单机架四辊铝带冷轧机自动厚度控制系统的研究图文精

分类号UDC密级学位+论文单机架四辊铝带冷轧机自动厚度控制系统的研究作者姓名指导导师姓名谷德昊鲞壁垒整撞.1.932253 壅皇垦盘堂奎生剑垫盔盈整垫自边垡国窒重：量塞验室申请学位级别亟学科类别工堂学科专业名称盐盘垄三三猩论文提交日期 迦丝旦堑旦论文答辩日期嬲年 3 月 1 日兰竺孥邗骂 n 步辩委脍主席芈 评阅人乏.0 在歹矽一-1_一东北大学2008 年 2 月/ :0j f 0 L,o、.j jjA Thesis illMaterials Forming EngineeringStudy ofAutomatic Gage Con trol system of Si ngle -Sta nd Four-High Alumi numStrip Cold Millby Gu DehaoSupervisor:Professor Zhang Dian huaNortheaster n Un iversityFebruary 2008泔 I 礓 Il东北大学硕士学位论文 声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本人签名：。矗/易雾日期:渺弓 ,学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规 定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同学位论文作者签名：签字日期：导师签名:签字日期:;,_, _一一 。”东北大学硕士学位论文摘要单机架四辊铝带冷轧机自动厚度控制系统的 研究摘要本文以某由 420/1120 x1900mm 四辊铝带冷轧机为研究背景，对液压辊缝控制 系 统的原理进行了认真研究，根据现场实际情况给出了详细的厚度控制方案。针对反馈控制系统的滞后性和被控对象数学模型的不精确性，设计了带 Smith 预估器的模糊反馈控制系统并进行了仿真。本文的主要内容和取得的主要成果如下：1 对铝带冷轧机的国内外发展状况进行了系统介绍，国外厚度控制技术己经 达到了较高的水 平，我国在这方面虽然也取得了一定成果，但由于整体工艺装备技术落后，高精度铝带 轧制技术同发达国家相比仍存在较大差距，在实际应用中 尚有许多问题需要解决。2 对单机架铝带轧机的辅助控制部分，进行了深入研究，并完成了电气系统 设 计、程序编制和现场调试。主要包括：入口小车上料，出口小车卸料，套筒卸载、传 送、装载，料卷传送、轧制线调整、工作辊换辊等。3 详细阐述了液压位置闭环控制和轧制力闭环控制的原理，结合自动厚度控 制 的基本原理和现场实际情况，提出了适合于该轧机的厚度控制方案，并对该控制方案 中的各种控制方式以及补偿做了重点剖析。4 针对反馈控制系统的滞后性和被控对象数学模型的不精确性，应用模糊逻 辑、纯滞后补偿等理论，设计了带 Smith 预估器的模糊反馈控制系统,并用 MATLAB 的 Simulink 仿真.:件? 一*P? 工具对该系统进行了仿真研究。本文的研究结果针对铝带冷轧机的自动控制系统具有较强的实用性和推广价 值。关键词:铝带轧制；液压 AGC;模糊 Smith 预估器;轧辊偏心补偿;速度补偿东北大学硕士学位论文 ABSTRACTStudy of Automatic Gage Con trol system ofSi ngle- Sta nd Four-High Alumi num Strip ColdMill AB STRACTUnder the background of 中 420/1120 x1900mm single stand four hi 曲 aluminum stripcold mill,the fotmdme ntal of hydraulic gap con trol is studied.Based on the situati on ofsite,a detailed auto gauge control scheme iS given.Under the circumstances of pure lag infeedback con trol system and the imprecisio n of the con trolled object model,a fuzzy controlsystem with Smith predictor is designed using the fuzzy logi? and pure lag compe nsati ontheory and simulated using MATLAB.The main work and results are as follows:1The developme nt of Alu minum strip cold mill of domestic and overseas is introduced.There is a higher level of con trol tech no logy on high-quality alumi num strip rolling on abroad.Because of behi nd of equiptech no logy,there is a bigger gap betwee n developed country and Our COun try.Whileit has had a lot of achievements in this field, there are many questions to answer in practical0 . j 卜 艟 Z.