（机械设计及理论专业论文）热连轧板带厚度神经网络预报模型及模糊控制方法研究.pdf

摘要 厚度精度是板带材的重要质量指标。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 系统中不可或缺的一部分。但由于轧制工艺的复杂性，a g c 系统参 数存在不确定性，要建立精确的数学模型比较困难，采用智能技术为 轧机厚度自动控制提供了一种有效途径。本文主要研究内容如下： 以轧机弹跳方程为基础，结合轧机弹性方程曲线和轧件的塑性曲 线分析了影响轧件出口厚度的各种因素及几种基本的a g c 的控制原 理。 采用b p 神经网络方法建立了热连轧精轧机组出口厚度预测模 型。采用试错法确定出了最佳隐层单元数。通过比较有、无传统弹跳 方程数学模型输入的神经网络厚度预测模型，提出了b p 神经网络与 数学模型相结合的混合建模方法，进一步提高了预报精度。预测结果 与现场实测数据对比表明，相对误差在1 以内，实现了高精度预报。 用机理分析建模的方法建立了液压a g c 压下系统的数学模型。针 对所建立的数学模型，设计了常规p i d 控制器和模糊自适应整定p i d 控制器。并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中对两种控制方式下的液压a g c 系统进行了仿真实验。仿真实验表明，与常规p i d 控制器相比，模 糊自适应p i d 控制器控制下的a g c 系统具有更好的快速性和鲁棒 性，能更好地应用于在线控制。 关键词：热连轧，神经网络，厚度预报，厚度控制，模糊自适应p i d a b s t r a c t t h i c k n e s sp r e c i s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t yi n d e x e so f s t r i p s a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o ls y s t e m ( a g c ) i sa ni m p o r t a n tp a r ti n a u t o m a t i cs y s t e mi nm i l l i ti sd i m c u l tt ob u i l da ne x a c tm a t h e m a t i c m o d e lb e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo fm i l lp r o c e s sa n dt h eu n c e r t a i n p a r a m e t e r s i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yi sa ne f f e c tw a yt os o l v et h ep r o b l e m t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h es p r i n ge q u a t i o n ，t h ep - hg r a p hw a su s e dt oa n a l y s et h e e r r o r so fl e n g t h w a y ss t r i pt h i c k n e s s t h ep r i n c i p l eo fa u t o m a t i cg a u g e c o n t r o lw a sa n a l y s e d at h i c k n e s sp r e d i c t i o nm o d e li nh o ts t r i pm i l lw a sd e v e l o p e db a s e d o nb pn e u r a ln e t w o r k s t h et r i a l a n d e r r o rm e t h o dw a su s e dt oc o n f i r m t h eb e s tn u m b e ro fh i d d e nn e u r o n s c o m p a r e dw i t ht h em o d e l st h a tw i t h o rw i t h o u tt r a d i t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs p r i n ge q u a t i o na si n p u t ，a h y b r i dm o d e lw h i c hc o m b i n e db pn e u r a ln e t w o r kw i t hm a t h e m a t i c a l m o d e lw a sd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t ht h ed a t ac o l l e c t e df r o mf a c t o r y f i e l d w o r k