（控制科学与工程专业论文）铝板带材冷轧机板形板厚解耦控制策略的研究.pdf

摘要 板形与板厚是决定铝板带材几何尺寸精度最为重要的两大质量 指标，厚度自动控系统( a g c ) 是为了保证铝板带材纵向厚度的精度， 板形自动控制系统( a f c ) 是为了获取铝板带材横向厚度的均匀性和良 好的平直度。经过几十年的发展，板形控s j j $ 1 板厚控制已经达到了较 高的控制精度。然而板形板厚控$ i j ( a f c a g c ) 系统实际上是一个耦合 的复杂多变量控制系统，在铝板带材冷轧生产过程中，板厚控制和板 形控制本质上都是对轧制过程中有载辊缝的控制，两者存在很强的耦 合关系，实现板形板厚的解耦控制己经成为一个进一步提高控制精度 急待解决的难题。 板形板厚的耦合作用更多地表现为一个实时、动态作用过程，为 此从a f c a g c 系统的耦合机理出发，系统深入地研究了系统的动态 耦合模型及相应的动态解耦控制策略，并结合仿真试验结果，在生产 轧制实践中验证了上述理论研究的正确性，提高了铝板带材轧制生产 质量。主要研究内容如下所述： 研究将板形控制和板厚控制系统作为一个整体来考虑，建立了 a f c a g c 动态数学模型。针对a f c a g c 系统动态数学模型，应用 不变性原理并结合p i d 控制算法对a f c a g c 系统进行了解耦控制， 应用s m i t h 预估器对纯滞后环节进行处理，仿真结果表明解耦控制效 果良好，减小了板形板厚控制的耦合影响；当系统在运行过程中模型 参数发生变化时，解耦控制性能会变差，基于模型参考自适应控制和 解耦控制理论，提出了多变量自适应解耦控制方法，有效解决了解耦 过程中系统模型参数的不确定因素影响控制性能的问题，仿真结果表 明该控制策略提高了解耦控制精度；由于设定控制是a f c a g c 系统 动态控制的起点，影响系统动态控制效果，为此，建立了基于设定控 制的静态耦合模型，提出了板形板厚设定补偿解耦控制方法，形成了 比较完整的板形板厚解耦控制策略。 上述研究成果对于板带材s l $ l j 生产过程具有一定的普遍意义，对 板形板厚解耦控制理论的实际应用有很好的参考价值。 关键词板形板厚控制系统，不变性原理，解耦控制，模型参考自适 应，设定控制 a bs t r a c t a sw ek n o w , s t r i pf l a t n e s sa n dg a u g eg e o m e t r yd i m e n s i o na c c u r a c y a r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r so fp r o d u c tq u a l i t y t h ea u t o m a t i cg a u g e c o n t r o l ( a g c ) s y s t e mc a ng u a r a n t e et h ep r e c i s i o no ft h ev e r t i c a l t h i c k n e s so fa l u m i n o u sb o a r da n ds t r i pa n dt h ea u t o m a t i cf l a t n e s s c o n t r o l ( a f c ) s y s t e mc a ng u a r a n t e et h ep r e c i s i o no ft h eh o r i z o n t a l t h i c k n e s so fa l u m i n o u sb o a r da n ds t r i p w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp a s tf e w d e c a d e s ，b o t ha f ca n da g cc a nb eo b t a i n e dr a t h e rd e g r e eo fc o n t r o l a c c u r a c y h o w e v e rt h ef l a t n e s sa n dg a u g ec o n t r o l ( a f c - a g c ) s y s t e m i sac o u p l e dc o m p l e xm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e m , g a u g ec o n t r o la n d f l a t n e s sc o n t r o la r eb o t hm a s t e ro ft h ea p e r t u r eo fc o l dm i l ld u r i n gt h e p r o c e s so fa l u m i n o u st i m b e rr o l l i n g ，a n di n t e n s ec o u p l i n gc o n n e c t i o n e x i s t si nb o t ho ft h e i rc o n t r o ll o o p s ，i ti sa na c t i v ed e m a n dt os o l v et h e p r o b l