（材料加工工程专业论文）冷轧卷取张力控制模型研究.pdf

摘要 冷轧板、带钢由于具有表面质量好、尺寸精度高和良好的机械、工艺性能等 优点而被广泛应用于国民经济各个部门。随着现代化工业技术的迅速发展，如何 使冷轧板、带钢的板形和质量满足日益增高的要求，已成为很多生产企业面临的 问题。本文结合鞍钢冷轧厂的实际情况，在先前调试和运行的基础之上，在对现 场生产过程进行了大量跟踪和调查的基础之上，对冷轧厂原卷取系统进行了详细 的分析和研究，并提出了卷取模型的优化方案。主要研究工作和成果如下： 1 根据鞍钢冷轧厂的生产实际情况，对于卷取过程中存在的常见缺陷松卷、 塔形等缺陷进行了原因分析。 2 分析鞍钢冷轧厂2 拌线卷曲控制系统，研究卷取速度和带尾定位、张力设定 曲线，并通过对生产实绩的分析，确定了这种传统的卷曲张力曲线在使用中存在 很多缺陷，如板形控制不稳定、粘结比例较高、平整工序缺陷不易控制等缺陷。 3 本章根据理论分析和现场实验相结合的研究手段，主要研究分析了鞍钢冷 轧厂卷取张力模型，建立了优化的张力模型，并进行了相关验算。 4 通过在实际生产中的推广和应用，在对轧后卷取效果以及对后续工序的生 产过程进行大量跟踪的基础上，分析了模型的应用效果，大量的统计分析数据对 本研究的实际应用价值给予了最佳的证实。 关键词：冷轧板带钢卷取张力卷取模型卷取张力补偿曲线粘结平 擦伤 圣耋坌垄奎耋三堡至圭耋堡垒圣 垒! i ! 坠! ! a b s t r a c t b e c a u s ei t sg o o ds u r f a c e ，p r e c i o u sd i m e n s i o n ，e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e a ya n dt e c h n o l o g yp r o p e r t y ，c o l ds t r i ph a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，h o wt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o l ds t r i p h a sb e c o m ea p r o b l e mf o rm a n yf a c t o r i e s o nb a s i so fr e s e a r c ho fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h et e n s i o n r e e ls y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n da n a l y z e d a tl a s t ，ao p t i m i z e dr e e lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d 1 a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nd a t ao fa n g a n gc o l ds t r i pw o r k s ，t h e r e a s o n so f s o m er e e ld e f e c t ss u c ha sl o o s ec o i la n dt o w e rc o i lh a v e b e e na n n y z e d ； 2 t h er e e lc o n t r o ls y s t e mo fa n g a n gc o l d s t r i p w o r k sh a sb e e na n a l y z e d ，a n d t h er e e ls p e e d ，c o i lt a i l l o c a t i n ga n dt e n s i o nc u r v eh a v eb e e ns t u d i e d i th a sb e e n s h o w nt h a tt h ec o n v e n t i o n a lm o d e lh a sm a n yd r a w b a c k sb e c a u s ei th a sc a u s e ds o m ed e f e c t ss u c ha su n s t a b l ef l a t n e s s ，h i g hp r o p o r t i o no fs t i c k e ra n ds c t r a t c h 3 c o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n di n - s i t ee x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m i z e dr e e l t e n s i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d 4 t h eo p t i m i