（交通信息工程及控制专业论文）精确柔性成型钢管生产线张力控制系统设计与研究.pdf

摘要 目前钢管生产行业有一种最新的精确柔性成型技术f f x ( f l e x i b l ef o r m i n ge x a c t ) ， 这项技术可以在同一条管道生产线上生产出各种用户定制直径的钢管( 圆管或方管) ， 改善了以往钢管生产线加工产品单一的弊端。f f x 生产线在入口( e n t r y ) 段要执行打开钢 卷，平稳送料工序。由于后续工段对材料的加工是建立在入口段高质量的开卷基础之上， 所以在开卷时要保持钢卷材料承受适当的张力，既不能过大，也不能过小。本文就张力 控制进行了研究。张力控制在现代工厂中运用非常广泛，其优化控制对产品质量的提高 尤为重要，因而此课题的研究具有普遍意义。 在分析了开卷具体流程以及张力产生机理的基础上，建立了钢卷张力的数学模型。 针对开卷过程中钢卷直径在不断缩小，引用了修正算法来计算不断变化着的钢卷直径以 达到更好的控制效果。对于张力控制的实现，原生产线采用了闭环p i d 控制法，但p i d 控制法本身具有一些缺点，如参数配置过程复杂，张力控制不稳定，超调量大、稳态误 差难以消除等等。作者结合模糊控制理论对系统进行了改进，设计了模糊张力控制算法。 经过仿真，结果表明采用模糊控制算法后系统能够取得更好的控制效果。基于以上理论， 经过具体实际装置的设计后，实现了物理实验平台的搭建。构筑了基于西门子 s 7 - 3 0 0 p l c 、m i c r o m a s t e r 4 4 0 变频器、m p 2 7 7 人机监控界面的张力控制系统，并在实验 室里进行了试车，实验结果数据表明改进后的控制系统能够满足张力控制快速、稳定、 准确的控制要求。 最后，进行了经验总结，讨论了当前的不足之处，提出了进一步工作的方向。 关键词：精确柔性成型，张力控制，p i d 控制，模糊控制 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e r ec a m eo u tan e w e s tp i p ef o r m i n gt e c h n o l o g yf f x ( f l e x i b l ef o r m i n g e x a c t ) i np i p em i l li n d u s t r y i tc o u l dp r o d u c ep i p e s ( r o u n do rs q u a r e ) i n t od i a m e t e rs i z e w h i c ht h ec u s t o m e ro r d e r e di no n em i l ll i n e t h i st e c h n o l o g yi m p r o v e dt h eu s u a lm i l ll i n e s s h o r t a g eo fp r o d u c i n go n l yo n ef i x e dd i a m e t e rp i p e s i ne n t r ys e c t i o no ft h em i l ll i n e ，c o i l s w o u l db eo p e n e da n dl e v e l e d ，t h e nf e dt ot h ef o r w a r ds e c t i o n sc o n t i n u o u s l y t h e r ew a sa t e c l u l i c a lr e q u i r e m e n ti ne n t r ys e c t i o n ：t h ec o i lm u s ts u s t a i np r o p e rt e n s i o nw h e ni tw a s o p e n n i n g ，b e c a u s eo p e r a t i o n si nt h ef o r w a r dm i l ls e c t i o n sw e r eb a s e do nt h ec o n t i n u o u sa n d s t a b l ef e e d i n g t h et e n s i o nc o u l dn e i t h e rb el a c k i n gn o re x c e e d i n g t h et o p i co ft e n s i o n c o n t r o lw a sa r g u e dw i ms p e c i a l yi nt h i sp a p e r t e n s i o nc o n t r o lw h i c hw a sw i d e l yu s e di n m o d e mf a c t o r yw a sp r o v e dt ob ev e r yi m p o r t a n ti nr i s i n gp r o d u c t sq u a l i t y , s ot h et o p i cw a s w i d e l y - w o r t h w h i l