（机械设计及理论专业论文）横向非对称轧制下板带跑偏模型及其控制.pdf

中南人学硕j 二学位论文摘要 摘要 “1 + 4 铝热连轧生产线是我国第一条具有国际先进水平的大型铝 热连轧生产线，也填补了近l o 年来世界铝加工业无热连轧技术的空 白，对我国铝加工装备和技术的进步有着巨大的推动作用。但是在精 轧机组轧制过程中，由于轧件和轧机的横向非对称性，轧件往往会快 速往一侧跑偏。轧件的跑偏会导致生产运行不稳定，直接影响轧制产 量、成品质量、设备寿命等。因此深入地研究跑偏问题具有重大的实 际意义。 本文主要是对板带在非对称情况下轧制时的跑偏模型及其控制进 行研究。首先通过理论分析提出以轧件车l a , j 前后的楔形率差作为判断 轧件是否跑偏的特征量。通过对轧件在不同跑偏影响因素下进行轧制 实验研究，验证了楔形率差能有效、准确地判断轧件是否跑偏。 对轧制状态进行数学分析，推导出轧件轧制前后楔形率差与跑偏 的关系，并分析推导了轧件在非对称情况下轧制时的出口厚度模型。 由跑偏特征量与跑偏的关系及轧件的出口厚度模型得到轧件的跑偏 模型。在单影响因素和综合影响因素情况下对该模型进行仿真，结果 表明了该模型的正确性。 最后，根据所得出的轧件跑偏模型，选择基于轧机平行刚度方法 和滑模变结构控制方法对跑偏进行控制研究。在滑模变结构控制方法 中采用等效控制加切换控制的控制率，并利用a m b r o s i n o 切换函数的 抖振控制方法，设计了跑偏控制器。对两种跑偏控制方法进行仿真比 较，结果表明滑模变结构控制方法相对于基于轧机平行刚度的跑偏控 制方法对跑偏的控制效果良好，控制器输出平稳、稳定快。 关键词：板带轧制，非对称性，跑偏，滑模变结构控制，仿真 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e “1 + 4 ”h o tt a n d e mr o l l i n gl i n ea d o p t e dp r o v e n ，a d v a n c e d a l u m i n u m ss t r i ph o tr o l l i n gt e c h n i q u ei nt h ew o r l do ft o d a y i ti sa no n l y n e w b u i l th o tt a n d e mr o l l i n gl i n ea m o n gt h ew o r l da l u m i n u m sf a b r i c a t i o n f i e l d si nr e c e n t10y e a r s t h ec o n s t r u c t i o no ft h i sl i n eh a sf i l l e dav a c a n c y t h a tt h e r e sn oh o tt a n d e mr o l l i n gt e c h n o l o g yi nc h i n a sa l u m i n u m s f a b r i c a t i o ni n d u s t r y i tp r o v i d e st r e m e n d o u sm o t i v a t i o nt ot h ep r o g r e s so f c h i n a sa l u m i n u m sf a b r i c a t i o nf a c i l i t i e sa n dt e c h n o l o g y b u tw h e nt h e w o r kp i e c ei sr o l l e do nt h ef i n i s h i n gm i l ls t r i ps t e e r i n go c c u r s t h i si s u n d e s i r a b l eb e c a u s ei tc a u s e si n f e r i o r p r o d u c tq u a l i t y , r e d u c i n g p r o d u c t i o na n dm a ya l s ol c a dt od o w n t i m ei ft h es t r i pm o v e sp a s tt h e e d g eo ft h er o l l s s o ，i t ss i g n i f i c a n t l yt ol u c u b r a t es t e e r i n gp r o b l e m t h i s p a p e rm a i n l y d o e ss o m er e s e a r c h e sa b o u tm o d e l i n ga n d c o n t r o l l i n go fs t r i ps t e e r i n g f i r s t l y , p r o p o s e dt a k i n gt h ed i f f e r e n c eo f o u t g o i n gw e d g er a t i oa n