（机械电子工程专业论文）单机架铝带冷轧机张力式厚度自动控制系统的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 厚度自动控制( a g c ) 是铝带生产中质量控制的一个关键，本文以重庆万江铝材有 限公司的单机架铝带冷轧机为研究对象，针对该轧机在薄带材轧制过程中的张力式厚度 自动控制系统精度不高和测厚仪检测带材的出口厚度存在时间滞后问题进行了全面系统 的研究，做了如下工作： l 、根据生产中的实际数据，运用径向基函数神经网络、泛化回归径向基函数神经 网络和模糊神经网络分别建立了带材出口厚度变化和张力变化关系的神经元网络模型， 并进行了仿真研究，结果表明所建模型能较好的近似被控对象的输入输出特性。 2 、分别建立了基于泛化回归径向基函数神经网络和模糊神经网络的张力式厚度内 模控制模型。内模控制主要利用被控对象的模型和模型的逆构成控制系统，是一种基于 过程模型进行控制器设计的新型控制策略。仿真结果表明，将该模型用于张力式厚度自 动控制中，能提高带材的厚度控制精度。 3 、建立了基于径向基函数神经网络整定p i d 参数的张力式厚度控制模型。将径向 基函数神经网络与传统p i d 控制相结合，利用神经网络来在线整定p i d 控制器的参 数，可以增加系统的鲁棒性，实现高性能的控制。 4 、针对系统存在的滞后问题，选用s m i t h 预估控制算法，结合所建立的径向基函 数神经网络整定p i d 参数的张力式厚度控制模型进行仿真研究，结果表明，s m i t h 预估 控制算法能较好的解决系统的滞后问题。 关键词：张力式厚度自动控制，内模控制，神经网络，p i d 控制，s m i t h 预估控制 北京科技大学硕士学位论文 s t u d y o ft e n s i o n a la u t o m a t i cg a g ec o n t r o lf o rs i n g l e - s t a n d a l u m i n u m s t r i pc o l dm i l l a u t o m a t i cg a g ec o n t r o l ( a g c ) i sak e yi nt h eq u a l i t yc o n t r o lo f a l u m i n u ms t r i p 珥l l l 抵 1 1 圮s t u d yo b j e c to f t h i sp a p e r i ss i n g l e - r a n da l 啪i n ms 啷c o l dm i l lo f c h o n g q i n gw a n j i a n g a l u m i n m nc o l t d n 蟛p a p e rd o e sa l l - m e n da n d 野j s t e m a f i cr e s e a r c ho nt h ep r o b l e mt h a tw h y t h er o l l i n gm i l lh a sal o w e rp r e c i s i o no i lt e n s i o n a li b l t o m a 虹cg a g ec o n t r o li nt h ep r o c e s so f r o l l i n gt h i ns t r i pa n dh o w t or e s o l v et h et i m ed e l a yw h e nd e t e c t i n gt h ee x i tt h i c k n e s so fs t r i p a n di ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 w i t ha c t u a lp r o d u c t i o nd a t a , t h em o d e l so ft h i c k n e s sa n dt e n s i o nh a v eb e e n 鳅l l p b y a p p l y i n gr b f n e l r a in e t w o l ：l 【, g r - r b fn e 舶f f a ln e t w o r ka n d 岫n e u r a ln e t w o r k r e s p e c t i v e l y 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s em o d e l sc m l 删t h ec h a r a c t e r i s t i co f i n p u ta n do i r p t l t p r e f e r a b l e 2 1 1 t e n s i o n a li n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls y s t e mm o d e l sh a v eb e e ns e c 叩b a s e do ng r - r b f n e t w d n e t w o r ka n df u z z