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摘要 摘要 轧钢生产过程是一个系统工程，由原料到成品要经过多个生产工序， 这些工序存在最优组合问题。轧制产品的生产过程不是唯一的，各机组间 的衔接、匹配也存在最优化问题。板带冷连轧生产过程中，合理地制定轧 制规程、规划各机架的生产能力是保证冷连轧机优质、高产、低耗不可缺 少的重要条件，也是冷连轧生产中一个综合寻优技术课题。随着轧制技术 的飞速发展，只靠经验方法制定轧制规程己不能满足生产需要，轧制规程 的制订应该将生产中的实际经验总结提高到理论高度，使之具有普遍的指 导意义。 首先，在分析改造后的1 3 7 0 五机架冷连轧机控制系统组成的基础上， 针对该套轧机的工艺与设备性能参数，提出了适合于1 3 7 0 冷连轧轧制规程 优化计算的各项参数模型。其中考虑到轧制压力理论计算模型对新钢卷设 定不准确，利用神经网络技术预报轧制压力，通过在线自适应与离线自学 习来提高设定精度，进而修正轧制规程。 其次，在分析冷连轧轧制特点的基础上，选取合适的优化方法，按照 不同需要确定了不同的目标函数及对应的约束条件，建立了各种优化方案， 对1 3 7 0 冷连轧现场规程进行了优化设计，并给出了优化前后对比结果。 最后，考虑到轧制过程中模型参数随时问、轧制条件和性能的不同而 发生改变，提出了轧制规程自适应方法。并根据轧制实测数据的分析和评 估进行轧机主要参数模型的自适应与自学习，仿真试验研究取得了较为满 意的效果。 关键词冷连轧机；轧制规程；神经网络；数学模型；优化：自适应；自学 习 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o no fs t e e lr o l l i n gi sas y s t e m se n g i n e e r i n g t h e r ea r em a n y w o r k i n gp r o c e d u r e sb e f o r et h em a t e r i a lb e i n gf m i s h e dp r o d u c ta n di ti sn e e d e d t o o r g a n i z et h e s ep r o c e d u r e si na l lo p t i m i z e dw a y t h ep r o c e d u r ef o rs t e e l p r o d u c t i o ni sn o tu n i q u e ，t h ec o n n e c t i o na n dt h em a t c hf o ra l lt h es t a n d si sa l s o a ! lo p t i m i z a t i o np r o b l e m i nt h ep r o d u c t i o np r o c e d u r eo ft h ec o l dr o l l i n g ，i ti s a ni m p o r t a n tc o n d i t i o nt oo f f e rar a t i o n a lr o l l i n gs c h e d u l ea n dp r o g r a mt h e p r o d u c ec a p a b i l i t yo fe v e r ys t a n df o rt h eh i g hq u a l i t y , h i g hy i e l da n dl o w e n e r g yc o n s u m p t i o n p r e s e n t l y , t h ep r o c e d u r eb a s e do nt h ee x p e r i e n c ei sn o t s a t i s f y i n g t oo f f e ram o r er a t i o n a ls c h e d u l e ，t h ef i e l de x p e r i e n c es h o u l db e c o n c l u d e di n t ot h e o r yf o rm o r ee x t e n s i v es i g n i f i c a n c e 。 f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e c o n s t r u c t1 3 7 0f i v e s t a n dc o l d r o l l i n gc o n t r o ls y s t e m , w ep r o p o s et h em a i np a r a m e t e rm o d e l sf o ri t ss p e c i a l t e c h n o l o g ya n dp e r f o r m a n c e o nc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i n t yi nr