di n g o i n gw e d g er a t i oa st h ec r i t e r i o nf o rs t r i p s t e e r i n gt h e o r e t i c a l l y a n da ne x p e r i m e n tw a s c a r r i e dt h r o u g hu n d e r d i f f e r e n ti n d u c e m e n t s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e d i f f e r e n c eo fo u t g o i n gw e d g er a t i oa n di n g o i n gw e d g er a t i oc a ne s t i m a t e t h ew o r k p i e c ei ss t e e r i n go rn o te f f e c t i v e l y s t r i ps t e e r i n g m o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h er e l a t i o nb e t w e e n d i f f e r e n c eo fo u t g o i n gw e d g er a t i oa n di n g o i n gw e d g er a t i oa n dt h es t r i p t h i c k n e s sm o d e lu n d e ru n s y m m e t r i c a lr o l l i n g i ti sp r o v e db ys i m u l a t i o n s u n d e rt h es i n g l ei n d u c e m e n ta n ds y n t h e t i z e di n d u c e m e n t s l a s t l y , i no r d e rt o d or e s e a r c ho ns t e e r i n gc o n t r o l ，t w os t e e r i n g c o n t r o lm o d e l sa r el a u n c h e db a s e do nt h e s t e e r i n g m o d e lw i t ht h e m e t h o d so f r o l l i n g p a r a l l e ls t i f f n e s sa n d s l i d i n g m o d ec o n t r o l r e s p e c t i v e l y t h es t e e r i n gc o n t r o l l e rd e s i g n e db ys l i d i n gm o d ec o n t r o l m e t h o di su s i n ge q u i v a l e n tc o n t r o la n ds w i t c hc o n t r o ll a w a m b r o s i n o s w i t c hf u n c t i o nm e t h o di s a d o p t e di no r d e rt oe l i m i n a t eo rr e d u c et h e s h a k i n go ft h ec o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nh a sd o n er e s p e c t i v e l y f r o mt h e s i m u l a t i o n s ，t h e nc o m et h ec o n c l u s i o n s ：c o m p a r e dw i t ht h er o l l i n g p a r a l l e ls t i f f n e s sm e t h o d s l i d i n gm o d ec o n t r o lm e t h o dh a sag o o d i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t p e r f o r m a n c e o ns t e e r i n g c o n t r o l l i n g a n dt h ec o n t r o l l e rh a sas o o n s t a b i l i z a t i o no u t p u t k e y w o r d s ：s t r i pr o l l i n g ，a s y m m e t r i c ，s t r i ps t e e r i n g ，s l i d i n gm o d e c o n t r o l ，s i m u l a t i o n i i i 中南人学硕l j 学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早珀了匕 自1 9 9 0 年以来，全球铝工业进入了一个崭新的发展时期【l 】。