（机械工程专业论文）4200mm轧机液压agc控制系统研究.pdf

捅要 摘要 1 9 9 5 年英国d a v y 公司将舞钢4 2 0 0 m m 轧机改造成液压厚度控制 ( h y d r a u l i ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 系统，并实现计算机数字控制，在 实时性和处理能力方面得到很大的改善。然而，经过多年的生产运行，该系统 已经趋于老化，可靠性降低，旧系统已无法满足生产要求，急需进行升级改造。 本论文是舞钢4 2 0 0 m m 轧机改造项目的研究成果。本文首先分析了新系统 的硬件结构。虽然整个系统仍然沿用多处理器和工业以太网结构，以v m e b u s 为基础。但是在硬件核心部分s s c ( 单机架控制器) ，使用功能更优的i n t e l x 8 6 系列( i c ) 嵌入式单板机取代了旧的m o t o r o l a6 8 k 系列，v m e b u s 也扩 展为6 4 位。 然后，本文先从硬件和软件两方面对系统做简要分析，接着着重研究控制 系统数学模型。h a g c 为典型的压力一位置反馈控制系统。分别对a p c 和a g c 系统进行了仿真研究。并对p i d 控制的设计方法进行了仿真。 本文对位置一压力反馈相结合的液压a g c 系统进行了仿真，同时对p i d 控制器的算法进行了研究，这不仅是一种较好的尝试，同时对其他相关研究也 具有一定的指导意义。 关键词h a g c ：反馈；p i d 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s tr a c t i n1 9 9 5 ，b r i t i s hd a v yc o m p a n yr e f o r m e dt h ew u y a n 9 4 2 0 0 m mr o l l i n gm i l l t oh y d r a u li ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mw a so nt h e d i g i t a lc o n t r o lo fc o m p u t e r ，a n di t sr e a l t i m eq u a l i t i e sa n dp r o c e s s a b i l i t yh a db e e ni m p r o v e dal o t h o w e v e r ，r u nf o rm a n yy e a r s ，t h es y s t e m h a sa l r e a d yt e n d e dt ow e a r i n go u ta n dh a sb e e nu n a b l et os a t i s f yt h e r e q u e s to fp r o d u c i n g ，i tn e e d st ou p d a t ea n dt r a n s f o r mu r g e n t l y t h ep a p e ri sa b o u tt h ea c h i e v e m e n ti nt h er e s e a r c ho f t h i s p r o j e c t f i r s t ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h en e wh a t d w a r es t r u c t u r eo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h o u g ht h ew h o l es y s t e mc o n t i n u e st ou s em u l t i p r o c e s s o r t h di n d u s t r i a le t h e r n e ts t r u c t u r ew h i c hi sb a s e do nv m eb u s ，i nt h ec o r e o fs s c ( s i n g l es t a n dc o n t r o l l e r ) ，i n t e lx 8 6s e r i e se m b e d d e ds i n g l e b o a r d c o m p u t e r sw h i c hh a v em o r ee x c e l l e n tf u n c t i o nh a v er e p l a c e do l d m o t o r o l a 6 8 ks e r i e s ，a n dt h ev m eb u se