（计算机应用技术专业论文）基于神经网络的冷轧板带平直度控制研究.pdf

中文摘要神经网络控制是智能控制的一种典型的形式，近几年来得到了飞速的发展。尤其是对于不确知、不确定、非线性、多输入多输出等难于建立精确数学模型的复杂系统，应用神经网络控制理论，通过计算机实现神经网络控制，往往能取理想的控制效果，且所需设备简便，经济效益显著。具有良好平直度的高品质冷轧产品，是国内外冶金企业追求的目标。使用传统的控制手段控制带钢平直度时，并不能取得满意的效果，因为机械机构的变化并不能及时的反映到控制系统，并做一些修正。本文介绍了冷轧产品的平直度缺陷，并且针对这些不同的缺陷，分析了如何通过调节机架执行机构来消除这些缺陷，取得良好的板型；同时阐述了神经网络控制的基本原理、组成结构、设计原则以及自适应修改权系的算法等。本文针对冷轧平直度控制的特点，在神经网络控制器设计理论的基础上，将计算机控制技术和神经网络控制理论相结合，将自适应神经网络控制系统应用于平直度控制过程中。通过t t m l 人机接口，用离线方式培训神经网络，使其具有一定的辨识能力，然后在此基础上进行在线训练，逐步使控制达到理想状态。通过h m i 界面显示，神经网络控制输出能够快速地跟踪设定值，实时控制效果好，且稳定性及鲁棒性良好：用于实际生产中可以提高冷轧产品质量，提高冷轧的整体效益，是未来平直度控制技术的发展方向。关键词：平直度神经网络控制板型缺陷自适应控制执行机构效率a b s t r a c tn e u r a ln e t w o r kc o n t r o li sa t y p i c a lf o r mo f a ic o n t r 0 1 i th a sb e e nd e v e l o p i n ga tf u l ls p e e di nr e s e n ty e a r s e s p e c i a l l yt ot h ec o m p l i c a t e du n c e r t a i ni n d e f i n i t en o n l i n e a rs y s t e m sw i 也m u l t i i n p u t so rm u l t i - o u t p u t st h a t 眦h a r dt oe s t a b l i s hi d e a lm a t h e m a t i c a lm o d e l , n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e d a n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lb e i n gr e a l i z e di nt h a tc o m p l i c a t e ds y s t c n bt 1 1 r o u g hc o m p u t e r su s u a l l yc a ng e tai d e a lc o n 们l l i n ge f f e c ta n dt h ee q u i p m e n t sb e i n gu s e da r cs i m p l e ，r e m a r k a b l er e s u l t si ne c o n o m i cb e n e f i t sc a l ly i e l d h g hq u a l i t yc o l dr o l l i n gp r o d u c tw i t hg o o df l a t n e s si st h eg o a lo f t h ed o m e s t i co rf o r e i g nm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y u s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o dt oc o n t r o ls t e e ls t r i pf l a m e s s ，w ec a n n o to b t a i ni d e a le f f e c t b e c a u s em e c h a n i c a lo r g a n i z a t i o nc h a n g ec a nn o tr e f l e c tt ot h ec o n t r o ls y s t e mp r o m p t l ya n dm a k es o m er e v i s i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sf l a t n e s sd e f e c to f c o l dr o l l i n gp r o d u c t ,a n di nv i e wo f t h e s ed i f f e r e n td e f e c t s ，a n a l y z e sh o wt oe l i m i n a t et h e s ed e f e c t st h r o u g ha d j u s t i n gm i l la c t u a t o r st oo b t a i ng o o ds t r i