（机械电子工程专业论文）基地神经网络超薄快速铸轧过程板形控制系统设计与研究.pdf

t h e d e s i g n a n d s t u d y o f f l a t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n n e u r a l n e t w o r k f o r t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s abs tract t h e t w i n r o l l c o n t i n u o u s c a s t i n g t e c h n o l o g y o f a l u m in u m h a s b e c o m e a m a i n m e t h o d f o r a l u m i n u m s h e e t p r o d u c t s i n t h e a l u m i n u m i n d u s t ry . t h e t h in - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g w i l l b e c o m e a n i m p o r t a n t d i re c t i o n o f d e v e l o p m e n t i n t h e r o l l c a s t i n g t e c h n o l o g y o f a l u m i n u m a l l o y b e c a u s e o f i t s a s e r i e s o f a d v a n t a g e , f o r e x a m p l e h i g h e f fi c i e n c y , h i g h q u a l i t y a n d s h o rt fl o w o f w o r k e t c . f l a t c o n tr o l i s t h e k e y t e c h n o l o g y f o r r e a l i z i n g t h e t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g a n d e n s u r i n g t h e q u a l i t y o f p r o d u c t . i n t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s , fl a t p r o b l e m i s t h e i m p o rt a n t f a c t o r t h a t a f f e c t s t h e q u a l i t y o f p r o d u c t , s o t h e a u t o - fl a t c o n tr o l s y s t e m m u s t b e e q u i p p e d t o c o n tr o l t h e fl a t a n d r e a l i z e t h e t e c h n o l o g y o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g . t h e fl a t c o n tr o l i s a n e w t e c h n o l o g y i n t h e f i e l d o f c u r r e n t r o l l c a s t i n g t e c h n o l o g y . t h e fl a t i s a f f e c t e d b y t h e s e f a c t o r s : fl o w d i s t r i b u t i o n , w h i c h i s a f f e c t e d b y e a c h o t h e r . s o i t i s v e ry d i f f i c u l t t o b u il d i n g t h e c o n tr o l m o d e l . i n t h i s p a p e r , n e u r a l n e t w o r k w a s u s e d f o r t h e fl a t c o n tr o l o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s ; t h e a u t o - fl a t c o n tr o l s y s t e m o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g w a s d e s i g n e d ; a n d t h e fl a t m o n it o r i n g s o ft w a r e w a s e m p o l d e r r e d . t h e m a