（机械制造及其自动化专业论文）板材厚度自动测控系统的研究.pdf

板材厚度自动测控系统的研究 摘要 板材厚度控制是板材轧制领域里的一项关键技术，板材厚度测控系统的研 究直接关系到产品的质量和经济效益。随着计算机控制技术的发展，板材厚度 测试技术已向能反映整个生产过程的动态变化的在线测试技术方向迈进。本文 跟踪现代测控技术的进步，围绕板材厚度控制系统的自动化程度提高开展研究。 本文所研究的板材厚度自动测控系统，将计算机技术、自动化技术以及测试技 术与成品板材生产过程有机地结合起来，实现了生产过程的智能化连续测控。 首先，本文研究了板材厚度测控系统检测装置设计的相关问题，通过探讨 分析选择了剪刀式的测量方法及相应的传感器，实现了厚度信息的获取、传输 及数据处理，并着重分析了统计过程控制在数据处理中的功能。接着，在分析 整体测控系统方案的基础上，根据板材厚度控制基础理论一一弹跳方程，设计 了控制部分的方案，得到了系统的数学模型。最后，对板材厚度自动测控系统 的软件部分功能、所采用的技术以及系统的性能进行了全面的分析。 板材厚度自动测控系统中采用了剪刀测量法实现差动测量，使用了双杠杆 结构同时感受上下两个表面的厚度变化，以消除振动的影响，获得了高精度的 测量数据。并借助v i s u a lb a s i c 6 0 软件平台，编制了较为完美的测控软件， 使相应的接口电路和硬件实现了对多路厚度信号的实时采集、分析处理、输出 显示以及试验过程的自动反馈控制，可方便地对生产过程进程做出实时、量化 的评估和测控。实现了对板材厚度精度的有效控制，达到了产品的质量要求， 最终为组织产生出更好的产品打下良好的基础。同时，对本类课题的开展提供 了良好的借鉴。 关键词：位移传感器，板材厚度测控，统计过程控制，v i s u mb a s i c 6 0 ，计算 机接口电路 s t u d yo nt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m f o rt h es h e e tt h i c k n e s s a bs t r a c t t h es h e e tt h i c k n e s sc o n t r o li sak e yt e c h n o l o g yi nt h es h e e tr o l l i n gi n d u s t r y t h es t u d yo nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rs h e e tt h i c k n e s sd i r e c t l y r e l a t e dt ot h ep r o d u c tq u a l i t ya n de c o n o m i ce 伍c i e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r c o n t r o l l e dt e c h n o l o g y ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sf o r s h e e tt h i c k n e s sh a v et h et r e n d st om e a s u r ea n dc o n t r o lt h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s o fd y n a m i c a l l yb yo n 1 i n et e c h n o l o g i e s t h e r e f o r e ，o u rw o r ki nt h i st h e s i sf o c u s e d o nt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h es h e e tt h i c k n e s s t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a u t o m a t i ct e s t i n gt e c h n o l o g ya n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g yw e r e s u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e di nt h em e t a ls h e e tp r o d u c t i o np r o c e s st oa c h i e v ec o n t i n u o u s i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h ep r o d u c t i o n f i r s t l y ，s o m ei s s u e so ft h et e s tb e dw i t ht h es h e e tt h i c k