pp r o f i l e i nt h es ct i m ei ts t a t e sn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l sp r i m a r yp n c i p l e 、c o n s t r u c t i o n 、d e s i g n i n gr u l e sa n dt h ea l g o r i t h m so f s e l f - a d a p t i n gf a c t s o nt h eb a s eo f t h et h e o r yo f n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l , as e l f - a d a p t i n gn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e mc o m b i n i n gc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nf l a t n e s sc o n t r o lp r o c e s s t h r o u g ht h eh m im a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，w i t ht h eo f f - l i n ew a yt r a i n i n gn e u r a ln e t w o r le n a b l ei tt oh a v es o m er e c o g n i z a b l ea b i l i t y ，t h e nc a n i e so nt h eo n - l i n et r a i n i n gi n t h i sf o u n d a t i o n , g r a d l | a l l ye n a b l e st h ec o n t r o lt oa c h i e v et h ep e r f 鳅c o n d i t i o n d e m o n s t r a t e dt h r o u g ht h eh m im a c h i n eh u m a nh n 朗 b c c t h en c l n en e t w o r kc o n t r o lo u t p u tc a nf a s tt r a c kt h ei n i t i a lv a l u e t h er c a l - t i n mc o n t r o le f f e c ta n dt h es t a b i l i l ya n dr o b u s t n e s sa r eg o o d i tc d e a s et h ec o s to fp r o d u c t i o na n di n c r e a s et h et o t a lp r o f i li t i st h e f u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f f l a m e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y f l a m e s s ，n e u r a ln e t w o r kc o m r o l ，s a i pp r o f i l ed e f e c t ,s e l f - a d a p t i n gc o n t r o l ，m i l la c t u a t o r se f f i e n c i e s独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：承衫纯签字日期：铆毋锌汐月形日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丕奎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：弘侈澎导师签名：凹云声5签字日期：7 硎6 年月衫日签字日期：。石年汐月彩日天津大学硕士学位论文第一章引言1 1 选题背景1 1 1 平直度控制的意义第一章引言作为国民经济基础的冶金工业，正朝着提高质量、增加品种、提高效益的方向努力发展。在电子信息技术高度发展的今天，如何利用电子技术来改造传统的冶金工业，以提高产品的质量和竞争力，这是冶金行业必然要采取的一项关键措施。在板带生产中，对汽车钢板、镀锡钢板、硅钢板以及航空铝板等冷轧薄板的平直度有很高的要求，用户对冷轧板带的要求是具有良好的平直度。但是平直度不仅是冷轧产品的重要性能特征之一，而且对于轧制过程自身来说，也是非常重要的。因为轧制在板带宽度方向上没有平直的板带，就会增加该方向的张力分配不均匀，这可能导致断带。因此，在薄带材生产中，板形控制是一个不可缺少的环节。平直度控制的目的是设置期望的板带张力分布，以便得到相同的延伸率。为了完成这一目的，平直度控制有一些执行机构。对于不同厂商提供的轧机设备，可能执行机构名称略有区别，但执行机构改善板型的目的是致的。下面以国内某钢厂六辊五机架轧机为例，说明其执行机构。