（材料加工工程专业论文）轧辊偏心滤波算法及仿真研究.pdf

东北大学硕士学位论摘要 摘要 随着自动化技术的不断进步，如何实现高精度板材厚控的问题已经越来越受 到企业界和学术界的关注。目前控制厚度的普遍方法是a g c ( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r 0 1 ) ，本文以某钢厂a g c 为研究背景，详细地阐述了各种a g c ( g m a g c 、 相对a g c 、绝对a g c ) 的工作原理，进而得出了a g c 是无法控制轧辊偏心所引 起的周期性厚度波动的结论。由于轧辊偏心信号( 轧制力信号或出口厚差信号) 具有近似正弦波动的周期性变化的特点，因此本文采用现代信号处理的方法 f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 来研究这一问题。本文主要完成下面几项工作： 1 ) 研究了a g c 与r e c ( r o l le c c e n t r i c i t yc o n t r 0 1 ) 的内在关系，分析了轧辊偏心的 形成原因和信号特点，以及轧辊偏心影响轧件厚度和轧制力的规律性问题。 从理论上对轧辊偏心进行了归类，为进一步辨识轧辊偏心类型提供了理论依 据。阐明了轧辊偏心信号分析系统，进而探讨了实现轧辊偏心控制的前提条 件，也就是轧辊偏心的可实现原理。 2 ) 根据轧辊偏心信号变化的特点，本文采用了现代数字信号处理手段快速 傅立叶分析法( f f t ) 来研究轧辊偏心这一问题。当采样持续时问等于信号周 期整数倍时，利用该方法不仅可以精确分析待处理信号的幅频和相频的变化 情况，而且可以精确地分析信号的各次谐波分量。该方法可以实现轧辊偏心 信号的滤波和轧辊偏心分量的检测，其优点是既检测到了偏心轧制力分量，又 保证了实时补偿轧辊偏心所造成的厚度波动。 3 ) 从数学算法上，不但深入地研究了m f f t 算法机理，而且应用c 语言实现了 该算法。当采样持续时问不等于信号周期整数倍时，利用该算法可以很有效 地实现周期性信号的分离，系统可以很好地转换成其它工程类的语言，移植 性好。 4 ) 对于频率相近的信号，本文提出用( l s ) 最小二乘法分离上下支撑辊偏心轧 制力信号，并用m a t t a b 予以仿真证明，同时应用c 语言采用高斯主对角线消 元法成功地编写了该算法和程序界面，计算出上下支撑辊偏心轧制力的幅值 和相角。 i i 东北大学硕士学住论 摘要 5 1 本文采用m a t l a b 语言工具和c 语言工具，对各种轧制力信号、厚度信号、辊 缝信号进行了频谱分析实验，利用频谱分析后的结果，既定性地分析了偏心 情况，同时又得出了偏心补偿量，从而实现了实时补偿轧辊偏心所造成的厚 度波动。 关键词轧辊偏心厚度控制快速傅立叶变换改进韵快速傅立叶变换 最小二乘法 i l l 东北大学硕士学位论 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ec o n s t a n t l yp r o g r e s s i v ea u t o m a t i o nt e c h n i q u e ，h o wt or e a l i z et h e g a u g ec o n t r o l o fh i g ha c c u r a c yb o a r db e c o m e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i v es u b j e c ti n e n t e r p r i s ec i r c l ea n da c a d e m i c c i r c l e s a tp r e s e n tt h em e t h o d st oc o n t r o lt h et i 讧o k f 掩s s p r e c i s i o na r eu n i v e r s a la g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f v a r i o u sa g c ( g m a g c ，r e l a t i v ea g c ，a b s o l u t ea g c e t c ) w a sd e t a i l e d l ye x p o u n d e d a n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea g cc a n tc o n t r o lt h ep e r i o d i ct h i c k n e s sf l u c t u a t i o no f b e i n gc a u s e db yr o l le c c e n t r i c i t yw a sd r e wb yt a k i n gc e r t a i ns t e e lf a c t o r ya g c a st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d b e c a u s et h er o