z e dr e e lt e n s i o nm o d e lh a sb e e na p p l i e di n s i t e b ya n a l y z i n gt h e p r o d u c t i o nd a t a ，t h ee f f e c to fo p t i m i z e dm o d e lo nt h e c o l ds t r i ph a sb e e nr e s e a r c h e d i th a sb e e ns h o w nt h a tt h eo p t i m i z e dt e n s i o nm o d e lh a sb e e no fg r e a tv a l u e k e yw o r d s ：c o l ds t r i p ，r e e lt e n s i o n ，r e e lt e n s i o nm o d e l ，c o m p e n s a t o r yc u r v eo f r e e lt e n s i o n ，s t i c k e r ，s c r a t c h 独创性声明 本人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 及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：重趁址日期：塑丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、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守此规定) 麟跹铷签名准址蹶华 1 1 前言 1 绪论 在钢铁行业竞争日益激烈的今天，广大冶金工作者的重点已经从数量转移到质 量。目前钢铁行业中冷轧板带的生产所占的比重越来越大，应用范围也越来越广，直 接影响到企业的长期生存和发展。冷轧板、带钢产品具有表面质量好、尺寸精度高和 良好的机械、工艺性能等优点，被广泛应用于宇航技术、人造卫星、火箭、导弹、高 速飞行、电子、汽车、化工、家用电器、造船、建筑、石油、食品以及民用小五金等 国民经济各个部门。随着现代化工业技术的迅速发展，对板形和质量的要求日益增高。 1 2 卷取张力在冷轧钢板( 带) 中的作用 自从二十世纪二十年代第一卷热轧钢卷在a r m c ob u t l e r 热轧厂生产出来，金属带 材的生产出现了新的领域。令人吃惊的是，人们对卷取技术似乎一直不太关注。直到 客户对钢材的外观质量与表面质量提出要求时，卷取技术才纳入工程师们的研究范 围。其中的原因是：卷取技术作为生产工艺中的晟后一道工序直接影响产品的质量。 在历史止，由于卷取技术的原因。曾出现过高达1 0 次品率。为了解决卷取技术中的 难题，各个国家都花费了大量的物力、财力进行技术研究及技术改造。然而，卷取过 程中造成次品的原因一般都不能很好解释( 人工操作的随机性与次品率有相关性) ， 原因就是人们缺少直接检测和分析的手段。 众所周知，一张纸如果没有绷紧，是没有办法卷紧的；如果张力不恰当，纸卷的 边缘将不齐，纸卷有的紧有的松散：张力过大，纸张容易拉断。在冶金行业中，对薄 带钢的卷取也有同样的问题，并且有其特殊性：如果张力过小，钢卷会在自重的作用 下松散，钢卷散开过程中由于相对滑动，会在钢带表面产生划痕，影响钢带的表面质 量，或者由于钢卷的内层松散突出而无法包装：如果张力过大，在钢材卷取过程中， 会使钢卷内卷产生滑动，由于滑动造成表面划痕，影响钢带的表面质量，更重要的是， 由于张力过大，会造成钢卷内应力过大，导致钢卷的内孔内陷或者塔形。为了防止层 间滑动，层间的径向作用力与摩擦系数的乘积应大于张力力矩除以半径所得的值，在 实际生产中，滑差率( 不产生相对滑动的最大张力力矩与实际力矩之比) 必须大于1 0 。 为了通过钢卷的成材率，应根据不同的加工工艺及被卷取的物料的特性设置相应的张 力，然后，在卷取过程中，保持该张力值恒定。总之，张力控制是卷取技术的关键。 在冷轧板带的生产过程中，采用恒张力卷取，是提高厚度合格率、改善板形的关 键措施。要轧出平直的带钢，必须遵守均匀变形的准则，即保证沿带钢宽向延伸一致。 带钢越薄，越要严格遵守此准则，否则，轧出的板形必然不良。因为薄带钢在轧制过 程中无宽展，沿带钢宽向不均将全部转换为延伸不均，带钢越薄，对不均匀变形的自 我补偿能力越弱；另一方面，由于钢带薄，即使压下只有微小的差异，也可导致延伸 的显著不同，从而使板形变差。因此，越薄的带钢，对不均变形愈敏感，或者说，愈 薄的带钢，愈难控制板形。同时，不均匀变形愈严重，带钢的内应力愈严重，板形愈 不好，也就愈易断带i i “。 实际生产中存在不少导致不均匀变形的因素，如轧辊轴线不平行、轴承偏斜、压 下不均、喂料偏斜等。设备良好，工艺合理，可使不均匀变形程度减小，但在目前的 技术条件下，还不可能从根本上消除不均匀变形，而只能采取相应的措旋来减、弱不 均匀变形的影响。如前所述，采用恒定大张力轧制，不仅可降低变形抗力，有利于轧 制更薄的产品，而且可通过本身的自调作用，促使延伸均匀变化，使轧出的带钢平直。 