（检测技术与自动化装置专业论文）轧机液压agc系统数学模型及控制方法研究.pdf

，】 。： o ：jl “- 上 at h e s i si nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t t h e s t u d y o nt h ed y n a m i cm o d e la n dt h e c o n t r o lm e t h o do fh y d r a u l i ca g cs y s t e m b ys u nw r e i h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i nw | e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 坶 j u n e2 0 0 8 1_、ll一 ，o 氅 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚 挚的谢意。 学位论文作者签名：彦小丑缉 日期：2 d 口子7 专 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流得时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：】z 。缉 签字日期：山口g ) 弓 导师签名： 签字日期： 、 毫 东北大学硕士学位论文摘要 轧机液压a g c 系统数学模型及控制方法研究 摘要 针对轧机厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o m r o ls y s t e m ，简称a g c 系统) 中不 确定因素造成的过程数学模型的不精确性，并鉴于常规p i d 控制器整定调试周期长、较 难适应过程数学模型变化等问题，本文运用模糊p i d 控制理论，在轧机实验仿真平台上， 利用l a b v i e w 模糊逻辑工具包设计开发了参数自整定模糊p i d 控制器，并进行实验研 究，其控制效果与常规p i d 控制器比较后，验证了模糊p i d 控制技术在轧机厚度自动控 制中的可行性。 a g c 系统是轧机提高带材厚度精度的重要方法，其采用目的是获得板带材纵向厚 度的均匀性，从而生产出合格产品，目前已成为轧机自动化系统中不可缺少的一部分。 本文首先在分析了轧机液压a g c 系统及其运行机理的基础上，以伺服阀的基本方 程、液压缸连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程为基础，确定了液压伺服控制系统 的数学模型。但是，由于轧制工艺的复杂性，来料厚度的变化等不确定因素的影响，对 于轧机厚度自动控制系统，要建立精确的数学模型是很困难的，不利于传统控制理论的 应用与实现，而智能控制技术为解决厚度自动控制提供一种有效途径。 然后在深入分析轧制工艺过程的基础上将模糊控制技术应用于厚度控制系统中，并 在美国n i 公司的图形化编程软件m v i e w 开发平台下，利用模糊逻辑工具包( f u z z y l o g i ct o o l k i t ) 和p i d 工具包，设计了一个参数自整定模糊p i d 控制器，编写相应模糊控 制程序，实现了轧制过程基于模糊p i d 技术的厚度自动控制系统。 在轧机厚度控制系统中，模糊p i d 控制器是由p i d 控制器和参数模糊自调整机构组 成，模糊自调整机构运用模糊控制的基本理论和方法，根据控制系统的实际响应输入信 号，即偏差信号p 和偏差变化p c 的变化，通过模糊推理作出相应决策，在线调整群，蜀 和k n 三个p i d 参数，使其既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精 度高的特点。 实验运行效果表明，经改造后的a g c 控制系统具有良好的参数自整定性能，比原 a g c 系统在厚度控制的精度方面有了很大的提高，将误差控制在1 5 内，小于一般用 户要求的3 的误差范围，并在一定程度上解决了常规p i d 控制方法调试周期长或容易 超调等问题，表明该方法的良好效果，能更好的满足现代金属轧制行业对自动厚度控制 系统的要求，并为现场实际应用打下良好基础。 