一一o0applia nee.2,nle auxiliary control system of single-stand four-high aluminum strip cold mill islucubrated.A nd the electric system desig nin g,program ming and field setup and debugging arefinished.The automatic control include payoff coil loading;rewind coiluni od; uni oad,c onvey and load ing of core;passli ne adjustme nt and the work roll changeing etc.3The principles of hydraulic position control and roll force control are particulardescribed.Based on the foundmental of AGC and the situation of site,a suitable AGC projectis give n,and each part ofthe project is especially an alysised.4Un der thecircumsta nces of pure lag in feedback con trolsystem and the imprecisio n of the con trolled object model,the fuzzy logic and pure lagcompensation theory is used to design a fuzzy control system wim Smith predictor.By theSimulink toolbox of MAn,AB,the system has been simulated.As the schedule of the program,the gauge con trol system has not site debugged. Theresearch results in the paper are useful auto con trol system ofAlumi num stripcold mill.They are practical and can be applied in similar project.Additional,there is .III.奎 i!垄兰塑主兰堡垒圭曼曼篁曼曼曼曼皇鼍 E 篁!曼!墨詈曼葛暑墨!曼皇全墅里竺坚 also a breakthrough in investigation of auto gauge contrO1. .tKey words:alumi num strip rolli ng;hydraulic AGC;fuzzySmith predictor;rolleccentricity compensation;speed compensation.独创性声明. I摘要.】IABSTRACT. .:.I n.第 1 章绪论.j . .1.。2 1.3.:.6 1.3 厚_. .7 1.3.2 冷轧机厚度控. .1l 1.3.3 研究液压 AGC 系统的目13 1.4 模糊智能技术概. .14 1.4.1 模糊控制的提1.1 铝带冷轧生产技术的现状1.2 我国铝带冷轧的发展历程自动厚度控制系统简述.度控制的发展状况.制寸方法.:的和意义j.述._.出.东北大学硕士学位论文目录目录. .14 模糊控制的特j。j.j.14 1.3模糊技术在厚度控制中应用的必要性 .：.15 1 本论文主要研究内容. :. .1 第 2 章单机架冷轧机的主要设备及参数 . 17 2.1 产品规格及参数.一.17 2.2 轧机概况. .:.。18 2.2.1 控制系统组成. .:. 21 2.2.直流传动系统. 一 24 2.2.2.1 主电机及辊系参数. .25 2.2.2.开卷电机参数.A.j. 25 2.2.2.3 卷取电机参数. :.:.。：. 26 2.2.3 料卷输送装置.:.26 2.2 料卷小27一.2.2。4.1。卷径。带宽测量272.2.4.2 料卷称重27 2.2 轧机入口侧装置31 2.2.5.1 开卷系统. 31 2.2.5.2 入口张紧装置. .:.31 2.2.5.开卷穿带过32东北大学硕士学位论文目录2.2.6 轧机主体部分 . 322.2.6.1 轧制线调整.: . 3.32.2.6.2 工作辊换辊34.38p 2.2.7机出口部分 . 40.1 , 2.2.7.1 带材吹扫装置.:.402.2.7.出口张紧装置2.2.7.3 卷取系统. 402.2.8 套筒处理装置.412.2.9 轧机辅助控制系统 . _. 432.2.9.1 轧制工艺油及过滤机系统.：.43229.2 高压动力站. . .432.2.9.3 主动力泵站.432.2.9.4 辅助系统的其它设备.一.442.2.1O 故障处理.。.442.3 工艺质量控制系统 .。46。第 3 章轧机 AGC 策略.。483.1 板带厚度波动的原因 . j.483.2 板带轧机厚度控制的理论基础 -. . . .493.211 轧机的弹性变形与弹跳方程. 。493.2.2 轧件的塑性变形曲线与塑性方程 .。50226.3 支撑辊换辊403.3 液压辊缝控制（HGC 系统.523.3.1HGC 的结构 3.3.2HGC 系统控制功能描述3.3.3 液压缸位置控制 .。.533.3.4 液压缸轧制力控制. . 53液压缸单侧独立控制.543.3.6 液压缸的倾斜控制 .。. 543.4AGC 控制策略.553.4.1 前馈AGC. .563.4.2Smith 预估监控 AGC. .573.4.3 厚度计 AGC. “. .623.4.4 轧辊偏心补偿. .633。4.4.1 轧辊偏心对厚度的影响 . 63东北大学硕士学位论文目录 3.4.4.2 轧制力偏心滤波方法.64 3.4.5 速度补偿方法的研究. 一 66 3.5 本章小结. 。66 第 4 章模糊Smith 预估监控 AGC. 。674.1AGC 的模糊控制 . 一 674.1.1 模糊控制器概述 . 