yn e u r a ln e t w o r kr e s p e c t i v e l y i n t e m a lm o d e lc o n t r o lu s 嚣t h em o d e lo f c o n t r o l l e do b j e c ta n dt h ei n v e r s em o d e lo f t h a tt of o u n dc o n t r o ls y s t e m , w h i c hi sa n e wm e t h o d b a s e do nt h ep r o c e s sm o d e lt od e s i g nc o n t r o l l e r ms i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s em o d e l s 伽li m p r o v et h et h i c k n e s sp r e c i s i o na n dt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ev a l i d 3 1 1 m a t h e m a t i cm o d e lo ft h i c k n e s sp i dc o n t r o l l 口b a s e do nr b fn 口 a ln e t w o r kh a s b e e nf o u n d e d b yr b fn e u i a ln e t w o r kt h ep a r a m e t e r so ft h et h i c k n e s sp i dc o n t r o l l e rc a nb e m o d i f i e dt og e tp r o p e rv a l u ea n da l s ot h ec o n t r o l l e rh a sa d a p t a b i l i t ya n dl o b i l 鲥l 硷s st o e n v i r o n m e n t s 4 t or e s o l v et h ep r o b l e mo ft i m ed e l a yi na u t o m a t i cg a g ec o n t r o ls y s t e m , t h i sp a p e r a p p l i e dt h es m i t hp r e d i c a t i v ec o n t r o la l g o r i t h ma n ds i m u l i n k e dw i t ht h et e n s i o n a lm o d e lt h a t h a sb e e nb u i l ta b o v e t h er e s u l ts h o w st h a ts m i t hp r e d i c a t o rc o n 缸】o lc m lo v e r c o m ep u r et i m e d e l a y k e yw o r d s ：t e n s i o n a la u t o m a t i cg a g ec o n t r o l , h t 蛐蚰m o d e lc o n t r o l , n e u r a l n e t w o r k , p i dc o n t r o l , s m i t hp r e d i c a t o rc o n t r 0 1 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：孝盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 生壑导师签名：进日期：丝丑! ：! f 北京科技大学硕士学位论文 引言 由于铝具有一系列优异特性，其发展速度非常快，铝材已广泛用于交通运输、建筑 装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生等行业，成为 发展国民经济与提高人民物质文化生活水平的重要基础材料。 2 0 0 6 年中国的原铝产量达8 4 0 万吨，年，居世界第一，铝材产、销量逾4 0 0 万吨， 年，居世界第二，而且产、销量正以比世界平均年增长率大的多的速度增长，中国已成 为名副其实的铝业大国【1 1 。但是，目前我国冷轧铝带在产品质量、工艺技术装备、技术 经济指标以及经营管理方面与国际先进水平相比，仍有较大差距，远远不能满足国民经 济发展的要求。因此，研究带材的轧制过程，提高产品质量和档次，增加国产带材的竞 争力，适应和促进国民经济的发展和要求，具有非常重大的意义。 带材是金属在轧辊作用下经过一系列变形过程而形成的，它受到了金属本身的特性 和轧制条件的影响，因此是一个多变量、强耦合、非线性和时变性的复杂系统，而且由 于它是一个高速连续的自动化过程，使其成为控制的难点。带材厚度精度作为冷轧带材 质量的主要衡量指标之一，直接关系到产品质量和经济效益。