o l l i n gf o r c e s e t - u po ft h en e ws t e e lr o l l e r , t h en e u r a ln e t w o r k ( n n ) i su s e dt op r e d i c tt h e r o l l i n gf o r c ei n s t e a d t h er o l l i n gs c h e d u l ec a nb er e v i s e do n - l i n eb a s e do n m o d e l s s e l f - l e a r n i n go f f - l i n e s e c o n d l y , m o r er a t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o di so f f e r e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r so ft h ec o l dr o l l i n g d i f f e r e n to b j e c tf u n c t i o n sa n d c o n s t r a i nc o n d i t i o n sa r ep r o p o s e df o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s f u r t h e rm o r e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m sa r eg i v e nf o rd i f f e r e n to p t i m i z a t i o ns c h e m e s w i t h t h e s e ，w eo p t i m i z e dt h ef i e l dr o l l i n gs c h e d u l ea n ds h o wt h er e s u l t so ft h ea f t e r a n db e f o r et h eo p t i m i z a t i o n l a s t l y , w ea n a l y z et h ev a r i a b l e so n l i n ed i s t u r b a n c ea n dt h ei n f l u e n c et o t h er o l l i n gp r o c e d u r e ，t h e n , p r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o d s s i n c e t h ed i s t u r b a n c ec a nn o th ec o n s i d e r e di nt h er o u i n gs c h e d u l ee n a c t m e n t ，w e a d o p tt h er o l l i n gs c h e d u l ew i t ha d a p t i v ef u n c t i o n w ep r o p o s et h ea d a p t i v ea n d s e l f - l e a r na l g o r i t h mf o rt h em a i nr o l l i n gp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i i a b s t r a e t s h o wt h es a t i s f y h a gp e r f o r m a n c e k e y w o r d st a n d e mc o l dr o l l i n gm i l l ；r o l l i n gs c h e d u l e ；n e u r a ln e t w o r k m a t h e m a t i cm o d e l ；o p t i m i z a t i o n ；a d a p t i v e ；s e l f - l e a r n i n g i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 3 7 0 冷连轧机轧制规程 优化设计及模型自学习研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将 完全由本人承担。 作者签字 燕山大 日期：护6 年3 月哆同 论文使用授权书 1 3 7 0 冷连轧机轧制规程优化设计及模型自学习研究系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相 关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密“ ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 给们e 屯 树0 r 同期：伽6 年3 月刁日 同期： v , - l 年5 月哆日 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 选题意义 板带钢生产规模大、产量高，是钢铁工业中发展最为迅速、各种新技 术应用最为广泛的一个领域。