n e s sm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mw e r ed i s c u s s e d b a s e do nr e s e a r c h ，s c i s s o r sm e a s u r i n gm e t h o da n d s e n s o r sw e r es e l e c t e d ，a n dt h ei n t e l l i g e n tc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n , p r o c e s s i n go f t h et h i c k n e s ss i g n a l sw e r ep r e s e n t e d ，e s p e c i a l l yf o c u e do na n a l y s i so f t h ef u n c t i o n s o ft h es t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o li nt h ed a t ap r o c e s s i n g se c o n d l l y ，t h es y s t e m d e s i g na n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h ep r o j e c ta n d t h es h e e tt h i c k n e s sc o n t r o lt h e o r y - - s p r i n ge q u a t i o n f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n so ft h e d e v e l o p e di n t e l l i g e n tt e s t i n gs o f t w a r e ，t h eu s e dt e c h n i q u e s a n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c e sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s c i s s o r sm e a s u r i n gm e t h o dw a ss e l e c t e da st h ed i f f e r e n t i a lm e a s u r e m e n ti nt h e s y s t e m ，u s i n gad u a l 1 e v e rs t r u c t u r ea tt h es a m et i m et of e e lt h e t h i c k n e s sc h a n g e s o ft h el o w e ra n du p p e rs u r f a c ea n de l i m i n a t i n gt h ei m p a c to fv i b r a t i o n ，h i g h p r e c i s i o nd a t ew e r er e c e i v e d b yt h es u p p o r t i n g o fv b 6 0 ，t h ef u n c t i o n so f r e a l t i m ec o l l e c t i o n ，o n l i n ea n a l y s i s ，s a v i n g ，d i s p l a ya n dt h e t e s tp r o c e s so f a u t o m a t i cf e e d b a c kc o n t r o lo ft h em u l t i c h a n n e ls i g n a l s o ft h i c k n e s sw e r e p e r f o r m e d t h ee f f e c t i v ec o n t r o lo ft h es h e e tt h i c k n e s sp r e c i s ea n di n c r e a s i n gt h e p r o d u c tq u a l i t yc a np r o v i d eag o o db a s i sf o rm a n u f a c t u r i n g b e t t e rp r o d u c t s w h a t s m o r ei ti sag o o da d v i c ef o rt h es a m er e s r e a c h k e y w o r d s ：d i s p l a c e m e n ts e n s o r ，s h e e tt h i c k n e s s m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ， s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，v i s u a lb a s i c6 0 ，c o m p u t e r si n t e r f a c e c i r c u i t 插图清单 图2 1 轧制时发生的基本现象5 图2 2p - hi 虱。