（材料加工工程专业论文）双机架可逆冷轧机的静态特性和动态性分析.pdf

at h e s i si nm a t e r i a lf o r m i n ge n g i n e e r i n g s t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nt w o 2 s t a n d sr e v e r s i b l ec o l dr o l l i n gm i l l b yh o u z e y u e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd ih o n g s h u 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 95川9m 0彻48 mii1y inr - 膏，q 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： 拜 l e l 期：沙埒7 砂 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。 学位论文作者虢传浒妒、导师虢 签字日期：少巾8 7 了 签字日期： ， ， - 东北大学硕士学位论文摘要 i i i iti i ii i i ii ii i i r i i i i i i i ii ii 萄荫黼 双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 摘要 对于双机架可逆冷轧机组，加速和减速过程所需的时间在整个轧制周期中所占的 比例相对于五机架冷连轧有所上升，对轧机生产能力的制约作用逐渐凸显。本文以济 钢集团公司冷轧厂的双机架可逆冷轧机组为对象，根据该轧机的轧制工艺编写了静态 和动态轧制过程仿真软件。基于该仿真软件对轧机的静态和动态特性进行了分析研究， 为动态轧制过程中的张力控制和厚度控制提供了理论指导。主要工作和结果如下： 1 ) 基于连续轧制理论，建立了适合于双机架可逆冷轧机组的静态特性分析数学模型 和动态特性分析数学模型，开发了相应的仿真软件； 2 ) 根据静态特性仿真软件计算结果，分析得出辊缝、轧辊速度、摩擦系数、轧件 来料厚度、轧件变形抗力对机架间张力和带钢出口厚度的影响规律。其中对第一机架 带钢出口厚度影响最大的为热轧来料厚度，第二机架则为轧辊速度；对机架间张力影 响最大的为轧辊速度；蕾 3 ) 根据动态特性仿真软件和加速轧制仿真软件计算结果，分析得出各轧制参数对 机架间张力和带钢出口厚度影响的大小依次为轧辊速度、热轧来料厚度、辊缝。认为双 机架可逆冷连轧机加减速轧制过程发生断带的原因是机架间张力波动过大，当张力波动 在峰值时，如果带钢边部有裂纹等缺陷，则张力超过带钢该点的抗拉强度，从而导致带 钢由该点撕裂，发生断带事故。动态轧制过程中轧辊速度是造成机架间张力和带钢出口 厚度波动的主要因素，因此轧辊速度是机架间张力控制和轧件厚度控制的首要因素。 关键词：双机架，可逆冷轧，静态分析，动态分析，张力控制，厚度控制 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nt w os t a n d s r e v e r s i b l ec o l ds t r i pr o l l i n gm i l l a b s t r a c t f o rc o m p a c tt w os t a n d sr e v e r s i b l ec o l dr o l l i n gm i l i ( c c m ) ，t h er a t i oo ft h et i m en e e d e d b ya c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni nt h ew h o l er o l l i n gr h y t h mr i s e s ，w h i c hr e s t r i c t st h em i l l o u t p u ti n c r e a s i n g l yo b v i o u s t h ec c mo fc o l dr o l l i n gp l a n ti nj i n a ns t e e lg r o u pc o r p o r a t i o n i si n v o l v e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er o l l i n gt e c h n o l o g y ，t h r e es i m u l a t i o np r o g r a m so f s t a t i c