目前，已经开发和发展了 多种厚度自动控制( a c - c ) 系统，如测厚仪直接反馈a g c 、压力a g c 、前馈a g c 、 秒流量a g c 等。上述厚度控制方法在中厚带材轧制过程中已经达到了较满意的效果， 但在冷精轧薄带材过程中，轧辊辊缝实际上是压紧的，又称为无辊缝或负辊缝轧制。在 这种情况下，上述方法效果很不理想，此时厚控主要靠调节带材的前后张力、轧制速度 和润滑剂等来实现，但是，目前还不能完全从理论上建立一种普遍适用的数学模型，在 生产实际中主要依靠操作工的实践经验来进行厚度控制，降低了生产效率，影响了产品 质量。 本课题以重庆万江铝材有限公司的单机架铝带冷轧机为研究对象，对冷精轧薄带材 生产过程中的张力式厚度控制系统和系统滞后问题进行了研究。本文共分六章进行阐 述，第一章通过对大量文献进行归纳总结，介绍了目前国内外厚度自动控制的发展现状 和水平；第二章介绍了厚度自动控制的基本理论，包括厚度自动控制的概念、影响带材 厚度波动的原因、轧制过程的基本方程和厚度自动控制的几种形式；第三章对重庆万江 铝材有限公司的铝带轧机现有厚度控制系统进行了全面分析，总结了系统中存在的不 足；第四章根据现场采集的大量生产实际数据，建立了带材出口厚度变化和张力变化关 系的模型，提出了基于泛化回归径向基函数神经网络和模糊神经网络的张力式厚度内模 控制算法，并进行了仿真研究；第五章将径向基函数神经网络与传统p 1 d 控制相结合， 北京科技大学硕士学位论文 提出了基于径向基函数神经网络整定p i d 参数的张力式厚度自动控制算法，并进行仿真 研究；第六章介绍了目前解决纯滞后问题的常用控制方法，并选用s m i t h 预估控制算 法，结合所提出的张力式厚度控制模型进行仿真研究。 北京科技大学硕士学位论文 1 1 厚度自动控制综述 厚度精度是带材产品最主要的质量指标，厚度精度又分为带材纵向厚度精度和横向 厚度精度。在轧制过程中，带材的纵向厚度精度由厚度自动控制系统( 简称a g c 系 统) 来保证，其目的是为了获得带材纵向厚度的均匀性。 目前，厚度自动控制系统已成为现代化带材生产中不可缺少的组成部分，已开发和 发展了多种厚度自动控制系统。a g c 的形式和种类繁多，按一般调节系统的分类方 法，可分为前馈式厚度自动控制和反馈式厚度自动控制。前馈a g c 是根据轧件轧制前 所测得的来料厚度偏差来调节。反馈a g c 是根据轧制之后的带材厚度偏差来调节。带 材厚度测量方法有直接用测厚仪测量和间接测厚两类。问接测厚方式有压力测厚、张力 测厚和速度测厚多种方式。调节方式有调节轧辊辊缝，调节轧制速度及改变张力设定值 等。因此，出现反馈式a g - c 、前馈式a g c 、厚度计式a g c 、张力a g c 、变刚度 a g c 、流量a c - c 等多种a g c 控制系统。随着计算机性价比的不断提高，计算机己取 代控制系统中的调节器，形成检钡卜计算机传动装置的直接数字控制( d d c ) 系统 目前，冷轧普遍采用全液压a c - c 系统，其响应速度大幅度提高，厚度控制所需要时间 大为缩短，控制精度进一步提高。 近年来，随着现代控制理论及智能控制理论与技术的迅速发展，许多研究者己开始 研究如何把这些理论应用于轧制过程，进行厚度控制。文献【2 】提出了基于r b f 神经网 络的p i d 控制器与s m i t h 预估器相结合的智能p i d 控制系统，仿真结果表明，系统收敛 速度明显加快，适应能力和鲁棒性比常规p i d 控制要好；文献 3 】提出基于免疫调节的 共生进化算法( m s e ) 的神经网络优化设计方法，融入了免疫调节原理中的浓度抑制 调节机制以保持个体的多样性，仿真实验表明，该方法能很好地适应复杂环境，并具有 较好的收敛性和较强的抗扰性；文献【4 】将神经网络模糊智能方法用于厚度自动控制中， 仿真证明了神经网络模糊控制精度优于常规方法；文献【5 】提出以模糊控制的厚度计 a g c 方案，引入了鲁棒控制的思路，仿真效果非常理想；文献 6 】提出了种基于神经 网络的自适应厚度自动控制方案，仿真结果表明，此系统具有良好的自适应跟随和抗干 扰性能；文献 刁在冷连轧中应用子空间模型辨识和鲁棒饲服控铝理论。提高了a g c 性 能，系统具有鲁棒稳定性和较好的跟随性。 由此可见，采用现代控制方法( 如多变量控制、最优控制、自适应控制、内模控 北京科技大学硕士学位论文 制、预测控制等) 和智能控制方法( 如模糊控制、专家系统、神经网络等方法) 相结合 的手段，己成为板厚控制的发展趋势。 1 2 智能技术用于厚度自动控制的必要陛 智能技术是二十一世纪的技术，经过近几十年的努力，神经网络、模糊逻辑、进化 计算、混沌与量子计算、自适应、自组织、混合系统等已成为这门新兴交叉学科的基本 内容，目前智能技术正在加速发展，而建立在传统工艺和自动化技术基础之上的轧制工 业正在经受考验，因而从某种意义上讲，传统技术正在限制轧制工业向更高层次发展。 因此，面对轧制工业的严峻形势，必须降低能耗，节约原材料，提高产品的科技含量， 而智能技术的成功应用正是解决这种挑战的最成功方法。 现有a g e 系统存在一定的问题，要继续提高控制精度是比较困难的，而智能技术 是解决a g e 系统控制精度和轧制过程不确定的较成功的技术。