6 图2 3 前馈式厚度控制系统系统原理图8 图2 4 反馈式厚度控制系统原理图。9 图3 1 基本型测试系统框图。1 1 图3 2 测试系统总体框架图1 4 图3 3 浮动探头测量法示意图1 4 图3 4 差动测量方法示意图。1 5 图3 5 激光差动测量法示意图1 5 图3 6 剪刀测量法示意图1 6 图3 7 位移传感器种类1 6 图3 8 试验台机械结构图1 7 图3 9 实验装置实物图1 8 图3 一1 0 直流电机结构图1 8 图3 - 1 1 直流电机安装图1 9 图3 12 典型控制图。21 图3 - 1 3 失控状态的控制图l 。2 2 图3 1 4 失控状态的控制图2 。2 2 图3 1 5 统计数据均值图2 3 图3 1 6 统计数据极差图j 2 3 图4 1 计算机控制系统框图。2 4 图4 2 轧机控制系统原理图。2 7 图4 3 步进电动机系统框图。2 8 图4 4 步进电机控制接线图。2 9 图4 5 板材厚度测量点俯视图。3 0 图4 6 生产线实际轧制装置示意图3 0 图4 7 轧机压下控制的原理图a 3 1 图4 8 轧机压下控制的原理图b 。3 2 图5 1 基于p c i 总线的系统逻辑图。3 9 图5 2 模拟输入通道接线图。4 1 图6 1 双缓冲区的工作方式示意图。4 5 图6 2 软件界面及功能流程图4 9 图6 3 系统启动界面4 9 图6 4 主测试界面。5 0 图6 5 项目设置界面51 图6 6 控制参数设置界面。5 2 图6 7 报表时间间隔设置界面5 2 图6 8 报警设置界面5 3 图6 9 试验时间设置界面。5 3 图6 1 0 修改密码界面5 3 图6 - 1 1 生成数据设置界面5 3 图6 12 实时数据趋势图5 4 图6 1 3 生成统计数据设置界面5 4 图6 1 4 统计数据均值图5 5 图6 1 5 统计数据极差图5 5 图6 1 6 报表打印界面5 6 表格清单 表4 1 步进电动机的优点和缺点2 8 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：扩年月1 ( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权金目巴王些太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：潞f 月石日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：乒以首 签字日期：口万年口多月o r 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师焦明华悉心指导下完成的，在实验研究的过程中得到了俞 建卫老师的技术指导，值此完稿之际，谨向他们表示衷心的感谢。他们渊博的 知识、严谨的治学态度、求实的工作作风和忘我的奉献精神，使我终生受益。3 年以来，学生的每一点进步无不凝结着老师的心血。从论文的选题，研究方法， 到论文的进展，中途遇到的困难和阻碍，及至最终成稿，老师都给予了关注和 指导。老师敏捷的思维、渊博的知识、拼搏精神和高尚的品德令学生获益非浅： 无论是做学问还是做人，老师都是我一生学习的典范! 感谢合肥工业大学摩擦学研究所的刘煜老师、胡献国老师、解挺老师、尹 延国老师、田明老师等，在我读研期间老师们为我创造了诸多的学习机会，并 对我的课题研究提出很好的建议和指导，以及在其它各方面给与了很多的帮助。 感谢尤涛老师在软件设计等方面给予的极大帮助。 在摩擦学研究所攻读学位期间我的各位同学：于军涛、程鹏、代芳、李卫 荣、王永国、宋平、柏厚义、李奇亮、杨文娟、赵小虎等，在我的课题开展过 程中给了我很多帮助，提供了很多宝贵的意见，是他们在学习和生活中给予我 大量的关心和帮助，在此表示衷心的感谢。感谢所有支持关心我的同学和朋友。 特别感谢我的父母，感谢他们多年的养育之恩，感谢他们二十多年来给予 我无私的关怀和无微不至的呵护。我将努力拚搏、刻苦钻研来回报所有关爱我 的人。 最后，感谢参与论文评审和答辩的各位专家和教授，能在百忙之中抽出宝 贵的时间对论文进行评阅和审议。 作者：唐珊珊 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 在板厚自动控制技术( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ，简称a g c ) 广泛应用的 今天，纵向厚差的精度问题成为众多工作者研究的重点。虽取得了一定的进展， 许多技术也已进入实用阶段，但由于国内轧机总体装备水平较差、纵向厚差的 精度的影响因素复杂多变，在控制模型、精度控制系统及现场应用等方面都还 有许多的问题尚未解决。