板带轧机系统自动控制

1、板带轧机系统板带轧机系统自动控制自动控制第八讲 板形控制板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制2第八讲第八讲 板形控制板形控制一、板形与横向厚差一、板形与横向厚差二、影响负载辊缝形状的因素二、影响负载辊缝形状的因素 三、板形控制的工艺理论三、板形控制的工艺理论 板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制3第八讲第八讲 板形控制板形控制一、板形与横向厚差一、板形与横向厚差1. 横向厚差和板形概念横向厚差和板形概念 板带的几何尺寸精度三大质量指标：板带的几何尺寸精度三大质量指标： 纵向厚差、横向厚差纵向厚差、横向厚差(板凸度板凸度)和板形和板形(平直度平直度) 纵纵 向向 厚厚 差差 控制：理论简

2、单，技术容易实现。控制：理论简单，技术容易实现。 板形和板凸度控制：理论复杂，技术难以实现。板形和板凸度控制：理论复杂，技术难以实现。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制4第八讲第八讲 板形控制板形控制双边浪双边浪两肋浪两肋浪单边浪单边浪中浪中浪板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制5第八讲第八讲 板形控制板形控制2.2.横向厚差和板形表示方法横向厚差和板形表示方法bzbHHHbzbhhhhzbbHzhH板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制6第八讲第八讲 板形控制板形控制板形：宽度上最长和最短条之间的相对长度差度量板形：宽度上最长和最短条之间的相对长度差度量单位：相对长度差以单位：相

3、对长度差以1010-5-5作为一个单位，称为作为一个单位，称为I I板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制7第八讲第八讲 板形控制板形控制 3. 3.保持板材平直度的条件保持板材平直度的条件 旧观念：认为延伸率沿宽度处处相同板形就良好。旧观念：认为延伸率沿宽度处处相同板形就良好。 缺缺 点：没有考虑金属横向流动。点：没有考虑金属横向流动。 新观念：板形平直度和横向厚差相互影响。新观念：板形平直度和横向厚差相互影响。 优优 点：考虑了金属横向流动，保证板形平直度和点：考虑了金属横向流动，保证板形平直度和 横向厚差都满足要求。横向厚差都满足要求。const)()(yhyHyyyuylyhyyLy

4、Hd)(d1)()()()(板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制8第八讲第八讲 板形控制板形控制二、影响负载辊缝形状的因素二、影响负载辊缝形状的因素 1.1.轧辊热膨胀轧辊热膨胀 板形计算精度很大程度上取决于轧辊温度场的计算精度。板形计算精度很大程度上取决于轧辊温度场的计算精度。辊型在线检测技术限制，很难在线准确测量轧辊热凸度，往辊型在线检测技术限制，很难在线准确测量轧辊热凸度，往往通过轧辊温度场的计算来预报和控制轧辊热变形。往通过轧辊温度场的计算来预报和控制轧辊热变形。 计算方法主要有两种：理论公式法和实测数据法计算方法主要有两种：理论公式法和实测数据法 理论公式法：可考虑复杂边界条件，

5、精度高，速度慢理论公式法：可考虑复杂边界条件，精度高，速度慢 有限元法、有限差分法有限元法、有限差分法 实测数据法：无法考虑边界条件，精度较低、速度快实测数据法：无法考虑边界条件，精度较低、速度快 板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制9第八讲第八讲 板形控制板形控制 2. 2.轧辊磨损轧辊磨损 轧辊是轧制过程中直接作用于金属轧件的压力加工工具。轧辊是轧制过程中直接作用于金属轧件的压力加工工具。轧制时轧辊与轧件之间以及轧辊之间的相互接触摩擦，导致了轧制时轧辊与轧件之间以及轧辊之间的相互接触摩擦，导致了轧辊的磨损。在轧制生产中，轧辊承受伴有较硬氧化物研磨的轧辊的磨损。在轧制生产中，轧辊承受伴有

6、较硬氧化物研磨的周期性载荷和温度波动，并处于水蒸气和空气的氧化性气氛中，周期性载荷和温度波动，并处于水蒸气和空气的氧化性气氛中，与周围液体及气体介质相互作用，受到多种类型磨损机理的共与周围液体及气体介质相互作用，受到多种类型磨损机理的共同作用。在热轧中是按轧制单位来组织生产的，即每轧完一定同作用。在热轧中是按轧制单位来组织生产的，即每轧完一定数量的轧件后更换轧辊。在整个轧制单位内，轧辊的辊型经历数量的轧件后更换轧辊。在整个轧制单位内，轧辊的辊型经历了很大的变化，存在较大的磨损量。了很大的变化，存在较大的磨损量。 由于轧辊磨损影响辊系变形的计算精度，同时会对前张应由于轧辊磨损影响辊系变形的计算精

