（控制理论与控制工程专业论文）热轧精整纵切线卷取段控制系统的研究.pdf

：t 、t 、一1 ，o ， at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g l f f l i j l l ll u lj i r l j r f lrfl l l fjffipl y 17 16 5 5 5 r e s e a r c ho nt h ec o i l i n gs e c t i o nc o n t r o lo fh o t r o l l i n gs l i t t e rl i n e b y c h e nc h u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n g c h a o l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 o-il， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 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，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：眵犯1 7 1 。 日 期：山好6 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。本人同意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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：际 签字日期：山暗7 占 导师签名： 签字日期： d o - 少 东北大学硕士学位论文 摘要 热轧精整纵切线卷取段控制系统的研究 摘要 现代热轧精整纵切线的生产绝大数采用连续化成卷生产，带钢卷取是热轧精整纵切 工艺的最后一道工序，由卷取段来完成。卷取段卷取机是热轧精整纵切线上必不可少的 设备，而卷取机的张力控制又是生产线中极其重要的一环，张力控制性能指标的优劣将 直接影响成品的最终质量和生产线的生产效率。 本文以国内某钢铁公司热轧精整纵切线数字化改造项目为依托，具体针对卷取段 卷取机张力控制展开研究。 首先，本文简要介绍了热轧精整纵切生产线，包括：机组设备的组成、生产线工 艺流程、生产工艺模式、生产线张力分配、系统硬件配置等。分析与研究了卷取机的 张力控制原理，重点研究了卷取机的张力控制实现方式和惯性力矩补偿计算，比较几 种张力实现方式基础上，采用了一种间接直接复合张力控制方式。 其次，研究了卷取机的卷绕特性、动态张力模型，建立了卷取机张力控制系统数 学模型。针对卷取机张力系统的复杂性、非线性性、时变性的特点，考虑用常规p i d 控制不能获得满意的控制效果。本课题采用模糊自适应p i d 控制作为张力系统的控 制方法，充分利用模糊自适应p i d 控制不依赖于被控对象的精确的数学模型，对调 节对象的参数变化具有较强的鲁棒性的特点。 最后，利用m a t l a b 软件分别对基于模糊自适应p i d 控制算法和常规p i d 控制算 法的张力控制系统进行仿真研究，得出张力系统在不同控制算法下的响应曲线，结果表 明模糊自适应p i d 控制算法能够缩短系统调节时间，减少系统超调量，改善系统的动静 态性能，提高系统的抗干扰能力，增强系统的鲁棒性，适用于张力控制系统。 关键词：卷取机；张力控制；模糊自适应p i d ；参数自调整 一i i r e s e a r c ho nt h ec o i l i n gse c t i o nc o n t r o lo fh o t r o l l i n gs l i t t e rl i n e a b s t r a c t m o s t l y , t h ep r o d u c t i o no fm o d e m h o tr o l l i n gs l i t t e rl i n ea d o p t st h ew a yo fc o i l i n g c o n t i n u o u s l y , s t r i ps t e e lc o i l i n gw h i c hi s r e a l i z e db yc o i l i n gs e c t i o ni st h el a s tw o r k i n g p r o c e d u r eo fh o tr o l l i n gs l i t t e r t h ec o i l e ri nc o i l i n gs e c t o ri st h ei n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t i n h o tr o l l i n gs l i t t e rl i n e ，a n dt h et e n s i o nc o n t r o lo ft h ec o i l e ri so fs i g n