（控制理论与控制工程专业论文）带钢厚度智能控制方法的研究.pdf

l i g e n tc o n t r o l s u p e n r i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i a n c h a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 25删6洲2懈4舢8i_哪y 一0 厶 i 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，不包含其他人己经发表或撰写过 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 艺 j 鼠。 学位论文作者签名：球j 袈珈卜 日期： 如1 78 耳7j 刁 司 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的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：铁；致碲卜 导师签名： 签字日期：签字日期： ? 矗 ，w ， - l 东北大学硕士学位论文摘要 带钢厚度智能控制方法的研究 摘要 随着科学技术的不断发展，板带轧机的产量和质量日益成为人们追求的首要目标。 厚度精度是带钢热连轧产品最重要的质量指标之一，用户不断提高的要求和市场日益激 烈的竞争，使关于板带厚度控制的研究非常具有实用价值。 本文在对厚度控制系统的基本概念、控制原理进行深入理解研究的基础上，针对带 有纯滞后环节的测厚仪式a g c 设计其神经网络预测控制策略，并通过仿真研究，分析 验证所采用的控制策略的控制性能。 首先对厚度控制系统的基本原理进行了深入学习，针对测厚仪式a g c 存在检测的 纯滞后，使系统动态品质和稳定性变差的问题，建立控制系统的模型，分别对测厚仪式 a g c 和采用s m i t h 预估策略后的测厚仪式a g c 系统进行研究设计。由于测厚仪式a g c 是反馈形式的厚度控制系统，其控制作用总是滞后于扰动作用，无法达到良好的控制效 果：而s m 油预估策略在模型准确时能够补偿系统中的大滞后，减小超调，改善了系统 稳定性，但是采用s 面m 预估控制策略的a g c 调节时间增加，故引入i 国f 神经网络整 定的s m i 也预估策略，可明显的缩短调节时间，同时由于s m i m 预估器依赖于模型的准 确，当预估模型不准确时，系统的性能大大降低，影响了系统的稳定性，难以达到系统 的要求。因此必须寻求其他的控制方法以使系统达到更好的控制性能。 在上面的研究分析基础上，本文引入神经网络预测控制策略，先介绍神经网络和预 测控制的基本原理，再在此基础上详细介绍神经网络预测控制策略的基本特征、算法原 理以及具体实现步骤，并对测厚仪式a g c 进行神经网络预测控制策略的设计和仿真， 取得了良好的效果神经网络预测控制对滞后系统有着良好的控制性能。 实验证明，神经网络预测控制策略的设计，解决了测厚仪式a g c 系统存在的滞后 问题，提高了厚度控制系统的性能。 本文对解决控制系统中的纯滞后问题，有一定的参考价值。 关键词：测厚仪式a g c ；滞后；s m i 也预估策略；r b f 神经网络；神经网络预测控制 一i i 一 ，lf ri 曩 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t s 硼yo f m e 呻“c l m e s s 硫e 1 1 i g e n t c o n 的1m e m o d s a b s t r a c t w i t l lt l l ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，m eq u a n t i 锣a n dt h eq u a l i t yh a v e 掣a d l l a l l yb e c o m e 1 e f i r s tt a r g e to fs t r i pp r o d u c t i o n t l l i c k n e s sp r e c i s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o n a n ti 1 1 d e x e sf o r e v a l u a t i n ge q u a l 时o fh o ts t r i pr o l l i n gp r o d u c t i o n nh a sm o r ep r a c t i c a lv a l u ef o r 也ec u r r e m r e s e a r c hi i ls t r i pt l l i c k n e s sp r e c i s i o nc o n 仃0 1 b a s e d o n 血ed e 印l yu n d e r s c a n d i n go ft h eb a s i cc o n c e p t sa n dp r i n c i p i e so fc o n d u c to ft l l e g a u g ec