关键词：a g c ；数学模型；模糊p i d ；l a b v i e w i 卜一 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo nt h ed y n a m i cm o d e la n dt h ec o n t r o lm e t h o do f h y d r a u l i ca g cs y s t e m a b s t r a c t a c c o r d i n gt op r o b l e m sa s s o c i a t e d 晰t l l 也ei m l c c u m c yo fp r o c e s sm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dp o o ra 帅t a t i o n 趾dl o n gs e t t i n gd e b u g g i n gp e r i o do fc o r e n t i o n a lp i dc o “t r o l l e r s ，an e w p a r a m e t e r ss e l f ：a d j u s t i n gm 乙z yp i dc o l l t r o l l e rd e s i g i l e db yu s i n gt h ef u z 巧l o g i ct 0 0 l k i to f l a b v i e wi i lt 1 1 er o l l i n gm i l ls i m u l a t o ri sp r o p o s e db a s e do nt h em z z yp i dm e o r ) ，i nt l l i s p a p e r ，t l l en l i l r c s u l t sp r o v e dm ef e a s i b i l i t yi na g cs y g t e ma r e rc o m p a r i n g 丽t l lm e c o n v e n t i o m lp i dc o n t r o l l e r a g ci s 觚i i n p o 比u l tm 刮df o rr o l l i n gm i l lt 0i m p r o v et h e “c k n e s sa c c u r a c yo f p l a t e s t r i p b e c a u s em eq u a l i f i e dp r o d u c t sd e p e n d o nt l l eu n i f o r m i t ) ，o f 嘶p sv e n i c a l t l l i c l m e s s ，a g ch a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ep a ni nm i l la u t o m a t i cs y s t e m i n 吐l i sp a p e r ，o nt h e 觚a l y s i so ft h eh y d r a u l i ca g cs y s t e ma i l do p e r a t i o nm e c h a l l i s mi na 鲥pm i l l ，t h em a m e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r i c h y d r a u l i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m i sb u i l t a c c o r d i n gt 0t h ee q u a t i o no fl o a d i n gp r e s s u r e f l u xi ns e n ，ov a l u e ，t l l ee q u a t i o no fl o a d i n gn u x i nh y d 瑚吡l i cc y l i n d e ra i l dm ee q u a t i o no ff o r c ee q u i l i b r i 岫i nh y d r a u l i cc y i i n d e r h o w e v e r m ec o m p l e x i 哆o fr o l l i n gp r o c e s sa r l dm ev a r i e t yo fm a t e r i a l st l l i c k r l e s sb r i n gm a n y d i 街c u l t i e st 0m ea c c u r a t em a ：c l l e m a t i cm o d e lo fa g c t h o u 曲m o s ep r o b l e m sp l a c eo b s t a c l e s t 0t l l e a p p l i c a t i o n a i l d i m p l e m e n t a t i o no ft r a d i t i o n a l c o n t r o l t h e o r y i n t e l l i g e m c o n t r o l t e c l l i l o l o g yp r o v i d e sa i le 能c t i v em