i f i c a n c ei nt h ep i p e l i n e ，s o t h ep e r f o r m a n c eo ft e n s i o nc o n t r o lw i l la f f e c tt h ef i n a lq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o na n dt h e e f f i c i e n c yo fp i p e l i n e t h i sp a p e rt a k e sap r o g r a mt od i g i t a l i z et h eh o tr o l l i n gp i p e l i n ei nad o m e s t i cs t e e l c o m p a n ya st h eb a c k g r o u n d ，r e s e a r c h i n gt h et e n s i o nc o n t r o lo f t h ec o i l e ri nt h ec o i l i n gs e c t i o n c o n c r e t e l y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c et h eh o tr o l l i n gs l i t t e rl i n eb f i e f l y ，w h i c hi sc o m p o s e do fs e t c o m p o s i t i o n ，p r o d u c t i o nl i n et e c h n i c a lp r o c e s s ，p r o d u c t i o nc r a f tp a t t e r n , t e n s i o na s s i g n m e n t o fp i p e l i n e ，h a r d w a r ed i s p o s i t i o no fs y s t e ma n ds oo n a n a l y z ea n ds t u d yt h et e n s i o nc o n t r o l p r i n c i p l eo ft h et o i l e r , p u ts t u d ye m p h a s i so nt h er e a l i z a t i o nw a y o fc o i l e rt e n s i o nc o n t r o la n d t h ec o m p e n s a t i o nc o m p u t a t i o no fi n e r t i at o r q u e ，i n t r o d u c e do n ei n d i r e c t - d i r e c tc o m p o u n d t e n s i o nc o n t r o lm o d eb yc o m p a r i n gs e v e r a lw a yo ft e n s i o nr e a l i z a t i o n s e c o n d l y , s t u d yt h ec o i l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft o i l e r , t h ed y n a m i c t e n s i o nm o d e l ，e s t a b l i s h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o i l e rt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i nv i e w o ft h ec o m p l e x i t y , n o n - l i n e a r i t y , t i m e - v a r y i n g o fc o i l e r s y s t e m ，c o n s i d e r e d t h eb a d p e r f o r m a n c eu s i n g c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lc o n t r o l s t h i sp a p e ru s e st h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o la st h e m e t h o dt oc o n t r o lt e n s i o ns y s t e m ，m a k et h eb e s tu s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ff u z z ya d a p t i v e p i dc o n 仃0 1t h a ti td o e sn o tr e l yo