l l e c c e n t r i c i t ys i g n a l s ( r o l lf o r c es i g n a la n de x i t t h i c k n e s s s i g n a l ) p o s s e s s t h e p e r i o d i c a l c h a r a c t e r i s t i co fa p p r o x i m a t es i n ew a v e f l u c t u a t i o n m o d e md i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gm e a n s f f ti s a d o p t e di no r d e rt o r e s e a r c ht h ep r o b l e m n em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 ) i n h e r e n tr e l a t i o no fa g c a n dr e c ( r o l le c c e n t r i c i t yc o n t r 0 1 ) w a se x p l o r e d t h e f o r m a t i o nr e a s o na n dt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i co fr o l l e c c e n t r i c i t yw e r ea n a l y s e d t h er e g u l a r i t yq u e s t i o nt h a tr o l lp i e c et h i c k n e s sa n dr o l lf o r c ew a si n f l u e n c e db y r o l l e c c e n t r i c i t yw a sa n a l y s e d t h es o r t s o fr o l l e c c e n t r i c i t yw e r ec l a s s f l e do n t h e o r yi no r d e rt of u r t h e rd i s t i n g u i s ht h er o l l e re c c e n t r i c i t yt op r o v i d et h e o r yr o l e s ， t h er o l le c c e n t f i c i t ys i g n a la n a l y s i ss y s t e mw a s e x p o u n d e d t h ep r e m i s ec o n d i t i o n t or e a l i z er o l l e c c e n t r i c i t y c o n t r o l ，i e t h e e x a c t l yp r i n c i p l e r e a l i z e do fr o l l e c c e n t r i c i t yw a sf u r t h e r l yi n q u i r e di n t o 2 ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fr o l l e c c e n t r i c i t y s i g n a l f l u c t u a t i o n ，m o d e m d i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s i n gm e a n s _ f f tw a sa d o p t e di no r d e rt or e s e a r c ht h i s p r o b l e m o f r o l le c c e n t r i c i t y ，t h i sm e t h o dc a n a n a l y z en o to n l yt h es i g n a lf r e q u e n c y a n d p h a s ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f t h es i g n a lb e i n gd e a lw i t ho nr e a lt i m e ，b u ta l s o a c c u r a t e l ya n l y z et h ev a r i o u sh a r m o n i cw a v ec o m p o n e n tw h e ns a m p l i n gd u r a t i o n i se q u a lt ot h ei n t e g r a lm u l t i p l eo f t h e s i g n a lp e r i o d i c i t y t h em e t h o d i so n ek i n do f i n i t