e m t oi m p r o v ec o n t r o lp r e c i s i o nu l t e r i o r l y t h ec r o s sc o u p l i n gp r o c e s sb e t w e e na f ca n da g ci sr e a l t i m ea n d d y n a m i c ，o nt h eb a s i so fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa f c a g cs y s t e m , a d y n a m i cc o u p l i n gm o d e la n dt h ec o r r e s p o n d i n gd y n a m i cd e c o u p l i n g c o n t r o l s t r a t e g y a r eb u i l t ，t h ed e c o u p l i n gm e t h o d sa p p l i e dt ot h e p r o d u c t i o nm i l lh a v eb e e np r o v e dt ob ee f f e c t i v ew i t ht h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sr e s u l t t h em a i ns t u d yc o n t e n ti sd e s c r i b e d a sf o l l o w s ： t h es t r i pr o l l i n gp r o c e s si sa n a l y z e db yt h em e t h o dt h a tc o n s i d e r st h e a f ca n da g ca saw h o l ep r o c e s si nt h er e s e a r c h ，a n dt h ed y n a m i c m a t h e m a t i c sm o d e li sp r o p o s e d t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lb a s e do nt h e i n v a r i a b i l i t yp r i n c i p l ea n dt h ep i dc o n t r o la r i t h m e t i ci si m p l e m e n t e d w h e ng e t t i n gt h ed y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ea f c - a g cs y s t e m , a n dt h ed e a d t i m et a c h ei sd i s p o s e dw i t hs m i t h p r e d i c t o ra tt h es a m et i m e ， t h ed e c o u p l i n gc o n t r o le f f e c ti sp r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，a n dt h e c o u p l i n g i n f l u e n c eo ff l a t n e s sa n dg a u g ec o n t r o li sd e c r e a s e d t h e d e c o u p l i n g c o n t r o l p e r f o r m a n c e w i l lb r e a k u pw h i l et h e m o d e l p a r a m e t e r so ft h es y s t e mc h a n g ei nt h ep r o c e s so fr u n n i n g a c c o r d i n gt o s e l f - a d a p t i v ec o n t r o lo fm o d e lr e f e r e n c ea n dd e c o u p l i n gt h e o r y , t h e m u l t i v a r i a b l es e l f - a d a p t i v ed e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o dw h i c hs o l v e st h e u n c e r t a i nf a c t o ro fs y s t e mm o d e lp a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ep r o b l e mo f c o n t r o lp e r f o r m a n c ei nt h ed e c o u p l i n gp r o c e s si sp u tf o r w a r d ，a n dt h e i i