nt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，h a st h es t r o n g r o b u s t n e s st op a r a m e t e rc h a n g i n g f i n a l l y , c o n d u c ts i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot e n s i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z ya d a p t i v e p i dc o n t r o l a l g o r i t h ma n dc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mr e s p e c t i v e l yu s i n g t h e m a t l a bs o f t w a r ea n do b t a i nt h er e s p o n s ec u r v eo ft e n s i o ns y s t e mu s i n gd i f f e r e n tc o n t r o l a l g o r i t h m ，t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tf u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nr e d u c et h e s y s t e ma d j u s t m e n tt i m e ，r e d u c et h es y s t e m so v e r s h o o t ，i m p r o v et h eb e h a v i o ro fs y s t e m ， e n h a n c et h ea b i l i t yt or e s i s td i s t u r b a n c e ，b o o s tt h er o b u s t n e s s ，a sar e s u l t ，t h i sa l g o r i t h mi s s u i t a b l ei nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d ：c o i l e r ；t e n s i o nc o n t r o l ；f u z z ya d a p t i v ep i d ；p a r a m e t e rs e l f - r e g u l a t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 一i i i 第1 章绪论1 1 1 卷取工艺特点1 1 2 卷取机张力控制研究现状。l 1 3 张力控制器的改进设计。2 1 4 本课题研究的意义和目的3 1 5 本课题研究的内容4 第2 章纵切线机组设备生产工艺和硬件配置一7 2 1 热轧精整纵切线机组设备7 2 2 热轧精整纵切线生产工艺1 0 2 3 热轧精整纵切线张力分配1 1 2 4 热轧精整纵切线卷取段硬件配置1 2 2 4 16 r a 7 0 系列直流调速装置1 2 2 4 2t 4 0 0 工艺板和s p w 4 2 0 标准软件包1 6 2 4 3 西门子s 7 4 0 0 p l c 19 2 5 本章小结2 0 第3 章张力控制的基本原理2 l 3 1 卷取机张力控制方式简介2 1 3 1 1 直接张力控制方式2 l 3 1 2 间接张力控制方式2 2 3 1 3 复合张力控制方式2 2 3 2 卷取机张力值理论计算2 3 3 3 卷取机间接张力控制实现方法2 4 3 3 1 电流电势复合控制法2 5 3 3 2 最大力矩控制法2 6 3 4 卷取机惯性力矩补偿2 7 3 4 1 钢卷直径变化率2 7 3 4 2 转动惯量变化率2 8 3 4 3 电机转速变化造成的惯性力矩2 9 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 5 卷取机卷径的测量3 0 3 5 1 模拟电路测量法3 0 3 5 2 数字计算法3l 3 6 本章小结3 2 第4 章卷取机张力控制系统建模及分析设计3 3 4 1 卷取机的卷绕特性3 3 4 2 被控对象模型建立3 5 4 2 1 卷取张力动态模型3 5 4 2 2 直流电动机数学模型3 6 4 2 3 晶闸管触发和整流装置模型3 8 4 3 卷取机张力控制系统调节器参数整定3 8 4 3 1 电流调节器参数整定3 8 4 3 2 电流调节器的等效传递函数的近似处理4 1 4 3 3 速度调节器参数整定4 2 4 4 本章小结4 5 第5 章模糊自适应p i d 张力控制器设计及仿真研究4 7 5 1p i d 控制算法简介4 8 5 2 模糊控制的基本思想4 9 5 3 模糊控制系统的组成及基本原理5 0 5 3 1 模糊控制系统的组成一5 0 5 3 2 模糊控制系统的基本原理5 1 5 4 模糊控制器的基本设计方法5 2 5 5 模糊自适应p i d 算法的提出5 6 5 6 模糊自适应p i d 控制器设计5 7 5 7 模糊自适应p i d 在张力系统中的仿真研究6 2 5 7 1 仿真软件m a t l a b 简介6 2 5 7 2 张力仿真及分析6 3 5 8 本章小结6 8 第6 章总结与展望7 1 参考文献7 3 致谢7 7 攻读硕士期间参与的项目7 9 一v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 卷取工艺特点 在二十世纪二十年代早期，人们对卷取技术似乎一直不太关注。