7、度，同时会对前张应力，轧制压力及辊间压力造成一定影响，故建立了轧辊磨损模力，轧制压力及辊间压力造成一定影响，故建立了轧辊磨损模型，对轧制过程轧辊磨损进行预测。型，对轧制过程轧辊磨损进行预测。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制10第八讲第八讲 板形控制板形控制磨损按表面性质分类金属金属磨损金属磨料磨损金属流体磨损干磨损湿磨损流体磨损按环境与介质分类微动磨损冲蚀磨损接触疲劳磨损冲击磨损腐蚀磨损磨料磨损粘着磨损按力的作用特点分按磨损表面分按相对硬度分按相对运动分按机理分类严重磨损轻微磨损凿削式磨损三体磨料磨损咬死咬焊擦伤胶合碾压式磨损划伤式磨损二体磨料磨损固定磨料磨损软磨料磨损硬磨料磨损自由磨

8、料磨损板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制11第八讲第八讲 板形控制板形控制轧件方面轧辊磨损的影响因素 轧件的温度 轧件的材质 轧件的宽度 轧件的厚度 轧件的表面状态 . 轧辊的材质 轧辊的直径 轧辊的原始辊型 轧辊的硬度 轧辊的表面粗糙度 . 轧制压力 轧制速度 轧制长度 润滑状态 冷却条件 轧制计划. 轧制工艺方面轧辊方面 轧辊磨损量是指以轧后辊径最大值为基准，其他位置直径轧辊磨损量是指以轧后辊径最大值为基准，其他位置直径与基准值之差，通常采用轧辊在使用一个轧制周期后的径向尺与基准值之差，通常采用轧辊在使用一个轧制周期后的径向尺寸变化量来表示。寸变化量来表示。板带轧机系统自动控制板带轧

9、机系统自动控制12第八讲第八讲 板形控制板形控制首钢首钢35003500中厚板轧机工作辊磨损实测值中厚板轧机工作辊磨损实测值 d1d2wcwE1wE2操作侧驱动侧边部定常部分边部轧辊磨损示意图轧辊磨损示意图 00.51.01.52.02.53.03.5-0.40-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.0500.05轧辊磨损量/mm与轧辊端部距离/m板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制13第八讲第八讲 板形控制板形控制三、板形控制的工艺理论三、板形控制的工艺理论 钢钢 铁：最主要工程材料，中国钢铁产量居世界第铁：最主要工程材料，中国钢铁产量居世界第1 1位位 板板

10、带带 钢：最主要的钢材产品，约占钢材总量的钢：最主要的钢材产品，约占钢材总量的4545 应应 用：汽车、造船、桥梁、建筑、家用电器等用：汽车、造船、桥梁、建筑、家用电器等 板板 形：板带材重要质量指标（平直度，板凸度）形：板带材重要质量指标（平直度，板凸度） 板带轧机：板带材生产的关键设备板带轧机：板带材生产的关键设备 板形控制：板带轧机的关键技术和高难度技术板形控制：板带轧机的关键技术和高难度技术板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制14第八讲第八讲 板形控制板形控制 技术现状技术现状：大中型板带轧机几十套，板形控制技术整体落后：大中型板带轧机几十套，板形控制技术整体落后 原因原因自制设备

11、自制设备, ,控制能力不强，缺少先进模型控制能力不强，缺少先进模型 引进设备引进设备, ,缺乏配套的先进模型缺乏配套的先进模型 技术关键技术关键：先进的板形控制模型，技术提高的瓶颈：先进的板形控制模型，技术提高的瓶颈 成果意义成果意义：适应重大装备技术需求，为板形控制系统提供实用：适应重大装备技术需求，为板形控制系统提供实用 模型，提升板形控制水平，旧轧机改造、新轧机设模型，提升板形控制水平，旧轧机改造、新轧机设 计、引进轧机能力的充分发挥和提高，提供控制模计、引进轧机能力的充分发挥和提高，提供控制模 型和软件，提高板形质量和成才率，钢铁大国走向型和软件，提高板形质量和成才率，钢铁大国走向 钢