s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h ec o n t r o lp r e c i s i o ni si m p r o v e dw i t ht h i s c o n t r o ls t r a t e g y a st h es e t t i n gc o n t r o li st h es t a r tp o i n to fd y n a r n j c c o n t r o lo fa f c a g cs y s t e m , a n dt h ee f f e c to fd y n 删cc o n t r o lo ft h e s y s t e mw i l lb ei n f l u e n c e db yi t ，t h e r e f o r et h es t a t i cc o u p l i n gm o d e lb a s e d o ns e t u pc o n t r o li sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ec o m p e n s a t o r yd e c o u p l i n gm e t h o d i n f l a t n e s sa n dg a u g es e t u pp r o g r a m si s p u tf o r w a r d ，w h i c hm a k e s d e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yo f a f c a g cs y s t e mm o r ei n t e g r i t y t h eo b t a i n e dh a r v e s ti sg e n e r a lf o rt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fb o a r d a n ds t r i p ，a n di tp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no f d e c o u p l i n gc o n t r 0 1t h e o r yo f a f c a g cs y s t e m k e yw o r d sa f c a g cs y s t e m ，i n v a r i a b i l i t yp r i n c i p l e ，d e c o u p l i n g c o n t r o l ，s e l f - a d a p t i v eo fm o d e lr e f e r e n c e ，s e t t i n gc o n t r o l i i i 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或者证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：之睦近址日期：礁彳哇。蚴 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可 以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文。同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网路向社会公众提供信息服务。 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 项目来源和研究意义 第一章绪论弟一早三百下匕 1 、项目来源 本课题来源于西南铝业有限公司和中南大学信息科学与工程学院控制工程 系合作项目：“铝板带材冷轧机控制策略的研究 。 铝板带材是航空、电子、印刷、汽车、机电及食品等工业的重要原材料。铝 板带材的主要技术质量要求可以归结为“尺寸精确板形好，表面光洁性能高 ， 它包括了金属材料内在的物理性能和外在的几何尺寸精度两个方面【1 1 。几何尺寸 精度又分为板厚( 尺寸精确) 和板形( 板形好) ，它们是两个不同的质量指标。随着 现代工业技术的发展，人们对铝板带材几何尺寸精度要求越来越高，相应推动板 形控制技术和板厚控制技术成为铝板生产中技术密集的核心。 到目前为止，板厚自动控制系统( a g c ) 和板形自动控制系统( a f c ) 仍被视为 两个独立的系统，但实质上它们都是对轧机辊缝的控制，有载辊缝的开口度决定 板带材厚度，有载辊缝的形状决定板带材板形。进行板厚板形综合控制时，操作 变量分别为辊缝s 和弯辊力f ，两者都会对有载辊缝的开口度和形状产生影响。 由此可见板厚控制系统和板形控制系统存在耦合关系，相互影响着对方的调节功 效。随着板厚控制系统在工业生产中的成熟稳定应用和板形控制系统的成功广泛 应用，如何进一步提高控制系统性能和铝板带材质量的板形板厚综合解耦控制引 起了人们的广泛注意和高度重视【2 ，3 】。 2 、研究意义 铝板带材是一种重要的s l s u 产品，它广泛应用于国民经济的许多领域，比如 工业、农业、国防和人们日常生活的方方面面。随着科学技术的不断进步和市场 的激烈竞争，人们对于铝板带材的质量要求越来越高，尤其是尺寸精度、表面质 量及板带材性能提出了严格的要求。