t h er e l a t i v ee r r o rw a sb e l o w1 h i g h - p r e c i s i o np r e d i c t i o no f r o l l i n gt h i c k n e s sw a sa c h i e v e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r i c h y d r a u l i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e mw a so b t a i n e db yu s i n gt h em e t h o do fm e c h a n i s mm o d e l i n g t w o k i n d so fc o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e da n da p p l i e dt oc o n t r o lt h eh y d r a u l i c a g cs y s t e m ，w h i c ha r ep i dc o n t r o l l e ra n df u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w oc o n t r o l l e r sw a sc o m p a r e db a s e d o ns i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e c a p a b i l i t yo ff u z z yp i dc o n t r o l l e ri s m u c hb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e r t h es y s t e mi sm o r er o b u s tb a s eo nt h ef u z z y - p i dc o n t r o l t h e o r y k e yw o r d s h o t s t r i pm i l l ，n e u r a ln e t w o r k ，r o l l i n g t h i c k n e s s p r e d i c t i o n ，a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ，f u z z y p i d l i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：珥年上月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 期：啤年上月鱼日 牛 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的高速发展和人民物质生活水平的不断提高，对铝及其合金 材料的品种、规格以及数量的需求不断增加，对材料的性能、质量、精度等要 求也越来越高，从而相应地要求更为先进的铝加工技术和装备作为支撑，为国 民经济和国防建设供给合格的铝合金材料及制品。在国民经济高速发展，国内 市场对铝加工材需求强劲增长，以及加入w t o 后市场竞争日趋激烈的今天，显 然己不能仅依靠原有的老旧轧制生产线。因此，借鉴和吸收国外铝热连轧先进 技术和成功经验，研究铝板带热连轧机自动化技术，对于将来国内铝热连轧项 目的建设和发展实践必然大有裨益。本文正是作者全程参与中铝西南铝板带有 限公司与中南大学机电工程学院合作的“1 + 4 ”热连轧板厚度控制项目的基础上 完成的。 1 1 课题研究的背景及意义 厚度精度是铝板带材的两大质量指标之一，板厚控制是铝板带轧制领域里 的两大关键技术之一。近年来，我国从发达国家引进的一些大型的现代化铝板 带轧机，其关键技术就是商精度的扳厚控制和扳形控制技术，板厚精度与铝材 的节约、结构件的重量以及强度等使用性能密切相关。 中国铝板带热轧工业的发展可大致分为五个阶段【1 1 ：1 9 3 2 1 9 5 6 年，二辊块 片热轧法；1 9 5 6 年东北轻合金有限责任公司从前苏联引进一台2 0 0 0 m m 四辊可逆 式热轧机，开中国现代化铝板带热轧的先河，至1 9 6 8 年中国仅此一台四辊热轧机； 第三阶段为中国自力更生发展铝板带热轧时期，第一重型机器集团公司设计制造 的28 0 0m m 四辊可逆式热轧机1 9 6 8 年在西南铝业( 集团) 有限责任公司投产；第 四阶段为1 9 8 2 年至2 0 0 1 年，这个时期中国对2 0 0 0 m m 及2 8 0 0 m m 热轧机作了现 代化技术改造，产品品质及产量都得到提高，2 8 0 0 m m 热轧机改为( 1 + 1 ) 式的，并建 成一批二辊板带热轧机；第五阶段为2 0 0 2 年至2 0 0 8 年，中国的铸锭热轧工业得到 了前所未有的极大发展，建成一批多机架热连轧生产线与众多的单机架双卷取熟 轧机，其中就包括中铝西南铝板带有限公司于2 0 0 5 年6 月2 8 日剪彩投产的“l + 4 ”式2 0 0 0 m m 热连轧生产线，这是中国引进的首条这类生产线。