a l l y ，d y n a m i c a la n da c c e l e r a t i o nr o l l i n gp r o c e s sa r ec o m p i l e d a n db a s e do nt h e s i m u l a t i o np r o g r a m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t a t i c a l l y ，d y n a m i c a la n da c c e l e r a t i o np r o c e s s a r er e s e a r c h e d t h em e t h o da n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c et oc o n t r o lt h et e n s i o na n dt h es t r i pg a u g e i nt h ed y n a m i c a lp r o c e s si sp r o v i d e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra sf o l l o w i n g 1 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h et a n d e mc o l dr o l l i n g ，m a t h e m a t i cm o d e l sf o rs t a t i c c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s w h i c hs u i t a b l ef o rc c ma r e e s t a b l i s h e da n dr e l a t e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea r ec o m p i l e d 2 ) b a s eo nt h ep r o g r a mo fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c el a ww h i c hr o l l i n g p a r a m e t e r s ，s u c ha sr o l l e rg a p ，r o l l e rs p e e d ，h o tr o l l i n gs t r i pg a u g e ，d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n d f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，f o rt h et e n s i o na n ds t r i pe x i tg a u g e t h em a i ni n f l u e n c ec a u s ef o rt h es t r i p e x i tg a u g eo ft h ef i r s ts t a n di st h eh o tr o l l i n gs t r i pg a u g e ，a n df o rt h es e c o n ds t a n di st h er o l l e r s p e e d t ot h et e n s i o nb e t w e e nt w os t a n d s ，t h em a i ni n f l u e n c ec a u s ei st h er o l l e rs p e e d 3 ) c o m p a r a t i v e l ya n a l y z e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i m u l a t i o na n da c c e l e r a t i o n r o l l i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，p o i n to u tt h ei n f l u e n c ei n t e n s i t yf o rt h et e n s i o na n ds t r i pe x i tg a u g e a st h a t ，r o l l e rs p e e di st o p ，h o tr o l l i n gs t r i pg a u g ea n dr o l l e rg a pa r