利用智能技术研制a g e 系统的优点有： ( 1 ) 确定控制模型参数 利用人工神经元网络，确定各模型参数对控制模型的影响程度，通过离线或在线的 训练学习，就可以给出控制参数。 ( 2 ) 提高控制模型精度 利用人工神经元网络技术，通过一段时间历史数据的存贮，我们可以利用神经元网 络技术对模型进行校正，同时也可以抵消生产过程的不确定信息，提高模型精度。 ( 3 ) 提高a g e 系统的适应能力 智能技术中无论专家系统、神经元网络、模糊系统等都具有很好的鲁棒性，更能适 应变化着的实际情况，从而提高a g c 系统的适应能力 ( 4 ) 减少系统的调试时问 现场的调试主要在于模型参数的摸索和系统的整定。利用智能技术，人们只需要粗 略的给出参数对控制的影响程度，其余的工作由其自学习功能来完成，不断提高控制精 度，从而减少了模型参数的摸索时间和系统的调试时间。 1 3 人工神经元网络及其在轧制过程中的应用 神经元网络控制的基本思想是从仿生学角度，模拟人脑神经系统的运作方式，使机 器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。它将控制系统看成是由输入到输出的一个映 射，利用神经网络的学习能力和适应能力实现系统的映射特性，从而完成对系统的建模 和控制，它使模型和控制的概念更加一般化。理论上讲，基于神经网络的控制系统具有 北京科技大学硕七学位论文 一定的学习能力，能够更好的适应环境和系统特性的变化，非常适合于复杂系统的建模 和控制。特别是当系统存在不确定因素时，更体现了神经网络的优越性。神经网络在控 制领域受到重视主要归功于它的非线性映射能力、自学习适应能力、自我组织能力、联 想记忆能力、并行信息处理方式、分布存储、可变结构及其优良的容错性能等。 在金属轧制过程中，仅依靠一些传统的自动控制方法已经远远不能满足实际需要， 人工神经元网络以其在建模、优化和控制等方面所具有的强大功能，正受到了越来越广 泛的重视。目前，国内外神经网络技术已成功应用于：冷轧轧制力预测嘲；德国 d a j m j c r - b e n z 公司用神经网络建模，并用于厚度自动控制【9 】中；神经网络的解耦控制在 板带钢生产过程中的应用【删；基于自适应模糊神经系统的热轧精轧机组动态设赳】等 等，并取得了较为满意的成果。 1 4 模糊控制及其在轧制过程中的应用 模糊控制是利用模糊逻辑能用自然语言描述人的经验这特点，将系统信息经过模 糊化处理，通过模糊关系的推理合成，产生相应的模期决策。在应用中，模糊控制是以 人对被控系统的控制经验来设计控制器的，故特别适合于那些难以建模或无法建模的被 控对象。典型的模糊控制系统由三模块结构构成：模糊化、模糊规则合成推理和模糊判 决。其核心是以自然语言表示的控制规则，易为人们所接受，且构造容易，鲁棒性强。 目前，国内外模糊控制技术已成功应用于：系统建模、系统预测、模式识别、故障 诊断、过程优化和动态过程控制等等，并取得了较为满意的成果。 1 5 课题的背景和意义 我国已成为名副其实的铝业大国，铝材的产、销量远高于世界平均年增长率，同 时，随着现代化技术的迅速发展，对铝带的品种、规格、质量和产量的要求越来越高， 厚度自动控制已经成为铝带生产中质量控制的一个关键。但是，目前我国冷轧铝带在产 品质量、工艺技术装备、技术经济指标以及经营管理方面与国际先进水平相比，仍有较 大差距，不能满足国民经济发展的要求，尤其是冷精轧薄带材过程中，轧辊辊缝实际上 是压紧的，传统的厚度控制方法很不理想，在生产实际中主要依靠操作工的实践经验来 进行厚度控制，降低了生产效率，影响了产品质量。因此，研究带材的轧制过程，应用 现代控制策略和智能控制等手段建立厚度自动控制系统，提高产品质量和档次，增加国 产带材的竞争力，适应和促进国民经济的发展和要求，具有重大的意义。 本文以重庆万江铝材有限公司的单机架铝带冷轧机为研究对象，对厚度自动控制系 统进行了分析，总结了系统中存在的不足，针对该轧机在薄带材轧制过程中的张力式厚 5 北京科技大学硕士学位论文 度自动控制精度不高和测厚仪检测带材的出口厚度存在时问滞后问题进行了系统的研 究。 北京科技大学硕士学位论文 2 厚度自动控制理论基础 2 1 厚度自动控制的概念 厚度自动控制系统是通过测厚仪或传感器，对带材实际轧出厚度连续地进行测量， 并根据实测值与给定值的偏差，借助于控制回路或计算机的功能程序，改变压下位置、 张力或轧制速度，把厚度控制在允许范围内的自动控制系统，简称a g c ( a m o n m f i c c , a g ec o n t r 0 1 ) 系绀伪。 2 2 影响带材厚度波动的因素 带材轧制是一个复杂的多变量非线性的控制过程，引起带材厚度偏差的原因很多， 概括起来主要旮1 3 1 1 4 l ： ( 1 ) 带材原料厚度的偏差。作为冷轧带材原料的热轧带材卷的厚度，因种种原因 会发生波动，因此在冷轧中带材的入口厚度会有一定的偏差，可采用前馈方式来解决。 ( 2 ) 轧机本身引起辊缝的变化。辊缝的变化，是指压下系统未动，而实际辊缝改 变了，从而使冷轧成品带材厚度产生了波动。使辊缝发生变化的干扰有： 轧辊偏心。轧辊偏心可归纳为两种类型，一种是由辊身和辊颈的不同轴度误差所 产生的偏差；另一种是由辊身的椭圆度( 不圆度) 引起的偏差。轧辊偏心的干扰，使实 际辊缝发生高频周期的变化，从而造成成品带材厚度的波动。 