i n r e s e a r c h a b o u t t h e fl a t c o n t r o l o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s i n t h i s p a p e r a r e a s f o l l o w i n g : 1 .t h e a u t o - fl a t c o n tr o l r u l e w a s c o n c l u d e d , i t b a s e d o n t h e k n o w n c o n c l u s i o n a b o u t t h e m e c h a n i s m o f fl a t i n t h e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s . t h e a u t o - fl a t c o n t r o l s y s t e m o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g w a s d e s i g n e d . 2 . a c c o r d in g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h i n - g a u g e h i g h - s p e e d ro l l c a s t i n g , t h e c o n t ro l m e t h o d b a s e d o n n e u r a l n e t w o r k c o n tr o l w a s b r in g i n g f o r w a r d . a n d t h e n e u r a l n e t w o r k a d a p t e d fl a t c o n tr o l l e r w a s d e s i g n e d . a n d t h e t r a i n m e t h o d w a s r e s e a r c h e d . 3 . t h e fl a t m o n i t o r i n g s y s t e m o f t h in - g a u g e h i g h - s p e e d r o l l c a s t i n g p r o c e s s w a s e m p o l d e r re d ; t h e s t r u c t u re o f fl a t c o n tr o l s o f t w a r e w a s d e s i g n e d ; t h e s o f t w a r e o f fl a t m o n i t o r i n g s y s t e m w as d e s i g n e d . 4 . t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t p r o j e c t o f n e u r a l n e t w o r k c o n tr o l l e r w a s d e s i g n e d a n d t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t w a s p u t i n t o p r a c t i c e b a s e d t h e a c t u a l d a t a o f (d 1 0 0 3 x 1 8 5 0 - r o l l c a s t e r c h e n g d u a l u m i n u m f o i l f a c t o ry衍fl a t c o n tr o l m o d e l k e y w o r d s : r o l l c a s t i n g . f l a t c o n tr o l . n e u r a l 中南大学研究生院硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 1课题来源 本学位论文课题来源于国家计委产业化前期关键技术及成套装备研制与 开发项目“ 铝及铝合金铸轧新技术与设备研制开发”对超常外场条件下铝及 铝合金快速铸轧过程工艺规律认识的需求。( 批准号:计高技【 1 9 9 8 1 9 8 5 ) 1 . 2超薄快速铸轧技术发展与现状 1 . 2 . 1国外超薄快速铸轧技术的研究与发展现状 随着世界经济和科学技术的发展，人们对铝的需求不断增加，铝已成为 仅次于钢铁的第二大金属。而采用将铸造和轧制过程融为一体的双辊连续铸 轧技术，以简单的铸轧形式代替了通常生产铝带坯所需的铸造、锯切、铣面、 加热、热轧等全部工序，简化了生产工艺，因此，具有基建投资少 ( 仅为热 轧的 1 / 5 1 / 1 0 ) 、能耗低 ( 比热轧可节能 1 / 2 1 / 3 ) 、生产周期短 ( 为热轧的 1 / 3左右) 、产品成品率高、自动化程度高、经济效益显著等突出优势，己经 成为国内外铝加工业铝带坯的一种主要生产方法。 