i a t i v er o l le c c e n t r i c i t yc o n t r o lw a y s n l e s i g n a lf i l t e ri nr o l le c c e n t r i c i t ya n dt h e d e t e c t i o no fr o l le c c e n t r i c i t yc o m p o n e n tc a nb er e a l i z e d n em e r i to ft h em e t h o d c a nn o to n l yd e t e c tt h ec o m p o n e n to fr o l l e c c e n t r i c i t yb u ta l s og u a r a n t e et h e c o m p e n s a t i o n o ft h e p e r i o d i c t h i c k n e s sf l u c t u a t i o no fb e i n gc a u s e d b yr o l l e c c e n t r i c i t ya tr e a lt i m e 1 v 东北大学硕士学位论 a b s t r a c t 3 ) n o to n l ym f f t m e c h a n i s mf r o mm a t h e m a t i c sa l g o r i t h mw a st h o r o u g h l ys t u d i e d ， b u ta l s ot h i sa l g o r i t h mw a sr e a l i z e db ya p p l y i n gcl a n g u a g e t h i sa l g o r i t h mc a n s e p a r a t ev e r ye f f e c t i v e l yp e r i o ds i g n a lo f fc o n d i c t i o n t h a ts a m p l i n gd u r a t i o ni s u n e q u a l t ot h ei n t e g r a lm u l t i p l eo f t h es i g n a lf u n d a m e n t a l p e r i o d i c i t y t h i ss y s t e m c a nc o n v e r ti n t oo t h e re n g i n e e r i n gl a n g u a g ea n dt r a n s p l a n tp r o p e r t yi sg o o d 4 1f o r c o n t i g u o u s f r e t o e n c y s i g n a l , t h i s - a r t i c l e p u t s f o r w a r d ( l s ) 翩鼬议i 眦栅o d t h a ts e p a t a t e se c c e n t r i c i t ys i g n a lo fu p p e ra n dl o w e rb a c k u pr o l l s i tw a sp r o v e d a n ds i m u l a t e d b y m a t l a b m e a n w h i l e ，t h ea r i t h m e t i ca n d p r o c e d u r e i n t e r f a c ew e r e s u c c e s s f u l l yc o m p i l e da n da m p l i t u d e sa n dp h a s e so f r o l lf o r c eo fe c c e n t r i c i t yi n u p p e ra n dl o w e rb a c k u pr o l l sw e r ew o r k e do u tb ycl a n g u a g ea n dg a u s so w n e r d i a g o n a le l i m i n a t i o n 5 ) t h es p e c t r u ma n a l y s i se x p e r i m e n t t ot h ev a r i o u sr o l lf o r c es i g n a l ，g a u g es i g n a la n d r o l lg a ps i g n a lw a sc a r r i e do nb ym a t l a b sl a n g u a g et o o la n dc sl a n g u a g et 0 0 1 r o l le c c e n t r i c i t yw a sa n a l y s e da n de c c e n t r i c i t yc o m p e n s a t i o nr a t ew a sr e a c h