多年来围绕着板带材的几何尺寸精度，主要 是厚度精度( 纵向厚差) 和板形( 横断面形状和平坦度) ，国内外很多学者进行了深 入的研究。在铝板带材s l n 生产过程中，板形和板厚是决定板带材产品几何尺寸 精度的两个主要指标，板厚控制技术和板形控制技术是板带材s l n 领域里的两大 关键技术。 随着液压、机械、自动监测及过程控制技术的发展，为了满足各工业部门迫 切要求供应厚度均匀的板带材，厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l 简 称a g c 系统) 得到了进一步的发展。随着a g c 系统的不断改进，它己经成为现 代冷轧机所必不可少的控制手段，它使板带材延轧制方向上厚度均匀，减小同板 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 差和异板差，从而改善产品质量，提高成材率。轧后板带材的纵向厚度精度越来 越高，相比之下板带材的板形问题变得日益突出，轧制板带材的宽度越宽、成品 厚度越薄则板带材缺陷就越严重。板形问题的理论研究和应用可以追溯到上世纪 6 0 年代末，m d s t o n e 关于轧辊弹性变形的弹性基础理论和轧机液压弯辊控制板 形的技术的应用，使得板形控制取得了较大的进展。液压弯辊技术的基本原理是 通过工作辊或者支撑辊辊颈施加液压弯辊力，使得轧辊产生人为的附加弯曲来动 态改变轧辊的有效凸度，从而调整轧件的横向厚度随后各国在板形控制方面进 行来了大量的研究，如意大利的m b o r g h e s i 等人提出了一种改变后张力分布来 控制板形的方法、日本日立公司于1 9 7 2 年开发了h c 轧机、德国西马克公司通 过将上下工作辊磨成“s ”形发明了著名的“c v c ”板形控制技术等各种板形控制 技术的应用使得板带轧制质量控制取得了较大进步，但是板带轧制过程是一个错 综复杂的过程，板带材是金属在轧辊的作用下经过一系列的变形而成，受到金属 本身的特性和轧制条件的共同影响，并且各种因素之间的关系也比较复杂，特别 是宽带冷连轧过程是一个高速度连续的自动化过程，影响被轧板带材板形出口质 量的因素较多，其中板厚控制系统和板形控制系统相互影响，是一个多变量耦合 的过程控制系统【4 5 1 。 目前，厚度精度的功能主要由a g c 系统控制，作为板形尺寸控制的主要手 段，板形自动控制系统( a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r o l 简称a f c ) 系统越来越多地应 用到现代冷轧机系统中。a g c 系统在调整压下控制厚度时，使得轧制力发生变 化，从而改变轧辊弯曲变形，影响了辊缝横断面形状，影响了板带材板形。当板 形控制系统调整弯辊断面形状，必将改变辊缝形状从而影响出口厚度。因此，从 产品整体质量的角度考虑，从市场的要求来看，在铝板带材轧制过程生产中，使 板厚和板形的控制都达到最优化，提高板带材整体质量，研究板形板厚控制系统 的解耦控制是非常必要的【6 ，7 】。 在当今世界上铝板带材在航空、电子、印刷、汽车、机电等领域的应用取得 了突跃性的发展，其在民用工业、国防工业上的作用是不可替代的。随着社会的 发展，铝板带材的应用要求也越来越高，厚度更薄、精度更高、板形更好将是以 后对铝板带材的更高指标，针对铝板带材高精度好板形的要求，在实际生产中板 形板厚控制相互影响，研究铝板带轧制过程中的板形和板厚的综合解耦控制对提 高板带材生产的质量和市场竞争力有着十分重要的意义【8 】。 1 2 板形板厚控制技术的研究现状 铝板带材广泛应用于工业、农业、国防和日常生活的方方面面，其产品质量 的提高是人们长期以来关注的热点问题。随着科学技术的不断进步，对板带材的 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 品种、规格、质量和产量的要求也日益增高。铝板带材产品的主要技术指标包括 板带材的材质、性能、产品的几何精度及产品的表面质量。几何精度包括厚度精 度和板形质量。随着对厚度精度控制手段的不断完善和改进，厚度精度已经达到 了一个相当高的水平。目前，虽然板形质量也得到了明显的改善，但是由于控制 和检测技术不够完善等多方面因素的影响，与理想的板形质量还有一定的差距。 随着计算机控制技术、智能轧制技术等高新技术的不断发展，现代铝板带材冷轧 机生产技术将会达到更高的水平。 1 2 i 板厚控制技术 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器( 如辊缝仪和压头等) 对板带材实际轧 出厚度连续地进行测量，并根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控 制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、张力或轧制速度等，把厚度 控制在允许偏差范围内的方法。将制品的厚度自动控制在一定尺寸范围内的系统 称为厚度自动控制系统，简称a g c 。厚度是衡量板带材的重要指标之一，厚度 自动控制( a g c ) 是提高板带材厚度精度的主要方法，它的目的是获取板带材纵向 厚度的均匀性，生产出合格的产品。目前，厚度自动控制( a g c ) 已成为现代化板 带材生产中不可缺少的组成部分。