双 辊铸轧 方法是1 8 4 6 年由 英国 人亨 利 贝 西默 i l l ( h e n ry b e s s m e r ) 首 先设想出来的，他提出从两旋转辊上方倾倒金属液，从辊下方得到金属铸坯 的方法，由于当时缺乏相应的技术 ( 例如结构材料和过程控制仪表等) 支持， 这种设想未能获得成功。5 0 年代初，美国亨特一道格拉斯 ( h u n t e r - d o u g l a s ) 公司首先研制出倾斜式双辊铝带材连铸轧机并投入了生产运行，随后，法国 彼希涅( p e c h i n e y ) 公司研制的3 c水平式双辊铸轧机也获得成功， 至此以后， 铝带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅速的发展。据 f r i s h c h k n e c h t和 ma i w a l d统计，目 前世界上约有 2 0 %的铝轧材的坯料由双辊连铸轧法生产， 大约有 1 7 0 多台双辊连铸轧机分布在世界各地，其中约6 0 %集中在北美和欧 * i 。 第 i页 中南大学研究生院硕士学位论文 8 0 年代以前，铸轧技术都停留在常规型铸轧技术的研发上，铸轧辊直径 为( ll 6 0 0 -7 0 0 m m，铸轧带坯厚度7 m m左右，铸轧速度小于 1 . 5 m / m i n 。但由 于常规型连续铸轧机的生产速度远低于理论上预期的速度，月 . 铸轧合金品种 受到限制，从 8 0 年代开始，国外许多厂家和科研机构开始着手研究开发超薄 规格的铝带坯快速连续铸轧机，相继推出了一批超薄快速连续铸轧机。8 0年 代末期研制出了铸轧辊直 径可达 l 0 0 0 m m，铸轧带坯厚度 5 -1 2 m m，铸轧速 度 3 m / m i n左右的超薄型快速铸轧机，铸轧合金已由纯铝扩大到3 0 0 0系列、 5 0 0 0 序列软合金。9 0 年代初以来， 世界各国各大公司都争相投入巨资和人力 开发超薄快速铸轧技术2 - 6 1 ， 主要有意大利的法塔一亨特 ( f a t a - h u n t e r ) 公司、 法国的彼希涅 ( p e c h i n e y )公司、欧洲克瓦纳金属公司 ( 原戴维d a v y 国际公 司)以及挪威的海德洛 ( h y d r o )公司， 经过几年的努力， 均取得了很大的发 展。在完成小型试验之后，都相继设计、制造出铸轧带坯厚度为 1 - 6 m m、铸 轧速度为 1 0 - 2 0 m / m i n 的新型超薄快速铸轧工业样机， 进入工业试验阶段。由 于各国 ( 美国、英国、法国、加拿大、挪威、澳大利亚)对超薄快速铸轧技 术的研究均处于工业试验阶段，试验条件 ( 装备参数、功能、工艺环境条件 等)各不相同，所得结果也有差别，甚至相反，如:f a t a - h u n t e r的试验与 h y d r o - l a u e n e r 公司的试验， 对超薄快速铸轧的 组织与性能的认识与结果几乎 完全相反;在超薄快速铸轧的铸轧机机型选择上也存在不同的主张:如 f a t a - h u n t e r 采用二辊铸轧机型，戴维国际公司则采用四辊铸轧机型，同时各 试验铸轧机的工艺环境条件、设备参数和工艺参数及其范围的确定 ( 力能参 数、辊径、有无外部冷却、铸轧区长度大小、铸咀开口 度大小等)也不一致。 在主 要技术规律上尚 未形成共识。 表1 列出了f a t a - h u n t e r 公司、 p e c h i n e y 公 司、d a v y 公司、h y d r o 公司的超薄快速铸轧设备技术参数。 1 . 2 . 2中国铝带坯双辊式连续铸轧技术的发展与现状8 . 1 5 1 中国铝带坯连续铸轧技术的研究开发工作， 是从6 0 年代初在东北轻合金 加工厂开始的7 1 , 1 9 6 4 年 l 月进行了双辊下注式铸轧模拟试验， 4 月1 5 日 开 始工业性生产，1 9 6 5 年生产出宽 7 0 0 m m的铝带坯。1 9 7 8 年，连续铸轧技术、 设备和一部分研究人员转入冶金工业部加工试验厂即现在的华北铝业有限公 司的前身，开始研制双辊倾斜式铸轧机。1 9 7 9 年 7 月研制成(d 6 5 0 x 1 3 0 0 m m 第 2 贞 中南大学研究生院硕士学位论文 表 1世界各大公司超薄快速铸轧设备技术参数一览表 f a t a h u n t e rp e c h i n e y d a v yh y d r o 辊径中1 1 1 8 m n 中1 1 5 0 m m0 6 0 0 / 9 5 0 m m 中5 4 0 m m 辊面宽 2 1 8 4 m m2 0 2 0 m m2 0 0 0 m m 8 0 0 m m 带厚1 . 5 - 6 . 3 m m 1 一 i o m m 1 - 6 m m 主电机功率2 x4 0 0 马力 2 x 3 0 0 k w 最大轧制力 3 0 0 0 t2 9 0 0 t 2 2 5 0 t4 0 0 t 熔炉容量 l o t4 4 t4 0 t 静置炉容量 4 5 t 2 9 t 其它配置 . 双转子 s n i f 除气装置 m c f 1 4 筒式过 滤器 x 扫描测厚仪 . 