（检测技术与自动化装置专业论文）轧机板厚agc控制系统及参数预测分析.pdf

北方工业大学硕十学位论文 摘要 高精度冷轧厚度控制技术，国外已经达到了较高的水平，我国在这方面 虽然也取得了一定成果，但由于整体工艺装备技术落后，高精度轧制技术同 发达国家相比仍存在较大差距，在实际应用中尚有许多问题需要解决。其中， 可逆式冷轧机是现代机、电、液一体化系统的典型代表，本文结合5 0 0 m m 铜 带四辊可逆轧机设备，针对该轧机的自动控制系统进行了基本而且深入的研 究，期望能够实现厚度控制等基本环节之外，还能够有效地提高控制精度。 在参考其它设计思想的基础上，分析研究了厚度自动控制( a g c ) 的总体 方案。系统采用内外坏结构形式，主要完成液压缸位置p i d 闭环、轧制力p i d 闭环和测厚反馈p i d 控制、前馈预控等控制方式，还有辅助弯辊力控制用于 平整板形和把倾辊差与辊缝差迭加，通过位置闭环p i d 控制器调节两侧液压 缸的辅助倾辊控制等方法。 方案实施中作者根据轧制过程控制的特点，选择合理的计算机系统 s t e p 7 、p r o t o o l 和p r o f i b u s d p 网络完成了控制系统中大部分自动化控制 过程的整体设计，不仅组态了全部系统硬件和监控画面，完成了对现场运行 数据的采集、运算和输出，完成了轧机的控制功能和厚度控制，还进行了该 系统的安装和现场调试，系统实际应用结果和轧出铜板的性能表明各项性能 指标均达到了程序设计和现场调试要求。 为了提高轧机厚度控制的精度，采用最小二乘法对现场采集轧制力和辊 缝数据进行了轧机刚度参数回归辨识，并研究了由弹跳方程计算出口厚度的 厚度计式a g c 的模型；利用m a t l a b 对执行元件的模型进行了模糊仿真， 与传统p i d 模型仿真比较后，系统的响应特性明显提高，为厚度精度的提高 提供一种新的尝试。 关键词：四辊可逆冷轧机，厚度a g c 控制，程序设计，参数回归，模糊控制 北方工业人学硕士学位论文 s t u d yo na g cs y s t e mo fs t r i pm i l la n d a n a l y z er e g r e s s i o nc a l c u l a t eo fp a r a m e t e r s a b s t r a c t t h eh i g hp r e c i s j o no fa u t o m a t i o ng a u g ec o n t r o lo fc o l dr o u i n gm i ui no u rc o u n t r y h a sd i s t a n c cw i t ha b r o a d a l t h o u g l lw eh a v eg a i n e d m a n yp r o d u c t i o n s ，t h e m i l l e q u i p m e n t sl e tu sb e h i n do t h e r sa n dt h e r ea r ea l s os o m et e c h o n i c a lp r o b l e m sn e e dt ob e s o l v e d t h er e v e r s i n gc o l dr o l l i n gm i l li sar e p r e s e n t a t i v ee x a m p l eo ft h em o d e m m a c h i n e s ，e l e c t r i c i t i e sa n dh y d r a u “ci n t e g r a t i v es y s t e m s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e r e v e r s i n gf o u 卜h i g hc u p r u ms t r i pr o l l i n gm i l le q u i p m e n t s ，s t u d i e so nt h em i l l sa u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mi no r d e r t oi m p r o v ep r e c i s i o n b a s e do nt h et h e o r y ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e do nt h ea u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ( a g c ) m e t h o d 1 1 h es y s t e mh a st a k e nt h ei n s i d ea n do u t s i d el o o ps t m c t u r e sa n df i n i s h e dt h ep i d c l o s e dl o o po fh y d r a u l i cp o s i t i o na n dp r e s s u r e ，t h ef e e d b a c kp l dc o n t r o lo fm e a s u r i n g t h i c k n e s s ，a n dt h ef e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 a l s ou s e dt h eb e n dr o l l i n gc o n t r o ut ol e v e lu pt h e s t r i p sf i g u r e ，卸dt h ed i f f e r e n c er o l l i n gg a p sb e 附e e nw sa i l dd ss i d ew e r eu s e dt h e c l o s e dp o s i t i o np i dl o o pt oc o n t r o lt h e 觚0s i d e sh y d r a u l i cv a l v e s a c t u a l l y ，t h ea u t h o rb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o no ft h em i l l ，s e l e c t e dt h es i e m e n s s o 脚a r cs t e p 7a n dp r o t o o l ，a l s ou s e dt h ep r o f i b u s d pn e tt o c o m p l e t et h e a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l 锄do t h e rp r o c e s s e s i i l c l u d i n gt h ew h o l e s y s t e mh a r d w a r e sa n d m o n i t o r伊a p h i c s ，t h i sp r o g r a mc a nc o m p l e t et h ed a t a c o l l e c t i o n ， c a l c u l a t i o n柚d c o m m u n i c a t i o nw i t hm a c h i n e s 触e rd e b u g ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h em i l lc a n r u n n a t u r a u ya n dr e a c ht h ed e m a n d s ，t h e nw r i t e dd o w nt h ev a l u e so fp r e s s u r ea n dt h i c 妇e s s t h e nu s e dt h cl e 鹤ts q u a r e sm e t h o dt 0r e 伊e s st h er o l l i n gr i 舀d i t yc 0 e f f i c i e n t 锄d d i s c u s s e dt h eg m - a g c 柚dp i dg m a g cm o d e l s u s e dm a t ia bt oe m u l a t ef u z z y p d 觚d c o m p a u r e dw i t ht m d i t i o n a lp d k e yw o r d s ： r e v e r s i n gf o u r - h i 曲c o l dr o l l i i l gm i l l ，a g cg a u g ec o n t r o l ，p r o 伊a md e s i 印， p a r a m e t r i cr e 星4 i e s s i o n ，f u z z yc o n t r 0 1 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 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 友王 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。 靴糍移婵醐删肌 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、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j e 友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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：季粕蠢 签字日期：乃据月钐日 电话： 邮编： 渤 毳 h 月 名痧 签 年 者孝 作砂排咖 论 日 位 字 学 签 北方工业人学硕士学位论文 1绪论 金属轧制基本上是压力加工延伸变形的物理过程，它需要依赖众多的机 械协调动作，因此现代化的轧制生产线生产机械众多，主辅电机装机容量巨 大，电气设备数量极多，机电装备技术复杂，科技内涵非常丰富。 带材薄板的产量和质量直接反映了一个国家的工业发展水平，随着现代 工业技术的迅猛发展，国民经济各部门，比如汽车制造、食品包装、家用电 器、机械、轻工、仪表、通讯和军事工业等各领域，对各种金属及极薄带材 的要求不断增加。为了生产出更高精度的板带材产品，占领国际市场，各国 都采用了大量的新技术以适应激烈的产品竞争。