在a g c 发展的过程中，最早是2 0 世纪5 0 年 代初，英国钢铁协会b i s r a ( b r i t i s hi r o na n ds t e e lr e s e a r c ha s s o c i a t i o n ) 的s i m s 等人创立了弹跳方程，利用轧机弹跳方程间接测厚的厚度计式a g c 是最早出现 的厚度自动控制系统，但由于这个时期的经典控制理论还没成熟，所以上述想法 没能实现【9 1 。随着轧制理论和控制理论的发展，这一问题才逐渐得到解决。为解 决各种因素对厚度控制的影响，发展了多种厚度自动控制系统，如厚度a g c 、 压力a g c 、前馈a g c 、张力a g c 、监控a g c 、液压a g c 、油膜厚度a g c 等 等。随着a g c 模型的改进和液压压下装置取代传统的电动压下装置，厚度控制 所需的时间大大缩短，产品厚度控制精度取得很大提高，其中，三菱、西门子、 和g e 等厂家提出的厚度控制方案比较有代表性”o l 。 一个a g c 系统由许多直接或间接影响轧件厚度的系统构成。一般认为a g c 系统的三个主要控制系统是： ( 1 ) 辊缝控制系统 ( 2 ) 轧制速度控制系统 ( 3 ) 板带张力控制系统 今后，提高厚度精度的方向主要是提高精轧机组控制模型与采用智能化控 制、模糊控制等新的控制方法相结合的思路【1 。随着现代控制理论及智能控制技 术的迅速发展，已有学者着手研究如何把这些理论应用于轧制生产过程，进行厚 3 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 度控制，以进一步提高厚度精度。目前比较成熟的有：基于神经网络的自适应厚 度自动控制系统，该系统具有良好的自适应跟随和抗干扰性能；基于模糊控制技 术的模糊前馈厚度控制器，解决了来料厚度和硬度扰动所引起的轧机出口厚度变 化的综合补偿问题；基于在线辩识自校正控制技术的厚度控制系统，确保了系统 的控制精度；应用模糊p i d 调节解决速度变化带来的厚度波动等。 1 2 2 板形控制技术 由于a g c 系统的广泛应用，板带材纵向厚度精度问题得到了很好的解决。 但由于影响板带材板形的因素极其复杂，如板带材宽度、厚度、材质，原始板形、 轧辊的原始凸度、轧制中的热凸度、磨损量，由轧制力，弯辊力引起的辊系的变 形以及轧辊冷却装置的配置和能力大小等，都不同程度地影响板带材的板形，给 板形控制带来很大的困难，同时板形控制与检测技术上也有着较大的难度。所谓 板形，直观上是指板带的翘曲程度，其实质是指板带材内部残余应力分布。板形 是表征板带材横向质量的，分为理想的板形、潜在的板形、表现的板形、混合板 形和张力影响的板形。由于影响板形因素较多而且复杂，板形自动控n ( a f c ) 技 术的发展远较厚度自动控链i u ( a g c ) 技术缓慢。尽管如此，多年来国内外专家一直 致力于提高、改进板形控制技术的方法，取得了重大进展【l2 1 。板形控制系统分 为开环和闭环两种形式。开坏控制和闭环控制的根本区别是：前者不需要对板带 材板形质量进行在线检，而是根据板带材的原始数据( 如厚度、宽度、品种等) 、 板带成品厚度等由计算机通过数学模型的计算或被存入计算机的经验数据，确定 各机架的弯辊力的设定值，以保证设定的良好板形。 由于板形的开环控制系统只能实行一次性弯辊力等的预设定控制，系统到扰 动，被调量发生变化时，调节系统不能进行自动调节来克服干扰的影响精度不高。 在板形闭环控制系统中，一旦外来干扰产生板形缺陷时，则板形检测装置将所测 到的板形偏差信号送给执行机构，来修正轧机系统中轧辊凸度的变化，以校正板 形。一个完整的板形控制系统应包括以下三个方面的技术： ( 1 ) 板形检测技术 ( 2 ) 板形调控手段 ( 3 ) 板形控制模型 具体的控制方法主要有：液压弯辊控制、轧辊压下倾斜度控制、辊型可调轧 机等。从实现控制板形的原理上看，目前的各种板形控制技术基本上都遵循了两 种技术思路：一是增大有载辊缝凸度的可调范围，即所谓柔性辊缝控制策略；二 是增大有载辊缝的横向刚度，减d , $ l n 力变化时辊缝凸度的变化，即所谓刚性辊 缝控制策略。目前各种新型轧机发展十分迅速，现在己经投入使用的用于板形控 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 制的轧机有h c 轧机、u c 轧机、v c 轧机、c v c 轧机等多种轧机，它们为板形 自动控制提供了丰富的控制手段，有效提高了板形控制的效果，使板带材质量明 显提高【1 3 】。在板形控制技术中，板形检测环节是非常重要的。准确、可靠、快 速地检测轧制过程中的板带材横截面几何形状和表面平坦度是板形自动控制的 前提。截面几何形状检测装置称为凸度仪，其原理和测厚仪是相同的，凸度仪在 热轧机冷轧机上都有应用；平坦度的检测装置称为板形仪。 在我国的各大钢铁公司中，己经有不少a f c 系统成功的应用，生产铝板带 材的公司相对较少，但也有成功应用的例子，如西南铝业有限公司等。成功应用 的钢铁公司主要有武钢公司引进的a b b 公司的h c 六辊可逆轧机，使用板形自 动检测和闭环装置，上海宝钢引进的三套冷连轧机组，分别采用了c v c 技术、 u c m w 技术和d s r 技术，都取得了很好的板形控制效果【l4 1 。 板形控制是一门交叉学科，轧制理论、轧机设备和自动控制理论是它的三项 支柱。