它的工艺水平、自动化程度、产品规格与质 量代表了一个国家钢铁工业的水平 1 1 。 改革开放以来，我国国民经济高速发展，取得了令人瞩目的成就，在 国民经济高速增长的推动下，钢铁工业也走上了其发展的快车道。从生产 情况来看，炼出的钢约有8 0 以上都要轧成钢材，而所轧成钢材的6 5 ( 美 国则达到6 6 以上) 要轧成板带钢。冷轧的薄板、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部门，可以说是国民经济的 一个必不可少的支柱。它对稳定国家的经济，促进社会生产发展起着不可 替代的作用 2 1 。 近年来，随着社会发展和科学技术进步，用户对高质量、高附加值、 高技术难度的带钢产品的需求量显著增加，对钢铁产品质量、品种、性能 的要求越来越高。同时，随着市场竞争的加剧，各钢厂为了在市场竞争中居 于有利地位，也迫切需要提高生产技术水平，减少原材料和能量消耗，改 善经营管理，增强竞争能力。这就促使一方面在带钢冷连轧机上采用一系 列自动控制系统，如速度自动控制、厚度自动控制、板形自动控制、张力 自动控制系统等叶5 1 。另一方面，随着计算机应用技术的不断普及与提高， 优化方法已经应用于各个工程技术领域的研究、生产和设计工作。而轧制 规程是轧制工艺的核心，轧制规程设定计算是轧制领域中计算机控制系统 的首要功能，对轧钢生产至关重要。合理的轧制规程是轧制生产规范化和 科学化的首要问题；使c l * i j 过程达到最佳状态，也是工艺设计人员所追求 的目标。 传统的设计方法一经验法设定已不适应现代化的生产方式。如何应用 燕山大学工学硕士学位论文 人工智能、控制理论和轧制理论的新成果，开发出优化的数学模型，并以 此制定合理的轧制规程，是当今车l c o j 过程自动化领域一个十分重要的课题。 最终使轧制规程的优化设计更系统地应用于轧制工程的计算机控制，从而 真正实现了整个轧制过程的全盘自动化，保证了带钢冷连轧机生产的高效 率、高产量、高质量和低消耗。 l _ 2国内外带钢冷轧机发展状况 金属在再结晶温度以下进行轧制变形叫做冷轧。一般指带钢不经加热 而在室温直接进行轧制加工。冷轧生产可提供大量高精确度和性能优良的 钢板和带材，其最主要的特点是加工温度低，同热轧生产相比，它有以下 优点吼 ( 1 ) 冷轧带钢产品尺寸精确，厚度均匀，带钢厚度差一般不超过0 0 1 0 0 3 m m 毫米或更小，完全可以符合高精度公差的要求； ( 2 ) 可获得热轧无法生产的极薄带材( 最薄可达0 0 0 1 m m 以下) ； ( 3 ) 冷轧产品表面质量优越，不存在热轧带钢常常出现的麻点、压入 氧化铁皮等缺陷，并且可根据用户的要求，生产出不同表面粗糙度的带钢 ( 光泽面或麻糙面等) ，以利于下道工序的加工； ( 4 ) 冷轧带钢具有很好的机械性能和工艺性能( 如较高的强度、较低的 屈服极限、良好的深冲性能等1 ； ( 5 ) 可实现高速轧制和全连续轧制，具有很高的生产率。 钢的冷轧起始于德国，1 9 世纪中叶，德国已能生产出2 0 2 5 m m 宽度 的冷轧带钢。随后，美国于1 8 5 9 年建成了一套2 5 m m 的冷轧机。大约在 1 8 8 5 年左右，英国生产出1 7 0 m m 也是当时世界上最宽的冷轧低碳带钢。 此后，冷轧带钢生产发展很快，产品宽度也不断扩大，并逐步建立了辅助 设备，如剪切、卷取、矫直、平整、热处理设备等1 7 圳，产品质量也有了较 大的提高。 随着德国1 9 1 7 年二辊可逆式冷轧机、1 9 3 2 年四辊可逆式冷轧机的率 先使用，掀开了现代按常规工艺生产板带材的序幕，此后冷轧带钢的最大 有效宽度迅速增大，而且在一定宽度条件下，其最小轧制厚度也不断减小。 2 第1 章绪论 日本1 9 3 8 年在东洋钢板松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始 了冷轧薄板生产。1 9 4 0 年在新日铁广佃厂建立了第一套四机架1 4 2 0 m m 冷 连轧机。带钢的连续冷轧的首次记录要追溯到大约1 9 0 4 年，当时，韦斯特 利奇伯格( w e s t l e e c h b u r g ) 钢公司安装并开动了一台四机架二辊连轧机，每 个机架单独用速度可调的直流电机驱动。而具有机架问张力和张力卷取机 的真正的连轧机操作，大约于1 9 1 5 年在匹兹堡的莫里斯贝利 ( m o r r i s & b a i l e y ) 钢公司和苏必利尔( s u p e r i o r ) 钢公司安装的轧机上才得到发 展。第一台四机架四辊冷轧机由美国轧机公司于1 9 2 6 年在巴特勒工厂投入 生产1 1 0 1 2 1 。 7 0 年代后，由于世界性的能源问题，美、日、英、德、俄等钢铁工业 发达国家的冷轧板带生产不太景气，因而新建的冷轧机较少。