毕业设计（论文） 厚度自动控制系统设计.doc

学士学位论文毕业设计 厚度自动控制系统设计 摘要 ：厚度与板形精度是板带产品的两大质量指标。目前随着轧制理论、控制理论和人工智能理论的发展，以及它们在轧制过程中的应用，使得板材产品的厚度精度与板形指标有了很大的提高。厚度控制是通过测厚仪或传感器对实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置，张力或轧制速度，把厚度控制在偏差范围内的方法。影响厚度指标的因素很多，如来料厚度波动，硬度不均，张力不稳，速度不稳，轧辊偏心，轴承油膜和轧辊尺寸变化，均能使产品的出口厚度产生误差。为了解决这些问题造成的影响，所采取的控制方法也很多，如前馈，反馈，厚度计，张力，速度，补偿轧辊偏心等等的方法。这些措施就是轧制系统中已广泛采用AGC系统。由于该系统是利用机架弹塑性曲线进行厚度测量与反馈控制，因此其厚度精度决定于机架的弹性曲线与AGC模型的精度。这种控制方法可以保证板材的厚度均匀，但不能保证绝对厚度精度，所以实际系统往往是几种控制联合使用才能够满足需要。 我们此次设计首先从系统的稳定性快速性考虑，采用了厚度计AGC，此系统能够快速粗调，对于我们控制精度要求无法实现。为了提高轧制精度，我们又加入了由测厚仪组成的反馈系统加以辅助控制，同时还加入了前馈控制系统以消除来料厚度的波动对厚度影响。所以我们实际采用的是厚度计法和由测厚仪组成的反馈，前馈相结合的复合控制法。关键词：AGC 厚度计 前馈 厚度自动控制 轧制 指导老师签名：Design the system of the automatic thinckness controlingAbstract :The accuracy of strip gauge and the strip flatness are two quality targets of strip production. At present., they have huge advancement with the development of rolling theory. control theory and artificial intelligence theory and their application in the rolling process. Thickness it controls to be through examine thick appearance or sensor to roll and publish thickness go on measurement in succession actually, and the deviation signal after comparing with according to the surveying value, with the aid of controlling the function procedures of the return circuit, device or computer, change and press the position, tension or rolling speed, control the method within the range of deviation of the thicknessThere are a lot of factors influencing thickness index , If the thickness of supplied materials fluctuates, the hardness is uneven, tension is unstable, the speed is unstable, the roll is partial, bearing oil film and roll measurement change, can make the thickness of export of the products produce the error . In order to solve the influence that these problems cause, controls method taken are a lot of too, such as the feed-forward, feed-back, the thickness is counted , tension, the speed, compensate the partial method