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摘要 平整机延伸率自动控制系统的研究 学科：控制理论与控制工程 研究生：杨酤 导师：郑岗教授 杨延西副教授 摘要 ( 签名：盈垫 ) ( 签名：幽l 生 ) ( 签名：燃纽) 平整轧制是确保冷轧带钢成品质量的最后一道关键工序，延伸率作为平整轧制最重要的变形指标， 在保证带钢内部组织性能、满足用户需求方面起着至关重要的作用。本文首先介绍了平整机延伸率控 制系统的工作原理和常用的延伸率控制方法，在此基础之上，设计了实际的平整机延伸率控制系统。 经过对该系统在生产中应用情况的分析，总结了影响延伸率控制精度的主要问题。针对这些问题，本 文主要进行了以下两个方面的研究： 1 ：提高轧制压力预设定值的精度。传统的轧制力理论计算公式，一般是在多种假设条件下，通过 一系列的简化推导出来的，因而很难准确表达轧制过程的实际特性，不能保证计算精度。神经网络技 术以其特有的信息处理能力，为轧制力的计算提供了一条很好的途径。本文结合带钢冷轧轧制过程基 本理论和小波神经网络基本理论，建立了基于小波神经网络的带钢冷轧轧制压力模型。采用现场实测 数据，对所建模型进行学习和测试，结果表明，基于小波神经网络的轧制压力模型计算值与实测值相 比较，最大偏差小于6 。这与利用传统轧制压力模型的计算值最大偏差在3 0 9 6 以上相比较，所建网络模 型的计算值更加接近实测值，模型精度大大提高，可以满足工程应用的要求。 2 ：研究新型延伸率控制策略。目前，平整机延伸率控制系统广泛采用p i d 串级控制。由于金属轧 制过程复杂，干扰因素较多，常规p i d 串级控制难以取得满意的控制效果。本文结合预测函数控制( p f c ) 理论，针对平整机控制系统的特点，设计了p f c - - p i d 串级延伸率控制系统。仿真结果表明，延伸率控 制系统采用p f cp i d 串级控制策略的动态品质优于采用p i d 串级控制策略，具有较强的鲁棒性和抗_ t 扰 西安理工大学硕士学位论文 能力。该系统设计简单，控制品质好，具有很大的r 程实际应用潜力。 关键词：平整机，延伸率控制，小波神经网络， l s f 力预测，预测函数控制 i i a b s t r a ( 二t r e s e a r c ho ne l o n g a t l o nc o n t r o ls y s t e m o fc o l d r o l l i n gt e m p e rm i l l s p e c i a l i t y ： c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ： y a n gz h e s u p e w i s o r ：p r o f z h e n gg a n g ( s i g n a t u r e ：上学u ( s i g n a t u r e ：弛垒鳟) a s s o c i a t ep r o f y a n gy a n x i ( s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t e m p e ri s af i n a lc r i t i c a l p r o c e s s i n e n s u r i n gt h ef i n i s h e dq u a l i t yo fc o l dr o l l i n gs t r i p a so n l y d e f o r m a t i o nt a r g e t ，e l o n g a t i o nh a su t m o s ti m p o r t a n c ei ne n s u r i n gi n t e r i o rs t r u c t u r ep r o p e r t yo fs t r i pt om e e t t h er e q u i r e m e n t so fu s e r i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fe l o n g a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fc o l dr o i l i n gt e m p e rm i l l a n dm e t h o d so fe l o n g a t i o nc o n t r o la r ei n t r o d u c e df i r s t l y ，a n dt h e nt h ep r a c t i c a le l o n g a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d b ya n a l y z i n go fa p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m ，s o m ep r o b l e m se f f e c t i n go na