当采用恒张力卷取时，张力必须恒定，否则将引起力能和工艺参数的变化，使轧制过 程处于不平衡，必然引起带钢纵向厚度波动，出现厚度超差 3 “。对于薄轧件来说， 由于易产生不均匀变形，内应力就大，在不恒定的张力作用下更易断带。 总之，恒定而合适的卷取张力，是获得平直带钢的必要条件，因此，在冷轧带钢 轧制中，必须重视卷取张力的控制。 1 3 卷取张力控制原理 1 3 1 卷取机构的卷绕特性 为了保证卷材质量，在卷取过程工艺中，必须要保持带材在卷取时的张力恒定。 因此，在研究卷取的控制原理时有必要对卷筒及其传动电机进行受力分析。 带材的卷取张力为t ，卷筒的直径为d ，卷筒的前一单元的带材线速度为v l ，卷筒 的卷取线速度为v 2 。在开始卷取过程时，显然应使v a v - ，则带材在卷取对有张力， 并逐渐增大；如果控n v 2 v l ，此时，带材将受到 拉力而产生弹性变形。根据胡克定律，带材的卷取张力t 为： r = t 6 x ef l ( v 2 _ _ v 1 ) 疵 式中e 带材的弹性模量； 辽宁科技大学工程硕士学位论文 绪论 j 带材的截面积； l 卷筒与前一单元之间的距离 t ，卷取机构的建立张力时间 图1 1 卷取张力信号传递 f i g 1 1 t r a n s f e r o f s i g n a lo f r e e l t e n s i o n 从上式可以看出，带材作为卷取张力的调节对象时，是一积分环节，其信号传递 关系如图1 1 所示。所以，在刚开始启动过程中，当带材的张力达到工艺所要求的张力 给定值时，就应该及时调节v 2 ，使卷筒的线速度v z 保持稳定，此时，就可以保证带材 在给定的张力值下正常卷取。显然，在稳定运行中，无论是线速度v 。还是卷筒的线速 度v z ，有任何波动，都将引起带材的卷取张力波动。 对于卷筒的传动电机，假定线速度v l 是一稳定值( 在实际生产中情况也是如此) ， 设定卷取机构的卷筒的线速度为： 1 2 j i x d x l l 2( 1 2 ) 如果，卷筒的卷取电机的转速n 2 恒定不变，则卷绕过程中随着d 的不断增大，卷 筒的线速度v 2 将正比地增大。由式1 1 可知，张力t 将随d 的上升而线形增长，其卷筒 轴上的卷绕力矩为： m f = t ：d ( i - 3 ) 由式1 3 可知，卷绕力矩也将以更快的速率增加。在实际生产中，这种卷绕特性绝 对不允许，所以，在张力建立起来后，应该保持v 2 一v 1 为恒定值，在v l 为定值时，则 应保持v 2 不变，就可保证卷取张力的恒定。要保证恒张力卷取，则卷取电机的转速n z 随卷径的增加而反比地下降，即： 氆2j i 万 ( 1 4 ) z i j ， 于是卷绕力矩m f 与卷轴的转速n ：的乘积等于张力与卷筒线速度的乘积，即： 蛑碣= 警 ( 1 5 ) 辽宁科技大学工程硕士学位论文 1 绪论 可得： 世 2 m 。 式中：k = t v 2 2 兀 k n 定值，这个关系式就是卷绕机构的卷取特性，它是一条双曲线。 1 3 2 卷取张力的控制原理 ( 1 6 ) 卷取张力控制一般分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制就是利用有些电机 的本身所具有的与卷绕特性相似的软机械特性，直接用这类电机来传动卷绕机构，以 获取近似的恒张力控制；卷取恒张力闭环控制又分为直接张力控制、间接张力控制和 复合张力控制三种方式；直接张力控制是一种最直接、最有效的控制方式之一，直接 张力控制方式中，设置有张力检测元件、张力辊和张力控制环，利用张力检测元件的 检测信号与给定张力值比较，经张力控制环后去驱动执行机构，控制张力辊的位置， 达到控制张力的目的，这种张力控制方式优点是张力控制精度高，从理论上可以实现 零误差控制；缺点是控制精度依赖于张力检测元件的精度，如果现场环境比较恶劣， 如酸雾对检测元件的腐蚀，就可能导致张力控制失效。 间接张力控制系统中没有张力检测元件，对张力的控制是通过对卷取机构的物理 方程进行静态、动态分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，对这些物理量进行 控制，从而达到恒张力控制的目的。根据不同的物理量采用不同的方法，一般有电流 反馈、电枢反电势反馈、卷径反馈等，具体分析见后。由于间接张力控制涉及多个参 数的控制，一般需采用多闭环的控制方式来实现。这种恒张力控制方式的优点是减少 了张力辊及相应的检测元件，降低了系统成本，缺点是控制方式更为复杂，控制精度 相对地比直接张力控制方式的低，随着计算机技术、变频器技术发展，闭环控制的张 力精度有了很大的提高，可以达到直接张力控制的精度。 复合恒张力控制方式是在间接张力控制方式的基础上，再增加一个张力闭环，形 成一个三环控制系统，该控制方式优点是不仅具有直接张力控制的精度，还具有间接 张力控制方式的快速性能和跟随性能，缺点是投资成本大，控制方式也更为复杂【3 】。 t 图1 2 卷取机传动机构示意图 f i g 12d r i v i n gs y s t e mo f c o i l e r 卷取张力的控制对象，是通过电机轴输出力矩来表现的，包括了机械的空载力矩 和张力产生的力矩等。 