支撑辊压下倾斜系统工作辊弯辊系统中间辊弯辊系统中间辊c v c 窜辊系统工作辊多区冷却系统1 1 2 平直度检测设备现状板型检测仪可以实时的检测冷轧板带的平直度，安装后可以及时的调整轧辊工作方式及冷却方式，极大的提高冷轧扳带的产品质量和自动化生产程度。板型检测仪分为两大类，非接触式动态板形检测系统和接触式板型检测仪。非接触式板形仪是指在专用传感器与带材不接触的条件下检测出带材板形。其采用的检测方法主要有；电磁法、光学法、测振法、测挠度法及弹性辊变位测距法天津大学硕士学位论文第一章引言等。1 ) 光学法：用高精度激光测距传感器测定钢板特定测量线上板形的起伏变化量，自动测量浪高和浪距，进而计算出各种平直度指标。测距传感器由计算机控制，可以在x 与y 方向的导轨上移动，测量不同地点的板形。可测量板材( 边浪、中浪等几条线) 和整个板材表面的平直度指标。2 ) 测振法该类检测方法可以细分为测振幅法和测频法：测振幅法：在给带钢施加张力后，带钢表面看起来是平直的，但带钢在高速运动中，受到轧机冷却液及空气介质等施加的影响，不断的发生弹性振动。通过测量带钢的振幅可以算出带钢的翘曲度。3 ) 人工神经网络模式识别法：该方法是在上述的检测方法基础上采用人工神经网络建立一个板形分析系统，该板形检测分析系统的信号检测方法，仍采用电涡流测振式传感器来测量板带的振动频率、振幅，由此得出板带振动的特征值。然后利用人工神经网络来分析板带振动的特征值与实际反馈板形的关系，得出识别后的连接权矩阵，并用此矩阵来预报在线板形情况，从而消除干扰、提高预报精度，从检测精度可见，此方法完全可以满足实际板形测量的精度要求。具有检测方便、分析方法简单、检测精度高的特点。4 ) 接触式和非接触式板形仪比较：接触式的优点：l 、信号检测直接，信号处理比较容易保真；2 、测量精度高，现在已经达剑o 5 i 单位( 实际产品有3 o i 单位就可以满足高标准要求) 。接触式的缺点：l 、造价高、配r ：昂贵，每套售价为l i ：接触式的3 5 倍以上；2 、辊而磨损后必须重新扣磨，否则会划伤板而，重磨后须进行技术要求很高的重新标定。非接触式的优点：1 、硬件结构相对简单而易于维护，l 太| 而其造价及配件要便宜的多；2 、传感嚣为非传动件，安装方便：3 、州为f 感器小和板向接触而避免了划伤饭面的可能。非接触式的缺点：天津大学硕士学位论文第一章引言1 、板形信号为非直接信号，处理精度为2 5 1 单位左右：2 、信号处理技术要求高，难度大，增加了软件编写、调试费用。从近年来板形检测方法的研究专利公布情况来看，非接触式动态板形检测方法的研究一直受到研究工作者的青睐。非接触式板形检测方法的难度在于信号处理技术，随着计算机技术及信号处理技术的发展，必将进一步提高非接触式板形检测方法的检测精度。通过上述对比分析，目前接触式板型测量设备技术很成熟，精度很高，应用很广。而非接触式动态板形检测装置目前正处于高速发展期，目前国内大钢厂没有普及使用。所以本文还是以接触式板型测量设备b f i 板形测量系统，作为依据论述的。德国西门子公司b f i 研究院开发了新型高精度的b f i 板形测量系统。世界上第一次在板形测量辊上采用压电晶体传感器测量压力。掰型测量辊是在一个整体实心圆柱上挖出一些小孔，在小孔中埋入压力传感器，并由螺栓固定。特种螺栓对传感器施加的预应力使其处于线性测量范围之内，通过中心孔可将所有的传感器和测量辊体之间有1 0 3 0 l j m 的间隙，如图1 - 1 所示。间隙的密封采用的是v i t o n一0 环。这样的构造能避免测量辊弯曲时对传感器产生的干涉力“1 。出钢带产生的径向力fp q 槽测力传黪器图1 - 1b f i 平直度辊传感器安装1 2b f i 平直度检测仪平直度值的获取和处理1 2 1 平直度测量原理平直度的测量是通过如下原理获得的，即：如果板带的延伸率相同，则板带在宽度方向上不同离散点的张力应该相同。所以通过设置测量辊测量板天津大学硕士学位论文第一章引言带的局部张力，就可以测出板带的平直度。当板带通过转向测量辊时，会产生一个对辊的向下压力f r ，i ，由此压力可以计算出板带的张力f t ，i 来。通过在板带宽度方向上测量若干个点，就可得出板带的平直度。如果在板带宽度方向上的压力不统一，相应的板带张力也是不统一的。随着板带的运行，离散的测量轧制方向上不同点的张力，就会得到板带在不同点的平直度。如图1 - 2 所示：图! - 2 平直度测量原理其中：f t i 为板带不同测量区的张力f t e n s i n 为板带总张力由于对辊的向下压力f r , i 的测量精度要求很高，所以在测量辊上一般使用压电式传感器，这种传感器将物理压力转换为电荷，电荷秀通过一个放大器转换为对应物理压力比例的直流电压。1 2 2 平直度信号的获取从测量辊获取平直度信号到送入控制系统，一个总体描述如图卜3 所示：从测量辊获得平直度信息，通过p c m 编码单元，使用t c p i p 网络送入控制器。控制器使用某种算法处理后，将处理的结果信号送入现场执行机构，以便得到期望的平直度。天津大学硕士学位论文第一章引言平直度控制嚣图1 3 平直度信号获取件的命令针对图1 - 3 我们可以划出一个更加详细的信号流程，如图l - 4 所示：其中电荷放大器，多路选择器，a d 转换器，平直度信号p c m 编码器，光电隔离转换和位置传感器都固定在测量辊上。