这一阶段这 些国家的投资基本上都花在冷轧机的改造上：改善板带产品的板形，减小 板厚，降低能耗，提高轧速，增大卷重，尽量提高轧机的装备水平，增设 必要的控制手段，采用新技术，局部采用新设备、新工艺，从而提高冷轧 板带的质量和产量 1 扣”l 。这一时期，世界上出现了控制板形的多种新型轧 机，也同时出现了各生产工序连续化的全连续式冷轧机。到上世纪末，由 于汽车、家电等行业的迅猛发展，这一趋势稍有改观，不少国家又开始新 建或准备新建一些冷轧机。 我国冷轧板带工业起步较晚，直到1 9 6 0 年，鞍钢建立了第一台1 7 0 0 m m 单机可逆式冷轧机，以后又陆续投产了1 2 0 0 m m 单机可逆式冷轧机、兆千 瓦1 4 0 0 m m 偏八辊轧机、1 5 5 0 m m 二十辊冷轧机和1 2 5 0 m m 单机架可逆式 h c 冷轧机，7 0 年代武汉钢铁公司投产了我国第一套1 7 0 0 m m 五机架冷连 轧机，1 9 8 8 年在宝钢建成了2 0 3 0 m m 五机架冷连轧机。此后，又陆续新建 了宝钢1 4 2 0 m m 、攀钢1 2 2 0 m m 、宝钢1 5 5 0 m m 工程，以及宝钢三期后工 程1 8 0 0 m m 五机架冷轧机【l6 ”。纵观国内现有的冷轧机，除了新建的如宝 钢2 0 3 0 m m ，1 4 2 0 m m ，1 5 5 0 m m 等几套轧机控制水平较高、技术较先进外， 还有一大批技术落后，控制水平低的轧机，为了能够生产出高精度的冷轧 带钢，这些轧机迫切需要进行技术改造。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 轧制规程优化设计研究综述 1 3 1 什么是轧制规程的优化设计 在轧钢生产中坯料经过数道次轧制，产生塑性变形，最终轧制出符 合产品标准的成品钢材。这一系列的轧制过程，是按照设计者根据生产条 件所设计的轧制变形规程进行的。因此，为使轧钢生产能够达到优质、高 产、低消耗，则需要合理地设计轧制规程。 轧制规程，对于不同类型的轧机所包括的内容也不完全相同。对于初 轧机主要指压下规程和速度制度；对于板带钢轧机主要指压下规程、速度 制度、温度制度、张力制度和辊型制度；对于型、线材轧机主要指孔型设 计和张力制度；对于管材轧机则主要指变形制度。轧制规程的制定是轧钢 工艺设计中的基本问题之一。在制定轧制规程时，我们总是希望所制定的 轧制规程是最好的。一般说来，最好的轧制规程，在单位时间内轧制产品 的产量最高，产品的质量最好，各种消耗( 包括电耗、燃料消耗、金属消耗、 轧辊消耗等等) 最少，因此该产品的经济效益最好。反之，如果轧制规程不 合理或不完全合理，则会使生产过程不顺利，影响到产量、质量，甚至无 法正常生产【1 8 】。轧制规程是轧制工艺的核心，对轧钢生产至关重要。合理 地制定轧制规程，使轧制过程达到最佳状态，是工艺设计人员所追求的目 标。 要确定最优的轧制规程，按通常的经验法来制定要达到该目的是比较 困难的。这是由于用经验法确定某参数时，是在该参数的可行域内凭经验 而确定的，很难做到确定的参数是最佳参数。在一定的生产条件下，生产 某个产品，在确定轧制规程时，所涉及到的方案很多，单凭设计者的计算 和经验是难以完成的。随着计算机应用技术的提高和普及，使用计算机来 完成这样的任务才使之成为可能。确定最优的轧制规程，称为轧制规程的 优化设计。这种寻优过程需要大量的计算工作，繁重的计算工作若由人工 来完成不仅工作量大，而且是难以实现和完成的。 优化设计是随着计算机技术进入工程设计领域后，采用数学规划的方 法而发展起来的设计方法。由于计算机的运算速度和能力是人工计算所无 4 第l 章绪论 法比拟的，这就可将大量繁重的计算工作由计算机来完成，而建立计算模 型、选择优化方法等智能型工作由设计者来完成。这样才能在众多的设计 方案中选挥最优方案，以达到优化设计之目的i ”】。 在轧制规程优化设计时，首先必须要明确优化的目标，也就是说最优 是指什么最优。我们所说的最优，都有一定的相对性，并且与我们所确定 的寻优目标紧密相关。这个目标是设计者对轧制过程提出来的具体要求， 若用数学形式描述出来就称之为目标函数。最优目标的选择，关系到所得 结果是否合理可行。在实际生产中，有时我们所追求的目标往往不是单一 的，而是多个目标的综合，生产过程中各方面都达到最优，这就是多目标 规划问题。一般选择最优目标是按照生产过程的特点由设计者确定，以使 生产工艺过程达到最佳，轧制产品达到优质、高产、低消耗。 优化的目标通常依赖于某些函数或参数，即如何在允许范围内选择这 些函数或参数以使目标为最优状态。所说的目标为最优状态也就是使目标 取最小或最大值。当目标是某些参数的函数时，这样的问题称静态最优或 参数最优。当目标是某些函数的函数( 一般称为泛函) 时，相应的问题称为 动态最优或函数最优。 轧制变形规程的优化设计，是根据实际生产条件，由设计者选择优化 目标并归纳成为优化的数学模型，然后通过优化计算求解而得出目标函数 的极值。根据具体优化的问题及目标函数的形式，可以采取不同的优化方 法求得目标函数的极值。 在一般生产条件下，我们所追求的目标，常常受到某些方面的限制。 例如，为提高轧机的产量，可以减少j f l s f j 道次、加大压下量。