e a i l sf o rs o l v i n gt h et h i c l ( n e s so fa u t o m a t i cc o n _ t r 0 1 t h e n ，b a s e do na p p l y i n gt h ef 洫z yc o n t r o lt h e o 拶t 0t l l em i c k n e s sc o n t r o ls y s t e ma r e r 觚a l y s i s i n gt h er o l l i n gp r o c e s sd e e p l y ，ap 踟e t e rs e l f ：t u i l i n gm z z ) ，p i dc o n t r o l l e r 埘t l l i s d e s i g n e db yu s i n gf u z 巧l o g i ct 0 0 l k i ta 1 1 dp i dt 0 0 l 虹to fn i s 伊印h i c a lp r o 伊a i t 皿i n g s o f h a r el a b v i e w ；蠲s o o na u sc o m p i l i n gc o r r e s p o n d i n gp r 0 伊锄，t h e nm ea g cb a s e do n f i l z z yc o m r o lt h e o r yh a si m p l e m e m e d t h e 缸硒，p i dc o n t r o l l e ri sm a d eu po fp i dc o n t r o l l e ra i l dp 眦吼e t e r ss e l f - t u n i n g m e c h a i l i s m r h en l z z yc o n t r o l l i n gm e o r y 肌dm e t h o d sa r eu s e di n 如z z ys e l f ：a d ju s t i n ga g e n c y a c c o r d i n gt 0m ei n p u ts i 盟a lo f t h ea c 删r e s p o n s e ，r 姗e l yc h a l l g e so f m ee 玎o r 口觚dt h e c l l a i l g eo fe 聃r 口c ，廓，局a l l d 缸ea d j u s t e d o nl i n ec o m p l y i n g 、i t l lt l l er e l e v a n t d e c i s i o nb a s e do nt h e 如z 巧r e a s o n i n g t h i sm z z ) ，p i dc o n t r o l l e rn o to n l yh a st h em e r i to f n e x i b i l 时锄da d 印t a b i l i 劬b u ta l s ok e e p st h eh i 曲p r e c i s i o no fp i dc o n t r o l l e r e x p e r i m e m a l e f i 、e c t sm m 汜c l e a rt l l a tt h ei m p r o v e da g ch 嬲g o o dp a r 锄e t e r s e l f ：删u s t i n gp e r f 0 衄a n c e ，l a 玛e l yi m p r o v i l l g t l l ea c c u r a c yo ft h i c k n e s sc o n 仃0 l l i n ga n d i i i 查! ! 查兰塑主茎堡笙圭a b 。眦t 一一 ：= ：竺： o v e r c o m i n gp r o b l e m ss u c ha s1 0 n g 删u s t m e mp e r i o da n do v e r s h o o t t 1 1 i si m p r o v e da g c c a l l b e n e rs a t i s f i e dt i l e r e q u i r e m e n t sf o rm o d e ma u t o m a t i ct l l i c k n e s sc o m r o ls y s t e mi n r o l l i n g 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要：i i a b s t r a c t 一l i l 第l 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 厚度自动控制( a g c ) 系统的研究现状2 1 2 1 国内外研究现状2 1 2 2a g c 系统存在问题分析3 1 3 模糊p i d 控制技术的应用4 1 4 主要研究内容与论文构成5 第2 章轧机厚度自动控制原理7 2 1 轧制工艺分析7 2 1 1p j i l 图7 2 1 2 影响轧件厚度波动的主要因素8 2 2 板材厚度控制方法1 l 2 2 1 调整压下1 l 2 2 2 调整张力1 2 2 2 3 调整轧制速度。