er e s e a r c h i n g i nt h i sp a p e r , t h ef l o wo fe n t r ys e c t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dh o wt h et e n s i o nc a m eo u tw a s f i g u r e do u t ，t h e nt h em a t h e m m i c a lm o d e lo ft h es y s t e mw a sb u i l t ，m e a n w h i l eam a n n e r c a l c u l a t i n gt h ev a r y i n gd i a m e t e rw a sp u tf o r w a r d t om e e tt h ec o n t r o l l i n gd e m a n d ，t h ef o r m e r s y s t e mu s e dc l o s e d - l o o pp i dc o n t r 0 1 b u tt h e r ew a ss o m es h o r t c o m i n gi np i dc o n t r 0 1 e g c o m p l e xp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n ，n o n - r o b u s ts y s t e mp r o p e r t y , b i go v e r s h o o t i n g ，l o n g a d j u s t i n gt i m e ，e t c t oi m p r o v et h i s ，f u z z yc o n t r o lw a sp u tf o r w a r d a f t e rs i m u l a t e di n m a t l a b 7 0 ，t h es y s t e mr e v e a l e dg o o dc o n t r o le f f e c t b a s e do nf u z z yc o n t r o l ，at e n s i o nc o n t r o l s y s t e m 、析t l ls i e m e n ss 7 3 0 0p l c m i c r o m a s t e r 4 4 0 a n dm p 2 7 7h m is u p e r v i s i n gi n t e r f a c e w a sc o n s t r u c t e d a f t e rt e s t e di nl a b ，t h er e s u l tr e v e a l e df u z z yc o n t r o lc o u l ds a t i s f yt h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e m sn e e do fs p e e d i n e s s ，s t a b i l i z a t i o na n dv e r a c i t y a tl a s t ，ac o n c l u s i o nf r o mt h ee x p e r i e n c ew a sd r a w n ，a n dt h ew o r k i n gc o u r s ew a sr a i s e d k e yw o r d s ：f f x , t e n s i o nc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 甲 木。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 铆韬 如邗年，月沙日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 绑俸乌 导师签名： 溯年r ，月沙日 么硒年，月锄日 长安大学硕士学位论文 1 1f f x 钢管生产线简述 第一章绪论 1 1 1 背景介绍 随着我国石油的大规模开采和西气东输项目的分期建设，需要大量质量可靠且管径 不同的直缝钢管。传统的钢管生产技术只能在一条生产线上生产出单一直径的管道，而 大量不同直径钢管的需求就意味着要建造很多条生产线。钢管生产线的建设需要很大的 造价成本，显然传统的制管工业已很难满足飞速发展的现代化建设对管材的需求。f f x ( f l e x i b l ef o r m i n ge x a c t ) 则更好的解决了这一难题，它可以在一条管道生产线上将钢 管加工成用户定制的直径，完全能够满足石油开采、天然气输送、化工行业以及军事方 面对不同管径焊管的需求。从而大大节约了建设钢管生产线的资金，缩短了周期，提高 了产品生产的灵活性。 目前我国采用的f f x 技术是从日本引进，国内采用此技术的钢管生产厂家主要有天 津双街钢管公司、华油钢管有限公司扬州分公司、胜利油田孚瑞特钢管公司、大港油田 新世纪公司。