但是加大压 下量会受到轧辊的咬入能力、轧辊的强度和主电机能力的限审l j 2 0 , 2 1 。在寻 求目标函数极值的过程中，必须保证在允许的限制条件之内，这就是约束 条件。 按目标函数的极值，所确定的轧制规程的各参数，则为寻求的该目标 晟优的轧制规程。由于实际生产条件的复杂化，在确定目标函数时应考虑 到影响轧制变形规程的主要因素，并根据生产条件适当简化处理，以至于 计算和得出优化结果。 燕山大学工学硕士学位论文 优化设计是在一切可能的设计方案中，按照设计者所确定的目标寻求 最优。在数学上就是求极值的过程。微分法和变分法即为古典的优化方法。 随着生产的发展，出现了大量用古典方法不能解决的优化问题，随即出现 了以应用数学为基础的线性规划、非线性规划、动态规划和网络理论等新 的优化方法，并且已经形成一门新兴的学科。 1 3 2 轧制规程优化设计的进展及意义 优化技术在第二次世界大战前主要应用古典的微分法和变分法。在第 二次世界大战中，由于军事上的需要，提出了大量不能用上述古典方法解 决的优化问题。因而产生了运筹学，如线性规划、非线性规划、动态规划、 图论等方法。此后，随着科学技术的发展，优化理论和方法逐渐得到丰富 和发展。 计算机的应用是当前科技进步的重大突破。计算机技术在各个领域中 的应用促进了科技和经济的发展。计算机的应用和普及为优化技术提供了 有力的计算工具。由于优化技术是在一切可能的方案中选择最优方案，需 要大量的计算以便进行优化。而计算机为解决这种繁重的计算龟q 造了条件， 使得优化技术快速地发展起来。也可以说，优化技术的发展是以计算机技 术发展为基础的。 在轧钢生产中，优化技术用于轧制规程的设计较为广泛。例如，型钢 生产中的孔型设计，板带钢轧制中的压下规程设计以及高速线材轧机精轧 机的微恒张力设计等，采用优化方法进行设计已较为普遍。优化技术在轧 制规程中的应用，不但能够使轧制过程趋于最优，而且使轧制规程的制定 由技艺向工程科学迈进。 优化技术虽然发展较早，但是应用于轧制规程的设计始于7 0 年代、发 展于8 0 年代，是在计算机应用技术的发展基础上而发展的。优化技术在轧 制规程设计中的应用，是轧钢生产向最佳化迈进的重要一步，而且对于现 代化轧钢生产也是非常必要的。如在带钢生产中，轧制过程要求轧件均匀 变形。凭经验法进行规程设计难以达到最优，而通过优化技术在众多的变 形关系中寻求最佳方案，可以满足均匀变形的工艺要求。通过建立数学模 6 第1 章绪论 型、确定目标函数和约束条件、选用合适的优化方法而得到的结果是所有 可能方案中的最佳方案。这种建立在科学分析基础上的工艺制度，才能适 应于现代化的轧钢生产。 随着轧制理论体系的完善和优化技术的发展，优化技术在轧制领域的 应用也会不断提高和扩大，并且将使轧制技术水平向更高层次发展。 文献 1 8 以节能、高产为目标对板带轧机的轧制规程的制定进行了优 化设计，但单以节能、高产为目标进行轧制规程设计显得过于片面，己不 能适应现代钢铁生产对板带高质量的要求。文献 2 2 将板形作为一个优化 目标引入到了规程设计中，但文献 2 2 】只以辊缝形状作为板形目标，根据 现代板形理论，此目标不够准确。文献 2 3 ，2 4 以各机架最佳轧制力为板形 优化目标，但没有给出各机架最佳轧制力的确定方法，而且在各道次厚度 不确定的条件下给出最佳轧制力也较困难。文献 2 5 2 9 对轧机机架、辊系 参数等的优化设计做了具体分析，得出了较满意的结果。总之，随着优化 技术在轧钢领域的更多、更广的应用，必将使现代化轧钢生产跨上一个更 高的台阶。 轧制规程设定计算是轧制领域中计算机控制系统的首要功能，也是上 个世纪6 0 年代计算机应用于轧制过程的最初设想。合理的轧制规程是轧制 生产规范化和科学化的首要问题。如何应用人工智能、控制理论和轧制理 论的新成果，开发出优化的数学模型，并以此制定合理的车l 制规程，是当 今轧制过程自动化领域一个十分重要的课题。 ( 1 ) 轧制规程是组织轧制生产的关键，在轧机操作技术中占有非常重要 的地位。轧机从给定厚度的坯料轧出某一规格的产品时，压下规程可以不 同，即中间各道次的出口板厚的选择不是唯一的，这可以称为路径不唯一。 一个合理的轧制规程，可以在相同的工艺条件下，有效地利用设备，提高 轧出产品的质量和产量，并大幅度降低消耗；而不合理的轧制规程很容易 发生断辊、闷车、电机跳闸等生产事故，影响生产率和收得率。如何选择 其中的一条路径，以便在安全操作的条件下达到优质、高产、低耗的目的， 正是轧制规程设定的主要任务。 ( 2 ) 对于板带材产品的要求不外乎良好的板形和精确的尺寸等，而合理 燕山大学工学硕士学位论文 的轧制规程是它们的重要保证。高精度轧制需要高精度的轧制规程预设定； 研究轧制规程也是解决板形问题的重要途径。 ( 3 ) 合理轧制规程的确定需要综合其它学科的最新发展成果。轧制生产 中的变化因素很多，而轧制规程的理论训算很繁琐，轧制模型的精度又不 高，即使费很大力气计算出来了预设定值，那也是在一定假设下，按理想 条件确定的扎制规程，住住与实际轧制情况并不相符，实际操作中仍还需 要操作人员凭现场经验灵活调整。