直到客户对钢材的 外观质量与表面质量提出要求，且卷取技术作为生产工艺中的最后一道工序直接影响产 品的质量时，卷取技术才纳入工程师们的研究范围。在历史上，由于卷取技术的原因， 曾出现过高达1 0 次品率。为了解决卷取技术中的难题，各个国家都花费了大量的物力、 财力进行技术研究及技术改造。然而，卷取过程中造成次品的原因一般都不能很好解释 ( 人工操作的随机性与次品率有相关性) ，原因就是人们缺少直接检测和分析的手段， 人们唯一能进行的就是对卷取过程中的张力进行分析。经过几十年的知识积累，人们已 总结了最优的卷取策略一卷取工艺的特剧1 1 。 众所周知，一张纸如果没有绷紧，是没有办法卷紧的；如果张力不恰当，纸卷的边 缘将不齐，纸卷有的紧有的松散；张力过大，纸张容易拉断。在冶金行业中，对薄钢板 的卷取，也同样有相同的问题，并且有其特殊性。如果张力过小，钢卷会在自身重量下 松散，钢卷在散开过程中由于相对滑动，会在钢板表面产生划痕，影响钢材的表面质量， 或者由于钢卷的内层松散突出，无法包装；如果张力过大，在钢材卷取过程中，会使钢 卷内卷产生滑动，由于滑动造成表面划痕，影响了钢材表面质量，更重要的是，由于张 力过大，会造成钢卷内部应力过大，致使钢卷的内孔内陷或者整个内层卷突出( 塔形) ， 一旦发生这种情况，就会降低钢卷的等级。为了防止层间滑动，层间的径向作用力乘以 摩擦系数的值应大于张力力矩除以半径所的值，在实际生产中，滑差率( 不产生相对滑 动的最大张力力矩与实际力矩之比) 必须大于1 0 。为了提高钢卷的成材率，应根据不 同的加工工艺( 连轧、平整、酸洗、涂层等) 及被卷取的物料的特性设置相应的张力， 然后，在卷取过程中，保持该张力值恒定。总之，恒张力控制是卷取技术的关键【2 1 。 1 2 卷取机张力控制研究现状 卷取机是带钢生产线的重要辅助设备。卷取机的用途是收集超长带钢，将其卷取成 卷以便于贮存和运输【3 】。卷取机在带材和线材生产中均被广泛应用。带钢生产实践证明： 卷取机的工作状态直接影响着带材和线材的质量，特别是薄板生产线的生产能力的发 挥。因此，对卷取设备及其系统的研究一直受到人们的重视。 在上世纪八十年代以前，卷取张力控制系统一般以模拟器件为主。传统的模拟控制 系统张力精度低、调试难度大、张力波动范围大，这些因素直接影响到带钢产品质量； 又因其硬件成本高，所以花费巨大。 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进入九十年代后，随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、检测技术的发 展，专用张力控制设备( 器件) 有了飞速的发展，张力控制的精确度也得以不断提高。 传统的张力控制主要采用常规的p i d 控制，p i d 控制是基于偏差的比例、积分和微分的集 成式控制方法，具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广，可以改善系统的动态 特性和稳态特性等优点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广泛的 作为控制器应用于张力控制系统中。我们在进行p i d 控制器的参数整定时，一般认为被 控制对象的参数是恒定不变的，即假设系统是一个时不变系统，通过对转动惯量的补偿 和卷径的扰动补偿，实现恒张力控制。其实，我们在进行惯量补偿计算时就知道，随着 带钢被卷绕在卷筒上，卷筒的转动惯量是在不断的增大的。同时由于张力控制系统中的 速度和张力是交叉耦合的，并且是多输入多输出的非线性系统，而采用常规p i d 控制理 论进行张力系统设计，控制器的参数一般是按照卷筒空卷时进行整定的，在实际运行时 调节器参数并不能随着系统的参数改变而改变，对系统模型的精确性依赖较强，所以原 控制器设计的指标往往是达不到的1 4 1 。 由于常规p i d 控制很难获得满意的控制效果，随着人们对产品质量要求的提高，人 们也在不断的寻找新的控制方法，因此有人们提出了自适应p i d 控制的方法。自适应p i d 控制的基本思想是在系统的参数发生变化时能够自动调整控制器的参数，从而适应控制 对象的特性变化，使被控对象的特性达到最优【5 】。现阶段，对张力自适应p i d 控制器的 设计方法主要分为两种，一种是增益自调节p i d 调节器，这一种方法一般都是采取转矩 补偿的思想，经过几十多年的发展，这一种方法已经相当的成熟，并且在实际中也取得 了广泛的应用，如德国西门子公司的张力控制板系列：从p t l 0 ，t 3 0 0 至0 目前最新的t 4 0 0 。 