电动机轴上的力矩平衡方程式为： m w = m ，+ m 6 + a + m ， ( 1 7 ) 式中：m 。一电动机轴上的力矩； m ，一张力力矩； 宴v i r 加、减速时所需的动态力矩； 、迎“。_ 一系统空载力矩： m ，一材料的弯曲力矩。 张力力矩为卷筒半径与张力的乘积，对于恒张力调节系统来说，张力力矩随着卷 取半径而变化，同时系统的加减速力矩与卷径也密切相关，由于卷取材料的变化改变 了系统的传动惯量，因而改变了系统动态转矩。动态力矩的补偿精度，直接影响到张 力调节系统的好坏，它和张力调节器是张力控制系统设计和调节的关键问题。 张力控制采用最大力矩控制系统。 张力矩公式： m ：丘昙； zz 式中：m ，折算到电机轴上的张力力矩 d 瞬间卷径值； f ：板带上承受的张力； i 卷取电机与卷轴的传动比； 电动机产生的力矩为： ( 】8 ) 辽宁科技大学工程硕士学位论文 1 绪论 m m = c m c d i t ( 1 9 ) 卷取机张力力矩应与电动机产生的力矩相等，即m t = m m ，由此得出张力的表达 式为： f z 翊。( 罟 奶 在基速以下，电枢电流跟随卷径成正比例变化，磁通保持不变，根据结果可以得 出： 疋娟( 告 式中：k 1 为常数，即： 仃= 艺而d ( 1 1 2 ) 在基速以上，电枢电流与轧机线速度成正比例变化，电势恒定不变，公式如下： 丘瑙中( 罟) 仃：型：墨：垡：! 堡：旦凡矿 k 1 0k i m 翮c k l 即： i t 一疋v 1 4 研究背景和研究内容 1 4 1 研究背景 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 目前，各冷轧生产线的卷取张力基本都是传统的设定方式，我们针对这种方式进 行了仔细地分析，通过实验比较准确的确定卷取张力，而附加张力的确定可以通过传 动的张力模型进行查找，此外，附加张力的变化曲线尤为关键。现在，各冷轧厂在以 这种张力曲线生产时，对产品的质量和成材率有很大的影响，在上面我已经阐述了对 轧制板形、热处理粘结、平整擦伤的影响，因此我们重点研究的方向是如何对附加张 力的变化曲线进行设定，保证最合理的工艺参数，通过分析拟定在变化曲线中加平台 的方法来改变现在传统的附加张力曲线设定模式。 1 4 2 研究内容 本文结合鞍钢冷轧厂的生产实际，在现场生产进行大量跟踪调查以及系统分析基 础之上，完成了下面几方面的研究工作： 1 根据鞍钢冷轧厂的生产实际情况，对于卷取过程中存在的常见缺陷松卷、塔形 等缺陷进行了原因分析； 2 分析鞍钢冷轧厂2 社线卷曲控制系统，研究卷取速度和带尾定位、张力设定曲 线、神经元自适应p i d 控制闭环调速系统，并通过对生产实绩的分析，确定了这种传 统的卷曲张力曲线在使用中存在的缺陷； 3 完成曲线的模拟形状的研究 确定附加张力的数值。拟从传动的数学模型和实际的控制效果方面进行结合，确 定合适的附加张力百分比，保证达到其应起的效果；确定附加张力变化曲线中卷径的 范围，保证控制在合适的范围；确定附加张力变化曲线中平台拐点的值，这个值在整 个卷取曲线变化中是最重要的一点，这个点保证整个曲线变化的效果；确定拐点斜坡 的斜率，这个数值要保证传动系统可以平稳过度，又要保证最短的卷径范围。 4 完成附加张力的传动模拟验算。 5 冷轧现场进行模拟实验，根据现场生产的具体情况，针对附加张力的具体数值 进行校验，以及确定不同规格卷径的数值，以及同一规格钢质下拐点、斜率的数值， 并以下道工序生产的产品的缺陷量作为实际校验值的标准。 辽宁科技大学工程硕士学位论文2 鞍钢冷轧厂卷取过程缺陷分析 2 1 前言 2 鞍钢冷轧厂卷取过程缺陷分析 鞍钢冷轧2 # 生产线联合机组投产于2 0 0 2 年末，酸洗工艺采用当今先进、高效、 节能的紊流酸洗，连轧机采用五机架连轧方案，设计产能1 5 0 万吨，能够生产厚度 0 3 3 0m m 、宽度8 0 0 1 6 3 0m m 的低碳钢、超低碳钢、低合金高强度钢冷轧产品。 它是我国第一条自主技术总成的现代化大型冷联轧生产线。采用全自动激光焊机： 缩短了焊接时间，提高了焊缝质量；酸洗工艺段长度增加，保证最短酸洗时间提高 了1 ，酸液流量相应增加，控制采用变频泵方式，最高温度降到8 5 ；第一和第 五机架选择了板形控制能力强的六辊u c 轧机，二、三和四架采用常规四辊轧机， 同时主传动采取当今世界流行的单电机、双传动方式；配置了c a r r o u s e l 卷取机，使 卷取位置固定，钢卷切换更容易，速度波动减少，设备减少，更有利于薄规格穿带； 乳化液系统增加了平床过滤器，使乳化液实现1 0 0 过滤，保证产品质量提高和成 本消耗降低。鞍钢冷轧厂的技术力量在随着生产线的调试和运行得到了充实和提高。 本章根据鞍钢冷轧厂的生产实际情况，主要研究目前卷取过程中存在的常见缺 陷，分析了产生原因，为根本解决问题、控制缺陷发生比例奠定了基础。 2 2 带钢卷取过程中塔形问题分析 卷取过程中塔形的形成会影响到冷轧带钢的质量，严重的时候还会造成废钢。 因此，必须对卷取机卷取过程中塔形成因进行分析研究，以便于解决卷取机卷取过 程中的塔形问题。