e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l tb yt h es p e c t r u ma n a l y s i s t h u si tc a nc o m p e n s a t et h e p e r i o d i ct h i c k n e s sf l u c t u a t i o no f b e i n g c a u s e db yr o l le c c e n t r i c i t y k e y w o r d s ： r o l le c c e n t r i c i t ya g cf f tm f f tl s v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学术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。与我一同工作过的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确地说明并表示谢意。 本人签名：鸹蔌 日期：2 0 0 3 年7 月 东北大学硕士学位论l 引言 1 1 课题的提出及意义 1 - 1 1 课题的提出 1 引言 在板材生产中，其成品的厚度信号中一般会存在一些周期性的厚度波动信号。 这种厚度波动的原因是多方面的，主要包括轧辊偏心因素( 材质不均、形状分布 不均匀、机械装配不对中、受力不均匀等等) 、水印因素( 加热炉内等间距导轨在 钢坯表面造成的低温段) 、轧辊的热膨胀、轧辊的磨损等等。目前，轧辊偏心因素 已经成为制约获得高精度板材的主要障碍。本论文针对某轧钢厂实际存在的轧辊 偏心问题，采用现代信号处理的方法，编写出可实际应用的程序。 1 1 2 课题的意义 当今世界各国正处在由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时期，其 技术进步因素起着极其重要的作用。“以高新技术为核心，以信息电子化为手段， 提高工业产品的附加值”已经成为现代工业企业自动化重要的发展方向。 随着汽车、机械行业的不断发展，板材成为钢铁行业中重要的产品，高质量、 高精度、高成材率已经成为生产者得以生存的必要条件，用户对板材的尺寸精度 和产品质量提出了更高的要求。但是，依靠更新旧设备来提高板材的质量需要较 大的投资，因此如何在现有设备的基础上研究计算机控制的新算法，利用计算机 控制的新功能尽量提高板材的尺寸精度和产品质量成为板材生产者面i 艋的重要问 题。 轧辊偏心由于它导致轧件厚度周期性变化，而且该周期性变化的信号与其它 一些非周期性的、随机性的厚度变化信号( 如头尾温差所造成的头尾厚差信号、 轧辊转速变化使油膜轴承的油膜厚度发生变化而形成的厚差信号、活套张力的突 变而造成的台阶性厚差信号等等) 混合在一起，所以很难用传统的数学模型来描 述，因此成为厚度控制领域的一大难题。这样研究轧辊偏心的控制算法和轧辊偏 1 东北大学硕士学位论l 引言 心的计算机控制系统成为迫切地需要。 研究并设计一个切实可行的轧辊偏心计算机控制系统，首要的问题是要研究 轧辊偏心的控制算法，控制算法是整个控制系统的内核技术，是决定该控制系统 成功性的关键。本文主要从控制算法的实现和仿真角度加以研究。 1 2 轧辊偏心控制系统的发展、现状与新方向 1 , 2 1 偏心补偿方法的发展 轧辊偏心控制的方法与理论起源于生产实际的需要，早期由于板材精度要求 不太高，大部分厚度控制还采用反馈式厚控方案，随着控制理论不断地发展、金 属压力加工等理论不断地丰富及生产条件不断地改善，出现了各种动态控制方案 ，如厚度控制( a g c ，a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) ，液压辊缝控制( h g c ，h y d r a u l i c g a pc o n t r 0 1 ) ，轧辊偏心补偿( r e c ，r o l le c c e n t r i c i t yc o m p e n s a t i o n ) ，板形控制 ( a f c ，a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r 0 1 ) 。在厚度控制方案中，人们总结出各种a g c 模型【“，如b i s r aa g c ，g a u g e m e t e ra g c t 3 】( g m - - a g c 在板材得到广泛应用) ， d y n a m i cs e ta g c l 3 1 ，a b s o l u t ea g c 4 ，a e g a g c t 5 1 ，r a la g c 5 1 等，尽管各种 a g c 的形式不同，其实质都是一种模型控制方法，其理论基础都是基于轧机弹跳 方程。由于a g c 可以很好地消除来料因素所造成的厚度变化，因此a g c 系统得 到广泛地应用。在这些a g c 中应用最厂泛的就是g m - - a g c ，但g m a g c 系 统不能克服轧机方面因素波动( 轧辊偏心、热膨胀、轧辊磨损) 所造成的厚度变 化，反而还会使调节恶化，所以开始研究如何抑制、滤波并补偿车l 辊偏心的各种 方法。