轧辊磨损。在轧制过程中，轧辊发生磨损，使轧辊辊缝发生缓慢变化。 轧辊和轧机部件的热膨胀。在轧制过程中，由于轧辊和机架的温升以及相互摩 擦，使轧辊和轧机部件产生热膨胀，从而使辊缝发生缓慢变化，引起带材厚度的变化。 ( 3 ) 轧制条件变化的影响。主要是速度和张力变化的影响： ( 隧度变化的影响。轧制过程中，速度的变化主要是通过变形区中摩擦系数与支撑 辊油膜轴承油膜厚度的变化来影响带材轧出厚度的精度的。现代带材冷轧机支撑辊一般 采用油膜轴承，该轴承的油膜厚度是速度和轧制压力的函数。在轧制压力不变的条件 下，轴承的油膜厚度随着轧制速度的变化而变化。速度升高，油膜变厚，辊缝减小，带 材减薄；反之，带材增厚。 另外，带材头、尾及中部过焊缝时的加、减速，均会引起带材段或局部增厚。 张力变化的影响。张力主要是通过影响应力状态、改变轧件变形抗力来引起带材 厚度变化的，即通过改变轧件塑性曲线的斜率来实现的。现代带材冷轧采用较大张力轧 制，并常采用调节带材张力作为厚度控制的重要手段。 7 北京科技大学硕士学位论文 还有，带材头、尾部由于穿带和甩尾所形成的“失张”阶段，致使带材头、尾产生 了阶梯型的厚差。 ( 4 ) 厚度控制系统中其它因素的影响 电气及自动过程控制方面的因素有模型精度、计算误差、响应时间、采样时间、 传递函数、稳定时间、系统频率等。 测量设备方面的因素有精度、时间、重复性、坚固耐用性等。 在实际轧制过程中，影响带材厚度精度的上述各种因素不是孤立的，往往是同时起 作用。因此，在带材冷轧机的厚度自动控制系统中应综合考虑诸因素的影响。 2 3 轧制过程的基本方程 2 3 1 弹性变形方程及轧机弹性曲线 在轧制生产中，轧辊和轧件的相互作用是通过轧制压力p 实现的。轧辊对轧件施加 某一数量的轧制压力p 使之产生塑性变形，使轧件的厚度变薄。同时，轧件又给轧辊以 大小相同、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( 包括牌坊、轴承系统、压下系统等) 产生一定量的弹性变形。而这些零部件 的弹性变形值总的反映在轧辊辊缝上，使辊缝增大，称之为弹跳或辊跳【1 3 i 阍。 轧机弹跳量一般可达2 5 m m 。对于开坯机或开坯道次来说，由于每道次压下量大 ( 往往达到几十毫米以上) ，通常不考虑轧机的弹跳量。但对于热、冷轧薄板来说，由 于压下量仅为几个毫米甚至小于l m m ，轧机的弹跳量与压下量属于同一个数量级，甚至 弹跳量往往可能超过板带材的设定厚度。因此，必须考虑弹跳值对辊缝的影响。 弹性变形方程为： a s ：生量：竺 kk ( 2 1 ) 式中： s 一机座弹性变形值( 弹跳值) ，n l f l l ； 晶一预压靠力，n ； p 一轧制压力，n ； k - # l 机总刚度系数，n r a m 。 表示轧机弹性变形与轧制压力之间的关系曲线称为轧机的弹性曲线，亦称机座弹性 变形特性，如图2 1 所示，其中l 为理论弹性曲线，2 为实际弹性曲线。由式( 2 1 ) 和 北京科技大学硕士学位论文 图2 1 可以看出。轧制压力越大，则轧机的弹跳值s 越大；在同一轧制压力p 下，轧 机刚度系数髟越大，弹跳值a s 就越小。 z 屯 r 出 暴 菥 d 图2 1 轧机弹性曲线 上述的弹性变形方程及弹性曲线均是理想的情况，实际上是有偏差的。其偏差在于 实际弹性曲线的起始段不是直线而是曲线，只有当轧制压力增大到一定值时，压力和变 形才近似呈直线关系。 z - 钆 r 日皇 器 d一一 丛一9 j 缝。 。 扳厚h ， 蛾 一 图2 2 理论弹性曲线与实际弹性曲线的重合 9 北京科技大学硕士学位论文 在实际生产中，轧机大多工作在弹性曲线的直线段范围内，而实际和理想的弹性曲 线在直线段具有相同的斜率。因此，它们具有图2 2 所示的几何关系，即把理想曲线右 移丛，则两条曲线在直线段完全重合，所不同的是轧辊的零点不同实际弹性曲线其 轧辊零位为d 点，而理论弹性曲线则为d 点。由于轧辊的零位点不同，因此两条曲线 表现出来的弹性变形值也不相同。当轧制力为尸时，按理论曲线表示的弹跳值为s ， 比实际的弹跳值少了盥，即= + ，但轧件出口厚度是不变的。 由于实际弹性曲线的起始段为一不稳定的非线性区，每次换辊后间隙鲻7 都有所变 化，特别是压力接近于零的变形很难精确确定。因此，轧辊的真正零位点是找不到的。 在实际操作时，为了消除弹性曲线非直线段的影响，往往采用人工零位的方法来控制， 即在轧制前，先将轧辊预压靠到一定的压力矗，并将此时的轧辊辊缝指示盘读数设为零 位( 称为人工零位) ，然后抬起轧辊，计算轧辊的辊缝值，把轧辊零位点左边定为辊缝 区，右边定为弹性变形区域。 2 3 2 弹跳方程 根据弹跳现象，可以写出如下关系式： | i l = s o - i - s 将式( 2 1 ) 带入上式，得 | i = 瓯+ 1 p - r e o ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中： 瓯一空载辊缝，砌； j i 一轧件出口厚度，姗。 式( 2 3 ) 即为弹跳方程式1 1 3 l 。该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。 