c c u r a c yo fe l o n g a t i o n c o n t r o la r ep r e s e n t ，a c c o r d i n gt ot h e s ep r o b l e m s ，t h em a i n l ys t u d i e si nt h i st h e s i sa r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 i m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no ft h ep r e d i c t i o no ft a m p e rr o l l i n gf o r c e t r a d i d o n a lt h e o r e t i c a lf o r m u l a so f r o l l i n gf o r c ei ss i m p l i f i e da n dd e d u c e du n d e rp r o p e r t i e so fr o l l i n gp r o c e s sa n dm a n ya s s u m p t i o n s s oi ti s d i f f i c u l tt oc o m p u t et h er o l l i n gf o r c ea c c u r a t e l y b e c a u s eo fi t su n i q u ea b i l i t yt op r o c e s si n f o r m a t i o n ，t h e t e c h n o l o g yo fn e u r a ln e t w o r k si sv e r ya p p r o p r i a t ef o r t h ec o m p u t i n go fr o l l i n gf o r c e a c c o r d i n gt ot h e t h e o r i e so fc o l dr o l l i n ga n dt h et h e o r i e so fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fr o l l i n gf o r c e b a s e do nw a v e l e tn e u r a ln e t w o r k si sf o u n d e d a f t e rt h es t u d y i n ga n dt e s t i n go ft h i sm o d e lu s i n gp r a c t i c a l p r o d u c t i o nd a t a ，t h ef a c ti st h a tt h em a x i m u me l t o ri sb e l o w6p e r c e n t i t sb e t t e rt h a nt h em a x i m u m e r t o to f t r a d i t i o n a lr o l l i n gf o r c ef o r m u l a ，w h i c hi sm o r et h a n3 0p e r c e n t t h ea c c u r a c yo ft h em o d e li sf i tf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 2 s t u d y i n go nn e wc o n t r o ls t r a t e g i e so fe l o n g a t i o nc o n t r o ls y s t e m a tp r e s e n t ，p i dc a s c a d ec o n t r o li s w i d e l yu s e di nt h ee l o n g a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f c o l dr o l l i n gt e m p e rm i l l b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fr o l l i n g p r o c e s sa n dv a r i o u so fd i s t u r b a n c ef a c t o r s ，t r a d i t i o n a lp i dc a s c a d ec o n t r o lc a n ts a t i s l yt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t a c c o r d i n gt ot h e o r i e so fp r e d i c t i v ef u n c t i o n a lc o n t r o l ( p f