因此如何利用现有的设备，通过技术改造提高成品板 材的精度和控制水平，使其接近或达到现代板材轧机水平，是摆在我们面前的 一个迫切任务。本文从理论和实践两个方面研究轧机的精度控制特性，开发适 合现场应用的精度控制技术。 1 1 板材厚度控制技术的发展概况 板材厚度精度是板材质量的主要衡量指标之一，它直接关系到产品的质量 和经济效益，板材厚度控制也是板材轧制领域里的一项关键技术。厚度自动 控制是提高板材质量的重要方法之一，其目的是获得板材纵向厚度的均匀性【2 1 。 目前，厚度自动控制己成为现代化板材生产中不可缺少的组成部分。而在国内 外竞争剧烈的市场经济中，提高板材质量，无疑格外重要。 1 1 1 板厚控制系统基本类型 板厚自动控制a g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 作为板材轧制中的重要 环节之一，能够有效的保证产品质量。回顾我国轧机轧制已应用的厚度控制系 统，可归纳为以下3 种基本类型【3j 。 ( 1 ) 用测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口侧板材张力的a g c 系统， 张力的变化可以显著改变轧制压力，从而能改变轧出厚度。上世纪7 0 年代，厚 度控制系统大多是这类系统，而且是模拟控制技术。按轧机出口侧测厚仪测出 的板材实际偏差信号反馈控制，大偏差或被轧板材厚度大于设定值时，按偏差 信号大小去移动压下位置，改变辊缝间距，以减小厚度偏差，即所谓粗调；在 小偏差或被轧板材厚度小于设定值时，则调节轧机入口侧板材张力，进一步减 小厚度偏差，即所谓精调【4 j 。 早期调节轧机压下装置的执行机构是电动压下，因电动压下响应慢和非线 性的缺点，逐渐被液压压下机构所取代。测厚仪安装在轧机两侧距轧辊中心约 1 5 - 2 m 的位置，故测厚仪信号滞后时间长，且随轧制速度而变，厚度控制的调 节周期长，从系统稳定考虑将会降低系统控制性能。一般而言，系统要修正2 3 次( 视轧机刚度而定) 才能把偏差减小到允许范围内。如果a g c 系统是模拟 的，通常是在轧机升速到一定轧速后才能投入a g c 。a g c 投入前和投入后第 一次厚度自动调节达到允许偏差范围内这一段时间所轧的一段板材厚度就可能 不合格【5 1 。概括起来讲，这类a g c 系统的主要缺点是： 1 ) a g c 调节周期长，并随轧制速度而变。为了使系统运行稳定，必须降低 系统性能因而使控制效果降低； 2 ) 板材端部不受a g c 控制，成材率低，尤其轧制小卷时，损失尤为突出【5 j ； 3 ) 消除板材纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差能力低； 4 ) 冷轧的工艺特点是大张力轧制，故张力微调范围极小。 ( 2 ) 采用前馈控制和测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口侧板材张力 的a g c 系统。将上述a g c 系统数字化 6 】，并增加前馈控制回路就构成这类a g c 系统。前馈控制是当轧机入口侧有厚度偏差的板材进入轧辊时，立即调节被控 机架压下位置，将入口板材厚度偏差消除的一种控制策略。其方法是将轧机入 口侧测厚仪至轧辊中心的距离分成若干整数段，把经过入口侧测厚仪的每段板 材厚度顺序存入移位寄存器中，寄存器按f i f 0 方式工作，当寄存器输出的板材 段进入轧辊时，系统按该段厚度偏差值调整压下，以消除进入轧机的板材厚度 偏差。这种控制方式消除了板材纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差较大的缺 点。 ( 3 ) 采用前馈控制、反馈控制和监控的a g c 系统。此类系统是2 0 世纪4 0 年代末由英国钢铁协会( b i s r a ) 最早开发的，因此也称为b i s r a a g c 。上世纪 8 0 年代，在现代控制理论的基础上，利用电子技术与计算机技术相结合，对上 述两类a g c 系统进一步加以改进，就形成了g m a g c ( g a u g em e t e r a g c ) 系统或b i s r aa g c 系统。其主要特点是应用轧机弹跳方程控制轧件厚度，使 用轧机弹跳方程计算轧后板材厚度作为实测厚度，与设定厚度或锁定厚度相减， 其差为检测的厚度偏差值，经过转换后用预压下调节。这样就不存在轧辊中心 到测厚仪的传输滞后时间了，从而提高了系统性能，获得普遍应用。再加上监 控回路消除低频干扰因素的影响，如轧辊磨损、轧辊热膨胀等。 g m a g c 计算厚度是建立在各种补偿基础上按轧制压力计算的。要精确计 算所用补偿参数很难，甚至是不可能的【j 。 要补偿的变量主要有以下几种： 1 ) 轧辊偏心； 2 ) 轧机弹性系数； 3 ) 摩擦力变化： 4 ) 轧辊磨损及压扁； 5 ) 轧件硬度。 当然，板材厚度受可控和不可控的因素影响太多，这些因素都被考虑认为 是对厚度控制的干扰。