现代化大型轧机配上现代化 控制手段，可实现多功能精密轧制，生产出厚度精度达到微米级的板带材产 品【1 _ 4 1 。 我国是冷轧板带材的进口国家，很多品种的冷轧薄板不能加工，每年需 要花费大量外汇进口。从轧机硬件和结构上讲，目前虽然我国已能研制出较 为复杂的轧机，但同国外先进技术相比还存在很大差距，主要体现在检测手 段、控制策略及控制算法上【5 - 8 】。而大部分中小型轧机，仍采用电动压下装置， 窄带轧机的生产状况亟待改善，因此尽快提高我国轧机的自动化控制水平已 成为当务之急。 1 1课题的背景、目的及意义 本课题是以北京二十一世纪科技发展有限公司的轧机板厚a g c 项目为 背景，根据铜板带可逆冷轧机a g c 系统的优化分析设计，着重对冷轧机厚 度控制技术进行了深入研究。 在实际生产实践中，由于带材冷轧的主要任务是对热轧生产的薄带或更 薄的带材进行轧制，生产出汽车、家电、食品等许多行业所需的薄板材，它 是生产一般用户所要求的最后一道工序，因此，要求厚度、板形等都必须有 较高的精度【9 1 。提高带材的纵向厚度精度对提高企业的经济效益具有非常重 要的意义。但是，实际项目生产中的冷带轧机是二手设备，本身轧辊精度不 高，带材出口厚度精度达不到要求，在硬件设计和软件设计上都作了很大的 改进，不仅采用多种控制方式，提高控制的灵活性和多样性，从而提高了控 制精度，还优化设计仿真了智能控制的部分，并根据存在的问题分析计算了 1 北方工业大学硕+ 学位论文 轧机刚度参数和厚度计a g c 控制方式，以期在不少控制过程中将存在的时 滞性、波动大等问题得到比较完善的解决，能够妥善提高动态响应特性。 1 1 1a g c 研究的目的与意义 厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o ls y s t e m ，简称a g c 系统) 是 轧机自动化系统中不可缺少的一部分，它控制金属带材厚度精度，使金属带 材厚差在限定的标准内，提高金属带材的成品率。我国近年来从发达国家引 进的一些大型的现代化的板带轧机，其关键技术是高精度的板厚控制和板形 控制。板厚精度关系到金属的节约、构件的重量以及强度等使用性能，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 统的支持。 由于轧机自动化水平对板带材的质量要求越来越高，对轧机液压a g c 系统的控制要求越来越高。在实际轧制过程中，影响轧后带材厚度精度的因 素很多，例如，空载辊缝变化、轧制压力波动、来料厚度不均、轧制过程中 轧机纵向刚度模数变化、轧辊轴承油膜厚度变化等都会对轧件的轧后厚度产 生影响【1 0 】。分析这些变化对轧制厚度及系统品质的影响，可为系统的优化研 究提供基础，因此有必要进行研究以便了解其对板厚精度影响的规律，提出 消除或减小该影响的方案。 我国冷轧机应用的厚度控制系统随着不断的改进和设备的更新，可归纳 为3 种基本类型： ( 1 ) 用测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口带材张力的a g c 系统。 ( 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带材张 力的a g c 系统。 ( 3 ) 采用前馈控制、压力反馈控制和监控的a g c 系统。数字化或计算机 控制，加上一些新的控制算法，使这类a g c 系统性能获得进一步的提高， 例如成品厚度为0 8 ，删的汽车板，其厚度偏差范围为( o 0 4 0 0 8 ，删) ， 可称之为毫米级厚度偏差。 目前国内外使用的板厚控制方式很多，如g m a g c ( g a u g em e t e ra g c ) ， 监控a g c ，张力a g c ，前馈a g c ，反馈a g c 等，为了提高头部板厚控制精 度，开发出绝对值a g c ，它们是分析板带材厚度控制技术的基础，被不断发 展和完善，因为这几种控制方式相对来说已经发展得较为成熟且应用多年。 但是应该看到，由于轧机的压下控制技术综合了众多学科领域的知识，在实 2 北方工业人学硕士学位论文 际的应用生产上仍存在着诸多的问题无法圆满解决，现有的压下控制技术仍 存在一些不足。而各种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，在实际生产条件下提高精度，这也是目前世界上一些该 领域的学者们积极研究的课题。 进行a g c 研究的优势还在于： ( 1 ) 节省人力、物力、财力，是一种最经济的手段。可以使工程设计人员 集中精力于控制方案选择和计算结果的分析上。 ( 2 ) 可以进行轧机复杂控制系统的分析设计，提高设计质量，实现对控制 系统的最佳设计与最佳控制。 1 1 2智能控制研究的目的与意义 智能技术是二十一世纪的技术，目f j i 智能技术正在加速发展，同时建立 在传统工艺和自动化技术的钢铁工业正在经受考验，因此，从某种意义上讲， 传统技术正在限制钢铁工业向更高层次发展。随着计算机技术的飞速发展和 信息革命的出现，应用最新技术无论对企业管理人员和技术人员都成为一个 当前不可回避的挑战。所以，充分成功地应用智能技术成为了我们面对的技 术趋势。 