通过对整个卷取机系统的工作原理进行分析，鞍钢冷轧厂卷取机 卷取过程中塔形成因大致可分为以下几个方面： ( 1 ) 设备因素导致不能精确定心 输出辊道、夹送辊、卷筒表面状态会影响定心的精确性，设备安装精度也会对 定心产生影响，从而导致钢材在卷取过程中跑偏，卷材形成了塔形。 ( 2 ) 张力不适当或者张力波动较大： 在整个卷取过程中可能会导致塔形的形成，必须以恒定的张力来卷取带钢，张 力偏大和偏小部有可能产生塔形。卷筒电机承受的总负载力矩由惯性力矩、张力力 矩、弯曲力矩、摩擦力矩四部分组成。其中，张力力矩、弯曲力矩和摩擦力矩的表 达式均比较简单，在力矩控制中对它们的补偿也比较容易实现。而惯性力矩则比较 复杂，因为在卷取过程中，一方面钢卷直径在不断地增大，导致转动惯量一直变化， 另一方面，在卷径增大的过程中又要保持恒速卷取，必然导致角速度降低，也就是 转动惯量和角速度均是时间t 的函数，那么要求惯性力矩就需要用到偏微分，而一 般卷取机控制系统中对卷筒惯性力矩的描述，往往只考虑角速度的变化，而忽视转 动惯量的变化，这样显然会影响惯性力矩补偿的准确性，也就会影响张力的精确性。 此外，张力控制中，无论张力矩的给定，还是动态补偿力矩的计算，都需要实时卷 径，所以卷径计算是控制中极为重要的一环。目前的卷径测量大都为间接方式，即 通过测量钢材的线速度与卷取机卷筒转速来推算出卷径： d ：v i 6 0f 2 1 1 万竹 式中：v 卷取带钢的线速度，m s ； i 卷取机齿轮箱传动比； n 卷取电机的转速。 正常情况下，用式子( 2 1 ) 计算的卷径是准确的。但是，当出现打滑的情况时， 线速度的测量值和实际不符合，用式( 2 1 ) 计算的卷径是有偏差的，从而使得张力的 计算也产生了偏差。 其次，张力控制系统主要是调节电机的电流来输出所要求的力矩，采用的是p i d 控制趟系统的抗干扰性能差，而卷取机的工作环境决定了系统会经常存在着扰动， 从而使得张力输出产生波动。 ( 3 ) 在钢板甩尾时，即钢板尾部离开轧辊时，张力消失，钢板在这段时间里极 易左右摆动，形成塔形。 ( 4 ) 卷筒在卷取过程中是处于涨位，推钢过程中应为缩位，直径上的变化量为 一定值，由于使用周期过长，导致卷筒内部零件磨损严重，使得涨缩量达不到要求， 也会造成钢卷头部塔形。 2 3 带钢卷取松卷问题分析 鞍钢冷轧厂带钢卷取系统自投产以来，时常出现轧后不明原因的松卷，主要表 现为内径松卷、外径松卷和极少数的局部松卷。这一质量问题长期困扰着生产j ， 其危害主要有以下几个方面： ( 1 ) 松卷造成的表面质量问题： 钢卷在松卷的情况下，由于松动层问的相互错动，使得带钢表面质量受到严重 影响。 ( 2 ) 松卷给下工序生产带来困难： 内径松卷年u # l - 径松卷都为钢卷的调运和下工序的上料等作业过程带来不必要的 麻烦，甚至产生局部的堆钢和破损，严重时会造成停机事故。 ( 3 1 松卷增加生产成本： 由于松卷需要重新分卷加工，增加工作工时费，相应提高了生产成本。通常松 卷的钢卷需重新分卷处理，增加生产成本近5 0 元屯。由于表面质量和板形问题， 松卷钢卷的销售常打折处理。 可见松卷对生产和利润的影响是很大的。 引起松卷的原因很多，从外部环境，控制系统和软件设计思想等几个方面重点 考虑，并根据现场的实际生产过程，可归纳为： ( 1 ) 张力不适当或者张力波动较大 在带钢轧制过程中必须以适当的张力来卷取带钢，张力不当都会在整个卷取过 造成松卷： ( 2 ) 带头和带尾跟踪信号不准 带头跟踪信号不当，造成卷取头部膨胀过早，内圈未夹紧，造成内径钢卷滑动； 尾部跟踪信号引起的尾部定位误差也会引起松卷现象； ( 3 ) 计算速度和实际速度存在误差 带速变化较大时或者发生打滑现象时引起的计算速度和实际速度产生较大偏 差，使得张力设定不准： ( 4 ) 带钢厚度偏差 带钢厚度偏差会引起卷取线速度计算出现误差，从而影响卷取张力以及相关力 矩的计算设定。带钢的厚度由测厚仪测量，由轧机a g c 系统自动控制，测量偏差 直接影响带钢的出口速度。卷取的夹送辊缝、助卷辊的位置、卷筒线速度都是由设 定厚度值计算控制的。可见，测量误差影响的范围很广，确保厚度测量的精确也是 一项很重要的工作。 2 4 小结 1 、鞍钢冷轧厂卷取机卷取过程中塔形成因主要有：设备因素导致不能精确定心、 张力不适当或者张力波动较大、在钢板甩尾时，张力消失，使钢板左右摆动，形成 塔形； 2 、引起松卷的原因主要有：张力不适当或者张力波动较大；带头和带尾跟踪信 号不准；计算速度和实际速度存在误差；带钢厚度偏差。 辽宁科技大学工程硕士学位论文3 鞍钢玲轧厂卷取系统分析 3 1 前言 3 鞍钢冷轧厂卷取系统分析 带钢卷取过程是鞍钢冷轧厂酸轧联合机组生产线上的最后一道工序。在该生 产线上，卷取机是十分重要的设备，它直接影响冷连轧机的产量和质量，而且它还 要适应从o 3 3 0 m m 不同厚度钢板、不同宽度的钢板卷取的要求，以及满足不同钢 种的工况要求，因此对卷取系统的控制适应范围和精度要求是很高的。 冷轧最终成品的质量当然与轧机各机架的控制有关，如厚度控带t j ( a g c ) 、位置 控制( n p c ) 、张力控f i b l j ( a t c ) 等。出1 ：3 部分并不能改变带钢的质量指标，但是高质量 的成品若在出口部分处理不当，将会使其成为废品或次品，这是我们所不期望的。 