68 4.1.1 模糊控制器的组成 . 68 4.1.1.2 模糊控制器的结构及其分类 现.52.523.3.5-73 4.1.1.3 模糊控制算法的实74 4.1.2 模糊 Smith 控制器的设计.74 4.2 控制系统的仿真研究. .78 4.2.1 模糊控制系统的仿真环境及系统设计 .。78 4.2.2带 Smith 预估器的模糊控制系统与常规 Smith 系统仿真研究81 4.3 本章小结. .82 第 5 章结论. 83参考文献.84 致谢.87东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论第 1 章绪论吕是一种轻金属，其化合物在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为 8%（重量, 仅次于氧和硅，具第三位。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝是当今最常用的工业金属之二，不仅重量轻，质地坚硬,而且具有良好的延展 性、导电性、导热 性、耐热性和耐核辐射性，是国民经济发展的重要基础原材料。随着我国国民经济的快速发展，作为向交通运输、化工、机械、电力、电子、电器、仪表 建筑、制冷、包装等行业部门提供基本金属材料的铝加工行业，在技术装备上得到迅速提升，产能规模已跃居全球前列。最近几年，我国的铝材产量 逐年增加。从 2000 年的 439（万吨到2005 年的 938（万吨，增加了一倍以上。与此同时,我国铝板带市场虽然 在稳步增长，但主要产品为中低端产品，技术水平普遍不高，在一些高精度铝板带产品 方面，企业研发能力弱，拥有真正自主知识产权的产品少，生产技术水平不高。对于板 带来说，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中，厚度精度是衡 量板材及带材的最重要的质量指标之一 j 己成为国内外 冶金行业普遍关注的一个 焦点。自动厚度控制（Automatic Gauge Control 简称 AGC 是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获得带材纵向厚度的均匀性，从而生产出 合格的产品。口前,自动厚度控制己成为现代化板带生产中不可缺少的组成部分。 为了提高产品 质量,就必须改进工艺流程、提高生产设备性能，因此引进国外先进的 生产技术,并在此基础上加以学习和研究就成为了一种较好的选择。本课题就是由东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与上海捷如重工机电设备有限公司及意大利 FATA.HUNTER 公司合作，为某公司设计并建造的由 420/1120 x1900mm 四辊不可逆铝轧机的一部分。涉及的内容主要包括：自动厚 度控制系统（AGC,轧机及其外围辅助设备（包括:料卷输送装置，入口、出口的上料小 车，套筒导入、导出及传送装置，换辊设备等的自动控制等。1.1 铝带冷轧生产技术 的现状冷轧机可分为二辊的与多辊的两大类，也可分为带材轧制与块片轧制两类。现 代铝带轧制工艺及所用的轧机可分为三种类型：连续或不连续多机架冷轧机轧制;单 机架 6 辊不可逆式冷轧机轧制；单机架 4 辊不可逆式冷轧机轧制。目前来 看,世界上 的单机架轧机几乎都是不可逆的，并且在在全球现有的 400 多台辊面 宽度不小于 1400mm 的 4 辊、6 辊单机架冷轧机中,6 辊的仅 12 台，其余的都是 4 辊轧机。 单机 架 4 辊、 6 辊冷轧机（不小于 I 400mm的生产能力占全球冷轧总东北大学硕士学位论文第 1 章绪论生产能力的一半左右【1,2】。单机架 4 辊不可逆冷轧机的设计体现了当前的最高机械制造水平与自动化控 制水平，其特点可归纳为：.1 料卷质量加大，最大质量已达 28t。2 大部分冷轧机可轧制宽度 750.2000mm 的带材，或甚至更宽些的带材。带 材宽度最大的，甚至达到了 3000mm 以上。3 冷轧材料的厚度范围大大拓宽，厚带冷轧机可轧制 6.14mm 的带材，这种 冷轧机也可称为重型冷轧机；薄带冷轧机可生产厚度薄至 0.05 衄的带材,也可以把这类冷轧机称为轻型冷轧机或万能冷轧机。：4 工作辊直接驱动，主传动电机功率普遍加大，最大的已达 8000kW 或更 大。.5 双速工作，即有低速齿轮与高速齿轮传动。最大轧制速度分别为600 及1800m/mi n。6 设计上采用高轧制线，料卷与套筒运输与装卸均采用自动化。？7 轧制油流量与喷射部位有全部自动控制与手动控制两种模式，喷嘴实现单阀独立控制，与板形控制系统连锁，可获得预期的板形。-8 设计紧凑,卷取机之间的距离达到最短，材料通过量可达到最大化，同时又便于工人到达所需要到达的地方，以便维护检修与做有关准备工作9 板形控制措施多样化与完善。为了在提高速度的轧制条件下更好地控制板形，一些公司研发出了一些控制辊形的轧机和轧辊，如：1轧辊据有侧弯系统的平直度易控制轧机 FFC(Flexible Flat ness ControlMill; ?2可变凸度轧机 VC(Variable Crown Mill,以及连续可变凸度辊 CVC(Co nti nu ously Variable Crow n;3动态板形辊 DSR(Dynamic Shape Roll 等。 1自动厚度控制系统多样化与 精确化。通过辊缝控制、前馈控制、反馈控制、质量流控制，弯辊力补偿和轧辊偏心补偿等措施来精确地控制带材厚度。.12.我国铝带冷轧的发展历程 . j.一一中国铝板轧制工业起步于 1919 年,上海益泰信记铝器厂开始用 2 辊小轧机轧制小铝片，比美国和法国仅约晚 30 年，但铝带冷轧却到 1932 年才开始。1932 年，加拿大铝业公司、瑞士铝业公司、英国铝业公司利用瑞士铝业公司一家铝箔厂淘汰的二手设备，投资 100 万美元合资在上海创办了中国首家铝箔厂东北大学硕士学位论文 笫 1 章绪论一一华铝钢精厂，即目前的上海华瑞铝业合 作公司。