ef o l l o w i n g s u g g e s t st h e m a i nc a u s ef o rt h es t r i pb r e a k i n gi na c c e l e r a t i o nr o l l i n gi st h a tt h ew a v eo ft h et e n s i o n o v e r s i z e d w h e nt h et e n s i o nw a v eo nt h em a x i m u mp e a k i ft h e r ei sa n yd e f e c to nt h es t r i p e d g e ，t h et e n s i o nw i l lg r e a tt h a nt h es t r i p t e n s i l es t r e n g t ha n dl e a dt os t r i pb r e a k i n g t h em a i n c a u s ef o rt h et e n s i o na n ds t r i pe x i tg a u g ef l u c t u a t i o nw h i c hi nt h ed y n a m i cr o l l i n gi sr o l l e r s p e e d ，s ot h a ti st h ef i r s tf a c t o rf o rt h et e n s i o na n ds t r i pe x i tg a u g ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：d o u b l es t a n d s ，r e v e r s i b l ec o l dr o l l i n g ，s t a t i c a l l ya n a l y s i s ，d y n a m i c a la n a l y s i s ， t e n s i o nc o n t r o l ，g a u g ec o n t r 0 1 i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 摘要i i j i 。b s t r a c t i i i 目蜀乏i 第1 章绪论1 1 1 前言。1 1 2 课题背景5 1 3 国外的研究现状6 1 4 国内的研究现状8 1 5 课题研究的目的和内容1o 第2 章双机架可逆冷轧机组静态特性分析的基本理论1 1 2 1 概论11 2 2 冷轧静态特性分析基本理论1 1 2 2 1 基本方程1 2 2 2 2 基本方程组的偏微分系数1 9 2 3 本章小结。2 7 第3 章静态特性模拟研究结果与分析2 8 3 1 基本方程求解2 8 3 1 1 求解方案2 8 3 1 2 基本方程组的线性表示2 8 3 1 3 影响系数的计算及静态特性分析3 0 3 2 轧制影响系数分析3 4 3 2 1 正向轧制3 4 3 2 2j 重向轧制3 6 3 3 本章小结3 9 第4 章双机架可逆冷轧机组动态特性分析的基本理论4 0 东北大学硕士学位论文双机架可逆冷轧机的静态特性和动特性态分析 蔷赫函i 蕊葡函i 蕊i i i i i i ii i i i l n l i i ii i ii i i i i i i i i 函i 赢嗣i 蕊i 函函函i i i 赫i 萄萄荫函i 萄i 赫嗣酾函i 西函函i 蕊函函嗣墨 4 1 概论4 0 4 2 冷轧动态特性分析的基本理论4 1 4 2 1 基本方程4l 4 2 2 基本方程的计算方法4 2 4 2 3 计算过程的实现原理4 5 4 3 本章小结4 8 第5 章动态特性模拟研究结果与分析4 9 5 1 加速和减速过程的动态特性分析4 9 5 1 1 计算方法4 9 5 1 2 仿真结果分析5 l 5 2 轧制参数发生波动的动态特性分析。5 6 5 2 1 计算方法5 6 5 2 2 仿真结果分析。5 8 5 3 本章小结7 2 第6 章结论。7 3 参考文献7 5 致谢7 7 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 当薄板带材厚度小于一定限度时，由于保温和均温的困难，很难实现热轧，并且随 着钢板宽厚比的增加，在无张力的热轧条件下，要保持良好的板形也非常困难。采用冷 轧可以较好地解决这些问题。首先，冷轧不存在降温和温度不均的问题，因而可以生产 很薄、尺寸公差很严和长度很大的板卷。其次，冷轧板、带材不仅表面光洁度很高，还 可以根据要求赋予各种特殊表面，这一优点甚至使得某些产品虽然从厚度来看还是可以 采用热连轧方法生产，但出于对表面光洁度的要求却宁可采用冷轧来生产。