为了解决鞍钢冷轧厂在卷取过程中的各种缺陷，依据现场大量的生产实践和跟队研 究，确定解决方案。为此在卷取机卷取过程中，我们关心的是： ( 1 ) 卷取机如何咬钢，才能使卷取机开始正常卷取，更好地配合连轧机的正常 轧制； ( 2 ) 卷取机在卷取过程中带钢承受的张力不同，其张力应如何设定； f 3 ) “剪切完”信号发出后，带钢带尾的速度如何设定以及带尾如何定位。 本章根据理论分析和系统调试的经验，主要对鞍钢冷轧厂卷取系统进行了详细 分析，为后续研究奠定了坚实的基础。 3 2 卷取控制系统中的速度控制 卷取机咬钢速度给定曲线的确定是影响卷取质量的关键。飞剪在每次剪切完成 后，下一卷带钢的带头即出现在飞剪处，在剪前夹送辊的牵引下，带头进人剪后夹 送辊，之后被送人卷取机，此时卷取机进人咬钢状态。倘若卷取机咬钢不利，以轧 制速度前进的带钢势必在卷取机旁形成堆积，造成事故停车。为了顺利咬钢，咬钢 时卷取机应采用斜坡函数速度给定，并以正、反向交替工作模式进行，这样才能使 带头顺利咬人，咬入速度如图3 1 所示。咬钢时的速度给定较低，其斜率与幅值由 以太网上的管理计算机给出，它要根据带钢的材质、厚度等参数以及轧制工艺要求 决定，其值的修改也只有在管理计算机上进行。 辽宁科技大学工程硕士学位论文3 鞍钢冷轧厂卷取系统分析 咬 钢 速 n l 时； 图3 1 咬钢时卷取机速度给定函数 f i g 3 1s p e e e df u n c t i o n o f c o i l e rw h e nb i t i n g 3 3 带尾定位速度的设定 当剪切发生时，飞剪将带钢剪切成两部分，前一部分继续在卷取机上进行卷取， 后一部分继续向前运行，准备在另外一卷取机( 冷连轧生产线上有两个卷取机，以保 证生产的连续性) 上进行卷取。为此，当“剪切完”信号( 由飞剪i n l 轮开关产生) 发出 后，必须对卷在卷取机上的带钢带尾进行加速，以使得当前卷的卷尾和新卷的卷头 尽快分离。带尾离开公共区( 飞剪和剪后夹送辊之间) 后，进人定位和减速阶段。带 尾脱离公共区的信息通过局部跟踪实现。“剪切完”信号发出后启动跟踪，以便为定 位系统操作提供实际长度检测信号，作为定位长度计算的修正值。 带尾定位速度需满足： = k + z 0 ( 3 1 ) 式中，v d 定位速度，m m i n ； 墨。 般v l 剪切时冷连轧机末机架出 2 1 速度，m m i n ； v o 超速度，m m i n 。 v o 与卷取机的带尾定位速度相关，一般为3 0 m m i n 。定位速度按国3 2 曲线设 定，图中t 为剪切时 剪切时刻带尾定位时刻 时间 n t 图3 2 带尾定位速度曲线 f i g ，3 2l o c a t i o ns p e e dc u r v eo f c o i lt a i l 3 4 带尾定位长度计算方法 当带钢全部缠在卷筒上后，带尾不是可以落在带卷圆周的任意点上，而是落在 带卷圆周的一个固定位置上。这是生产工艺的要求，必须得到满足。 带尾定位过程中最重要的就是定位速度和定位长度，定位速度在前面己进行了 描述，这里主要计算定位长度。定位长度的计算在“剪切完”信号发出后开始，直 到定位完成时结束。定位长度依赖于卷径大小。 由于卷径d 比剪后夹送辊直径d 大很多，故定位长度采用以下算法。 定位长度： + 冬飞一一用( 3 - 2 ) 热，= 扛( 竿) 2 ，扣厮, a = a r cc o t ( 坠等) d 卷取机直径； d 剪后夹送辊直径： a 一两圆圆心间水平方向间距； k 一两圆圆心间垂直方向间距： a 。一两圆心连线与水平线的夹角： r 一期望的定位点偏离垂直中心线的角度 如果这段距离太短，卷取电动机在该距离之内无法实现停止，那么就必须在此 之前先缠绕一圈或几圈。下面计算卷取机缠绕的圈数。 带钢停止需要的距离： = v 2 ( 3 3 ) 式中，a 带尾定位开始时的加速度； v _ 一带尾定位开始时的速度 卷取一圈的长度： ，o = 石d( 3 - 4 ) 卷取的圈数： n = i n t ( 掣)( 3 5 ) l o 最后得到定位长度设定值为： 辽宁科技大学工程硕士学位论文3 鞍钢玲轧厂卷取系统分析 3 5 卷取控制系统中的张力控制 l = ，+ n x ，o ( 3 - 6 ) 在实际生产过程中，以鞍钢冷轧厂某轧制线为例，卷取机采用s i m o v e r t m a s t e rd r i v e 交流调速矢量控制方式，采用s i e m e n s 公司c u v c 控制基板和 t 3 0 02 1 2 艺模板相结合方式控制系统。c u v c 完成矢量控制功能，t 3 0 0 完成卷取相 应的张力控制、卷径计算、加减速补偿等工艺功能。考虑到矢量控制原理，以转子 磁通旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，可以 把定子电流的励磁电流分量i s d 与转矩电流分量i s q 变成标量独立开来，进行分别控 制，这样采用了直流电动机的转矩产生原理，回到了磁场与其相垂直的电流i s q 的 积为转矩的这一基本原理进行张力分析。 张力t 与电动机转矩之间的关系如下： m _ 旦1 2 i 式中；m 一电动机转矩； d 钢卷直径； t _ 一卷取张力； i 卷取机与卷筒的减速比。 