目前管径最大的机组已扩展到0 6 6 0 4 m m ( 2 6 ”) ，可以生产外径为4 2 1 9 - - 0 6 6 0 m m ，壁厚为3 5 - - - 2 5 4 m m 的e r w 管。现在的f f x 机组只要输入带钢宽度或管外径 及壁厚参数，微机控制系统就能计算出相应的辊位数据，自动进行轧辊位置的调整。用 户可以根据c a d 设计和生产经验通过测定各段成型形状，解析定量数据，导入数值反馈 系统来进行针对不同尺寸及材料的产品加工时的辊位微调，以找到不同尺寸及材料产品 的最佳辊位。通过建立辊位数据库，在以后的生产过程中可以实现数据再现，从而提高 成型技术的产品质量。国内的中大型管径f f x 直缝焊管线全部采用技术进口，尚未形成 独立自主研发制造集成能力。国内直缝钢管的制造单位主要分布在沈阳、大连、天津。 在国际市场上技术处于领先地位有日本和德国两家公司。本论文正是在此背景下围绕 f f x 生产线e n t r y 段张力控制开展研究。 1 1 2f f x 生产线介绍 f f x 钢管生产线总体分为三个部分，即e n t r y 、m i l l 、f i n i s h i n g 三个大工段。e n t r y 段打开钢卷并进行矫平，同时为后续生产线入料；m i l l 段进行钢板挤压成型焊接切割； f i n i s h i n g 段对钢管进行精整，合格检验。图1 1 是f f x 钢管生产线的总体工艺浏览图。 * | 绪论 f 卷、整甲、切头尾、封焊、水甲螺旋活套、铣边、板材探伤、成型机组、高频焊目 焊接、去毛刺、在线超声波探伤 _ - _ 警鲫 扁试验、修端、水压试验、自动超声波探伤管管探伤 装入库 图11f f x 生产线流程示意圈 e n t r y 段的第一道流程为丌卷和纵剪先将热轧卷用开卷机将钢卷打开，并且将钢板 矫平。在热轧卷加工压制的过程中，由于工艺的原因，热轧卷的头部和尾部在机压之后 是一个呈舌型或类似斜角型的不规则形状，而不是要求的方形，所以要通过一个c r o p s h a r e ( 切头) 的工序，将每一个) f 卷之后的铡扳的头部和后尾部都用剪头机剪去不规则 的部分，这样钢眷就成了个标准的矩形，以便于后续工段加工，同时也便 ：有时根据 管道加工长度需求进行钢板头尾对焊。 然后将钢板以很快的速度充入一个储料的活害r f 】，这样就可以做到实际后续生产线 的速度和开卷的速度耦合度降低，减少前后工序问的影响。活套的下绂是铣边机，它的 作用是采用铣削加工的方式将钢板的两边铣平整并且达到生产钢管所需的钢板宽度。 接下来就进入m i l l 段。首先是钢管的挤压成形，用轧辊将钢板逐渐压成圆管的形状， 产生塑性变形( 如图12 ) 。待钢管的两条焊缝边挤压到起时，马上进行高频焊接，把 成形后的钢管焊接在一起。此时钢管的焊缝一般还达不到压力要求，必须进行巾频热处 忙女大学碗士学位论文 理，以加强焊缝的强度。 图1 2f f x 成型示意图 焊接后的钢管温度非常高，接下来要按工艺的要求进行冷却。冷却的韶分分为两段， 第一段是空气冷却段( a i r c o o l i n g ) ，然后是水冷段( w a t e r c o o l i n g ) ，水冷采用乳化液使 钢管快速冷却。因为气冷速度较慢，水冷速度较快，故气冷段较长，水冷段较短。由于 成形时焊管的形状不是完全的圆型，因此冷却后要对钢管进行再定形处理，一方面可以 精确调整钢管的圆整度，另方面可以在需要生产方管的情况下使用定型轧辊将圆管定 型成方管。 最后的生产工序就是进行飞锯切割。这道工序能够根据钢管的类型、尺寸、生产线 的速度等实时计算锯片的切割轨迹和台车的运动轨迹，切割时锯片与钢管运送方向保持 一致，这样既可以保证切割长度的精度、切割面的质量，又可以保证钢管生产线的连续 运行。 f i n i s h i n g 段对产品进行精整和测试。首先是压扁采样测试，以测试钢管的径向承压 能力，然后对钢管进行平头倒棱加工，再接着是水压力实验，以测试钢管的压力承载能 力，之后进行一系列的超声波探伤实验，称重测量，最后对合格品喷标。 以上是整个f f x 钢管生产线的工艺流程，下面简要介绍入口段张力控制内容。 11 3e n t r y 段张力控制介绍 e n t r y 段主要的工作是将储备好的铜卷进行开卷，矫平并输送到后续的加工流程段 上。实际开卷生产线如图l3 所示，在开卷过程中既要控制好钢板的张力，同时还要使 第一章绪论 进给材料保持一定的速度。让钢卷以一定的张力速度比开卷，达到生产线工艺需求。在 这里张力控制是一个技术点：如果开卷时张力过大不但会增加驱动电机以及传动机构的 磨损，而且也会导致钢板发生形变，同时造成电能的浪费；开卷张力过小又会导致钢卷 拖落，摩擦入口段其他部件( 如c h i s e l ) ，或者造成钢卷跑偏，影响控制精度。因此，开 卷张力既不能过大，也不能过小。本文的任务就是对开卷时张力进行精确控制，使其维 持在一个设定张力值附近，即使波动也要维持在一个很小的范围之内。 图1 3 入口段开卷生产线一览图 这里的设定张力值是根据钢卷的张力系数来确定的。实际生产线中需要开卷的钢料 张力系数的如表1 1 所示。 