to wait a moment of the roll . These measures are that have already adopted AGC system extensively in rolling systems. Because this system utilizes the framework to play the plasticity curve and carry on thickness measuring and feedback control, so its thickness precision decide by elastic curve and AGC precision of model of framework. This kind of method of controlling can guarantee that the thickness of the screen material is even , but cant guarantee the absolute thickness precision , so often several kinds of control are jointly used and can just satisfy the demand in the real system.Design at first consider since stability and fast of system, last pressure, using gaugemeter AGC, this system can be adjusted thickly fast, what the precision is expected much is unable to be realized, in order to improve the rolling precision, we join the response system examined the thick appearance and make up to assist and control again, so what we adopt actually thickness count law and examine thick feedback complex that law combine together that appearance make up control law.Key Words：Automatic gauge control gaugemeter feedforward the automatic thinckness controling rolling Signature of Supervisor:- 2 -目录摘要1Abstract2引言11 板材厚度控制的基本理论31.1 厚度控制简介31.1.1 轧机的弹性变形与弹跳方程31.1.2 轧件的塑性变形与塑性方程41.2 厚度变化的原因51.2.1 厚度变化的分析51.2.2影响板带材厚度波动的因素61.3 厚度自动控制基本形式介绍71.3.1 位置内环和压力内环71.3.2 测厚仪反馈式AGC81.3.3 前馈AGC91.3.4 厚度计AGC(压力AGC)102 厚度控制系统的设计112.1 厚度控制系统基本原理112.2 三种AGC系统的设计122.2.1 测厚仪反馈式AGC自动控制系统122.2.2 前馈AGC控制系统152.2.3 厚度计AGC自动控制系统152.3厚度计AGC控制系统中零位调整死区的功能173 MATLAB仿真183.1 PID控制器参数对系统控制质量的影响183.2 厚度控制系统控制器的选取 193.3 控制系统的仿真193.3.1 Simulink仿真193.3.2 仿真结论分析234 系统的单片机控制244.1 硬件设计244.1.1 系统的主板作用244.1.2 处理器的选取254.1.3 EPROM的选型264.1.4 A/D数模转换器的选型264.1.5 D/A数模转换器的选型275 系统的软件设计285.1 主程序的设计285.2 中断服务程序305.3 键盘显示程序335.4 8279显示子程序355.5 PID程序设计38结论44参 考 文 献45附录A单片机最小系统设计图46致谢47 学士学位论文引言21世纪世界钢铁工业发展的一个显著特点是钢材市场竞争愈演愈烈，竞争的焦点是钢材的质量高而成本低。随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，汽车、机械制造、电器和电子行业对板材及带材的质量提出了更高的要求。