它的装机水 平达到了当前的国际先进水平，它的投产标志着中国铝板带轧制工业将跻身世 硕士学位论文第一章绪论 界铸锭热轧大国之林。 近年来，在轧铝工业生产中，各国均采用了大量的新技术以适应激烈的产 品竞争。对于带材来说，外形尺寸包括厚度、宽度、板形、板凸度、平面形状 等等。在所有的尺寸精度指标之中，厚度精度指标是最基本、最重要的指标。 而随着社会的发展，科技的不断进步，对带材的厚度精度要求也越来越高，作 为控制产品厚度的轧机自动厚度控制系统( a g c ) ，更是起着关键的作用，它决定 着产品的精度与质量。 在厚度自动控制系统( a g c ) d p ，由于加工工艺的复杂性以及各种未知因素影 响的不确定性，很难得到精确的数学模型。所以，在经典控制领域中，a g c 控 制系统对于轧机的厚度控制往往只能粗略地给出控制参数，采用传统控制原理 进行控制。而粗略给定控制参数显然影响系统的控制精度，导致控制精度较差、 存在超调或者控制到达厚度目标值时间较长，造成废品率高，生产效率降低等 不良后果。由于带材厚度受到液压伺服系统、自动控制系统、工艺的瞬时条件 和原料等多方面的共同影响，对于同样的轧制设备、工艺条件和控制系统，a g c 控制参数的整定是不一样的，而且没有规律可循的，即系统控制参数存在不确 定性。所以，要想继续提高a g c 控制系统的控制精度比较困难。 智能技术中的模糊系统正是解决a g c 系统控制精度和轧制过程中不确定因 素的成功技术之一 2 】。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作 人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调 整p i d 参数，这就是智能p i d 控制器。它将古典的p i d 控制与先进的专家系统 相互结合，实现系统的最佳控制。 我国板厚控制技术虽然已经应用多年，然而我国自主研发轧机的时间比较 晚，很多先进的控制理论，比如模糊控制、神经网络控制等等，还没有很好的 应用于实际生产当中。a g c 系统的控制精度达不到国际先进水平，自动化程度 比较低。为了生产出高质量的产品，国内较为先进的轧机的a g c 系统均采用进 口产品，不仅价格昂贵，而且维修麻烦，严重阻碍了我国轧机自动化程度的提 高以及我国国民经济的发展。因此，开展智能控制方法在此类对象的建模与控 制中的实际应用和仿真探讨，从而自行开发智能控制的a g c 系统，不仅具有相 当重要的理论意义，而且对于促进我国自动化技术的发展，提高人工智能领域 的研究水平，均具有积极的意义。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 板厚控制技术的发展及国内外研究现状 作为衡量板带材最重要的质量标准之一的厚度精度，一直以来都是国内外 冶金行业普遍关注的一个焦点。厚度自动控制( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l 简称 a g c ) 是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是控制板带材纵向厚度的均匀性 从而生产出合格产品【3 卅。 同其他各种技术的发展一样，板带轧机板厚控制技术及其理论的发展也经 历了由粗到精、由高到低的发展过程。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尺寸精度要求越 来越高而相应发展起来的，板带轧机厚度控制的发展大致可以分为以下几个阶 段【5 】： 第一阶段是2 0 世纪三十年代以前的人工操作阶段，近代轧制理论还处于孕 育萌芽时期。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或者简单 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，轧机调整和 过程的实时调节主要是凭操作人员的经验进行的。轧制理论仅在这一阶段的后 期才刚刚开始建立，远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比较复杂的机器，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，相应的该阶段厚度控制尚未形成自动控 制睁7 1 。 第二阶段是2 0 世纪三十年代到六十年代，是轧机的常规自动调整阶段。1 9 4 9 年厚控方程的提出，以及1 9 6 5 年由于计算机自动厚度控制的带材轧机的建成投 产是厚度控制技术出现的标志 s i 。这个阶段轧制理论以力学为基础，研究轧件变 形规律，进入以力学和控制论为基础研究轧件与轧机相互作用变形规律( 8 母】。该 阶段中控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调节阶段。主要体现在速度调节系统，张力调节系统，位 置调节系统等。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。