传统的轧辊偏心补偿方法 5 】( 如死区法、恒轧制力法、恒辊缝法等等) 由 于其自身的局限性，已经受到很大冲击，我国七十年代中期才开始偏心补偿工作 的研究，近十几年来有了较快地发展，特别是随着现代轧机己普遍采用液压压下 技术代替传统的电动压下技术，轧制产品精度的大幅度提高，目前国外对0 3 m m 轧制产品，通带误差可达2 u m - + - + 3 u m ( 或更小) 1 6 】，但在国内由于支撑辊加工 偏心量大，轴承装配精度低，这将严重地影响产品质量，国内的产品很难同国外 的同类产品相比，竞争力差。因此国内科研工作者正攻关这个难题，同时各生产 东北大学硕士学位论1 引言 者也十分重视轧辊偏心控制这项新技术，以增强其在同行业的竞争实力。 1 2 2 国内外偏心补偿方法的现状 就数学处理形式的本质而言，轧辊偏心可分为如下l o 类处理方法 7 】： ( 1 ) 平均法：蕊：区法，邙坷京普法，山口尊入韵方法。 ( 2 ) 加权平均法：叶山等人的方法。 ( 3 ) 恒值法：轧制力法，辊缝厚度控制法。 ( 4 ) 值修正法：前馈控制法，霍华德法。 ( 5 ) 外加凸轮装置修正法：纽曼法。 ( 6 ) 频率分辨率法：史密斯法，盐崎高桥法，i c h i r y u 法，韦里奇和沃而德法， 盖伯尔法，大并等人的方法。 ( 7 ) 数学模型法：库克法，福克斯法 ( 8 ) 差拍法：金兹伯格法。 ( 9 ) f a r e 偏心控制系统 ( 1 0 ) 双环偏心补偿的液压a g c 系统 上面1 0 类偏心控制方法中f 7 死区法是典型的被动轧辊偏心控制法，该方法 不是试图补偿轧辊偏心对轧件厚度的影响，而是使辊缝控制系统对轧辊偏心引起 的厚度干扰不敏感。这就是死区法的局限性。 轧制力法是- - o e 主动式轧辊偏心控制法，该方法是以恒轧制力为控制目标， 使轧辊偏心对轧件出口厚度的影响被消除，但当其它影响轧制力的干扰因素出现 时( 将要进入辊缝的轧件厚度或硬度发生波动时) ，辊缝就不可能正确调整。 辊缝厚度控制法是利用辊缝传感器实时测出轧制过程中辊缝的偏差，实现在 线调节，该方法的控制精度高，但该辊缝传感器一般只能依靠进1 2 1 ，而且成本较 高。 前馈控制法应用于热连轧机组，因为它主要取决于中间机架使用的张力类型， 因此不适应于中厚板生产。另外该方法控制轧辊偏心的关键在于轧机电机能否使 速度调节器获得适当的速度响应特性，因此对轧机电机特性要求较高。 纽曼法的基本原理是利用随支撑辊同时旋转的凸轮来模拟轧辊偏心，位移传 东北大学硕士学位论1 引言 感器测出凸轮的偏心，然后发出电子信号，传送给辊缝位置调节器。该方法很明 显需要一外加机械装置，而且该装置必须精确安装，仔细测量，当轧辊偏心测量 结束后，每个凸轮的角位移必须调整，以使凸轮和支撑辊偏心相位保持一致，因 此这种方法较复杂，而且成本高。另外该方法不能补偿工作辊椭圆度造成的辊缝 变化。 阿索普法适用于各种辊缝控制系统，是以测厚仪原理为基础的。它的主要缺 点是低通滤波器的频率并不能总保持同轧辊偏心的基频相一致，因此需要设计一 个自动调节装置。 史密斯法也是以测厚仪原理为基础的轧辊偏心补偿法，它的主要缺陷是使用 了金属构件类型的整流器，该整流器会产生与控制信号波幅差不多的噪声信号， 另外曲于轧辊偏心韵二次谐波信号多半是由于工作辊韵椭圆度造成韵，因此当工 作辊的直径不能精确等于支撑辊直径的一半时消除控制信号中的二次谐波能力也 就下降了。 霍华德法是利用轧制过程中轧制力波动量和入口轧件的厚度波动量这两个参 数间接地计算出轧辊偏心的大小，它忽略了其它一些干扰因素如轧件硬度和辊缝、 摩擦等，因此该想法过于简单，需要改进。 盐崎高桥法又n g l 辊偏心傅立叶分析法，该方法建立了偏心轧制力和偏心补 偿量的数学模型，优点是可以较好地消除基波分量，但不能消除二次或更高次谐 波分量。 库克法是建立在轧辊偏心所引起的轧制力变化为正弦变化基础上的，所以该 方法忽略了工作辊的椭圆度及其它一些非正弦因素所造成的影响。另外库克法的 应用局限于双驱动布置的轧机，而且检测轧辊偏心需花费大量时间。 福克斯法是利用上、下支撑辊直径的差异产生偏摆现象来检测支撑辊的偏心， 因此不必像库克法那样要求上、下支撑辊单独传动。它的假设仍是轧辊偏心的变 化呈正弦波动，但当遇到高次谐波时，计算相当复杂。 i c h i r y u 法是根据入口钢板厚度和轧制力来获得出1 3 钢板厚度，利用相关函数 这个数理统计的方法测出轧辊偏心造成的干扰量。该方法的缺点是需要一个相当 大的样本，而且需要很大的存储空间，并且当轧制条件改变时，需要重新做相关 性处理。 4 东北大学硕士学位论 1 引言 叶山等人的方法是把离线和在线测得的表示轧辊偏心的两个信号分别与各自 的权重系数相乘再相加，以此作为轧辊偏心补偿信号。该算法的本质是加权平均， 但权衡系数需要不断优化。 山口等人的方法是利用支撑辊圆周各段的偏心补偿量与检测的出口厚度偏差 值相对应的原理，把该偏差值存储在计算机内存中作为偏心的补偿量。该方法的 实质是利用厚差反馈原理，因此存在时间滞后的缺陷。 韦里奇和沃而德法是利用高通滤波器和振荡器产生对应于上、下支撑辊偏心 的基频振动信号作为轧辊偏心补偿信号。滤波器可以通过软件来实现，但振荡器 只能通过硬件来实现，这便一定程度上增加了问题的复杂性。 盖伯尔法是一种自适应数字化偏心补偿系统。