随着人工智能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 l 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， 如头、尾板厚控制，能够不同程度的提高轧机抗干扰能力和响应速度的。利 用现有的普通控制环节在不稳定状态下进行厚控，想得到一个高的控制精度 是很困难的，这主要是由于设备的各个部分相互影响，且扰动因素比较多。 这些厚度智能控制也是当今质量控制领域的一个热门，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。在p i 参数在线自适应调整的同时， 不合格的带长可减少7 3 【1 1 】。 并且，现有的a g c 控制系统存在一定的问题，要继续提高控制精度比 较困难，而智能技术中模糊系统和神经元网络技术正是解决a g c 系统控制 精度和轧制过程不确定的最成功的技术。在智能控制中，模糊逻辑以实际生 产数据和操作者的经验为基础【1 2 】，以此确定a g c 系统调节辊缝的准则，使 之达到现场专家级的调节精度；神经元网络技术可以建立数据驱动的知识体 3 北方工业大学硕十学位论文 系，可以利用采样数据学习现场操作过程的不确定知识，校正模型及模型参 数的精度。 模糊控制的本质是将人的操作经验用模糊关系表示，通过模糊推理和决 策方法来对复杂过程对象进行有效的控制，它具有不依赖于控制对象模型、 鲁棒性较强的特点，为随机非线性和不确定系统的控制提供了良好的途径。 但是知识获取方面显得较为软弱。 神经元网络是由大量处理单元广泛互联而成的网络，它是神经科学研究 成果与计算机科学发展的结晶，通过计算机模拟人脑功能的基本特征。神经 网络是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统，其主要特征为连 续时间非线性动力学，网络的全局作用，大规模并行分布处理，高度的鲁棒 性和学习联想能力是其基本的特点。目自仃神经元网络技术已成功应用于轧制 力预报，轧件变形抗力预报等，但是在知识的推理上存在较大困难，需要大 量时间完成供学习的历史数据的存储。 应用智能控制的优势还在于： ( 1 ) 精确确定控制模型参数，提高控制模型精度。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，通过在现场进行一段时间的训练( 神 经网络自学习) 之后，就可以给出精确的控制参数。通过一段时间的历史数据 的存储，可以分析模型的精度，既可以利用神经元技术对模型进行校正，同 时可以抵消生产过程中的不确定信息，提高模型精度。 ( 2 ) 提高系统的适应能力。加入智能控制的a g c 系统将具有比自适应系 统更好的鲁棒性，更能适应变化着的实际情况。 ( 3 ) 缩短系统的调试时间。现场调试主要在于系统的整定和模型参数的摸 索，利用智能技术，只需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实践 和系统的调试时间。 综上所述，冷轧厚控技术已经是日趋成熟，且与最新的智能技术的结合 也呈现出一种日新月异的趋势。在此方面，国内一些科研机构及各大高校院 所也已作出了很多的工作和成绩，智能控制在板厚控制中的应用研究还有待 发展。 4 北方工业人学硕十学位论文 1 2板带轧机厚度控制发展综述 板带材主要用于冲制各种零部件，因此要求厚度精度高、板形好，以利 于提高冲模寿命和冲压材的精度，还可减少加工件的切削量。因此，轧制产 品高精度比是轧钢技术发展的重要趋势之一。 国外高精度轧制技术已经达到较高的水平，例如热轧板带材厚度差已达 到3 0 m ，冷轧板带厚度差已达5 1 0 聊，板形平直度为5 1 0 i ，棒材直 径公差为o 1 ，删。板带和棒材生产均采用液压厚度自动控制( a g c ) 技术， 板形采用板形自动控制( a f c ) 技术，并相应出现了为提高钢材精度的新工艺、 新设备和新技术。我国不少科研单位、高等院校和企业对高精度轧制技术做 了大量的研究工作，并取得了一些成果，但我国钢铁工业由于整体工艺装备 落后，高精度轧制技术向国外工业发达国家相比仍存在较大差距，我国尚有 9 5 以上的札记达不到世界先进水平i ”j 。 板带轧机厚度控制从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂功能的控 制，其发展过程是随着对板带材尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的， 板带材轧制理论近年来已经发展成为一门比较完整的技术科学，这种发展是 在轧制理论的指导下，在机、电、仪表和控制设备的基础上，借助电子计算 机而取得的。因此对轧制理论的发展进行必要的讨论和回顾，进一步估计它 的发展趋势和指出必须解决的问题，具有一定的现实意义【1 4 】【1 5 l 。板带轧机厚 度控制的发展大致可分为以下几个阶段。 1 2 1 轧制的早期阶段 第一阶段是本世纪三十年代以前的人工操作阶段。这一阶段的轧机装机 水平较低，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操作 人员的经验进行的。这一阶段中，轧制理论仅在后期才刚刚开始建立，远没 有达到应用的程度，单回路调节的自动控制理论，尚未应用于控制轧机这类 较复杂的机器，由于轧制过程是一个非常复杂的物理过程，轧制条件和状态 不断发生变化，单凭经验操作很难达到较高要求，致使轧机的各项技术经济 指标都比较低，相应该阶段的厚度控制尚未形成自动控制。 