最多8 个压电传感器可以组合到一个通道，并被分配到一个电荷放大器。压电晶体传感器以均匀的间隔安装在测量辊圆周面。因此每个测量值的位置必须精确的记录。在此，用增量位置传感器记录测量值的位置。p c m 单元将测量值及其位置组合起来发送。从放大器输出的模拟信号通过a d 转换器数字化，然后经过光隔送入测量辊的接口卡，再用串行连接送入控制柜内的p c m 解码单元。每当测量辊转一周，p c m 解码单元就给控制器送入一个完整的数据集合一个t c p i p 报文。控制器和p c m 解码单元之间的通讯采用直接点对点通讯，p c m 解码单元直接连接到控制器的t c p i p j i 匝讯卡上。控制器接收到测量数据后，进行更进一步的处理，然后将控制执行机构的信号送入执行机构控制单元。在该系统中执行机构控制单元为支撑辊压下倾斜系统、中间辊弯辊系统、工作辊弯辊系统、中间辊窜辊系统、以及工作辊多区冷却系统1 2 j 。天津大学硕士学位论文第一章引言砒篡一量僵蜥黻鲁丹翅羹转丧光啊转撬图1 4 平直度测量信号的获取1 2 3 平直度信号的转换在正常轧制时，平直度测量系统设定为测量模式。当平直度测量辊每旋转一周时，p c m 解码单元向平直度处理器发送一套数据报文，该数据报文包含每个区域的径向轧制力和用于诊断目的一些数据。平直度控制器将会对这些径向轧制力用该区域的标定因子( 下一节描述) 进行修正。实际轧制过程中，为了修正因带钢中部隆起而引起的测量值偏差，每个测量区实际测量的径向轧制力f ( i ) ，转换为标幺的径向轧制力o ( i ) ，也就是每个区域的单位张力1 2 l 。盯( f ) ：型!。h ( 0 4 b ( o器鬟瓣另外，还会求取每个测量区域平均单位张力0 ( i n ) ，以便获得每个区域单位天津大学硕士学位论文第一章引言张力与平均单位张力的偏差。z “y 似，)l 7西=竺垄!( z a s z 3 s + l 、c k ：所有区麓的单位张力平均值基：霉谳鞴槐锕z a s ：传动铡膏一十被占用的区域案引号如果带钢每个区域的张力o ( i ) 与o ( 1 1 1 ) 的偏差为零，那么该板带有很好的平直度，板带的延伸率非常均匀，是冷轧板带努力争取的目标。据此，板带张力分布的d e l t as i g m a 可依据如下方程求得：a c t ( 0 ：鲤) 二竺旦西爿a 吠f 1文f ) ：函：f z ：a ：每个区域豹垣痔强力馕差每个区域静革位强力测量蕴域赫手均蕈控张力振苍张力扳带横藏西积依据ao ( i ) 可以计算出1 1 ，用于在i b a i 上显示目的板带平直度。a ( i ) 一a o f j = )t i其中e m 是板带的弹性系数，由二级控制系统根据板带特性下达。1 3b f i 平直度测量辊的标定b f i 平直度测量辊同其他的传统仪表类似，也需要进行标定。特别是在更换新辊或测量值有误差时，需要对其进行标定。标定的目的是为每个测量区设定一个因子。当正常生产时，用相应区域的测量值再乘以该因子得到板带对该区域的压力。标定时通过在h m i 启动标定过程开始，然后使用专门的标定装置进行标定。标定装置具有可移动的框架，通过该框架可以在不同测量区域施加固定的标定压天津大学硕士学位论文第一章引言力，使得压电晶体传感器接收到该压力。当标定某个区域时，该区域的标定因子= 旌加的固定标定压力该区域测得的压力。当从删i 上切换到标定模式时，对每个测量区域施加了标定压力后，p c m 编码单元便发送一个完整的t c p i p 报文到平直度控制器，该报文内容包括标定压力，标定因子，以及标定时实测的压力。1 4 本课题的研究内容本文针对几十年来冷轧生产工艺的研究和进展，对冷轧生产过程中影响平直度的几个因素进行了分析。对于平直度缺陷进行了分析，并且根据这些平直度缺陷，论述了如何调节轧机的相关执行机构，使得板带平直度偏差最小化。为了调节执行机构的动作，给出了控制执行机构动作的算法，并提供了关键的软件控制图。因为冷轧产品平直度的影响因素是一个多输入复杂的过程，从传统的控制方法来做是非常困难的，而且由于生产过程中随着轧机设备的特性变化，传统的控制方法是无法反映出这些变化的，从而无法准确的控制板型。针对冷轧的生产控制过程的特点，用神经元网络自适应的方法，以对冷轧生产过程中的板型进行智能控制，并采用西门子s i m a t i cm a n a g e r 软件集成环境编程。经过系统实际运行，证明该系统具有在运行状态在线改进控制决策的特点，其控制输出能够快速地跟踪设定值，实时控制效果好，且稳定性及鲁棒性良好；同时提供修改控制参数的接口，系统非常灵活，用于实际生产中可以降低冷轧的生产成本，提高冷轧的整体效益。天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介本文所依据的冷轧生产线具有国际领先水平，是酸洗轧机联合的连续生产线，由德国西马克公司总承包，电气控制由西门子提供。轧机采用西马克六辊c v c + * l 机，整个轧机系统有五架c v c + * l 机。一机架轧机出入口配有i m s 测厚仪各一台，五机架出口配有两台i m s 测厚仪，以作为冗余系统。五机架测厚仪后配有b f l 平直度测量辊一个，进行板型的监测，为板型反馈控制提供输入。如图2 - l所示。2 1 冷轧板型缺陷定义图2 - 1 轧机配置简图板型缺陷是由于板带在宽度方向上没有统一的延伸率，在失去张力的情况下，板带会出现浪形。