12、铁强国。钢铁强国。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制15第八讲第八讲 板形控制板形控制n板形理论和板形控制数学模型及仿真系统板形理论和板形控制数学模型及仿真系统 主要包括：板形离线设定控制的机理模型与仿真主要包括：板形离线设定控制的机理模型与仿真 板形在线控制的快速智能模型与仿真板形在线控制的快速智能模型与仿真 板形控制数学模型从研究的内容和作用分为：板形控制数学模型从研究的内容和作用分为： 板形模式识别模型、板形预报模型板形模式识别模型、板形预报模型 板形控制模型、液压弯辊力控制板形控制模型、液压弯辊力控制( (板形主要调节手段板形主要调节手段) )模型模型 板形控制数学模型从研究的原

13、理和方法分为：板形控制数学模型从研究的原理和方法分为： 基于轧机基本理论的机理模型基于轧机基本理论的机理模型 基于经验和数据的智能模型基于经验和数据的智能模型板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制16第八讲第八讲 板形控制板形控制n板形离线设定控制的机理模型是最基本的板形理论和控制板形离线设定控制的机理模型是最基本的板形理论和控制模型，包括八个方面：模型，包括八个方面： （1 1）轧件三维塑性变形模型）轧件三维塑性变形模型 （2 2）辊系弹性变形（包括热变形）模型）辊系弹性变形（包括热变形）模型 （3 3）轧件和轧辊的温度场模型）轧件和轧辊的温度场模型 （4 4）辊系磨损模型）辊系磨损模型

14、（5 5）板形良好判别模型）板形良好判别模型 （6 6）板形偏差模式识别（分解）模型）板形偏差模式识别（分解）模型 （7 7）板形标准曲线模型）板形标准曲线模型 （8 8）板形控制策略模型）板形控制策略模型 板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制17第八讲第八讲 板形控制板形控制板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制18第八讲第八讲 板形控制板形控制板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制19第八讲第八讲 板形控制板形控制n板形在线控制的快速智能模型主要包括板形预报和板形控板形在线控制的快速智能模型主要包括板形预报和板形控制的智能模型及其自适应和自学习制的智能模型及其自适应和自学习 机理模

15、型特点机理模型特点：理论分析能力强，模型庞大完善，计算时间长，适合：理论分析能力强，模型庞大完善，计算时间长，适合 离线仿真离线仿真 智能模型特点智能模型特点：模型简单，计算时间短，快速响应，能够自适应和自：模型简单，计算时间短，快速响应，能够自适应和自 学习，适合在线计算学习，适合在线计算 在前述完整系统的板形理论和控制模型的基础上，可以开发出多在前述完整系统的板形理论和控制模型的基础上，可以开发出多种板形控制模型和技术，如机理离线仿真技术、辊型优化模型和技术、种板形控制模型和技术，如机理离线仿真技术、辊型优化模型和技术、轧辊横移模型和技术、弯辊模型和技术、轧辊分段冷却模型和技术、轧辊横移模

16、型和技术、弯辊模型和技术、轧辊分段冷却模型和技术、边部减薄控制模型和技术、板形在线控制技术，等等。边部减薄控制模型和技术、板形在线控制技术，等等。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制20第八讲第八讲 板形控制板形控制根据以上分析阐述，板形理论拟重点进行如下研究根据以上分析阐述，板形理论拟重点进行如下研究: :1 1）在进一步深入研究上述各单个模型的基础上，加强整体综合研究，实现）在进一步深入研究上述各单个模型的基础上，加强整体综合研究，实现 8 8个模型之间的耦合仿真，提高仿真计算的精度、速度和稳定性，为板个模型之间的耦合仿真，提高仿真计算的精度、速度和稳定性，为板 形控制技术开发提供一个

17、功能全面、性能稳定的平台。形控制技术开发提供一个功能全面、性能稳定的平台。2 2）针对板形标准曲线的研究，根据补偿要求、轧制工艺要求和后步工序要）针对板形标准曲线的研究，根据补偿要求、轧制工艺要求和后步工序要 求，以轧后带材不失稳为限制条件，兼顾板凸度和平直度控制，使用轧求，以轧后带材不失稳为限制条件，兼顾板凸度和平直度控制，使用轧 件变形模型和板形判别模型，确定各道次的板形标准曲线模型参数。件变形模型和板形判别模型，确定各道次的板形标准曲线模型参数。3 3）根据摩擦磨损原理，提出数学模型的结构，结合工业生产实测数据，应）根据摩擦磨损原理，提出数学模型的结构，结合工业生产实测数据，应 用自适应