5 北方工业大学硕+ 学位论文 1 2 2 常规自动调整阶段 第二阶段是三十年代到六十年代的常规自动调整阶段i3 1 。1 9 2 5 年卡尔门 提出了轧制力微分方程i4 1 ，1 9 5 0 年英国人发明了轧机弹跳方程，引入轧机刚 度概念，使轧制理论和技术发生了一次飞跃。轧制理论从以力学为基础研究 轧件变形规律，进入以力学和控制论为基础的轧件与轧机互相作用变形规律 统一研究i l6 。该阶段中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，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使 轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。单回路的各种调节系统 不断涌现。主要体现在速度调节系统，张力调节系统，位置调节系统等l l _ 卜2 l j 。 这些自动调整系统的实现，为完善板带轧机的厚度控制提供了先决条件。 早期的厚度控制系统是根据测量出口板厚偏差而调节电动机压下实现的 的，如图1 1 所示。这种装置应用不久就暴露出一系列的缺点：( 1 ) 压下位置 改变比较慢；( 2 ) 传递时间滞后：( 3 ) 压下电动机容量增大等。 图1 1 早期的厚控系统 f i g u r e l 1e a f l ya g c 1 9 5 2 年，英国h e s s e n b e r g 等，根据出口板厚决定于轧机弹性曲线与轧件 塑性曲线交点而推导出的出口板厚表达式，奠定了板厚控制的理论基础。此 后，基于该解析式的所谓“厚度计”式板厚自动控制方式，几乎被这一阶段 所有新建轧机所采用，系统组成的大体结构如图1 2 所示。事实上这种厚度 自动控制方式一直延用到六十年代末，这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 和空载辊缝品，利用弹跳方程计算出任何时刻的实 际轧出厚度 ，这种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计 。 这种间接测量厚度的方法，克服了x 射线测厚仪传递时间的滞后，使厚度控 6 北方工业大学硕十学位论文 ， 制的响应时间大为提高。这种厚度控制系统中仍保留着x 射线测厚仪作为最 终厚度的闭环控制【2 2 1 。 图1 2 厚度计式a g c f i g u r e l 2g a u g e m e t e ra g c 以x 射线测厚仪测厚和“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。 1 2 3 计算机应用阶段 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，形成了六十至八十年代的计算 机控制阶段，即板厚控制的第三阶段，如图1 3 所示【2 3 1 。以弹跳方程为基础 的厚度自动控制理论( a g c ) 在这一阶段得到广泛应用。 计算机在板厚控制中应用首先是在热连轧机设定上开始的【2 4 1 。穿带过程 中，根据被轧材的各种情况，要求快速、最优设定各机架的出口厚度值、辊 缝值及轧制速度等，单凭经验及简单的计算已无能为力了，必须引入计算机 运算才能完成。以厚度计式测厚实现厚度控制，以计算机进行各机架设定， 很好地解决了热连轧机的厚度控制问题。 鉴于计算机设定与厚度计式厚控方案在带钢热轧机上应用的成功，六十 年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期，各国相继改建和新建了一大批热 连轧生产线。与此同时，计算机也逐步以d d c ( 直接数字控制) 形式用于轧制 过程，开始了以计算机设定和计算机控制为标志的新时期。这一阶段的热连 轧机轧制速度可达2 3 0 0 m m i n ，出口厚度7 m m ，带材精度控制在5 0 m 以内 7 北方工业大学硕士学位论文 1 9 7 0 1 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 5 控 制 模 型 传 动 装 置 传 感 器 计 算 机 大容量高速 数据总线 控 制 功 能 图1 3 轧制过程自动化技术的发展概况 f i g u r e1 3d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i z a t i o na b o u tm e t a l l u r g y a g c ：厚度自动控制a w c ：宽度自动控制m i p s ：百万指令秒 v w f ：变频变压w r s 轧机：工作辊横移轧机f f ：前馈 8 圈国 北方工业大学硕士学位论文 的可达8 0 以上。热轧产品质量有了相当程度的提高，同时在节省人力、简 化操作上都有很大的提高。 六十年代后期，在板带轧机的控制上，逐步过渡到了以主计算机设定和 以微机进行d d c 过程控制阶段，并将这种控制方式大量应用于冷连轧机， 使这一阶段冷连轧机发展很快。但在板厚控制方案上，试图将“厚度计 式 厚控方案用于冷连轧机时遇到了困难。其主要原因是“厚度计”式控制方式 与张力调节之间的矛盾，另一方面，冷轧过程中金属的变形抗力很大，而且 随道次的增加而变大，仅测量轧制力偏差，由轧机刚度并考虑一些简单的情 况决定出口厚度偏差已不可能准确。