o 腑o ls y s t e m ，t t l i sp 印e rd e s i 弘st h en e u r a ln e 觚o r kp r e d i c t i v ec o n 廿o ls 仃a t e g yo f h o tr o l l i n gm i ut 1 1 i c k n e s sg a u g ef e e d b a c ka g ca n dt 1 1 r o u 曲s h u l a t i o 玛i ta n a l y s e sa n d v a l i d a t e st h ec o n t r 0 1s t r a t e g ya d o p t e db yt l l ep e r f b m a r l c e f i r s tt l l i sp a p e rs t u d i e st l l eg a u g ec o i 灯o ls y s t e mo n 也eb a s i cp 血c i p l e sd e 印l y b e c a u s e o f 恤p r o c e s s ，t 1 1 et h i c 玉【1 1 e s sg a u g ef e e d b a c ka g ch 嬲恤p u r et i m ed e l a y ，w 1 1 i c hc a u s e st i l e d y i l 锄i cp e r f o m a l l c ea 1 1 d 鼬i l i 哆o fs y s t e m 出o p p i n g ；i te s 协b l i s h e st h em o d e lo fs y s t e m ， a n dt 1 1 e “c l ( 1 1 e s sg a u g ef e e d b a c ka g ca i l ds m i mp r e d i c t o rs e p a r a t e l y b e c a u s e 吐l et 量l i c k l l e s s g a u g ef e e d b a c ka g cb e l o n g st of e e d b a c ks y s t e r i l d l ec o n t r 0 1a c t i o na l w a y sf 甜l sb e h i n dt h e h e m l p t i o n ，“c a nn o ta c l l i e v eg o o dc o m r o lh p a c t ；s m i t l lp r e d i c t o rc a l le l i m i m 眈m e i n 】 1 u e n c eo ft i i i l e d e l a yt ot l l es t a b i l i t ) ，o ft h j c l ( 1 1 e s sg a u g ef e e d b a c ka g c ，r e d u c et h e o v e r s h o o tw h e nt h em o d e li se x a c t b u ts m i mp r e d i c t o rs l o wd 0 、v nt h ea d ju s t m e mo ft i m e ，s o i tt a k e sr b fn e u r a ln e m o r ka n ds p e e du pt h ea d j u s t n l e n to ft i m eo b v i o u s l y b u ts i i l i mp r e d i c t o r d e p e n d so nt ：h ee x a c tm o d e l ，t h ep e r f o m l a n c eo fm es y s t e m 、析1 1g r c a t l yr e d u c e ，a n dt 1 1 e s t a b i l i t ) ，o ft h es y s t e m 、7 哇1 lb ea f f e c t e dw h e nt 1 1 em o d e l i sn o te x a c t t h e r e f o r ei tm u s tl o o kf o r o 也e r 眦y st oc o n t r o lt l l es y s t e mt oa c m e v eb e t t e rp e r f 0 n n a l l c e b a s e do nm ea 1 1 a l y s i sa b o v e ， i nt l l i sp a p e rn e u r a ln e 帆o r k sp r e d i c t i v ec o n t r o ls t l a t e g yi s i m p o r t e d f i r s t “i 1 1 仃o d u c e st t l eb a s i cp r i n c i p l e so fn e u r mn e 慨r o r ：i ( sa n dp r e d i c t i v ec o n t r o l ， t l l e ni n 