c ) a n dt h ec h a r a c t e r so fc o l dr o l l i n g t e m p e rm i l l ，p f c - p 1 dc a s c a d ee l o n g a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e e l o n g a t i o n c o n t r o l s y s t e ma d o p t e d p f c - p i dc a s c a d ec o n t r o l s t r a t e g y h a sm o r ef a v o r a b l ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c st h a nt h es y s t e mw i t hp i dc a s c a d ec o n t r o ls t r a t e g y ，a n dh a sg o o dr o b u s t n e s sa n dd i s t u r b a n c e 西安理工大学硕士学位论文 r e j e c t i o n w i t hs i m p l ed e s i g np r o c e s sa n dg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e s ，t h es y s t e mh a sg r e a ta p p l i c a t i o n p o t e n t i a l k e y w o r d s ：c o l dr o i l i n gt e m p e rm i l l ，e l o n g a t i o nc o n t r o l ，w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s ，r o l l i n gf o r c ep r e d i c t i o n ， p r e d i c tf u n c t i o i lc o n t r o l i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：物主皇 少c 障；月2 乎日 学位论文使用授权声明 本人楹生兰在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：i ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：显兰堇导师签名：洳趋王。0 7 年弓月2 p 日 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 在工业现代化进程中，钢铁工业一直处于基础工业的地位，而冷轧板带的生产又是钢 铁工业发展中的重要课题之一。随着经济的发展，带钢的生产一直呈不断增长的趋势，用 途十分广泛，主要应用于汽车工业、重型机械、制造业、商用建筑业、化学工业、轻工业 等。在所有的应用领域，都对带钢的质量提出了较高的要求。生产高质量的带钢，对生产 设备要求较高，应不断提高提高装备的总体水平，除主轧机外，各种形式的高精度平整机 也得到了广泛的应用。 在薄板生产的质量管理中，平整轧制的延伸率控制是极为重要的问题，因为它决定着 产品的质量，同时也决定着后续加工性能。对于成品带钢而言，延伸率的波动或达不到产 品应用的要求，钢带质量必将处于较低水平，影响其在具有较高要求的工业领域的应用。 同时，由此带来的成品率低，返卷量增加，将造成大量能源和资源的浪费，造成不必要的 经济损失。因此，提高冷轧钢板平整的质量，充分发挥我国冷轧钢板的生产能力，满足国 内市场急需和促进国民经济发展，具有重要的作用和意义。 平整轧制是生产优质薄板、确保冷轧板带钢成品质量的最后一道关键工序，它对于提 高产品质量、控制板形、根据用户需要使板带钢具有合适的力学性能和表面状态等起着重 要的作用。经退火的冷轧带钢几乎完全处于软质状态，其表面光洁度、平直度和组织性能 等均不能满足用户要求，此时，如对退火带钢进行轻度加工，在带钢表面上就会产生拉伸 应变和不规则的滑移线，影响外观，不适于用户直接进行机械加工。所以，作为成品的带 钢在出厂前必须进行小形变量的平整轧制。、 平整的主要目的为n i ： ( 1 ) 消除退火后带钢的屈服平台，防止冲压成形时产生滑移线。 ( 2 ) 提高和改善带钢的机械性能。经平整后会提高冲压性能。 ( 3 ) 提高带钢平直度精度。冷轧后经热处理的带钢，其板形会产生新的不平直度， 经平整后会大大改善其板形，提高质量。 ( 4 ) 提高带钢厚度精度。平整机在张力的作用下进行小压下量的平整，会提高带钢 厚度精度。厚度为2 o 毫米带钢经平整后其厚度精度可提高o 0 2 一o 二0 4 毫米。 ( 5 ) 提高带钢表面质量。平整机工作辊表面光洁度较高，经平整后除了可消除轻微 的表面缺陷外，还会提高表面光洁度。 ( 6 ) 调整并给出带钢表面的光亮度和粗糙度。