此外，近年 来从降低板卷的热轧和冷轧所需总能耗的观点出发，主张增加冷轧来料卷的厚度，扩大 冷轧范围，以便在热轧时实现低温加热轧制，大幅度降低能量的消耗【1 2 】。 冷轧板带材不仅表面质量和尺寸精度高，而且可以活得良好的组织和性能，通过 冷轧变形和热处理的合理搭配，不仅可以比较容易的满足用户对各种产品规格和综合 性能的要求，还特别有利于生产某些需要有特殊结晶织构和性能的重要产品，例如硅 钢板、深冲板等。 冷轧是生产冷轧板带钢材的主要成品工序，其生产的冷轧板带属于高附加值的钢 材品种，是汽车、建筑、家电和食品等行业所必需的原材料。 近年来，由于热轧带钢成品厚度的不断减薄，加上薄板坯连铸连轧技术迅速发展， 其年产量可达8 0 1 5 0 万t ，与其相配的冷轧机的结构发生了很大的变化。传统的五机 架冷连轧对1 2 r a m 1 5 m m 的热带钢原料来说，设备能力过于富裕，同时，五机架冷 连轧对薄板坯连铸连轧机来说，产能亦显得过大。而随着强力冷轧机( 主电机功率及压 下能力加大的冷轧机) 的发展，单机架可逆冷轧及双机架可逆冷轧有了发展空间。采用 一套双机架可逆冷连轧机组轧制较薄的热轧钢卷，其年产量可达1 0 0 万t ，与薄板坯 连铸连轧机比较匹配，而其设备投资却远远低于传统五机架冷连轧机组【3 1 。 双机架可逆冷连轧过程是指带钢在2 台轧机上往复进行多道次的压下变形，最 终获得成品厚度的轧制过程，可以用2 个、4 个或者6 个道次( 即每个轧制方向可 分为2 个道次) ，规程制定比较灵活，仪表配置一般比较齐全，在每一个机架前后 都设置有测厚仪、激光测速仪张力辊等，并在出口侧配置有板形仪等体现现代轧制 控制技术的先进设备。 2 0 0 4 年，国内第一套高水平双机架可逆冷轧机组落户济钢，该机组是采用液压压 东北大学硕士学位论文 双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 i i i i i i 蕊i 蕊i i i i i i i 1 1 1 1 1 1 i 一i i 一i l l l i l l 下的串列式冷轧机组，这是d a n i e l i 公司提供的强力双机架可逆冷轧机，其主传动电机 功率达6 0 0 0 k w ，最大轧制力2 2 m n ，1 8 m m 5 0 r a m 热轧带卷只采用4 个道次就可轧到 o 3 0 m m 2 5 m m 的冷轧成品，年产量可达至t j 8 4 万t 【2 - 5 】，表1 1 列出了该双机架可逆冷轧 机组的技术参数。从年产量来看，冷连轧机组大于双机架可逆冷轧机组，双机架可逆 冷轧机组大于单机架可逆冷轧机组：从生产组织灵活性来看，单机架可逆冷轧机组优 于双机架可逆冷轧机组，双机架可逆冷轧机组优于冷连轧机组。因此，可逆冷轧机组 在国内外中小钢铁企业有着广阔的应用前景【2 】。 表1 1 双机架可逆冷轧机组参数 1 a b l e1 1p a r a m e t e r so ft h ec c m 双机架可逆冷轧机组的控制功能与五机架冷连轧机组有许多相似之处，主要功 能包括以下几个方面： ( 1 ) 轧件及特征点跟踪； ( 2 ) 轧制规范及设定模型； ( 3 ) 模型的自适应及自学习： ( 4 ) a g c 系统； ( 5 ) a s c 系统： ( 6 ) 开卷及卷取的张力控制； 第1 章绪论 i l l l l l li i i i i i i l li l l l li l l l li l l l i ti l li i ii l l li ii ii l l l l l l l li l l ( 7 ) 自动加速、减速及自动停车控制。 不同之处仅仅在于： ( 1 ) 以道次和轧制方向代替机架数； ( 2 ) 顺序控制比较繁杂，包括自动加速、自带减速、自动停车及可逆轧制。 双机架可逆冷轧机组可以是四辊轧机采用支承辊修形、c v c ，也可以是六辊 h c ( 或者u c ) 轧机，如需要轧制极薄带材则须采用多辊轧机。轧机一般配置液压 压下系统，液压弯辊系统，图1 1 是典型的双机架可逆冷轧机组控制系统及其仪表 配置。其液压压下可以是厚度外环位置内环，也可以是厚度外环压力内环。除了张 力卷取机的张力对卷取机速度进行控制( 直接或者间接张力控制) ，开卷机后张力 以及机架间张力则用于控制下一机架的辊缝1 6 】。 图1 2 所示为济钢双机架可逆冷轧机组配置图，经过酸洗处理之后的热轧带卷用 吊车吊至上料步进梁送到钢卷小车以装到开卷机上，通过开卷铲刀、夹送辊将带钢 头部送到矫直辊，通过带侧导板的输送辊道导入轧机实现穿带过程，带钢以穿带速 度( o 8 3 3m s 1 6 6 7 m s ) 逐渐进入各机架，当带头进入卷取机卷筒后，轧机以预定 s l u 力( 6 0 0 k n 1 0 0 0 k n ) 压下，并建立开卷机与第一机架、第一二机架间、第二机 架与卷取机之间的张力，当张力达到设定值后，机组开始同步加速至轧制速度，此 间各自动控制系统相继投入使用，并进入稳定轧制阶段，进行正向轧制。