随着科学技术的 进步和经济的飞速发展，在全球经济一体化与大力提高投资回报率的经营思想推 动下，世界铝工业一方面加大了结构调整力度，另一方面丌展了一场向科技研发 大进军的热潮，以求更合理更均衡地利用与配置资源，不断扩大铝工业的规模， 增加铝产品的品种与规格，提高产品的科技含量并拓展其应用范围，大幅度降低 能源消耗和污染物排放，大幅度降低成本，提高经济效益，扩大铝材替代钢材的 应用领域。2 0 0 6 年世界铝产量达3 5 0 0 万t a 以上，并以5 左右的速度递增，估 计到2 0 2 0 年铝的产量会翻一番，达到6 8 0 0 万t a 以上。增加产量和品种、调整 产品结构、扩大在交通运输工具及其他方面的应用等是现代世界铝及铝加工业发 展的重要特征。 我国对铝板带的需求逐年递增。为了提高我国铝板带箔材的产能和产量，提 高装机水平和技术水平，改变我国铝加工材的产品结构，中国铝及铝加工业自 2 0 0 2 年以来正处于高速持续发展的第三次高潮中。2 0 0 6 年全国原铝产量达9 3 0 万t a ，连续4 年雄居世界榜首。铝材产量由1 9 8 0 年的不到3 0 万“a 增长到2 0 0 6 年的8 15 万t a ，一举超过美国，跃居全球第一，而且正以比世界平均增长率( 5 一6 ) 大得多的速度( 2 0 - - 2 5 ) 增长。近年来，已建、在建、拟建的产能1 0 万t a 以上的铝板、带、箔材项目2 0 余个，其中2 0 万t a 以上的项目8 1 0 个， 到2 0 0 8 年我国铝板、带、箔的产能可达到8 0 0 万t a ，占世界产能的1 5 左右。 已建和拟建的热连轧生产线7 条( 见表1 一1 ) ；2 0 0 0 m m 以上的冷轧生产线8 1 0 条，并在建2 机架、3 机架和5 机架的冷连轧生产线；已建和在建的2 0 0 0 m m 以 上的铝箔轧机3 3 台( 见表l - - 2 ) 。预计2 0 1 0 年将新增铝板带冷轧生产能力约3 0 0 0 k t a ，加上过去形成的生产能力，铝板带的总生产能力可达7 0 0 0 k t a ，占那时世 界总产能的2 5 以上，成为超宽幅铝板带第一生产大引卜5 1 。 2 0 0 5 年6 月国内某公司建成投产的中国第一条具有国际先进水平的高精铝 及铝合金板带材“l + 4 ”热连轧生产线，令业界瞩目，标志着中国己步入全球铝轧 制大国的行列【。 “1 + 4 ”热连轧生产线是近1 0 年来世界铝加工领域唯一新建的热连轧生产 线。它采用了集机械、液压、电气传动、自动化控制、检测、工艺模型等技术和 装备于一体的先进铝带热连轧生产技术，成为具有当今世界水平的大型铝带热连 轧生产线。它的建设填补了我国铝加工业无热连轧技术的空白，对我国铝加工装 中南人学硕一l ：学位论文 第一章绪论 备和技术的进步有着巨大的推动作用。“1 + 4 ”热轧机最高轧制速度达到 4 5 0 m m i n ，年生产能力3 0 万吨以上，热轧成品的厚度精度、凸度精度、温度精 度、表面质量、内部组织及生产成本均达到国际先进水平。 表1 - 1 我国已建、在建、拟建的铝板带热连轧生产线 表卜2 我国已建、在建辊面宽度 2 0 0 0 m m 的铝箔轧机 “l “ 热连轧生产线精轧机组为四机架不可逆轧制方式，轧机为四辊轧机。 从2 0 0 5 年4 月开始，精轧机组轧制中，时常出现随机跑偏，特别是轧制5 m m 以 下薄料时更甚；2 0 0 5 年8 月，板带公司从美国请来经验丰富的轧机调试专家进 行调试，未能解决问题，2 0 0 5 年1 0 月，日本东芝电气公司为设备的控制系统增 加了倾斜辊s s c 系统，但轧制薄料时，轧件跑偏还是时常发生，对公司的经济 效益影响显著【6 1 。为此，该公司提出“1 + 4 ”铝热连轧轧件跑偏模型及纠偏控制 研究项目，委托中南大学进行研究。 在轧制过程中，轧件的跑偏现象将导致铝带拉断、工作辊损伤、卷取时带卷 不对中、引发切边机故障、工作辊轴向磨损不均等产品质量问题和设备故障。 因此，探讨铝带跑偏机理，建立铝带跑偏模型，从而控制跑偏，对提高轧制 过程稳定性和产品质量具有重要的意义。 2 中南入学硕i j 学位论文 第一章绪论 1 2 跑偏分析及其影响因素 1 2 1 跑偏的描述 跑偏是板带在轧制过程中宽度方向的中心线偏离轧制系统设定中心线的工 程描述，是4 ：l 带t j 状态参数失去横向对称性的外在表现。在连轧的中间过程，由于 有张力调节系统、对中调节系统等的约束作用，板带跑偏往往得以控制，当板带 脱离前几道机架，在尾部一至两机架轧制时，由于失去部分约束，跑偏趋势变得 严重，跑偏量加大( 见图1 1 ，图1 2 ) ，造成板带卷取不对中，尾部2 0 5 0 m 的 板带成为废品。 有约柬砖馆不明显 失去部分约柬黼喇曼 图l 一1 板带连轧跑偏现象的描述 ( a ) 尾部跑偏带卷( b ) 正常卷取带卷 图卜2 尾部跑偏和没跑偏的带卷成材情况对比 1 2 2 跑偏理论分析 国内对于跑偏机理的研究主要有胡大超等人 7 母】。