仃o d u c e sm eb a s i cc h a r a c t e r s ，a l g o r i t h r np r i n c i p l e sa i l ds p e c i f i cs t e p so fn e u r a ln e 铆o r k p r e d i c t i v ec o n t r o l ，s t r a t e g y ，a n dd e s i g n s 也en e u r a lr l e t 、o r kp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo f 吐l e 廿1 i c k n e s sg a u g ef e e d b a c ka g cs y s t e m sa n dm a l ( e ss i m u l a t i o n t h es i m l l l a t i o np r o v e st h a t 也e 印p l i c a t i o n so f n e u r a ln e t 、o r kp r e d i c t i v ec o n 乜d lh a v em a d eav e 巧g o o de 脏c t t h ee x p e r i m e n tp r o v e dm a tt l l ed e s i 印o fm en e u r a ln e 仰o r kp r e d i c t i v ec o n t r 0 1c 锄 e l i m i n a t et 1 1 ei n n u e n c eo ft i m ed e l a yt ot l l es t a b i l 时o ft h i c l 【i l e s sg a u g ef e e d b a c ka g c ，a 1 1 d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n c r e a s et 1 ep e 墒m a n c eo fm eg a u g ec o n t l 0 1s y s t e m ；i t l a ss 们n g 印p l i c a t i o n 鲫l dac e 栅n v a l u e k e yw o r d s ：1 1 1 i c l ( i l e s sg a u g ef e e d b a c ka g c ；t i m ed e l a y ；s i n j t i lp r e d i c t o r ；r b fn e u r a l n e t 、v o r k ；n e u r a ln e t v r kp r e d i c t i v ec o n t r o l 一一 ， l ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s 的c t 。 第1 章绪论1 心 1 1 课题背景1 1 2 板厚控制技术的发展及研究现状2 1 3 预测控制的研究现状4 1 4 本文的主要工作6 第2 章板厚控制基本理论7 2 1 轧机弹跳方程与轧件塑性方程7 2 2 引起厚度波动的原因及规律9 2 2 1 引起带钢厚度波动的原因9 2 2 2 带钢厚度变化的基本规律9 2 3a g c 的基本形式与控制原理1 3 2 3 1 测厚仪式a g c 1 3 2 3 2 张力式a g c 1 4 2 3 3 秒流量a g c 1 6 2 3 4 轧制力a g c 1 7 2 3 5 前馈式a g c 2 1 2 4 本章小结2 4 第3 章测厚仪式a g c 控制策略研究2 5 3 1 测厚仪式a g c 研究2 5 3 1 1 测厚仪式a g c 2 5 3 1 2 仿真分析2 6 3 2 测厚仪式a g c 的控制策略2 8 3 2 1s 血t i l 预估控制策略2 8 一v 一 一v i 一 ， j 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 2 l 世纪世界钢铁工业发展的一个显著特点是钢材市场竞争愈演愈烈，竞争的焦点是 钢材的质量高而成本低。钢材应用部门连续化自动化作业的迅猛发展，除要求钢材的性 能均匀以外，还要求钢材尺寸精度高。同时，随着国民经济的高速发展，科学技术的不 断进步，汽车、机械制造、电器和电子行业对板材及带材的质量提出了更高的要求。 热轧带钢的厚度精度是表征其产品质量最重要的指标之一【l 】。它直接关系到产品的 质量和经济效益。厚度自动控制是提高带钢质量的重要方法之一，其目的是获得带钢纵 向厚度的均匀性【2 j 。目前，厚度自动控制系统已成为现代化板带生产中不可缺少的组成 部分【3 4 】。 1 1 课题背景 钢铁工业作为国民经济的重要基础产业，对交通、能源、水利、电力等基础设施的 建设，对建筑、机械、汽车、家电等制造业的发展起着至关重要的作用。中华人民共和 国成立以来，我国钢铁工业经过5 0 年的艰苦奋斗，得到了高速的发展，已从1 9 4 9 年产 钢几十万吨发展到1 9 9 6 年我国钢产量突破1 亿吨大判引。2 0 0 3 年我国钢产量达到2 2 亿吨，成为世界上第一个年产钢超过两亿吨的国家1 6 l 。 