用经抛丸的轧辊平整带钢，会产生带 毛糙度( 麻面) 的钢板，可提高工艺性能，有利于喷漆和涂层。若用抛光的轧辊平整带钢 西安理工大学硕士学位论支 就会产出十分光亮的钢板。 平整延伸率的基本含义与常规轧制不同，平整实质是一种小形变量的轧制，是冷轧工 艺上具有极为重要意义的一道生产工序。延伸率是平整中最基本的工艺参数，平整道次压 下量很小，只有微米级，用测厚仪几乎测不出平整机出口侧与入口侧的带钢厚度偏差，因 此，就用测量带钢延伸率的方法作为测量其厚度变化的等效值。延伸率调节是工艺质量控 制的重要内容，延伸率是平整轧制的唯一变形指标，在保证带钢力学性能、满足用户要求 方面，起着至关重要的作用。 延伸率即带钢长度的变化率，其表达式为： ， 一， 6 = = l 二l x l o o ( 1 1 ) 厶 式中6 一带钢延伸率，； 厶平整前带钢长度； 己，平整后带钢长度； 一般是在小形变量的范围内对退火带钢进行平整，将屈服极限降到最小值，同时使屈 服平台消失。随着延伸率的增加，带钢又会发生加工硬化，使屈服极限升高。因此，延伸 率应控制在既能消除屈服平台，又不产生加工硬化的范围内。它的大小与带钢的化学成分、 冶炼方法、退火质量、最终用途有关。从工艺上讲，每一种材质的带钢都要求有一定的延 伸率，同一种材质的带钢要求平整延伸率恒定。 就带钢而言，平整时的延伸率一般为0 5 5 “。根据钢种材质和用途不同，其延 伸率各不相同。对于深冲用汽车薄板，要求屈服极限很低并要消除屈服平台，一般其最佳 延伸率范围应为0 8 1 4 之间。而对镀锡板和包装用材，则要求要有一定的强化变形 调整强度和硬度，应使用1 3 的较大延伸率。对合金钢板带其延伸率不应大于2 。而 对其他以板形平直为准的板带材，其延伸率一般不超过3 。在线退火平整处理带钢时， 重要的是要保证产品质量均匀，沿带钢长度方向的延伸率保持均匀 由此可见，在实际生产过程中，控制延伸率的大小和均匀性是平整轧制中至关重要的 问题。然而，现代金属的轧制过程非常复杂，影响延伸率的因素也很多，如轧制压力，轧 制速度，机前张力，机后张力，带材本身的特性等等。从控制角度来讲，金属的轧制过程 具有典型的多变量、时变性、非线型特征。对于延伸率自动控制系统而言，延伸率是平整 的主要控制对象，延伸率控制系统是上级控制系统，液压压下、张力调节、直流调速等系 统是其下级系统，为之服务。所有控制系统都围绕着延伸率给定值这一最高调节目标来进 行控制。 平整轧制是确保冷轧带钢成品质量的最后一道工序，而平整延伸率又是衡量冷轧板带 钢质量好坏的重要指标，所以。研究平整时延伸率的测量原理及测量系统、平整轧制对延 伸率的影响规律、前后s 辊速度对带钢延伸率的影响及其自动控制、作用于带钢上的张力 对带钢延伸率的影响及其自动控制、作用于带钢上的轧制压力对带钢延伸率的影响及其自 2 绪论 动控制、延伸率自动控制的计算机控制系统以及平整轧制过程中延伸率控制的实践经验等 具有十分重要的意义。平整机延伸率控制系统是国际上带钢平整的核心技术内容。 1 2 研究历史、现状与发展 1 2 1 国内外平整机发展状况 平整机技术的发展与冷轧设备特别是与多机架冷连轧设备的进步有着极为密切的关 系。早在1 8 4 7 年，美国在镀锡板生产中就应用了精轧工序的冷轧，这种冷轧机己构成平整 机或光整机的一种形式”1 。传统的是单机架二辊式轧机。大多采用干平整，甚至n 2 0 世 纪2 0 年代，这种形式的轧机仍然用于平整薄板。德国学者e a s p e n l e 对二辊式轧机和四辊 式轧机作过大量系统的研究比较了两者的优缺点。现在普遍采用单机架二辊或四辊。用于 延伸率小的冷轧带钢，二辊单机架可逆式用于生产不锈钢带，其平整带钢的厚度范围很宽， 采用多道次平整，累积延伸率达到规定要求；对表面光洁度及硬度要求较高的镀锡板和薄 钢，平整兼用二次冷轧，则采用四辊式双机架平整机，一般第一机架起变形作用，第二机 架调整带钢表面粗糙度，其中较为典型的是英国钢铁公司特罗斯特尔( t r o s t r e ) 厂用于镀锡 板生产的双机架平整机。 近年来，为了提高生产率和产品质量，开发了替代罩式炉退火( b a t c ha n n e a l i n gl i n e ) 的连续退火一平整线( c o n t i n u o u s a n n e a l i n g a n d p r o c e s s i n g l i n e ) ，简称c a p l 。日本代表了 当今世界平整的先进水平。1 9 7 2 年，日本投产了世界上第一套有在线平整机的连续退火线， 具有工作辊弯辊( w r b ) 功能，随后又陆续开发了中间辊可横移的六辊轧机和液压可控凸 度支撑辊( v c - b u r ) 的四辊平整机。1 9 8 7 年，为了控制扳形，福山铡铁厂n o 。3c a p l 同时 使用了w r b + v c b u r ，并装备有各种高精度控制手段和轧辊抛光、换辊装置：为了改善 辊面，采用镀铬辊进行干平整，普通辊只能轧长度为8 0 公里的带钢，而镀铬辊的寿命约为 其7 倍，可车l 5 0 0 公里以上，如果不限制粗糙度，其耐磨性能可提高2 0 倍。 国内广泛应用的是四辊式单机架平整机，可以通过弯辊装置来改善带钢的平直度，它 的形式和设备组成基本上与可逆式冷轧机相同，同时也采用了c a p l 生产技术。