另一种则是模型参考自适应调节器，其基本思想是建立相关的控制模型，从而建立相关 的补偿关系，这种方法在实际应用中也取得了相当的发展。然而从某些方面考虑，这两 种方法都有其一定的局限性。如增益自调节方法的前提是只考虑主要的变化因素卷 筒的转动惯量的变化，而不考虑其他的一些扰动的影响，这些扰动在实际运行中也会带 来不小的误差。模型参考的方法则要求建立相关的参考模型，而实际在张力控制中速度 和张力是交叉耦合的，同时由于各种扰动的存在，建立相关的精确参考模型是非常困难 的，应此这两种单纯的自适应p i d 控制器在实际的应用中都有一定的不足【6 】。 1 3 张力控制器的改进设计 由于张力控制系统中速度和张力是交叉耦合的，并且是多输入多输出的非线性系 统，一般的自适应算法都不能很好的满足其控制要求，又由于被控系统的特殊性，不允 许有大的超调，要有较好的动态与静态稳定性，这样就更加增加了系统设计的难度。 智能控制方法是解决上述问题的有效途径之一，因此我们将目光投向智能控制领 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 域，模糊控制就是其重要的一个分支。模糊控制可以将人的经验、智慧总结提炼成模糊 规则，模仿人的控制经验进行直接推理，具有般控制方法所无法比拟的优点，它是一 种处理不确定性、非线性和其它不适合问题的有力工具，它比较适合于表达那些模糊或 定性的知识，其推理方式比较类似于人的思维模式，不需要被控对象的精确数学模型， 而是基于专家的知识和操作者的经验建立模糊控制模型，通过模糊逻辑推理完成控制决 策过程，最后实现对被控对象的调节控制。以上这些都是模糊控制的显著优点，但是一 般说来模糊系统缺乏自学习和自适应能力，这也是其最大的不足之处，限制了其在高速 动态控制中的应用【7 - 8 l 。 结合实际，针对卷绕系统这个实际模型，它受到很多的干扰因素，需要补偿的变量 也很多，其具体的结构参数不是很清楚，而且本身属于非线性，时变系统。所以需要一 种控制器具有较好的自适应性，能实现控制器参数的自动调整，且具有不依赖对象数学 模型、便于利用经验知识等诸多优点，还需要能克服直流调速系统中不确定因素给系统 性能带来的不利影响。因此，考虑将模糊控制和自适应算法两者结合起来，取长补短， 提出模糊自适应p i d 控制算法【9 】，即人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则条件 和操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息( 如评价指标、初始p i d 参 数) 作为知识存入计算知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况( 即专家系 统的输入条件) ，运用模糊推理，即可自动实现对p i d 参数的最佳调整的算法。 模糊自适应p i d 控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因 素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现p i d 参数b 、k ，、k n 的在线自整定，不 仅保持了常规p i d 控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的 灵活性、适应性、控制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统。 据此，在后续章节中将设计基于模糊自适应p i d 控制算法的张力控制系统。 1 4 本课题研究的意义和目的 由于国内经济高速发展，市场对热轧带钢卷的需求越来越大，但是我国整体机械生 产水平不高，尤其是在控制技术、伺服设备、基础理论方面比较落后，因此热轧精整纵 切生产线工艺与设备方面与世界先进国家相比均有很大的差距。加上西方发达国家多年 来对我国采取的出口技术审批制度，严格限制高档、精密设备和敏感技术对我国的出口， 使我们不能很快的引进、消化、吸收国外最新技术。因此借鉴己有的生产线，独立自主 开发和改造热轧精整纵切生产线关键技术显得尤为迫切。 本课题是根据国内某钢厂热轧精整纵切生产线设备的实际需要提出来的，来源于所 承接的实际大型热轧精整纵切生产线的消化吸收和数字化改造项目。热轧精整纵切生产 线的张力在生产过程中受到一些扰动因素的影响，生产线速度不稳定，影响了产品质量， 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于带钢的抖动，生产线只能工作在低速或限制在一定的速度范围内，所以保持生产过 程中张力在设定范围内稳定是十分必要的。加上由于高产品质量的需要和更高要求生产 厂家的需要，必须开发更好的控制模型和更精确的控制算法使带钢张力在生产过程中保 持在允许的范围内。