国外对于跑偏的研主要是 考虑跑偏的影响并定性地提出一些控制措施【加啦】。本文综合上述文献进行总结概 括，得出以下结论。轧件跑偏机理：从整个轧制过程来看，只要沿轧制方向上轧 件的中心线与轧制中心线不重合，便认为轧件出现跑偏现象。因此，根据跑偏的 中南人学硕 ：学位论文 第一章绪论 程度可分为轧件的整体偏移和轧件的头部侧弯两种情况。当轧件发生整体偏移 时，主要牵涉到轧制区，而头部侧弯主要是在轧制区外部。由此，跑偏亦可分为 发生在轧制变形区内的跑偏和发生在轧制变形区外( 包括轧机入口侧和轧机出口 侧) 的跑偏。 1 轧制变形区内的跑偏 产斗一芦曼 确车懒。二一一 棚_ 一lt t i ! 二轧制区，_ ( a ) 轧件受力图( b ) 变形区速度矢量图 图1 - 3 轧制变形区内轧件跑偏机理 图1 3 a 为工作辊不偏斜时轧件的受力简图。由于辊系的弯曲变形，作用在 轧件表面的单位轧制压力的方向与垂直方向有一偏角p ，由此产生一个水平方向 的分量p s i n t p 。由于轧件横向尺寸或性能不对称、轧辊轴向状态不同的原因，p 及缈沿轧件宽度方向各点均不同。当p 水平分量的合力不等于零时，即 y p s i n 呼o 0 ，轧件必存在横向运动趋势，假设轧件存在向传动侧运动的趋势， 随之伴生单位摩擦力厂。设p 与厂合力的水平分量为p ，其大小如式( 1 1 ) ： p = p s i n ( p - f p s i nz c s o 缈s 伊藿笺捌 c t ， 广伊 传硎1 1 l ! u 当轧件整个宽度上p 与厂合力的水平分量p 之和大于零时，即yp 0 ，轧 件将向传动侧跑偏。 轧辊偏斜尤其是工作辊的偏斜不仅会产生轴向力，严重时会导致轧辊轴承烧 损事故，而且也是轧件跑偏的重要原因。图1 3 b 为工作辊偏斜时轧制变形区的 速度矢量图，用公式表示为：6 h = t 5 s + 6 。在整个接触弧内。轧件与轧辊之间 存在相对速度u 。，且由于不同的点，轧件的速度u 。和轧辊圆周速度的水平分量 d 都是变化的，其各点相对速度的大小和方向都是变化的，但整个接触弧内， 相对速度在轧件宽度方向上的速度分量却始终不变。由此可知，当工作辊偏斜时， 轧件存在一个宽度方向上的速度分量。轧制时影响这个速度分量的因素轧辊的速 度、轧辊的偏斜角、轧辊与轧件表面之间的摩擦状况等。当轧件上下表面的相 对速度的横向分量的差值超过极限时，轧件将跑偏，即轧辊旋转驱动轧件发生整 体侧移。 4 中南人学硕17 学位论文第一章绪论 由上分析可知，变形区的摩擦力起着不同作用。当轧件不跑偏时，摩擦力对 轧件跑偏有阻碍作用，而当轧辊偏斜时，由于相对速度d 。存在，摩擦力是轧件 跑偏的动力。 2 s l n 变形区外的轧件跑偏 s l n 变形区外的跑偏分为两种情况：由于轧制变形区内轧件跑偏而促使变形 区外的轧件整体侧移和由于变形区外轧件横向速度的不同而引起的侧弯。其中前 者在上面已经分析，在此主要讨论变形区外轧件的侧弯。有轧制理论知压下率的 大小直接影响着轧制时前后滑的大小，进而影响着入口和出1 ：3 轧件速度的大小。 因此分析轧制变形区外轧件的跑偏可从分析压下率的横向分布入手。当传动侧的 压下率么大于操作侧的压下率么时，在轧机入口侧，传动m i s l 件的存余量大， 轧件将向操作侧跑偏；在轧件出口侧，由于么大于以，由式( 1 - 2 ) 可知大于， 轧件将向操作侧跑偏。 1 1 ( 1 + 。)( 1 - 2 ) 式中d 。轧辊圆周速度； 卜前滑值。 现场表明，由于摩擦力的存在，轧件在轧制过程中轧制区内跑偏量相对于轧 制区外部的跑偏来说是很小的，因此本文主要针对s l n 区外的跑偏进行研究。 1 2 3 跑偏影响因素 在连轧过程中，影响板带跑偏的因素有很多，下面对主要的几个影响因素分 析如下： ( 1 ) 板带楔形f 5 】 板带楔形对跑偏的影响可通 过图1 4 表示，由于板带初始楔形 的存在，造成板带两侧压下率存在 差异，从而使得轧机弹跳不同，板 带出口速度不一致而产生跑偏现 象。随着s l n 过程的进行，板带跑 偏逐渐增大，最终将会影响板带的 后续轧制过程。楔形对板带跑偏的 影响具体分析如下： 图l 一4 楔形板带产生的跑偏现象 假定板带存在一初始厚度差胡，则该差值对出口厚度的影响通过图1 5 的 只日曲线可以显示出来。图1 - 5 中彳l 、彳2 为轧件的塑性曲线，其塑性系数为m ， 轧机的弹跳曲线为b l ，其刚度系数为斛近似为直线) ，轧件入口厚度为日。假设 5 中南人学硕l 学位论文第一章绪论 入口厚度发生微小偏差时，其塑性曲线的斜率不变，根据推导可得出口厚度差幽 与入口厚度差日之间的关系为： 幽2 静 m 3 ， m + k u 、 。 由此而引起轧件两侧的压下率存在差异必然导致轧件跑偏【13 1 。 hh ， 脬缆 图卜5 入口厚度对板带出口厚度的影响 ( 2 ) 板带偏置【1 4 1 板带轧制过程中，由于某些因素的影响，可能使板坯在咬入轧机过程中偏离轧 制中心线，即板带偏置，此时轧机受力不平衡，使坯料的左右厚度产生波动，从而 引起轧件跑偏。