只有把这三项技术融合在一起，才能创造出简单实用的板形自动控制技术 【l5 1 。板形自动控制是目前冷连轧过程控制领域的尖端技术，其复杂程度不亚于 飞机的姿态控制。高精度板形自动控制的关键是模型，也正是由于模型的复杂性 使大部分学者和工程师转向与各种智能控制方法相结合，总之，板形自动控制技 术正在不断向前发展【l 6 ，1 7 j 。 1 2 3 板形板厚综合解耦控制技术 早期的板形板厚综合控制系统研究多把它们分开来单独研究，如在s l n 过程 的在线动态控制，即在假设板厚自动控制系统不工作的情况下，板形单独自动调 整，反之亦然。迄今为止，板形控制与板厚控制仍被视为两个各自独立的系统。 随着板厚自动控匍j ( a g c ) 与板形自动控制( a f c ) 的迅速发展和应用，人们逐渐发 现两个回路之问存在着较为明显的耦合性，在设计一个回路时，必须考虑另一个 回路的相关量，并且必须在其允许的范围内进行设计和调节，否则，一旦超出这 个范围，那么即使在板厚或板形控制的一个方面取得了良好效果，也会对另外的 一个输出造成恶劣的影响【l 引。由于对板形的控制必然影响板厚，对板厚的调节 也必然影响板形，特别是后者的情况比较严重，板形控制系统和板厚控制系统之 间存在着耦合与解耦的关系。采用单变量( s i s o ) 控制方法，虽然可以通过反馈控 制等控制手段来抑制一些不可测的干扰，但始终无法摆脱板形调节对板厚控制的 影响，以及板厚调节对板形控制的影响，降低了两者的控制效果，难以发挥铝板 带材冷轧机的潜力。 所以板形控制和板厚控制系统是一个复杂的多变量控制系统，影响板形板厚 的参数之间存在着很强的耦合关系。a g c 的调整必然影响到a f c 的控制，反之 5 中南大学硕十学位论文第一章绪论 亦然。因此，必须把板形控制和板厚控制综合考虑，即板形板厚综合控制系统 ( a f c a g c ) 。它的设计和实施技术的发展依赖于多变量控制理论的发展，在已有 的一些设计方法中，大量的应用了现代控制理论和智能控制理论的方法，显示出 很好的应用效果和前景。 最早提出a f c a g c 概念的是英国钢铁研究协会( b i s r a ) 的m t a r o k h 等人， 他们研究利用压下装置、张力、工作辊弯辊力之间的综合调节，不需要对设备进 行改变即可控制。文献 1 9 中讨论了当前常用的板形控制模型及其特点，探讨了 板形和厚度一体化控制的实施途径；文献 2 0 1 针对普通四辊轧机，阐述了板形板 厚两个系统的耦合必将导致板形板厚综合控制的困难的论点，并通过工作辊、支 承辊伺服系统对板形板厚综合系统进行解耦控制；文献 2 1 1 提出了冷连轧板形板 厚综合系统最优控制方案，作者利用不变性原理对该综合系统模型进行解耦，并 采用动态规划的方法求解出控制方程。 随着智能控制理论与技术的迅速发展，越来越多的相关研究人员己开始把这 些理论和技术应用到板形板厚综合控制中。文献 2 2 以工作辊弯辊为板形控制手 段，以液压压下为板厚控制手段，对a f c a g c 综合控制系统进行了最优控制； 文献 2 3 ，2 4 ，2 5 从研究板形板厚解耦控制工艺出发，通过分析板形板厚综合控制 系统的功能及耦合影响时序来规范界定板形板厚解耦控制研究内容，结合特定带 钢热连轧机的控制特点，建立静态耦合模型，根据轧制理论，运用解耦控制思想， 提出板形设定补偿解耦控制方法完成带钢轧制过程设定控制的解耦设计，然后结 合板形板厚实际控制系统各环节的特性，建立了板形板厚的全局耦合模型，并采 用前馈补偿的方法完成动态轧制过程中的解耦控制。但是，由于a f c a g c 综合 控制系统是一个非线性、强耦合、时变性的复杂的多变量的实时控制系统，实时 性要求非常高。对于这样一个复杂系统，常规的控制方法难以取得理想的控制效 果。因此，采用现代控制方法( 如多变量控制、最优控制、预测控制等) 和智能控 制方法( 如遗传算法、神经网络、模糊技术、自适应控制等) 相结合的控制手段， 已经成为a f c a g c 综合控制的发展趋势【2 6 , 2 7 j 。 1 3 多变量解耦控制理论的发展 1 3 1 多变量解耦控制的研究对象和特点 工业生产过程控制中的被控对象往往是多输入多输出系统( m i m o ) ，如铝 板带材轧制生产过程中的轧件的厚度与板形；电力工业中发电机组的蒸汽压力与 温度；石化工业中的精馏塔顶产品成份和流量、底部产品成份和流量等，都是需 要控制且又是彼此关联的量【2 8 1 。多变量系统的控制就是调整被控系统的多个输 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 入作用使系统输出达到某些指定目标。多变量系统的回路之间存在耦合，即系统 的某一个输入与系统的所有输出相互影响，或系统的某一个输出受到所有系统输 入的影响。因此为了获得满意的控制效果，必须对多变量系统实现解耦控制。对 于确定的线性多变量系统可以采取对角矩阵法、状态变量法、相对增益分析法、 特征曲线法等进行解耦控制，也就是通过解耦补偿器的设计，使解耦补偿器与被 控对象组成的广义系统的传递函数为对角矩阵，从而把一个有耦合影响的多变量 系统化为多个无耦合的单变量系统。 1 3 2 多变量解耦控制的研究方法 1 、对角矩阵法 其思想是在待解耦系统的前面串接一个解耦环节，使控制对象的传递函数与 解耦环节的传递函数相乘后的矩阵成为对角型有理函数矩阵。