为了更好的解决运行中存在的问题，特别是在加减速过程中的张力 抖动问题，需要对热轧精整纵切生产线张力机理进行深入分析，建立张力控制系统数学 模型，分析各种形成张力不稳定的可能因素，进行补偿，并引入智能化控制方法，减少 系统张力手动调节步骤，尽可能实现全线运行过程中的恒张力控制。 现有的热轧精整纵切生产线的卷取机在系统控制方式上，大多基于传统p i d 控制， 对于一些早期从国外引进的生产线，大多数的生产线还是采用模拟控制系统。p i d 控制 器作为最早实用化的控制器已有5 0 多年历史，p i d 控制器具有简单易懂，参数较易整 定，在线性非时变系统中工作可靠性强，抗干扰性好，稳态精度高等优点，因而成为应 用最为广泛的工业控制器。它是通过对p i d 控制器参数的离线计算，再将计算后的参数 回传来实现p i d 控制，但是鉴于热轧精整纵切生产线控制系统的复杂性和卷取机直流调 速传动系统中直流电动机的强耦合、非线性、时变等特性，用一套固定的p i d 参数不能 很好地实现对系统的控制，因此在保证控制精度与工艺质量的前提下，尽可能的将智能 控制算法与张力控制方式结合，可提高控制精度，减小张力振荡，实现系统稳定工作。 由于在带钢运转过程中，卷取机上的带钢卷径是在动态改变的，要保证带钢张力恒 定必须在调节转矩给定电流时加入卷径动态补偿部分，还要对带钢加减速过程中电机的 动态转距以及存在的摩擦转距的补偿进行分析。同时，随着不同的板形、厚度、材质的 变化，p i d 控制器的参数也在发生变化，因此，在本设计中引入了智能控制算法模 糊自适应p i d 控制算法【n 1 3 】，并对智能控制算法在m a t l a b 上做了仿真研究，研究结 果对以后此类热轧精整纵切生产线的改造和设计具有一定的使用价值和借鉴意义。 1 5 本课题研究的内容 以前，卷取机的调速控制通常采用直流电机加转速电流双闭环方式，而且早期的设 备调速系统都是模拟系统，通过模拟器件搭建起来的控制系统。虽然可以达到满意的控 制精度，但是系统稳定性较差，近年来由于计算机技术、电力电子技术的不断发展，新 的高性能的直流调速装置的不断涌现，如西门子6 r a 7 0 系列直流调速装置，针对稳定 性不高的模拟调速控制系统，在本课题依托的热轧精整纵切生产线数字化改造项目中， 卷取机的调速控制就采用西门子6 r a 7 0 系列直流调速装置，卷取机张力控制通过西门 子t 4 0 0 工艺模板来实现。 卷取机将带钢卷绕成筒形时，根据产品质量的要求，必须使带钢的张力保持恒定值。 同时由于卷筒卷径是逐步增加的，为了保持卷取张力恒定，也就是卷取的线速度差应保 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 持恒定，需要在卷取过程中改变卷取电机的速度，相应降低卷筒转速，最终要实现速度 和张力的精确控制。 通过上面分析，本设计将以卷取机张力控制系统为主要研究对象，在查阅大量国内 外有关卷取机的文献和与项目相关公司的产品的内部资料的基础上，对热轧精整纵切生 产线卷取机的工作原理及工艺要求进行深入研究，具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 热轧精整纵切线机组生产工艺和设备分析； ( 2 ) 卷取段卷取机卷绕带钢过程分析； ( 3 ) 卷取段卷取机张力控制的基本方式研究； ( 4 ) 卷取段卷取机各种力矩补偿分析及计算； ( 5 ) 卷取段卷取机卷筒上的钢卷动态卷径的测量； ( 6 ) 卷取段卷取机卷绕特性分析及张力动态模型的建立； ( 7 ) 基于模糊自适应p i d 的张力控制系统设计； ( 8 ) 卷取段卷取机张力控制系统仿真研究和分析。 卷取机张力控制系统是一个复杂的系统，鉴于现场工作条件比较恶劣，卷取机及相 关设备体积比较庞大，对其进行实物实验分析的可能性不大，为了验证模糊自适应p i d 张力控制器设计的正确性，采用m a t l a b 软件的相关工具箱对相应的张力模型进行仿 真研究和分析，验证本设计的正确性、可行性。 一5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 第2 章纵切线机组设备生产工艺和硬件配置 2 1 热轧精整纵切线机组设备 热轧精整纵切线机组主要由开卷机、1 # 夹送辊、矫直机、2 群夹送辊、纵剪机、碎边 剪、活套、张力辊组、3 群夹送辊和卷取机等设备组成。机组主要的设备如图2 1 所示。 ，“ 澎 ， 穆：l t ? 毋 矽 爹爹一嬲参筑夕 矿秀纱”穸。，节甲9 5 r 泛穸鼹 霪 爹 t 图2 1 热轧精整纵切机组设备示意图 f i g 2 1d i a g r a mo f h o tr o l l i n gs l i t t e rl i n e 如图2 1 所示，从左至右依次为开卷机、1 撑夹送辊、五辊矫直机、1 存横切剪、2 群夹 送辊、纵剪机、活套、3 拌夹送辊、张力辊组、2 捍横切剪、卷取机引导夹送辊、卷取机。 ( 1 ) 开卷机 开卷机是热轧精整纵切线第一道工序，其作用主要是根据生产工艺的要求，把待处 理的热轧钢卷打开，保持恒线速度把热轧钢卷送到生产线上。 