13 2 3 液压a g c 系统及其控制方式1 3 第3 章液压a g c 系统数学模型1 7 3 1a g c 伺服系统构成1 7 v z 东北大学硕士学位论文目录 3 2 液压a g c 系统的数学模型i8 3 2 1 伺服阀的基本方程1 8 3 2 2 液压缸的基本方程1 9 3 2 2 1 流量连续方程1 9 3 2 2 2 负载力平衡方程2 0 3 2 3 背压回油管道2 2 3 2 4 位移传感器和压力传感器2 3 3 2 5 控制调节器2 3 3 2 6 预控和监控2 3 3 - 3 阀控缸传递函数2 4 3 4 本章小结2 7 第4 章模糊p i d 控制器的设计2 9 4 1 控制器的设计2 9 4 1 1 控制思想2 9 4 1 2 控制结构3 0 4 2 参数整定规则3 0 4 2 1 常规p i d 参数整定规则3 0 4 2 2 模糊控制器参数整定规则3 2 4 3 模糊控制基本原理3 3 4 4 模糊控制器的设计3 4 4 4 1 模糊控制器的结构设计3 4 4 4 2 模糊规则的选择和模糊推理3 5 4 4 2 1 模糊语言变量的确定3 5 4 4 2 2 确定语言值的隶属函数3 6 4 4 3 模糊控制规则的建立3 7 一v i 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 4 解模糊4 0 4 4 5 模糊控制器论域及比例因子的确定4 2 4 4 6 编程步骤4 3 4 5 参数在线调整4 4 4 6 小结4 4 第5 章控制方法的具体实现4 5 5 1l a b v i e w 介绍4 5 5 2 轧机a g c 系统数学模型在l a b v l e w 中的实现4 6 5 3 常规p i d 参数整定实现4 9 气 。5 4 控制方法实现5 0 5 4 1 人机交互界面5 0 5 4 2 控制算法的程序设计5 2 5 4 3 程序运行效果5 6 5 5 小结5 9 第6 章结束语6 1 6 1 结论6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 5 攻读硕士期间发表的论文6 7 一v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 我国金属加工行业在改革开放的2 0 余年中发展迅速，金属产量逐年增加，金属产 品广泛应用于建筑业、容器包装业、交通运输业、电气电子工业、机械制造业、航空航 天和石油化工等各个部门。目前，金属加工工业进入了一个与国际市场接轨与融通的新 阶段，从世界范围看，发达国家的金属材生产的重点已从量的增加转移到提高产品质量， 开发高附加值产品的轨道上来，然而我国金属材的品种及质量还远远不能满足经济发展 的要求。 金属产品的精度主要指产品的外形尺寸精度，对于板带材来说，外形尺寸包括厚度、 宽度、板型、板凸度、平面形状等等。在所有的尺寸精度指标中，厚度精度是衡量板材 及带材的最重要的质量指标之一，已成为国内外冶金行业普遍关注的一个焦点。厚度自 动控制( a u t o m a t i cg a u g ec o n 舡d ls y s t e m 简称a g c 系统) 是提高带材厚度精度的重要方 法，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格产品。 目前，厚度自动控制已成为轧机自动化系统中不可缺少的一部分，它控制金属带材 厚度精度，使金属带材厚差在限定的标准内，提高金属带材的成品率。但是，传统控制 理论需建立在精确数学模型基础上来实现的，由于轧制工艺的复杂性，对于轧机厚度自 动控制系统，要建立精确的数学模型是很困难的，智能控制技术为解决厚度自动控制提 供一种有效途径。 本文将模糊控制技术应用于厚度控制系统中，探讨一个基于模糊p i d 控制技术的轧 机厚度自动控制系统的方法与应用。本方首先介绍了a g c 系统的研究背景与研究现状； 然后根据智能控制的思想总结出主要控制问题；最后围绕这些主要的控制问题，阐述了 解决这些问题的模糊p i d 控制策略的设计和实现。 1 1 选题背景及意义 随着社会的发展，科技的不断进步，用户对板带材的品种、材质、精度提出了更高 的要求，尤其对金属加工产品的厚度精度要求越来越高，促使板带轧机向自动化、高速 化和高精度方向发展，而作为控制会属加工产品厚度的轧机自动厚度控制系统( a g c ) ， 正是针对上述市场需要产生的，大幅度的提高了厚度精度，在一定程度上满足用户的要 求。 