这种装嚣应用不久就暴露出了一系列的缺点：( 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。 1 9 5 2 年，英国的h e s s e n b e r g 等人，根据出口板厚决定于轧机弹性曲线与轧 硕士学位论文第一章绪论 件塑件曲线交点而推导出的出1 2 1 板厚表达式，奠定了板厚控制的理论基础【l o 】。 采用此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 瓯，利用弹跳方程计算出任何时刻的实际轧出厚度h ，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，使厚度控制的响应时间大为提高。以x 射线测厚仪侧 后和“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。 从2 0 世纪六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术开始逐 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6 0 至8 0 年代的 计算机控制阶段，即板厚控制的第三阶段。以弹跳方程为基础的厚度自动控制 理论得到广泛应用。计算机在板厚控制中的应用首先是在热连轧设定上开始的 1 1 - 1 2 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1 3 厚度、辊缝值以及轧制速度等，必须引进计算机运算才能完成。1 9 6 0 年美国麦 克劳恩钢铁公司的带钢热连轧机采用了计算机进行设定控制，从此计算机开始 应用于轧钢生产。促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。热连轧机采用厚度计式厚控方式主要在如下几个方面得到了 好处：( 1 ) 减少了带材后段由于温降而造成的厚度偏差的影响；( 2 ) 带材尾部失去 张力造成厚度偏差的情况有所改善；( 3 ) 轧机负载分配有所改善；( 4 ) 借助于活套 装置减少了需要校正的干扰；( 5 ) 带材的板形和平直度有所改善；( 6 ) 即使有一个 机架的厚度自动控制退出，还可以进行有效的厚度控制等。 在这一阶段中，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，各国相继改造和新建 了一大批热连轧生产线。与此同时，随着计算机性价比的不断提高，计算机已 经取代了控制系统中的调节器，形成了以检测仪计算机传动装置的直接数字控 制( d d c ) 系统，开始了以计算机设定和计算机控制为标志的新时代。这一阶段的 热连轧机轧制速度可达2 3 0 0 m r a i n ，出1 3 厚度7 r a m ，带材精度控制在5 0 a n 以 内可达8 0 以上。热轧产品质量有了相当程度的提高，而且在节省人力、简化 操作上均有较大提高。六十年代后期，在板带轧机的控制上，逐步过渡到了以 计算机设定和以微机进行d d c 过程控制阶段，并且将这种控制方式大量应用于 冷连轧机。但在板厚控制方案上，试图将“厚度计”式厚控方案应用于冷轧机 硕士学位论文 第一章绪论 上时遇到了困难。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，而且随着道次的增加而变大，仅 测量s l n 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经不 可能准确。对板带厚度精度要求更高的冷轧机来说，在厚控方案上必须寻求新 的控制模式。经过多年的研究，形成了这一阶段冷带轧机典型厚控系统的基本 思想：在第一、第二机架设置粗调a g c 系统，保证坯料厚度差基本上得到消除； 以后机架的精调a g c 系统，由于压下效率低，而且保证良好的板形，故常采用 调张力作为调厚手段，对板带厚度再次进行精确控制。如果误差超出了精调系 统的能力范围就改变第一机架的设定值，按金属秒流量相等的原则重新分配各 机架的压下量，以达到合格的厚度精度。同时由于各种检测设备精度的提高， 使得这一阶段冷轧机发展非常迅速，因而板厚控制精度在轧制出口厚度为 o 3 4 r a m 带材时，控制在正负1 0 朋l 以内。七十年代起，液压厚度控制技术的应 用，使板厚控制技术产生了重大变革。液压自动增益控制的响应速度比电动自 动增益控制快2 个数量级以上。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶 段的板厚控制技术大大地向前迈进了一步。并且在这一阶段地大部分旧式控制 方式的轧机都进行了新技术的改造。 上世纪八十年代末至今，板厚控制技术向着大型化、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型控制的全部 过程溶入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。在过程控制级的控制中， 一方面采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等控制理论的最新 成果，以追求控制性能的更高水平。