2 3 3 塑性变形方程及轧件塑性曲线 塑性体受到外力作用后，首先产生弹性变形，当外力继续增加到其某一极限时，开 始弹性变形过渡到塑性变形，随着外力的继续增大，塑性变形也继续增加。普遍情况下 物体由弹性变形过渡到塑性变形的条件，通常称之为塑性方程式”6 1 1 7 1 ，即： 北京科技大学硕士学位论文 ( 吼一c r 2 ) 2 + ( 盯2 一吧) 2 + ( 吧一盯i ) 2 = 2 a 2 ( 2 4 ) 式中： 矾垂直方向上的主应力，m p a ； 盯，一中间主应力，m p a ； 仃，一水平方向上的主应力，m p a ； 口金属变形阻力，m p a 。 塑性方程以曲线代表，则称之为塑性曲鲥哪阍，见图2 3 所示。通常情况下，采用 很小或很大压下量轧制的时候很少，故轧件塑性变形曲线在工作段内基本上是线性的， 可近似用直线来表示，轧件塑性系数m 可近似为直线的斜率一般来说，变形抗力和 摩擦系数越大、张力越小时，塑性系数越大，塑性曲线越陡，轧件越硬，变形越难；否 则，反之。 z 钆 畏 幽 器 霹 p d一一、一 h 。a h 。 一 日 一 板厚h ，口 图2 3 轧件塑性曲线 2 3 4 弹塑曲线 轧制过程是轧件和轧机相互作用的过程，轧件受到轧制力的作用产生了塑性变形， 轧机工作机座受到轧制力的作用产生了弹性变形。将弹性曲线和塑性曲线画在同一坐标 上，便得到弹塑性曲绑瑚，简称p h 图，如图2 4 所示。其中i 为弹性曲线，2 为塑性 曲线。 北京科技大学硕士学位论文 z 钆 r 田 纂 * p d 图2 a 弹塑曲线( p - h 图) 由图2 4 所示的p h 图可知，当轧制压力为p 时，则弹性曲线与塑性曲线交点a 的横坐标即为轧件的出口厚度h ，其值为： h = 瓯+ a s = h a j i ( 2 5 ) 式中： a h 一机架轧机的绝对压下量，i b m ： 日一轧件的入口厚度，m n l 。 由此可见，在p - - h 图的横坐标上表示了空载辊缝值& 、轧件出1 = 1 厚度h 、机座 弹跳值s 以及轧件的入口厚度日和绝对压下量j l 。它以图解的方式，直观地表达了 轧制过程的各种关系，是分析带材厚度偏差与厚度自动控制问题的一个重要工具。 2 4 厚度自动控制的基本原理 常用的厚度控制方式有调整压下、调整张力和调整轧制速度，其原理可通过p h 图来分析。 ( 1 ) 调整压下。它通过改变辊缝的大小来消除各种因素的变化对带材厚度的影 响，是厚度控制的最主要方法。 图( 2 5 ) 是为消除来料带材厚度变化影响的厚控原理图。当来料厚度为时，弹 跳曲线为彳，塑性曲线为口，轧后轧件厚度为h 。如果来料厚度有一个增量日，则塑 北京科技大学硕士学位论文 性曲线由矗移到，轧后轧件厚度j i i 就会有一个增量j i 。为消除这一偏差，调节压下 量，使空载辊缝品减小一个调整量& ，弹跳曲线由a 变为4 ，彳与交点的横坐标 为h ，即轧后轧件的厚度不变。 2 a _ 穴 酗 磊 * 0 z 钆 r 幽 磊 辞 a b ， ，灏、 ，7 h ij 叭、h 一 斗桦倒赢 h ，m i l l 图2 5 调整压下厚控原理图( 消除来料厚度变化的影响) d蛰琳蠢 h ，m i l l 图2 6 调整压下厚控原理图( 消除张力、摩擦系数和变形抗力变化的影响) 北京科技大学硕士学位论文 图( 2 6 ) 是为消除张力、摩擦系数和变形抗力变化影响的厚控原理图。当由这些 因素的影响使塑性曲线由口移到口轧后轧件厚度h 就会有一个增量j l 。为消除这一 偏差，调节压下量，使空载辊缝晶减小一个调整量& ，弹跳曲线由一变为，与 交点的横坐标为h ，轧后轧件的厚度恢复到| | i 。 ( 2 ) 调整张力。如图2 7 所示，当来料厚度日有一个增量a h 时，轧后轧件厚度h 就会有一个增量j l 。在空载辊缝不变的情况下，通过加大张力，使塑性曲线的斜率发 生变化，由曲线变为，从而消除厚度偏差j i ，使轧后轧件的厚度i l 保持不变。 z 钆 r 幽 磊 霹 0 b b ，彳 、 一i j f ，j 心、， 以：旷 剖4 p 蚓赫 图2 7 调整张力厚控原理图 h ，m m ( 3 ) 调整轧制速度。调整轧制速度可以起到调整轧制温度、张力和摩擦系数的作 用，从而改变塑性曲线的斜率，达到厚度控制的目的。调速厚控原理与张力厚控原理类 似。 一个厚度自动控制系统应由以下环节组成【1 3 1 1 町： ( 1 ) 实际厚度的检测部分。厚度控制系统能否精确的进行控制，首先取决于一次 信号的检测，方法有直接和问接两种。直接测量法是通过测厚仪对带材厚度连续进行测 量，并输出其测量值与设定值之偏差信号。问接测量是测出轧制力和空载辊缝后，通过 弹跳方程间接计算出轧件厚度。 ( 2 ) 厚度自动控制装置。它是a g c 系统的核心部分，其作用是将测量的厚度偏差 信号进行放大，计算和转换并输出控制信号给执行机构。控制器的功能可由模拟线路来 完成，也可由计算机的软件来实现。 北京科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 执行机构。根据控制信号对带材厚度进行直接控制的机构。如通过压下电动 机带动压下螺丝或液压传动装置调整压下位置，或通过主传动电动机改变轧制速度，通 过调节开卷机或卷取机电流调节带材张力来进行厚度控制。 