由于带钢热连轧生产的高质量和高效益，带钢热连轧机的建设已成为钢铁企业提高 产量、增加经济效益的首选建设项目，全世界8 0 多年来已建成2 0 0 多套带钢热连轧生 产线【7 j 。截至2 0 0 7 年，我国主要钢铁企业热连轧机组生产能力8 8 7 5 万吨，热轧生产线 3 0 条，而仅2 0 0 5 年下半年到2 0 0 6 年初就有8 套机组投产，约占总量的1 4 。热轧新线 的产品依靠其价格优势逐步打开了各地市场，对国际、国内市场会形成一定的冲击。 目前，中国既是钢铁材料世界第一生产大国，又是钢铁材料世界第一消费大国。然 而从数量和品种质量来讲，我国钢铁工业还不能满足国民经济发展的需求，特别是用于 制造业部门的高档薄板远远满足不了国内需求。 本文就是以热连轧机厚度自动控制系统为背景，研究厚度自动控制相关理论，针对 测厚仪式a g c 系统中存在的滞后问题，设计控制方案。厚度自动控制系统在热轧控制 里是非常复杂和重要的环节，涉及到模型设定精度、a g c 控制水平、设备状态、轧制 带钢品种、计划编排以及操作干预水平等，厚度精度控制的高低基本上能够反映轧机的 综合控制水平，历来厚度控制都为各热轧厂家所重点关注【8 】。 因此，研究板带材的轧制过程，提高自动化技术水平和轧制精度，进一步提高产量 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和质量，增加国产钢材的竞争力【9 】，具有重大的现实意义。 1 2 板厚控制技术的发展及研究现状 从轧机诞生之日起，到由计算机完成各种复杂控制功能，板带轧机厚度控制是随着 对板带尺寸精度的要求越来越高而相应发展起来的，板带轧机厚度控制的发展大致可以 分为以下几个阶段： 第一阶段是上世纪三十年代以前的人工操作阶段。该时期技术上还不成熟，轧制速 度比较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝方式为主，由于当时各种 检测手段尚不完善，轧机的调整和过程的实时调节主要是凭借操作人员的经验进行的。 在这一阶段中，轧机理论在后期才刚刚建立起来，还没有达到应用的程度，又由于轧制 条件和轧制状态不断发生变化，仅仅依靠操作人员的操作经验很难达到较高的要求，致 使轧机的各项技术指标都比较低，相应的该阶段的厚度控制尚未形成自动控制。 第二阶段是上世纪三十年代到六十年代的常规自动调整阶段。这个阶段的轧制理论 以力学为基础，研究轧件变形规律；以力学和控制论为基础研究轧件与轧机相互作用变 形规律【l0 1 。轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。同时，随着自动 控制理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制进入了常规、模拟式调 节的自动控制阶段。各种调节系统不断出现，主要包括速度调节、张力调节、位置调节 系统等。这些自动调节系统的实现，为完善板带轧机的厚度控制提供了先决条件。早期 的厚度控制采用了根据测量出口板厚偏差而调节电动压下的方式，但这种控制装置存在 着压下位置变化慢、传递时间滞后等缺点。 1 9 5 2 年，英国h e s s e n b e r g 等，根据轧机弹性曲线与轧件塑性曲线【j 推导出了出口 板厚表达式即弹跳方程，奠定了板厚控制理论基础。采用此种方式的厚度控制系统，在 轧制过程中通过测量轧制压力p 和空载辊缝岛，利用弹跳方程计算出任何时刻的实际出 口厚度矗。在这种情况下，等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”。由于轧机弹跳方 - 程避免了测厚仪式a g c 系统的纯滞后作用，使得厚度控制的响应时间大为提高，所以， 弹跳方程的问世为a g c 技术的发展做出巨大的贡献。同时，厚度控制系统中还保留了 射线式测厚仪，给厚度计式a g c 慢监控处理，保证轧出厚度不跑飞。以射线式测厚仪 和“厚度计”式测厚，以模拟量和逻辑量的组合进行执行机构的控制，是这一阶段厚度 控制的特点，由此构成的自动调节系统可对轧制过程进行有效的实时调节，从而在改善 轧制过程中的稳定性，提高板带材产品质量以及简化操作等方面都取得了明显的效果。 上世纪六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到钢铁 制造业，使板带产品的生产发生了变革，形成了上世纪六十至八十年代的计算机控制阶 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 段，即板厚控制的第三阶段。 六十年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期【l2 1 ，在轧机的控制上，逐步过渡到了 以主计算机设定和以微机进行d d c 数字式直接过程控制阶段，并将这种控制方式大量 应用于冷连轧机，使得这一阶段冷连轧机发展很快。这一阶段，冷连轧机典型厚度控制 系统的基本控制思想是：在第一、二机架配备粗调a g c 系统，保证热轧卷来料厚度偏 差基本上得到消除；以后机架的精调a g c 系统，由于压下效率低，而且为了保证良好 的板形，通常采用张力作为调节手段，对带钢厚度再一次进行精确控制。