经过多年的研究，形成了这一阶段冷带 连轧机典型先粗调a g c 系统后精调张力的基本思想。如此实现的带钢冷连 轧机厚度控制系统得到了成功，同时由于各种检测设备精度的提高，使这一 阶段的冷轧机发展非常迅速。创世界轧制速度最高纪录( 2 5 0 0 m m i n ) 的日本 君津制铁所第三号冷连轧机，就是1 9 6 8 年开始筹建，于1 9 7 1 年创造的。不 仅如此，这一阶段的板厚控制精度在轧制出口厚度o 3 4 m m 带材时，可控制在 1 0 m 以内。 七十年代起，液压厚控技术( 液压a g c ) 的应用，使板厚控制技术产生了 重大变革【1 6 】。液压a g c 的响应速度比电动a g c 快2 个数量级以上，因此， 使a g c 的内环执行机构几乎可以近似为一个比例环节( 相对于a g c 的响应 速度) ，以实现可变等效刚度的控制效果【2 5 1 。这一阶段的大部分旧式控制方 式的轧机都进行了新技术的改造。 1 2 4 多技术融合阶段 八十年代末至现在，板厚控制技术向着高效高精及大型化、高速化、连 续化的方向发展，成为板厚技术发展的第四个阶段。这一阶段已将板厚板形 控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程自动化级和基础自动化级。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，解耦控制， 控制等控制理论的最新成果，以追求控制性能的更高水平；在监控层的设定 计算中，采用人工智能，模糊控制，神经网络等知识工程的手法，以追求系 统的灵活性和多样性的统一【2 6 1 。以上两方面的不断追求融合在一起，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的目标。 在轧制领域中，过程控制技术以板厚及张力控制为主要代表。在这些控 制中，充分采用多年来控制理论的新成果，在高速控制器上构筑控制系统。 - 9 北方工业大学硕士学位论文 在张力控制方面，六十年代建立了精确的连轧张力微分方程，七十年代发现 连轧张力状态方程的a 矩阵是常阵，得到了多机架张力公式的解析解，并证 明了连轧张力系统是可测量、可控制、渐近稳定的线性系统，张力测厚精度 比压力测厚精度高1 个数量级。另外，还以多机架解析张力公式为基础对冷 连轧过程的模拟方法、动态变规格、穿带过程速度和辊缝的设定【2 7 】【2 8 】等进行 了研究。 这一阶段中在板厚控制的单一技术方面的开发，也产生了相当多的成果。 许多板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动厚度控制器，如g m a g c ，监 控a g c ，张力a g c ，前馈a g c ，反馈a g c 等。可根据工艺需要，选择其中 几种组合形成某种轧机的a g c 系统，以满足板带厚度控制之用。为了提高 头部板厚控制精度，丌发出绝对值a g c ，这种形式的系统以g m a g c 为基 础，采用液压压下，利用各种补偿功能和绝对值锁定方式，实现绝对值 a g c l 29 1 。对于冷连轧机还丌发了m f a g c ( 质量流a g c ) 板厚控制系统【3 0 】1 3 ， 如图1 4 所示。 ，孵1 1 9 1 镡舶耄昌 图1 4 质量流a g c f i g u r e l 4m a s s f l o wa g c 在冷连轧机的任意两个机架( 单机架亦可) 中的m f a g c ，考虑带钢在机 架间的运行速度，将厚度计t g 实现的带钢厚度值延迟至第f + 1 机架，根据秒 流量定律计算带材出口厚度吃+ 1 。 骂“吆。= 忽+ 以h 吆。= ( 1 + z ) k + 1 = ( “1 ) ( 1 + z + 1 ) 1 0 北方工业人学硕十学位论文 其中h 是入口厚度， 是出口厚度，y 是入口带材速度，v 是出口带材速 度，圪是轧辊圆周速度，厂是前滑率，f 是机架号。第i + 1 机架出口的带材厚 度希望值 洲枷与上述的m a s s f l o w 带厚噍+ ，之差通过p i 控制，反馈至第i 机架 的轧辊位置驱动装置来控制带材厚度。机架间的张力耦借助于张力极限控制， 加在第f + 1 的液压压下之上。新开发的m f a g c 可使板厚精度达到0 1 以 内，是当前a g c 发展的一个方向。 近些年来，为进一步提高冷连轧产品质量，广泛采用成品带钢凸度测量 仪( 沿带宽多点x 射线源及矩阵式接收，以获得沿宽度方向的厚度分布) 和带 钢激光测速仪。激光测速仪的使用为流量a g c 的发展创造了条件。在二十 世纪最后的十年，世界轧钢技术发展迅速，轧钢生产实现了高度的自动化、 连续化和高精度化。由于对冷轧薄板质量的要求越来越严，因此计算机控制 系统已是冷轧不可缺少的组成部分。各钢铁企业都加快了薄板生产线改造和 建设的步伐。人工智能技术在轧钢工艺中应用，在热轧带钢轧制中利用人工 智能技术与数学模型结合进行轧制力控制己经丌始应用于工业生产。 