18、和自学习方法，确定轧辊磨损的具体数学模型。用自适应和自学习方法，确定轧辊磨损的具体数学模型。4 4）在控制策略方面，通过数字仿真和工业生产测试两方面，详细分析各控）在控制策略方面，通过数字仿真和工业生产测试两方面，详细分析各控 制手段对各板形模式的调节作用，寻求各控制手段的最佳配合使用策略。制手段对各板形模式的调节作用，寻求各控制手段的最佳配合使用策略。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制21第八讲第八讲 板形控制板形控制5 5）在板形预报精确模型的基础上，采用影响函数方法，建立倾辊、弯辊、）在板形预报精确模型的基础上，采用影响函数方法，建立倾辊、弯辊、轧辊横移和分段冷却等轧辊横移和分段冷

19、却等4 4种手段在线综合控制的显式矩阵模型，详细研种手段在线综合控制的显式矩阵模型，详细研究轧制条件变化对控制矩阵的影响，提出动态修正控制矩阵的方法，达究轧制条件变化对控制矩阵的影响，提出动态修正控制矩阵的方法，达到在线应用的目的。到在线应用的目的。6 6）在理论分析、数字仿真和工业生产实测等方面，对边部减薄问题进行深）在理论分析、数字仿真和工业生产实测等方面，对边部减薄问题进行深入系统的研究，提出有效的控制措施和控制模型，应用于工业生产，进入系统的研究，提出有效的控制措施和控制模型，应用于工业生产，进一步提高板带材的尺寸精度、表面质量和成材率。一步提高板带材的尺寸精度、表面质量和成材率。7

20、7）在机理分析和离线仿真大量研究成果数据的基础上，结合工业生产实测，）在机理分析和离线仿真大量研究成果数据的基础上，结合工业生产实测，应用统计回归方法、自适应和自学习方法、神经网络和模糊方法，建立应用统计回归方法、自适应和自学习方法、神经网络和模糊方法，建立板形在线实时预报和控制的快速模型。板形在线实时预报和控制的快速模型。8 8）应用虚拟现实技术，研究开发出面向板形控制的虚拟轧机系统，并以此）应用虚拟现实技术，研究开发出面向板形控制的虚拟轧机系统，并以此为平台，进一步开发板形控制技术。为平台，进一步开发板形控制技术。板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制22第八讲第八讲 板形控制板形控制

21、研究目标研究目标 以满足我国钢铁工业技术进步和大型板带轧机自主设计创新的重大需以满足我国钢铁工业技术进步和大型板带轧机自主设计创新的重大需求为目标，研究开发板形控制的机理模型、智能模型、仿真系统和先进技求为目标，研究开发板形控制的机理模型、智能模型、仿真系统和先进技术，为国内其它冷带钢轧机板形控制技术的进步提供研发平台和先进的适术，为国内其它冷带钢轧机板形控制技术的进步提供研发平台和先进的适用技术。用技术。 1 1板形离线设定控制的机理模型和数字仿真板形离线设定控制的机理模型和数字仿真2 2板形在线控制的快速智能模型和数字仿真板形在线控制的快速智能模型和数字仿真3 3板形控制仿真系统板形控制仿

22、真系统4 4板形控制先进技术开发板形控制先进技术开发板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制23第八讲第八讲 板形控制板形控制研究内容研究内容1板形离线设定控制的机理模型和数字仿真板形离线设定控制的机理模型和数字仿真（1 1）轧件三维热力耦合模型）轧件三维热力耦合模型( (条元法条元法) )预报平直度和轧制压力分布预报平直度和轧制压力分布（2 2）辊系变形模型）辊系变形模型预报板凸度、边部减薄和辊间压力分布预报板凸度、边部减薄和辊间压力分布（3 3）轧制过程温度预报和控制模型）轧制过程温度预报和控制模型（4 4）轧辊磨损模型）轧辊磨损模型预报轧辊磨损预报轧辊磨损（5 5）轧件变形、辊系变形、轧

23、辊轧件温度和轧辊磨损的耦合仿真）轧件变形、辊系变形、轧辊轧件温度和轧辊磨损的耦合仿真（6 6）平直度判别模型（条元法）平直度判别模型（条元法）平直度判别准则平直度判别准则（7 7）平直度和板凸度模式识别模型（最小二乘模型和网络模型）平直度和板凸度模式识别模型（最小二乘模型和网络模型）板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制24第八讲第八讲 板形控制板形控制（8 8）平直度标准曲线模型）平直度标准曲线模型为平直度控制提供目标曲线为平直度控制提供目标曲线（9 9）板形控制策略模型）板形控制策略模型倾辊、弯辊、轧辊横移和分段冷却等综合倾辊、弯辊、轧辊横移和分段冷却等综合 控制模型控制模型（1010）