如果将延伸率不同的板带从纵向切成不同带条，这些带条就会呈现不同的长度。如图2 2 所示。所以，用不同的延伸率来度量板带的平直度。天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介丝穰= 适舒长中_ 短中i l = 中阚长地锻图2 2 不同的延伸率导致不同的浪形平直度的定义a l l ，其中l 为期望的带钢延伸率和带钢延伸率的差，l为期望的带钢延伸率。该结果是一个比较小的值，为了更方便于处理，引入了另外一个单位i u n i t 。1 1 u n i t = i e 6 * a l f l l 3 l 。2 2 引起板带平直度偏差的原因如果工作辊辊缝形状不匹配，则进入轧机的板带形状就会出现平直度偏差。更进一步来讲，由于以下因素平直度偏差还会加大。2 2 1 原料原因对于冷轧生产线来说，金属流向除了切边以外，都是纵向的。因此，可以说，冷轧成品在宽度方向上的厚度分布与原料卷在宽度方向上的厚度分布是一致的，如果原料卷的平直度很差，那么冷轧成品的平直度就不好控制。因为对于产品的要求，除了平直度以外，还有厚度要求。所以如果原料卷质量太差，则这两个要求对于执行元件的设定值叠加抵消，就会出现不能控制好板带平直度的结果。2 2 2 其他原因1 ) 轧辊的不正确调节2 ) 轧辊的加工偏差天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介3 ) 轧辊磨损4 ) 工作辊在轴向的温度不同5 ) 板带硬度不同2 3 板型缺陷常见的板型缺陷有以下几种：弓型，中浪，边浪，中间长，局部纽扣波纹等等。如图2 3 所示，说明了常见的平直度偏差及相应的延伸率分布 4 1 。平1 度差板带延伸牢弓形中谴边澶图2 3 平直度偏差及相应的延伸率分布但是在实际生产中，板带缺陷并不是单一出现的，而是同时出现多个缺陷，如图2 4 所示。k 溘muu 田囱国囡团天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介平i 度羞中洼图+ 图+ 囤= 图la + u + i | 衄血k =图2 4 实际生产中的可能板带缺陷2 4 修正板型缺陷的执行机构根据检测的板型缺陷，在五机架冷轧连轧机组中通过调节第五机架工作辊辊缝形状，来达到调节板型的目的。为了调节辊缝，西马克c v c + 轧机提供了如下执行机构。支撑辊压下倾斜系统工作辊弯辊系统中间辊弯辊系统中间辊c v c 窜辊系统工作辊多区冷却系统2 4 1 支撑辊压下缸倾斜系统支撑辊倾斜是指在特定条件下，操作侧和传动侧h g c 缸压下时有不同的量，从支撑辊中心构成一定的倾斜角，即构成楔形辊缝。平直度控制系统通过支撑辊的倾斜构成工作辊楔形辊缝，从而控制非对称的平直度缺陷，即平直度缺陷为弓形的可通过倾斜予以改善。在该轧机系统中，操作侧和传动侧的支撑辊压下量是通过s o n y 磁尺来检测的，磁尺精度很高，可达到每个脉冲0 0 0 0 1 m m 的分辨率。但是由于机械设备原因，倾斜被限定到一定的范围内。最大的倾斜值可达6 m m ，为了安全原因，最大倾斜值被限定在正负1 5 m m ，从操作侧到传动侧为3 r a m 的最大倾斜值。天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介2 4 2 弯辊系统中间辊和工作辊弯辊系统是由安装在轧辊两侧的液压缸来驱动，通过正弯和负弯使辊产生一定的形变，改变了辊的凸度，达到调节工作辊辊缝的目的。如图2 5 所示【4 1 ：图2 5 弯辊辊缝形状通过调节辊的正弯和负弯，可以改善平直度中浪和边浪缺陷。在该机架系统中，弯辊量是由安装在液压缸杆侧和塞侧压力传感器来检测的。当弯辊控制器在接收到平直度控制器传来的设定值对，利用p i 调节器来向伺服阀输出给定值，进而驱动设备动作。如图2 6 所示。单独对于工作辊和中间辊弯辊系统来讲，每个系统装设压力传感器4 个，操作侧和传动侧的杆侧和塞侧压力。图2 - 6 中p d 和b d为压力传感器。伺服阀一个，当给以正给定时为正弯，给以负给定时为负弯【2 】。天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介2 4 3 中间辊c v c 窜辊系统图2 6 弯辊系统c v c ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l ec r o w n ) 轧辊。就是连续可变凸度轧辊，其辊身曲线呈s 型，图2 7 给出了c v c l 辊的辊系布置及其工作原理。两个外形相同的轧辊相互倒置1 8 0 。布置，通过两辊沿相反方向的对称移动，可获得从中凹到中凸连续变化的辊缝形状。c v c $ l 辊半径坐标y ( x ) 可用一个三次多项式来表达如下。1 ：y ( x ) = a o + a lx + a 2 x2 + a 3 x3式中：上工作辊：x = x下工作辊：x = 2 l xy ( x ) 上( 或下) 工作辊x 点处的半径a 0 3 _ 一多项式系数2 i 轧辊辊身长度传动侧操作侧图2 7 c v c 辊原理i下辊天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介对于中间辊窜辊系统来讲，当上辊向传动侧移动而下辊向操作侧移动时，即窜辊负向窜动时，辊缝形状为中间变大，两边变小。