所以，很有必要利用人工智能、自动控 制等学科的新成果和计算机这一强大工具，融合操作经验，精确轧制数学 模型，来制定符合实际并适用于在线控制的轧制规程。 综合以上各方面，可以看出研究轧制规程具有十分重要的意义。 1 4 本文主要研究内容 本文以横向课题为背景，对1 3 7 0 m m 五机架冷连轧机轧制规程设定及 优化技术进行了深入的研究。在充分调研、现场学习的基础上，提出了优 化后的1 3 7 0 冷连轧机轧制规程设计方案。该设计根据现场要求，采用不同 的优化目标函数及其约束条件。 针对该套轧机的工艺与设备性能参数，提出了主要轧制参数如轧制 力、摩擦系数、速度、张力、力矩等数学模型的合理适用的计算方法。在 规程模型设定中，考虑到来料钢卷设定轧制力模型时存在不精确因素，涉 及轧制力的任一因素诸如轧机设备、零件强度、弹性变形、磨损、塑性变 形、机械参数的估计及所轧带钢的性能等变化都将影响规程的制订。因此， 以神经网络预报程序取代原规程轧制力解析模型。 经过实验比较，确定出训练网络的结构，神经网络的训练数据采用 1 3 7 0 现场实际运行数据，训练时对轧制数据进行筛选，训练结束后，利用 线形回归的方法分析了网络输出和目标输出的关系，从而评估了网络训练 结果。在此基础上比较了网络的实际输出和传统* l n 力模型的计算值与现 场实测值之间的误差。结果证明了神经网络预报效果优于理论公式计算。 根据冷连轧机生产工艺及控制系统要求，确定出其他轧制力能模型如 张力、摩擦系数、速度制度等，进而分别对现场轧制规程进行了单目标和 第1 章绪论 多目标的优化设计，并对优化前后规程结果进行了详细的分析和比较。 本文最后研讨了冷连轧机轧制规程在线扰动影响以及自适应内容，对 规程设定中的主要数学模型如轧制压力、变形抗力、摩擦系数等进行在线 自适应及离线的自学习，使模型的精度得以改善，进而修正轧制规程，使 之用于下卷钢的设定更加准确科学。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章1 3 7 0 五机架冷连轧机控制系统组成 本机组由五架四辊轧机组成，机组的机械主体设备是从美国和比利时 引进的二手设备( 1 3 # 机架为原美国的设备，4 、5 # 机架为原比利时的设 备) ，土建、厂房及液压、润滑等辅助系统为国内配套。电控系统是由北京 天华公司总承包，意大利a n s a l d o 设计全新的电控设备及轧钢工艺。为 了实现高产、优质、低耗，在机械方面进行了全面修、配、改，在电控方 面采用了当今流行的自动化控制系统。0 级为全数字式整流装置和液压执 行机构；1 级采用a n s a l d o 开发的实时集成系统，实现厚度和张力自动 控制及机组设备动作顺序的自动控制；2 级过程自动化具有轧机给定值计 算、生产管理、故障管理等功能。 2 11 3 7 0 冷连轧生产工艺及设备参数 带钢冷连轧生产工艺流程如图2 1 所示，由图可知，一个冷轧厂生产 需设置： 酸洗线清楚原料( 热轧卷上的铁皮) ； 连轧机组将酸洗后的原料轧制成所需厚度的成品卷； 退火设备( 罩式退火炉或连续退火线】为加工后硬化的带卷退火； 精整线包括平整、重卷、纵剪、横剪及各种镀层处理线。 冷轧生产的主要生产工序包括：热轧钢卷的酸洗，冷连轧机组，退火 工序，带钢平整，精整处理线，镀层处理线。 2 。1 11 3 7 0 冷连轧生产工艺参数 2 1 1 1 来料热轧带钢参数1 3 7 0 m m 五机架冷连轧机来料热轧带钢钢种 和材料组别见表2 - 1 ，其它参数如下： ( 1 ) 带钢厚度范围：1 5 m m 4 5 m m ，厚度组别见表2 2 ； ( 热轧带钢宽度范围：8 0 0 l i n 1 2 8 0 m m ；宽度组别见表2 3 ； ( 3 ) 热轧钢卷外径范围：9 6 7 0 9 1 9 0 0 r a m ( m a x ) ； ( 4 ) 最大钢卷单位板宽重量：l8 k r n m ； 1 0 第2 章13 7 0 五机架冷连轧机控制系统组成 卷 图2 - 1 冷连轧生产流程 f i g 2 - 1p r o d u c t i o nf l o wo f t a n d e mc o l dr o l l i n g ( 5 ) 热轧钢卷内径尺寸：t p 6 1 0 m m ； ( 6 ) 热轧钢卷卷重范围：t 。= 2 2 t ，t 。- - - - - 2 5 t 。 表2 - 1 热轧带钢钢种和材料组别 t a b l e2 - 1t h es t e e lg r a d ea n dm a t e r i a lg r o u p 代表钢种 材料等级 强度范围f m p a ) 国家标准日本标准德国标准 12 7 0 3 1 0 0 8 a l a田忸s t l 6 23 0 0 3 4 00 8 js p h d s t l 4 33 3 0 3 6 0 q 1 9 5 s p h c s t l 2 4 3 5 0 3 9 0 q 2 1 5 53 8 0 4 2 0 q 2 3 5 燕山大学工学硕士学位论文 表2 - 2 热轧带钢厚度组别 t a b l e2 - 2t h et h i c k n e s sg r o u po f h o t - s t r i p 