华铝钢精厂有 3 台由 425mmx800mm 的可逆式 2 辊铝带冷轧机，带卷的最大质 量只不过 40 堍，宽仅 420ram。有 16 个铁模，铸锭尺寸 80mmx(300-430 mmx760mm, 由550mmx 1300mm2 辊可逆式热轧机 I 台，由 650mmx 1500mm2 辊可逆式铝板冷 轧机 2台。直到 1956 年东北轻合金有限责任公司建成前，这些设备都 是中国最大最好的铝板带装备。在 19431945 年太平洋战争期间，华铝钢精厂被 日本人接管,转产飞机修理铝合金板。 .,！。.：抗日战争胜利后，华铝钢精厂交还给瑞士商人，1946 年与加拿大铝业公司共 同制 定了扩建计划。解放后，新中国对私营企业采取利用、限制、改造的方针,.华铝钢精 厂的铝箔年产量维持在 560 吨左右。1960 年，该厂作为当时中国大陆最 后一家外商 企业，由国家赎买接管，改名为上海铝材厂。中国从 1952 年开始为建设中国第一个现代化的综合的大型铝加工厂作前期准 备工作（包括人员的国内外培训等。在国民经济建设第？个五年计划的第一年（1953 年开始建设在的东北轻合金有限责任公司，它是在苏联的全盘援助下建设的,分两期 进行。19541956 年建设第工期,19581960 年建设第二期工程。厂区占地面积189x10000m2。 一期工程的主要项目有：熔炼铸造车间，板带车间，管棒型材车间 i 中 心实验室。1956 年 11 月 6 日经国家验收正式投产。轧制车间有由 700/1250mmx2000mm 可逆式 4 辊热轧机 1 台 j 由500/1250mmxl700mm 可逆式 4 辊冷轧机 2 台，冷轧板带的年生产能力 2 万吨 j 所生 产的板带对中国的经济建设与国防建设发挥了极为重要的作用。1988 年，中国第一重型机械集团公司与意大利米诺公司（MNO 合作,铝带冷轧机做了现代 化技术改造, 使单机的年生产能力达到了 2 万吨。.1958197 年是中国自力更生发展国民经济 的时期，为了改善铝带轧制工业的 布局,除了建成了西南铝业（集团有限责任公司这 样的大型铝加工厂外，在全国各地还建设了一批中小型铝带加工厂，如:沈阳方圆铝 业有限公司、石家庄有色金属加工厂、天津海伦铝业有限公司（原铝制品总厂、北 京伟豪铝业有限公司（原铝制品总厂等 30 余家。,.j1961 年东北轻合金有限责任公司铝箔车间建成，是按照华铝钢精厂的设备与工 艺设计的，其 800mm 冷轧机可生产较窄的 4050 蚝的小卷带材。西南铝业公司的筹建工作始于 20 世纪 50 年代末，是为了生产能满足制造苏 式 大型飞机所需的铝、镁、钛材而建的。1965 年 7 月 1 日动工兴建,1970 年 7 月板带车间投产，有 1 台中国第一重型机械集团公司设计制造的由 750/1400mmx2800mm可逆式 4 辊热轧机、1 台由 650/1400mmx2800mm 可逆式 4东北大学硕士学位论文第 1 章绪论辊冷轧机，后者当时设计的年生产能力为 20 万吨。1985 年这台冷轧机改为（1+1式热轧生产线的热精轧机。第一重型机械集团公司又为西南铝业有限责任公司 制造了 1 台巾 650/1400mmx2800mm4 辊可逆式冷轧机，并于 1983 年投产。 该轧机 在技术上达到 20 世纪 70 年代的国际水平，轧制速度提高到了 360m/min,有液压自动厚度控制 AGC 系统、轧辊轴承油雾润滑、工作辊液压正负弯辊、开卷机 随动对中、可控硅供电、轧辊分段冷却、轧制液精密过滤等。j19781998 年是中国铝带冷轧工业的大振兴、大发展时期，中国铝带冷轧工业由计划经济向社会主义市场经济转变的过渡时期，大型铝板带轧制厂产品转为 以民用为主。党的十一届三中全会以来 特别自 1980 年实行对外开放，以及在以后的一段时间内执行的 优先发展铝的方针指引下，中国铝带冷轧工业的发展 进。入了前所未有的黄金时期。板带的产量由1978 年的 6.23 万吨增加到 1998 年的 26.72万吨，年平均增长率为 7.55%。+在这个时期，原有的国有大型铝厂对以前的板带轧制系统进行了大规模的改造，并且兴建了一些新的板带加工厂；与此同时，一些科研机构和大型铝厂联合设计并建造了一些轧机，并引进了一些具有世界先进水平的轧机。.从 1999 年开始，中国的现代铝带轧制工业进入了一个以调整装备结构、技术 机构、产品结构等为主的更高一级的发展时期，这个结构调整时期大致可于2010年前后结束【3J。目前，国内还以生产万能轧机为主。在一台轧机上，可将厚 810mm 的铝带 坯经过若干道次轧制，最终轧到 O.04mm。这样，总的建设投资降低，但单台轧机 的产能减小。与国外冷轧机相比，国产铝带冷轧机在最大轧制速度、控制手段和控制水平等方面，有一定的差距 14J。国产现代化铝带箔冷轧机的主要特点如下：1 机组设备布置紧凑，总体功能齐全，整机自动化程度提高：现代化铝带冷轧机的轧制形式均为不可逆轧制。对于 1200mm 以上的机组，针对轧制产品要 求,?绝大部分机组配备有液压切头剪切机和圆盘剪边机。同时，针对不可逆轧制形 式，配有卷材自动运输装置。近年来设计的机组中，同时配备了带卷卷径自动测量和？上卷自动对中装置，可实现上卸卷的自动化操作，使操作强度逐步降低，提高成品率,增加竞争能力2 轧制速度提高，增加单机生产能力：近年来的国产铝带箔冷轧机，最大轧制速度由原来的 300rrgmin 提高到近 1200m/rain。随着板形自动控制系统的投 入，最高轧制速度还将不断提高。由于来料厚度较大，单机产量较低。单机年产能 由最初的 7.5kt 提高到现在的 25kt,将来能达到 40kt。但轧制速度与国外相比，仍 有东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论一定的差距，单机产能也有较大差距。