表1 1 开卷钢卷参数 钢厚度( m m ) 3 66 1 2 1 2 1 81 8 2 2 张力系数( n m m 2 ) 1 01 5 2 02 5 入口段开卷机的实物如图1 4 所示。事实上，实际执行机构含有诸多干扰因素，例 如钢卷的形变，辊轮之间的相对摩擦力，以及钢卷轴上不断减小的钢卷半径值等都是影 响钢卷张力变化的因素。在第二章中会详细介绍计算主轴上不断减小的钢卷半径的方 法。 4 k 安大学颈学垃论1 2 立项意义 圈1 4 入口段开卷机宴物圈 从f f x 入口段开卷引伸出来一个具有广泛意义的投术话题：张力控制。张力控制系 统是在现代工业中广泛应用到的热点技术之一，它的研究具有普遍意义。张力控制在轧 钢加工行业、布料生产行业、烟草行业、铝薄加工行业、塑料薄膜加工等各个行业都有 广泛的应用。所谓张力控制，是指在一般的造纸、冶金等卷材传输控制及生产中，对材 料的张紧度进行控制，比如说，纸张如果没有绷紧，是没有办法卷紧的，纸卷的边缘将 币齐：如果绷的太紧，纸张就很容易被拉断。为了保证产品的质量，必须控制好生产过 程中的张力，因为在生产过程中，不当的张力会使生产不能顺畅进于亍，给车间生产造成 损害。过太的张力会导致被传输材料的厚度以及宽度发生变化，严重时甚至断裂，威胁 操作人员安全，过小的张力又会因为松弛导致跑偏，从而使卷取之后的材料产生皱褶。 在塑料包装材料生产过程中张力控制不稳定也会造成切断长度不稳定等现象，大大降低 产品质量。工业实际生产过程中的张力控制是个时变、非线性的系统，其有变参数、 变负载、强扰动等一系列特点，所以张力控制是一项亟待解决的科研难题。 第一章绪论 1 3 张力控制现状研究 如何更好地实现张力控制，是全世界工业控制领域所共同面临的一项课题。最近， 国内外有许多专家提出了先进的闭环控制技术：k k n i p p o nk o k a n 提出了无干扰控制法 ( n i c ) 【1 】；ys e k i ，k s e k i g u c h i 提出了最优闭环控制法【2 】；ym o r i m a t s u 提出 h o o 固 定阶次控制法【3 】；ej a n a b i s h a r i f i b 提出了模糊闭环控制法 4 1 ，各个方法都取得了不错的 成果但是以上种种先进张力控制技术都是在理想模拟环境下做的研究，也就是说忽略了 材料与辊轴的摩擦力，以及硬性材料的形变应力。在具体的生产过程中，关于张力控制 方面的研究取得的进步很小甚至微乎其微，这是因为，“一方面人们很难去将张力控制 系统中复杂的金属形变过程建立出数学模型，另一方面，张力控制系统中每两个相邻很 近的辊轮机架之间的有着很强的耦合，或者说干扰使得研究张力控制时很有难度 【1 】。 根据我国的实际情况来看，目前广泛应用于工业生产的张力控制方法从机理上分主 要有两类：直接张力控制和间接张力控制。绝大多数是采用间接法进行张力控制。近年 来，结合直接和间接的复合张力控制方法也在逐步得到采用。 1 3 1 直接张力控制 直接张力控铝i j ( d i r e c tt e n s i o nc o n t r 0 1 ) 是一种最直接、最有效的控制方式。直接张力 控制系统是将张力计测量出的实际张力值反馈到控制器输入端，形成张力负反馈，通过 张力调节器对张力进行控制，这是一种闭环控制系统。与间接张力控制相比，它比较简 单，降低了卷径变化、速度变化、空载转矩和机械传动损耗等对稳态张力的影响。如果 张力计精度高，响应速度快，则可显著地提高控制精度。另外，还可以采用最大转矩方 式工作，这种系统具有更多优点。直接张力控制的不足之处是系统的依赖性大，整个系 统的精度和动态过程在很大程度上取决于张力传感器的精度和响应速度，而目前国产压 磁式张力计的精度仅为士5 ，动态响应为5 0 m s 。采用这种张力计，控制系统的精度是 不可能高于士5 的。另外，该系统在建张过程或有大偏差时很容易产生振荡，严重时 甚至会将带材拉断。 6 长安大学硕士学位论文 主令辊 从动辊 图1 5 直接张力控制 1 3 2 间接张力控制 间接张力控制不像直接张力控制系统将张力计测量出的实际张力值反馈到控制器 输入端，而是通过电机的转动力学力矩平衡原理的方法来运算出材料所承受的张力，只 要获得张力控制辊驱动电机的电流、电压及转速等参数，就可以算得张力力矩，然后进 行反馈运算，合理控制参数的大小，实现张力控制。这样就不需要安装张力传感器，避 免了直接张力控制受到传感器精度制约的情形。 主令辊 从动辊 图1 6 间接张力控制 1 3 3 复合张力控制 实现开卷恒张力控制主要有直接张力控制和间接张力控制两种方式。二者前面均已 述及，直接张力控制系统精度高，无稳态误差，但在大偏差时稳定性差，间接张力控制 稳定性好，但精度低、存在稳态误差。这两种方法单独使用，可靠性差，满足不了高精 度轧辊张力控制的精度要求，于是复合恒张力控制系统便应用而生，这种控制方式是将 直接张力控制与间接张力控制两种控制方式结合起来，由计算机来实现张力控制、卷径 计算和记忆以及时变参数补偿等。复合张力控制可分为最大转矩式复合控制和电枢电流 电势复合控制，采用最大转矩工作方式具有较好的技术经济指标，在系统设计上也较灵 第一章绪论 活；同时由于张力控制的数字化实现，这种控制系统的调试、维护难度也降低了，而且 电枢电流与张力也能产生很好的对应关系。