现假定板带由于某些原因而偏离轧机中心线距离为a ，如图1 - 6 所示，轧辊两轴承上所受的力不再相等，于是两边牌坊及零件弹性变形不再相等， 从而两个轧辊轴线不平行，这就造成钢板两边压下率不相等，从而钢板两边出1 3 厚度不相等，使得轧件跑偏。 由图1 - 6 可求出钢板偏离轧机中心线距离为b 而引起的钢板两边厚度差为 1 6 1 ： x h ：4 p 而a 厂b 一b ( 1 - 4 ) l ：k h 式中卜轧制力5 卜轧件宽度； 卜两边压下螺丝轴线距离； 酶广轧机等效刚度。 由此可得，板带两侧的压下率差为： 址器h m 5 ， t ：k h v _ 。 6 中南人学硕l j 学位论文第一章绪论 式中卜入口轧件厚度；其他同上。 图i - 6 板带不对中对跑偏的影响图1 - 7 左右刚度差对跑偏的影响 ( 3 ) 轧机左右刚度差 在轧制过程中，轧件各部件受轧制力作用而产生弹性变形，总的弹性变形量 最终表现在辊缝上，使辊缝大小( 或称辊缝开口度) 发生变化，如图1 7 所示，这 种现象称作辊缝弹跳。发生弹跳后的辊缝称作有载辊缝。轧件的刚度是表示该轧 机抵抗轧制压力引起弹性变形的能力，又称轧机模数( m i l lm o d u l u s ) 。 轧机在制造过程中，会通过各种工艺技术来保证两侧牌坊的刚度一致，但大 部分轧机的两侧牌坊的刚度存在一定的差异。当轧机两侧刚度不同，c l s j j 时两边 牌坊及零件的弹性变形不同，从而使得两个轧辊轴线不再平行，板带两侧的压下 率不同，板带两边出口厚度产生差异，进而使得板带产生跑偏现象【1 3 】。 由于轧机左右两侧刚度不同，将严重影响轧件的轧制力分布，导致轧件在轧 制过程中的跑偏。在此引入一个横向刚度的概念。若用外扰转矩和上下轧辊的相 对角度变化的比来定义轧机的横向刚度，可表示为式( 1 6 ) t 1 7 】，横向刚度越大， 轧辊越难以倾斜，轧件跑偏发生迟缓。 g r = 等 ( i - 6 ) 乙y 式中卜一轧制力； 卜板宽； g 广一反馈系数 ( 4 ) 张力的影响【1 3 1 5 】 张力的影响。在施加张力的状态下，一旦某种因素使轧件向一侧跑偏，则张力 在轧件宽度方向上的分布发生变化，跑偏侧的张力比另- j 大。此结果表明，在张 力值大小不同而s l * i j 力不变的情况下，跑偏侧的压下率增大，则又使轧件向反向移 动。故施加在轧件上的张力绝对值越大，宽度方向上张力分布的变化量的值取得 越大，轧件越难出现侧弯。张力的影响如图1 8 所示。 7 中南人学硕j ：学位论文 第一章绪论 图1 - 8 张力对板带跑偏的影响 r 传动侧轧制力，p n 广传动侧轧制力；f 掘一传动侧张力；广操作侧张力 1 3 课题国内外研究现状 1 3 1 跑偏理论研究 板带跑偏，是在横向非对称初始因素影响下，轧制系统参数失去对称性的外 在表现，研究跑偏机理就是研究不同横向非对称因素( 如轧件横向厚差、横向温 差) 对跑偏量和跑偏趋势的影响规律、跑偏过程中轧制系统状态参量( 如辊系变 形、辊间接触压扁变形、有载辊缝、辊间压力分布、轧制区变形抗力三维分布、 摩擦力三维分布、前滑速度、后滑速度等) 的变化规律及综合关系。因此，跑偏 机理的研究涉及轧制理论中的辊系变形理论、轧制区变形理论等。 目前，国内外在辊系变形研究领域内主要对辊问压力分布、有载辊缝、轧辊 轴线位移、倾斜辊等进行了深入研究，并且在不同假设条件和边界条件下建立了 相关的理论解析模型和数值分析模型，形成了比较成熟的辊系变形理论【l j 7 - 1 9 】。 轧制区变形理论研究经历了从传统的平面应变轧制理论( 二维轧制理论) 到 三维轧制理论的发展过程。目前国内外三维轧制过程的研究主要采用理论推导、 条元法、有限元法。随着计算机技术的进步，有限元法得到了越来越多的应用 2 0 - 2 2 】。其中也有研究涉及轧制区的非对称性模拟，文献 2 1 研究薄板带的热轧机 械特性，对板宽方向的非对称性轧制状态进行了数值模拟，以宽展量为对象进行 了探讨。文献 2 2 用有限元分析模拟了板带的侧弯及宽展。这些都是单独研究轧 件在轧制区的非对称轧制状态，其着眼点不在轧件的跑偏与控制上，没有系统探 讨跑偏机理，其结论对于跑偏的描述和跑偏的控制是不完善的。 轧件的跑偏模型是以跑偏理论研究为基础，对轧件轧制区的变形特性和参数 进行分析建立轧件的跑偏模型。n m k a j i m a 等人于1 9 8 0 年建立了单机架的跑偏数 学模型，并通过实验验证了该模型具有一定的精度【1 7 】；s h i r f i s h i 等人于1 9 9 2 年 推导了轧件楔形与跑偏的关系【2 3 】；t a k a i l o r ik i y o t a 等人于2 0 0 3 年在n a k a j i m a 等人的基础之上提出了一种新的线性模型【2 4 1 。另外，随着计算技术的飞速发展， 对跑偏模型的研究越来越多地采用计算机有限元模型【2 02 2 。 中南人学硕 ：学位论文第一章绪论 1 3 2 跑偏控制研究 轧制过程中轧件的跑偏不仅有碍于轧制作业，而且还将导致轧件弯曲等，使 产品质量降低。因而，开发一种防止轧件跑偏的技术是必须的。目前，在国外公 开发表的跑偏控制技术有两种【l7 】：一种是用左右两侧的测压头测出两侧压力差， 问接地检测出跑偏量，再调整辊缝达到跑偏控制的目的；另一种是在入口安装检 测跑偏量的检测器装置，然后调整轧辊水平来达到跑偏的控制。 