但是，由于我国自主研发轧机的时间较晚，很多先进的控制理论并没有很好的应用 于实际生产中，a g c 系统控制精度不如国外，自动化程度也落后于国外。为了生产出 高质量的产品，国内不少轧机的a g c 系统采用进口产品，但价格昂贵，维修麻烦，严 一1 一 ? 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 重阻碍了国民经济的发展，所以，自行开发出智能控制的a g c 系统很有必要，也有较 强的现实意义。 从目前国内的自动厚度控制系统的运行情况来看，与国外先进水平相比有很大差 距，厚度精度远没有达到理想的指标，板厚偏差普遍在0 2 5 0 3 0 n u l l ，与国外0 0 7 o 0 8 m m 相差甚远。原因是加工工艺的复杂性以及各种未知因素影响的不确定性，很难 得到精确的数学模型。在经典控制领域中，用传统控制原理进行控制时，a g c 控制系 统对轧机的厚度控制往往只能根据不精确的数学模型粗略给出控制参数，并且由于金属 带材厚度受到液压伺服系统、自动控制系统、工艺的瞬时条件和原料等多方面的共同影 响，对于同样的轧制设备、工艺条件和控制系统，a g c 控制参数的整定是不一样的， 而且没有规律可循，所以造成了传统的a g c 控制系统具有相当大的不确定性。 a g c 控制系统的不确定性和传统控制方法的局限性，都影响了系统的控制精度， 导致控制精度较差、存在超调或控制到厚度目标值的时间较长，造成费品率高，生产效 率低，而且由于现存a g c 控制器本身也或多或少存在缺陷，想要继续提高控制精度， 是比较困难的。 由于作为轧制技术重要组成部分之一的a g c 控制系统的精确性是保证成品质量的 重要品质，所以非常有必要利用现存的智能技术对a g c 系统进行再开发，设计出性能 更加优良的a g c 控制器。本文中采用的智能技术中的模糊控制技术正是针对a g c 控制 系统和轧制过程不确定性，依据以往现场工程师和专家的操作经验，确定a g c 系统控 制参数的调整准则，实现a g c 控制参数的在线调整，最终达到现场专家级的调节精度， 在一定程度上使a g c 控制系统达到一个新的高度。 1 2 厚度自动控制( a g c ) 系统的研究现状 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器( 如辊缝仪和压头等) 对板材实际轧出厚度连续 地测量，并根据实测值与给定值相比较后得到偏差信号，借助控制回路和装置或计算机 的功能程序，改变压下装置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许偏差范围内的方法。 1 2 1 国内外研究现状 同其它各种技术的发展一样，板带轧机板厚控制技术及理论的发展也经历了由粗到 精、由低到高的发展过程。近年来，各国相继投入了大量的人力、物力，开发研制了多 种现代化大型轧机，并在板形和板厚等控制技术方面取得了许多新的进展。 近2 0 年来，发达国家工业结构变化和发展中国家国民经济增长对冷轧产品质量、 品种和数量提出了新的要求，为轧制过程的控制进一步增加了难度，用传统方法已经是 很难进一步提高控制水平了。因此，一些国家开始全面的、有计划的开发智能控制如模 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 糊控制技术、神经网络技术等以适应更高精度的要求。其中大型轧机具有代表性的有日 本日立公司研制的工作辊可轴向移动的h c 轧机，德国西马克公司研制的连续可变凸度 c v c 轧机，中间辊即可弯曲又可移动的u c 轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式 的p c 轧机，德国曼内斯曼一德马科公司的u p c 轧机等。而日本、美国、德国、法国等 在智能控制技术方面也已获得成功的应用，尤其是日本成果最佳，像同本神户钢铁公司 加古川厂五机架冷轧机的神经模糊板形控制系统、日本日立公司森吉米尔轧机的神经模 糊板形控制系统等等。 我国在高精度轧制技术方面也作了大量的研究开发工作，也从国外引进了大型冶金 设备和技术，我国技术人员经过多年的学习与消化，在此基础上结合我国的实际情况， 自行开发出一些有关提高产品精度的基础理论和实用的先进工艺及装备。在基础自动控 制方面，以p l c ( 可编程控制器) 、d c s ( 集散控制系统) 、工业控制计算机为代表的计算 机控制取代了常规模拟控制、现场总线、工业以太网等技术逐步在冶金自动系统中应用， 在冶金企业全面普及。在控制算法上，回路控制普遍采用p i d 算法。智能控制等先进控 制技术在轧机轧制力控制等方面有了初步应用，并取得一定成果，像鞍钢中板厂2 3 5 0 四辊轧机智能控制的开发研究、济钢中板轧机液压a p c 系统中模糊控制技术的应用等。 我国的许多大学也开展了这方面的研究。