a g c 系统的执行机构包括传动设备和轧机。其传动设备可采用电气传动，也可采 用液压传动。由于液压传动惯性小、反映快，更能适应厚度自动控制的要求【1 9 1 2 0 。因 此，一般采用液压传动设备。 2 5 厚度自动控制的几种形式 根据轧制过程中对厚度的调节方式不同，一般可分为：厚度计式、张力式、速度式 等厚度自动控制系统；按照控制原理分为：反馈式、前馈式、复合式。 2 5 1 用测厚仪的反馈式厚度自动控制系统 用测厚仪的反馈式厚度自动控制系统是一种用测厚仪直接测量带材厚度的反馈式 a g d 3 i 嘲。带材从轧机轧出后，通过轧机后面测厚仪测出实际轧出厚度h ，并与给定厚 度值相比较，得到厚度偏差j l = _ j i h o ，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为 零；否则出现厚度偏差，这时便将它反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节量的控 制信号，输出给压下电机带动压下螺丝作相应的调节，以消除厚度偏差。图2 8 是用测 厚仪的反馈式厚度自动控制系统的框图。 图2 8 反馈式厚度自动控制系统 测厚仪反馈式a g c 的控制算法为： 北京科技大学硕士学位论文 蟠= 丝舳= ( - + 警) 曲k 1 x ( 2 6 ) 直接测厚反馈式a g c 系统测量精度较高，主要缺点是存在时日j 滞后问题。由于考 虑轧机结构的限制、测厚仪的维护以及防止带材断裂而损坏测厚仪，因此将测厚仪安装 在距离轧辊中心线较远的地方，一般为7 5 0 2 1 0 0 m m 。所以，当检测点检出厚度偏差 值经过反馈到调整时，有一定的时间滞后，如果带材轧制速度较高，与系统其它滞后时 间相比，这个值可以忽略不计；但在轧制速度较低时，这个滞后是可观的，使a g c 系 统的动态响应性能变差。 2 5 2 厚度计式厚度自动控制系统( 压力a g c ) 在轧制过程中，任何时刻的轧制力p 和空载辊缝瓯都可以检测到，因此，可用弹 跳方程h = s o + p k 计算出任何时刻的轧出厚度h 。在此种情况下，等于把整个机架作 为测量厚度的“厚度计”，这种间接检测厚度的方法称为厚度计方法( 简称g m ) 1 s l 。 根据轧制力算出厚度与设定厚度的偏差进行厚度自动控制的系统称为g m a g c 或p - a g e 。按此种方法测得的厚差进行本机架厚度自动控制，可以克服出口辊道的传递时间 滞后。为了消除厚度偏差j i ，所必需的辊缝移动量丛仍按式( 2 6 ) 来确定。 计算机部分 图2 9 压力厚度计式的厚度自动控制闭环系统 北京科技人学硕士学位论文 图2 9 为压力厚度计闭环控制系统，图中m 表示电机，l c 表示压头。其中辊缝值 由辊缝仪检测，经自整角机将信号送给编码器，由编码器将模拟量转变为数字量，通过 计算机进行辊缝差的运算。实际的轧制压力由压力头l c 检测，经计算得到弹跳值 ( t o , i c ) 。然后再将辊缝瓯与弹跳值相加便预报轧出厚度| i i ，将其与设定厚度比 较，得到厚度偏差j i 。再经a g c 运算( + 足) k ) 得到消除厚差j | i 所需的辊缝调节 量岱，通过a p c 和可控硅压下系统，调节辊缝s ，最终使j i 为零。 这种以弹跳方程为基础的g m - a g - c 是带材厚度自动控制的基础，能在变形区出口 处估计轧件厚度，快速性好，系统结构简单。目前在各种轧机上都有广泛的应用，但 是，g m - a g c 存在以下主要的缺点，这也是限制它在高精度轧机上成功应用的原因： ( 1 ) 辊系的数学模型复杂而且高度非线性，轧机模数很难准确知道，必须在每个 静态和动态轧制过程中不断修正。 ( 2 ) g m - a g c 不可能精确地测出轧件出口厚度，估计的精度决定于计算模型和方 程中系数的准确程度。 ( 3 ) g m - a g c 对辊缝波动引起的误差有扩大作用，实际应用中需要对引起辊缝波 动的因素如轧辊偏心，热膨胀、轴承油膜厚度等进行补偿。然而这些因素的数学模型又 很难准确知道，限制了g m a g c 的精度。 ( 4 ) 压力传感器存在精度误差，这也是g m - a g c 误差产生的原因之一。 2 5 f 3 前馈式厚度自动控制系统( 限a g c ) 图2 1 0 前馈式厚度自动控制系统 北京科技大学硕士学位论文 前馈式a g - c 系统框图如图2 1 0 所示。它不是根据本机架实际轧出厚度的偏差来进 行厚度控制，而是带材未进入本机架之前，用测厚仪或以前一机架压力作为“厚度 计”，测量出或计算出其入口厚度凰并与给定的坯料厚度值风相比较，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j l ，从而确定为消除偏差j i 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心所需的时间，提前 对本机架进行厚度控制，使得厚度的控制点正好就是前面a h 的检测点，以消除可能产 生的厚度偏差。正由于它是从前面得到信号实现开环厚度自动控制，所以称为前馈 a g c 或预控a g e 。 