这种方式有效的改善了系统性能，提高了张 力控制精度，同时克服了模拟张力控制系统精度低，动态补偿效果差的缺点；具有间接 张力控制响应速度快、稳定性好，直接张力控制系统精度高、无稳态误差等共同的优点。 主令辊 从动辊 图1 7 复合张力控制 f f x 项目中实现张力控制，采用的是间接张力控制基础上的p i d 控制，p i d 控制是 传统过程控制领域中的经典算法，由于它适合于操作调节一个宽系统调节范围，而且功 能简单，这些特性允许过程工程师采用简单明了的方式操纵它，因此在张力控制工业发 挥着主要作用。但是对于一种运行情况，如何选取p i d 控制器最优参数值、如何根据对 象的期望输出选择合适的输入，这些都需要很多的实践经验，而这给常规生产带来了很 大的不便。同时，由于开卷张力控制系统中速度和张力是交叉耦合的，并且是多输入多 输出的非线型系统。因此，应用常规的p i d 控制理论进行张力系统设计，很难获得满意 的控制效果。又由于被控对象系统的特殊性。不允许有太大的超调，这样增加了系统设 计的难度。智能控制方法是解决这类问题的有效途径。 目前智能控制的方法有b p 神经网络控制法、模糊控制等，都以优于经典常规控制 系统的特点得到了控制界的广泛推崇。模糊控制方法具有能按照模糊规则实现输入输出 自适应调节，改善了以往p i d 调节参数搭建的烦琐过程。本文正是尝试将模糊控制方法 用于实际系统，以实现张力的控制。 1 4 本文所完成的工作及论文的内容安排 本文从f f x 生产线的实际项目背景出发，阐明张力控制系统的概念及模型，在论述 8 长安大学硕士学位论文 完项目采用的p i d 控制算法后，作者又进一步提出具有先进性意义的模糊控制算法来对 系统控制方案进行改进。以实用化为基本目标，围绕控制系统的准确性、实时性、稳定 性进行展开，论文主要完成了以下五个方面的工作： ( 1 ) 在充分调研的基础上，对国内外学者在张力控制理论和方法方面的研究进行 总结分类，并从工程项目里详细地捋清工艺流程以及数据资料，为本论文的开展做好准 备。 ( 2 ) 作者将张力控制的具体模型作了清晰地描述，文章由浅入深，首先描述了张 力的基本简化模型，然后再结合实际工程中的情况，将张力控制过程中的变化因素一钢 卷直径的变化也考虑了进来，使得张力控制更加清晰化。 ( 3 ) 设计了张力控制系统的模糊算法，文章采用一边引述概念一边详细设计的方 法，逐步展开设计思路。 ( 4 ) 利用m a t l a b 7 0s i m u l i n k 仿真环境，结合f i s ( 模糊仿真编辑器) 对模糊算法进 行了仿真，同时也对传统p i d 控制法也进行了模拟仿真，仿真结果表明模糊控制方案能 够比较良好地控制系统。 ( 5 ) 结合项目实际，文章介绍了张力控制系统所采用的软、硬件平台。包括西门 子s 7 3 0 0 p l c 、m i c r o m a s t e r 4 4 0 变频器以及p r o f i b u s d p 总线，知识点涉及较多，故结 合实际系统进行了介绍。 ( 6 ) 最后对张力控制系统方案进行了实现，包括系统硬件平台的搭建，软件组织 结构及流程图的描述。编写了模糊张力控制系统方案的l a d 程序，并且设计了友好的可 视化的图形界面便于监控数据。 最后对本文作了总结，对控制方案的进一步实现提出了建议，并对参与项目之后获 得的经验作了简要的汇总。 1 5 本章小结 本章简要的介绍了张力控制的背景项目f f x 钢管生产线概况，并从开卷中流程中引 出了一个技术点：张力控制。随后说明了该研究课题的重要性，本章为后文研究工作的 开展作以铺垫，文章的结构安排如图1 8 所示。 9 第一章绪论 第二章张力控制模型的建立 张力控制简ll 变化中钢卷直 化模型 径的获取 二二二二二耍二二二二二二二夏二二二二 二二二二三叵二二二二二二二二二二二二夏 二二二二： 一- i 8 总结 图1 0 8 论文结构组织图 1 0 j 一 ；ill 长安大学硕士学位论文 第二章张力控制系统模型的建立 2 1 张力控制系统模型 结合图2 1 ，可以很清晰地了解开卷工艺流程：开卷前钢卷由一个运卷小车( c o i lc a r ) 提前套在主轴( m a n d r e l ) 上，开始时卷料缓缓随着主轴的转动而打开，同时由牵引机构 引至挤压辊( p i n c hr o l l ) ，在挤压辊咬住钢卷之后，由于主轴与挤压辊之间存在着转速 差，故两者之间的钢卷存在着一定的张力，正常运转之后挤压辊按照入料速度保持恒定 的转速n 。，这时通过调节主轴的转速n ：，使二者之间的张力保持恒定，这样就组成了一 个恒张力控制系统。为了研究这里的张力，首先从简化的张力模型入手。 b a c k u p t 0 1 1 图2 1 开卷模型图 图2 2 是张力控制的简化模型，在建立两个辊轮之间存在的动态张力模型时首先要考 虑以下三个物理规律。 图2 2 简化张力模型 1 ) h o o k 定律： 弹性材料在两个张力辊之间受到的张力t 是关于材料弹性系数e 的一个函数： 第二章张力控制系统模型的建立 丁：e 仃幽 厶 ( 2 1 ) 此处e 是材料的弹性模量，仃是材料的横截面积，三和厶分别是材料伸张之后和伸 张之前的长度。 2 ) c o u l o m b 定律 可以认为材料受到的张力是辊轮与材料之间的刚体静摩擦力。 