有代表性的 是宝钢2 0 3 0 单机架平整机及c a p l 机组、武汉冷轧厂单机架平整机、上海益昌冷轧薄板公 司双机架平整机。其中，最典型的是宝钢2 0 3 0 单机架平整机，平整工艺、带钢质量、自动 化程度和延伸率控制均达到较高水平。 1 2 2 轧制理论发展 经过几代人艰苦努力建立起来的传统轧制理论，曾经帮助人们加深了对轧制过程本质 的认识，解决了主要轧制过程参数( 如宽展、前滑、轧制力等) 的近似计算问题。但是它所 能达到的精度，己经远远不能满足现代轧制技术发展的需要。 3 西安理工大学硕士学位论文 在轧制理论的形成和发展过程中，人们为了能够方便地对轧制过程进行理论分析，对 轧制过程进行了一系列简化，提出了理想轧制过程的概念。其核心内容如下“”： ( 1 ) 轧辊是圆形的、匀速转动的、不产生弹性变形的刚体； ( 2 ) 轧件是均质、均温、各向同性的理想塑性材料； ( 3 ) 变形过程中金属无横向流动( 平面变形假设) ： ( 4 ) 在同一垂直平面内，各处金属质点的流动速度相同( 平断面假设) ，接触面上轧 件速度与轧辊速度一致( 粘着假设) ； ( 5 ) 双辊传动，变形过程是上下对称、左右对称的。 在此基础之上，人们引用力平衡方程、质量( 能量) 守恒定律、最小能量原理等，建立 并逐渐发展了近代轧制理论，形成了一整套分析轧制过程的计算方法。轧制技术与轧制理 论的发展，是社会需求与技术进步的产物。 回顾轧制理论的发展历程“，2 0 世纪3 0 年代以前，近代轧制理论处于孕育萌生期。 卡尔曼( k a r m a n ) 方程的出现，树立了轧制理论发展的第一个里程碑。在卡尔曼方程的基础 上，在不同的假设条件下，用经典数学的分析方法，经过推导演绎，提出了形式各异的轧 制压力公式、前滑公式、宽展公式，逐渐形成了以工程法为核心的近代轧制理论体系，构 造了轧制理论学科。 进入6 0 年代，随着计算机应用于连轧机组的控制，对轧制过程参数的计算精度提出了 更高的要求。伴随着轧制技术的发展，出现了基于能量原理的变分法、上下界法等新方法， 其共同特点是与工程法不同，不是从力平衡关系出发，而是着眼于运动许可速度场，从运 动许可速度场中利用数学上的优化方法满足能量原理的最佳解。这类解法的出现及成功运 用，为轧制理论的发展树立了第二个里程碑。 自8 0 年代以来，为适应轧钢生产中对高精度数学模型的需要，以有限元为代表的现代 数值模拟解析方法在轧制领域广泛应用，为轧制理论的发展树立了第三个里程碑。有限元 方法是在多个微小的单元里，采用最简单的线性关系，组合起来去逼近任何复杂的曲线。 轧制理论中的一些难点问题，利用有限元法得到了圆满解决。 从9 0 年代开始，人工智能的应用为轧制理论的发展揭开了新的篇章。人工智能从新的 视角去处理轧制过程中遇到的实际问题，引发了轧制过程研究中观念的一场革命，为轧制 理论发展树立了第四个里程碑。人工智能在轧制领域一出现就是与应用密切联系在一起 的。短短几年问，它已经成功的应用于从板坯管理到加热、轧制、精整、成品库整条生产 线的各个环节，完成管理、参数预报、过程优化、监控等多方面的工作。 1 2 3 国内外神经网络在轧制领域的应用 近年来，随着对神经网络控制问题研究的不断深入，具有处理非线性及不确定问题独 特性能的神经网络己进入扎制过程自动化领域，并取得了一些可喜的进展。国外在神经网 络、模糊控制、专家系统等人工智能的应用方面，己经开展了比较深入的工作。特别是日 4 绪论 本和德国，在轧制领域中多有建树，对轧制过程的改进作出了很大贡献“。 在德国，西门子公司使用人工神经网络来提高宽带热连轧设定值的精度。特别是在 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年问，西门子公司的研究者们多次发表文章介绍他们的研究成果。热连轧的设 定值一般是通过数学模型计算得出，但模型对工艺过程的描述并不一定完整和精确。因此， 必须不断地修正模型参数以适应实际生产过程，但这种方法的能力是有限的。新方法可以 通过采集许多实际工艺数据而认识它们之间的关系，它通过“观察”工艺过程而积累经验， 能够弥补常规数学模型的不足。据介绍，西门子公司将神经网络应用于轧制过程的自动控 制，进行轧制力预报带钢温度预报和自然宽展预报，使轧制力预报精度提高1 5 - 4 0 0 5 ，温度 精度提高2 5 。西门子公司已将具有上述神经网络功能的过程控制系统安装在德国 ( t h y s e e n ) 、奥地利( v o e s t - a l p i n e ) 、美国( g a l l a t i n ) 、韩国( h a n b o ) 及墨西哥( h y l s a ) 等国 钢厂的热连轧机上。为了提高精轧机组轧制力预设定精度，1 9 9 4 年1 0 月n f p o r t m a n 等在 德 虱k r u p p h o e s c h 钢铁公w e s t f a l e n 热轧厂的热带钢连轧设定计算中采用了神经网络这 一新的信息处理工具，并将一般的自适应数学模型与人工神经网络结合起来用于轧机的自 动控制，取得了很好的效果。 