板厚精度是板带材的两大质量指标之一，板厚控制是板带轧制领域里的两大关键技术之一。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液压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，厚度自动控制系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。液压辊缝自动控制是厚度自动控制系统 (Automatic Gauge Control)的重要组成部分，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性和保证较高的厚度精度，从而生产出合格产品。 板带厚度控制技术的发展概况。回顾我国冷轧已应用的厚度控制系统，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侧带钢张力的AGC (AutomaticGauge Control)系统。上个世纪70年代，厚度控制系统大多是这类系统，而且是模拟线路。按轧机出口侧测厚仪测出的带钢实际偏差信号反馈控制，大偏差或被轧带钢厚度大于0. 4时，按偏差信号大小去移动压下位置，改变辊缝间距，以减小厚度偏差，即所谓粗调;在小偏差或被轧带钢厚度小干0. 4mm时，则调节轧机入口侧带钢张力，进一步减小厚度偏差，即所谓精调。我国早期的AGC系统调节压下装置的执行机构是电动的，因电动压下响应慢和非线性的缺点，逐渐被液压压下机构代替。(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钢张力AGC统。将上述AGC系统数字化，并增加前馈控制回路就构成这类AGC系统。前馈控制是当轧机入口侧有厚度偏差的带钢进入轧辊时，立即调节被控机架压下位置，将入口带钢厚度偏差消除的一种控制策略。方法是将轧机入口侧测厚仪至轧辊中心的距离分成若干整数段，把经过入口侧测厚仪的每段带钢厚度顺序存入移位寄存器中，寄存器按FIFO方式工作，当寄存器输出的带钢段进入轧辊时，系统按该段厚度偏差值调整下压力，以消除进入轧机的带钢厚度偏差。这种控制方式消除了带坯纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差较大的缺点。(3)采用前馈控制、压力反馈控制和监控的AGC系统。上个世纪80年代，在用现代控制理论的基础上，利用电子技术与计算机技术相结合，对上述2类AGC系统进一步加以改进，形成了GM-AGC系统或Bisra AGC系统。其主要特点是使用轧机弹跳方程计算轧后带钢厚度作为实测厚度，与设定厚度或锁定厚度相减，其差为检测的厚度偏差值，经过转换后用子压下调节。这样就不存在轧辊中心到测厚仪的传输滞后时间了，从而提高了系统性能，获得普遍应用。再加上监控AGC控制，消除了低频干扰因素的影响，如轧辊磨损、轧辊热膨胀等。2.板厚控制系统研究趋势 当前国内外在板厚控制方面的大部分研究工作围绕着下面的几个方面: (l)由于厚度自动控制方式很多，各种AGC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，这是目前世界上一些该领域的学者们积极研究的课题。 (2)随着人工智能控制系统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系统，主要在PID控制器的选择上。目前采用的如自适应神经网PID，模糊PID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。利用现有的普通控制环节在不稳定状态下进行厚度控制，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。提高带钢头尾的厚度控制也是当今质量控制领域的一个热门。一个自适应PID神经网络控制器能迅速地降低出口厚度偏差。在PI参数在线自适应调整的同时，头尾厚度精度被有效地提高了，不合格的带长可减少73%。 本课题设计了一种由前馈，厚度计AGC和反馈组成的复合控制系统，并且与单片微型计算机控制系统的设计相结合，具有快速、高效、高精度的特点。使用本系统可以很好的控制板材厚度，保证较高的厚度精度和均匀性，可以节省原料，提高带材的质量，有利于提高产品竞争力，使企业获得更大的经济效益，所以本系统就有很好的可行性。