要生产厚度偏差极小的板材，必须采用控制精度更高的 a g c 系统，可控制板材厚度偏差达到成品厚度的士1 之内，这种系统的核心 技术是流量控制( m a s sf 1 0 wc o n t r 0 1 ) 哺j 。 2 ( 4 ) 轧机a g c 技术的新发展 随着计算机技术的发展和广泛应用，国外轧机a g c 技术得到了迅速发展， 功能不断完善，流量a g c 也开始在轧机上应用，使厚度控制精度达到了相当 高的水平【9 0 1 1 。流量a g c 国外早在7 0 年代就开始成功地应用在连轧机上，流 量a g c 系统在设备结构及系统设计方面均较简单，无需设置任何诸如轧辊偏 心、油膜厚度等补偿系统。检测元件设置地点环境好，易于安装和维护。系统 检测分辨率高，检测精度可达0 0 0 i m m ，最终成品控制精度可达士8 pm 以下， 并且能迅速逼近目标厚度，使成材率大幅度提高。 i 1 2 板厚控制系统研究趋势 当前国内外在板厚控制方面的大部分研究工作围绕着下面的两个方面： ( 1 ) 由于厚度自动控制方式很多，各种a g c 复合系统往往相互关联，相互 影响，实际上存在着最优组合方案，这是目前世界上一些该领域的学者们积极 研究的课题【l2 。 ( 2 ) 随着人工智能控制系统在工业生产领域的应用，一些板厚控制系统也逐 渐地采用了人工智能控制，主要在p i d 控制器的选择上。目前采用的如自适应 神经网络p i d ，模糊p i d 控制，这些控制器大部分是被应用在不稳定的轧制状 态下，譬如头、尾板厚控制 1 3 。16 1 。一个自适应p i d 神经网络控制器能迅速地降 低出口厚度偏差 1 7 】，在p i d 参数在线自适应调整的同时，头尾厚度精度被有效 地提高了，不合格的带长可减少7 3 c m j 。 1 2 本课题研究的目的及主要内容 板材厚度精度是板材的两大质量指标之一，板材厚度控制是板材轧制领域 里的两大关键技术之一。我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板 材轧机，其关键技术是高精度的板材厚度精度控制和板形控制。为了获得高精 度的产品厚度，a g c 系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统支持。 在实际轧制过程中，影响轧后板材厚度精度的因素很多，本课题根据某公 司实际需求，分析了测控系统参数变化对轧制厚度以及控制系统品质的影响 1 1 】，设计出一套适合企业生产需要的测控软硬件系统，是本课题研究的目的所 在，最终为组织产生出更好的产品打下良好的基础。 本论文以实用项目为背景对轧件厚度的自动控制进行研究，并在控制板材 厚度精度方面提出新的控制算法。由于项目生产线的速度较慢，可以对轧辊控 制采用传统的电动压下。在弹跳方程的基础上建立的数学模型利于提高工艺控 制的理论水平，对板材厚度精度进行有效的控制，达到最终产品的质量要求。 论文着重对测控系统两个方面的控制要点进行研究： ( 1 ) 厚度的自动检测 厚度测量在带材的厚度控制系统中是最基础、也是非常关键的测控子系统之一， 它和控制系统相互作用，相互影响，构成了带材厚度精度控制的核心技术部分。 通过比较不同的板厚测量方法及不同的传感器功能，研究设计一套合适的 检测装置用于板材厚度的检测。同时，充分利用计算机资源达到测量过程实时 数据处理，多参数测量，测试数据数据库保存、实时测量等，实现真正意义上 的厚度自动检测。 ( 2 ) 反馈控制模型的建立及其控制系统 本文从轧机的弹跳方程及轧件的塑性曲线入手，对厚差控制模型做系统的 分析研究，根据实际情况设计出反馈控制的电动压下调节装置，实现电机与计 算机的通信，对实际输出控制脉冲的数量进行了分析研究。并在电动压下调节 装置的基础上建立控制模型，从而建立从实时测量到反馈控制的研究过程，有 效地提高成品板材厚度的精度，提升板材的质量。 1 3 本章小结 本章主要介绍了板材厚度控制技术的发展概况，探讨了控制技术在板带材 轧制生产中的应用状况以及研究趋势；提出了本课题的主要研究内容和目标， 开发出一套适合企业生产需要的测控系统，最终为组织产生出更好的产品打下 良好的基础。 4 第二章板材厚度控制理论分析 2 1 板材厚度控制基本数学模型一一弹跳方程 板材轧制时在轧制压力的作用下，轧机工作机座( 轧辊及其轴承、压下装 置和机架等) 会产生一定量的弹性变形。工作机座的弹性变形将影响轧辊的辊缝 和辊形，从而对板材的轧制精度造成影响。 轧件进入轧辊辊缝前，辊缝( 空载辊缝或原始辊缝) 为s 。；当轧件进入辊缝 后，在轧制压力p 的作用下，轧件也给轧辊同样大小、方向相反的反作用力， 使得机座各零件产生一定的弹性变形，而这些弹性形变的累积后果，都反应为 轧辊的辊缝增大，这一现象称为弹跳，如图2 1 所示。 置 图2 - 1 轧制时发生的基本现象 h 一带钢入口厚度；h 一带钢实际轧出厚度；s o 一空载辊缝；s 一实际辊缝：p 一轧制压力 这些变化引起的辊缝变化的总和称为轧机弹跳。轧机在轧制压力p 的作用 下，产生了弹性变形( h s o ) ，基于h o o k 定律，可得式( 2 1 ) ： p = k 。( j i z s o ) ( 2 1 ) 式中，k m 一轧机模数或轧机刚度系数，它表征使轧机产生单位弹跳量所需要 的轧制压力。