x p a n d e dt o6 4b i tt o o s e c o n d ，t h isp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s y s t e mi nb r i e f ，t h e na n a l y s e st h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ec o n t r o l s y s t e m h a g ci sat y p i c a lp r e s s u r ea n dp o s i t i o nf e e d b a c ks y s t e m ，t h e p a p e r m a k e ss i m u l a t i o nw i t ha p c ( a u t o m a t i c p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) a n d a g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) s y s t e ms e p a r a t e l y t h i ss e c t i o na l s om a k e s as i m u l a t i o nw i t ht h ep i d c o n t r o la n dt h ed e s i n go fp i dc o n t r o l l e r t h ep a p e rm a k e sas i m u l a t i o no ft h eh a g cs y s t e mw h i c hh a sp r e s s u r e a n dp o s i t i o nf e e d b a c ka n dd o e sac o m p a r a t i o nw i t hd i f f e r e n ta r i t h m e t i c o fp i dc o n t r 0 1 t h ep a p e rn o to n l yd o e sab e t t e ra t t e m p t ，b u ta ls oh a s c e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c et oo t h e rr e l e v a n tr e s e a r c ha tt h es a m e t i m e k e yw o r d sh a g c ：f e e d b a c k ：p i d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：石矗连日期：兰丑! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：必、逝新签名：日期：塑2 竺：堡 引言 引言 中厚板是国民经济发展的重钢铁材料，是我国现代化建设必不可少的钢铁产 品，它广泛应用于大直径长输油气管线、造船、大跨度梁、锅炉、压力容器、机 械制造、海洋平台及石油化工等部门。中厚板生产水平及其材料所具的水平是国 家钢铁工业及钢铁材料水平的标志。 从中厚板机数量上看，并不算少，但中板轧机多，宽厚板轧机少。目前国内 拥有大型宽厚板轧要的厂家有鞍钢( 4 3 0 0 m m ) ，舞钢( 4 2 0 0 m m ) 和浦钢 ( 4 2 0 0 3 3 0 0 姗) 。其余均为2 3 0 0 - 3 3 0 0 m m 的中板轧机，且有相当部分为单机架 轧机。 然而我国中厚板轧机装备水平普遍较低，与国外比相差2 0 一3 0 年，导致我国 中厚板7 0 的产品为普通碳素钢板，出现了国内市场普碳钢板供大于求，低价竞 相出口，同时还要高价进口高附加值钢板的局面。为了解决现有轧机结构、液压 系统、自动控制、测宽测厚系统等都较为落后的状况，因此对现有生产线进行改 造，扩大产能、丰富品种和提高产品质量成为摆在广大科研人员面前的重要课题。 河南舞阳钢铁公司4 2 0 0 m m 轧机为我国自主研究的第一台宽厚板轧机，曾为我国 现代化建设作出巨大贡献。本文研究对象为4 2 0 0 m m 轧机液压厚度控制系统，通 过对厚度控制系统的研究，建立控制模型，并优化控制策略和实现计算机控制， 以达到扩大产能、提高产品质量和增加企业效益的目的。 北京1 二业大学工程硕十学位论文 置曼蔓曼曼曼曼曼曼皇! 鼍_ ii 鼍曼蔓曼鼍曼! 曼皇曼皇量曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇鼍曼量皇曼! 