如果误差超出 了精调的能力范围，就改变第一机架的设定值，按照金属秒流量守恒的原则重新分配各 机架的压下量，以达到合格的厚度精度【1 3 1 。整个生产过程全部采用计算机控制，使高速、 高精度的过程控制成为现实。另外，由于精度高、反应灵敏的测厚、测压、测张等检测 装置技术的发展，使自动控制更加可靠，更加精确。为了保证成品带钢厚度均匀一致， 己经由不断完善厚度自动控制系统，发展到了板厚板形综合自动控制系统。 计算机在板厚控制中的应用首先是从热连轧机的设定上开始的，由于在穿带过程 中，要根据被轧带材的各种情况，要求快速、最优地设定各机架的出口厚度值、辊缝值 以及轧制速度等，这样单凭经验及简单的计算己经无能为力了，必须引入计算机运算才 能完成。六十年代后期，板带轧机的控制逐步过渡到了以计算机设定和以微机进行d d c 过程控制阶段。自上世纪七十年代起，液压厚度控制技术的应用，使板厚控制技术产生 了重大变革。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控制技术大大地向 r 前迈进了一步。 从上世纪八十年代末至现在，板厚控制技术正向着大型化、高速化、连续化的方向 发展，成为板厚技术发展的第四阶段。这一阶段通过计算机网络，利用过程自动化级和 基础自动化级控制系统，全面负责整个轧制过程的控制，实现板厚、板形的综合控制。 一方面，在过程控制级的控制中，采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制 等控制理论的最新成果，以追求控制性能的更高水平：另一方面，采用人工智能、模糊 控制、神经网络等手法，以追求系统的灵活性和多样性。以上两个方面的不断融合，开 发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统，是这一阶段轧机控制技术的主要特点。 目前，板厚自动控制( a g c ：a u t o m a t i cg a u g ec o n 们1 ) 技术已日益成熟，纵向厚 差的控制精度基本得到了解决。现代控制理论及智能控制理论与技术也被广泛地应用于 轧制过程中的厚度控制【1 4 - 1 6 】。如：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【1 7 】；基于内模原理的厚度控制系统的自校正控制器， 可有效消除系统的静差【1 8 】；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 3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和硬度扰动所引起的轧机出口厚度变化的综合补偿问题【i9 】；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【2 州；应用模糊p i d 调节解决速度变化带来的 厚度波动【2 l 】；以及在冷连轧中应用子空间模型辩识和玩伺服控制理论来提高a g c 系 统的鲁棒稳定性和跟随性等【2 2 1 。a g c 技术在国外发展很快，如在日本、美国、法国等 国家，各种a g c 系统己成功应用于各种轧机。有的发展成高精度a g c 系统，有的创立 了a g c 专利技术。计算机技术的应用深入各个领域。人工智能技术已经广泛应用，包 括模糊控制、专家系统和人工神经元网络技术在a g c 系统中的应用，已经取得了巨大 成果和经济效益田。2 6 l 。 1 3 预测控制的研究现状 预测控制到目前为止已经发展了几十种控制算法，按其基本结构模式，大致可以分 为三类：( 1 ) 以非参数模型为预测模型的预测控制算法；( 2 ) 与经典自适应控制相结合 的一类预测控制算法；( 3 ) 基于系统结构设计的一类预测控制算法。 预测控制算法发展至今，虽然有不同的表示形式，但归纳起来，它的任何算法形式 均包括：预测模型、滚动优化、在线校正。预测模型预测未来有限时域的过程输出；滚 动优化采用滚动式的有限时域优化策略来确定控制量；在线校正在优化的过程中，不断 通过系统实际输出与模型输出之差进行反馈校正。在预测控制中，预测模型具有多样性， 建立模型方便。滚动优化的优化过程在线反复进行优化计算、滚动实施，从而使模型失 配、时变、干扰等引起的不确定性能及时得到补偿，提高了系统的控制效果。另外，在 线校正使用误差反馈校正不变的模型预测输出与时变的实际输出之间的不一致。这三个 特征使预测控制更符合复杂系统控制的不确定性与时变性的实际情况。因此，预测控制 在复杂控制系统领域得到重视，具有很强的实用性【2 7 j 。 几乎所有实际的控制系统都具有非线性。随着预测控制技术的不断发展及预测控制 可灵活使用各种模型的优点，人们着力于研究更能真实描述实际控制系统的具有一般形 式的非线性预测控制，并且取得了一些可喜的研究成果。 