1 板材厚度控制的基本理论1.1 厚度控制简介1.1.1 轧机的弹性变形与弹跳方程轧制时，在轧制压力的作用下，轧机(轧辊及其轴承、压下装置和机架等)产生一定量的弹牲变形。轧机的总变形量可达2-6mm。轧机的弹性变形将影响轧辊的开口度和辊型，从而对轧制产品的精度造成影响。带钢的实际轧出厚度h与预调辊缝值和轧机弹跳值之间的关系可用弹跳方程描述： (1-1)由它所绘成的曲线成为轧机弹性曲线，如图1-1曲线所示。其斜率称为轧机刚度，它表征使轧机产生单位弹跳量所需的轧制压力。由图可见，原始辊缝、轧机刚度、轧制力（压下量）改变，轧件出口厚度都会变化。带钢实际轧出厚度主要取决于、和这三个因素。因此，无论是分析轧制过程中厚度变化的基本规律，抑或阐明厚度自动控制在工艺方面的基本原理，都应从深入分析这三个因素入手。 轧机的弹性变形与轧制压力有关。在轧制压力较小时，轧机弹性变形与轧制压力成非线性关系，这是由于轧机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，轧机弹性曲线与轧制压力就成线性关系。轧机弹性变形曲线(图1-1)直线段的斜率，称为轧机的纵向刚度系数。 (1-2)式中轧机纵向刚度系数;轧机制压力的变化量;弹性变形的变化量。一般认为，轧机纵向刚度系数愈大，轧机控制轧件纵向厚差的能力就愈强。 图1-1 轧机弹性变形曲线 1.1.2 轧件的塑性变形与塑性方程轧制时的轧制压力是所轧带钢的宽度B、来料入口与出口厚度H与、摩擦系数、压辊半径R、温度、前后张力与以及变形抗力等的函数。 (1-3) 此式为金属的压力方程，当B、R、及H等均为一定时，将只随轧出厚度而改变，这样可得到图1-2上所绘的曲线B，称为金属塑性曲线，其斜率M称为轧件的塑性刚度，它表征使轧件产生单位压下量所需的轧制压力。 (1-4) 轧件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是线性的，因此轧件的塑性方程可近似地表示为： (1-5)式中压下量，；轧制压力直线段延长线与横坐标的交点离塑性曲线原点之间的距离。轧件塑性刚度系数M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轧件塑性刚度系数可以通过实验得到。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，可测得一系列相对应的轧制压力。根据测得的数据，即可绘制成轧件塑性变形曲线，进而得到轧件塑性刚度系数。当轧制条件(某些固素)变化时，塑性曲线及塑性刚度系数亦随之发生变化。在一定的轧制压力下，轧件轧前厚度愈薄，塑性曲线愈陡，轧件塑性刚度系数M愈大，压下量愈小；张力愈大，塑性曲线愈平缓，轧件塑性刚度系数愈小，轧后轧件厚度就愈薄；摩擦系数愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后厚度也愈大，愈薄；变形抗力愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后厚度也愈大、愈薄。 图1-2 弹塑性曲线叠加的P-h图1.2 厚度变化的原因1.2.1 厚度变化的分析 带材轧制中，厚度变化的原因可以从下面的表达式1-6，即弹跳方程简便地分析出来: (1-6)式中轧材的出口厚度；空载辊逢值； 轧制力；轧机结构刚度。弹跳方程式可以用下图表示，图中，直线A的斜率表示轧机的结构刚度。它等于： = (1-7)式中表示轧制力增量；表示空载辊缝增量；表示直线A的斜率。直线B的斜率表示轧材的刚度： (1-8)式中 轧材厚度变化；表示直线B的斜率。 图1-3初始辊缝条件曲线 图1-4辊缝设定值厚度变化曲线 图1-5轧材入口厚度变化曲线 图1-6轧机刚度变化曲线直线A和直线B交点由C点表示，它决定了轧制力和出口厚度的值。1.2.2 影响板带材厚度波动的因素根据弹跳方程，凡是影响轧制压力，原始辊缝和油膜厚度等的因素都将对实际轧出厚度产生影响，概括起来有如下几方面：（1） 温度变化的影响。温度变化对板带钢厚度波动的影响，实际就是温度差对厚度波动的影响，温度波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。（2） 张力变化的影响。张力是通过影响应力状态，以改变金属变形抗力，从而引起厚度发生变化。（3） 速度变化的影响。它主要是通过摩擦系数、变形抗力、轴承油膜厚度来改变轧制压力和下压量而起作用。（4） 辊缝变化的影响。当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出厚度变化。