由图1 3 轧 制速度制度可知，稳定轧制阶段占整个轧制过程的7 7 ，但只占整个轧制周期的4 6 左右，当开卷机卷筒上的带钢剩余长度达到设定值，即带钢即将完成第一道次轧制 时，轧机自动开始减速至穿带速度，各自动控制系统相继退出使用，带钢尾部脱离 开卷机，进入转向辊时，轧机自动停车，此时l 号和2 号轧机间张力保持不变。轧 机及2 号卷取机逆转，此时带钢尾部变成带钢头部，由转向辊和卷取机压力辊将带 钢头部导入1 号卷取机，加速至穿带速度，建立l 号机架和1 号卷取机之间的张力。 之后机组开始同步加速至轧制速度，此间各自动控制系统相继投入使用，并进入稳 定轧制阶段，进行逆向轧制。当2 号卷取机卷筒上的剩余带钢长度达到设定值时， 机组减速到甩尾速度，各自动控制系统相继退出使用，横切剪切断未经轧制的带钢 尾部，完成甩尾过程，卸卷小车上升，卷筒收缩以便卸卷小车将钢卷卸出并送往输 出步进梁，最终由吊车吊至下一工序，完成整个轧制过程。 在这个过程中，双机架可逆冷轧机组存在着繁杂的顺序控制，轧机顺序控制包 括以下功能： ( 1 ) 自动穿带： 东北大学硕士学位论文双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 i i i ii i 1 1 1 1 1 i l i i l l i l l l l l r lr l l1 1 1 1 蕊i i i i i i i i ( 2 ) 自动加速； ( 3 ) 自动减速； ( 4 ) 自动停车和反转。 其速度变化如图1 3 所示，在热轧钢卷装上开卷机后，完成正向轧制后，带钢脱离开 卷机，将在1 号卷取机上咬钢卷取，之后带钢将在两侧卷取机上来回往复轧制，为了避 免卷取机反复进行咬入和建张等过程，带钢在可逆轧制时将不脱离卷取机( 带钢在卷取 机上剩余若干圈) ，经过几个道次的反复轧制，带钢越来越薄，而留在卷取机上的两端没 有经过轧制，较正常轧制段厚，因此必须精确的停车，以免厚度较大的端头误入轧机。 为了确定开始减速点和停车点，在进行热轧钢卷酸洗时应测量其长度，如果是 两个或者几个热轧钢卷并卷而成的冷轧来料卷，则还需确定焊缝的位置，近年来由 于冷轧机入口及出口侧装配激光测速仪的普及，可以在线确定带钢长度。 由于受双机架可逆冷轧工艺本身特性的影响，机架存在着频繁的穿带- 力口速和减速 - 甩尾的工艺过程，使产量和产品质量均受到影响，特别是加减速阶段张力波动大，工 艺参数不稳定，带钢头尾部厚差往往要比稳定轧制时带钢中段大出一倍，而且对于末 道次出i = l 厚度很薄的宽规格带钢，张力的波动很容易超出带钢强度极限，造成断带事 故。因此，在生产过程中，尽量使用重量接近设备承受极限的钢卷( 每卷带钢最大3 5 吨，最大外径2 2 0 0 m m ) ，增加稳定轧制阶段的比例，以提高钢卷成材率。 图1 1 双机架可逆冷轧机仪表配置 f i g u r e1 1 i n s t r u m e n t so ft h ec c m t c 张力控制压下，t r 开卷机、卷取机张力控制凹路，s r - 速度控制同路 t c - t e n s i o nc o n l r o lr e d u c t i o n , t r - t e n s i o nc o n t r o lc i r c u i to f t h eu n c o i l e ra n de o i l e r , s r - s p e e x ic o n t r o lc i r c u i t 第1 章绪论 2 图1 2 双机架可逆冷轧机工艺布置 f i g u r e1 2t e c h n o l o g i c a ll a y o u to f t h ec c m l 、2 1 群和2 撑机架，3 出口对中装置，4 测厚仪，5 激光测速仪，6 转向辊，7 一卷取机压力辊，8 、1 3 2 撑和1 撑卷取 机，9 张力测量辊，l o 带钢压紧辊，1 1 车l 线辊，1 2 压带机，1 4 开卷机，1 5 驱动压辊，1 6 夹送三辊矫直机，1 7 导向辊。 