尤其是东北大学国家重点实验室的三机架 冷连轧机是该实验室最重要的一条兼有实验和生产能力的轧线。该轧机设备包括美国西 屋公司的分布式计算机控制系统、英国欧陆公司的全数字直流传动系统和德国福尔默公 司的接触式测厚仪。其液压伺服系统、液压缸位移传感器、轧制力传感器、带钢张力传 感器、带钢位置跟踪编码器等均为国内配套。各种厚度控制功能已经投入，达到了较高 的厚度控制精度。它不仅可稳定地进行工业生产，也为轧制技术和连轧控制系统的理论 研究提供了理想的试验手段。设计完成的冷连轧机综合控制应用软件具有组态化结构。 它的可组合性、可扩展性、可更新性及可替换性，形成了一套具有自己特色的冷连轧机 控制策略豫1 。 但是我国自主研发轧机的时间较晚，技术含量不高，自动化程度比较低，生产出的 产品竞争力不强，造成我们与世界钢铁强国的较大差距，每年尚需进口大量的板带产品， 许多轧机的生产状况，尚不能令人满意，厚度精度急待提高，许多理论问题以及所采用 的先进技术，尚待进一步消化研究。为了更好地实现控制，缩短现场调试周期，还有待 于对它进一步补充完善。 1 2 2a g c 系统存在问题分析 随技术的进步，压下控制技术包括的主要技术内容已为国内人士所掌握。目前，技 术的工程化已完全立足于国内。随着技术的不断完善，针对国内板带轧机装备状况形成 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的一整套控制技术已经能够解决板材生产中的厚度差及板形等质量问题。但是，我们应 看到同世界钢铁强国的差距，我国的a g c 应用还存在着很多问题。目前国内大多数轧 机液压系统投运率低，运行效果差，造成这种善的因素是多方面的口h 钔1 ： ( 1 ) 四辊轧机运动时各种参数变化范围很大，包括轧制力、压下量、辊缝变化量及 板材的塑性系数等。 ( 2 ) 四辊轧机在轧前轧后一般不安装近机架测厚仪，因而，系统运行存在一定滞后 时间。 t ( 3 ) 影响板厚的因素很多，而又不能及时补偿各因素对板厚的影响。 ( 4 ) 液压a g c 系统中的液压伺服系统的数学模型很难精确提炼出来，液压系统的 参数随时间变化，工作点改变时参数呈非线性变化，因而控制方法的选择对控制精度有 影响。 因此，要提高我国的板带材产量和质量，对四辊轧机进行液压a g c 计算机控制系 统改造，更好的实现控制，已是大势所趋。 1 3 模糊p i d 控制技术的应用 p i d 控制是将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控 过程进行控制似1 。p i d 控制器自问世7 0 年以来，以其结构简单、稳定性好、工作可靠和 调整方便等优点，成为工业控制的主要技术之一。但是由于工业对象普遍存在非线性、 时变性和不确定性等因素，采用常规p i d 控制是在忽略系统众多的不确定因素的前提 下，建立模型进行控制，不能达到精确控制要求。尤其对于复杂控制对象，由于受到参 数整定的干扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性也 较差。由此看来，常规p i d 控制技术已不能满足当今工业过程的控制要求。因此，许多 学者尝试使用各种不同的控制技术改进p i d 控制器，其中包括许多采用模糊逻辑非常规 p i d 控制器。研究表明，自调节、自适应以及模糊p i d 不仅可以解决简单线性系统的控 j 制问题，而且对于许多复杂非线性、高阶等系统具有很好的效果。 作为智能控制的一个重要分支，模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻 一 辑推理为基础的一种计算机控制方法。模糊控制的研究发展经历了“理论一应用一理论 的交替热潮过程，自1 9 6 5 年z a d e h 教授创建模糊集合论和1 9 7 4 年e h m 锄d a n i 教授成 功地将模糊控制器应用于锅炉和蒸气机控制以来，模糊控制器被广泛应用于控制领域。 模糊控制器的特点是无需事先知道被控对象精确的数学模型，并用根据以往现场专家或 者操作者的手动控制经验总结出来的模糊控制规则去执行控制，尤其适用于数学模型未 知、复杂的非线性系统的控制口3 。 ， 模糊p i d 控制是指运用模糊数学的基本理论和方法，把模糊控制规则和有关信息作 一4 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理， 实现对p i d 参数的调整。在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系 统。其中，有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰，有的无法获得精确的 数学模型。将模糊控制和p i d 控制结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性 强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。 