开卷机的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：8 9 7 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 5 2 5 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k w ) ：d c 3 3 0 ( e ) 电机转速( 印m ) ：6 0 0 17 0 0 ( f ) 速比：2 7 2 4 5 4 8 3 ( g ) 辊径( r a m ) - 7 9 0 2 1 5 0 ( h ) 驱动辊数：l ( 2 ) 1 拌夹送辊 夹送辊一般分上下两个，中间有一个辊缝，辊径相等。夹送辊通常包含两个方面的 作用：一方面它牵引着带钢进入卷取机；另方面就是在卷钢过程中，当带钢离开热轧 精整纵切线时，提供一个后张力。 7 一 东北大学硕士学位论文 1 撑夹送辊的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：2 7 7 ( b ) 最大过载电流( a ) ：4 1 5 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k ：d c l 0 0 ( e ) 电机转速( 印m ) ：1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：1 2 7 2 5 4 ( g ) 辊径( i 姗) ：4 0 0 ( h ) 驱动辊数：2 ( 3 ) 五辊矫直机 本热轧精整纵切线矫直机采用五辊形式， 面消除带钢的内应力，提高带钢产品的质量。 五辊矫直机的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：8 0 8 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 2 0 0 ( c ) 额定电压) ：4 0 0 第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 它的主要作用是一方面矫直带钢，另一方 ( d ) 电机及额定功率( k w ) ：d c 3 0 0 ( e ) 电机转速( 唧) ：1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：4 4 7 8 1 ( g ) 辊径( m m ) - 1 8 5 ( h ) 驱动辊数：5 ( 4 ) 2 拌夹送辊 2 样夹送辊的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：8 4 6 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 2 7 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k 聊：d c 3 0 ( e ) 电机转速( 印m ) ：1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：7 9 7 ( g ) 辊径( 蛐n ) ：2 5 0 ( h ) 驱动辊数：2 ( 5 ) 纵切剪 纵切剪的主要作用是根据生产工艺的要求，把带钢剪切、分条。本条生产线最多可 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 以把带钢剪切成六条。 纵切剪的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：9 3 2 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 4 0 0 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k ：d c 3 5 0 ( e ) 电机转速( r p m ) - 1 5 0 0 1 7 5 0 ( f ) 速比：2 2 6 3 4 5 2 6 ( g ) 辊径( i 衄) ：7 1 0 ( h ) 驱动辊数：2 ( 6 ) 横切剪( 碎边剪) 横切剪的主要作用是把带钢两边不对起的部分，多余的部分剪切和处理掉，使生产 出来的钢卷平齐。 横切剪的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：8 4 6 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 2 7 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k w ) ：d c 3 0 ( e ) 电机转速( 啦m ) ：1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：7 9 7 ( g ) 辊径( i m ) ：2 5 0 ( h ) 驱动辊数：2 ( 7 ) 张力辊组 张力辊组的主要作用是一方面平整带钢，另一方面是消除生产出来的带钢的内应 力，使生产出来的产品满足工艺要求。 