木村智明等研究了轧机平行刚度与轧件跑偏的关系，并于1 9 8 3 年丌发了基 于平行刚度的跑偏控制系统【2 5 1 ，系统框图如图1 - 9 所示。其主要思想是通过控制 由于轧制力差引起的辊缝差，避免轧件两侧压下率差因辊缝差而进一步增加。然 而，该控制方法要求压下系统具有很高的响应速度以及大的压下量。压下系统的 大压下量将会导致轧件尾部拉断。 为了能精确测量轧件的跑偏量，通过安装检测轧件跑偏量装置检测出轧件跑 偏的精确值来精确控制轧件的跑偏，而热轧的恶劣环境，则需要检测器能在温度 高、湿度大、黑暗的环境下进行工作，并且能保持足够的使用寿命和轧件跑偏量 的高检测精度。久保贞多夫等人利用轧件的边部位置检测方法来检测轧件的跑偏 量【2 6 1 ，其结构如图1 1 0 所示，经试验证明该检测器能高速、高精度地检测出热 带钢轧机机架问轧件的跑偏量，但在恶劣的热轧生产环境下传感器的稳定性不 够，使用寿命较短。 ： 亡j 争= 荔嘉嚣 动 j 一叨珍z 功多。一1 竺 侧。啊 厂 也一一一二 j e 三! 坠蔓 口 广闷 j 甚丁r f 一一a p j 卜! ! r fj 譬蓦，1p 怕i - 拓i 话孟i 。蝠1 。- 一十一一ias d i - s d _ r s “一! s ! 目圈 d c 伺服电机，d s t 0 8 鬻瓣阡j ，擀硼f 徽 机控电帆 ，：“h l 制盘：控制- r - j ，! 卜+ f t 下 一fi i 一 摄碌目i i i ：一扳宽数据 ，印殴宅 l 位： 圃置 记录仪输i 1 1 板宽，跑偏爱， 图卜9 基于平行刚度的跑偏控制回路图1 - 1 0 检测器结构图 图1 1 l 为由新日铁开发的轧制力检测法的实际应用例子【27 1 。其原理是建立 在以下假设基础上的：当产生侧弯时轧件拖进变形区时在轧机入口侧将发生摆 尾。结果是中厚板移开变形区轧机中心线，引起两侧轧制力出现差值。自动跑偏 控制系统采用一种反馈控制，减小轧制力增加那一侧的辊缝。这使凹侧延伸增加， 因而使中厚板变直。这种方法的主要缺点是两侧轧制力之差不仅是板跑偏的函 9 中南人学硕l ：学位论文 第一章绪论 数，而且取决于其他因素，如板横向温度波动和轧机两侧轧辊偏心不同等。 图卜1 1 跑偏控制系统【2 8 】 图1 1 2 为桑野博明等人根据实际生产过程中的跑偏现象，丌发出的基于检 测器式的跑偏控制系统【2 8 1 。该系统利用精度高，响应速度快的检测器直接检测 出轧制过程轧件的跑偏量，并以此信 号为基准信号修正轧机两侧的压下 量。 日本川崎制铁公司为了控制轧 制过程中轧件的跑偏，开发出了一种 用于中厚板轧制的比较独特的侧弯 量测量方法【2 9 1 。该方法中用三个测量 板宽向板材位置的传感器( 也称为 “对中仪”) 进行跑偏量测量。其原 理如图1 1 3 。 图卜1 2 跑偏控制系统【2 8 】 三个对中仪位于a 、b 、c 处。由这些仪表测得的板中心的相应位置用字母 a ，b ，c 标注。该侧弯测量系统连续监控点c 和d 之间的距离i i l 。点d 是仪表c 中心线与通过点a 和b 的直线的交点。为计算板侧弯，其侧弯曲线由n 次多项式 近似。这种情况下，通过监控距离i t i ，有可能排除滑动的影响准确测量板材的侧 弯量。 图1 - 1 3 侧弯测量原理 l o 中南人学硕i ：学位论文第一奇绪论 文献3 0 提出了一种基于图像处理的方法来测量轧件的跑偏，该方法区别于 传统的图像处理方法是只采用一个摄像头。文献 3 1 】对一种基于计算机图像处理 的实时轧件跑偏量的测量系统的设计和安装进行了相关介绍。由于实际的跑偏量 是无法测量的，该系统通过分析跑偏量和其他变量的关系来间接得出跑偏量的大 小。该系统具有很好的鲁棒性，同时能很好地反映已知的轧机故障和系统的关系。 k u w a n o 等于1 9 8 6 年提出了一种基于无时延传感器的简单比例控制方法【3 2 l ， 该方法是通过在轧件出口侧安装传感器束直接检测轧件的跑偏量来作为反馈量 对跑偏加以控制。为了检测出无时延的跑偏量，传感器的安装位置要靠近轧辊， 恶劣的工作环境对传感器的精度及稳定性严重影响。o k a m u r a 等在1 9 9 6 年提出 了一种基于状态监测器的反馈补偿控制方法【3 3 1 ，这种方法在控制过程中忽略了 状态监测器的时延，不能进行实时控制。 国内，东北大学王国栋等人与韩国浦项钢铁合作，对热轧板带跑偏过程的简 化模型进行了动态仿真【3 4 。3 6 】，其思想仍是木村智明的工作思路。文献 3 7 1 和文献 3 8 介绍了基于人工智能的跑偏控制系统，由于人工智能需要大量数据进行训练 才能应用到实际生产中去，每当轧件类型改变后，该系统需要进行重新训练，故 其耗费高，通用性不够。 以上介绍的跑偏控制技术主要是应用在中厚板轧制领域内，随着科技的发展 和对板带质量的提高以及板带厚度的减小，跑偏现象依然普遍存在。传统的控制 技术，并不能满足目前的要求。因此对板带轧制过程中的跑偏研究意义重大。 1 4 课题研究内容及意义 1 4 1 研究内容 本文研究内容是在理论分析的前提下，提出轧件跑偏控制的理论基础，并进 行实验研究，得到判断轧件是否跑偏的特征量。