非线性预测控制方法是从线性控制理论发展起来的，因此从其来源可分为如下三 类：以工业应用中的非参数模型为基础的非线性模型预测控制算法( n l m p c ：n o n l i n e a r m o d e lp r e d i c t i v ec o n 订0 1 ) ；由经典自适应控制算法发展起来的一类远程预测控制算法， 如修正的广义预测控制( g p c ：g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 方法；从结构设计出发， 通过对g p c 结构的转换，产生了内模控制( i m c ：i n t e n l a lm o d e lc o n 啪1 ) 和推理控制( i c ： i l l a t i o nc o m r 0 1 ) 。 目前，非线性预测控制己成功地应用于蒸馏塔，酸碱中和的p h 控制等工业过程中， 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这些过程均具有较强的非线性，用一般的线性控制模型和方法难以得到良好的控制品 质。但是非线性系统的预测控制，无论在理论上或技术上都还存在不少问题。由于实际 工业过程中存在着许多强非线性系统，因此，研究非线性系统的预测控制越来越重要。 预测控制的研究和发展，已经突破早期研究的框架，摆脱了单调的算法研究模式， 从而开始了与极点配置、自适应控制、鲁棒控制、精确线性化、解耦控制和非线性控制 相结合的一类先进预测控制策略。并且随着智能控制技术发展，预测控制也向着智能预 测控制方向发展，如模糊预测控制、遗传算法预测控制等。 近年来，由于神经网络的自学习和自适应能力，使神经网络在非线性控制系统中的 应用与研究得到越来越广泛的关注。神经网络多输入多输出的结构形式，也使其易于实 现多输多输出非线性系统的辨识与控制。将神经网络应用到预测控制中，对于任意复 杂的非线性系统不仅能快速有效地建模，还能够大大减少计算时间，以满足工业控制的 实时性要求。 神经网络良好的非线性映射能力可以避开复杂的参数估计过程，同时又可以灵活方 便地对多成因的复杂的未知系统进行高精度建模，为非线性系统的预测控制提供了一种 良好的方法。目前研究方向主要有如下两方面【2 8 1 ： 首先，利用神经元网络能对任意复杂非线性函数充分逼近，能够学习和适应不确定 系统的动态特性；能采用并行分布处理算法快速进行实时运算等特殊能力，建立神经元 网络辨识模型作为预测模型。被广泛采用的有b p 网络、h o p f i e l d 网络以及基于径向基 函数的r b f 网络的辨识建模。 1 + 另一方面，基于神经网络解耦的多变量系统广义预测控制。为了消除多变量系统各 控制变量间的相互约束和耦合影响，需要对多变量系统进行解耦，这包括基于神经网络 的静态解耦和基于神经网络的动态解耦。 目前，预测控制系统的研究方向，除了上面所提及的先进预测控制和智能预测控制 的研究备受人们关注以外，还有多种新型的预测控制理论与应用研究，如预测函数控制、 多速率采样预测控制、多模型切换预测控制和有约束预测控制等。 近年来，基于神经网络的预测控制在理论上及应用上均取得很大进展，出现了多种 实用的方法。在复杂工业过程控制中取得了许多成功的应用。j o s e 等提出一种直接自适 应神经网络控制器，能够对未知的非线性系统进行预测控制，并成功将其应用在热交换 过程的流速和温度控制中【2 9 1 。陈增强等将神经网络自校正预测控制应用于涤纶片拉膜生 产线横向剖面这个复杂的多变量非线性系统上，极大地提高了产品的优质率【3 0 1 。此外， 神经网络预测控制在热电厂和太阳能厂都有成功应用的实例。这些成功应用实践表明结 一5 一 东北大学硕士学位论丈第l 章绪论 合神经网络与预测控制的优势而形成的神经网络预测控制在工业过程中具有广阔的应 用前景。 1 4 本文的主要工作 随着现代化工业技术的迅速发展，对板、带钢的品种、规格和产量的要求日益增高， 对轧机液压a g c 系统的控制要求也越来越高。 本文以热连轧机厚度自动控制系统为背景，在对厚度控制系统的基本概念、控制原 理进行深入理解研究的基础上，针对带有纯滞后环节的测厚仪式a g c 设计其神经网络 预测控制策略，并通过仿真研究，分析验证所采用的控制策略的控制性能。本文的主要 工作： ( 1 ) 厚度控制的基础理论研究。在收集和消化大量国内外相关文献的基础上，对 板带轧机厚度控制的基本方程、引起带钢波动的原因与变化规律、板厚控制 的几种基本形式进行深入研究与分析，为厚度的智能控制的研究打下理论基 础。 ( 2 ) a g c 控制方法的研究。 ( a ) 测厚仪式a g c 研究。对采用不同的延迟时间的系统进行仿真，分析 系统的稳定性； ( b ) 采用s m 池预估策略。消除测厚仪式a g c 系统中纯滞后带来的不良 影响，深入研究s m 汕预估策略的基本原理，基于预估的基本思想设 计实际应用的s m i t h 预估器，并对采用s m i t h 预估策略后a g c 系统 的稳定性进行分析； ( c ) i m f 神经网络整定的s m i 也预估控制。采用s m i t h 预估控制策略的 a g c 系统调节时间增加，本文引入r b f 神经网络整定的s i l l i t l l 预估 策略，并对控制效果进行分析； 一 ( d ) 采用神经网络预测控制。建立神经网络预测控制策略，对神经网络预 测控制策略进行具体的设计和仿真研究，并将仿真结果分别与测厚仪 式a g c 及采用s m 池预估策略控制的结果相比较，对系统的稳定性 进行分析。 