张力辊组的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：2 9 5 ( b ) 最大过载电流( a ) ：4 4 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k w ) - d c 3 0 ( e ) 电机转速( r p m ) - 1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：7 9 5 ( g ) 辊径( t u r n ) - 2 5 0 9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 ( h ) 驱动辊数：7 ( 8 ) 3 拌夹送辊 3 撑夹送辊的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：1 3 8 ( b ) 最大过载电流( a ) ：2 1 0 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k m ：d c 5 0 ( e ) 电机转速( r p m ) - 1 5 0 0 1 6 5 0 ( f ) 速比：1 1 3 6 ( g ) 辊径( r a m ) - 4 0 0 ( h ) 驱动辊数：2 ( 8 ) 卷取机 卷取机是热轧精整纵切线的最后一道工序，卷取机的作用就是把分卷，重卷好的带 钢卷绕起来，使带钢不松卷，不出现塔型，满足产品的工艺要求。 卷取机的主要数据： ( a ) 额定电流( a ) ：8 9 7 ( b ) 最大过载电流( a ) ：1 5 2 5 ( c ) 额定电压( v ) ：4 0 0 ( d ) 电机及额定功率( k w ) - d c 3 3 0 ( e ) 电机转速( 印m ) ：6 0 0 1 7 0 0 ( f ) 速比：2 7 2 4 5 4 8 3 ( g ) 辊径( 舢m ) ：7 9 0 2 1 5 0 ( h ) 驱动辊数：1 2 2 热轧精整纵切线生产工艺 热轧精整纵切线生产工艺包含纵切分条、分卷、取样、修理重卷四种模式，整个生 产线为连续开卷和卷取。纵切分条模式生产工艺通过活套将机组分为二个工序，前段为 开卷一矫直纵切分条工序，后段为将纵切分条带钢卷取和打包工序。具体如图2 2 所示。 分卷、取样、修理重卷三种模式生产工艺活套在其中不起作用，且纵切剪抬起，如 图2 3 所示。 热轧精整纵切机组按照生产产品规格厚度分为二档速度，其最高速度和最低速度分 别为1 5 0 m m i n 和7 5 m r a i n ，因此开卷机、l 撑夹送辊、矫直机、纵切剪、碎边剪、卷取 一】0 一 东北大学硕士学位论文第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 机等大功率设备均按照二档速比进行控制。小功率的2 j | j 夹送辊、3 群夹送辊及张力辊组按 照一种速比进行控制并无切换功能。热轧精整纵切机组控制采用速度和张力控制模式， 开卷机采用速度控制，卷取机采用张力控制模式，卷取引导夹送辊通过与卷取机之间的 速差实现卷取张力。 歹j 参，卷 争机 # 囝 ，二多彩韶鬈孚嬲彗夕s - ，龟罗芗芗矿罗罗，7 i 荡罗 罗矿罗罗罗畦罗国 澄 、囝擎 尸l 东北大学硕士学位论文第2 章纵切机组设备生产工艺和硬件配置 送 辊 ( a ) 纵切分条模式 开 卷 机 一 口 了 夹 送 辊 娇 直 机 纵 前 月 机 卷 取 机 ( b ) 精整重卷模式 图2 4 机组二种不同生产工艺的设备张力示意图 f i g 2 4t e n s i o nd i a g r a mo ft w ok i n d so fd i f f e r e n te q u i p m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s 2 4 热轧精整纵切线卷取段硬件配置 热轧精整纵切线卷取段包括3 撑夹送辊、张力辊组、卷取引导夹送辊、卷取机等机组 设备，这些设备用到的硬件配置包括：西门子6 r a 7 0 直流调速装置、西门子s 7 4 0 0 p l c 、 西门子张力控制工艺模板t 4 0 0 、西门子现场总线p r o f i b u s d p ；使用的编程和组态软件 包括：西门子s t e p 7 编程软件、西门子w i n c c 6 0 组态软件、西门子张力控制标准软件 包( s p w 4 2 0 ) 。在下面章节中将简要介绍三个硬件设备，卷取段详细的系统配置及 p r o f i b u s d p 通讯网络配置如图2 5 所示。 2 4 16 r a 7 0 系列直流调速装置 西门子6 r a 7 0 全数字式直流调速装置，主回路采用三相桥式反并联电路，励磁回 路为单相半控桥电路。该系统为逻辑无环流可逆方式，可实现频繁的正、反转操作和电 能的逆变换，具有可在四个象限运行的机械待性【1 4 1 。 该装置的控制部分由一个1 6 位微处理器构成，靠微处理器及其软件实现了一个双 闭环调速装置所要求的全部功能，有斜坡函数发生器、速