构造一个能够反映连轧机组整体工作状态，并且有一定预 报精度的工艺参数计算的系统模型，为满足高效率、高精度的优化计算的需要，系 统模型还应具有数学上的连续性，也即建立相应的数学模型。 世界各产钢大国近年更是注重研制和采用连轧技术，并广泛采用计算机对全线 进行管理和控制，使小型型材的产量、质量和经济效益明显提高。而近年来，我国 小型型材的消费量一直占钢材消费量的2 5 3 0 左右，明显高于发达国家。我国的小 型型钢生产线主要以横列式轧机为基础的，目前我国大多数横列式小型型钢生产线 基本要改造成连轧或者半连轧生产线。通过对连轧生产线的分析研究得到的数学模 型，能够对现场生产及其其它小型型钢生产线的改造具有实际指导意义。 8 第二章孔型系统分析与金属变形负荷计算 第二章孔型系统分析与金属变形负荷计算 2 1 孔型系统的设计 棒材钢坯在轧机上需要经过若干个道次的轧制才能成为断面形状和尺寸符合要 求的棒材。为了使钢坯更有效的变形，在轧辊上必须加工出一定形状和尺寸符合要 求的凹型轧槽，一对轧辊的轧槽按照一定条件组合在一起形成轧辊变形时的孔型。 孔型的形状和尺寸及孔型在轧辊上的配置应符合金属变形规律并且适应轧机设备条 件。孔型设计包括：按金属变形规律及轧机设备条件等确定孔型系统、轧制道次、 变形系数、每个孔型的形状及尺寸，在轧辊上配置孔型。 掌握金属在孔型中的变形规律是进行孔型设计的基础。首先应该了解轧制时金 属在孔型里的压下、宽展和延伸等三个方向的变形系数关系j 而其中压下和宽展的 对应规律是孔型设计的核心问题。 孔型通常由辊缝、圆角、侧壁斜度、锁口( 闭i ：l 型) 、辊环等组成。良好的孔 型设计应注意的问题： 1 保证成品线材应具有精确的几何形状尺寸和良好的表面质量。 2 轧制时工艺稳定，生产操作简单，轧机调整方便并且使轧机具有尽可能高的生 产能力。 3 j f l a u 时能耗及轧辊消耗最小。 4 便于实现机械化，自动化操作。 2 1 1y 型轧机孔型系统特点 三辊连轧机使用孔型由具有形状不同的三角孔型组成。三角孔型中按其用途分 为延伸孔型和精轧孔型两种。 延伸孔型有下列三种孔型系： 1 三辊弧三角一弧三角孔型系统 该孔型系的特点： 1 ) ：r - h - - 个互成1 2 0 度的轧辊辊槽组成，轧辊从三个方向同时压缩轧件，这样， 轧件在6 个方向上被压缩，因此变形及其表面冷却都比较均匀，这对提高成品质量 有利。 2 ) ：轧件在孔型中宽展量较大，可用同一套孔型车l a j 不同性能的金属，轧制时 轧件不容易产生耳子和压折。 3 ) ：由于变形均匀，显著减少劈头和堆料事故。 9 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 4 ) ：轧件与孔型各接触点的速度差小，可以减轻轧辊的磨损。 2 三辊平三角一平三角孔型系统 图2 1 平三角孔型系 f i 9 2 1r i d g e d - b a c kp a s s 平三角孔型系与弧三角孔型系相比，道次延伸系数大，可达1 6 。轧件与孔型的 接触点无速度差，这就大大地减轻了轧制中因附加摩擦所引起的轧辊磨损。但其在 带张力时轧制低塑性合金时不如弧三角有利。 3 三辊弧三角一圆孔型系统1 图2 2 弧三角一圆孔型系 f i 9 2 2s p h e r i c a lt r i a n g l e - r o u n dp a s s 在该孔型系中，可直接轧出成品。一套孔型系可以生产出直径不同的圆棒和圆 坯。不论圆坯进入三角孔型或者是三角坯进入圆孔型，都比弧三角坯进入弧三角孔 型或三角坯进入三角孔型稳定。但该孔型系的延伸系数小。 2 1 2 孔型参数计算 根据设计中轧出口来料规格为咖1 1 姗的棒材轧件，现取成品规格为咖5 5m i l l 迸行设 1 0 第二章孔型系统分析与金属变形负荷计算 试o fn 总延伸系数 u = 2 7 _ ：_ ( 2 1 ) r 一原料的横断面断面积；只，一成品的横断面面积。 舻每= 筹 眨2 ， p e = 。，p 。平均延伸系数。在本设计中平均延伸系数取。= 1 2 2 ， n = l o g 。1 2 2 = 6 4 9 所以在本设计中涉及8 个轧制道次。在实际设计时可根据具体情况，首先选择 最合理的轧制道次，然后求出生产该产品的平均延伸系数，随后将这一平均延伸系 数与同类型的轧机生产该产品所使用的平均延伸系数相比较，如果接近或小于上述 数字，则说明生产是可能的，若大于这一数值，则需要增加轧制道次。 轧机三辊孔型如图2 3 ，基本尺寸参数为d a r ，孔型形状大小取决于所选的形 状系数k 。 q c a l - i 弋s 鼍葛 一n i 弋【d 沏 b 乃1 l c ，憾 蛳 王， “d 图2 3 辛l 机三辊孑乙型图 f i 9 2 3t h r e e r o l lm i l lp a s s k 值越大，表明孔型弧边曲线的曲率越大。当k = o 时，弧边成为直线，孔型成为 正三角形；当k = 3 时，孔型成为圆形；当o k 4 z ，则u d o 、n 间的传递函数可 以分解成两个惯性环节，突加给定时，转速呈单调变化；若1 m a ，满足简化条件。 