电动机转矩m 与磁通中及产生转矩电流分量i s q 的关系 式中：k = 2 c m i ，一k x 巾 d x i ；q ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 可见，在基频以下时，中恒定，电流i s q 和转矩成正比。根据卷径的变化，通 过预定转矩参考值的变化，使在恒定的预设订点上转矩的变化是卷径变化的函数， 即电流i s q 变化是卷径变化的函数，实现了t 为恒定值的控制；在基频以上工作时， 进行恒功率控制，磁场电流与速度成反比例减少，随着磁通中的逐渐减少，产生磁 场电流分量的i s d 减少，根据电磁感应原理，定子电流l m a x 保持恒定，i s d 减少， 产生的转矩电流分量i s q 响应增大，电机电流变化与卷取电磁弱磁协调一致，使得 巾d * i s q 恒定，即实现了恒张力控制。 此卷取机为了保证轧制稳定以及减少钢卷缺陷，保证卷取张力的稳定，在卷取 的入口安装有一套a b b 张力计，实时检测带钢张力，与张力设定值形成闭环调节， 与预设定转矩一起调节，以达到张力稳定。 辽宁科技大学工程硕士学位论文3 鞍钢冷轧厂卷取系统分析 3 6 神经元自适应p i d 控制的闭环调速系统 随着被控系统越来越复杂，人们对控制系统的要求越来越高，特别是要求控制 系统能适应不确定性，时变的对象与环境。传统的基于精确模型的控制方法难以适 应要求，神经网络是由大量人工神经元广泛互连而成的网络，它是在现代神经生物 学和认识科学对人类信息处理研究的基础上提出来的，具有很强的自适应性和学习 能力，充分地将这些神经网络特性应用于控制领域，可使控制系统的智能化向前迈 进一大步。 传统的p i d 控制器具有结构简单，各参数物理意义明确，对模型依赖程度小和 工程上易于实现等优点。随着控制度不断发展，传统的建立在控制模型基础之上的 控制策略已难以适应时代发展的需要，在许多实际的工程控制中，即使在某一条件 下被确定了数学模型，由于环境、原料特性和生产量的变化，或因为各种物理参数 的改变，再叠加上各种各样的随机扰动，控制特性的变化因环境和工作条件而变化 很大。单纯采用常规p i d 控制器，很难满足系统要求。在自适应控制中，模型参考 自适应控制一直占有很大的比重，在自动导航、自动驾驶、物位控制等方面获得了 广泛应用。在模型参考自适应控制器中引入将p i d 控制策略与神经网络控制策略相 结合的控制方法，即神经网络模型参考自适应p i d 控制。在神经网络模型参考自适 应p i d 控制器中，由b p 神经网络数据系统的运行状态，不断调节p i d 控制器的三 个参数，以期实现跟踪误差的最小化，使输出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 p ( 比例控制系数) 、k i ( 积分控制系数) 、k d ( 微分控制系数) ，并 通过神经网络的自学习、加权系数白调整使神经网络的输出对应于某种最优规律下 的p i d 控制器参数，从而达到更好控制效果的目的。 由于卷曲张力控制系统是一个复杂的多变量时变系统，钢板运行速度高，在卷 曲时速度调节变化范围很大，使得卷曲张力在较短时间内与设定值间产生很大偏差， 当系统采用传统p i d 控制时会造成p i d 控制器的积分积累，引起系统较大的超调， 甚至是系统的震荡。考虑到的实用性，我们采用基于单神经元的积分分离p i d 控制 算法。单神经元作为构成神经网络的基本单位，具有自学习和自适应能力，而且结 构简单易于计算，而传统的p i d 控制器也具有结构简单、调整方便和参数整定与工 程指标联系密切的特点。将这两者结合，则可以较好地解决传统p i d 控制器不易在 线整定参数等问题、对一些复杂过程和参数慢时变系统进行有效控制。 3 6 1b p 神经网络模型参考自适应p i d 控制系统结构 模型参考自适应控制的原理是利用一可调系统( 包括被控对象) 的各种信息， 度量或测量出某种性能指标，把它与参考模型所期望的性能指标相比较；用性能指 标偏差( 广义误差) 通过非线性反馈的自适应机率来调节可调系统，以削弱可调系 统因“不确定性”所造成的性能指标的偏差，最后达到使被控获得较好的性能指标 的目的。b p 神经网络模型参考自适应p i d 控制结构如图3 3 所示。图中，n n i 为 b p 神经网络辨识器；p i d 控制器所需的三个参数k d 、k i 、k d 由b p 神经网络经调 整输出：r 为输入序列且r 有界；u 为控制输出序列：y 。为对象输出序列：y 。为参考 模型输出序列；e 1 为对象输出与模型参考输出之间的误差：e 2 为辨识器与对象输出 之间的误差。 图3 3 控制系统结构图 f i g3 3s t r u c t u r a lo f t h ec o n t r o ls y s t e m 图中参考模型要求是稳定和完全可控的，y 。为参考模型输出值，同时也是被控 对象的期望输出。控制的目的是确定控制序列l 1 ( k ) 达到。 要使神经网络产生所期望的范围，必须对其训练，即网络学习。学习时，每一 条连线都在不断地调整自己的权值，以使网络的实际输出值和期望输出值之间的方 差达到最小，学习的效果直接影响到网络的控制精度。 