3 整机国产化程度提高，设备维护方便：随着国产工业的发展，国内配套能 力进一步提高，国产冷轧机以前主要靠引进的检测元件或控制系统逐步被质优价 廉的国产 元件或系统代替：如自动厚度控制系统（AGC、带材自动纠偏控制系统（CPC、X 射 线测厚仪、板形自动控制系统（AFC 等:同时，由于国产化的提 高，设备维护费用越来 越经济，使产品更具有竞争力。j j4 液压和润滑系统更加完善和标准化：国产冷轧机液压系统主要为整体泵站 和 分散阀台布置。轧机控制更趋于全液压化：对中伺服液压系统、弯辊伺服液压 控 制、厚度伺服液压控制以及上卸卷测量及液压控制系统等均广泛用于轧机控制。5电气传动系统有了比较大的发展：开卷机、卷取机和主传动电动机控制系 统广泛采 用全数字直流传动装置。供电全数字直流传动装置与交流传动装置相比，其优点在于造价较低，控制简单、可靠,维护方便;交流传动与直流传动装置相比，其优点在于 结构紧凑、维护量小、动态控制特性优良。针对不同的传动功率，选择不同的传动形式，达到最佳的性能价格比。同时传动系统具有电机定子测温，晶闸管测温，电机12t 保护等常规电机和整流模块保护功能。针对 3、5、7 次谐波,采用 12 相整流方 式进行消除；全数字直流传动装置具有灵活的编程功能，并可以通过现场总线方式与 上位可编程控制器联网，通过网络实现对电机的控制和监测。.6 电气控制更加完善：不管是自动控制部分还是传动部分，国产现代化轧机 近期 发展到采用三级控制系统。它装配了多个 CPU 中央处理单元，系统的开放性很强, 用户可以自己开发和自己修改；它的集散性强，可以与其它系统连网，便于工厂的管 理;运行中软件修改方便，维修也方便。它可增加产量、提高质量、操作经济、节约能源和有利于环保。：.0 级:自动化基础。内容包括：主传动、开卷机传动、卷 取机传动和各传 动电动机;辅助设备（板形辊、工作辊弯辊、压下缸调整、弯辊控制 等;各级的界面（0 级、1 级、3 级界面;监视检测设备（前后测厚仪、激光测速仪、卷 径自动测量等。.。.1 级:闭环控制- 根据 2 级限定的目标值形成闭环控制。内容包括：度自动控制厚度闭环;前馈、后馈控制；弯辊控制；设定功能。.3 级:过程控制，主要是过程优化。 其内容包括：轧制程序表建立；工艺过程的 数据采集与分析一一批量生产、材料跟踪、打印报告、报警等；质量控制；接 口。. .t、：.7 完善的自动厚度控制系统.辊缝控制。来料厚度偏差或材料性能变化引起SLY,J 力变化时，将使轧机发东北大学硕士学位论文第 1 章绪论生弹跳，通过计算可对辊缝进行补偿。对轧制力的偏差可以立即补偿，辊子偏心j 引起的轧制力变化不能校正。.前馈控制。入口厚度偏差而引起的出口厚度偏差可利用前馈控制进行补倍.0?。反馈控制。反馈控制是对长期的厚差进行补偿的手段。有些轧机在出 口侧既有 X 射线测厚仪又有 13 射线测厚仪。X 射线测厚仪动态性能好,p 射线测厚 仪静态性能好：弯辊力补偿。弯辊力的变化将引起轧机弹跳的变化，弯辊力补偿就是给位置控制一个设定值以抵消这一影响。.轧辊偏心补偿。对支承辊进行偏心补偿。8 板形自动控制系统应用越来越广泛：国产板形辊及板形自动控制系统的投入使用，将代替价格昂贵的进口板形控制系统，同时，产品质量又提高了档次。目前国内已有数家在进行该系统的研制开发。1.3 自动厚度控制系统简述.一.我国近年来从发达国家引进的？些大型的现代化的板带轧机，其关键 技术是高精度的厚度控制和板型控制。厚度精度关系到金属的节约、结构件的重 量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品厚度，AGC 系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。我国厚度控制技术虽然已经应用多年，但是应该看到,由于轧机的压下控制技术综合了众多学科领域的知识，在实际的应用生产上，仍存在着诸多的问题。国内在厚控系统的软件开发、检测仪器仪表、液压伺服系统元件的生产水平、精度上存在差距。即使从国外引进的厚控系统，实际使用中也存在自动控制系统没有完全投入。同时，由于带材厚度受到液压伺服系统、自一动控制系统、工艺的瞬时条件和原料的随机变化等几方面的共同影响，使得AGC控制系统具有不确定性。：、近年来，国内外在板形和厚度等控制技术方面取 得了许多新的进展，大大提高了板带的几何尺寸精度。伴随着轧制产品尺寸精度的提高，经济效益也会大幅度上升。因此，从 20 世纪 60.70 年代完成了轧制设备的大型化、高速化、连续 化.莉自动化后：强矿年代以桌：葺嘞技禾发展的圭要甘标廷提蒿毒 I:翻 精度.、性能:一扩大品种，降耗增效，并进一步扩大连续化范围。通过对轧制 过程控制计算机的高精度设定和基础自动化的 AGC 控制系统的改进，厚度精度已经达到了很高的水 平。目前己朝着带材纵向、横向厚度偏差的综合控制方向发展。东北大学硕士学位论文第 1 章绪论1.3.1 厚度控制的发展状况+ 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分为以下几个阶段：.，一.。一.第一阶段是上世纪 30 年代以前的人工操作阶段。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或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依据操作人员的经验来进行的。轧制理论仅在这一阶段的后期才刚刚开始建立，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较复杂的机器，由于轧制 过程是？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【5J。，:.、第二阶段是上世纪 30 年代到 60 年代的常规自动调整阶段【6】。直到 1949 年厚度控制方程的出现，以及 1965 年由计算机自动厚度控制的带材轧机的建成投产才是厚度控制技术出现的标志。这个阶段轧制理论从以力学为基础，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互相作用变形规律。