东北大学硕士学位论文 第2 章板厚控制基本理论 第2 章板厚控制基本理论 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器对带钢实际轧出厚度进行连续地测量，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，以及计算机的功能程序， 改变压下位置、轧制力、张力、轧制速度或金属秒流量等，把厚度控制在允许偏差范围 之内的方法。将带钢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 t 称a g c 系统。 本章将从厚度自动控制的基本方程出发，分析引起板带材厚度波动的原因及基本规 律，进而研究了几种基本类型厚度自动控制系统的控制原理，并对控制算法进行了推导。 2 1 轧机弹跳方程与轧件塑性方程 在轧钢生产中，轧辊和轧件的相互作用是通过轧制力来体现的，轧辊对轧件施加力， 使轧件发生塑性变形，从而使轧件的厚度变薄，这是轧制过程的主要目的之一。同时， 轧件又给轧辊以同样大小、方向相反的反作用力，并通过轧辊轴承、压下螺丝等零部件 传到机架上，使整个机座产生一定量的弹性形变。这些零部件的弹性变形值总的反映在 轧辊辊缝上，使辊缝增大( 由空载辊缝岛增大到有载辊缝s ) ，这称之为弹跳或辊跳1 3 ， 如图2 1 所示。 图2 1 轧制时发生的基本现象 f i g2 1t h eb a s i cp h e n o m e n aw h e ns t r i pi sr o l l e d 图中月l 带钢入口厚度；j i l 一带钢出口厚度；爵一空载辊缝； 江实际辊缝；户l 轧制力。 轧机在轧制力p 的作用下，产生弹性变形矗喝，依据h o o k 定律，可得： p = m ( 而一瓯) ( 2 1 ) 式中朋，一轧机刚度系数。轧机刚度系数表征使轧机产生单位弹跳量所需的轧制力3 1 。 东北大学硕士学位论文第2 章板厚控制基本理论 式( 2 1 ) 变形得， p = & + 吾 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 就是著名的轧机弹跳方程。弹跳方程不仅是辊缝设定计算中的基本公式，而 且是厚度自动控制的基础，并可作为间接测量厚度的一种方式。由弹跳方程式( 2 2 ) 所绘 制的曲线称为轧机弹跳曲线，如图2 2 曲线a 所示，其斜率为轧机刚度m 。 图2 2 弹塑性曲线叠加的p - h 图 f i g2 21 1 1 ep - hc h a nw h i c hi sd r a 砌e l a s t i cc u ea i l dp l a s t i cc u et o g e t h e r 图中爿_ 带钢入口厚度； 一带钢出口厚度；s 卜空载辊缝； 卜轧制力；卜轧机弹性曲线；肛轧件塑性曲线。 轧件的塑性形变是在一定的轧制力下产生的，而轧制力与轧件的轧制条件和受力状 态等各种因素有关。轧制时的轧制力尸是所轧带钢的宽度b 、入口厚度h 、出口厚度 、 摩擦系数 轧辊半径r 、温度f 、入口张力( 前张力) 、出口张力( 后张力) 眙以及 变形抗力田等的函数，如式( 2 3 ) 所示， p = f ( b ，r ，日，j i l ，厂，f ，吒，略) ( 2 3 ) 式中 f ( ) 一轧制力p 关于b 、尺、 f 、眙、嘞、弧、日和办的函数。 式( 2 3 ) 为轧件的塑性方程，当b 、烈 f 、眙、锄、哪及等均为一定时，轧制力 p 将只随轧出厚度 而变化，这样便可以在图2 2 上绘制出曲线b ，称为金属塑性曲线， 其斜率q = 一a p 动称为轧件的塑性系数【3 2 】。轧件的塑性系数表征了轧件产生单位压下 量所需的轧制力。 将轧机的弹性曲线和轧件的塑性曲线绘制在同一坐标内便形成了弹塑性曲线，简称 p 图。如图2 2 所示，两条曲线交点的横坐标恰好是出口厚度| l 。p - j i l 图以图解的方式 直观地表达了轧制过程中的各种关系，是分析带钢厚度偏差和厚度自动控制系统问题的 一个重要工具。 ， 东北大学硕士学位论文第2 章板厚控制基本理论 2 2 引起厚度波动的原因及规律 2 2 1 引起带钢厚度波动的原因 根据弹跳方程，凡是影响轧制力、辊缝等因素都将对实际轧出厚度产生影响，概括 起来有如下几方面： ( 1 ) 入口厚度变化的影响。入口厚度变化主要通过轧制力变化影响辊缝，导致出 口厚度变化【3 3 j 。 ( 2 ) 温度变化的影响。温度变化对带钢厚度的影响，实质就是温度差对厚度的影 响，温度波动主要是通过对轧件变形抗力和摩擦系数的影响而引起轧出厚度 变化。 ( 3 ) 张力变化的影响。张力是通过影响应力状态，以改变金属变形抗力，从而引 起厚度发生变化。张力的变化除对带钢头、尾部有影响之外，它也会影响其 它部分的厚度。当张力过大时，不仅会影响厚度，甚至会引起宽度发生改变。 ( 4 ) 速度变化的影响。速度变化主要通过摩擦系数、变形抗力、轴承油膜厚度来 改变轧制力和辊缝，而对轧出厚度产生作用。 ( 5 ) 辊缝变化的影响。