另一方面采用人工智能、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【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。在张 力控制方面，6 0 年代建立了精确的连轧张力微分方程【l 弘1 7 】，7 0 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等 进行了研究。 5 硕士学位论文第章绪论 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 念上的一场革命，为轧制理论发展树立了新的里程碑。 人工智能在车l , t j 领域一出现就是与应用密切联系在一起的。短短数年间， 它已经成功地应用于板坯库管理到加热、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。这正是人工 智能近年来颇受轧制工作者青睐的原因【l s 】。 1 3 人工神经网络发展历史及其在轧机领域的应用 人工神经网络【1 9 l 是- - i - 1 新兴的交叉科学。它采用物理可实现的系统来模仿 人脑神经细胞的结构和功能。人工神经网络是由很多处理单元( 神经元) 有机的联 系起来，进行并行工作。处理单元( 神经元) 十分简单，但其工作原理是“集体” 进行的，它的信息传播存储方式与神经网络相似。神经网络没有运算器内存控 制器这些现代计算机的基本单元，而是相同的简单处理器的组合，它的信息是 存储在处理单元之间的连接上的，因而，它是与现代计算机完全不同的系统。 作为- - i - i 活跃的边缘性交叉学科，人工神经网络的研究与应用正成为人工智能 认识学科神经生理学非线性动力学等相关专业的热点。 人工神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年代。它的发展经历了如下阶段： ( 1 ) 数理逻辑学家m ec u l l o c h 和心理学家w p i t t s 首先于1 9 4 3 年提出了神 经元的数学模型【2 0 1 ，此模型一直沿用至今。 ( 2 ) 计算机专家v o n n e u m a n n 于1 9 4 8 年提出了简单神经元构成的自动机网 络结构f 1 9 l ，可惜这个设想并没有变成现实。但是，他仍然是人工神经网络研究 的先驱者之一。 ( 3 ) 1 9 4 9 年，心理学家h e b b 提出了神经元的学习规则【2 ”，使神经网络具有 了很强的可塑性。直到现在，h e b b 学习规则仍然是人工神经网络中的一个极重 要的学习规则。 ( 4 ) 2 0 世纪5 0 年代未，f r o s e n b l a t t 设计了“感知机”，这是一种多层神经 网络。首次把神经网络研究的理论成果应用到了实际中。6 0 年代末，由于多层 神经网络尚未找到有效的计算工具，人们对神经网络的兴趣减弱。人工神经网 络研究也开始了2 0 年的寂静时期。 ( 5 ) 2 0 世纪6 0 年代初期，w i d r o w 提出了自适应线性神经网络【1 9 1 。这是一种 6 硕士学位论文 第一章绪论 连续取值的线性加权求和阈值网络，现已在电力系统和其他控制领域有了较广 泛的应用。w i & o w 对于神经网络的发展也做出了不少贡献。 近年来随着社会发展与科学技术的进步，用户对板带材产品质量、品种、 性能的要求越来越商，板带材质量指标已经达到相当高的程度【1 3 】。例如在外形 尺寸精度方面：成卷提供的宽幅冷轧板带，厚度精度已经达到了微米级。采用 传统方法已经很难进一步提高控制水平。各国的技术人员都在进行智能技术在 轧机领域应用的研究，如美国的麻公司生产的智能压下卡，在四辊轧机上控制 压下位置精度为1 朋，在2 0 辊轧机上为o i a n 。而近年来，随着人工神经网络 在轧制领域的应用，轧机板带轧制理论又迈上了一个新台阶，及采用神经元控 制，当采用神经元模型时只需考虑系统的输入与输出，而不必建立轧制过程中 复杂的数学模型，同时可以很好的解决非线性问题。 随着计算机技术的发展，神经网络在处理轧制过程中存在的多变量、非线 性、强祸合、时变性等问题时展现出其无可比拟的优势。与传统方法的最大不 同，在于它避开了过去那种对轧制过程深层规律的无止境的探求。神经网络目 前在在轧制领域的应用主要在传动和压下装置的建模及控制、板形和表面状态 的识别、轧制力等参数的预报、故障检测、过程优化等方面i “枷j 。 人工神经网络方法在轧制自动化控制中有如下优点f 4 8 ，5 0 】： ( 1 ) 精确确定控制模型参数 利用人工神经网络，可以确定各模型参数对控制模型的影响程度，通过在 现场的训练( 神经元网络自学习) 之后，可以给出精确的控制参数。 ( 2 ) 提高控制模型精度 利用a n n 技术，通过一段时间历史数据的存贮，可以分析模型的精度，这 样可以利用a n n 技术对模型进行校正，同时也可以抵消生产过程中的不确定信 息，提高模型的精度。 ( 3 ) 提高a g c 系统的适应能力 由于神经网络具有良好的鲁帮性能，更能适应不断交化的实际工况，从而 提高了a g c 系统的适应能力。 ( 4 ) 减少系统的调试时间 现场的调试主要在于模型参数的摸索和系统的整定。利用人工神经网络， 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时问和系统的调试时问。 目前，国内外已经就人工神经网络在金属轧制过程中的应用方法进行了大 硕士学位论文第一章绪论 量的分析和研究，进一步的工厂实际应用也充分表明人工神经网络在金属轧制 过程中具有广泛的应用前景。 1 4 本文主要研究内容 本文以中铝西南铝板带有限公司的“1 + 4 ”式2 0 0 0 m m 热连轧生产线精轧 机组为研究对象，本文的主要研究如下： 研究板带纵向厚度偏差产生的原因，分析调整厚度偏差的方式和几种基本 a g c 系统的原理。 在利用传统弹跳方程建立热连轧精轧机组出口厚度预测模型的基础上，采 用b p 神经网络与数学模型相结合的混合建模的新方法，对轧机出后厚度进行预 报建模，将其结果与工厂现场实测数据进行比较分析。 采用机理建模的方法建立液压a g c 压下系统的数学模型。并对系统性能进 行分析和仿真研究。 采用常规的数字p i d 控制和模糊自适应整定p i d 两种控制方案来实现对液 压a g c 压下系统的控制，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对其进行仿真研究结果对比 分析，建立厚度自动控制系统的模糊p i d 自适应整定系统。 8 硕七学位论文第二章轧机厚度自动控制基本原理 第二章轧机厚度自动控制基本原理 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 上受到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，另一部分向横向流动使轧件展宽，其中延伸是轧制过程 中轧件的主要变化。本章介绍轧制过程的各种数学模型，并针对对“1 + 4 ”熟 连轧精轧机组采用的厚度控制方法的原理进行分析。 2 1 板带轧机厚度控制的基本原理 2 1 1 轧机弹跳方程和弹塑性曲线 板带材轧制的过程即使轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形 ( 即所谓弹跳) 的过程，二者同时发生。 所谓轧机的弹塑性曲线就是轧机弹性变形曲线与轧件的塑性变形曲线的总 称，也就是将轧机弹性曲线和轧件塑性曲线绘制在同一坐标内所形成的曲线图， 即p 。h 图。 设轧件进入辊缝前，原始辊缝等于s o ；轧件进入辊缝，开始轧制以后，在 轧制力尸的作用之下，工作机座会产生弹性形变，使辊缝增大，从而使得与轧 件接触的轧辊形状呈现凹形。弹性变形的结果使得实际压下量减小，轧件的出 1 2 厚度大于空载辊缝值 2 4 1 。轧后轧件厚度为： h = s o + ( 2 - 1 ) 式中h 一轧件厚度( n u n ) ： s o 一轧辊空载辊缝( m m ) ； 厂一机座弹性变形( n u n ) ； 图2 一l a 表示了轧机弹性变形量厂与轧制力p 之问的关系曲线，称为轧机弹 性变形曲线或者弹跳曲线。 机座弹性变形曲线直线段的斜率，称为机座的纵向刚度系数。可用下式【2 5 】 表示： 9 硕七学位论文 第二章轧机厚度自动控制基本原理 k = t g a = _ a 7 p 9 ( k n 掣 o 。7 1 ，h ( 2 2 ) j ，删| r 淡 卜州h ( m r h l 、向i 口l a b 图2 - 1 轧机弹性变形曲线和轧件塑性变形曲线 从图2 一l a 可以看出，轧后轧件厚度h 可以近似的表示为： h = s o + 丛= & + 专 ( 2 。3 ) 式中h 一板带材的实际出i 2 1 厚度( 咖) ； & 一空载辊缝值( 咖) ； k 一轧机纵向刚度系数( i c d 呵m m ) ； p 一轧制力( 哪； 式( 2 3 ) 称为机座的弹跳方程【2 嗍，它表征了轧件厚度与空载辊缝、轧制力 和轧机纵向刚度系数之问的关系。 轧制力p 是所轧带材宽度b ，来料厚度日，出口厚度 ，摩擦系数，前， 后张力丁，、瓦以及变形抗力仃，等的函数： p = f ( b ，h ，h ，u ，0 ，瓦，o r ，k ) ( 2 。4 ) 式( 2 4 ) 称为金属压力方程。当把除 以外所有的变量都视为常量时，轧制力与 出口厚度办的关系曲线称为轧件的塑性变形曲线，如图3 - - l b 所示。其关系式称 为轧件的塑性方程。 p = f ( h 1 ( 2 。5 ) 轧件塑性变形曲线的斜率，称为轧件的塑性刚度系数，可以表示为： m = - 篆( 2 - 6 ) 硕士学位论文第二章轧机厚度自动控制基本原理 肘为轧件的塑性刚度系数，表征了使轧件产生单位变形所需的轧制力： 板带材的轧制厚度由弹跳方程式( 2 3 ) 确定。为了消除轧机非线性区的影响， 通常轧制前先将轧辊按初始压力昂压靠到一定程度，并且将此时辊缝& 指定为 轧机调整的零位辊缝【2 3 1 。 h = s o + ( p 一只) k ( 2 - 7 ) 式中尸一轧制力； k - $ l 机模数； 将式( 2 - 4 ) 和式( 2 7 ) 画在同一坐标系内，可得图2 2 所示的轧机弹塑性曲线p - h 图。 