9 0 年代后，日本轧钢学者和工程技术人员在人工智能应用方面做了大量的工作，有关 报道逐渐增多。丰富达等应用神经网络进行冷连轧机组压下规程设计，中岛正明、片山恭 纪等开发了神经网络一模糊板形控制系统。神经网络用于被控对象( 板形) 的特征识别，将 识别的结果作为模糊控制的输入或前提部分，经过模糊推理，其结论部分作为推理输入或 控制指令。该控制系统应用于森吉米尔轧机，取得了较好的效果，实际板形与耳标板形的 偏差平均值由原来的1 8 减小到1 - 4 。日立公司的m a s a h i r ok a y a m a 等将神经网络和模糊 控制用于开发“日立自组织诊断和分析系统”，用于支持操作人员以提到钢铁生产企业的 管理效率，并将其用于连续镀锌生产中的镀层质量预报模型。结果表明，采用该诊断和分 析系统后，镀层质量预报精度得到明显改善，提高了控制精度。除了日本和德国以外，其 他各国轧钢工作者也在人工智能应用的各个方面展开了研究工作。1 9 9 4 年美国伯利恒钢铁 公司的s w m a r k w a r d 等人开发了热浸镀锌线镀层重量综合控制系统，自1 9 9 4 年1 1 月投入 运行，取得了良好的效果。1 9 9 4 年6 月，w i l d u n d o 建立了运用人工神经网络优化轧制精度， 从而控制带钢的表面质量和平整度的模拟系统。 我国近几年开始将神经网络技术应用于钢铁工业“”“1 。宝钢在连铸生产中应用神经 网络进行漏钢预报。神经网络漏钢预报系统在预报精度等方面优于原来的漏钢预报系统， 而且经过一定时期的在线应用，该系统性能稳定，抗干扰能力强，实时数据采集的信息容 量大，己初步具备了替代原有预报系统的条件。 1 3 研究的主要内容 本文主要以乎整机延伸率控制系统为对象，围绕平整机延伸率控制系统的难点，主要 研究了以下几方面的内容： 西安理工大学硕士学位论文 6 分析了平整机的基本组成和带钢延伸率的测量方法以及延伸率控制的主要 方法。在此基础之上，设计了实际的平整机延伸率控制系统，并已投入使用。 结合实际平整机的生产状况，分析了目前平整机延伸率控制系统的主要难 点。针对这些难点，本文将从提高轧制力预测精度和开发新型延伸率控制策 略这两方面入手进行研究。 介绍了在平整轧制生产中所使用的数学模型的作用，利用轧制理论，详细推 导了传统的平整轧制力的数学模型和适合于工程计算的轧制力计算公式。由 此，分析了影响轧制压力的因素。 由于传统的计算轧制压力的模型是在一系列假设和简化的基础上得到的，在 实际应用中很难满足高精度生产的要求。而神经网络是处理这类问题的有效 手段。结合小波分析和神经网络理论，建立了小波神经网络计算平整轧制压 力的模型。利用大量实际生产数据对小波网络进行训练，得到了较为满意的 结果，并与传统的数学模型计算轧制力的结果进行了对比。 针对目前带钢延伸率主要的在线控制方法的缺点，利用预测函数控制策略研 究了带钢延伸率的在线控制方法。根据平整机延伸率控制系统的工作原理， 设计了p f c - - p i d 串级延伸率控制策略。以实际的平整机系统和生产数据， 在s i m u l i n k 下进行了仿真研究，仿真结果表明，p f c - - p i d 串级控制具有良 好的控制品质，具有较高的实际应用的价值。 最后，总结了全文工作，并讨论了需要迸一步研究的问题。 ) ) ) ) q o “ 平整机延伸率控制系统 2 平整机延伸率控制系统 2 1 延伸率测量原理 平整实质上就是用较小的压下量对退火后的带钢进行再次冷轧。带钢表面质量改变的 程度基本上与平整时的轧制压力大小有关，带钢经过平整轧制之后，纵向会有一定程度的 延伸，借助于材料的这一延伸来改善带钢的组织结构。由于平整时施加的压下量很小，用 测厚仪几乎测不出平整机出入口侧带钢的厚度偏差，所以就用测量带钢延 申率的方法来作 为测量其厚度变化的等效值。 在平整机上实现的延伸率是由安装在入口、出口s 辊上的脉冲发生器以速度差( 即长 度差) 的形式检测出来，并控制平整机的压下。得到的延伸率偏差信号控制辊缝位置，其 控制精度在0 1 以内。 r 土j 3 一卷取机；4 一入口s 辊： 5 - - 出1 3s 辊；j ，一入口脉冲教；j ，一出i = l 脉冲数； 图2 - 1 单机架四辊式平整机组 f i g u r e2 - 1s i n # es t a n dt e m p e rm i l l 图2 - 1 是单机架四辊式平整机组延伸率自动控制系统框图。它由平整机、开卷机、卷 取机、入口s 辊、出口s 辊、入口脉冲发生器等组成。平整延伸率的测量就是根据式( 1 1 ) 实现的。在入口与出口s 辊上各装有一台脉冲发生器。通过入口s 辊上的脉冲发生器所发 生的脉冲数来模拟入1 ：3 带钢的长度厶；通过出口s 辊上的脉冲发生器所发生的脉冲数来 模拟出口带钢的长度，。假设，在同一时间间隔内，分别测出入口侧、出口侧s 辊的脉 冲数为，。和j ：；入口和出1 ：3 的脉冲发生器每转的脉冲数都为，。( 脉冲数转) 。