在该阶轧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控制阶段。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厚度偏差而调节电动机压下实现的。这种装置应 用不久就暴露出一系列的缺点:（1 压下位置改变比较慢；（2 传递时问滞后；（3 压下电动机容量增大等。1952 年，英国 Hessenberg 等 f71,根据出口厚度决定于轧机弹性曲线与轧件塑性曲线交点而推导出的出口厚度表达式，奠定了厚度控制的理论基础。此后，基于该解析式的所谓 厚度计”式自动厚度控制方式，几乎被这一阶段所有新建轧机所采用。这种自动厚度控制方式一直延用到60 年代末，这种方式的厚度控制系统 j在轧制过程中通过测量轧制压力户和空载辊缝蕊 厂利用弹跳方程计算 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o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。这种厚度控制系统中仍保留着X 射线测厚仪作为最终厚度的闭环控制东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论以 X 射线测厚仪测厚和 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，从而在改善轧制过程的稳定性，提高板带的产品质量 以及简化操作等方面都取得了明显的效果。 60 年代起,随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到金属加 工制 造业，使板带产品的生产发生了变革,形成了 60 至 80 年代的计算机控制阶 段,即厚度 控制的第三阶段。以弹跳方程为基础的自动厚度控制理论(AGC 得到广泛应用。计算机在厚度控制中应用首先是在热连轧机设定上开始的【8】。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口厚度值、辊缝值及轧制速度等，单凭经验及简单的计算己无能为力了，必须引入计算机运算才 能完成。以厚度计式 测厚实现厚度控制，以计算机进行各机架设定，很好地解决了热连轧机的厚度控制问 题。热连轧机采用厚度计式厚度控制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造成的厚度偏差的影响；2 带材尾部失张造成厚度偏差有所改善；。+.一 .3 一轧机负载分配有所改善；i . 4 借助于活套装置减少了需要校正的干扰.5 带材的板形和平自度有所改善；一，6:即使有一个机架的自动厚度控制退出，还可以进行有效的厚度控制等。鉴于计算机设定与厚度计式厚度控制方案在热轧机上应用的成功,60 年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期，各国相继改建和新建 了一大批热连轧生产线【9】。与此同时，计算机也逐步以 DDC(直接数字控制形式用于 SLN 过程，开始了以计算机设定和计算机控制为标志的新时期。这一阶段的热 连轧机轧制速度可 达 2300m/min,出口厚度 7mm,带材精度控制在 5O.u.m 以内的可 达 80%以上。热 轧产品质量有了相当程度的提高，同时在节省人力、简化操作上都 有很大的提高。60 年代后期，在板带轧机的控制上，逐步过渡到了以主计算机设定和 以微机进行DDC 过程控制阶段,并将这种控制方式大量应用于冷连轧机，使这一阶 段冷连轧机发展很快。但在厚度控制方案上，试图将厚度计式厚控方案用于冷连 轧机时遇到了困难。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，而且随道次的增加而变大，仅测量轧制力 偏差，由轧机刚度并考虑些简单的情况决定出口厚度偏差己不可能准确。对板带厚度精度要求较高的冷连轧机来说，在厚度控制方案上必须寻求新的控制 模式。.8.东北大学硕士学位论文第 1 章绪论经过多年的研究，形成了这一阶段的冷连轧机的典型厚度控制系统的基本思想是:在第一、二机架设置粗调 AGC 系统，保证坏料厚度差基本上得到消除；以后机架的精调 AGC 系统，由于压下效率低,而且保证良好的板形，故一般采用张力调节作为厚度控制的手段，对带材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架的压下量，以达到合格的厚度精度。如此实现的带材冷连轧机厚度控制系统得到了成功。同时由于各种检测设备精度的提高，使这一阶段的冷轧机发展非常迅速。不仅如此，这一阶段的厚度控制精度在轧制出口厚度 0.340mm 带材时，控制在士 10 岬以内。j. ,.? + 7 年代起，液压厚度控制技术（液压 AGC 的应用，使厚度控制技术产生了重大变革【lo_121。液压 AGC 的响应速度比电动 AGC 快 2 个数量级以上，因 此使AGC的内环执行机构几乎可以近似为一个比例环节（相对于 AGC 的响应速度，以实现可变等效刚度的控制效果。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段 的厚度控制技术大大地向前迈进了一步。这一阶段的大部分旧式控制方式的轧机都进行了新技术的改造。一,.80 年代末至现在,厚度控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展，一 成为厚度技术发展的第四个阶段。这一阶段，己经将厚度控制、板形控制的全部过程溶于计算机网络控制的过程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、解耦控制、Hoo 控制等控制理论的最新成果，以追求控制性能的更高水平。在监控层的设定计算中，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。