反之，当上辊向操作侧移动而下辊向传动侧移动，即窜辊正向窜动时，辊缝形状中间变小，而两边变大。所以根据板型检测仪测量的板型，通过调节窜辊量，可以有效的连续改变辊缝的形状，进而改善板型。窜辊移动和弯辊动作与改善的板型缺陷之间的关系如图2 - 8所示【2 】敌平1 度差髀手段一边纽扣缺陷+垃樵oo瓤j)oo)(oo)()()()()(oo鬻曩。oooo一1( 二) o ) o () o ( 二)1) o ( = )( 二) o ) o ( o (图2 8 窜辊移动和弯辊动作与改善的板型缺陷之间的关系但是窜辊轴向移动速度和工作辊旋转速度是有关的，这是因为一方面轴向移动时增加了轴向压力，此压力不能超过最大值；另一方面窜动时不能损坏辊面。他们之间的函数关系如图2 9 曲线所示：图2 9 窜辊速度和工作辊旋转速度的关系天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介2 4 4 工作辊多区冷却工作辊多区冷却是基于金属辊面的热胀冷缩原理，通过给辊表面不同区域喷吹不同量乳化液，就会在辊面形成不同凸度，因此会灵活的改变辊缝形状。在该系统中，将上下工作辊面共分成5 0 个区域，每个区域都对应有一个喷头，而每个喷头喷乳化液的量由一个气动导向阀控制。如图2 1 0 所示。当平直度控制器发出多区冷却给定时，将相应区域的给定量送入导向阀，此气动导向阀可以在给定范围内连续调节，进而向辊不同区域喷吹不同量的乳化液。导向阀直接通过p r o f i b u s 总线与平直度控制器相连。自# 目j 自i 硼# ；确锻女e 嗍：忱fp 岫i ￥扎f 嘲1 札e 舶札t 铺女图2 1 0 多区冷却导向阀及喷头在图中e 行为多区冷却喷头分布，其中上下辊各2 5 个。f 行为辊缝润滑喷头，用于在轧辊和板带表面之间保持一层乳化液膜。2 5 平直度执行机构总结带钢平直度偏差经过计算分析，可以表现为以下几种( 这几种因素可能同时存在) 。( 1 ) 偏差值呈由大到小( 或由小到大) 顺序的线性分布；( 2 ) 偏差值呈两边对称的二次曲线分布；( 3 ) 偏差值呈对称的四次曲线分布；( 4 ) 非对称的局部偏差值支撑辊压下倾斜仅影响平直度偏差的线性部分。中间辊的轴向窜动影响平直度偏差的二次曲线部分。而弯辊系统主要影响平直度偏差的四次曲线部分，这主要是因为弯辊调节时，对带钢的边缘影响要比中间大的多。工作辊多区冷却影响不对天津大学硕士学位论文第二章冷轧板型缺陷及解决工艺简介称的局部的平直度偏差，但多区冷却由于热传导的滞后性，所以控制结果在秒级才能生效，因而在设计它的控制器时将采用p l 调节器。2 6 本章小结本章首先介绍了冷轧板带平直度的定义，即在宽度方向上的延伸率的差值l 与板带期望的延伸率l 之比为平直度的度量。为了便于处理，平直度的单位是i - u n i t 。1 i u n i t = l e - 6 l ，l 。第二，介绍了造成平直度偏差的原因：首先与热轧板也就是与冷轧原料有很大关系。其次轧辊的不正确调节，轧辊的加工偏差，轧辊磨损，工作辊在轴向的温度不同，板带硬度不同等也会造成平直度偏差。第三，介绍了几种常见的板型缺陷：弓型，中浪，边浪，中间长，局部纽扣波纹等，并对这些缺陷的延伸率进行了分析。第四，针对上述板型缺陷，西马克六辊c v c + 轧机提供了改善板型的执行机构：支撑辊压下倾斜系统，工作辊弯辊系统，中间辊弯辊系统，中间辊c v c 窜辊系统，工作辊多区冷却系统，并对这些执行机构的工作原理进行了比较深入的分析，同时，对这些执行机构如何改善板型进行了探讨。总之，为了得到冷轧板带良好的板型，除了原料卷轧制断面均匀的延伸外，还应在冷轧过程中，通过有效的调控上述执行机构，改变实际轧制时的辊缝形状，尽可能快速、精确的达到预给定的轧制条件，使得冷轧带钢具有良好的板型。至于怎样对执行机构进行有效的调节，则是后续章节讨论的主题。天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型第三章神经网络控制模型3 1 人工神经网络的概念和特征3 1 1 人工神经网络简介随着人类对于人脑结构和人类思维判断过程认识的不断深化，白2 0 世纪4 0年代起在自然科学领域中逐步开发、发展起了人工神经网络。人工神经网络的英文名称是：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) ，是一种具有模拟人类大脑形象思维、联想记忆和信息分布存贮的非线性方法，是在对大脑的生理研究的基础上，用模拟生物神经元的某些基本功能元件( 即人工神经元) ，按照各种不同的联结方式组成的一个网络。3 1 2 人工神经网络的特征( 1 ) 大规模并行处理。大脑神经元接受和传送的信号称为是模拟信号，各个神经元接受和传送模拟信号是同时进行的，正因如此，大脑是一个大规模并行模拟处理系统，大脑的计算就是建立在这个大规模并行模拟处理基础之上的。包括了大量人工神经元的人工神经网络实行信息的大规模并行处理，极大地提高了网络的性能。( 2 ) 信息的分布式存储和容错性。大脑对信息的记忆是通过改变突触( s y n a p s e ) 的联接强度来实现的。也就是说，除神经元的状态所表现出的信息外，其他信息被以神经元之间联接强度的形式分布存放。信息的大规模分布存放给信息的充分并行处理提供了良好的基础。同时，这些特性又使系统具有了较强的容错能力和联想能力。