随着计算机技术的发展给模糊技术的推广带来了美好前景，模糊p i d 控制技术在我 国也逐步地从理论走向工程应用，不断地深入发展。 1 4 主要研究内容与论文构成 本课题是与秦皇岛港电有限责任公司及秦阜岛渤海铝业有限公司协作的研究开发 项目，并在2 0 0 6 年被河北省科学技术厅列为2 0 0 6 年度河北省科学技术研究与发展指导 计划项目，项目名称为铝箔智能控制系统研究与开发，项目编号：0 6 2 1 2 1 8 0 。 本文首先学习了解厚度控制的基本原理，并分析影响厚度控制的几个重要因素，以 四辊液压冷轧机中的自动厚度控制系统作为研究对象，建立比较完善的液压a g c 系统 的数学模型，并结合a g c 系统的实际使用情况，运用模糊控制理论和p i d 控制理论， 设计了一个参数自整定模糊p i d 控制器，确定系统的控制策略，并利用l a b v i e w 图形 化编程语言编写相应程序对系统进行仿真，将运行结果与常规p i d 控制器的控制效果进 行比较，验证了模糊p i d 控制技术在工业过程的可行性。 本文其他章节安排如下： 第二章通过查阅轧机相关资料，介绍了液压a g c 系统的构成，并在了解轧机工作 原理的基础上，分析出影响轧件厚度的主要因素，并针对这几个因素提出板材厚度控制 方法。 第三章根据a g c 伺服系统的构成，从伺服阀的基本方程、液压缸连续性方程、液 压缸和负载的力平衡方程入手，详细推导了液压轧机负载动态模型，建立了阀控液压缸 系统动态数学模型及液压a g c 电液位置控制系统数学模型，并分别给出了方块图和传 递函数，由此确定了液压控制系统的数学模型。 第四章针对由于轧制过程中各种不确定因素造成的a g c 控制系统数学模型的不精 确性，选取模糊p i d 控制技术作为控制策略，在深入分析理解了模糊控制理论和p i d 控 制理论后，利用l a b v i e w 逻辑工具包和p i d 控制器设计了模糊p i d 控制器协1 。 第五章在得出的液压a g c 控制系统数学模型的基础上，运用模糊p i d 控制器根据 所建模型对轧机进行仿真分析，并与常规p i d 控制器控制效果进行比较，验证模糊p i d 控制技术在工业过程的可行性。 一5 一 备 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 一6 一 t ， 东北大学硕士学位论文第2 章轧机厚度控制原理 第2 章轧机厚度自动控制原理 板带材的高精确度主要是指厚度的精确度。由于板带材是由轧辊辊缝中轧出来的， 辊缝的大小和形状决定了板带板纵向和横向厚度的变化，所以要提高产品的厚度精度， 就必须清楚轧辊辊缝大小和形状变化的规律n 3 1 。本章通过对轧机轧制理论的研究，分析 了影响金属带材厚度自动控制系统控制精度的几个重要因素。 2 1 轧制工艺分析， a g r o h e r e s h a c h 提出利用厚度仪测得信号调整机架的张力来达到调整厚度的目的； e m e y e r 根据轧辊负载的变化调节压下来控制厚度；w c h e s s e n b e 略等人把轧机看成一 个弹性体，导出最简单弹跳方程，通过轧制力的变化调节辊缝达到控制厚度的目的。以 上基本控制理论到现在已经得到了广泛的应用，已开发和使用的厚度控制方法很多，如： g m t r a g c ( a u t o m a t i cg h u g ec o n t r o ls y s t e m ) 、前馈a g c 、监控a g c 、秒流量控制等。 经过几十年的发展，控制理论由经典控制理论发展到现代控制理论及近年来的智能控制 理论。 2 1 1p 一办图 板带材轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形( 即所谓弹 跳) 的过程，二者同时发生。由于轧机的弹跳，使轧出的带材厚度办等于轧辊的理论空载 辊缝& 再加上轧机的弹跳值。按照胡克定律，轧机弹性变形与应力成正比，故弹跳值 砬为p f k 故戚 j l = & + p k ( 2 1 ) 式中p 轧制力； k 轧机的刚度，即1 单位弹跳所需轧制力的大小。 式( 2 1 ) 为轧机的弹跳方程，据此绘成曲线彳成为轧机弹跳变形线，它近似一条直线， 其斜率就是轧机的刚度。但实际上在压力较小时，弹跳和压力的关系并非线性，且压力 愈小，所引起的变形也愈难精确确定，亦即辊缝的实际零位很难确定。产生非线性的现 象，可用实际存在零件之间的非线性接触变形以及零件之间存在间隙等原因来解释。这 一非线性区还不稳定，每次换辊之后都有变化，因此上述关系式很难在实际中应用副。 为了消除这一非线性区段的影响，实际操作中可将轧辊预先压靠到一定程度，即压到一 定的压力昂，然后将此时的辊缝指示定为零位，这就是所谓“零位调整。