寰曼鼍曼曼 第1 章绪论 1 1h a g c 系统原理 随着国民经济的发展，科技的进步，对板带钢材的品种、材质、精度提 出更高的要求，尤其在一些新兴的电子行业要求就更加苛刻。所以板带轧机向 自动化、高速化、高精度发展已成为趋势。对轧机的压下机构也提出了高精度、 快速性、稳定性、同步性、可靠性等要求。液压厚度自动控制系统( h y d r a u l i c a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 是以油为动力，完成轧机压下厚度的控制，它能 够很好的克服传统的机械电动压下的不足。传统的机械电动e g c 由于压下丝杆 和螺母的摩擦副存在，只有克服了摩擦力之后才会使压下丝杆转动，其结果往 往是滞后2 0 - 3 0 u m 。然而液压a g c 能有效的减少甚至消除带钢头尾纵向厚度偏 差以提高产品质量。 1 1 1h a g c 系统组成 液压a g c 设备组成： 液压a g c 技术是将机械、液压、自动控制和轧制工艺等专业紧密连接在 一起的综合先进技术。它的主要设备幅套以计算机、检测组件为主的控制装置 和一套以液压系统、两个液压缸( 每侧一个) 为主的执行机构组成。检测组件 主要有；一个测厚仪、两个测压仪( 每侧一个) 以及安装在液压缸上的四个位 置传感器( 每个液压缸一个) 。液压系统为伺服控制系统。如图卜1 所示，液 压a g c 系统主要由以下环节组成 液蚴 图卜1 液压a g c 系统的组成 f i g u r e 1 一l c o m p o s i t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r ea g cs y s t e m 第1 帚绪论 i 曼曼皇曼曼曼皇曼! 曼鼍曼曼! ! 曼! 皇! 曼曼曼曼曼曼! 曼量量曼曼曼曼曼量曼曼皇曼! 曼曼鼍皇曼曼曼鼍舅 1 ) 位置伺服级环节a p c ( a u t o m a t i cp o s i t i o nc o n t r 0 1 ) ，主要用来完成压 下位置的控制。a p c 作为a g c 控制系统的内环，接收a g c 环节运算后给出 的设定参数即辊缝设定值，并与位移传感器检测出的压下量进行比较，偏差信 号经控制器、放大器，驱动伺服阀，作用于液压油缸，改变其位置，从而实现 对辊缝的调节，实现消除厚度偏差的目的。 2 ) 压力控制级环节压力控制环节a g c ，它是通过压力传感器测得轧制压 力信号，然后通过力位移转换器和刚性补偿等，转换为电压反馈信号。 宽厚板液压a g c 原理： 液压a g c 的作用主要是减少钢板的纵向厚度偏差。它的控制方式主要有 一下三种： 1 ) 以轧机出口侧的测厚仪所测得的钢板出口厚度偏差作为主要反馈量， 对轧机辊缝进行修正。这种方式滞后较大，控制精度低现在很少用。 2 ) 以测压仪或压力传感器测得的轧制力信号和液压缸位置传感器所监测 到的液压缸位置信号作为主反馈量，以轧机出口侧的测厚仪所检测的钢板厚度 偏差作为监控反馈量，对轧机辊缝进行修正。 3 ) 在以上第二种方式的基础上，以轧机入口侧的测厚仪所测得的板坯厚 度偏差作为预控反馈量，对轧机辊缝进行预先修正。这种方式多用于板带连轧 机。 液压a g c 的一些优点： 1 ) 快速响应的自动厚度控制可以获得精密的厚度分差，较高的成材率及 较高的平均轧制度。 2 ) 液压压下有自动和快速卸压装置，有过载保护能力，消除压下螺丝的 靠死并减小辊子轴承及驱动装置的损坏。 3 ) 便于操作者对轧机调定、喂料及钢板跟踪。 由于可靠性比电、机械压下高，维护比电、机械压下简单，因此，减少 了停车时间，提高了生产率。 1 1 2h a g c 控制的基本形式 液压压下装置的基本控制环节是位置控制系统a p c ，但a p c 并不能自动 校正带钢的厚度偏差，必须由a p c 再加各种厚度控制环节，组成厚度自运控 制系统，这样统称为液压a g c 。 下面介绍几种液压a g c 控制的几种基本形式。 1 ) 反馈( 监控) a g c 系统 反馈a g c 系统如图1 2 ，它包括测厚仪、控制器、执行机械。控制器接 受测厚仪测的厚度信号，输出要调节的辊缝值信号给执行机构，完成辊缝调节， 消除厚差。反馈控制有时间滞后，特别是厚度波动较大时，影响厚控精度。 北京t 业大学工程硕士学位论文 2 ) 前馈( 预控) a g c 系统 前馈a g c 系统如图卜3 ，它包括测厚仪、延时器、控制器、执行机械。 摘幡 必 p 6 d b 或k g 2 其中r 相位裕量，k g ( d b ) 或k r 幅值裕量 相位裕量就是幅值曲线穿越频率( i ) 。处的相角。与1 8 0 。之和，即r = 1 8 0 + 。，幅值裕量就是相位穿越频率( - ) 。处增益的倒数，即k g ( d b ) = 一2 0 1 9g z ( j 。) i 。