3 ) 对式( 2 1 ) 两边求导，便得到运动特性方程 三_ - = e c r ( v 。一v )( 2 2 ) d t 要研究张力控制，首先对要清楚张力控制的传动模型，对其运动过程予以分析。如 图2 2 所示：模型为一传统带钢传输系统，沿着钢带传输速度方向，辊1 的转速为n ，直 径为d ，线速度为 y ：要刀。 ( 2 3 ) 6 0 、 辊2 的直径为d 2 转速为n ，线速度为 y ：要玎 ( 2 4 ) 6 0 、 设钢带上承受的张力为t ，压辊的直径均为d ，从微观角度上看：卷筒的前一单元 的带钢线速度为v ，卷筒的开卷线速度为v 。开始开卷过程时，显然应使压辊1 的速度大 于压辊2 的速度，从而使带钢在开卷时产生张力。如果v v ，则开卷过程没有张力，无 法保证开卷质量。所以为了保证正常的开卷，在开卷机开卷启动初期，一般是控制使 v v ，此时，由于带钢受到恒定的牵引张力而匀速前 进。与此同时，带钢会产生轻微的弹性形变。将前面的公式( 2 2 ) 予以变形，得到带材的 开卷张力t 为： 丁= 半：f ”啦 ( 2 5 ) ， j 、 7 峥。7 式中：e 带钢的弹性模量 1 2 长安大学硕士学位论文 仃带钢的横截面积 ，轧辊之间的距离 t 开卷机建立张力的时间 从上式可以看出，带钢作为开卷张力的调节对象时，是一积分环节，其信号传递关 系如图2 3 所示： 图2 3 信号传递关系 那么结合公式( 2 3 ) ，( 2 4 ) ，则公式( 2 5 ) 可变形为： 丁= 坚学。陆n 刀 ( 2 6 ) = 一l i 一刀肛fr ，m 6 0j ! 、 7 p 7 这里，对于同种材料而言横截面积仃，弹性模量e 都是定值。通过控制辊l 和辊2 的 转速，就可以控制张力t 了。 2 2 控制系统钢卷直径的获取 在开卷过程中，主轴的直径d 并不是恒定不变，而是在逐渐地减小着，如图2 4 所示。 在张力控制系统中，无论张力力矩的给定，还是动态补偿力矩的计算都需要实时的钢卷 直径值，它是张力控制中一个重要的参数。目前钢卷实时直径的获取主要通过间接计算 的方法，其精度受带钢运行时卷层间相对滑移和张力辊打滑等各种因素影响，因此有必 要仔细探讨实时卷径的获取问题。准确的卷径值测量，是决定其工艺线速度恒定的保证。 第二章张力控制系统模型的建立 b a c k u p r o l l c hr o l l l e v e l e r 图2 4 开卷过程中钢卷亘径的变化趋势图 设主轴的直径为d ，挤压辊的直径为q ，结合上一节的公式( 2 6 ) ，得到公式( 2 7 ) 。 丁=坐，(q刀。一dn60l p ( 2 7 ) 1 一一l i ，几一 “l，) 7 、 ! 1 ， 卜“7 开卷过程中挤压辊的直径口保持不变，而主轴的直径d 在逐渐减小。这样就在张力 控制公式中增加了一个变量d ，本小节来讨论d 的计算方法。 2 2 1 获取实时钢卷直径数值的算法 在进行开卷之前，可以在上卷小车( c o i lc a r ) 上卷过程中得到钢卷的公称厚度及初始 直径。获得钢卷公称厚度值和初始直径后，可以采用以下的办法计算钢卷实时直径【1 6 】。 1 ) 计数法计算钢卷实时直径 随着开卷过程的进行，钢卷直径会逐渐变小，钢卷每转过一圈，钢卷直径的变化 值为2 倍的带钢公称厚度，因此可以通过下面的公式计算出钢卷实时直径。 d 钾= d 册( 川) 一( 2 p m 删h ) ( 2 8 ) 式中： 域m 通过计数法计算出的钢卷直径： d 胛( ) 前一次测量周期计算出的钢卷直径，其中n 为进行的测量周期的次 数： p 钥卷的占积率，对给定生产工艺，p 为常数，本分析取为0 9 5 ； 测量周期内钢卷转过的圈数，本分析取为1 ： 厅带钢公称厚度。 1 4 长安大学硕士学位论文 由于计数法是基于开卷机系统本身的特性计算钢卷直径，不受外界干扰因素( 张力 辊磨损，张力辊打滑，钢卷偏心) 的影响，因此，计算出的d c r 值被用做钢卷直径的基 准值。 2 ) 流量相等法计算钢卷直径 在实际生产中，钢卷初始直径往往不是很准确，同时还要考虑带钢厚度变化以及钢 卷的层间滑移。这些因素造成计数法得出的钢卷直径数值会偏离钢卷直径的实际数值。 因此需要对计算出的r 数值进行修正。开卷机张力辊位置如图2 5 所示。带钢在带张 力运行时，如忽略带钢本身张力引起的运行方向上的微小弹性伸长，每处的运行速度是 相等的。这样在给定的时间周期内，带钢通过张力辊的长度与通过开卷机卷筒的长度也 是相等的，即 ，d 毗2 = 。d 日2 ( 2 9 ) 式中： 丸时间t 内钢卷转过的角度： p 砒流量相等法计算出的钢卷有效直径： 屯时间t 内张力辊转过的角度： d 张力辊的直径。 囱 图2 5 开卷结构示意图 如果开卷机传动电机转动一周，装在传动电机轴上的光电编码器发出的脉冲数为 z m 。，对应于钢卷转过妒。角度的脉冲数为z 。张力辊传动电机转动一周， 装在传动 电机轴上的光电编码器发出的脉冲数为z 加，对应于转过九角度的脉冲数为乙，则下 第二章张力控制系统模型的建立 面的关系式成立： 互业： 兰翌 2 石 a 妒。f c 三业： 兰1 27 r a 。i 占 式中：七开卷机传动比：张力辊传动比。 