板形控制系统 ( 专利) 惬 控多喷头润 滑装置 双转子 a l p u r 除气装置 电容式测厚仪 ( 两侧) ，x 测 厚仪 ( 中间) 液面控制 ( 专 利) 精 度:士 0 . 5 m m 双转子 s n i f 除气装置 激光液面控 制系统 精度: 士0 . 0 1 4 - 0 . 4 m m 附注 n o r a n d a l 工厂 ( u s a ) r h e n a l u工厂 ( 法国) e u r o f o i l 工厂 ( 卢森堡) 我国第一台亨特式倾斜铸轧机，1 9 8 1 年底研制成。6 5 0 x 1 6 0 0 m 。铸轧机，并 投入试生产。1 9 8 3 年上半年研制成4) 9 8 0 x 1 6 0 0 m m 铸轧机，并于 1 9 8 3 年8 月 通过冶金工业部的技术鉴定， 标志着我国常规型铸轧技术进入成熟阶段。 1 9 8 4 年7 月1 6日中日合资琢神有色金属加工专用设备有限公司成立， 铸轧机转由 该公司设计、制造与研究开发。琢神公司从此成为中国双辊式铸轧机的制造 基地，1 9 9 1 年研制出了中国第一台垂直平注式双辊铸轧机。1 9 9 5 年为华北铝 业有限公司提供了中国首台(d 9 6 0 x 1 5 5 0 m 。 超型垂直平注式双辊铸轧机， 其某 些性能达到或超过国际先进同类型铸轧机水平。 渤海铝业有限公司于 1 9 9 1 年 自 制了1 台超型$ 9 8 0 x 2 0 0 0 m m 双辊铸轧机。 洛阳有色金属加工设计研究院在 8 0 年代中期以后设计出了系列双辊式铸轧机。至此国产铸轧机发展成为具有 标准型和超型这两种机型，而且铸轧机逐步实现标准化、系列化。 1 9 9 8 年以前，中国超薄快速铸轧技术还一直处于研制的前期准备工作阶 段， 就整体水平来看，中国铝带坯双辊式连续铸轧技术与工业发达国家相比， 还存在较大的差距，尤其是在自动化控制技术方面的差距还要大一些。截至 第 3贞 中南大学研究生院硕士学位论文 1 9 9 6 年底，中国共有双辊式连续铸轧机5 0 台， 其中从法塔一亨特公司引进5 台，法国彼希涅公司的3 c 型铸轧机4台，从英国戴维国际公司引进 1 台，设 计总生产能力4 5 5 k t / a ，占供进一步冷轧用带坯的2 9 . 3 .9 %，高于世界平均水 平。中国双辊式连续铸轧带坯的生产能力仅次于美国而居世界第二位。 随着我国微电子、信息、机械、食品、包装、建筑产业的迅速发展，我 国己成为铝材生产及消费大国，如何提高铝材生产率、降低生产成本、提高 铝材质量、扩大铝材使用范围已经成为迫在眉睫的问题。而超薄快速铸轧的 冷却速度远高于现有的常规铸轧，铸坯结晶组织的晶粒度和枝晶间距将明显 减少，溶质元素在固熔体中的过饱和度提高，因此板带的深冲性能和机械性 能得到改善，可生产出具有优良冶金组织和表面质量的优质板带材。同时， 可铸轧合金范围也可拓展 ( 如 3 0 0 0系列等铝合金) ，可使铸轧产品的应用市 场范围扩大。例如:食品包装，计算机硬盘的铝质基板，高层建筑幕墙板， 高精烟箔，空调箔以及铝罐料等。另外，由于铸轧板厚度减薄后，不仅大大 减轻了对后续工序一冷轧的压力，还节省了铝箔生产的投资和能源，而且提 高了生产效率，增加了产品的市场竞争能力。我国科技界和国际铝加工同行 一样已认识到超薄快速铸轧代表了新一代铝加工发展的重要方向和铝加工技 术的制高点，同时为缩短中国与世界在超薄快速铸轧技术方面的差距，中国 必须尽快加入到这一研究领域中来。以中国工程院院士钟掘同志为首席科学 家的 “ 铝及铝合金铸轧新技术与设备研制开发”项目作为国家计委的重大科 研项目于 1 9 9 9 年初启动， 经过各科研课题组一年多的努力攻关， 于 2 0 0 0 年 7 月在试验铸轧机上成功地铸轧出了铸轧速度 1 3 . 2 m / m i n 、 厚度 2 m m 的铸坯， 并 开发了铜基合金新型辊套材料、具有在线布流调控技术的新型铸咀、新型复 合外冷润滑技术等一系列相关的新技术、新装置、新材料，这些都标志着我 国在超薄快速铸轧技术领域已经达到世界先进水平，某些技术方面己经处于 世界领先水平。 1 . 3板形控制技术 随着工业用户和生产者对带材板形质量的要求越来越严格以及控制理论 的不断发展，板形控制技术得到了很大的发展，新型的板形控制技术不断问 第 4页 中南大学研究生院硕士学位论文 世! i 6 - 2 8 j 。从轧机结构设计方面来讲，其技术主要有弯辊技术，倾斜辊技术、 c v c技术、h c , d s r技术、冷却液喷射技术等，从控制方法来说，从传统 的控制方法，如 p i d控制、自适应控制等到智能控制，如模糊控制、神经网 络控制都在板形控制系统中得到了好的应用。目前，在板形控制方面具有代 表性的技术就是d s r技术、 轧辊分段冷却模糊控制和森吉米尔轧机板形模糊 控制系统。与传统的各种板形控制技术相比，d s r技术以其独特的设计思想 和机械构造使得其在板形控制方面体现出了突破性的革新。d s r技术的板形 控制机构包括七个压块，这七个压块的压力可 以独立调节。通过七个压块的 配合调节，组合成各种复杂的调节方式，可以调节非对称的板形缺陷和局部 板形缺陷，达到传统板形控制技术难以达到的调节效果。