3 1 弓，3v0 0 0 3 7 。 转速环小时间常数近似处理条件为 三等= 到1 器础几弋满删燃。 校核转速超调量，根据典型i i 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系查表得 c 一c = 8 1 2 ，可得 1 1 5 0 5 仃。：2 x 8 1 2 1 5 蔓z 7 _ 0 0 1 _ 7 4 ：3 2 6 ，能满足设计要求。” 1 5 0 00 1 8 3 5 本章小结 本章对驱动系统的静特性和动特性做了具体的分析。首先是直流电机的特性及 模型的建立，再分别对电流环速度环双闭环反馈系统的组成、静态和动态特性、以 及数学模型的建立作了详细的论述，介绍了数字控制系统的组成及特性。结合实际 建立了双闭环的p i 调节器控制系统。 第四章l 咬入时动态速降计算 第四章咬入时动态速降计算 4 1 咬入过程机电特性分析 4 1 1 动态速降的产生过程 棒材轧件在连轧机组中的轧制过程一般是按咬钢、形成连轧、建立连轧张力、 稳定连轧、甩尾的顺序进行。但是概括起来基本分为两个阶段：咬入阶段和张力连 轧阶段。咬入阶段主要是指棒材头部被轧辊咬入开始，一直到棒材在机架之间建立 张力之前的阶段。在整个连轧过程中，这段时间很短，约为一秒钟左右。轧件在此 阶段有以下几个特点：轧件在咬入阶段受到轧件冲击载荷作用之后，轧机会产生动 态速度降；由于有动态速度降导致产生一定的活套量，从而建立起连轧张力【2 】。 当轧机空载运行时有一定的空载转速，在有载荷作用时轧机转速会有所降低， 一般把稳定状态时速度的降低称为速度降。轧辊受静载荷作用，到稳定状态而产生 的速度称为静态速度降，用a n ，表示。运行着的轧件以一定的速度往轧辊中送，轧辊 受到轧件的冲击负载作用产生的速度降称为动态速度降，用幽d 表示。速度降可以用 绝对值或相对值来表示： 血= 刀。一九 ( 4 1 ) 幽( ) ：! 型1 0 0 ( 4 2 ) 、。 式中血一绝对速度降； ，? ) 一相对速度降； 一空载时转速； 刀一载荷作用的转速。 4 1 2 咬入过程的机电平衡状态 根据他励直流电动机的稳态运行的基本方程式， 对轧件的咬入过程进行机电特性分析。 e 。= c 。，? u = e d + i ，r n t = c 1 匈i ， t = 互+ t o = 互 舱掣= 苦一嚣t = y 1 0 - p 丁 c ，c ，c ，c ，二 4 l 我们可以根据以下4 组方程式 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 。5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 当t = 0 时，可以看出胛= 玎。= 羔为理想空载转矩。此时外负载，。= o ，电动机 l f 电枢电动势等于端电压。咬钢后产生了负载转矩，电磁转矩t = 正增大，因为电动机 每级磁通不变，l r 叩称为电流转矩系数不变，电枢电流，。与丁成正比关系。j 。增大， 电枢电动势瓦= c 。o n = u 一l , r 。，e 。则减小，那么转速竹降低。采用速度环进行反 馈，就可以补偿由于负载增加造成的转速下降。用m a t l a b 建立起连轧过程的速度电 流变化曲线图，我们可以很好的分析整个变化过程。 4 2 仿真软件建模 4 2 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真技术【2 3 j m a t l a b 将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和 仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中。它集数值分析、矩阵运算、 信号处理、和图形显示于一体，可方便的应用于数学计算、算法开发、数据采集、 系统建模和仿真、数据分析和可视化、科学和工程绘图、应用软件开发等方面。目 前，m a t l a b 是国际最流行的控制系统计算机辅助设计语言和软件工具。 m a t l a b 之所以能够被广泛应用，是因为它将科研工作者从乏味的f o r t r a n 、c 编 程中解放出来，大大的提高了工作效率。在m a t l a b 环境中描述问题及编制求解问题 的程序时，用户可以按照符合人们的科学思维方式和数学表达习惯的语言形式来书 写程序。为科学研究、工程设计及众多学科领域提供了一种简捷、高效的编程工具。 同时，m a t l a b 是一个开放的系统，针对不同的学科，推出了不同的工具箱，从而大 大扩展了其应用范围。目前，已推出的工具箱涉及学科从控制系统设计、系统辨识、 模糊控制到信号处理等非常丰富。 s i m u l i n k 主要的功能是预先对动态系统进行仿真和分析，从而在形成实际系统之 前，能进行适时的修正，以减少系统反复修改的时间，实现高效开发系统的目的。 