将式( 2 一l o ) 和式( 2 - 11 ) 分别求出的丸和屯代入式( 2 - 9 ) 中，得： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 。毗= 辫= 繁 仁协 将里掣记为卷径计算常数k 。，则式( 2 1 2 ) 可以写成： zh o l b 。僦“。每 ( 2 1 3 ) 由此可以看出，利用装在开卷机传动电机轴和张力辊传动电机轴上的光电编码器发 出的脉冲数，就可以求得实时卷径值。用流量相等法求出的卷径值记作。流量相 等法求出的卷径值精度主要由光电编码器的精度决定，故式( 2 8 ) 的精度可根据需要确 定。 2 2 2 卷径修正值计算 带钢在带张力运行时张力波动会引起带钢弹性变形波动，机组各种振动会导致带钢 与张力辊接触面的摩擦状况变化，从而使缠绕在张力辊上的带钢可能发生打滑。张力辊 在运行一段时间后，磨损使辊径变小，张力辊与开卷机间设置的转向辊和托辊与带钢之 间作用有摩擦力，这些因素都可能造成张力辊处的带钢运行速度与开卷机处的带钢运行 速度不相等。因此每次测量周期内按式( 2 1 3 ) 测出来的钢卷直径圮不能直接用来对 口研值进行修正，需要对计算出的p 儿数值进行处理，然后通过与d c r 比较得出卷径 计算的修正值。在每一次测量周期后，通过流量相等法测出的卷径值，要与前一次测出 的卷径值进行对比其卷径偏差值为 d 僦= d 僦( 川) 一d 僦( 。) ( 2 1 4 ) 1 6 长安大学硕士学位论文 将每次计算出的储存在电脑里，然后对这些偏差值进行数值分析，求其算术 平均值和方差。一般取最近8 次的卷径计算偏差值进行数值分析，即： m v 。僦= 虿1 善8 。僦 ( 2 1 5 ) 嘭= 西1 砉( 。僦一m v z x d c o i l ) 2 ( 2 1 6 ) 式中： m 峨比卷径偏差值的算术平均值： 卷径偏差值的方差。 如果值在设定的范围内，就认为此次计算出的卷径是可信的【2 1 1 。将 朋吼伽2 数值当作带钢厚度值h ，同时将每次测量到的p 儿与皿m 进行比较， 如 果二者之间的偏差超出一定的范围，需要用a d 脚对口肿的数值进行修正，即： d 肋r p = 一( d 肿一d c d ，l ) 3 ( 2 1 7 ) 这样在接下来的三个测量周期内对眈舸的数值进行修正后，再比较p 儿与r 的 数值， 如果此时偏差在设定范围内，则将刖7 脚的数值置为0 。如果偏差仍然超出设 定范围， 则用此时的偏差值代入式( 2 8 ) ，计算修正值。因此，式( 2 8 ) 应修正为： d c 盯2d c 盯( 一一1 ) 一( 2 p m r p m 办) + d k o r p ( 2 。1 8 ) 通过式( 2 1 8 ) 计算出的钢卷直径的数值减少了钢卷初始直径和带钢厚度数值不准确 造成的影响。当设定一个合适的圪，允许值，可以保证带钢厚度值准确。在增加了凹k d r p 的修正后，可以减少由于钢卷初始直径不准确及钢卷层间滑移的影响。由于计算出的钢 卷直径数值是以式( 2 8 ) 计算出的数值为基础，保证了计算出的钢卷直径数值稳定。因此， 式( 2 1 8 ) 计算出的钢卷直径的数值是比较准确的。经过修正d ( m 后的值，被用作下一个 测量周期的r 初值。 这样一来，在整个开卷过程中，主轴上钢卷的直径就可以测量出来。由此，大大提高 了张力控制的精度。 第二章张力控制系统模型的建立 2 3 控制系统仿真模型的建立 2 3 1p w m 变频器简化控制模型 控制系统传动电机的转速调节是通过变频器来实现的，而变频器内部结构是由大规 模可控硅p w m ( 脉宽调制) 变换器控制电路组成的。事实上无论哪一种p w m 变换器电 路，其驱动电压都是由p w m 控制器发出，p w m 控制器可以是模拟式的，也可以是数字 式的，图2 6 所示为p w m 控制器的框图。 u c p w m u g p w m ll 控制器变换器 通过对p w m 变频器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压u c 改变时，p w m 变换器平均电压u d 按线型规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期t 。 因此，p w m 控制与变换器( 简称p w m 装置) 可以看成是一个滞后环节，其传递函数可 形( s ) = 面u d ( s ) = k 即 ( 2 1 9 ) 由于r , w m 装置的数学模型与晶闸管装置一致，在控制系统中的作用也一样，因此 形o ) ，k ，t s 都采用同样的符号。 当开关频率为l o k h z 时，t = o 1 m s ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这 一南 仁2 。， 与晶闸管装置传递函数完全一致。但须注意，式( 2 2 0 ) 是近似的传递函数，实际上 1 8 长安大学硕士学位论文 p w m 变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节。继电控制系统在一定 条件下会产生自激震荡，这时采用线性控制理论的传递函数是不能分析出来的。