以后即以此 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章轧机厚度控制原理 零位为基础进行压下调整。由图2 1 可以看出轧制状态下的变形情况及变形曲线，有式： 办= 氐+ ( 尸一昂) k ( 2 2 ) 式中& 考虑预压变形后的空载辊缝。 另一方面，给轧件以一定的压下量( 日一 ) ，就产生一定的压力p ，当料厚日一定， 厅愈小即压下量愈大，则轧制压力也愈大，通过实测或计算可以求出对应于一定向值( 即 p 值) 的尸值，在尸一i j 图上绘成曲线b ，称为轧件塑性变形线。同理，轧件的塑性系 数m 为使轧件产生单位压下量所需的轧制压力，即肘= 劫锄。 b 线与彳线交点的纵坐标即为轧制力尸，横坐标即为板带实际厚度厅。塑性变形线 b 实际是条曲线，为便于研究，其主体部分可近似简化成直线。 p p l 矿f 彦7 一| 一品二i 厅 二跖一昂 =7 ，二 a 尸一力图b 轧制状态卜的变形状况 图2 1 轧制状态下的变形情况和变形曲线 f i g 2 1t h e d i s t o n i o nc i r c sa n dc u r v ew h e nr o l l i n g 由尸一厅图可以看出，如果b 线发生变化，变为，则为了保持厚度办不变，就必 须移动压下螺丝，使彳线移至彳，使彳与召7 的交点的横坐标不变，亦即须使彳线与b 线 的交点始终落在一条垂直线c 上，这条垂线c 称为等厚轧制线。因此，板带厚度控制实 质就是不管轧制条件如何变化，总要使彳线与b 线交到c 线上，这样就可得到恒定厚度 ( 高精度) 的板带材。由此可见，尸一厅图的运用是板带材厚度控制的基础n 引。 2 1 2 影响轧件厚度波动的主要因素 对板材实际轧出厚度产生影响的因素概括起来有温度的变化、轧机方面、轧件方面、 轧制工艺、模型设定计算造成的厚度偏差、测量仪表精度以及控制系统结构和控制参量 的设计等多个方面，但主要是来自轧机方面和轧件方面两大类。 属于轧机方面的包括加大辊缝的轧机工作机座的弹性变形、支撑辊的偏心导致轧辊 旋转一周辊缝产生周期性变化、轧辊的热膨胀和磨损而使辊缝发生变化，以及支撑辊动 压轴承由于速度变化而引起油膜厚度的变化等。 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章轧机厚度控制原理 属于轧件方面的包括坯料厚度变化、变形抗力和带材张力变化等因素n 5 1 。 现代轧制理论是采用弹塑曲线来研究轧制过程的，由轧机的弹跳方程可知，轧后的 轧件厚度主要取决于空载辊缝、轧制压力、轧机的纵向刚度模数和轴承油膜厚度这4 个 因素。因此，无论是分析造成轧件厚度波动的原因，还是阐明板厚控制的基本原理，都 应从这4 个因素的分析入手。( 以下讨论的空载辊缝瓯为理论空载辊缝) ( 1 ) 空载辊缝的变化 轧辊的偏心、磨损和热膨胀等都会使实际的空载辊缝& 发生变化，从而使轧件的轧 后厚度产生波动。如图2 2 所示，当空载辊缝由s 变化到& ，或& ：时，弹跳曲线位置将 由么平移到4 或4 ，轧件厚度由办变化到啊或红。 p p 0 图2 2 空载辊缝变化对轧件厚度的影响 f i g 2 2t 量l ee 髓c to nt h es t r i pg a u g ew h e nn 0 1 0 a dr o l lg 印v a r i e s ( 2 ) 轧制压力的波动 轧制压力尸的波动是造成轧件厚度波动的主要原因。所有影响轧制压力的因素都会 影响轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，即必将影响到板带材的厚度精度，通过改变 弹跳曲线和塑性曲线的支点位置，而影响轧件的实际轧出厚度，如图2 3 所示。 p 0 乱来料厚度变化 尸 o 一9 一 b 张力变化 东北大学硕士学位论文第2 章轧机厚度控制原理 o p 0 c 摩擦系数变化d 变形抗力变化 图2 3 轧制压力波动对轧件厚度的影响 f i g 2 3t 1 1 ee 行e c to nt h es t r i pg a u g ew h e nt h er o l lf o r c ev 撕e s ( a ) 当来料厚度日增大时，塑性曲线b 的起始位置右移，轧制压力增大，使轧件厚 度办增大；反之，轧件厚度就减小，如图2 3 a 。所以，当来料厚度不均时，轧出的轧件 厚度就会出现相应的波动。这种情况虽然通过厚度控制能够得到改善，但是终难以完全 消除。因此，要得到高精度的轧件轧后厚度，来料厚度必须要求在一定的公差范围内。 ( b ) 当张力增大时，轧制压力减小，塑性曲线的斜率变小，轧件厚度变薄，如图2 3 b 。 ( c ) 当轧件与轧辊间摩擦系数减小时，轧制压力会降低，塑性曲线的斜率变小，轧 件厚度变薄，如图2 3 c 。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦系数的 影响而起作用的。 ( d ) 当变形抗力