轧辊和轴承的偏心所导致的辊缝周期性变化，在高速轧制情况下，会引起高频的周期性厚度波动。除上述影响因素之外，来料厚度和机械性能的波动，也是通过轧制压力的变化而引起带钢厚度产生变化。由上述影响板带材厚度的因素，我们可以通过调整压下、调整张力、调整轧制速度的方式来控制板带材的厚度。1.3 厚度自动控制基本形式介绍1.3.1 位置内环和压力内环AGC系统可以采用厚度外环位置内环方式（图1-7）亦可以采用厚度外环压力内环方式（图1-8）恒压力环可以消除偏心但将使带来的扰动放大，因此纯恒压力环的使用要十分小心，在恒压力环外加上厚度环消除带钢带来的扰动可以纠正恒压力环的不足。位置内环和压力内环两种方式下控制量不同，厚度外环位置内环方式需算出与的关系，将加到辊缝设定值上作为位置内环给定值来消除厚度差。 (1-9)厚度外环厚度外环 压力内环位置内环 S P 伺服器伺服器 磁尺 油压 图1-7 位置内环 图1-8 压力内环 厚度外环压力内环方式需计算出与的关系：将加到压力设定值上作为压力环的给定值来消除厚度差。1.3.2 测厚仪反馈式AGC用压下位置闭环控制和轧制压力变化补偿的办法，是可以进行压下位置调节的，但是它不能消除轧辊磨损、轧辊热膨胀对空载辊缝的影响以及位移传感器与测压仪元件本身的误差对轧出厚度的影响。为了消除上诉因素的影响，必须采用反馈式厚度自动控制才能实现。通过安装在轧机出口处的测厚仪，测得带材的实际出口厚度，将此厚度与给定值比较，产生厚度偏差，用这个偏差信号去控制系统，使出口厚度达到我们的期望值。 图1-9测厚仪反馈AGC系统原理图 反馈控制器比较出口带钢厚度的参考值和测量值。通过轧制模型和轧材模型，任何偏差都被转换成位置变量。反馈控制的目的是保持轧机出口的厚度是一个常量，它是通过调节辊逢和轧制力来校正厚度偏差。由于轧机和测厚仪之间的距离，有一个不可忽视的死区，即在轧制结果的测量和工艺执行之间。由于这个死区，只有非常慢的积分控制器可用于所有厚度偏差的校正，即反馈控制器只能校正长周期的厚度偏差。 图1-10 测厚仪反馈AGC系统框图纯滞后时间；空载辊缝基准值。测厚仪反馈式AGC是最早的一种AGC形式。由于系统中存在较大的纯滞后，所以，测厚仪反馈式AGC系统存在严重的难以稳定的问题很容易出现超调和振荡现象。1.3.3 前馈AGC前馈式AGC是用测厚仪在带钢在未进入机架之前测出其入口厚度，并与给定厚度值相比较，当有厚度偏差时，便预先估计出可能产生的轧出厚度偏差，从而确定为消除此值所需的辊缝调节量，然后根据该检测点进入本架机的时间和移动所需的实间，提前对本架机进行厚度控制，使得厚度控制点正好就是的监测点。前馈控制器的集成输出被转换成位置变量，并且辊缝被打开或压下用于入口厚度偏差的校正。 正由于它是从前面得到信号，来实现开环厚度自动控制所以称为前馈AGC，或称为预控AGC。 图1-11前馈AGC系统原理图 前馈AGC克服了反馈式厚度自动控制过程中的传递滞后或过渡过程滞后，特别是当来料厚度波动较大时，保证了带钢轧出厚度的控制精度。但同时为了跟踪测量的入口厚度近可能的精确到进入辊缝，要考虑入口测厚仪的响应时间，从测厚仪到轧机辊缝带钢的跟随时间和液压调整的响应时间都有延迟。1.3.4 厚度计AGC(压力AGC)在轧制过程中，任何时候的轧制压力和空载辊缝都可以检测到，因此可用弹跳方程计算出任何时刻的轧出厚度。在这种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，这种间接检测厚度的方法称为厚度机方法以区别于前述用测厚仪检测厚度的方法。根据轧制力算出厚度与设定厚度偏差进行厚度自动控制的系统称为P-AGC，按这种方法测得的厚度差进行本架厚度自动控制，可以克服出口辊道的传递时间滞后，但是对于压下机构的电气和机械系统以及计算机控制时程序运行等时间滞后仍然不能消除，这种控制方法从本质上来讲仍然是反馈式的。 1-12厚度计AGC系统原理图 2 厚度控制系统的设计在前面所介绍的测厚仪反馈式AGC，前馈AGC，厚度计AGC，他们单独使用时有各自的利弊，一般情况下很难达到我们所要的系统性能指标。在轧制过程中，为得到优良的产品，我们往往采用多种控制方法相结合的复合控制方法。在此，根据要求和现有水平，采用的是前馈，测厚仪反馈和厚度计三种方式相结合的复合控制系统。 图2-1 复合AGC控制系统图中A-前馈控制器 B-执行机构 C-反馈控制器 D-压下装置 E-压力运算器 F-控制器 2.1 厚度控制系统基本原理厚度控制是通过测厚仪或传感器对实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置，张力或轧制速度，把厚度控制在偏差范围内的方法。