l ，2 s t a n d s ，3 - c e n t r i n gm i l e r ，4 - t h i k n e s sg a u g e ，5 - l a s e rv e l o c i m e t e r ，6 - s t e e r i n gr o l l e r ，7 - p r e s s u r er o l l e ro ft h ee o i l e r , 8 ，1 3 一t o i l e r , 9 - t e n s i o nm e a s u r i n gr o l l e r ，1 0 - s t r i pc o m p a c t i o nr o l l e r ，ll - r o l l i n gm i d l i n em i l e r ，1 2 一b e l tt y p er o l l e r , 1 4 一u n c o i l e r ，1 5 一d r i v ep r e s s u r em i l e ro f t h ec o i l e r , 1 6 3h i g hp i n c h - s t r a i g h t e n e r , 1 7 一g u i d er o l l e r 垒| ! i! l ! l星l ! l! !i 兰i竺 t ( 8 ) i p a s s s c h e d u l e n o t i m e ( s e c o n d ) s u m 2 1 1 17 01 8 8 0 1 89 0 2 01 7 52 07 05 5 0 1 2 课题背景 图1 3s p c c 的双机架冷轧速度制度 f i g u r e3 1s p e e d s c h e d u l ei nt h e r o l l i n gs c h e d u l e o fo n es p c c 双机架可逆冷轧生产是一个比较复杂的钢铁生产过程，包括许多重要的工艺制度、 计算和控制环节，涉及到多方面的模型设定计算，如轧件的变形抗力模型、轧制力模型、 力矩模型、能耗模型、张力模型、轧机刚度模型、摩擦系数模型等等。由于设备的参数 5 东北大学硕士学位论文双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 i i i ii i1 1 i - - - - -ii i i i i i i i i i i 不同，则各套轧机间加速和减速工艺制度差别也较大。各生产线的轧制工艺制度因为模 型和设备参数不同而形成自己的特性，这些特性决定着穿带加减速时间、带材能耗、设 备损耗等，从而直接影响到公司的生产效益。 在正常的双机架可逆冷连轧过程中，一般涉及的问题主要集中在控制系统的模型计 算、带钢的板形、板厚控制和某些突发的设备、工艺事故上，如乳化液问题等。除了轧 机本身因为单卷可逆轧制而频繁停机、反转、加减速外，当轧机出现问题时首先也要停 机进行处理。如果轧机的工作状态不稳定，或者轧制的带钢情况复杂，此时加减速更会 时常发生，所以导致车l g j 状态处于不稳定阶段的次数增多。另外，轧机每次换辊和检修 之后也要进行加减速试车。因此，双机架可逆冷连轧过程中，带钢加减速工艺制度的研 究是其中一个极为重要的研究课题。而且国内许多新的双机架可逆冷轧机组在实际操作 中也存在着加速和减速工艺制度的问题。 双机架冷轧机组在加减速过程中，过程自动化级根据来料参数和数学模型进行预设 定计算，并将结果通过工业局域网传输给基础自动化级，由基础自动化级的执行结构实 现这些控制目标值，整个过程不需要人工干预，操作工不需要操作轧机，仅仅根据需要 调用模型、监视轧制过程的进行和处理异常情况，完全实现了自动化，因此，轧机的加 速和减速以及轧制参数发生波动的过程可以在较高的速度下完成，时间耗费减少，大大 提高了设备的使用效率【7 】。 双机架冷连轧机组的加速和减速轧制，需要剪掉较长厚度超差的带钢头部和尾部， 带材头尾损失量大，直接影响成品收得率，并且伴随轧机服役期的增长，在冷轧机组上 加速和减速过程中会出现不能正常运行的现象，如张力不稳定，失张，甚至造成断带， 堆钢等现象。 本课题对薄宽带钢冷轧轧制过程动态过程进行仿真，就是针对冷轧机组加速和减 速和轧制参数发生波动的过程，以冷轧机动态过程控制系统为依据，建立动态过程仿 真系统。以该仿真系统为研究平台，将优化后的控制参数、控制算法、控制策略在仿 真系统中进行仿真计算，分析结果数据，并进行进一步的优化工作，直至达到可以进 行现场试验、应用的程度。 1 3 国外的研究现状 2 0 世纪5 0 年代中期在理工科的各个领域出现了数值计算方法，由此以来，将模 拟计算机应用到轧制领域的潮流以日本为中心被迅速展开。目前动态特性分析已经成 为制定轧机新控制系统或运转方案不可缺少的手段【8 ，9 1 。 第1 章绪论 叠i i i i i i i i i l l l li l i l i i 叠i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 9 5 5 年英国w c h e s s e n b e r g 和j e l l l ( i n s 【1 0 l 导出辊缝与辊速变化对板厚和张力影响 的流量方程，开始了用数学模拟研究连轧的历史。