该控制算法将轧制力平均值消 除，然后根据余数来发出轧辊偏心补偿信号。该方法是一种软件控制法，需要不 断复制信号的比例和相位，以便补偿轧件硬度的变化、轧辊偏心引起的轧制力波 动、周期性摆动现象以及轧辊打滑等。因此这种方法的弱点是要不断复制信号和 存储信息，所以需要很大的存储空间。 大井等人的方法主要是采用傅立叶分析的方法，确定上、下支撑辊的两侧位 置有关的轧辊偏心成分。然而随着数字信号处理理论的飞速发展，快速傅立叶分 析方法在处理数据的时间和精度上都要明显优越于傅立叶分析法。 金兹伯格法需要确定对应于轧辊偏心最小时上下支撑辊相互间的角位移关 系，该方法的控制目的是使轧辊偏心的影响达到最小。因此该方法的局限性是没 有试图对轧辊偏心进行补偿。 f a r e 偏心控制系统采用轧辊偏心傅立叶分析装置，根据与轧辊旋转角速度 相同步的脉冲信号，进行傅立时分析，算出轧辊偏心的周期分量。该方法是在假 定入口厚度的坡g o n u g 比支撑辊偏心频率低的条件下进行分析的，但实际轧钢过 程中这两种频率可能是相当接近的。 双环偏心补偿的液压a g c 系统是由内环压力反馈和外环厚度反馈两部分组 成。内环完成恒压控制，用以使辊缝动作消除偏心影响。外环是在厚度超差时进 行控制。由于内环补偿偏心而使辊缝作周期波动，为不使这一信号进入外环引起 误调，故控制器设置死区【8 j 。实际上这种系统补偿偏心的作用是以牺牲厚控精度 东北大学硕士学位论1 引言 为代价的，而且该方法由于设置了死区，因此控制精度低且系统稳定性差。 通过以上分析可知，传统的轧辊偏一t i 控制方法都有其自身局限性，因此科研 工作者正不断探索和改进偏心的控制方法以增强系统控制偏心的效果。 1 2 3 关于轧辊偏心控制方法的新方向 根据目前研究可以总结出以下5 个方面的偏心控制新方向： ( 1 ) 数学模型法：预估式厚控法【9 1 ，重构偏一1 1 , 信号的方法”o l ，轧辊偏心量公 式推导法f 1 1 ，随机逼近法【1 2 1 ，积极补偿轧辊偏心，回归辨识轧辊偏心【1 4 j ，轧 辊偏心的自矫正回归法【1 5 】，轧辊偏，i i , 控制系统的开发1 6 】，带材轧机的轧辊偏心控 制系统【1 7 】。控n 车- i , 辊偏心的新方法【1 8 】，状态观测器法【1 9 】。 ( 2 ) 新型a g c ：封闭油路液压铡厚a g c 系统 2 0 】，开发新型a g c 系统 2 l 。 ( 3 ) 滤波法：自适应数字系统吲，具有偏心补偿功能的p a g c 系统吲，基 波与谐波自适应滤波器【2 4 1 ，自适应陷波器 2 5 】，低通数字滤波器【2 6 】，轧制力偏心 滤波器吲，模拟滤波器 2 8 瑚 ，数字滤波器 3 l 】，卡尔曼滤波器偏心补偿法口2 1 ，综 合偏一i i , 控制器【3 2 】，自适应信号处理f l o 。1 叫等等。 ( 4 ) 信号处理法：傅立叶级数澍3 3 】，快速傅立叶分析法3 4 q5 1 ，改进的快速傅 立叶分析法1 3 6 ”，小波分析法1 3 8 。”。 ( 5 ) 智能控制法：神经网络法自适应滤波【4 2 5 “，专家系统1 5 5 3 1 从宏观方向上看，数学模型法是一种较为灵活的控制方法，可以采用随机逼 近法，预估式算法，矫正回归法等等，不同的算法有其不同的计算精度和计算时 间，因此有需要较好数学基础的科研工作者才可以把握其计算的精度。 新型a g c 控制法是这些方向中最难想到的控制方法，它需要较好的，控制 方面、加工方面的知识，特别需要液压、机械方面的知识，该方法一般靠硬件来 实现，而且安装调整较繁琐，换辊不方便，并需重新调整，因此该方法是比较复 杂的控制方法。 滤波法和现代信号处理法一般是用软件来实现，而且这两种方法的软件算法 相对固定，通用性较好，可移植也较好，因此综合使用上述两种方法，可以起到 事半功倍的效果。 东北大学硕士学位论1 引言 智能控制法是当今信息技术发展的主流，而且成为现代化轧机实现高精度控 制的非常好工具4 7 1 ，人工智能在轧制领域中的应用其意义是十分深远的。 1 3 本文研究的内容与范围 本论文在综合考虑1 0 种偏心控制方法的优缺点和5 个偏心控制方向的利弊的 基础上，鉴于滤波法和现代信号处理方法的独特优势，采用滤波法和现代信号处 理相结合的方法来解决轧辊偏心的问题。 本论文主要以四辊轧机类型作为研究对象，着重解决了以下几个方面的问题， 即： 轧辊偏心数据的采集可以通过以下方法获得【6 】， ( 1 ) 当轧机加上平衡压力后，上工作辊与上支撑辊、下工作辊与下支撑辊都 要紧密接触，而上下辊系是通过上下工作辊联动而旋转，因此不论在任何运行状 况下( 正转，反转或停机) ，都可以保证轧辊偏心的状态是确定的。 ( 2 ) 为了识别轧辊位置所对应的偏一1 5 ，在上支撑辊轴承座上安装一台光电脉 冲发生器，其转动轴固定在支撑辊轴端，而静止部分安装在轴承盖上，从而保证 脉冲发生器和支撑辊同步旋转。 ( 3 ) 脉冲发生器每旋转一周产生6 4 个脉冲，将这些脉冲送入满程为6 4 ( 2 0 2 5 ) 的二进制位置计数器进行加减运算。设定轧辊顺时针旋转时进行加法运算， 反时针旋转时进行减法计数，计数器的计数值就和支撑辊位置一一对应。 ( 4 ) 把计数值经过量化、换算得到反映轧辊偏心的原始数据。 