在本文的设计中考虑到影响轧机出口厚度精度的两个重要方面：一是周期性的干扰因素，包括入口厚度的波动，以及支撑辊偏摆造成的辊缝波动；二是漂移性的干扰因素，辊缝热变形，电气及液压系统等的漂移。因此，为了保证出口厚度少受或不受干扰因素的影响，在厚度自动控制系统中，除了要有保持辊缝大小的位置闭环系统外，还必须具有消除入口厚度干扰的前馈系统、轧辊摆偏干扰的偏心补偿系统、各种漂移与其它干扰造成出口厚度偏离的监控系统。其中，入口侧测厚仪及出口侧测厚仪的传递函数均可分别视为一阶惯性环节。入口侧测厚仪传递函数： （2-1）出口侧测厚仪传递函数： （2-2）式中 入口侧测厚仪的时间常数 出口侧测厚仪的时间常数 入口侧测厚仪的放大系数 出口侧测厚仪的放大系数由于测厚仪只能安装在轧机入口前某一位置或轧机出口处呆一位置，因此，入口侧从测厚仪到压下中心线的传递函数为一纯延迟环节，即: （2-3）一个系统如果没有高精确的检测元件，准确检测各个控制量或被测参数，那么即使有再好的控制系统，再灵敏的执行器件也将无济于事。本控制系统采用的检测元件有高精度的位置传感器和压力传感器。2.2 三种AGC系统的设计2.2.1 测厚仪反馈式AGC自动控制系统许多扰动是在压力传感器和位置传感器上体现不出来的，如轧辊偏心，油膜厚度等等原因造成的厚度偏差，从而使精度降低，为了进一步提高系统轧制精度，我们采用了由测厚仪直接测量，再进行反馈的反馈控制来辅助原来的双闭环控制。此控制方法无论是何种原因造成的偏差，只要实际出口的厚度和预设的有偏差，那么测厚仪就能检测出来，从而参与调节，对给定值进行修正。这样就大大提高了系统的控制精度。因为反馈环在厚度计之外，所以在设计时可以先将厚度计这个部分简化，简化后可将起看成一个二阶环节，由于反馈系统是一个滞后系统，为了便于设计，且滞后时间相对与系统来说可以忽略，所以在此设计时将滞后环节省略，化简后系统的动态结构如下：控制器 图2-2 反馈AGC系统动态结构图在此系统中=0.001275，=0.075开环系统放大倍数为=55.58，轧机惯性环节=0.15。所以原闭环系统的传递函数为： 其相应的闭环对数频率特性如下图2-3所示，从图中我们可以看到，此时系统的幅值裕度和相角裕度分别为-5.8709dB和-16.6deg.系统不稳定。 图2-3原系统闭环频率特性图为了把系统校正成三阶最佳系统，在此需采用PI调节器。控制器的传递函数为： 系统校正后的闭环频率特性如下图所示： 图2-4校正后系统闭环频率特性从图2-4可以看出，系统的幅值峪度和相角峪度都为正值，有足够的稳定峪度，但系统的截止频率降低了，使系统的动态特性降低，降低了系统的响应速度 ，但通过校正系统的稳态性能很好。下面简述其调节过程，这仍然以超厚为例。系统的实际出口厚度h超厚，那么经过测厚仪测得的偏差信号不再等于0。经过一个正负死区的比较信号，经行超厚调节。再经过一个积分器，来实现无静差，从而又进一步提高了控制精度。该积分器充放电的快慢程度由轧机的轧制速度来决定，轧机的速度越快，我们充放电的速度也越快；轧机速度越慢，充放电的速度也就越慢，这样既可以保证精度，又可以避免系统产生震荡。但当系统的偏差过大时，积分器的输出值很大时，仅靠去修正给定值来调节，往往因调节太大而使系统产生振荡。为了避免此现象，我们设置了带有死区的零位调整。如果偏差过大，并且超过了死区设定值，我们就把该信号直接加到双闭环的反馈回路上参与调节，即（即为零位调节信号）。这样既提高了控制调节的速度，又避免了系统产生振荡尤其在轧制更换轧辊时，作用尤为突出。2.2.2 前馈AGC控制系统系统的动态结构图如下所示，图中的为延迟环节的传递函数，为带钢移动延迟的时间和压下动作时间的总和，为影响系数，即增益K，为压下装置的传递函数， 为系统中的延迟环节所整定的延迟时间。前馈系统的校正作用是在开环状态下进行的，为了达到预期效果，必须配合准确。控制器+- 图2-5 前馈AGC系统动态结构图在本系统中，我们在导向辊上安装一光电脉冲发生器（1000个）以测量带材移动的距离。并将长度分割为45段，则每段计算值为1000/45，设，则1000，其中1000是指时间内的计数值，因此，只要每段按n进行计数，经过45段后，将测厚仪原先的采样信号转变为相应的控制信号，输出给压下装置，就可以调整由入口带材厚度波动带来的厚度偏差，从而使控制精度得以改善。2.2.3 厚度计AGC自动控制系统假设压下调节系统用一个一阶惯性环节来代替，其传递函数为，则系统的动态结构图可简化为下图2-6，在此只简述干扰量引起的调节过程。