p ( k n ) 图2 - 2 l 机p h 图 其中曲线彳称为轧机弹性曲线，曲线占称为轧件的塑性曲线。曲线口的斜 率m 称为轧件的塑性刚度，它表征了使轧件产生单位变形所需的轧制力。 曲线4 、b 的交点决定了实际轧制力的大小，一切影响曲线一、b 交点位置 的因素，都将影响轧件的出口厚度。由p h 图可以看出，由于某种因素的影响， 轧件塑性曲线由b 变化到矗时，为了保证轧机出口带材的厚度不变，需调整轧 机辊缝s ，使轧机弹性曲线由4 变化到4 。因此，厚度控制的基本原理是：无 论j f l s j j 过程如何变化，总使轧机弹性曲线a 与塑性曲线占相交于等厚轧制线c ， 从而得到恒定厚度的带材。 2 1 2 板带厚度波动的原因分析 在轧制过程中，造成轧后板材厚度变化的因素很有，其中主要分为轧机方 硕士学位论文 第二章轧机厚度自动控制基本原理 面和轧件方面两大类。 属于轧机方面的包括加大辊缝的轧机工作机座的弹性变形、支撑辊的偏心 导致轧辊旋转一周辊缝产生周期性变化、轧辊的热膨胀和磨损而使辊缝发生变 化，以及支撑辊动压轴承由于速度变化而引起油膜厚度的变化等。 属于轧件方面的包括坯料厚度变化、变形抗力和带材张力变化等因素。 利用p - h 图可以很直观的分析造成厚差的各种原因。由轧机的弹跳方程可 知，轧后的轧件厚度主要取决于空载辊缝、轧制压力、轧机的纵向刚度系数和 轴承油膜厚度这4 个因素。 ( 1 ) 空载辊缝的变化： 轧辊的偏心、磨损和热膨胀都会使实际的空载辊缝& 发生变化，从而使轧 件的轧出厚度产生波动。如图2 - - 3 所示，当空载辊缝由s 。变化到氐。或s 。时， 弹跳曲线的位置将由a 平移到4 或幺，轧件厚度将由h 变化到h 或 ，。 p ( k n ) 图2 - 3 空载辊缝变化对轧件厚度的影响 ( 2 ) 轧制压力的波动 轧制压力的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 线的交点位置，而影响轧件轧出厚度。图2 - 4 ( a 、b 、c 、m 分别是来料厚度不同， 张力变化、摩擦系数变化、变形抗力不同使轧件实际轧出厚度的波动。 硕士学位论文 第二章轧机厚度自动控制基本原理 c b b 图2 - 4 轧制压力波动对轧件厚度的影响 a ) 当来料厚度日增大时，塑性曲线占的起始位置右移至b ，轧制压力增大， 使轧件厚度h 增大至融；反之，轧件厚度就减少至h 。所以，当来料厚度不均时， 轧出的轧件厚度就会出现相应的波动。因此，要得到高精度的轧件轧后厚度， 来料厚度必须要求在一定的公差范围内。 b ) 当张力增大时，轧制压力减小，塑性曲线的斜率变小，轧件厚度变薄。 c ) 当轧件与轧辊间摩擦系数减小时，轧制压力会降低，塑性曲线的斜率变 小，轧件厚度变薄。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦系 数的影响而起作用的。 d ) 当交形抗力增大时，轧制压力增大，塑性曲线斜率增大，轧件厚度变厚， 所以，当来料力学性能不均或者轧制温度、轧制速度发生变化时，由于造成轧 件的变形抗力波动，轧出的轧件厚度将会产生相应的波动。 ( 3 ) 轧机纵向刚度系数的变化 在轧制过程中，由于轧辊的磨损和热膨胀沿辊身长度方向分布不均匀，将 使辊间的接触状况发生变化，造成辊系的弹性变形量波动，即轧机的纵向刚度 系数发生变化。另外，轧件变形抗力的波动，也会通过影响变形区工作辊的弹 性压扁，使轧机的纵向刚度系数发生变化。当纵向刚度系数增加时，轧机的弹 性变形量减小，实际轧出厚度减小。提高轧机的纵向刚度系数，有利于轧出更 薄的板带材。 。，心心 卜卜瞥 。狐 硕士学位论文第二章轧机厚度自动控制基本原理 ( 4 ) 轴承油膜厚度的变化 轧辊轴承油膜厚度的变化对于轧件厚度的影响机理，与空载辊缝变化对于 轧件厚度的影响机理是相同的。随着油膜厚度的增加，轧件的厚度变薄1 2 9 删。 2 2 厚度控制的基本方式 常用的厚度控制方式有压下量调整、张力调节、轧机速度调整等，依据实 际* l n 情况的不同，可以采用各种不同的厚度控制方案。在实际生产中为了达 到精确控制厚度的目的，往往是将多种厚控方法有机地结合起来使用，才能取 得更好的效果。其中最主要、最基本、最常用的还是调整压下的厚度控制方法。 特别是采用液压压下，大大提高响应性，具有很多优点。本文研究对象“1 + 4 ” 热连轧精轧机组轧机采用的就是全液压压下方式进行厚度控制。 2 2 1 压下量调整 调整压下是厚度控制的最主要、最有效的方式，也是本文主要研究的控制 方式，它是通过改变空载辊缝的大小来消除各种因素的变化对轧件的影响。图2 - 5 a 为消除来料厚度变化影响的厚度控制原理图。当来料厚度为日时，弹跳曲 线为爿，塑性曲线为b ，轧后轧件厚度为h 。如果来料厚度有一个增量日，则 塑性曲线由曰移到b ，轧后轧件厚度就有一个增量幽。为了消除这一偏差幽， 就要调整压下，使空载辊缝减小一个调整量雠。，弹跳曲线由4 变为4 ，4 与 口交点的横坐标为h ，即轧后轧件的厚度不变。 p a o 图2 - 5 调整压下厚控原理图 b 硕士学位论文第二章轧机厚度自动控制基本原理 图2 5 b 为消除张力、摩擦系数和变形抗力变化影响的厚控原理图。