轧辊分段冷却模糊 控制技术则在常规板形控制技术的基础上， 根据板形偏差的变化及变化趋势、 板宽方向上的局部突出等，按照模糊控制规则来进行冷却液分段模糊控制， 达到调节局部板形缺陷的目的。森吉米尔轧机运用神经网络和模糊控制技术 来建立板形控制系统，板形检测信号由神经网络实现板形识别，分解为几种 基准波形，并给出基准波形的隶属度，然后模糊控制部分依据模糊规则进行 推理， 给出各执行机构的操作量。 其控制系统如图 1 . 1 所示。以上的几种技术 都己 经得到实际应用，效果良好1 2 8 1 板形分解 图1 . 1 森吉米尔轧机板形控制简图 铸轧板形质量的好坏将直接影响到后续工序的加工及产品的质量、生产 率等多方面的问题，而板形又受到铸轧辊原始凸度、铸轧速度、铸轧力、金 属热变形、布流、外冷等大量非线性因素的影响，因此，铸轧板形控制也就 成为铸轧过程中非常关键的技术难题之一。在常规铸轧过程中，由于铸轧速 度慢、铸轧带坯厚、金属结晶速度慢等原因，板形问题基本上不存在，所以， 国内外的常规型连续铸轧机上都没有配备专门的板形控制系统。超薄快速铸 轧带坯厚度从 7 -8 二 减少到 2 3 m m ，已进入当代轧制技术中热带轧制的极 限， 铸轧速度从 l m / m i n 左右增加到 1 5 m / m i n以上，大大突破了原有工艺规程 第 5页 中 南大学研究生院硕士 学位论文 的适应范围，形成了全新的工艺规律，对产品表面质量、组织性能、板形、 厚差等提出了更高要求，金属结晶、再结晶规律及产品缺陷的形成机制也与 常规铸轧有很大区别，因此板形问题也就变得比较突出，例如，士6 0 u 的厚 差对常规铸轧厚度为 6 m m的带坯而言，其相对厚差为土1 % ，为优良指标，但 对铸轧厚度为 2 m m的铸轧带坯而言，相对厚差已达士3 % ，这是难以接受的， 必须采取相应的控制手段对铸轧板形进行控制，保证后续工序顺利进行。在 铸轧板形的控制技术及装置上，国外的各大公司经过几年的研究与开发，取 得了一定的进展。 f a t a - h u n t e r 公司的板形控制系统己经申请了专利。 该公司 的板形控制系统主要采用了以下技术:用平衡 ( 弯辊)缸微调力辊型;铸轧 辊内部水冷控制 ( 开环控制，目前尚未有闭环控制) ;设计用 2 %的原始辊凸 度。其控制系统简图如图 1 . 2所示。另外，为获得良好板形，综合各公司在 超薄快速铸轧机上的一些先进新技术，不难看出以下的一些共同点: 1 .轧制力足够大，按 1 . 2 5- 1 . 3 5 t / m m 选择。 2 .有动态可调的液压压上 ( 压下)系统以保证板带厚度和板形可以调节 控制。 3 .有高精度铸咀装置的上下、前后定位系统。 4 .有好的非接触式液面自动控制系统， 液面控制精度在士0 . 5 m m 范围内。 5 .高精度的板形检测装置。 6 .稳定可调的铸轧辊冷却系统，包括辊内部冷却系统。 铸轧辊内部水冷系统 p l c 压上缸 平衡缸 x扫描测厚仪f a t a - h u n t e r 超薄快速铸轧机 图1 .2 f a t a - h u n t e r 超薄快速铸轧板形控制系统简图 以中国工程院院士钟掘同志为首席科学家的项目 攻关组，在超薄快速铸 轧板形机理方面己经取得了大的进展，对影响板形的因素，如铸轧力、铸轧 速度，铸轧辊温度场、金属流场等都已取得了一些具有实际意义的结论。 第 6 l : 中南大学研究生院硕士学位论文 1 . 4智能控制理论 1 . 4 . 1传统控制理论的发展与挑战 每一门科学技术的诞生都离不开当时的社会需求，控制理论及其在工程 中的应用也是这样。从离心机构，火炮控制，工业过程到航空、航天事业的 发展，直到社会、经济系统的控制与决策，所面临的对象不断复杂。自1 9 4 8 年美国科学家维纳奠基性著作 控制论发表至今半个世纪以来，在控制对 象不断复杂化的推动下，伴随着科学技术的迅速发展，控制理论也获得了巨 大的发展(2 9 1 ，从经典控制理论发展到现代控制理论，从线性系统理论发展到 非线性系统理论，它们当中的许多控制方法，如反馈控制、最优控制、自适 应控制等在理论上和工程上都解决了当时的大量问题。 传统控制理论 ( 包括经典控制理论和现代控制理论)解决问题的基本思 路可以概括为三步:首先建立被控对象的数学模型:再根据数学模型进行分 析:最后根据数学模型和分析结果来设计出合适的控制器。传统控制理论至 今仍有很多问题尚未解决，例如: i .系统尚没有通用的分析设计方法。 2 .相当多的被控制对象尚不能用机理分析或系统辨识的方法获得足够 精确的数学模型。 3 . 自 适应控制理论和方法对于线性定常未知或慢时变系统比较成熟， 对 于非线性系统尚缺乏通用的自适应控制理论和方法。 而现代被控对象和过程大多具有高度的复杂性 ( 复杂非线性、时变性、 多变量、多参数间的强祸合、较大的随机干扰、过程机理的复杂性等) 、测量 数据的误差和滞后性、结构与系统动力学特性的不确定性等，而月 . 控制性能 的要求也越来越严格，使得基于精确数学模型的传统控制理论受到了极大的 挑战，为了解决以上列举的复杂控制问题，以仿人智能决策为核心、具有智 能信息处理、智能反馈和智能控制决策能力的智能控制应运而生，即将传统 控制理论和人工智能相结合，模仿人的智能来研究解决复杂控制问题。