如果在 实际系统中遇到这类问题，简单的解决方法是改变调节器或控制器的结构和参数，如果 这样做不能奏效，可以在系统某处施加高频的周期信号，人为地造成高频强制振荡， 抑制系统中的自激振荡，并使继电环节的特性线性化1 2 4 1 。 2 3 2 系统控制模型 系统仿真中电机采用直流电机模型。挤压辊部分电机工作方式为速度、力矩双闭环 控制系统，而主轴部分采用转速、力矩双闭环控制系统。 张力模型采用一阶惯性环节，如图2 7 所示，主轴、挤压辊的速度差为输入量。一 般对张力较大的控制系统，即钢卷重量较小时，放大系数很小。所以钢卷张力受速度变 化的影响也很大。在挤压辊的控制系统中，其直径d 1 是个不变的量，而主轴的直径d 2 是一个变化的量，它会随工作过程的进行，逐渐减小。系统仿真时，d 2 表示成一个随时 间而减小的变量。 图2 7 张力控制系统原理图 若采用p i d 控制器进行张力控制，经过系统仿真研究发现，常规p i d 调节器已经 可以保证系统有较好的性能。但是在一个设定张力变化较大，特别是给定速度变化较大 时，系统瞬时响应需要一个很长时间的调节过程，并且会产生较大的振动。因此我们在 这里提出模糊张力控制系统，从而对p i d 控制系统进行改进。 2 4 本章小结 本章就张力控制系统建立了数学模型。在实际开卷机构中，随着主辊上钢卷的减小， 1 9 第二章张力控制系统模型的建立 其直径也在逐渐减小，所以提出了钢卷实时直径的计算方法。同时说明了变频器系统传 递函数模型，为了便于研究，建立了一个简化模型，不考虑诸如刚体转动惯量以及金属 形变等因素，为后文的研究建立了理论模型基础。随后简要评析p i d 控制的不足，从而 引出了改进控制方法一一模糊控制。 长安大学硕士学位论文 第三章模糊张力控制算法设计 模糊控制理论是当今控制领域的高级学科，近年来模糊控制在各种领域出人意料地 解决了传统控制理论难以解决甚至无法解决的问题，取得了一些令人信服的成效。日本 的日立( h i t a c h i ) 公司在1 9 8 3 年为仙台市设计了地铁模糊控制系统，这条电力机车自动 运输系统是当今世界上是相当先进的地铁控制系统。自1 9 8 3 年开始实验和测试，历时4 年，于1 9 8 7 年7 月正式投入运行。该车非常平稳、舒适，可以以很高的精确性停靠于 站台。经过系统运行1 万次以上的实验行驶、进站停统计，停车误差在3 0 c m 以上的还 不到1 。标准差是1 0 6 c m ；另外，还能比传统p i d 控制系统节省1 0 的燃料，且对于 停靠站台的控制值的变化次数，模糊控制只有p i d 控制的1 3 。它是模糊逻辑应用与控 制领域的一座里程碑，也是模糊控制的一个十分闪光的范例。鉴于模糊控制系统的优秀 的控制效果，本文将模糊控制运用于张力控制。 模糊理论是一个庞大的理论体系，它的一些基本理论有：模糊聚类分析、模糊模型 识别、模糊综合评判、模糊物元分析和模糊控制等，本文运用到了模糊控制。事实上， 模糊理论应用最有效、最广泛的领域就是模糊控制，本章主要讲述模糊控制理论。 3 1 模糊逻辑和模糊控制 模糊逻辑是指在模糊数学诞生之后产生的一种新的逻辑理论系统，以往的逻辑学是 指传统逻辑数理逻辑。在数理逻辑中，人们较为熟悉的是二值逻辑，也就是布尔逻 辑，在这种逻辑中，逻辑值非“0 ”即“1 ，决无其它值；而模糊逻辑和二值逻辑不同， 它是一种连续的逻辑，在模糊逻辑中，逻辑值可以取【0 1 之间的任何数。因此，模糊逻 辑是二值逻辑的扩展，二值逻辑则是模糊逻辑的特殊情况n 射。模糊逻辑是解决各种复杂 问题的有效方法之一。 模糊控制建立的基础是模糊逻辑，它比传统的逻辑系统更接近于人类的思维和语言 表达方式，而且提供了对现实世界不精确或近似知识的获取方法n 副。模糊控制的实质是 将基于专家知识的控制策略转换为自动控制的策略，它所依据的原理是模糊隐含概念和 复合推理规则。 模糊控制( f u z z yl o g i cc o n t r o l ，f l c ) 是建立在人工经验基础之上的。模糊控制的 基本思想：把人类( 专家) 对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“i f ( 条 件) t h e n ( 作用) ”形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对 2 1 第三章模糊张力控制算法设计 象或过程。控制作用集为一组条件语句，状态语句和控制作用均为一组被量化了的模糊 语言集，如“正大”，“负大 ，“正小”，“负小 ，“零 等。 一般而言模糊控制的定义为：“以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊推理为基础 的一类控制方法 。经验证明，在一些复杂系统，特别是系统存在不确定性的、不精确 信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规的控制。 3 2 模糊控制器的结构 模糊控制器是模糊控制系统的核心，是模糊控制系统控制品质的主要保证，因此， 在模糊控制控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是和很