由式( 2 - 1 ) 变形可得： p 。h = s 。+ 二 ( 2 2 ) 。 k m 式( 2 - 2 ) 即为b r s i m s 等人提出的轧机弹跳方程，是厚度计式a g c 的基 本数学模型。利用轧机弹跳方程，可以直接计算得到板厚，它相当于运用轧机 作为厚度计( g a u g em e t e r ) ，无滞后时间测得厚度。所以，弹跳方程为a g c 技 术的发展做出了巨大的贡献。 5 2 2 轧件塑性曲线与p - h 图 轧制时的轧制压力p 是板材宽度b 、来料入口厚度h 、出口厚度h 、摩擦系 数f 、轧辊半径r 、温度t 、前后应力oh 与0h 以及屈服应力os 等的函数，如 式2 3 所示： 尸= f ( b ，h ，h ，f ，r ，t ，吒，o s ) ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 为板材的轧制力方程( 又称塑性变形方程) 。在轧机工艺中，影响轧 制力的主要因素是h 、h 、oh 、oh ，因此，式( 2 3 ) 可以进一步简化为： p = f ( h ，h ，吼，盯何) ( 2 4 ) 对( 2 - 4 ) 式进行泰勒级数展开并只取一次项得到式( 2 5 ) ： a p = 等胡+ 篆幽嵩”篑 沿5 ) 式中鲨，塑，旦，旦为偏导数。 猾孤a 矾7a 仃。 在实际应用中，可以针对具体的主要扰动因素，对式( 2 - 4 ) 进一步简化。 如果除出口厚度h 以外的其他参数恒定不变，则p 只随h 变化，式( 2 - 4 ) 可简化 为： p = ( j 1 1 ) ( 2 6 ) 在轧制力p 和出口厚度h 以外的各变量一定的情况下，可画出p 随h 变化 的曲线，并称该曲线为轧件塑性曲线。 轧件的一个重要参数是轧件塑性系数，它定义为：使轧件产生单位压塑所 需轧制力称为轧件塑性系数。用q 表示轧件塑性系数，则 d 皇一竺：一丝丝：型 ( 2 7 ) 孤搠 可见，轧件塑性系数为轧件塑性曲线的斜率。把式( 2 - 2 ) 和( 2 - 6 ) 画在一个 几何图上，如图2 - 2 所示，两条曲线交点的横坐标恰好是出口厚度h 。 两条曲线的安点恰好足出口厚度h p p s d h 图2 2p - h 图 h 一入口厚度：h 一出口厚度：s o - 空载辊缝；p 一轧制力；k m - 车l 机模数 6 2 3 影响板材厚度波动的原因 轧制过程中，凡是影响到轧制压力、原始辊缝和油膜厚度等的因素都将对 实际轧出厚度产生影响，概况起来有如下几方面【”】： ( 1 ) 温度变化的影响 温度变化对板材厚度波动的影响，实质就是温度差对厚度的影响，温度波 动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差【2 0 1 。 ( 2 ) 辊缝变化的影响 当进行板材轧制时，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。 ( 3 ) 张力变化的影响 张力是通过影响应力状态，以改变板材变形抗力，从而引起厚度发生变化。 张力的变化除对板材头尾部有影响之外，也会影响其它部分的厚度。当张力过 大时，不仅会影响厚度，甚至会引起宽度改变。因此，在热轧过程中，一般采 用微套量的恒定小张力轧制，而冷连轧就与热连轧不同，由于是冷态进行轧制， 并且随着轧制的过程会产生加工硬化，故冷轧时采用较大张力进行轧制。 ( 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压力和 压下量，而对厚度产生作用。 另外，来料厚度和机械性能的波动，也是通过轧制压力的变化而引起的板 材厚度产生变化。其次，由于工艺等其它原因也会造成厚差，这类厚差属于非 正常状态的厚差，不是a g c 能够解决的问题 2 0 1 。 2 4 厚度自动控制的基本形式及控制原理 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器对板材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、轧制压力、张力、轧制速度等，把厚度 控制在允许偏差范围之内的方法。将板材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 系统。 根据轧制过程中控制信息流动和作用情况，可以将a g c 系统分为：前馈 式、反馈式。 2 4 1 前馈式厚度自动控制基本原理 无论用测厚仪还是用“厚度计”测厚的反馈式厚度自动控制系统，都避免 不了控制上的传递滞后或过渡过程滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。 特别是当来料厚度波动较大时，更会影响板材的实际轧出厚度的精度。为了克 服此缺点，现代化的轧机都广泛采用了前馈式厚度自动控制系统，简称前馈 a g c 。 