基于中岛等人对轧机非对称性的 研究，并进行必要的简化和假设推导出轧件跑偏的数学模型，选择鲁棒性强的滑 模变结构控制方法设计控制器。具体内容如下： ( 1 ) 通过理论分析，提出描述轧件跑偏的特征量，并进行实验研究，验证该 特征量对轧件跑偏能准确反映轧件是否跑偏。 ( 2 ) 在中岛等人的研究基础上，对轧机的非对称性进行分析，推导轧件的厚度 模型、轧件楔形率变化与跑偏的关系，综合( 1 ) 中所提出的轧件是否跑偏的特 征量建立轧件跑偏过程的数学模型。并利用s i m u l i n k 建立单机架跑偏模型，进 行仿真分析得出相关结论。 ( 3 ) 分别选择基于轧机平行刚度方法和滑模变结构控制方法对轧件跑偏进行 中南人学硕i ：学位论文 第一章绪论 跑偏控制研究，根据轧件跑偏模型推导跑偏控制框图，设计跑偏控制模型。 ( 4 ) 在所建立的轧机跑偏模型和控制模型的基础上，利用现场数据，分别对 两种控制方法下进行跑偏控制仿真，比较分析仿真结果，得出相关结论。 1 4 2 研究意义 近年来由于科技水平的不断提高，生活和生产对铝板带箔材需求量增加，热 轧铝带生产规模在不断扩大，同时对铝板带箔材的质量提出了更高的要求，这将 必然对生产提出新的挑战。目前，由于市场对厚度更小的铝板带箔材及无凸度铝 板带提出了需求，导致了带材在轧制过程或卷取过程中出现了跑偏。为得到合格 的轧件，很有必要深入研究轧件跑偏问题。跑偏的机理及原因在上面及有关文献 【昏9 1 已有阐述，它们对跑偏有了较为全面的理论探讨，不过，他们只是在定性上 研究了跑偏的原因，并没有对轧件跑偏机理进行深入研究。传统的跑偏控制是基 于轧机平行刚度来设计的，但由于其对执行器的响应速度要求过高，另外其调偏 输出量太大。因此无法彻底解决轧件的跑偏问题。 本文提出了判断轧件是否跑偏的特征量，通过实验分析轧制过程中各特征量 和本文所提出的特征量与轧件跑偏的关系，验证了该特征量能准确反映轧件是否 跑偏。以非对称情况下轧制时轧机的变形模型为基础，对轧件跑偏机理进行深入 研究，建立了轧件在z # l 铜j 过程中随时间的跑偏数学模型。为了对轧件跑偏控制进 行研究，选择基于轧机平行刚度方法和滑模变结构控制方法分别进行跑偏控制仿 真研究。对比仿真结果可知，滑模变结构控制方法能有效控制轧件的跑偏，通过 采用切换函数的方法来控制滑模控制器的输出抖振。这对于控制跑偏具有一定的 实际意义，也为进一步研究跑偏控制提出了一种新的思路。 1 2 中南人学硕i ：学位论文 第二章跑偏控制理论及j 实验研究 第二章跑偏特征量及其实验研究 本章首先通过理论分析提出了描述轧件是否跑偏的特征量。通过对在不同影 响因素引起的轧件跑偏现象进行理论分析和实验分析，比较在各种单影响因素和 综合影响因素的情况下，各个特征量与跑偏之间的关系，选择能准确反映轧件跑 偏方向的特征量。本章主要考虑两种常见的影响因素：一为轧件楔形，二为轧件 偏置。通过对两种不同影响因素进行组合轧制实验，比较分析各种结果，得出相 关结论。 2 1 跑偏特征量的提出 由第一章可知，在轧制过程中，由于轧件非对称性( 轧件放偏，轧件楔形等) 和轧机非对称性( 辊缝楔形，轧机两侧刚度不相等) 的存在，轧制时轧机两侧轧制 力不同，使得轧件出现楔形，轧件操作侧和传动侧的压下率不同，使得轧件快速 往一边跑偏。影响轧件后续轧制过程，甚至导致轧件拉断，轧辊受损等严重事故。 轧件在轧制过程中跑偏的直接表现形式为轧件楔形，不管引起轧件跑偏的初始因 素是什么，都可通过其直接表现形式楔形来反应。轧件楔形与跑偏的关系可 解释如下【3 9 删： 图2 1 中，轧件初始板型正常，假设轧件厚度由日压缩到h ，轧件不发生跑 偏的条件是，轧制后轧件的传动侧和操作侧的长度相等。于是： l 。= i l s 那么，当忽略轧件在轧制过程中的宽展时，根据体积不变定理可以得到如下 方程： 也h o , x 乞l o , = ：k h o , x 笼( 2 - 1 )【也乞= k 乞 7 由式( 2 1 ) 可得： 二生：生煎 ( 2 2 ) hh 式中伢一轧件轧制前平均扳厚，h = ( 也+ h d ，) 2 ； j l l 轧件轧制后平均板后，h = ( k + 缸) 2 ； 式( 2 2 ) 为轧件轧制前后的楔形率。 由式( 2 2 ) 可定义轧件轧制前后楔形率差为： 沙=姓一生二丝(2-3)hh ， 中南人学硕i j 学位论文第_ 二章跑偏控制理论及其实验研究 h 。l 图2 - 1 轧制前后的轧件 假设轧件轧制前两侧长度相等即l 。吒d s ，轧制前平均厚度h ，轧制后平均厚 度h ，下面分几种情况对跑偏与楔形率差进行讨论： a )当轧件不跑偏时，即乞= 么，由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得： k t o s l 缸 l 螽 ( 2 4 ) 5 f ，：h o 丘t o , i ht d , 一必：。( 2 5 ) 。hh 、 b ) 当轧件往传动侧跑偏时，即乞 么，式( 2 5 ) 则为： 妒生叠生。仁6 ， 。hh 、7 c ) 同理，当轧件往操作侧跑偏时，即乞 o 轧件则往操作侧跑偏。