即实现一个输入控 制一个输出，达到解耦的目的，如图1 1 所示： ( s )( s ) 图1 - 1 对角矩阵法解耦控制 图中，( s ) 一对角解耦的传递函数矩阵； ( s ) 一待解耦系统的传递函数矩阵。 对角解耦的方法的优点是易于理解，设计简单，但它要求被控系统矩阵非奇 异，同时耦合矩阵也非奇异，这样会使解耦矩阵可能阶次太高、相位超前过大或 元素过于复杂，不易于实现。最主要的它对被控系统参数变化也没有很好的鲁棒 性，单纯使用对角解耦，解耦效果一般。 2 、状态变量法 状态空间的多变量设计方法更多考虑了系统内部的状态变量在系统控制中 起到的作用和系统的能观能控性。但现代控制理论设计方法和计算方法比较难掌 握，不利于工程技术人员掌握，虽然它揭示了系统的内部特性，但在转化为一个 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 能够求解的工程问题时往往遇到困难。如工程问题可能要求输出按照给定的时间 函数变化，但一个状态完全能控和能观的系统，也许无论如何选择输入函数，都 不能使输出与期望的时间函数相符合。 3 、p i d 解耦控制 通过p i d 对耦合系统进行控制，可实现对多变量系统的解耦，如图1 2 所示： 图1 - 2p i d 解耦控制 单纯的p i d 解耦控制效果很一般，并且还依赖被控对象的精确数学模型， 鲁棒性也不是太理想，难以达到工程问题上所要求的精度。 4 、p i d 神经网络解耦控制 p i d 和神经网络相结合解耦控制技术对耦合强烈的2 维( 两个回路) 传递函数 矩阵具有较好的解耦效果，可改善对大滞后、大惯性系统的控制品质，在工业过 程控制中具有较好的应用前景。如图1 3 所示： 图1 - 3p i d 神经网络解耦控制 5 、自适应解耦 随着自适应理论的发展，自适应解耦控制的研究也十分活跃。它最大的优势 就是可以获取对象参数变化的信息，并通过自适应机构调整控制器参数，以达到 在模型参数变化时解耦控制器的有效性【2 9 1 。如图1 4 所示： 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 4 自适应解耦控制 自适应解耦的优点是不需要建立精确的被控对象数学模型，自适应调节能力 强，鲁棒性好，抗干扰性强，控制性能较好，使用范围很广。 6 、复合解耦 尽管目前有很多解耦控制方法，多变量解耦控制系统的设计仍然面临着很多 困难，单一运用上述解耦方法并不能获得良好的效果：首先这些方法都是建立在 被控对象精确的数学模型之上的，如果被控对象无法建模或达不到所需的精度， 上述方法则很难有效；其次很多控制系统还对实时性有很高的要求，对时变性要 求有自调节能力【3 0 】。因此，最好能够寻求一种具有实时性高、抗干扰性强的解 耦控制算法，从这个方向来看，智能复合解耦控制具有很好的应用前景。智能复 合性解耦在非线性多变量解耦控制系统中的应用成为当前控制领域研究中的一 个热点，取得了许多研究成果。 总之，将智能控制策略和传统控制相结合的方法是目前需要研究的方向，也 是研究热点，在理论和实际应用中都有十分重要的意义【3 1 1 。在实际轧机应用系 统中，必须要求算法的速度要快、抗干扰性强等特点，本论文的研究工作正是本 着这个原则来进行铝板带材冷轧机板形板厚解耦控制策略的研究的。 1 4 论文主要研究内容 根据上述综述，到目前为止，板形板厚控制研究有以下几个特点： ( 1 ) 单独研究板形板厚控制的较多，特别是厚度控制研究的更多，各种控制 手段，如液压压下、液压弯辊、张力等独立使用，彼此缺少联系协调，实际上板 形板厚是板带材的两个相互影响的度量指标，因此，两者应作为一个整体实行综 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 合控制； 但) 板厚自动控制系统( a g c ) 和板形自动控制系统沁c ) 仍被视为两个独立的 系统，但实质上它们都是对轧机辊缝的控制，有载辊缝的开口度决定板带材厚度， 有载辊缝的形状决定板带材板形。进行板厚板形综合控制时，操作变量分别为辊 缝s 和弯辊力f ，两者都会对有载辊缝的开口度和形状产生影响。由此可见板厚 控制系统和板形控制系统存在耦合关系，相互影响着对方的调节功效，因此必须 对板形板厚控制系统进行解耦； ( 3 ) 目前基于模型的控制方法研究多，对于工艺设备讲，研究其机理模型是 主要的，对于控制系统来说，模型也是其控制的基础，但是由于轧制过程是多因 素的复杂动态过程，精确的模型往往难于建立，并且其过程参数随时间是变化的。 因此基于数学模型的传统的板形板厚综合控制就存在许多局限性，难以符合实 际、系统参数难以在线调整、多变量强耦合非线性系统难以求解、难以实现最优 控制等。 本文就是从上述观点出发，查阅了大量关于板形板厚解耦控制方面的参考文 献，以铝板带材冷轧机板形板厚综合系统为研究对象，在分析某厂的单机架四重 冷轧机实际控制方案的基础上，采用p i d 控制和多变量自适应解耦技术相结合 的方法，提出了铝板带材板形板厚智能解耦控制方案，而且对其稳定性、收敛性 进行了分析，同时进行了大量的仿真研究工作。 本文具体以一个单机架四重冷轧机为研究对象，针对铝板带材轧制过程中板 形和板厚控制系统的非线性、时变性和强耦合性等特点，提出将自适应算法与板 形板厚数学模型相结合，自动调整解耦网络和控制器参数，并运用板形设定和自 适应穿带控制就进行解耦设计，完成板形设定的补偿解耦控制，同时对解耦控制 效果进行了仿真验证，效果良好。