24、边部减薄控制模型）边部减薄控制模型（1111）摩擦系数模型）摩擦系数模型（1212）变形抗力模型）变形抗力模型（1313）板厚设定控制模型）板厚设定控制模型（1414）头尾加减速过程的板形板厚控制）头尾加减速过程的板形板厚控制（1515）轧制规程综合优化模型）轧制规程综合优化模型板形板厚综合优化控制模型板形板厚综合优化控制模型板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制25第八讲第八讲 板形控制板形控制2板板形在线控制的快速智能模型和数字仿真形在线控制的快速智能模型和数字仿真（1 1）板厚在线控制机理模型）板厚在线控制机理模型（2 2）板厚控制自适应与自学习模型）板厚控制自适应与自学习模型物理模型

25、和网络模型物理模型和网络模型（3 3）基于机理仿真和工业试验数据，建立快速预报平直度和）基于机理仿真和工业试验数据，建立快速预报平直度和 板凸度神经模糊模型板凸度神经模糊模型（4 4）基于平直度预报神经模糊模型，建立快速的平直度控制）基于平直度预报神经模糊模型，建立快速的平直度控制 矩阵模型矩阵模型倾辊、弯辊、轧辊横移和分段冷却等综合倾辊、弯辊、轧辊横移和分段冷却等综合 控制模型控制模型板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制26第八讲第八讲 板形控制板形控制（5 5）平直度预报和控制的自适应和自学习模型）平直度预报和控制的自适应和自学习模型（6 6）平直度控制的模糊神经双模解耦快速智能模型）

26、平直度控制的模糊神经双模解耦快速智能模型（7 7）平直度在线设定控制的仿真和工业试验）平直度在线设定控制的仿真和工业试验（8 8）平直度闭环控制的工业试验）平直度闭环控制的工业试验（9 9）边部减薄在线设定控制和闭环控制的模型）边部减薄在线设定控制和闭环控制的模型 ( (快速智能快速智能 模型模型) )（1010）连轧过程温度在线设定控制和闭环控制模型（快速智）连轧过程温度在线设定控制和闭环控制模型（快速智 能模型）能模型）（1111）摩擦系数、变形抗力和轧制压力在线设定模型）摩擦系数、变形抗力和轧制压力在线设定模型板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制27第八讲第八讲 板形控制板形控制3

27、3面向板形控制的仿真系统面向板形控制的仿真系统 （1 1）硬件设备）硬件设备 （2 2）软件平台）软件平台 （3 3）基于离线模型仿真和在线模型仿真的两种虚拟轧机系统）基于离线模型仿真和在线模型仿真的两种虚拟轧机系统4 4板形控制新技术的研发板形控制新技术的研发 在前面建立的完整系统的板形理论和控制模型的基础上，可以在前面建立的完整系统的板形理论和控制模型的基础上，可以开发出多种板形控制模型和技术，为轧制生产服务。举例如下：开发出多种板形控制模型和技术，为轧制生产服务。举例如下： （1 1）轧制规程综合优化（机理）轧制规程综合优化（机理） （2 2）辊型优化（机理）辊型优化（机理） （3 3）

28、边部减薄控制（机理、智能）边部减薄控制（机理、智能） （4 4）温度控制（机理、智能）温度控制（机理、智能） 板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制28第八讲第八讲 板形控制板形控制 重点解决的关键问题重点解决的关键问题 1关于关于板形离线设定控制的机理模型和数字仿真板形离线设定控制的机理模型和数字仿真（1 1）各种边界条件热交换系数的确定；）各种边界条件热交换系数的确定；（2 2）变形区变形抗力分布的准确计算；）变形区变形抗力分布的准确计算；（3 3）变形区热力耦合迭代求解的稳定性；）变形区热力耦合迭代求解的稳定性；（4 4）轧辊之间及轧辊与轧件之间的弹性压扁变形的精确计算；）轧辊之间及轧辊与轧件之间的弹性压扁变形的精确计算；板带轧机系统自动控制板带轧机系统自动控制29第八讲第八讲 板形控制板形控制（5 5）轧辊磨损的机理模型；）轧辊磨损的机理模型；（6 6）轧件变形、辊系变形、轧辊轧件温度和轧辊磨损迭代求解）轧件变形、辊系变形、轧辊轧件温度和轧辊磨损迭代求解 的稳定性；的稳定性；（7 7）平直度判别系数的准确确定；）