由系统的稳定性条件可知：为了使系统稳定，开环增益i ( 0 受二阶环节 固有频率。和二阶环节阻尼比毛。的限制。而且系统不但要稳定，也要有适当 的稳定裕量，这样才能得到满意的性能。 由公g s 式( 3 - 9 ) 可以看出：二阶环节固有频率。主要受系统液压固有频 率及负载刚度k 、液压弹簧刚度k 的影响。负载刚度k 主要取决于轧辊及 轧辊轴承的刚度；液压弹簧刚度k 。主要受液压油的体积模量b 。、活塞的有效 面积九及液压缸控制腔容积影响。液压油的品质不同，空气含量不同，体积 弹性模量也不同；液压缸在不同的工作液柱，其控制腔容积不同，因而固有频 率也不同。 由公式( 3 一1 0 ) 可知，毛。几乎是系统所有参数的函数。 由于液压缸的泄漏系数c 。通常比伺服阀的流量压力系数i ( c 小得多， 所以毛。主要取决于i ( c 值。而i ( c 值随工作点不同会有很大变化，在零位时的i ( c 值最小，在计算系统的稳定性时，应取零位时i ( c 值，因为此时的稳定性最差。 二阶环节阻尼比毛。表明了系统的相对稳定性，为获得满意的性能，液压 北京丁业大学工程硕士学位论文 阻尼比应具有相当的值，一般要求0 4 1 0 2 * y s s 。 n = i ： e n d ： e n d e n d ： t l = t ( i ) ： c s = l e n g t h ( t ) ： 5 0 附录 j = c s + l ： n = o ： w h i i e n = = = o j = 3 1 ： i f k e y = = = l i f j = = = l n = i ： e l s e i f y ( j ) 0 9 5 * y s s ， n = i ： e n d ： e l s e i f k e y = - - 2 i f j = - - i n = i ： e l s e i f y ( j ) 0 9 8 * y s s ， n = i ： e n d ： e n d ： e n d ： t 2 = t ( j ) ： i f t 2 t p ： i f t 2 t 1 ， t s = t 2 e l s e t s = t 1 e n d e n d 附录2u a tia b 函数s t e r m s t e r 0 功能：计算系统7 单位阶跃响应与稳态误差， 单位斜坡响应与误差 调用格式 5 1 北京工业大学工手罕硕士学位论文 e s s = s t e r ( k e y ，s y s ，t ) s y s ：系统死循环传递函数 t = o ，l ，2 分别表示阶跃响应，斜坡响应，等加速响应。 返回值：是稳态误差e s s ，同时绘出响应曲线与误差响应曲线 f u n c tio n e s s l = s t e r7 k e y ，y s ，t p u n c t o nl e s s j = s t e r ( k e ys y s ) ，) i f k e y = 0 y = s t e p ( s y s ，t ) ： s u b p l o t ( 1 ，2 ，1 ) ，p l o t ( t ，y ) ，g r i d s u b p l o t ( 1 ，2 ，2 ) ，e s = l - y ； p l o t ( t ，e s ) ，g r i d e s s = e s ( 1 e n g t h ( e s ) ) e ls e if k e y = = l n u m = s y s ，n u m ( 1 ) ： d e n = s y s d e n ( 1 ) ，0 ： s y s = t f ( n u m ，d e n ) ： y = s t e p ( s y s ，t ) ： s u b p l o t ( 1 ，2 ，1 0 p l o t ( t ， t y ) ，g r i d s u b p l o t ( 1 ，2 ，2 ) e s = t y ： p l o t ( t ，e s ) ，g r i d e s s = e s ( 1 e n g t h ( e s ) ) ： e ls e if k e y = = 2 n u m l = s y s n u m 1 ) ： d e n l = s y s d e n 1 ，0 ，0 ： s y l = t f ( n u m l ，d e n l ) ： y l = s t e p ( s y l ，t ) ： n u 2 = i ：d e n 2 = 1 0 0 0 ： s y 2 = tf ( n u 2 ，d e n 2 ) ： y 2 = i m p u ls e ( s y 2 ，t ) ： s u b p l o t ( 1 ，2 ，1 ) ，p l o t ( t ， y 2y 1 ) ，g r i d s u b p l o t ( 1 ，2 ，2 ) ，e