以上两方面的不断追求融合在一起，开发出高精度、无人操作的自动 厚度控制系统是这一阶段轧机的目标【l 弘”。在轧制领域中，过程控制技术以厚度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,60 年代建立了精确的连轧张力微分方程，70 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。1997 年，提出了热连轧张力复合控制系统方案。该系统使用实时数字滤波校正环节，使压下 AGC 和速度 AGC 互不干涉,AGC 和 ATC 互不干涉，在所有机架安装厚度计和速度计，构成高精度的秒流量（Mass Flow 控制,最大限度的发挥液压压下装置的功能。高性能交流传动装东北大学硕士学位论文第 1 章绪论置的应用使厚度精度控制在幻.5%以内，成为这一阶段冷连轧机计算机网络控制的典型代表。自动厚度控制系统中，带材的厚度精度主要取决于道次计划设定模型计算精度及 AGC 控制精度。前者决定了带材头部厚度精度，后者决定了带材全厚度精度。以高精度道次计划设定模型轧制时，每道次压下量及速度由过程计机道次计划设定模型进行自动计算及设定。设定模型包括：带材温度预测模型、轧制力预测模型(含变形抗力预测模型、轧机辊缝设定模型，即弹跳方程式。为了提高设定模型的精度，设定模型除具有块与块之间的自适应功能外，还具有道次与道次之间的自适应功能。采用前道次温度、轧制力、厚度的实测值，对下道次的轧制力、温度预测值进行修正，重新计算辊缝值，以提高下道次的设定精度。如果某道次轧后实测厚度与模型预测值偏差较大，启动道次计划再计算功能，对 后续各道次压下制度重新进行计算。这一阶段中在厚度控制的技术方面的开发，也产生了相当多的成果。许多板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动厚度控制器；如 GM-AGC(Gauge MeterAGC,监控 AGC161,张力 AGCtl71,前馈 AGC1 钔，反馈 AGC 等。可根据工艺需要,选择其中几种组合形成某种轧机的 AGC 系统,以满足板带厚度控制之用。为了提高头部厚度控制精度，开发出绝对值 AGC 这种形式的系统以 GM AGC 为基础,采用液压压下,利用各种补偿功能和绝对值锁定方式，实现绝对值 AGC【l圳。对于冷连轧机还开发了 MF.AGC(Mass.Flow AGC 厚度控制系统，。在冷连轧机 的任意两个机架(单机架亦可中的 MF-AGC,.考虑带材在机架间的运行速度 j将厚度计 TG 实现的带材厚度值延迟至第的出口厚度勺+。：目 +lK+l=忍+1%1,.%。=%(1+彳 .V, + l=咯(f+1(1+ 厶(】式中：日一-入口厚度；。J 办一出口厚度矿入口带材速度；.一出口带材速度；V。轧辊圆周速度；厂一前滑率；f 机架号。.+。第,+1 机架出口的带材厚度希望值 %(M 与上述的 MassFlow 带材厚度巧+。之差通过 PI 控制，反馈至第 i 机架的轧辊位置驱动装置来控制带材厚度。机架间的-10.东北大学硕士学位论文 第 1 章绪论张力借助于张力极限控制，加在第 i+1 的液 压压下之上。新开发的 MF.AGC 可使 厚度精度达到 0.1%以内,是当前 AGC 发展的 一个方向。i+l 机架,根据秒流量定律来计算带材在上个世纪最后的十年，世界轧制技术发展迅速，轧制生产实现了高度的自 动 化、连续化和高精度化201。由于对冷轧薄板质量的要求越来越严，因此计算机 控 制系统己是冷轧不可缺少的组成部分。随着液压控制系统的广泛应用加上全部控制都将作用于轧辊-L 件形成的变形区，因此冷轧自动控制系统需满足下列两 个要 求 j一是高速控制，二是高速通讯。这两个特点决定了控制系统应是快速”分布式计算机控制系统。目前能为冷轧机提供计算机控制系统的仅有为数不多的几家大电气公司。各个企业都加快了薄板生产线改造和建设的步伐。,近年来，为进一步提高冷连轧产品质量，广泛采用成品带材凸度测量仪(沿带宽多点 X 射线源及矩阵 式接收，以获得沿宽度方向的厚度分布和带材激光测速仪【211。激光测速仪的使用为流量 AGC 的发展创造了条件。1.3.2 冷轧机厚度控制方法一按控制方式可把 AGC 分为两类，即前馈式 AGC 和反馈式 AGC221。1前馈式 AGC前馈式 AGC是用测厚仪或前一机架作为厚度计,在带材尚未进入本机架之前 测量其入口厚度日，并与给定厚度值相比较,当有厚度偏差 A 日时，便预先估计出 可能产生的轧出厚度偏差，从而确定为消除此偏差所需要的辊缝调节量 S 然后根 据检测点进入本机架的时间和移动 AS 所需要的时间，提前对本机架 进行厚度控制，使得厚度的检测点正好就是 日的检测点。前馈式 AGC 控制算法:蟠:垒笺 HM式中：(1.2M 一轧机模数；.? r,Q 一轧件塑性系数。.、+2.反馈式 AGC厚度控制与其检测方法密切相关，按厚度的检测方式可把反馈式 AGC 分为以 下几类：1测厚仪式 AGC由射线式测厚仪检测厚度而构成的 AGC 系统称为测厚仪式 AGC 系统,测厚仪 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的现象。因此，这东北大学硕士学位论文第 1 章绪论种基本的测厚仪式 AGC 系统不能作为一种独立的 AGC 系统来运行。但由于 射线式测厚仪可以满足高性能 AGC 对厚度检测精度的需要，所以测厚仪式 AGC 并没 有消失，它被广泛用作监控 AGCo.?2厚度计式 AGC. / .。厚度计式 AGC 简称为 GM-AGC(Gauge Meter-AGC,它把整个轧机作为检测厚度的仪表，直接检测轧制力 F 和空载辊缝瓯.，并通过轧机弹跳方程来间接检测1 出口厚度。GM-AGC 系统是目前应用最广泛的一种 AGC 系统。GM-AGC 系统的控制算法-,.,0. 。笛:丝丝幽一 .(1.3 M式中：乃一出口厚差。对控制辊缝的位置闭环系统(AGC 系统的内环来说,给定调节信号必须设置记忆功能。