而且 智能控制的研究和应用很快得到了各国的高度重视，在世界范围内迅速发展 起来。1 9 8 5年，i e e e在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。1 9 8 7 年，i e e e又在美国费城召开了智能控制国际会议。此后，几乎每年都有智能 第 7页 中南大学研究生院硕士学位论文 控制的学术会议在世界各地举行。目前智能控制理论体系尚未建立，但模糊 控制、专家系统、遗传算法、人工神经网络控制、己成为公认的智能控制方 法，并己取得了很多成功的应用( 3 0 1 . 4 . 2 专家控制 智能控制本质上是基于知识的控制，因此，智能控制系统是属于知识基 系统。专家系统是知识系统的一种主要形式。专家系统是一个具有大量专门 知识与经验的程序系统，它以人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供 的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟人类专家做决策的过程来解决 那些需要专家决定的复杂问题。简单的说，专家系统是一种计算机程序，它 能以专家的水平 ( 有时超过专家)完成专门的而一般又是困难的专业任务。 一般专家系统由知识库、数据库、推理机、解释部分和知识获取五个部 分组成，其中最重要的问题是知识的表示与推理。将专家系统的理论和技术 同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系 统控制称为专家控制，把基于专家控制的原理所设计的系统或控制器，分别 称为专家控制系统或专家控制器。 与传统控制相比，专家控制有以下的一些优点: 1 .可靠性及长期运行的连续性。 2 .在线控制的实时性。 3 优良的控制性能及抗干扰性。 4 .使用的灵活性及维护的方便性。 专家控制的缺点就是专家控制性能的好坏，很大程度上取决于知识获取 及表示的准确程度。 1 . 4 . 3模糊控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一 种计算机数字控制。在工业过程中，经常会遇到这样一些问题，就是对于具 有非线性、强祸合等特点的复杂过程， 很难对其进行精确的自动控制， 然而， 有经验的操作人员进行手动控制，却可以收到令人满意的效果。在这样的事 实面前，人们又重新研究和考虑人的控制行为有什么特点，能否对于无法构 第 8页 中南大学研究生院硕士学位论文 造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。于是总结人 的控制行为，把人的手动控制决策用语言加以描速，总结成一系列的条件语 句，即控制规则。在描速控制规则的条件语句中的一些词，如 “ 正大” 、 “ 正 小” 、 “ 负大” 、“ 负小”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描速这些 模糊条件语句，即组成了模糊控制器。1 9 7 4年英国马丹尼首先设计了模糊控 制器，并用于锅炉和蒸气机的控制，取得了成功。模糊语言控制器、模糊控 制论、模糊自动控制等概念，就从此开始诞生了。运用计算机的程序来实现 控制规则，计算机就起到了模糊控制器的作用。于是，就可以利用计算机取 代人的手动控制来对被控对象实现模糊 自动控制。 模糊控制系统能将人的定性思维和判断、决策方法定量化，因而在控制、 决策时除了能利用可直接测量的信息外，还能有效利用人类的经验知识，与 传统控制方法相比，它具有如下优点: i .使用语言方法， 不需要建立被控过程的数学模型， 因此可以对难以获 取精确数学模型的复杂工业过程实施有效的控制。 2 .对于具有一定经验的现场生产技术人员， 使用模糊规则描述的控制规 则与决策方法易于掌握。 3 .操作人员易通过自然语言实现人机通讯，有效地加入到过程控制环 节。 4 . 系统具有较强的鲁棒性和 自适应性。 1 . 4 . 4人工神经网络控制 现代的计算机有很强的计算和信息处理能力，但是它解决像模式识别、 感知、评判和决策等复杂问题的能力却远不如人，特别是它只能按人事先编 好的程序机械地执行，缺乏向环境学习、适应环境的能力。1 9 4 3 年，心理学 家w. s . mc c u l l o c h 和数学家w. p i t t s 提出了最早的神经元模型 ( m-p模型) ， 开创了 人工神经网络理论研究的时代 2 9 ,3 1 1 ， 以下简称神经网络。 随着脑科学、 神经科学、 v l s i 技术和光电技术的不断发展，以及具有并行和分布机制的神 经网络本身的研究成果的进步，使神经网络理论与应用研究获得迅速发展， 新模型、新理论不断涌现。基于神经网络的控制称为神经网络控制。神经网 络对于 自动控制有许多吸引力的特点，主要表现在: 第 9页 中南大学研究生院硕士学位论文 i .能以任意精度逼进任意连续非线性函数。 2 .对复杂不确定性问题具有 自适应和自学习能力。 3 它的信息处理的并行机制可以解决控制系统中大规模实时计算的问 题，而且并行机制中的冗余性可以使控制系统具有很强的容错能力。 