前馈式a g c 不是根据本机架实际轧出厚度的偏差值来进行厚度控制，而 是在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度偏差h ，并往前馈送给下一 个机架，在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所要求的轧出厚度h ， 如图2 3 所示。 它的控制原理就是利用测厚仪或以前一机架作为“厚度计 ，在板材未进 入本机架之前，测量其入i = 1 厚度h ，并与给定厚度值h o 相比较，当有厚度偏差 a h 时，便预先估计出可能产生的轧出厚度偏差h ，从而确定为消除此h 值所 需要的辊缝调节量a s ，然后根据该检测点进入本机架的时间和移动a s 所需的 时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度的控制点正好就是a h 的检侧点。 图2 - 3 前馈式厚度控制系统系统原理图 2 。4 2 反馈式厚度自动控制基本原理 如图2 - 4 是反馈式厚度控制系统的框图。板材从轧机中轧出之后，通过测 厚仪器测出实际轧出厚度h 。并与给定厚度值h o 相比较，得到厚度偏差h = h o h ，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即h = 0 。若实测厚度值 与给定厚度值相比较出现厚度偏差h 时，便将它反馈给厚度自动控制装置，变 换为辊缝调节量s 的控制信号，输出给压下系统作相应的调节，以消除此厚度 偏差。如图2 - 4 所示，一个厚度自动控制系统应该由下列几个部分组成： ( 1 ) 厚度检测部分：厚度控制系统能否精确地进行控制，首先取决于一次信 号的检测。 ( 2 ) 厚度自动控制装置：它是整个厚度自动控制系统的核心部分，其作用是 将测厚仪测出的厚度偏差信号，进行放大或经计算机的功能程序处理，然后输 出控制压下位置的信号： ( 3 ) 执行机构：根据控制信号对板材厚度直接进行控制。例如通过压下电动 机或液压装置调整压下位置或通过主电机改变轧制速度，调节板材的张力，实 现厚度的控制。 图2 4 反馈式厚度控制系统原理图 这种厚度控制系统适用于板材厚度精度要求不是很高的生产线，但是因检 测出的厚度变化量与辊缝的控制量不是在同一时间内发生的，所以实际轧出厚 度的波动不能得到及时的反映，结果使整个厚度控制系统的操作有一定的时间 滞后。 由于本课题研究的板材厚度生产线速度很慢，在能够达到精度要求的基础 上，测厚装置采用以反馈式厚度控制系统为基础，结合测厚仪式控制系统使用， 使成品板材的合格率控制在一定水平之上。 2 5 本章小结 本章从分析板材厚度控制的基本原理和数学模型出发，分类论述了不同的 厚度控制策略，分析了轧件的塑性变形问题以及影响板材厚度波动的因素。并 根据本课题研究的需要，选择了合适的板厚检测控制形式，为板材厚度控制系 统建模与系统方案设计奠定基础。 9 3 。1 测试技术 3 1 1 测试技术概述 第三章测控系统的测试设计 测试技术( 亦称检测技术) 包含测量( m e a s u r e m e n t ) 和试验( t e s t ) 两个内容， 是指具有试验性质的测量。测量内容指的是把被测对象的某种信息检测出来， 并加以度量；试验内容指的是通过某种人为的方法，把被测系统所存在的某种 信息，通过专门的装置，人为地把它激发出来并加以测量。 测试技术是现代工业生产的推动器，是带动国民经济增长的一个关键领域。 如在生产过程中产品质量的控制、节能和生产过程的自动化等，都要从生产现 场获取各种参数，利用各种先进技术，通过自控手段和装备，使每个生产环节 得到优化，提高产品质量，降低成本，满足需要。 我们将包含对被测对象的特征量进行检出、变换、传输、分析、处理、判 断和显示等不同功能环节所构成的一个总体称为测试系统，严格的讲，它还应 包括使被测对象置于预定状态下的试验装置，连接和协调各环节工作的传输手 段及控制部分【2 1 1 。 从被测特征量的检出到最后的处理和显示所连成的一个完整的测试系统， 还可以进一步划分成由若干个较小的分系统组成。例如，以将被测特征量转换 成以电量为主要信号形式的传感器为中心的检出分系统；对检出信号进行变换， 以提高测量效率和便于作数据处理的信号变换分系统；进行测量的测量分系统； 按测试目的对数据进行分析、处理的数据分析处理分系统；以及将所得的有用 信号及其变化过程显示或记录下来的显示或记录分系统等。 一般来说，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 测试过程中的传感器完成信息的提取工作，即将反映被测对象特性的物理量， 如位移、压力、加速度、温度等，检出并转换为电量( 如电压、电流等) ，然后 传输给中间变换装置；中间变换装置对接受到的电信号用硬件电路进行分析处 理，或经过a d 变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信号或数字信号的 方式传输给显示记录装置；最后由显示记录装置( 如显示器、指示器、记录仪 等) 将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。般情况下， 一个基本型的测试系统的组成可用图3 - 1 来表示【2 2 1 。