记忆环节的功能是记忆相对初始调节周期的辊缝调节量变化值就是 AGe 系统实际调节辊缝值。tj3流量 AGC流量久 GC 的基本数学模型是秒体积流量恒定方程，所谓秒体积流量恒定就是单位时间内流入机架入口和流出机架出口的轧件体积相等，由于入口带宽二出口带宽所以：屹.H=K.h (1.4J。J式中:.形一机架入口轧件速度；矿一机架出口轧件速度。式(1.4 即为常用的秒体积流量恒定方程，简称秒流量方程。可见，只要能直接检测机架入口、出口的带材速度和入口的带材厚度，即可间接测得机架出口 .厚度。用这种方法检测带材厚度而构成的 AGC 方式称为流量 AGC。流量AGC 的特点是可准确检测出由入口厚度波动引起的出口厚度变化，进而得到良好的控制效，。果。但对于其它轧件方面的原因（如轧件塑性或硬度引起的出口厚度变化却 不能通过秒流量方程检测”,否则将可能导致系统振荡一因此，.流量 AGC 的应用是有.局限性的，应与其它形式的 AGC 配合使用。比如，可与测厚仪式 AGC 配合 使用，也可与 Smith-AGC 配合使用。.4.Smith-AGC 系统早期的 AGC 系统采用测厚仪直接检测厚度，由于控制与检测之间存在很大的-12.东北大学硕士学位论文第 1 章绪论纯滞后时间，造成系统难以稳定运行，控制效果不能令人满意。Smith-AGC 系统 就是利用测厚仪直接检测厚度，利用 Smith 预估控制策略而实现的一种反馈 AGC 系统。四机架冷连轧机的一架和末架均采用 Smith 预估控制策略，构成各自的Smith-AGC 系统，消除了纯滞后对系统动态性能的影响。133 研究液压 AGC 系统的目的和意义厚度精度是板带的两大质量指标之一，厚度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，其键技术是高精度的厚度控制和板型控制。厚度精度关系到金属的节约、结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，AGC 系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。就轧机设备的改造而言，它主要反应在轧机压下机构的改造上，因为压下机构的运动速度和精度直接影响着带材的纵向厚差和横向厚差，从原始的手动压下到电动压下，进而发展到机械反馈式液压压下以至到今天的电液伺服阀压下装置，它走过了一条漫长而艰苦的道路。以往采用的手动压下和电动压下装置的主要缺点是运动惯性大、调整时间长,?在辊缝调节过程中反应慢、精度低。随着航空技术的发展，液压伺服控制技术日益完善【23】。六十年代以后,在轧机的液压辊缝控制系统中，采用了航空工业使用的反应灵敏、 精度高的电液伺服阀，大大提高了 轧机辊缝的调节速度和精度；使轧机的轧制速度大幅度的提高，轧制板材质量有，了明显的提高，这是轧机设备发展史上的一个重要飞跃。我国厚度控制技术虽然已经应用多年，但是应该看到，由于轧机的压下控制技术综合了众多学科领域的知识，在实际的应用生产上，仍存在着诸多的问题。国内在厚度控制系统的软件开发、检测仪器仪表、液压伺服系统元件的生产水 平、精度上存在差距【24】。即使从国外引进的厚度控制系统，实际使用中也存在 自动控制系统没有完全投入。同时，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的随机变化等几方面的共同影响，使得 AGC 控制系统具有不确定性。因此有必要对轧制过程进行仿真研究，以便了解这些因素对厚度精度影响的规律提出消除或减小该影响的方案。电液伺服位置系统是AGC 的核心技术，.如果这个问题解决不好，就有可能使得调试现场的 PID 控制器整定厨期 较长控.制策略不恰当，非线性因素不易解决，影响厚度精度。因此，为控制方法的更好实现,对电液伺服位置系统作进一步的理论研究，将有助于控制参数的选取，缩短现场调试周期。另一方面，液压伺服系统中的一些非线性环节也影响到厚度 精度，采用传统的 PIE 控制方法对这些非线性的适应是非常有限的，因此有必要引.13-东北大学硕士学位论文第 1 章绪论入先进的控制方法，所以,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，不仅具有相当重要的理论意义，而且对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 j 亦具有积极的意义。o 1.4 模糊智能技术概述;进入 20 世纪 90 年代以来，,首先是在日本，然后是德国，接着在全世界掀起、了一个在轧制过程中应用人工智能的热潮。目前在轧制过程中的各个环节，从生：产计划的编排、坯料的管理、加热中的优化燃烧控制、轧制中的设定计算及厚度、张力和板形控制、轧后冷却以及成品库的管理等等都有人工智能方法成功应用的例子。人工智能已经成为现代化轧机高精度控制的一个非常有效的工具瞄 -29。但在基础自动化方面，由于要求更高的响应速度，因而人工神经元网络和专家系统在该领域较少报道。此时人们把着眼点放在了模糊控制上，模糊理论和模糊控 制在轧制过程中获得了较广泛的应用30-321。1.4.1 模糊控制的提出J模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zadeh 教授在其 Fuzzy Sets,Fuzzy Algorithm 和 A Rationale for Fuzzy Control 等著名论著首先提出的。模糊集合的引入，可将人的判断，思维过程用比较简单的数学形式.14.直接表达出来，从而是使对复杂系统作出合乎实际的，符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模糊控制器的形成奠定了基础。在 1974 年，英国 Queen MarryCollege 的 E.H.Manmdani 教授首先将模糊逻辑应用到蒸汽发动机的压力和速度 控制中，取得了比常规的 PID 控制更好的效果。其控制方法的特点是把人的