( 3 ) 良好的自适应性、自组织性。人工神经网络使用不同的训练、学习过程，可以自动从这种学习“实践”即：按样本训练过程中获取相关知识，并存放在系统内，人工神经网络可以学会按要求产生它从未遇到过的模式。( 4 ) 具有较强的学习、记忆、联想、识别功能等。人工神经网络可以通过训练和学习来获得网络的权值，具有很强的自学能力和记忆、联想、识别能力。正是因为具有上述特点，人工神经网络可以用在模仿视觉、甬数逼近、模式识别、分类和数据压缩等领域，是近年来人工智能计算的一个重要学科分支。它涉及生物、电子、计算机、数学和物理学科，有着非常广泛的应用背景，这门学科的发展对目前和末来的科学技术的发展有重要的影响。天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型3 1 3 人工神经网络的发展人工神经网络的研究始于4 0 年代初。半个世纪以来，经历了兴起、高潮与萧条、高潮及稳步发展的极为曲折的道路。美国生物物理学家j j h o p f l e l d 于1 9 8 2 年、1 9 8 4 年在美国科学院院刊发表的两篇文章，有力地推动了神经网络的研究，引起了研究神经网络的又一次热潮。1 9 8 2 年，他提出了一个新的神经网络模型：h o p f i e l d 网络模型。他在这种网络模型的研究中，首次引入了网络能量函数的概念，并给出了网络稳定性的判定依据。1 9 8 4 年，他又提出了网络模型实现的电子电路，为神经网络的工程实现指明了方向，他的研究成果开拓了神经网络用于联想记忆的优化计算的新途径，并为神经计算机研究奠定了基础。1 9 8 4 年h i n t o n 等人将模拟退火算法引入到神经网络中，提出了b o l t z m a n n 机网络模型，酬网络算法为神经网络优化计算提供了一个有效的方法。1 9 8 6 年，d e r u m e l h a r t 和j l m c c l e l l a n d 提出了误差反向传播算法，成为至今为止影响很大的一种网络学习方法。1 9 8 7 年美嗣神经计算机专家r h e c h t - - n i e l s e n 提出了对向传播神经网络，该网络具有分类灵活，算法简练的优点，可用于模式分类、函数逼近、统计分析和数据压缩等领域。1 9 8 8 年l o c h u a等人提出了细胞神经网络模型，它在视觉初级加工上得到了广泛应用。3 1 4 人工神经网络的应用人工神经网络的研究可以分为三大块。一是理论模型；二是应用；三是实现技术。理论模型的研究是最根本的。实现技术上更是困难，进展最慢。目前很多人都倾向于用大规模集成电路来实现。总的来说，神经网络的应用领域很广，包括金融、股票预测、自动控制、机器人、模式识别、计算机视觉和图像处理、信号处理等等。1 9 8 9 年a d e li 和y e h 首次把神经网络用于结构工程的研究领域，采用一个没有隐含层的感知器描述了结构设计问题，并提出了相应的机器学习模型，为结构设计和分析提供了一种新的智能方法。1 9 9 0 年v a n l u c h e n e 和s u n ，h u n g 和a d e l i 等进一步讨论了b p 网络的结构j 二程中的应崩。1 9 9 4 年h e g a z y 提出一个实片l 的b p 网络应用框架解决了结构工程中的麻用问题，使神经网络成为结构分析中的重要手段。为了改进网络使用性能，1 9 9 3 年h d e li 和h u n g 提出了基于多微处理机的b p 网络并行算法，以解决网络学爿速度慢难以适应大型工程结构分析的0 d 题，1 9 9 4 年他们又提出了自适应共轭梯度算法，进一步提高了多层b p 网络的训练速度，推动了神经网络在结构工程中的应用。由于人工神经网络具有很强的非线性多变量数据的能力，已经在多组分非线天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型性标定与预报中展现出诱人的前景。人工神经网络在工程领域中的应用前景也越来越宽广。3 1 5 人工神经网络的基本原理首先介绍一下生物神经元结构：神经元细胞有一条轴突和若干树突。神经元细胞通过轴突与其它细胞的树突相连接。神经元细胞通常有两个状态，为激发态和抑制态。激发态时，通过轴突传出信号给其它的神经元细胞。最常见的人工神经元将神经细胞简化为一个具有n 个输入和一个输出的函数。n 个输入对应n 个不同的权重，它们的加权和作为一个输入，然后做简单的阈值判断或者s i g m o i d 函数。对于每层每个人工神经元来说，它可以接受一组来自系统中其他神经元的输入信号，每个输入对应一个权，所有输入的加权总和决定该神经元的激活( a c t i v a t i o n ) 状态。这里，每个权w 就相当于生物神经元问突触的“联接强度”。( 1 ) 人工神经元网络模型将前面介绍的神经元通过一定的结构组织起来，就可构成人工神经元网络。神经元的不同以及连接方式的不同，可以有各种各样的人工神经网络。按照神经元连接的拓扑结构不同，可分为分层网络和相互连接型网络。分层网络是将一个神经元网络模型中的所有神经元按功能分为若干层，一般有输入层、中间层和输出层。相互连接型网络是指网络中任意两个单元之间都可以相互连接。人工神经网络是由模拟神经元组成的，可把a n n 看成是以处理单元p e ( p r o c e s s i n ge l e m e n t ) 为节点，用加权有向弧( 链) 相互连接而成的有向图。