随着信号处理技术的迅速 发展和计算机技术在信号处理中的广泛应用，计算机( 包括其硬件和相应软件) 也已成为现代测试系统的有机组成部分。 l o 图3 1 基本型测试系统框图 综上所述，检测技术归纳起来，具有如下三种功能： 过程中参数测量功能； 过程中参数监测控制功能： 测量数据分析判断功能； 数据分析结果反馈功能。 3 1 2 现代测试技术的特点 现代测试技术的方向是实现智能化检测，而要达到真正的智能化测试，就 应当包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传 统的测量远远丰富的范畴，是测试设备模仿人类专家信息综合处理能力的结晶 2 3 1 。智能检测系统充分利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件 实现系统功能，它具有以下特点： 1 测量过程软件控制 智能检测系统可实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报 警、过载保护、非线形补偿、多功能测试和自动巡回检测。测量过程的软件控 制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和 自动化程度。 2 智能化数据处理 由于计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此通过计算机的使用软件 可对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另外，可以对测量结果进 行再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。 3 高度的灵活性 智能检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都比较容易，功能和 性能指标更改方便。比之传统的硬件检测系统的复杂结构，其优点是不言而喻 的。 4 可实现多参数测量和信息融合 智能测试系统可使用多个通道，由计算机对多路测量通道进行高速扫描采 样。因此，智能检测系统可以对多种测量参数进行测试。在进行多参数测试的 基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能测试系统的多传感器信息融 合，从而提高测试系统的综合性能。 5 测量速度快 高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从测量开 始，经过信号放大、整流滤波、非线形补偿、a d 转换、数据处理和结果输出 的全过程所需的时间。目前，高速a d 转换的采样速度在2 0 0 m h z 以上，3 2 位 p c 机的时钟频率也在i g h z 以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速 打印、高速绘图设备也日臻完善。这些都为智能测试系统的快速检测提供了条 件。 6 智能化功能强 以计算机为信息处理核心的智能测试系统具有较强的智能功能，可以满足 各类用户的需要。其智能功能包括：测量选择功能，智能测试系统能够实现量 程转换、信号通道和采样方式的自动选择，使系统具有被测对象的最优化跟踪 检测能力；故障诊断功能，智能测试系统结构复杂，功能较多，系统本身的故 障诊断尤为重要，系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力， 检查各单元故障，显示故障部位、故障原因和采取的故障排除方法；其他智能 功能，智能测试系统还可以具备人机对话、自动校准、打印、绘图、通信、专 家知识查询和控制输出等智能功能。 现代科学技术的迅速发展为测试技术的进步和发展创造了条件。同时，也 不断向测试技术提出更高更新的要求。尤其是计算机技术和微电子技术的发展， 使得测试技术和仪器仪表得到了划时代的进步和发展。仪器仪表向智能化、数 字化、小型化、网络化、多功能化方向发展。近年来，由于计算机软件技术和 数据处理技术的巨大进步，微型、智能、集成传感器的迅速开发，测试技术中 数据处理能力和在线测试、实时分析的能力大大增强，仪器仪表的功能得以扩 大，精度和可靠性有了很大的提高，与传统仪器仪表大相径庭的虚拟化仪器也 以全新的面目出现【2 4 1 。 把计算机的数字处理技术与测试技术相结合，对板材厚度的一系列参数进 行在线测量，利用计算机进行试验数据分析处理进而来控制试验过程的方法， 是本课题的研究方向 25 1 。其中测试系统的总体设计是这一研究过程的前提和基 础。 3 2 总体测试设计方案及试验装置的设计 3 2 1 测试部分设计方案 本课题是在计算机测控技术的基础上结合智能仪器、p c i 端口通信技术、 1 2 面向对象的软件技术来进行板材厚度测控系统的研究，包含硬件部分和软件部 分的开发。硬件部分包括：测控系统中用于信息获取的传感器的选用以及相应 的测量机构设计，数据采集卡及反馈控制中运动控制卡的选用等。软件部分包 括：通过调用数据采集卡驱动程序读取数据信号，根据数学模型对采集的信号 进行相应的处理；整个系统的分析处理功能，数据