s i m u l i n k 不仅可以进行线性系统仿真，也可进行非线性系统仿真，既可以实现连续时 间系统仿真，也可实现离散时间系统甚至混合连续、离散时间系统的仿真，它还支 持多制采样率的系统仿真，具体特点如下： 1 建模方便、快捷建模就意味着编程，例如要建立一个微分方程的模型， 就必须写一段程序，而且如果需要改变参数，则程序会更复杂。s i m u l i n k 提供了友好 的图形用户界面( g u i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，只要进行简单的点击和拖动鼠标 就能完成建模，模型由s i m u l i n k 标准库模块( 也可以自定义模块) 和连线组成。一个 库模块就相当于一个函数，所以也可将库模块称为s i m u l i n k 库函数。 2 易于进行模型分析由于模型是层次型的，因此建立模型的过程就如同通常 4 2 第四章咬入时动态速降计算 的设计过程那样，可以是自上而下刃i 或自下而上。你可以先在系统的高层次上分析、 研究，然后双击具体模块或子系统图标，进一步分析模型下一层的细节。这种方法 便于分析模型的组织结构以及各部分的相互关系。 3 优越的仿真性能在定义好一个模型之后，就可以通过s i m u l i n k 菜单或者在 m a t l a b 命令窗口中输入命令这两种方式，选择一种集成方法来进行仿真。前者特别 适合于交互式工作，而后者则在进行仿真的批处理( 例如进行蒙特卡罗仿真或者需 要一个参量在一定范围内连续改变数值) 时非常有用。使用示波器或其他显示模块， 可以在仿真运行的同时看到仿真的结果，若改变参数后运行就可立即看到相应的结 果，可以在任何一个环境的任意节点上进行仿真、分析和修改模型。 4 动态系统建模、仿真和分析它可以完成连续、离散和混合的线性或非线性 系统的仿真，也能完成多种采样数率的系统仿真。s i m u l i n k 为用户提供了用方块图 进行建模的图形接口，与传统仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更 直观、更方便、更灵活的特点，可用于系统仿真、分析和设计。在数字仿真方面， s i m u l i n k 给出了多种仿真算法，如龙格库塔法、a d a m s 法、吉尔法和e u l e r 法等。在 仿真计算中，应根据具体情况适当选择仿真。 4 2 2m a t l a b s i m u l i n k 仿真步骤的分析 运用m a t l a b s i m u li n k 进行动态系统仿真步骤如图4 1 所示，仿真首先应依据 待仿真对象相关理论知识建立其数学模型。根据仿真结果显示来判断模型的正确与 否和仿真方法恰当与否。 图4 1s i m u l i n k m a t l a b 仿真步骤 f i 9 4 1s i m u l a t i o ns t e po f s i m u l i n k m a t l a b s i m u l i n k 屏蔽了许多繁琐的编程工作，但用户想要灵活高效的使用s i m u l i n k 就 必须了解它的工作原理。那些图形化的模型与现实系统之间到底存在着怎样的映射 关系，以及s i m u li n k 女n 何对这些模型进行仿真的。 ( 1 ) 图形化的模型与现实系统之间的映射关系 现实中的每一个系统都有输入、输出和状态3 个基本因素，以及它们之间随时间 变化的数学函数关系。s i m u l i n k 模型中每一个图形化的模块代表现实系统中一个元 4 3 金属圆棒材连轧过程动态特性分析 件的输入、输出和状态间随时间变化的函数关系，即元件或系统的数学模型，如图 4 - 2 所示。系统的数学模型是由一系列数学方程式( 代数环、微分和差分等式) 来 描述的，每一个模块都代表一组数学方程，模块和模块之间的连线代表系统中各元 件输入输出信号的连接关系，也代表了随时间变化的信号值。 掰 输入 ) 输粥 图4 - 2 模块的图形化表示 f i 酣2f i g u r es h o wo fm o d e l ( 2 ) s i m u l i n k 对图形化模型进行仿真的步骤 s i m u l i n k 对模型进行仿真的过程就是在用户定义的时间段内根据模型提供的信 息计算系统的状态和输出过程。当开始仿真时，s i m u l i n k 分以下几个阶段来进行仿 真。 1 开始准备在m a t l a b 命令窗口提示符下建入s i m u l i n k 命令来启动s i m u l i n k 程 序，这时就会将s i m u l i n k 模型的模块库窗口显示出来，同时还将自动打开一个空白 的模型编辑窗口来建立新的系统模型。 2 画出系统的各个模块打开相应的子模块库，选择所需要的模块，拖动到模 型编辑窗口的合适位置。 3 给出各个模块的参数各个模块中已给出默认的模型参数，要修改模块默认 的参数，则需用鼠标双击该模块图标，这样就会出现相应的对话框，进一步提示用 户如何修改模块的参数。 4 画出连接线模块间的连线很简单，只需用鼠标点按开始模块的输出端( 三角 符号) 再拖动鼠标，到终止模块的输