学习流程如图3 4 和图3 5 所示。学习过程主要由正向传播和反向传播连接加权 系数修正两部分组成。正、反两个部分是相继反复进行的。正向传播过程如图3 4 所示，开始时所有的连接权系数随机置以初值，输入信息经隐含层函数处理后，输 出到输出层，在经过相同的处理后得到输出结果。此时不可避免的输出结果会与期 望值有所偏差，则转入反向传播过程，如图3 5 所示，将实际值与网络输出值之间 的误差由原来的联络通路返回，通过修改各层神经元的联系权值，使误差减小。这 辽宁群技太学工程硕士学位论文3 鞍钢冷轧厂卷取系统分析 个过程不断反复进行，直到完成所有模式的计算，修改网络中各神经元的权值后， 再转向正向传播过程，实际输出值与期望值的误差又导致新一轮的权值修正，反复 迭代，直到误差小于给定值为止。 3 6 2 试验阶段硬件设计 图3 4b p 神经网络反传算法示意图 f i g 34 b p n e t 在系统中，调速系统采用单闭环调速，控制器采用了罗克韦尔的m i c r o l o g i x 1 0 0 0 ，具有小型、廉价而又快速高效的特点。变频器采用的是罗克韦尔的p o w e rf l e x 7 0 进行调速，采用一路数字量输入输出控制电动机的起动和停止，一路模拟量输入 输出控制电动机的调速。测速装置采用欧姆龙的光电编码器e 6 8 2 一c w z 6 c ，每转6 0 0 个脉冲，最高响应频率为1 0 k h z ，用光电编码器的a 和b 相与m i c r o l o g i x1 0 0 0 的 高速计数输入端i ：0 0 和i ：o + 1 连接。采用光电编码盘的数字测速，可以大大提高 调速系统的精度。 3 6 3 软件实现 目前，传统的p i d 调节器由于技术成熟，在过程控制中获得广泛应用。但对一 些复杂过程，参数时变系统，对稳态精度要求很高时，常需要放大系数较大，可能 使系统不稳定，加入校正装置后，系统稳定了，却又可能牺牲了快速性，因此设计 时往往需要多种手段，反复试凑，但由丁二p i d 的参数不易实时在线调整，在应用中 会影响系统的控制品质。采用神经元自适应p i d 控制，通过神经网络的自学习能力， 自动调节p i d 的参数，可使其达到最佳组合。 3 6 4 检测实现 系统采用欧姆龙的光电编码器e 6 8 2 - - c w z 6 c 进行汁数，光电编码器 e 6 8 2 - - c w z 6 c 属于数字测速型的增量式编码器，数字测速具有测速精度高，分辨 能力强，受器件影响小等优点。在本实验中采用的是m 法测速，z 为电动机每转产 生的脉冲数；m 为在一定时间t c 内测取旋转编码器输出的脉冲个数。 单神经元自适应p i d 控制器及其学习算法如下所述： u 1 ，u 2 ，u 3 是输入量，。l ，c a ) 2 ，6 33 是响应于输入的加权系数，由学习策 略和学习信号”i 决定k u 为比例因子。f ( ) 为s 型激发函数，定义了一非线形增益和 控制器输出幅值限制。 具体运算过程如下： 3 甜( 七) = u ( k 一1 ) + k 甜：( 尼) ( 尼) ( 3 9 ) = l 3 即 a u ( k ) = “( 女) 一“( 一1 ) = 世聃_ ( 女) i = l 3 c o l ( k ) = 一( ) 一( t ) q ( ) = q ( 一1 ) + 呷。e ( k ) x l ( ) ；( 女) = c 0 2 ( k 1 ) + r i p e ( k ) x 2 ( 女) 屿( ) = 鸭( 一1 ) + r i p e ( k ) x 3 ( ) 式中：u ( k ) 为第k 次采样计算机输出值：k 为神经元比例系数，k o ：w 、( k ) 为 对应x i ( k ) 的加权系数，并且有： x 1 ( k ) = e ( k ) - e ( k 一1 ) = e ( k ) ，x 2 ( k ) 2 e ( k ) x 3 ( k ) 2 e ( k ) 一2 e ( k - i ) + e ( k 一2 ) 2 2 e ( k ) ， n 。，h i 及分别为比例、积分和微分的学习速率。 因此，式( 3 。9 ) 可表示为： a u ( k ) = k c o ；( k ) a e ( k ) + k c o ：( k ) e ( k ) + k c 0 3 ( k ) a z e ( k ) ( 3 10 ) 数字p i d 控制算法的基本表达式为： m ) ：印( 卅k , t 圭呼) + 粤 m ) 叫_ 1 ) ( 3 1 1 ) i = 1 1 式中，k p 为比例系数；k d = k 。t d 为微分比例系数； 辽宁科技大学工程硕士学位论文 3 鞍钢冷轧厂卷取系统分析 k i k p t 为积分比例系数。 输入量u l ，u 2 ，u 3 分别为： “，( t ) = r p ( f ) ：( k ) = 口( 女) “，( ) = e ( k ) 一e ( k 一1 ) t = a e ( k ) 输出量为： x ( ) = 砌( q ( 砒( ) ) 怯( ) | | 删硼娴m 。器 ( 3 1 2 ) u m a x 是控制量的最大限幅值，在本控制系统中为