4 它具有很强的信息综合能力，能同时处理定量和定性的信息， 很好地 协调多种输入信息的关系。 5 .神经计算可以解决许多自动控制计算问题， 如优化计算和矩阵代数计 算等。 6 .便于用 v l s i 或光学集成系统实现或用现有计算机技术虚拟实现。 由于神经网络具有许多优异特性，所以决定了它在控制系统中应用的多 样性和灵活性，神经网络的应用己渗透到自动控制领域的各个方面，包括系 统辨识、系统控制、优化计算以及控制系统的故障诊断与容错控制等。 1 . 5课题研究的意义和目的 铝材性能优秀，是目前唯一能够全部回收和再生的金属材料，且不产生 二次冶炼污染和能耗，其应用领域正迅速扩展。我国是铝材消费大国，铝材 的潜在市场很大。超薄快速铸轧技术以其投入少，经济效益显著等一系列优 点将成为新一代铝加工发展的重要方向。由于各大公司对超薄快速铸轧技术 的研究均处于工业试验阶段，对在超薄快速铸轧条件下，影响板形的主要因 素以及板形缺陷规律等技术规律还没有共同的认识，并且到目前为止，各大 公司都还没有研制出把液压调节系统、冷却系统、以及布流控制系统联系在 一起的全局板形控制系统。如果能够配备先进的板形全局控制系统，实现超 薄快速铸轧， 将可以使铸轧机的效率提高2 -3 倍， 使昂贵的冷轧机得以解放， 冷轧效率亦可提高 5 0 %，带来巨大的经济效益和强大的市场竞争力。所以本 文选择超薄快速铸轧板形控制系统作为研究课题，有重要的学术意义和工程 意义。 为此，本文研究的主要目的，就是分析并找出在超薄快速铸轧过程中影响板 形的主要因素，研究探讨适合铝及铝合金快速铸轧过程板形的控制方法，建立控 制模型，并编制板形控制软件，进行实验仿真研究，以期能够获得超薄快速铸轧 第 1 0 页 中南大学研究生院硕士学位论文 过程中板形控制的一些规律。 研制并提供能用于超薄快速铸轧生产的板形自 动控 制系统，为进一步研究和提高我国超薄快速铸轧技术奠定基础。 1 . 6课题研究的内容和结构 本论文将对超薄快速铸轧板形控制系统做以下研究: 第一章:文献综述。在分析国内外超薄快速铸轧技术及板形控制技术的 基础上，提出本文研究的目的。 第二章:超薄快速铸轧板形控制系统。根据超薄快速铸轧特点，结合控 制理论，设计超薄快速铸轧板形控制系统。 第三章:板形控制系统神经网络控制器。阐述神经网络控制原理，设计 神经网络控制模型。 第四章:超薄快速铸轧板形监控系统开发。神经网络上位机板形监控系 统软件结构设计与软件开发。 第五章:板形控制系统仿真与现场实验。设计实验方案，在线仿真，优 化神经网络结构。 第六章:全文总结。 第 i t贞 中南大学研究生院硕士学位论文 第二章 超薄快速铸轧板形控制系统 圣 2 . 1板形控制基本概念 2 1 1板形、板形缺陷 取一定长度的板材自 然地放到一个平面上，常常可以观察到板材的翘曲。 翘曲有各种形式，波浪形或者局部凸凹等。所谓板形，直观说来，就是指板 材的翘曲程度;就其实质而言，是指板材内部残余应力的的分布。只要板材 中存在残余的内应力，就称为板形不良或是存在板形缺陷。根据板材内部残 余应力的的分布规律和翘曲情况， 可以将板形缺陷分为不同的类型， 如图z . 1 所示。 o b ( 日 、 o b ( b 、 o b ( e 、 o b i d 、 图 2 . 1标准板形缺陷 ( a ) 一 左边浪; ( b ) 一 右 边浪; ( c ) 一 中浪: ( d ) 一 双边浪; ( e ) - m浪: m- w浪: 2板形的表示方法 定量地表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题 和实现板形自动控制的前提条件。因此，人们依据各 自不同的研究角度及不 同的板形控制思想，采取不同的方式定量地描述板形。现就主要的表示方法 介绍如下: 第 1 2页 中南大学研究生院硕士学位论文 1 .相对长度差表示法 将带材裁成若干纵条并铺平，取横向上不同点的轧后长度，4 l 是其它点 相对基准点的轧后长度差。相对长度差也称为板形指数p , p -叫l 。取横向 上最长和最短纵条之间的相对长度差作为板形单位，称为 工 单位，一个 工 单 位 相 当 于 相 对 长 度 差 为 1 0 。 所 以 板 形 s t 为 : 又 一 1 0 5谬 一 乙 ( 2一 1 ) 铝材的典型板形公差如表 2 . 1 e 表 2 . 1 铝材的典型板形公差 产品板形，工 单位 轧制产品 矫直产品 拉伸矫直产品 1 0 0 2 5 1 0 2 .波形表示法 以带材翘曲波形来表示板形，称之为翘曲度。这种方法直观、易于测量， 所以许多工作者都采用这种方法表示板形。 3 .带材断面形状的多项式表示法 任何一个给定的断面形状， 都能够以 式( 2 -2 ) 的多项式来逼进， 式中凡一 耘是表示断面特征，即板形特征的系数，x 是宽度方向 上任意一点的值。 j (x ) = 拓 + a iy + 七 x 2 + 七 x 3 + 14 x 4( 2 一2 ) 此外，还有矢量法、残余应力表示法等表示板形的方法。 