其中，处理单元是对生理神经元的模拟，而有向弧则是轴突突触树突对的模拟。，- y 一：，、，? 、。，一，一。、- 。，t，“。- 一t 、t图3 一1 人j 二神绎嘲络的组成天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型有向弧的权值表示两处理单元间相互作用的强弱。图3 1 表示a n n 的组成略图。图中，来自其它神经元的输入乘以权值，然后相加。把所有总和与阈值电平相比较。当总和高于阈值时，其输出为l ；否则，输出为0 。( 2 ) a n n 的数学描述嘲令来自其它处理单元( 神经元) i 的信息为x i ，它们与本处理单元的互相作用强度为w i ，i = 0 ，l ，n l ，处理单元的内部阈值为0 。那么本神经元的输入为昌乙h 而而处理单元的输出为y ，匹嗍而一回式中，x 为第i 个元素的输入，w i 为第i 个元素与本处理单元的互联权重。f 称为激发函数( a c t i v a t i o nf u n c t i o n ) 或作用函数。它决定节点( 神经元) 的输出。该输出为1或0 取决于其输入之和大于或小于内部阈值0 。激发函数一般具有非线性特性。常用的非线性特性如图3 - 2 所示，分述如下：阈值型对于这种模型，神经元没有内部状态，激发函数为一阶跃函数，如图3 - 2 ( a )所示。这时，输出为：取沪u ( x 沪r1 , x i 0lo ，x 三抑f (f (f“)图3 - 2 常用n n 输入输出特性分段线性强饱和型见图3 - 2 ( b ) 。s i g m o i d 型激发函数称为西格莫伊德( s i g m o i d ) 函数，简称s 型函数，见图3 - 2 ( c ) 。其输入输出特性常用对数曲线或正切曲线等表示。这类曲线反映了神经元的饱和特性。s 型函数是最常用的激发函数，它便于应用梯度技术进行搜索求解。天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型3 2 反向传播b p 网络算法及其改进3 2 1b p 神经网络b p 神经网络是当前工程领域应用最广泛的一种人工神经网络，它的基本原理是：神经网络在组成时，各个神经元通过一定的权值相连，神经网络在使用之前必须确定这些权值，而没有经过训练的神经网络的权值是没有任何意义的，神经网络的学习过程就是通过已知数据确定权值的过程。即通过这些权值使神经网络具有了一定的记忆功能，可以对数据的规律进行记忆( 信息保存在权值中) ，从而可以用于以后的预测。b p 神经网络由输入层，输出层以及- - n 多个隐含层组成，输入信号从输入节点，依次经过各隐含层，最终到达输出节点。b p 算法由四部分组成。输入模式是由输入层经隐含层向输出层的“模式顺传播”过程。网络的期望输出与网络的实际输出之差的误差信号由输出层经隐含层逐层修正连接权重值的“误差反传播”过程，由“模式顺传播”与“误差反传播”的反复交替进行的网络“记忆训练”过程，网络趋向收敛即网络的全局误差趋向极小值的“学习收敛”过程。如图3 3 所裂5 】。图3 3 反向传播算法框图天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型b p 学习规则有时也称为广义规则，采用6 梯度法，使目标函数最小化：m i n e = m i n ( t a r g e t j m e t o u t j ) 2( 3 1 )广义d e l t a 规则算法是一种使用平方误差最小的迭代梯度下降方法。它采用一种称为动量( m o m e n t u m ) 方法来加速训练，动量是一种加到已调整的权重因子上的额外权重。通过加速权重因子的变化提高训练速度。广义d e l t a 规则采用偏置函数( b i a sf u n c t i o n ) 代替内部阈值。在进行节点求和时，加上偏置函数。b p 学 - - 算法的步骤如图3 - 4 所示”：，lcccabc图3 _ 4 三层反向传播网络s t e pl ：在一1 + 1 之间给权重嘞和k 随机赋值。在广义d e l t a 规则中，所有隐含层与输出层的阈值必须为1 ，即t ( 2 ，j ) = t ( 3 ，七) = ls t e p2 ：将输入层矢量送入神经元网络，根椐下式计算1 层的输出：工，：i ，一五，：i ，一0 ：i ，( 3 - 2 )a t2 百孑s t e p3 ：已知1 层的输出，用下式计算2 层的输出：lq = 厂( ( q ) + 瓦，) ( 3 - 3 )t = l其中，( ) 为s i g m o i d 函数。s t e p4 ：已知2 层的输出，根据下式计算输出层的结果：q = ，( ( ”_ t ) + 五。)( 3 4 )j = ls t e p5 ：对于送入输出层的m 个训练模式继续s t e p1 4 ，根据下式计算总的平方误差：天津大学硕士学位论文第三章神经网络控制模型e = ( 露一譬) ( 3 5 )其中膨为送入输出层的训练模式数，行为输出层的处理单元数，为第坍个训练模式在第1 个处理单元上的期望输出值，得：其中，( ) 为s i g m o i d 函数s i g m o i d 函数的偏微分为：髭- ( a t c 7 ) 丢( ) = 古( 3 6 )(