本论文采用了四项信号预处理技术( 伪点剔除、低通滤波器设计与实现、趋 势项消除、周期加权平均) ，该四项信号预处理技术是串行的、相辅相成的。其中 滤波器设计采用的是窗函数法 5 4 】来设计的，该算法是频谱分析好坏的关键，而且 该算法使用c a s e 语句，不同的条件可以方便的调用不同种类的滤波器( 如低通滤 波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器) ，通用性和移植性较好。 碎啦浊：在查阅并借鉴了有关厚差诊断文献的基础上1 5 5 划，总结出利用快速傅 立叶变换算法不仅可以做定性分析，也就是诊断产生厚差的某些影响因素，如轧 辊偏，i l , 对厚差的影响或水印对厚差的影响，而且根据轧辊偏心使轧制力周期波动 7 东北大学硕士学位论1 引言 的特点及快速傅立叶变换算法的优点，快速傅立叶变换算法也可以定量计算出偏 心影响的轧制力。基于这种分析，本论文深入地研究了快速傅立叶变换( f f t ) 和改进的快速傅立叶变换( m f f t ) 的算法原理，而且把经过采集到的轧辊偏心 的原始数据，经过信号经过预处理后，变换到频域内进行分析和处理。得到偏心 影响的轧制力和不受偏心影响的轧制力等有关信息，计算出对应于各个轧辊位置 的实际偏心补偿量。这样，就避免了被动地受偏心影响，从而提高了产品精度和 质量，提高了成材率。 本论文还研究了频率相近信号的分离问题，快速傅立叶变换只能分析假定入 口厚度的波动频率远比支撑辊偏心频率低的情况，也就是认为轧辊偏心变化频率 反映在辊缝、* l n 力和钢板出口厚度上，是一种频率随着轧制速度变化而变化的 高频周期波，但实际轧钢过程中这两者频率可能是相当接近，因此本文又对最小 二乘法( l s ) 做了深入细致地研究，采用该算法可以较好地实现频率相近信号的 分离，并用m a t l a b 予以仿真证明，同时应用c 语言采用高斯主对角线消元法成 功地编写了该算法和程序界面，计算出上下支撑辊偏心轧制力的幅值和相角。 1 4 轧辊偏心控制方法的前景与展望 轧辊偏心控制问题是厚度控制领域中较为重要的研究分支，不论冷轧生产、 热轧生产、中厚板生产都会存在不同程度轧辊偏心的问题，因此轧辊偏心控制方 法的应用前景是非常可观的。在现代轧钢生产过程中，偏心控制问题的研究尚应 深入发展，还有一些问题急待解决1 3 2 】。 首先是如何把偏心控制法应用于实际生产中。其次是如何解决偏心信号中高 次谐波成分的补偿。第三是随着对钢板质量要求的不断提高，在补偿支撑辊偏心 的同时必须对工作辊的偏心进行补偿。第四是如果轧机运行速度较高，则轧辊的 偏心频率也相应地增高，此时液压压下控制装置的频率特性就不一定能够满足偏 心补偿的要求，尤其是相位延迟问题 5 7 】，这种情况下必须解决相位滞后补偿。 另外随着科学技术的不断发展，传统的轧制理论已经远远满足不了现代轧制 技术发展的需要【4 ”，例如利用传统轧制理论推导得出的轧制力公式计算最大偏差 多在2 0 以上，而为了保证获得高精度的产品，现代连轧机控制系统轧制力数学 r 东北大学硕士学位论1 引言 模型的精度应在1 0 以内，目前最好水平已达5 ，这里自适应、自学习、人工 智能起到了非常关键的作用。因此如何应用人工智能的方法实现轧辊偏心的控制 己经成为现代轧钢界科研工作者正不断探索的研究课题。 轧辊偏心的控制问题是较复杂的问题，如板材或带材的轧制速度不恒定时( 热 轧带材的轧制就有升速辛l 制的过程) ，轧辊偏心的频率就是不断变化钓，而m f ：一f t 方法只能分辨频率相对稳定的周期信号，这样m f f t 方法对变速轧制的分析效果 就不很好。再者在实际轧钢生产中，还会存在许多随机的和非线性的干扰因素， 这些噪声等干扰信号同样也会影响l v l f f t 的分析效果，而人工神经网络可以很好 地解决这些问题【4 9 1 ，并可以很好地应用到实际现场中。 人工神经网络是一种非常重要的人工智能技术。人工神经网络是以模拟脑神 经对外部环境进行学习过程建立起来韵人工智能模式识别方法，为解决非线性系 统和模型未知系统的预测和控制提供了新的途径，人工神经网络在塑性加工领域 的应用研究在国内外都是刚刚起步，它被用于预报轧制力【4 3 】、利用b p 网络进行 板形识别47 1 、综合利用神经网络和模糊逻辑进行板形控制【4 8 1 、冷连轧机组压下规 程设定 5 8 】、轧机精轧机组负荷分配的协同智能控制【5 9 】等，都取得了令人满意的成 果。因此如何把人工神经网络应用到实际轧辊偏心控制中，这是当前非常迫切的 研究工作，也是非常有前景的研究课题。 东北大学硕士学位论文 2 轧辊偏。与轧机a g c 问题 2 轧辊偏心与轧机a g c 问题 2 1 某钢厂轧机a g c 计算机控制系统的概述 现代轧钢生产中提高板厚精度的技术主要是厚度自动控制( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r 0 1 ) 简称a g c ，a g c 的控制精度是决定成品质量的主要因素。下面以某钢 厂的a g c 系统为例，详细地介绍厚度控制系统【”j 。 该厂的板材成品质量主要取决于板材的纵向厚度公差，因此轧机厚度控制系 统是一个主要的研究课题。