1 9 5 7 年美国的p h i l l i p s t l l 】发表了用 数学模型研究速度变化和压下变化对于连轧机带钢出口厚度影响的论文，着眼于轧辊 和轧件接触弧的中性点求解了入口侧板厚、出口侧板厚、前张力、后张力发生变化 时在中性点轧件厚度变化的一次方程，在连轧机的所有机架中，对后段第4 、第5 机架的自动厚度控制系统进行了模拟计算。模型采用增量法，研究中没有涉及设备， 所以都只是研究了生产中不平衡过程的表面现象。1 9 6 3 年，s e k u l i c 1 2 】等人对第4 架 轧机进行了模拟计算，提出了新的自动板厚控制方案，分析的问题是扎孩子条件改变 时前滑率不变。类似这些以前发表的论文全部是用计算机进行模拟的，因单元数受到 限制，因此作了各种省略和简化。另外连轧机的变量数目一多，要对所有变量的变化 范围用计算机全部模拟是非常困难的。 f s o n n 在19 8 6 年维也纳i f a c m a c s 仿真系统座谈会上发表了双机架冷连轧仿 真的报告l l3 。，1 9 9 0 年法国s o l l a c ci r e p 研究所的工程师p 贝洛介绍了四机架串列 冷连轧全计算机模拟【1 4 1 ，其中除活套以外，对连轧的张力、电机、压下机构和机座都进 行了较详细的描述，他们的研究首次与设备特性联系起来，大大提高了连轧仿真水平。 i r m c d o n a l d 【l5 】在1 9 9 3 年发表了冷连轧仿真程序，对轧辊位置、轧辊热凸度、 电机转速、机架间张力、活套支撑器高度、板带形状都有动态闭环p i d 控制。其数学 模型采用线性经验回归式，在当时计算机水平条件下，使计算速度得到提高。 1 9 9 4 年一位学者发表使用s i m u l i n k 第四代编程语言，进行轧制模块化编程仿真论 文【l 引，作者使用高级图形化语言完成轧制系统的模型构造，研究了轧机厚度自动控制。 这是首篇在板带轧制领域采用通用图形编程平台进行仿真的介绍，文中作者将各架轧机 独立表示，特别强调图形化编程效率极高的特点。但众多数据传递没能合理处理，如何 更好发挥模块编程交互性特点还有待开发。 1 9 9 6 年j e p s o no n 发表冷连轧的模型仿真论文中【l7 1 ，介绍了将电机、连接轴、传动轴、 牌坊、带钢等全部看作弹性体模型，然后用类似梯形图来编程，从而对轧机振颤展开研究。 1 9 9 7 年f r a n kf e l d m a n n 在m p t 上发表扁平件轧制仿真论文【1 8 】，专门讨论数学模型在 仿真与控制方式的作用，针对电机与轧辊质量系统建立弹性模型。另外研究了轧辊弯辊与 热凸度。该文多处用形象框图表示连轧过程以及板形控制，但示意图还没有嵌入计算功能。 日本学者早在2 0 世纪6 0 年代就开始进行轧制过程数字模拟的研究，其中阿高松男、 铃木弘【1 9 1 ，镰田正诚例等人对冷、热连轧机组的动态综合特性做了详细的研究，讨论了 从单机架的基本方程式到连轧机的连解方程组，加减速特性、温度模型、活套特性等许 东北大学硕士学位论文双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 i i i i i i 黼- i i i ?一li l li il li i i i i i i i i i 多方面的问题。此后，除迸一步研究连轧数学模型外还发展到连轧控制系统的研究上， 铃木弘、小西正躬【2 、高桥亮等人把各种连轧数学模型同各种控制模型结合起来。研究 评价各种a g c 所起的作用，但采用一般的影响系数法或直接法，并用基本语句编程，整 个仿真计算不便人机交互，修改补充继承难度很大。 近年来，日本模拟仿真的趋势是向数模高度精确化、控制手段多样化发展，各种 先进技术和科学思想( 如神经元网络、组织性能预报、专家系统等) 纷纷应用于其中， 使模拟仿真技术更加先进、成熟。1 9 9 8 年，昆野安彦发表论文2 2 1 ，其中除继续应用连 轧影响系数法建立多阶微分方程组外，还以图形化为工具平台，描述了图形模块化方 法在轧制仿真中的应用前景。 1 4 国内的研究现状 国内最早研究连轧仿真的是中国科学院数学研究所张永光和钢铁研究总院张进之 等人。他们在自动化学报上发表论文讨论模拟冷连轧的方法【2 3 1 ，在论文中，由张力 微分方程及张力与前滑线性关系为基础，导出张力状态模型。同时把张力系统与厚度系 统分离，使得厚度的计算变为单变量的非线性隐式方程，再用差分方程作递推计算。连 轧方程组仅仅围绕轧制力学、运动学，没有涉及设备特性。 国内仿真研究与设备性能联系的是1 9 8 0 年冶金部自动化所陈振宇在冶金自动化 发表的连- 车l a g c 的论文【2 4 j ，论文论及不同轧制力测量滞回效应、压下机械间隙、数字直 接控带i j d d c a g c 的采样效应、轧辊偏心效应、张力波动效应，尤其考虑活套l p r 和主 传动a s r 调速系统。但研究仅限于两架轧机。 