前馈的控制算法为： 蟠：堕峨 k ( 2 7 ) 前馈式厚度控制在时间上优越，不存在延迟，适合于各种形式的轧机，而且结构简 单，投资少。但是，它是属于开环控制系统，不能保证厚度控制精度，一般是将前馈式 与反馈式厚度控制系统结合使用。 2 5 4 张力式厚度自动控制系统 张力的变化可以显著改变轧制压力，从而能改变轧出厚度。改变张力与改变压下位 置控制厚度相比，前者因惯性小，反应快，并易于稳定，在成品机架，由于轧件的塑性 刚度很大，靠调节辊缝进行厚度控制，效果往往很差，为了进一步提高成品带材的精 度，所以常采用张力a g e 进行厚度微调。 张力a g e 是根据精轧机组出口侧x 射线测厚仪测出的厚度偏差，来微调机架之间 带材上的张力。借此消除厚度偏差的厚度自动控制系统。张力微调可以通过两个途径来 完成：一是调节精* l o t 的速度，改变张力；另一办法是调节活套机构的给定转矩，其控 制结构如图2 1 l 所示，图中g m 表示厚度计控制，s v 表示压下微调控制器，t v 表示 张力微调控制器，t h 表示位置传感器，l c 表示压头，s d - s r 表示速度调节器，m 表 示主电机，m l 表示压下电机，m 2 表示活套支撑器电机。由x 射线测厚仪测出带材的厚 度偏差之后，通过张力调节器t v ，经开关k l 和k 3 ，依k 3 的不同位置将控制信号分别 传输给电动机的速度调节器或活套张力调节器。 张力a g c 的控制原理是利用调节前后张力改变轧件塑性曲线的斜率来对带材厚度 进行控制，张力与厚度的关系如图2 1 2 所示。 北京科技大学硕士学位论文 z 钆 r 出 磊 霹 p p d 图2 1 1 张力a g c 控制框图 i 二粼7 n n 剖帕倒赢 图2 1 2 张力与厚度的关系 由图2 1 2 所示，当来料厚度为。时，作用在轧机上的张力为瓦，塑性曲线为蜀， 1 9 _ 北京科技大学硕士学位论文 工作点4 对应的厚度为| | i ，压力为p 当来料厚度有波动时， - t o 变为，张力e h 瓦 变为r ，t r o ，使塑性曲线的状态由岛变为马，工作点又6 点拉回口点，从而可以在 辊缝& 不变的情况下，使轧出厚度保持在所要求的范围内。 张力所引起的厚度的变化。可以用弹跳方程与压力方程的增量形式来表达： a p = 茁( 一心) a p ：翌j i + 翌r 历砑 式中： a p 一压力增量，n 。 联解式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 得： “2 趸k 丛+ 鑫r 渤6 h 当辊缝保持不变，即s = 0 时，则： 印 竺：塑 a t k 一堡 8 h ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 就是张力a c - c 控制系统的控制方程，式中的, 驴6 r 为张力对轧制压力 的影响系数。采用张力控制厚度，可以使轧制压力p 不变，因此可以保持板形不变。一 般，张力法只用于调节小厚差的情况，用于精调，或者用于某种原因不能用辊缝作为调 节量的时候。 2 5 5 流量式厚度自动控制系统 流量a c _ , c 的基本数学模型是秒体积流量恒定方程，所谓秒体积流量恒定就是单位 时间流入机架入口和流出机架出口的轧件体积相等，即 北京科技大学硕士学位论文 b y e h = b y 。h ( 2 1 2 ) 式中： 见机架入n c l t 牛宽度，r 衄； 口。一出口轧件宽度，撇i ； e 一入1 ：3 轧件速度，m s ； r 一出口轧件速度，m s 。 由于在轧制过程中，带材宽度变化很小，可以近似认为玩= 皿，所以式( 2 1 2 ) 可写为： 匕日= v , h 式( 2 1 3 ) 为常用的秒体积流量恒定方程，简称秒流量方程。 由式( 2 1 3 ) 得： | i ：兰日 匕 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 可见，只要能直接检测机架入口、出口的带材速度和入口的带材厚度。即可以间接 测得机架出口厚度h 。并与给定厚度值h 。相比较，得到厚度偏差6 h = h 一| 1 0 。根据该偏 差信号l j l ，流量a g c 控制器计算出消除厚差所需的辊缝调节量s ，输出给压下装置 进行辊缝的调节，从而消除带材的出口厚度偏差。用这种方法检测带材厚度而构成的 a g c 方式称为秒流量a g - c 。 秒流量a g c 系统控制精度高。适应范围广，是目前微米级a g c 中广泛使用的一 种a g c 方式。但是由式( 2 1 4 ) 可看出秒流量a g c 系统要求有精度很高的测速系统， 这是保证其高精度的关键。系统原理如图2 1 3 所示。 北京科技大学硕士学位论文 图2 1 3 流量a g c 原理图 2 6 本章小结 本章总结了带材厚度控制的基本概念和基本原理，分析了轧机的弹塑性曲线，研究 了厚差产生的原因，对反馈式a g c 、厚度计式a g c 、前馈式a g c 、张力a g c 和流量 a g c 进行了概括和分析，为进一步提高带材厚度精度提供了理论基础。 北京科技大学硕士学位论文 3 重庆万江单机架铝带冷轧机厚度自动控制系统 3 1a g c 系统的构成 重庆