图2-6 厚度计AGC系统动态结构图为得二阶最佳系统，图中的算法框应该是比例调节器，设比例放大系数为，此时系统的开环传函为：= （2-4）系统的频率特性为： （2-5）根据二阶系统最佳参数的如下关系可以求得比例系数，=式中系统的开环放大倍数； 为系统的等效时间常数。 （2-6）所以 （2-7）我们设初给定值为+5V时，出口厚度为0.5mm，原始辊缝（即空载辊缝）为,轧制力为F，K为轧制的弹性变形系数。正常轧制（即没有厚差），使给定信号和反馈信号的某一值对应给定辊缝，它们的绝对值的大小，则对应这辊缝的大小，绝对值越小，辊缝也越小。若无厚差，各信号仍为原给定值，所以位调输入信号为0，因此实际出口厚度h仍等于。所以各调节器仍稳定运行于某一值。直到由于如温度变化、来料材质不均等原因的影响，出口厚度变厚，（即），轧辊向下动，此时各个传感器反馈的信号不再和原来所设定的信号相同，位置传感器向下动，位置反馈绝对值变大，压力反馈增大，电磁阀得正电，使得轧辊向上压力增大，使辊缝变小，从而使得厚度变薄。使系统在新的压力下工作，直至稳定在新的稳定点上。外环的调整结果是使辊缝不变。反之，若变薄了，电磁阀得负电，使轧辊向下运动， 压力减小，压上油缸上腔进油 ，下腔出油。辊缝自然变厚。辊缝往大调时，位调为P调节；往小调节时，为PI调节。这时系统的控制速度和精度已经进行粗调完毕。但是对于我们所要求的更高精度的轧制，这个控制系统还有不足之处，因而我们加入测厚仪控制。2.3厚度计AGC控制系统中零位调整死区的功能零位调整处的死区设置及作用：该处的死区设置要比前一个死区的大得多，它是整个控制系统中三个死区中设置最大的一个，其作用是在如更换轧辊等大范围偏差出现时，仅靠修正给定值，往往会出现调节误差，因为修正给定的信号往往比较小，而大的偏差若通过死区时，我们直接把该信号送厚度计控制中去和修正给定值一起参与调节，这样调节会使系统很快达到平衡。双闭环系统中的死区设置作用主要是消除由于轧辊偏心或油膜厚度造成的偏差。其中以零位调整处的死区最大，闭环处的居中，而反馈处的最小，其作用相当于一个滤波器。3 MATLAB仿真3.1 PID控制器参数对系统控制质量的影响PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差: (3-1)将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。由于其结构简单，能满足大量工业过程的控制要求，且PID控制的强鲁棒性使之能较好地适应过程工况的大范围变动，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，因而是工程上应用最广泛的控制规律。其控制规律为: (3-2) 或写成传递函数形式: (3-3)式中为控制器输出，为控制器偏差输入，,分别为控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，,的作用如下: (1)比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大,系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定, 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 (2)积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 (3)微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。3.2 厚度控制系统控制器的选取 稳定性，快速性还有稳态误差是一个良好的控制系统重要指标，不仅要保证系统的动态稳定性，快速性，又能消除静态误差，同时对扰动也要有很强的抑制能力。单闭环系统的稳定性和快速性好，又能消除静态误差，但它对各种原因引起的扰动不能良好的抑制，所以实际的控制系统多采用双闭环控制系统。为了使系统获得良好的静、动态性能，辊缝控制器采用P控制器，厚度控制器采用PI控制器。因为PI控制器可以实现无厚差，只要系统存在厚差，积分作用输出量也要逐渐增加，直至输出达到饱和值。正因为这种可贵的积累作用，将积分控制器用在调厚系统中，就可以完全消除静态误差。加入比例控制器是为了提高控制系统的快速性。而加入一个死区，就是因为压力系统的控制精度有限，我们对由于轧辊偏心所引起的误差，此作为死区的设置不引入调节。控制器采用PID控制器，是因为该厚控系统的被控对象是伺服阀，伺服阀直接控制液压缸的进油和出油流的大小，从而控制执行器件压上装置的上下移动。