1 3本文主要研究内容 国内冷轧板带材的现状仍存在着许多的实际应用困难，先进的控制技术 并不完全就是一个实用的易推广的生产技术，针对许多中小企业和社会实际 需求，常用的传统的厚度控制策略因发展得较为成熟而普遍采用，因此我们 根据实际要求，首先介绍板带轧机厚度控制基本原理，分析了基于弹塑性曲 线的轧件厚度波动的原因和厚控系统的主要补偿方法，在通讯网络总线上， 分析、设计一个铜带可逆冷轧机控制系统，设计了自动厚度控制的软硬件系 统，实现p l c 站与直流装置、交流装置、触摸屏、操作台之间的信号与数据 传递，完成液压缸位置闭环、轧制力闭环、厚度监控和前馈预控的a g c 控 制，完成张力、机列速度的计算，完成对机列、弯辊、倾辊的控制和调节， 并经过实际调试基本达到设计要求。为了更好的提高控制精度，分以下几方 面对厚控系统进行了相关研究：根据现场的实测压力和位置数据利用最小二 乘公式回归出了轧机纵向刚度参数，提高轧制模型精度。分析了基于弹跳方 程的厚度计式a g c 与p i d 控制相结合的方法。最后针对a g c 系统，将模糊 控制与传统p i d 结合，经过仿真研究，结果表明模糊p i d 具有良好的控制效 果。 1 1 - 北方工业大学硕+ 学位论文 2冷轧机厚度控制原理及控制方法 金属的轧制是指轧件被摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩而产生塑性 变形的过程。金属的塑性变形仅产生在轧辊附近的轧制变形区，金属在厚度 方向上受轧制压力压缩作用而产生压下变形量。厚度方向上压缩的体积一部 分向纵向流动使轧件延伸，一部分向横向流动使轧件宽展，其中延伸是轧制 过程中轧件的主要变化。轧机厚度控制的基本原理即为描述轧制过程的数学 模型，基于数学模型形成位置闭环、轧制力闭环和测厚仪监控等控制方法。 2 1板带轧机板厚控制工艺理论基础 a g c 控制的目的是通过测厚仪或传感器对板材实际轧出厚度连续地测量， 并根据辊缝、张力、速度等可调参数的实测值与给定值相比较后得到偏差信号， 借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，把厚度控制的波动影响消除，使 其达到预期的目标厚度。而辊缝、张力等参数的调节又是以机座的弹性曲线和 轧件的塑性曲线一一弹塑性曲线( p h ) 图为依据的。 2 1 1轧机的弹性变形和弹跳方程 轧制时在轧制压力的作用下，工作机座( 轧辊及其轴承、压下装置和机座 等) 产生一定量的弹性变形，总变形量可达2 6 m m 。工作机座的弹性变形将影响 轧辊的开口度和辊型，从而对轧制产品精度造成影响【3 2 】【3 3 l 【34 1 。 机座的弹性变形与轧制压力有关。这些变形符合胡克定律，理论上，机座 弹性变形与轧制压力成线性关系，机座的弹性变形曲线是直线，不同刚度的机 座，其弹跳曲线的斜率不同，如图2 1 a 所示。 ab 图2 1 机座弹性曲线图 f i g u r e 2 1e l a s t i cc u r v eo ft h em a c h i n ef o u n d a t i o n 1 2 北方工业大学硕士学位论文 事实上，由于机座本身机械方面的原因，在轧制压力过小时，机座弹性变 形与轧制压力成非线性关系，这是由于机座各零件之间的接触面凸凹不平和轧 辊的非线性接触变形造成的。当轧制压力达到一定数值后，机座弹性曲线与轧 制压力就成线性关系。此时称机座弹性变形曲线( 图2 1 b ) 直线段的斜率为机座 的刚度系数。 可用下式表示： m ；竺 ( 2 1 ) 噶 式中：m 一机座纵向刚度系数；a p 一轧制压力的变化量；厂一弹性变形的变 化量。 一般认为，纵向刚度系数越大，轧机控制轧件纵向厚度能力就越强。弹跳 方程是胡克定律在轧制过程中的具体应用，在轧制过程中，由于机架在轧制力 的作用下产生弹性变形，这些变形集中体现在轧辊辊缝的改变上，在原有初始 辊缝的基础上，产生附加辊缝，该附加辊缝被称为机座的辊缝弹跳值，同时轧 辊产生弯曲变形，弹性变形的结果，使实际压下量减小，轧件出口厚度大于空 载辊缝。因此，轧件出口厚度等于初始辊缝加上机座弹性变形引起的附加辊缝 值( 弹跳值丛) ，根据弹跳现象可以写出如下弹跳方程： p j l ；& + 丛2 品+ 亩 2 2 ) 式中：瓯一初始辊缝值；p 一轧制力，是所轧带材宽度口，来料厚度日，出口 厚度i l l ，摩擦系数，前、后张力0 、瓦，以及变形抗力q 等的函数： p = 尸( b ，h ，j l l ，乃，瓦，q ) ( 2 3 ) 上式称为金属的压力方程。由式( 2 2 ) 可知，若己知机座刚度系数m ，则 可求出在一定轧制力j p 下，机座产生的弹性大小，便可求出轧件出口厚度j i l 。 但由于轧辊磨损，热膨胀和零件间隙等参数不易给定，厚度 的计算很难做到 精确，故在实际使用中多采用弹跳方程的增量形式： 幽。丛。+ 竺 ( 2 4 ) 。 肘 根据式( 2 2 ) ，此方式厚度控制通过测量轧制力p 和辊缝s ，就可以计算出 轧件出口厚度j i l 。弹跳方程表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制压力和机座纵向 刚度系数之间的关系，是轧机厚度自动控制系统中的一个基本方程，是精确 设定空载辊缝和设计厚度自动控制系统的基本方式，其精确度主要取决于轧 1 3 北方1 ：业人学硕士学位论文 制力p ，预压力晶的精度，机座总刚度系数m 以及s 和s 。的精度。根据式 ( 2 4 ) ，此方式厚度控制是通过测量a p ，改变丛。，使幽= 0 。 p 。 