厚度组别代表厚度热轧厚度范围厚度组别 代表厚度热轧厚度范围 01 5 0 1 3 0 1 6 952 7 52 6 5 2 9 9 11 8 01 7 0 l _ 8 963 2 03 0 0 3 4 4 22 0 0 l _ 9 0 2 1 473 8 03 4 5 4 0 9 32 2 52 1 5 2 3 4 8 4 5 0 4 1 0 4 7 5 42 5 02 3 5 2 6 4 表2 - 3 热轧带钢宽度组别 t a b l e2 - 3t h ew i d t hg r o u po f h o t - s t r i p 宽度组别 代表宽度( r a t a )宽度范围( r n m _ ) 18 0 07 7 9 8 7 9 21 0 0 08 8 0 9 7 9 31 1 0 01 0 8 0 1 1 7 9 41 2 0 01 1 8 0 1 2 8 0 2 1 1 2 冷轧带钢参数1 3 7 0 m m 五机架冷连轧机产品带钢参数如下： ( 1 ) 冷轧厚度范围：o 3 m m 1 5 m m ，厚度组别见表2 - 4 表2 - 4 冷轧带铡厚度组别 t a b l e2 - 4t h et h i c k n e s sg r o u po f c o l d - s t r i p 冷轧厚度等级代表厚度冷轧厚度范围冷轧厚度等级代表厚度冷轧厚度范围 00 3 00 2 蚰0 3 2 450 6 00 5 7 5 0 6 7 4 l0 3 50 3 2 5 0 3 7 460 7 00 6 7 5 0 7 7 4 20 4 00 3 7 5 o 4 2 470 8 00 7 7 5 o 9 7 4 30 4 50 4 2 5 o 4 7 4 8 1 0 00 9 7 5 1 2 7 4 4 0 5 0 0 4 7 5 0 5 7 49 1 2 01 2 7 5 1 6 7 5 ( 2 ) 冷轧钢卷外径范围：平6 7 0 平18 5 0 m m 第2 章1 3 7 0 五机架冷连轧机控制系统组成 ( 3 】冷轧钢卷内径尺寸：币6 1 0 r a m ； ( 4 ) 冷轧钢卷卷重范围：t 。x = 2 2 t ，t 。i 。= 2 5 t 。 2 1 21 3 7 0 冷连轧机设备性能及参数 作为冷连轧的主要设备，冷连轧机组的发展经历过三机架、四机架， 甚至采用六机架冷连轧，但目前广泛采用的典型布置还是五机架冷连轧。 近年来由于薄板坯连铸连轧的应用，热轧带钢成品厚度逐步减薄，因此冷 轧机组亦开始出现新的强力单机架及二机架可逆连轧等方案【3 0 l 。 因此随着板形控制技术的发展，轧机设备上出现了一些新的结构。日 本住友公司开发的辊型在线可变轧辊，避免了因生产不同的产品而频繁更 换带有不同辊型的支撑辊。c v c 即连续变化凸度轧辊系统，是德国西马克 公司于1 9 8 2 年推出的板形控制方法。h c 轧机是日本日立公司于2 0 世纪 7 0 年代推出的六辊轧机，其中间辊可窜动。d s r 动态板形辊是法国克里西 姆公司于2 0 世纪9 0 年代推出的新的板形控制方法，目前已在我国宝钢 2 0 3 0 冷轧机上应用。 2 ，1 2 。1 主要设备性能 ( 1 ) 轧机速度轧机穿带速度为1 8 6 0 m m i n ( 0 3 l m s e e ) ；轧机甩尾 为速度：8 0 m m i n ( 1 3 m s e e ) ；轧机最高轧制速度为1 0 8 0 m r a i n ( 1 9 i n s e e ) ； ( 2 ) 轧机轧制力允许最大轧制力2 0 0 0 t ( 采用液压缸缸内压力换算) ； ( 3 ) 轧机张力和张力测量，见表2 5 ； 表2 - 5 冷连轧机组张力测量 t 曲1 e2 5 t e n s i o nr i l e a s l t e o f l 3 7 0c o l d t a n d e m m i l l 开卷机i 视架张力 3 5 7 t 无直接张力测量控制精度 2 i 机架2 机架张力 6 6 0 t 三辊式张力测置控制精度 2 2 机架3 机架张力 5 5 0 t 三辊式张力测量控制精度 2 3 机架4 机架张力4 4 4 0 t三辊式张力测量 控制精度 2 4 机架5 机架张力 4 4 0 t 三辊式张力测量控制精度 2 5 机架卷取机张力o 9 5 9 5 t二辊式张力测量 稳态控制精度 1 ( 4 ) 带钢厚度测量1 机架入口、出口及5 机架出口的测厚仪测量精度 燕山大学工学硕士学位论文 为1 1 0 0 0 m m 。 2 1 2 2 主要设备参数 ( 1 ) 支持辊和工作辊工作辊辊身长1 3 7 1 6 m m ，四列圆柱滚动轴承； 支持辊为动压油膜轴承。1 、2 号机架支持辊辊径为1 4 2 2 4 1 2 3 1 9 r a m ；3 、 4 、5 号机架支持辊辊径为1 3 4 6 2 1 2 1 9 2 m m 。1 、2 、3 号机架工作辊辊径 为5 3 3 4 4 8 2 6 m m ；4 、5 号机架工作辊辊径为5 4 6 1 5 2 0 7 m m 。 ( 2 ) 开卷机和卷取机 开卷机卷筒直径：甲6 1 0 m m ； 开卷机涨缩范围：p 5 6 0 啪( p 6 2 0 m m ； 卷取机卷简直径：甲5 0 8 m m ； 卷取机涨缩范围：9 4 9 8 m m l 5 0 8 m m 。 ( 3 ) 轧机装机功率见表2 6 。 表2 - 6 冷连轧机组装机功率 t a b l e2 - 6t h ee q u i p p e dc a p a c i t o ro f 1 3 7 0c o l dt a n d e mm i l l 轧机机架装机功率( k w )转数( r p m )额定电压( 最大电流机械减速比 开卷机 3 4 0 x 22 6 5 ，7 0 54 2 5 8 7 03 ：l i 机架2 5 7 2 5 l1 3 5 3 0 56 0 0 4 6 1 01 ：1 2 机架 2 5 7 2 5 l1 7 5 3 7 56 0 0 4 6 0 0l ：l 3 机架2 5 7 2 5 x 12 2 5 4 4 56 0 04 6 0 0 1 ：l 4 机架1 8 3 7 5 22 5 0 5 0 07 0 02 8 2 0 2l ：l 5 机架 1 8 3 7 5 x 2 2 5 0 5 0 07 0 02 8 2 0 21 2 6 ：l 卷取机 3 6 7 5 32 0 0 ，1 0 0 0 5 0 08 2 5 x 31 ：1 ( 4 ) 轧辊平衡和弯辊 支持辊平衡：1 2 t 4 ； 工作辊正弯辊力：2 7 5 t 4 ； 工作辊负弯辊力：3 0 t x 4 。 ( 5 ) 轧机弯辊控制模式连轧机机组各架轧机均设有正弯辊装置、负弯 辊装置和支持辊平衡，在轧制状态轧机弯辊平衡系统有五种控制模式：停 1 4 第2 章1 3 7 0 五机架冷连轧机控制系统组成 止方式、平衡方式、弯辊方式、自动方式和计算机方式。 2 21 3 7 0 冷连轧机电气自动化 带钢冷连轧和带钢热连轧一样是目前应用自动控制技术最为广泛和最 成功的。不仅提高了轧机的产量，同时提高了产品的质量，获得巨大的经 济效益和社会效益。冷连轧自动化的进展包含了大功率电气传动、自动化 仪表、液压压下传动以及计算机控制多个方面的进展，而这些技术的发展 又是相互促进，相辅相成的。 本轧线电控设备由自动化控制系统、直流传动控制系统、操作台箱、 检测元器件和供配电系统等组成。其通讯网络由高性能的上位计算机、实 时微处理器、分布式i o 、全数字直流传动控制装置等构成，具有现代国 际的先进水平。天华电气公司和意大利安莎尔多( a n s a l d o ) 公司结合国内 外的先进技术，结合自身在过程控制、自动化控制及交直流传动装置设计 和制造工作中的经验，充分发挥天华电气公司和意大利安莎尔多 ( a n s a l d o ) 公司技术相互结合的综合实力优势，使该轧机控制技术既达到 国际先进水平，又考虑设备最优性能价格比。 2 2 11 3 7 0 冷连轧电气传动系统简介 冷连轧主传动在功率上是仅次于热连轧的大功率传动系统调速传动系 统，这是由于： ( 1 ) 调速性能好( 静态及动态指标，调速范围，调速平滑性等) 。 ( 2 ) 控制系统成熟定型，调试方便特别是数字化后调试更为方便。 ( 3 ) 过载能力强。 2 0 世纪8 0 年代以来交流传动迅速发展，到9 0 年代后新建的带钢冷连 轧大功率主传动基本上都已采用交流调速传动。对现有的冷轧机主传动则 大多采用直流数字化改造，除非电机寿命已到。这是由于现有轧机的大功 率直流电机以及大功率整流变压器等都是价格昂贵的重要设备，不应轻易 废弃，而将模拟调节器数字化所需费用极低而传动性能却能得到很大提高， 是符合少投入多产出原则的。 2 , 2 1 1 直流传动系统描述1 3 7 0 五机架冷连轧机直流传动系统选用意大 燕山大学工学硕士学位论文 利a n s a l d o 公司原装生产的s i l c o p a cd 系列s p d m 全数字直流调速 控制系统。 意大利a n s a l d o 公司原装生产的s p d m 系列全数字直流调速产品是 当今性能价格比较高、紧凑型数字式直流电机调速产品，有较好的调速精 度，较高的稳定性和可靠性；并具有自动电流补偿、克服动态速降及电流 环、速度环、电势环自优化调节功能，负荷平衡调节功能，s 积分和多种 给定方式；完备的监控、自诊断功能；速度反馈丢失自动切换为内部电压 反馈闭环控制：该产品还具有较强的通讯功能( r s 2 3 2 一人机交互式对话、 r s 4 8 5 s p p b - p r o f i b u s - 与上位机及p l c 通过现场总线完成数据交换) ；并对 传动控制系统采用多种工艺软件支持( e ：增强型；w ：张力卷取一线速度 变换、卷径计算、张力调节及并行误差补偿调节、空载补偿、动态补偿、 断带保护等：p ：1 2 相变流控制；l ：直流电机励磁控制和f d 机组励磁 控制软件等) ，以满足各行各类不同工艺的控制要求。 1 3 7 0 冷连轧电气直流传动控制采用全数字调速系统。全数字控制系统 性能好，可靠性高，可以满足高动态品质与高调速精度的要求。对传动系 统的控制采用了灵活多样的软件模块，可以满足各种不同控制的要求，并 具备调速系统最佳控制性能的自动优化功能。全数字装置还提供了对传动 系统完备的监控保护与故障自诊断功能。同时还拥