1 9 8 0 年孙一康教授在北钢院学报上发表热连轧厚度控制的仿真论文【2 5 1 ，编程中紧密联 系电机与压下设备，并使用大量堆栈作为中间数据存放，尤其对反馈和前馈的复合效果给 予详尽讨论。运算主要采用差分数值叠代计算，在当时的中型计算机上需要运行很长时间。 1 9 9 4 年，北京科技大学自动化系穆志纯教授在与国外专家合作研究轧机液压缸的动 特性基础上，发表了关于液压缸与弯辊技术在高速板带轧机中的计算机仿真论文【2 6 1 ，文 中对液压系统、轧辊、传动轴主传动电机都建立相应模块，实现了多架连轧仿真，探讨 了设备调节速度对轧制的影响，尤其对牌坊应力滞后回线讨论了频率特性，大大推进了 轧机动态特性的分析工作。但仍然是在交互性操作方面还有待改善，随后又发表针对热 带钢速度和厚度控制仿真论文【2 7 】，用图形模块编程对活套张力控制系统和主传动速度控 制系统进行了计算机仿真，研究了轧辊偏心以及轧制速度与活套动作快慢的紧密关系。 1 9 9 8 年燕山大学高英杰、王益群、孔祥东在燕山大学学报上发表板带a g c 仿真 第1 章绪论 i i i i 论文【2 引。论文详细介绍了m a t l a b 图块下液压a g c 的仿真分析，文中用形象四辊来表 示轧机。以后还有不少专门研究液压a g c 的论文，为整体连轧仿真提供了借鉴。 1 9 9 8 年东北大学自动化研究中心潘学军【2 9 1 等，介绍了他们开发的冷连轧计算机控制 仿真软件包，在编制当中全面考虑驱动电机、液压压下、材料特性等轧制因素，还有采 集接口进行自适应修正，因而软件功能较为全面，接近现场实际，成为少数推向市场的 成熟软件之一。但采用影响系数法使应用范围较小，操作修改还不够方便，计算量较大。 太原重机学院高慧敏、曾建潮2 0 0 0 年用c 语言编出后处理显示丰富的连轧仿真程序 3 0 1 。该仿真系统也采用模块化编程，甚至包含模型自学习功能，而且采用c l i e n t s e r v e r 工作方式，仿照了现场一、二级的控制系统模式。由于软件是低级语言完成，整个程序 十分庞大，难于解读继续补充修改，双机通讯也成为运行颈瓶，与设备联系不紧密。 2 0 0 1 年东北大学控制仿真研究中心崔建江主任等发表轧制优化建模的文章【3 。文中 高屋建瓴地论述了系统建模的基本原则，提出了对仿真原型系统进行模块化分解，并将 软件再工程的方法运用于仿真系统的软件设计中的思想，其本质就是模块公用化。 2 0 0 2 年底燕山大学张伟、王益群发表冷连轧动态过程建模与仿真论文【3 2 1 。文中 介绍对轧机辊系建立的三自由度负载方程，考虑张力、加工硬化，采用动态数组解决某 一现场架间变步长延时问题，属于直接法仿真。具体编程方法与操作方面介绍不多。 2 0 0 3 年东北大学谭树彬在计算机仿真杂志上探讨冷轧穿带工艺仿真【3 3 1 ，主要是 针对端头没有张力，厚度偏高时制定优化的压下过程，保证各道咬入时压下均匀，减少 压下过大，造成跑偏的事故出现。仿真结果对现场生产进行指导，大大减少出现头部跑 偏的几率，受到现场欢迎。 宝钢2 0 3 0 m m 冷连轧的仿真研究论文也不少【3 4 1 ，主要是介绍使用正式购买的分布式 图形化软件m a t ri x x 与p l u g & s m 实现多级多层次分布协同仿真。m a t ri x x 是控制 系统图形化编程的软件平台，它具有丰富的功能图形库和联机交互能力，因而它既可以 在独立的单机上运行，也可协同其它计算机工作。这一系统不但适合轧制过程的局部复 杂问题的分析，也适合轧制生产大系统的仿真，还能直接对计算机通讯所占时间对过程 控制的影响进行仿真分析。但其价格昂贵，不是一般企业所能接受。 2 0 0 4 年张伟等发表基于冷连轧动态特性的仿真研究论文【3 5 1 。文中将工艺设定与 设备密切联系，分析了各种干扰对厚度的影响。但没有涉及活套支撑器和操作界面。 近年来还有学者研究可视化虚拟场景仿真，实现轧制的实时虚拟训练。为了提高仿真 速度，他们采用了数字协处理器d s p 内存映像网卡【36 ，初步实现了实时场景的虚拟仿真。 2 0 0 6 年王正林博士生在北科大学报上发表介绍以a g c 实时为目的的仿真研究 东北大学硕士学位论文双机架可逆冷轧机的静态特性和动态特性分析 i ii i i i i 嗣麓i i i i i 谶i i i i i 菌i 誓嗣i 麓i 函i i i i i i i i i i i i i i i i i 嗣i 网，研究也采用数字协处理芯板d s p 来提高运算速度的方法，基本达到 0 m s 的仿真 周期，代表了一种硬件处理方向。总体上看，多用增量法研究冷轧，对热轧而言，变 化范围大，还得使用直接法。 1 5 课题研究的目的和内容 双机架冷轧机组加速和减速过程在该机组的所有非稳态轧制过程中，控制难度最 大，要求又比较高，是各种轧制因素和参数变化最激烈的阶段。对加速和减速