当由 于这些因素的影响( 单独作用或者同时作用) ，塑性曲线由b 变到曰时，轧件厚 度h 就有一个增量幽。为了消除这一厚度偏差幽，调整压下使得空载辊缝瓯减 小& ，弹跳曲线由a 变为爿，就可以使得轧后轧件厚度恢复到h 。 2 2 2 张力调节 在热连轧机上，除了调整压下进行厚控之外，还可以通过改变前后张力来 进行厚控。如图2 6 所示当来料有一厚度偏差日时，轧后产生的偏差为 。 在空载辊缝不变的情况下，通过加大张力，使塑性曲线的斜率发生变化，由曲 线占变成b 。，从而消除厚度偏差劬，使得轧后轧件厚度h 保持不变。 图2 - 6 调整张力厚控原理图 张力厚控的优点是反应速度快而且易于稳定，可以使厚控更加精确。其缺 点是对热轧带材和冷轧较薄的带材时，为了防止拉窄和拉断轧件，张力变化范 围不能过大。这种方法兹冷轧时用的较多，热轧通常不用，但有时用在末架采 用张力微调。 2 2 3 轧制速度的调整 轧制速度的变化影响到张力、温度和摩擦系数等因素的变化，因此，调整 轧制速度可以起到调整轧制温度、张力和摩擦系数的作用，从而改变塑性曲线 的斜率，达到厚度控制的目的。调速厚控原理图与张力厚控原理图相似p 。 硕士学位论文 第二章轧机厚度自动控制基本原理 2 3 几种基本的a g c 及其控制原理 a g c 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 ) ，即自动厚度控制系统，其作 用是消除轧制过程中所产生的板带纵向长度上的厚度偏差。首先，根据厚度偏 差的大小，计算出调节量，输出控制信号；其次，根据控制信号，完成调节过 程。 典型的a g c 系统包括压力a g c 、前馈a g c 、反馈a g c 、速度补偿a g c 、 监控a g c 、张力a g c 、流量a g c 等几个部分。本章针对“1 + 4 ”热连轧机采 用的几种a g c 方法的控制原理进行分析。 2 3 1 厚度计式a g c 控制原理 在轧制过程中，任意时刻的轧制力和空载辊缝都可以检测到，因此可以用 弹跳方程计算出任一时刻的实际轧出厚度。这种把整个机架作为测量厚度的“厚 度计”的检测厚度的方法称为厚度计法( g a u g em e t e r ) ，根据弹跳方程得出的厚 度和厚度偏差信号进行厚度自动控制的系统称为g m - a g c 。 p 图2 - 7g m - a g c p - h 原理图 根据g m - a g c 的p h 原理图如图2 。7 ，可以求辊缝的调节量s 。 图中h 。一设定入口厚度， 日l 一实际入口厚度。 a h = d b = c d m ( 2 8 ) 丛= 耐+ 如= i c d + 一c d = 耐( k + m ) ( 2 - 9 ) mk mx 、 1 6 硕士学位论文 第二章轧机厚度自动控制基本原理 可得 尝一c m d c d 唏k + m ) = 志( 2 - 1 0 ) 即a s ：垒坐幽( 2 1 1 ) k 式( 2 1 1 ) t i p 为厚度计式a g c 的控制算法。 由于来料厚度发生变化( 由- 。变成日；) ，板带的塑性曲线由b 变成b ， 这样产生厚差幽。辊缝调节s 之后，弹性曲线由a 变为a ，这样，出口厚度 又回复到1 1 0 ，即办= 仉只要检查到厚度偏差矗，便可以计算出为消除此厚度 偏差应做出的辊缝调节量s 。 2 3 2 监控a g c 控制原理 监控a g c 是根据出口测厚仪测得的厚度偏差对出口带材厚度进行反馈控 制。监控a g c 控制模型为： 岘_ c g , - ( 警) j i a h ( 2 - 1 2 ) 式中s “一控制功率； g 一速度增益； c 一增益； q 一带材塑性系数； m 一轧机等价刚度常数o j ，一出口厚度偏差。 监控a g c 主要和其他a g c 配合使用，通过对其他模型的出口厚度监测补 偿来达到更好的控制出口厚度偏差的目的。因此，它的使用范围一般是带材的 高速精轧阶段。 2 3 3 张力a g c 控制原理 张力a g c 的基本原理是根据测厚仪测得厚度偏差来调节张力，依靠张力变 化影响带材塑性系数，从而改变带材出口厚度。 张力a g c 的控制模型为： 肌c 岛州+ 净篆幽 ( 2 - 1 3 ) 式中，r 一轧机入口侧板带张力变动量： 1 7 硕士学位论文第二章轧机厚度自动控制基本原理 g 一速度增益； c 一增益； 一比例增益； 乃一积分常量； 罢一影响系数。 ( m 对于薄带材，压力和张力的影响大，用张力a g c 的作用显著。但是张力的 极端变动和带材滑动都会带来一系列问题，故张力的变动量要限定在2 0 以内， 并设置控制功率的上下限才能有效工作。 以上介绍了几种比较典型的a g c 控制方式，其他的控制方式由于篇幅有限 在此不再一一陈述。 2 4 本章小结 本章首先从轧机的弹跳方程和轧件的塑性方程入手，引入了轧机的弹塑性 曲线图即p - h 图。并运用轧机的弹塑性曲线详细分析了轧件厚度波动的原因。进 而提出了消除或减小上述因素对出口厚度影响的方法，即轧机板厚控制的几种 基本方式，如液压缸位置闭环控制，轧制力闭环控制，测厚仪监控控制等。并 详细分析了几种基本的a g c 的工作原理。本章内容是建立液压厚控系统的理论 基础。 硕七学位论文 第三章基于神经网络的厚度预报建模 第三章基于神经网络的厚度预