3板凸度 与板形这一概念相关的另一个重要概念是板凸度 ( c r o w n ) 板中心处厚度与边部代表点处厚度之差，即带材横向厚度偏差 板凸度即为 它表示为: c h = h e 一 h e l ( 2一 3) 第 1 3页 中南大学研究生院硕士学位论文 带材厚度和板形 比例凸度的概念 板凸度都有密切的关系，为了将这个因素考虑进去，引入 比 例凸 度 .p 表 示为 板凸 度 .h 与板带 平均厚 度h 之比 ， 即 c p =c h / h ( 2 一 4 ) 4板带横向厚差与板形的关系 板带横向厚差与板形是两个不同的概念，但是它们却有密切的关系，带 材的板形很大程度上倚赖于带材的出口厚度分布，因此，大多数的板形自动 控制系统常采用带材出口横向厚度控制的手段。 设板带横向厚差c 与板形指数p 的关系式为; p= a c( 2 一y ) 式中a为形状变化系数。设某带坯上有a, b两条相邻纵向金属纤维，其原 始尺寸均为w , x h . x 1 0( 宽度x厚度x长度) ，经过轧制后，a纤维尺寸变为 wx h , x 几 ，b 纤维尺寸变为， b x h b x 心 ，根据体积不变定理，有 w , x h x 1=w a x h b x 1 b( 2 一6 ) 经过整理可以得到: 1b - 鱼= w u x h a 一 1 ( 2 一 7 ) 1 a w b x 朽 显然式 ( 2 -7 )的左侧正是板形指数p 的定义，右侧是与横向厚差和宽度方 问变化有关的表达式， 而在实际生产中，宽度方向上的变化是很难测量到的， 只能根据经验确定，把宽度方向上的变化视为常量，只要合理选择该值的大 小，式 ( 2 -7 )就成为板形指数与横向厚差的关系式。 5板形自 动控制 板形自动控制 ( a f c )的目的是获得期望的板形或者不超过要求的板形 偏差，为了保证 良好的板形，从理论的角度，板形 自动控制的概念分为三个 方面: 1 .机械方面，比如工作辊、压上调节缸等。 2 .检测方面，板形测量仪，板形测厚仪等。 3 .控制方面， 依据轧制条件和测量信号确定合理的a f c调整量， 并发指 令，实现a f c控制，例如，轧辊挠度控制、轧辊热凸度控制等。 第 1 4贞 中南大学研究生院硕士学位论文 2 . 2影响板形因素分析 超薄快速铸轧条件下，影响板形的因素纵多，结合该项目课题组的理论 研究以及实际试验研究3 5 - 3 9 ，对影响板形的因素得出以 下主要结论: 1轧制力及轧制速度对板形的影响 影响轧制力分布的主要原因是轧制区长度的变化，而轧制区长度的变化 直接影响轧制力，轧制力分布的变化又直接影响轧辊的辊凸度，辊凸度直接 影响横向板形。辊凸度与轧制速度呈单调递减关系。即当轧制速度较大时， 板边部与中部的变形量趋于一致，有产生中波的趋势;当轧制速度较小时， 板边部与中部的变形量差异加大，有产生边波的趋势。产生好的横向板形的 车 l 制速度处于两种情况之间。因此，选择适当的轧制速度可以得到好的横向 板形。 另外，由于辊挠度不仅是辊身长度的函数，而月 _ 也是轧制速度的函数， 即y 二 a- , v ) ，. . 呈单调递减关系，当速度v 增加时，y 减少，压下量增加; 反之，y 增加，压下量也减少。当发生较长时间的轧制速度波动时，由于压 下量也将发生较大的波动，因而将引起纵向板形变坏。由此可见，控制轧制 速度的波动是抑制纵向板形变坏的主要手段。 2铸轧辊温度场和热变形对板形的影响 铸轧过程中铸轧辊的温度分布和热变形直接影响着承载辊缝的形状，从 而影响着铸轧板形质量。在同一种铸轧条件下，辊身方向的温度分布和变形 分布对称于中轴面，在中间温度最高，变形最大，两边缓慢降低:在铸轧板 宽范围内，温度和变形平稳;在板宽边缘，温度和变形急剧下降:靠近辊的 两端温度接近室温，变形甚小。提高轧制速度，铸轧区轧辊的外表面温度可 以降低近 1 0 0 0c ，且辊的温度和变形沿周向趋于均匀。因此，高的铸轧速度， 有利于获得好的板形。 采用局部外冷措施可以显著降低铸轧辊外冷区的表面温度，当转速较慢 时远离外冷区铸轧辊表面温度趋于平稳。但因铸轧区及出口附近内部温度仍 然较高，热变形降低不明显。在快速铸轧时，非外冷区铸轧辊表面温度来不 及恢复，温度沿辊身方向变化不平稳，热变形降低亦不明显。可见，局部外 第 1 5贞 中南大学研究生院硕士学位论文 冷措施对于稳定轧制时板形的调节效果不明显，而对于消除板形局部缺陷和 高次复合板形缺陷有一定的调节作用。 降低铸轧辊热变形以及获得有利于良好板形的有效措施应该是设计合理 的辊内部冷却结构和内部水冷系统。 3铸咀口铝液速度分布和温度分布对板形的影响 铸咀为铸轧区提供板宽方向上均匀、稳定、连续的铝液是实现超薄快速 铸轧顺利进行的先决条件，铸咀口铝液速度分布和温度分布将直接影响铸轧 辊的温度分布和热变形，进而影响板形质量。长期的生产实践表明铸轧机铸 咀口铝液速度分布和温度分布的均匀性对于铸轧板形质量有很大的影响，尤 其在超薄快速铸轧条件下，由于铸轧辊辊缝减小，速度提高，铸咀中铝熔体 的流动状态更加复杂，流动阻力、流速分布均会发生很大的变化，铝熔体流 动的热损失也会相应变化，导致铝液温度分布也会发生很大变化。从而使铸 咀口铝液速度分布和温度分布对板形的影响更加明显。因此，如何解决铸咀 型腔的布流问题以获得均匀的出口速度、出口温度以及在线的实时布流调节 系统是实现超薄快速铸轧，获得高质量铸坯的关键。 2 . 3超薄快速铸轧板形自动控制系统 超薄快速铸轧的带坯厚度为2 - 3 m m ，己进