另外假设 入口s 辊的直径为d 1 ，出口s 辊的直径为d ：，则带钢的长度厶和：便可以由下列二式求 得： 7 机卷 开 一2 ij；一也姚平 一 西安理工大学硕士学位论文 l d 1 石= 上 ( 2 1 ) j o ， 厶- d ，石= 三 ( 2 2 ) ，o 式中厶一入口带钢长度； l 一出口带钢长度； d i - - a 1 = ls 辊上辊直径； n 一出口s 辊上辊直径； ，_ 入口侧s 辊上辊的脉冲数； 一出口侧s 辊上辊的脉冲数； 厶一入口和出口脉冲发生器每转的脉冲数。 将式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 代入式( 1 1 ) ，得： 6 ：至：旦! ：2 兰q = ! ：堡：! ! g 。j 2 - j l d i d 2( 2 3 ) a t d 1 j 1 j oj l d 1 d 2 将通过式( 2 3 ) 计算得到的延伸率实际值反馈到控制系统，与延伸率的设定值比较，得 到延伸率的偏差，并以此控制平整机的液压压下系统、张力调节系统、速度调节系统，进 而到达延伸率的控制。 2 2 平整延伸率控制的主要方法0 1 根据平整机的工作原理和组成，平整机延伸率的控制方法主要有：通过调节前后s 辊的速度实现带钢延伸率自动控制；通过调节带钢张力实现带钢延伸率自动控制；通过调 节轧制压力实现带钢延伸率自动控制。 2 ，2 1 通过调节前后s 辊的速度实现带钢延伸率自动控制 所谓通过调节前后s 辊的速度实现带钢延伸率的自动控制，就是在轧制压力基本恒定 的情况下，利用延伸率给定与延伸率的实际值之间的差值，产生一个附加的速度给定值去 改交前后s 辊的速度，从而实现对带钢延伸率的控制。毫无疑问，此时入、出口s 辊都处 于速度控制状态，改变了入出口s 辊的速度，也就是改变了前后s 辊的速度差，最终是改 变了作用于带钢上面的张力，利用这个张力就可以改变带钢的实际延伸率。但是此时带钢 上所授的张力的大小，不是由张力控制系统控制的，而仅仅取决于前后s 辊两个上s 辊的 相对速度。速度差大，则张力就大；速度差小，则张力就小。就这种方式调节延伸率时， 就张力而言是开环的。在此种工作模式下，平整机前后s 辊的上辊以较高的调速精度、较 硬的调速特性进行速度调节平整机传动则以较软的调速特性运行在速度调节状态，它仅 起到跟随带钢速度，并与之相适应的作用。两个下s 辊则根据电机功率计算出上s 辊的力 矩值，并调节本身的力矩，与上s 辊相匹配，使上s 辊的力矩不超过极限值，开卷和卷取 8 平整机延伸率控制系统 机则以正常的张力调节方式进行运转。 置静 图2 - 2 调节前后s 辊速度实现带钢延伸率控制系统示意图 f i g u r e2 - 2 d i a g r a m f o r t h e m e t h o d o f e l o n g a t i o n c o n t r o l u s i n g t h es p e e d o f sr o l l e r 2 2 2 通过调节带钢张力实现带钢延伸率自动控制 用张力控制延伸率，实际上就是利用延伸率给定值与实际值之间的误差信号，产生相 应的附加张力给定值去改变出入口s 辊和开卷机、卷取机的张力力矩，从而实现延伸率的 自动控制。在此种工作模式下，平整机的机架以速度调节方式运行。所有的s 辊以及开卷 机、卷取机均以张力调节方式运转。用张力调节方式控制延伸率，仅用于l m m 以下的薄带 钢，在单机架平整机上，用张力调节带钢延伸率，一般用于厚度在0 4 1 0 m m 之间的带 钢。这是因为从张力改变带钢的效果来看，带钢越薄，用张力调节延伸率的效果越好；带 钢越厚，用张力调节的效果越差。对于厚度超过l m m 的带钢来讲，张力调节方式基本不起 作用。但当带钢较薄时，也不是一味的增加张力，否则会造成断带。图2 4 的曲线表述 了张力对不同厚度带钢进行延伸率控制的效果。从图中曲线可知，带钢厚度小于0 4 m m 时，张力处于某一恒定值。带钢处于0 4 1 0 m m 时，张力随板厚的增加而减少。当厚度 超过1 0 r m 时，张力为零。因此对于板厚大于1 0 m m 的带钢，就不在采用张力调节延伸率。 图2 - 3 调节带钢张力实现带钢延伸率控制系统示意图 f i g u r e2 - 3d i a g r a mf o rt h em e t h o do f e l o n g a t i o nc o n t r o lu s i n gt e n s i o n 2 2 3 通过调节轧制压力实现带钢延伸率自动控制 用轧制压力实现带钢延伸率自动控制，就是将延伸率给定值与延伸率实际值之差转变 9 西安理工大学硕士学位论文 为相应的附加轧制压力给定值。用改变原有的轧制压力。来实现对带钢延伸率的自动控制。 用此种方式调节延伸率时，各传动可在任何状态运行。改变轧制压力调节带钢延伸率的效 果与张力调节效果正好相反。带钢越厚，轧制压力调节延伸率的效果越好；带钢越薄，轧 制压力调节延伸率的效果越差。 置伸 图2 - 4 调节轧制压力实现带钢延伸率控制系统示意图 f i g u r e2 - 4d i a g r a mf o rt h em e t h o do fe l o n g a t i o nc o n t r o lu s i n gr o l l i n g 2 2 4 三种延伸率控制方式实际使用情况 在实际使用中发现，由于现代轧制速度调节和液压压下系统的调节精度较高，所以， 即使较薄的带钢选用导向辊工作方式也能正常轧制。