i 二 a ， 0 人工 零位 一 一s一一鼠 s 一 h ss h 图2 2 人工零位时机座弹性曲线图 f i g u r e 2 2e l a s t i cc u r v eo fm a c h i n ef o u n d a t i o n at a r t i f i c i a lz e r op o s “i o n 在实际生产中，由于机座各零件之间的非线性接触变形不稳定，每次换辊 之后都有变化，故弹跳曲线的非直线部分经常是变化的，为了消除上述不稳定 和非直线段的影响，先将轧辊预压靠到定的压力只，并将此时的轧辊辊缝指 示器读数设为零，称为人工零位。见图2 2 中的曲线彳就是预压靠曲线。在零 点轧辊开始接触，当压靠力为只时，轧辊空载辊缝为一s ，是个负值；以此点 为人工零位，即将压靠力为只时的轧辊辊缝指示器读数设为零，称为清零；显 然，当压靠力等于零时，实际的空载辊缝为零，而辊缝指示器读数则为s ；如 果轧辊上升，当实际的空载辊缝为s 时，辊缝指示器的读数为s = s + 瓯，曲线 a 为在此辊缝下的机座弹跳曲线，它与压靠曲线4 完全对称。考虑轧辊液体摩 擦轴承油膜厚度变化的影响，精确的弹跳方程可表示为： p p 一s + 寻一( 6 6 0 ) ( 2 5 ) 坦 式中：s 一调零后空载辊缝指示值；只一人工零位的预压靠力； 6 一液体摩擦轴承油膜厚度；瓯一对应于人工零位的油膜厚度。 2 1 2 轧件的塑性变形和塑性方程 在外力作用下，金属会产生变形，其外力消除后可以恢复的变形称为弹性 变形。而外力超过一定值时，撤除外力后变形也不会恢复，这种变形称为塑性 1 4 北方t 业大学硕士学位论文 变形。轧钢过程就是使轧件产生塑性变形，从而生产出希望的产品。在一定的 轧件宽度和轧辊半径条件下，轧制压力与轧后轧件厚度的关系称为轧件的塑性 变形曲线。轧件塑性变形曲线的斜率称为轧件的塑性刚度系数，可表示为： 形：一鲨( 2 6 ) a 矗 式中：一轧件的塑性刚度系数。 轧件的塑性变形曲线是非线性的，但在一般轧机使用的压下量范围内基本 上是线性的，因此，轧件的塑性方程可近似的表示为： 尸= 一) ( 2 7 ) 式中： 一压下量；a 。一轧制压力直线段延长线与横坐标的交点与塑性曲线原 点之间的距离。 轧件塑性刚度系数缈反映了轧件变形的难易程度，即轧件的软硬程度。轧 件的塑性变形曲线及其塑性刚度系数可通过试验获得。在轧件轧前厚度、张力、 摩擦系数及变形抗力等不变的条件下，改变轧件轧后厚度办，可测得一系列相 对应的轧制压力p 。根据测得数据，就可绘制成轧件的塑性变形曲线，进而得 到轧件的塑性变形刚度系数。 当轧制条件( 某些因素) 改变时，塑性曲线及塑性刚度系数也随之发生变 化。在一定的轧制压力下，轧件的轧前厚度越薄，塑性曲线越陡，轧件塑性刚 度系数肜越大，压下量越小；张力越小，塑性曲线越平稳，轧件塑性刚度系数 形越小，轧件的轧后厚度越薄；摩擦系数越大，塑性曲线越陡，轧件塑性刚度 系数越大，轧后越薄。 2 1 3 弹塑性曲线( p h 图) 以轧件厚度h 为横坐标，以轧制力p 为纵坐标，将机座弹性曲线和轧件 塑性曲线绘在同一坐标系里就得到p h 图。它是综合分析轧制过程中压力、辊 缝、厚度之间相互关系的一种直观简便的方法。它能定量直观地反映出来料厚 度、出口厚度、辊缝、弹跳值、轧制力、轧制时压下量等多个参数之间的关系， 如图2 3 所示。 轧件在轧制压力p 的作用下产生塑性变形，而机座在轧制力p 的反作用下 产生弹性变形，其作用力和反作用力相等而达到平衡状态。因此，曲线彳，b 的 交点d 就是轧机在给定条件下的工作状态，它决定了实际轧制力的大小，从而 决定了轧件的出口厚度厅，因此，一切影响曲线彳，b 交点位置的因素，都将影 1 5 北方工业大学硕+ 学位论文 响轧件的出口厚度。板带材的厚度控制就是力图在交点位置变化了的情况下， 维持交点的横坐标矗不变。 p p 图2 3 轧机弹塑性曲线( p h 图) f i g u r e 2 3e 1 a s t i ca n dp l a s t i cc u r v eo ft h em i l l 2 2轧件厚度波动的原因 由轧机的弹跳方程式可知，轧后得轧件厚度主要取决于空载辊缝、轧制压 力、轧机的纵向刚度模数和轴承油膜厚度这4 个因素。因此，无论是分析造成 轧件厚度波动的原因，还是阐明板厚控制的基本原理，都应从这4 个因素的分 析入手。 2 2 1 空载辊缝的变化 轧辊的偏心、磨损和热膨胀等都会在液压缸位置不动的情况下，使实际的 空载辊缝s 发生变化，从而使轧件的轧后厚度产生波动。如图2 4 所示，当空 载辊缝由& 变化到s 。或& ：时，弹跳曲线位置将由彳平移到4 或4 ，轧件厚度 由j l 变化到i l l 或也。 z 2 尸i p n 0 图2 4 空载辊缝变化对轧件厚度的影响 f i g u r e 2 4i n u e n c eo fr o l l e rg a pt os t r i pi h j c k n e s s 1 6 北方工业人学硕士学位论文 2 2 2 轧制压力的波动 轧制压力波动是造成轧件厚度波动的主要原因。所有影响轧制压力的因素 都会影响轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过改变弹跳曲线和塑性曲线 的支点位置，而影响轧件的实际轧出厚度，如图2 5 所示。 p o p o 缟如向 h a p 0 p o 岛白 h h b 缟 h h 岛魄 hh cd 图2 5 轧制压力波动对轧件厚度的影响 f i g u r c 2 5l n n u e n c eo fp