当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和 轧辊偏心等，会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出厚度变化。轧辊和轴承 的偏心所导致的辊缝周期性变化，在高速轧制情况下，会引起高频的周期性 厚度的波动。 此外，机械性能的波动也是通过轧制力的变化而引起带钢厚度产生变化。在这诸多 影响因素中，有一些是独立的，有一些则彼此间存在着错综复杂的因果关系和耦合关系， 从而使得厚度控制成为带钢热连轧最复杂的控制功能之一。 2 2 2 带钢厚度变化的基本规律 下面从空载辊缝、轧制力和轧机刚度三个方面，分析上述因素影响轧出厚度的基本 规律。 ( 1 ) 实际轧出厚度随轧机空载辊缝而变化的规律 轧机的空载辊缝岛决定着弹性曲线a 的起始位置，在其它条件相同的情况下，它 将按照图2 3 所示的方式引起带钢的实际轧出厚度 的改变。例如，因为压下调整，空 载辊缝变小，则a 曲线平移，从而使得a 曲线与b 曲线的交点由0 1 变为0 2 ，此时实 际轧出厚度便由 l 变为j i l 2 ，带钢便被轧得更薄。 当采取预压紧轧制时，即在带钢进入轧辊之前，使上下轧辊以一定的预压靠力尸。 互相压紧，也就相当于空载辊缝为负值( 一& ) ，这样就能使带钢轧得更薄，此时实际轧出 q 一 一 东北大学硕士学位论文 第2 章板厚控制基本理论 厚度变为矗3 。 品2 0 图2 3 实际轧出厚度随轧机辊缝而变化的规律 f i g2 3t l l eo r d e r l i n e s so fs t r i pt h i c l ( n e s sw 油t h er o ug a pc h a n g i n g ( 2 ) 轧制力变化对实际轧出厚度的影响 所有影响轧制力的因素都会影响金属塑性曲线b 的相对位置，在轧机弹性曲线a 的位置和斜率即空载辊缝和轧机刚度不变的情况下，所有影响轧制力的因素都会使实际 轧出厚度变化。 ( a ) 入口厚度对轧出厚度的影响 图2 4 入口厚度对轧出厚度的影响 f i g2 4t l l ee 艉c to fm es t r i pe n t m c em i c l 【n e s so nt h ee x i tt l l i c l ( i l e 豁 当入口厚度日发生变化时，便会使b 曲线的相对位置和斜率都发生变化，如图2 4 所示，当入口厚度两 玩粕，则出口厚度j l i l | z 2 i l l 3 。这是因为在& 和m 值一定的条件 下，入口厚度h 增大时，则b 曲线的起始位置右移，并斜率稍有增大，故实际轧出厚 度也增大，反之，实际轧出厚度要减少。 因此，入口厚度不均匀时，则所轧出的带钢厚度也将出现相应的波动。 ( b ) 摩擦系数对轧出厚度的影响 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第2 章板厚控制基本理论 在轧制过程中，当减少摩擦系数时，如图2 5 所示，五哪，轧制力会降低，轧辊的弹 性变形减小，可以使得带钢轧得更薄，j j l 2 7 l l 。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来起作用，当轧制速度增高时，摩擦系数减小，则实际轧出厚 度也减小，反之则增厚。 图2 5 摩擦系数对轧出厚度的影响 f i g2 5t h ee 仃e c to f 衔c t i o nc o - e m c i e n to nt l l ee x i tt h i c k n e s s 图中石、尼一摩擦系数。 ( c ) 变形抗力对轧出厚度的影响 p o 图2 6 变形抗力对轧出厚度的影响 f i g 2 6t 1 1 ee 仃e c to fd i s t o r tr e s i s 啪c e0 nm ee x i tt h i c l ( n e s s 图中 ，、：一轧件变形抗力。 当变形抗力减小时，如图2 6 所示，： ，则b 曲线斜率减小，实际轧出厚 度也变薄，j l i 2 1 ，反之，则实际轧出厚度增厚。 这说明当来料机械性能不均匀或轧制温度发生波动时，金属的变形抗力也会不一 样，因此，必然使轧出厚度产生相应的波动。 ( d ) 轧制张力对轧出厚度的影响 轧制张力对实际轧出厚度的影响也是通过改变轧件塑性曲线的斜率来实现的。当张 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章板厚控制基本理论 力增大时，如图2 7 所示，由无张力轧制到大张力轧制，会使b 曲线的斜率减少，轧件 的塑性系数减小，因而可使带钢轧得更薄，j j l 3 办2 j j l l 。 热连轧时的张力微调、冷连轧时采用较大张力轧制，都是通过对张力的控制，来控 制厚度精度，使带钢轧得更薄。 p o 图2 7 张力对轧出厚度的影响 f i g2 7t h ee 脏c to ft h er o nt e i l s i o no nt h ee x i tt h i c k n e s s ( 3 ) 轧机刚度变化对实际轧出厚度的影响 轧机刚度m 随轧制速度、轧制压力、带钢宽度、轧辊的材质和凸度、工作辊与支 撑辊接触部分状况的变化而变化。 图2 8 实际轧山厚度随轧机