该厂轧机a g c 系统的控制参数为：3 5 0 0 r a m 四辊精轧 机，工作辊直径：中9 5 0 巾1 0 5 0 x 3 5 0 0 m m ，工作辊辊面宽度：3 5 0 0 m m ，支撑辊 直径：由1 9 0 0 由2 1 0 0 x 3 3 0 0 m m ，支撑辊辊面宽度：3 3 0 0 r a m ，开口度：3 3 0 m m ( 新 辊时) ，机架刚度；1 0 0 0 0 k n m m ，上、下辊主传动电动机：2 台交流同步机、转 速0 5 0 1 2 0 r m i n ，7 0 0 0 k w 台，额定轧制力：7 0 0 0 0 k n ，最大轧制力：7 4 0 0 0 k n ， 最大轧制力矩：3 0 7 0 2 k n m ，轧制速度：0 6 6 m s ，成品厚度：6 5 0 m m ，压下 方式：电动压下、液压微调，电动压下速度：0 3 5 m m s ，直流电动机：2 x 4 0 0 k w ， 液压空载压下速度：2 9 m m s ( 带载) ，液压缸行程：5 0 m m ，同板差：6 5 0 m m ， 异板差：6 5 0 m m ，系统频响 1 8 h z 。 控制轧制系统由2 级计算机控制系统组成，其中1 级为基础自动化，包括轧 机a g c 基础自动化系统：2 级为过程控制系统，包括轧机a g c 过程控制系统。 基础自动化级主要是实现全自动轧钢，要求无人操作。a g c 和控制轧制系统 主要功能如下：电动压下逻辑控制；电动压下自动位置控制( a p c ) ；液压压下 逻辑控制：液压压下自动位置控制( a p c ) ；液压压力自动控制：液压压下自动 厚度控制( a g c ) ，包括锁定a g c 、绝对值a g c 、前馈a g c 、监控a g c 等功能； 液压压下预压靠自动控制：轧辊偏心补偿控制：油膜厚度自动补偿控制：轧机刚 度自动测量、计算功能；冲击补偿控制；压下规程程序控制；轧线辅助设备速度 设定及操作顺序控制；液压压下平衡控制；钢板平面形状控制：主传动速度设定 及操作控制；自动轨迹纠偏；液压缸同步自动控制：轧制状态判断；快速抬辊； 辊缝手动设定和自动设定：自动咬钢、甩钢控制；自动转钢控制；推床自动控制； 】0 东北大学硕士学位论文 2 轧辊偏m 与轧机a g c 问题 头部预压靠控制：头尾温度补偿；恒压、过压、过压差、辊缝超差及零位的保护 与报警，油缸限位保护与报警；模拟和自诊断功能；数据通讯；工作辊弯辊补偿； 主传动及辅助传动电气联锁控制；高压水除鳞箱自动控制； 过程控制系统的主要是完成高精度的设定计算、轧件跟踪、轧制规程的设定 计算和轧制规程设定模型韵优化以及自适应等等。主要功能如下= t 埔息流传递： 将生产计划、调度指令、产品信息、工艺状态传递到各操作台及生产管理单位；( b ) 初始数据输入：由操作员在人机接口输入板坯初始数据，如板坯识别号、钢种、 尺寸、重量、成品规格等，并通过网络传到2 级计算机；( c ) 物流传递：完成轧件 跟踪及排序，并传递到各操作台；( d ) 控轧控冷规程自动设定：根据不同钢种及规 格，自动生成控轧控冷工艺，并将道次排序、压下规程、冷却工艺参数等传递到1 级自动化系统，确保一次性合格辜达到9 9 5 ；如) 数据分析：根据产品实际生产 反馈信息进行跟踪自学习计算；板凸度和板形控制；m a s 轧制功能；轧制规程自 适应，轧制节奏；( 0 数据记录与管理：将产品生产过程信息及设备运行信息存储 并编辑管理，提供数据报表、分析报告、轧辊管理；过程记录；模拟轧钢；x r a y 设定、通讯。轧制区的计算机的结构图如图2 1 。 i 一一一一一一一一一一。一一。1 蔬百一一一一一一一一一一一一? l 一一。一。 图2 1 某钢厂轧机计算机控制系统结构 f i g 2 1c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o no f t h e p l a t em i l l 1 l 东北大学硕士学位论文2 轧辊偏m 与轧机a g c 问题 轧机a g c 过程计算机采用美国c o m p a q 服务器系统2 台，l 用1 备，镜像 磁盘阵列3 x 4 0 g b ：轧制区基础自动化采用多c p u 的西门子s i m a d y nd 及 p r o f i b u s d p 远程i 0e t 2 0 0 系统；过程计算机与基础自动化级p l c 通过工业以 太网相连，同时连接有6 台终端，分别安装在加热炉入口1 台、加热炉出口l 台、 操作台4 台，用于过程监视和控制：所有系统韵操作员和监控界面均为美国的f i x ： 系统通讯采用工业以太网，现场总线采用p r o f i b u s d p 。该厂轧机a g c 控制系 统原理刚” 6 刈如图2 2 。 图2 2 轧机a g c 控制系统概况 f i g 2 2a g cs y s t e mo v e r a ，i e wo f t h ep l a t em i l l a g c 有两种工作方式 “，即相对a c r c 和绝对a g c 。 相对a g c 根据设定好的轧制规程来决定每一道次轧制厚度，求解轧制力模型、 厚度计模型和自适应模型，并以此来预摆辊缝，以便得到目标板厚。用a g c 控制 辊缝，以便钢板进入轧机后立即维持钢板厚度不变。相对a g c 的工