这样就使得在实际生产中只要带钢厚 度不是极薄均可采用导向辊工作方式。这样便于穿带，可以显著的提高平整机单位时间的 生产效率。因此，在三种延伸率控制方式中，通过调节轧制压力实现带钢延伸率的自动控 制方式就占据了较为重要的地位，而其他两种控制方式仅起到辅助作用。特别是通过调节 前后s 辊的速度来实现带钢延伸率的自动控制方式在实际应用中并不理想。这是由于张 力、轧制压力监视系统反应较慢，极易造成出口s 辊电流过大。特别是在高速轧制时，一 般不选用这种控制方式，即使选用了，也只能在低速下轧制。 本文也将重点研究通过调节轧制压力的方式实现带钢延伸率的自动控制。 2 3 平整机延伸率控制系统简介 延伸率控制系统是平整机的上级控制系统，它还包括设定值系统、液压压下系统、张 力控制系统、直流调速系统等下级子系统。平整机系统的示意图如图2 - 5 所示。本文根据 平整机的原理，为多个板带材生产企业设计了平整机计算机控制系统，并已投入使用，其 构成基本原理如图2 - 6 所示 此平整机控制系统主要以调节轧制压力的方式控制带钢延伸率，具有辊缝控制、压力 控制、延伸率控制三种控制模式。该系统由一台过程控制计算和可编程控制器组成自动控 制系统，用以实现平整生产过程的自动控制和自动化操作。其主要控制功能有液压泵站控 制、液压油路控制、生产参数的设定与监控、辊缝的测量与控制、压力的测量与控制、延 伸率的控制与测量，液压伺服机构的控制、故障处理与报警以及数据通信等。 1 0 平整机延伸率控制系统 此系统的使用，为本文的研究提供了大量的生产数据和生产经验，对深入研究延伸率 控制的问题提供了有益的帮助。本文后面章节的生产数据和仿真数据均来自于此系统。 紫。饿效鼢t 偿- v 夕 一， 俐一弋 l 谚井知 i t l , 髫匡办 隰；钏臻搬l1 4 ；# ：引l 耀潜m 蚓 l 。b 叫- - f 一i i 蔓量 习延伸辜涮1 $ 口 。 口* 口t _ d 蕾i 里州哪 m 口融# n 轧能女2 t * $ 吐a2 预设定 图2 - - 5 平整机延伸率控制系统示意图 f i g u r e 2 - 5 d i a g r a m f o r c o n t r o ls y s t e m o f t e m p e r m i l l 图2 - 6 平整机控制系统构成示意图 f i g u r e 2 - 6 d i a g r a m f o r t h es t r u c t u r e o f t e m p e r m i l l c o n t r o ls y s t e m 2 4 平整机延伸率控制系统的主要问题分析 通过对上节所述系统的实际使用的分析，影响带钢延伸率控制的几个主要问题有： 1 ) 延伸率测量系统的精度。目前，由于成本等因素，延伸率的测量主要还是以安装 在兹后s 辊上的编码器为主要测量手段。众所周知，带钢平整时要包在导辊或包 绕在s 辊装置中的张力辊上，由于带钢与张力辊的包绕接触处产生张力并由此改 西安理工大学硕士学位论文 变了张力值，可以达到控制张力的目的。但这是具有一定限度的，如果超出允许 包角的范围，带钢便会沿张力辊表面打滑，因此依靠安装在张力辊端头的脉冲编 码器就不能准确测定带钢的真实的运行速度，也就不能准确的测定真实的延伸率 的值。另外，张力电机的精度、减速器的精度以及张力辊机械安装精度都有可能 影响脉冲编码器的输出，进而影响延伸率测量的准确性。此问题最好的解决方法 就是发展非接触式测量仪器，例如目前在一些现代化的高精度平整机上都积极采 用激光在线测速装置，可以准确测量和控制带钢的延伸率。 2 ) 轧制参数的预设定精度。轧制参数的预设定值包括：轧制力预设定值，张力顸设 定值，轧制速度预设定值，弯辊力预设定值等等。提高轧制参数预设定值的精度， 尤其是轧制压力的预设定的精度，是提高延伸率控制精度的一项根本性技术措 施。数学模型是预测定值计算的核心。由于金属轧制过程是非常复杂的，目前的 轧制过程的数学模型大都是在理想轧制条件下，忽略了许多因素，简化金属成型 的过程而得到的。所以，目前数学模型的精度很难满足高精度轧制的要求。解决 这个问题，一方面要进一步深入研究金属成型的过程，另一方面可利用人工智能 和自适应的方法来提高数学模型的精度。 3 ) 在线延伸率自动控制系统的性能。从控制角度来讲，金属的轧制过程具有典型的 多变量、非线性、强耦合的特点。这种系统的控制是非常困难和复杂的，其精度 也很难保证。所以，进一步应用现代控制理论来研究和开发新型控制系统和轧制 技术是提高延伸率控制精度的有效手段。 4 ) 计算机控制系统的配置形式。高性能的计算机控制系统在平整机上已经得到了广 泛的应用，与此同时，还应大力发展管理机系统，尤其是在连续平整生产线上， 要使管理机和控制机有效的结合起来。这样可使带钢原材料的各种数据，所有设 备，所有控制系统综合管理，实现轧制规程的优化，迸一步提高延伸率的控制精 度。 以上是影响提高延伸率控制精度的几个主要的方面，本文将从提高轧制参数的预设定 值的精度和利用先进的控制理论研究开发延伸率自动