主要做了如下研究工作： 第一章：绪论部分，介绍了项目来源及研究意义、板形板厚控制的现状及发 展过程和多变量解耦控制的方法，提出了本文的研究内容； 第二章：以经典轧制理论为基础，在分析铝板带材轧制过程中影响板厚精度 和板形质量的主要因数的基础上，将板形控制和板厚控制系统作为一个整体来考 虑，建立了板形板厚综合系统( a f c a g c ) 动态数学模型，并对模型进行了仿 真分析； 第三章：针对a f c a g c 系统数学模型的基础，应用不变性原理进行解耦， 将a f c a g c 系统分解成板形控制系统和板厚控制系统两个独立的子系统，同时 应用s m i t h 预估器对纯滞后环节进行处理，通过仿真验证了解耦控制效果； 第四章：针对铝板带材轧制是一个非常复杂的过程，具有非线性、强耦合和 时变性等特点，提出了将自适应控制与板形板厚具体数学模型相结合的方法对板 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 形板厚多变量耦合系统进行解耦，解决了由于a f c a g c 系统的非线性、强耦合 和时变性而难以建立精确数学模型的问题，该方法的引入高了系统的控制精度， 有效地提高了铝板带材轧制生产质量，仿真结果验证了该控制策略的有效性； 第五章：结合轧制生产的实际情况，建立了a f c a g c 系统静态耦合模型， 运用了预设定补偿解耦方法和自适应穿带解耦方法的设定补偿解耦控制策略对 a f c a g c 系统进行补偿解耦控制，为实现综合动态控制提供了理论基础，形成 比较完整的板形板厚解耦控制策略； 最后，对本文所进行的研究工作和内容进行了归纳总结，并在本文所做工作 和研究的基础上，说明了本文研究的不足之处，展望了系统未来的研究方向。 中南大学硕士学位论文第二章铝板带材冷轧机板形板厚控制系统的模型 第二章铝板带材冷轧机板形板厚控制系统的模型 2 1 冷轧机板形板厚控制系统简介 铝板带材冷轧机系统是一个复杂的机电系统，它包括大量的机电液设备或部 件，且控制功能众多，如板形控制、板厚控制、张力控制、位置控制、压力控制、 速度控制等。这些设备之间或控制系统存在着大量耦合现象，如何解决它们之间 相互关联，使冷轧机控制系统不至于因耦合引起控制功能减弱或功能失效是我们 的主要任务3 2 1 。 板形板厚控制系统是由板形和板厚控制组成，板厚控制是针对板带材的纵向 厚度，板形控制是针对板带材的横向厚度即板带材的平直度。无论是板厚控制还 是板形控制，最终使板厚和板形发生变化的是与轧件直接接触的工作辊，因此， 两个工作辊的相对位置和辊身表面形状决定了辊缝形状，进而决定了板厚和板 形。可见，板厚和板形是通过辊缝紧密地耦合在起，在分别控制板厚和板形时， 不可避免的存在相互影响，它们相互影响着对方的调节功效，因此必须要采用综 合控制方案，以解决耦合影响，提高铝板带材的轧制生产质量。 2 2 板形板厚控制基本理论 铝板带材轧制生产过程( 包括控制过程) 的一个显著特点是“机械、电气、液 压控制系统和轧件间紧密联系，形成一个复杂的综合系统”。机架和辊系的纵向 和横向弹性变形，使各种工艺参数的变动都能通过轧制力而影响到轧出厚度及轧 出断面凸度。板带材通过各机架传递厚度、凸度、温度以及张力的作用。前一个 机架轧出的厚度及凸度延时地决定了后一个机架的入口厚度及凸度，因此各种扰 动对前一个机架的厚度及凸度的影响都将经过一定的时间后，由被影响的那一段 板带材带到下一个机架而成为新的“外扰源”。因此，各种“原始”的和“再生” 的外部扰动将在多个机架间相互影响。由此可见，冷轧机中一个机架某个参数发 生变化时，除了直接影响本机架的工作外，还将影响其它机架的工作，而最终都 会在成品凸度、厚度上反映出来。板带材轧制的最终目标是获得良好的厚度精度 和板形质量【3 3 】。 1 、板厚 板带材厚度波动的原因 铝板带材厚度精度是轧制过程中最主要的品质指标之一，a g c 是板带材生 产中不可缺少的重要组成部分。a g c 控制的目的是借助辊缝、压力、张力和速 1 2 中南大学硕士学位论文第二章铝板带材冷轧机板形板厚控制系统的模型 度等可调参数，把轧制过程参数( 如来料厚度、硬度、摩擦系数等) 波动的影响消 除，使其达到预期的厚度目标。各种影响到轧制力、辊缝和油膜厚度的因素，都 将对实际轧件轧出的厚度精度产生相当大的影响，概括起来主要有以下几个方 面： ( 1 ) 温度变化对板厚的影响。实质就是温度差对厚度波动产生的影响，主要 通过对金属变形阻力和摩擦系数的影响而引起厚度变化。 ( 2 ) 张力变化对板厚的影响。张力主要是通过影响应力状态改变金属变形阻 力从而引起厚度变化。张力的变化除了对板带材尾部厚度有影响外，它也会其 他部分厚度发生变化。如随着冷轧过程的进行，会产生加工硬化，故冷轧时采用 较大张力进行轧制。 ( 3 ) 速度变化对板厚的影响。主要是通过摩擦系数、变形阻力、轴承油膜厚 度来改变轧制力和压下量而起作用。 ( 4 ) 辊缝变化对板厚的影响。主要是通过轧机部件的热膨胀、轧辊磨损和轧 辊偏心使辊缝发生变化，从而直接影响实际轧出厚度变化。 除上述影响因素外，夹料厚度和机械性能的波动，也将通过轧制力的变化而 引起板带材厚度发生变化【3 4 1 。 轧制过程中厚度变化的基本规律 ( 1 ) 实际轧出厚度随辊缝而变化的规律 轧机的原始预调辊缝值晶决定着弹性曲线彳的起