轧制力却并不能准确判断 轧件跑偏的方向，当影响因素编号为4 时，轧件偏置距离绝对值由d , n 大变化时， 轧件的跑偏方向也会由”+ ”到”进行变化，与轧制力所反应的方向刚好相反。 由以上分析可知：在轧制过程中，轧件跑偏的影响因素通常是由多种单影响 因素综合起来的，而在多影响因素综合的情况下，轧制力并不能正确地反映轧件 跑偏的方向，因此，从理论上来说，楔形率差相对于轧制力更适合作为跑偏控制 的特征量。下面从实验上来进行分析。 2 2 2 实验设备及试件 ( 1 ) 实验设备 本实验用到的轧机为昆明重型机械厂生产的l g 5 0 0 实验轧机，轧机辊面宽度 5 0 0 m m 工作辊直径4 2 0 m m 最大轧制压力1 8 0 t 。实验所用的主要设备如表2 3 ： 表2 - 3 主要实验设备及试件 1 6 中南人学顾 j 学位论文第二章跑偏拎制理论及j 实验研究 图2 - 3 实验现场照片 图2 - 4 试件尺寸图 ( 2 ) 实验材料 实验材料为某铝厂提供的j p 2 1 3 5 型铝板，实验用铝板由厂家提供，经机加 工后得尺寸规格如图2 4 所示。实验所用材料尺寸规格( l x b x h x h ，其中4 件= o 。一风。) 及数量如表2 4 所示： 2 2 3 实验内容 表2 - 4 试件材料尺寸规格及数量 ，迂寸规格b x h x 肋1 t l r f l 数鼙( 块) 3 2 0 2 1 0 1 5 1 56 3 2 0 2 1 0 x1 5 o2 本实验辛要内容如下： ( 1 ) 在单影响因素下轧制时，设定标准辊缝，分别测量轧制时两侧的轧制 力( 纥、厶) 及轧件在轧制前后的楔形率差妙。 ( 2 )当轧件跑偏影响因素是综合影响因素时，即影响因素编号为3 或4 。 在每种综合影响因素下进行两次轧制，两次轧制中惟一不同的是轧件偏置距离分 别为l o m m 和3 0 m m ，通过测量轧件轧制前后楔形率差及轧机两侧轧制力，比较 各特征量和跑偏方向。 其中，在本实验中用安全臼的应变近似代替轧制时两侧的轧制力。因为轧制 力与安全臼的应变近似成正比关系，测量出安全臼在轧制过程中的应变后，只需 乘以一个系数就可得到轧制力；另外，在本实验中只关心两侧轧制力大小关系， 而对其具体数值并不感兴趣，故在本实验中可以直接用安全臼的应变图来表征操 作侧和传动侧之间轧制力的大小关系。 轧制过程中各个轧件的轧制工艺参数如表2 5 所示： 1 7 窆 - t 4 中南人学硕。1 ：学位论文第二二章跑偏控制理论及其实验研究 楔形率差是通过用螺旋测微计测量轧件轧制前后两侧厚度来进行计算得出 的，考虑轧件在实际轧制过程中存在边部减薄现象，轧件两侧厚度取距边缘l o m m 处厚度。 2 2 4 侧弯量的测量 轧件中心线的侧弯是轧 件跑偏的结果，轧件侧弯量 的大小能反映轧件跑偏的程 度。在此以轧件侧面侧弯量 代替中心侧弯量，其测量方 法采用印痕法，即将轧件侧 面沾上油污印在白纸上，用 笔沿描下试样的侧面，并定 义轧件前后两个测量点的连 基 要 x 溺 蛩 毳 图2 - 5 侧弯量的表示方法 线为零线，然后在白纸上用刻度尺测出弯曲量，在坐标轴上绘制出轧件的侧弯曲 线，如图2 5 所示。 规定：当轧件向操作侧跑偏时，其侧弯量取为负；当轧件往传动侧跑偏时， 其侧弯量取为正。 中南人学硕j j 学位论文第二章跑偏控制理论及j 实验研究 2 2 5 实验结果分析 由于本实验关心的是轧件轧制后的跑偏方向与特征量及轧制力的对应关系。 实验结果跟轧机的轧制速度及相关尺寸无关，只与轧件的截面尺寸和初始位置有 关。因此利用该实验轧机进行的实验结果是可靠并且可信的，与现场轧机轧制的 结果是相符的。 按表2 5 轧制工艺对各试件进行轧制，铝板轧制前后如图2 - 6 所示，测得各 轧件轧制时左右两侧安全臼的应变分别如图2 7 至图2 1 2 ( 图2 7 至图2 1 2 中， 曲线1 表示传动侧应变，曲线2 表示操作侧应变) 。图2 1 3 至图2 1 6 ( 正方向表示 操作侧，负方向表示传动侧) 为各板带轧制后板带中心侧弯量。由于跑偏是一个 动态量，在轧制过程中不方便测量，而轧制后板带中心路径图恰是跑偏的外观反 映，故在此利用测量板带轧后中心线的侧弯量来表征轧件在轧制过程中的跑偏特 性。通过测量轧件轧制前后操作侧和传动侧的板厚，计算牛l a , j m j 后轧件的楔形率 差，列于表2 6 中。 a 轧制前板带 最大 2 6 图2 - 6 轧制前后的铝板 b 轧制后板带 h = 。：，。j j 厂 j i ， i f 乡、 、- j 、。、，、一 时间“s 图2 7 辛l 制板2 时两侧安全臼应变 1 9 中南人学硕i ：学位论文第二章跑偏控制理论及j e 实验研究 、氅 卜，研 鼍 卜- - ” 。j 一，。- 。 ，毒 j _ ， ， 一 f卜广 图2 - 8 轧制板3 时两侧安全臼应变 最大值= 2 4 9 9 3 ( 时间：4 8 5 秒) 采样频率= i 0 0 0 0 0 h z 3 9 7 5 5 0 8 5 1 5 0 4 6 2 5 1 0 5 争 、 弋气 “乡j i 分i j ，、- 1 时间t i f s 图2 - 9 轧制板4 时两侧安全臼应变 最大值= 5 2 百- 4 ( 时间：1 6