由于重力的存在，所以存在惯性，我们为了系统的控制品质，引入偏差的比例控制，是为了保证系统的快速性，引入偏差的积分控制以提高控制的精度，引入偏差的微分控制来消除系统的惯性影响。因此采用PID控制器。3.3 控制系统的仿真3.3.1 Simulink仿真由于设计的系统无法在现场中得检验，为了得到设计系统的控制性能，在此我们选用与设计的系统较为相似的1676mm冷轧机为例，对其进行仿真。1676mm四机架冷连轧设有三台测厚仪,AGC系统具有前馈控制、反馈控制、成品厚度计控制、带预测器的监控系统以及张力控制系统。其仿真参数如下：表一：轧机主要参数轧机规格（mm）支撑辊尺寸（mmmm）工作辊尺寸（mmmm）牌坊质量（kg） 1676 12001676 5601676油缸活塞直径（mm）活塞杆直径（mm）工作行程（mm）额定压力（Mpa） 800 740 130 260 表二：仿真的主要参数参数数值参数数值0.004744.90.1080.1876281.50.770.5026611001.79.90.025.45图3-1系统仿真结构图系统的响应特性可以用两个指标来表示：1、响应的快速行，由上升时间和峰值时间表示；2、实际响应和是输入的匹配程度，即对所期望响应的幅值和时间的逼近性，由超调量和调节时间表示。 图3-2 系统的仿真图由图3-2可知，系统的上升时间为0.24 s，峰值时间为0.32s，最大超调量为8%，调节时间为0.56s，可见系统的时域动态指标较为令人满意，并且与实际系统的时间响应特性大致吻合。 图3-3 系统的仿真图如图3-3所示，当增大比例系数Kp时，系统的上升时间由0.24s减小至0.135s，超调量由8%增大到15%，故提高了响应速度，但是超调量变大，振荡次数增多，使系统的相对稳定性能变差。 图3-4 微分环节对系统性能影响图3-4的结果是在图3-3基础上增大微分系数，使系统的超调量由15%减小到10%系统稳定性变好。因此，为了加快系统的响应速度增大开环比例增益，由此造成的系统相对稳定性变差，可以通过调节PID的微分参数来改善系统的性能。 图3-5 加入扰动时系统的响应曲线 在1s时给系统加入一个阶跃扰动量，此时系统的响应曲线如图3-5所示。由图可知，出现扰动后，系统经过大约0.2s后，又恢复到原来的值，可见，系统的抗干扰行比较好，可以很好的抑制扰动量对系统的影响。3.3.2 仿真结论分析通过仿真结果得到结论：(1)增大系统的开环增益可以提高系统的响应速度和精度，其可以通过增大PI控制器的比例系数和伺服放大器增益的方法来实现，但取值过大将会影响系统的相对稳定性。通过仿真可知，只能在满足控制系统的主要性能指标和要求的条件下，适当的提高系统的开环增益，才能保证系统的稳定性。(2)为了减小由于增大开环增益带来的过大超调量和出现的震荡次数的加大，可以通过调节PID控制器的微分环节系数来实现。也可以说，为了加快系统的响应速度增大开环比例增益，由此造成的系统相对稳定性变差，可以通过调节PID的微分参数来改善系统的性能。从上述的仿真结果来看，本次设计的系统基本达到了我们预先的指标，系统的稳态性能和动态性能都比较良好，且系统的抗干扰性好了。但是由于我们的设计是在忽略很多现场中的许多影响因素的前提下进行设计的，所以当我们将此系统运用到实际生产当中时需要对系统参数重新整定，甚至有必要采用更新进的控制策略才能达到我们所希望的控制精度。 4 系统的单片机设计4.1 硬件设计4.1.1 系统的主板作用系统采用MCS-51系列的单片机8031，这是Intel公司80年代推出的单片8位计算机。从应用的角度来看，它有以下优点:1、集成度高 单片机8031的内部含有128B的RAM,4个8位并行口，一个全双工的串行口，两个16位定时计数器、片内时钟振荡器、两种优先级的五个中断源的中断结构、64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器地址空间。并且由于集成度高，焊点少，可靠性也大大提高。2、速度快，处理能力强8031指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、转移指令，并且有丰富的位操作功能。 在采用12MHz晶振时，它执行一条单字节的乘法指令仅需4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。3、扩充性好，寻址范围大另外，8031还具有特殊的多机通信功能，很适合于用作分级分布式控制系统中的直接控制级。主控板必须完成信号响应、采集、比较、控制、计算及信号输出，发出对显示电路和触发板的控制信号等功能。因此，主控板的设计对整个系统而相当关键。由于单片