s = y 2 一y l ： p l o t ( t ，e s ) ，g r i d e s s = e s ( 1 e n g t h ( e s ) ) e n d 亚 附录 附录3m a t iai 函数k t t a u m k t t a u 0 非k ，t ，t a u 模型拟合成对应参数k ，t ，t a u 的函数 调用格式： k ，t ，t a u = k t t a u ( g ) 其中输入参量g 为模型的传递函数，输出参数k ，t ，t a u 为拟合成k ，t ，t a u 模型的参数 f u n c tio n k ，t ，t a u = k t t a u ( g ) k = d c g a i n ( g ) ： k c ，p l ，w c g ，w c p = m a r g i n ( g ) ： t a u = 1 6 * p i ( 3 * w c g ) ： t = o 5 * k c * k * t a u ： k t t = o ： i ff i n i t e ( k c ) x o = t a u ：t ： w h i l ek t t = = o w w l = w c g * x o ( 1 ) ： w w 2 = w c g * x o ( 2 ) ： f f = k 枨c 木( c o s ( w w l ) 一w w 2 * s i n ( 啊1 ) ) + l + w w 2 2 ：s i n ( w w l ) + w w 2 * c o s ( w w l ) 1 j = 一k * k c 8 w c g * s i n ( w w l ) - k * k c * w c g * w w 2 * c o s ( w w l ) ，卜 k * k c * w c g * s i n ( w w l ) + 2 * w c 9 8 w w 2 ；w c g * c o s ( w w l ) 一w c g * w w 2 * s i n ( w w l ) ，w c g * c o s ( w w l ) ： x l = x o - i n v ( j ) * f f 。f i f n o r m ( x l - x o ) l e 一8 ， k t t = l ： e l s e ， x o = x l ： e n d t a u = x o ( 1 ) ；t = x o ( 2 ) ： e n d e n d 附录4m a tiai 函数z n 0 1 m z n 0 1 m 用z i e g l e r - n i c h o l s 整定公式计算系统p ，p i ，p i d 校正器参数的函数 岛 北京工业大学t 程硕七学位论文 调用格式 g c ，k p ，t i ，t d = z n o l ( p i d ，v a t s ) 参数说明： p i d ：校正器的类型。1 ，p 调节器；2 ，p i 调节器；3 ，p i d 调节器的参数 v a r s ：带延时因子的惯性环节的 k ，t ， t a u ，k = v a r s ( 1 ) ：t = v a r s ( 2 ) ：t a u = v a r s ( 3 ) 输出参数说明： g c ：校正器传递函数；k p 为校正器的比例系数；t i 为校正器的积分时间常 数；t d 为校正器的微分时间常数 f u n c t i o n g c ，k p ，t i ，t d = z n 0 1 ( p i d ，v a r s ) k = v a r s ( 1 ) ：t = v a r s ( 2 ) ：t a u = v a r s ( 3 ) ： i f p i d = i ， k p = t ( k * t a u ) ： e l s e i fp i d = 2 ， k p = o 9 * t ( k * t a u ) ： t i = 3 3 3 * t a u ； e l s e i fp i d = = 3 k p = 1 2 * t ( k * t a u ) ： t i = 2 , t a u ：t d = t a u 2 ： e n d s w i t c hp i d c a s e l ，g c = k p c a s e 2 ，g c = t f ( k p * t ik p ， t i0 ) ： c a s e 3 ，n n = k p 灯i 木t dk p * t ik p ： d d = t i o ： g c = t f ( n n ，d d ) e n d 附录5m a tia b 函数c c 0 1 m 用c o h e n c o o n 整定公式计算系统p ，p i ，p i d 校正器的参数 c c 0 10 c c o l0 的调用格式为 g c ，k p ，t i ，t d = c c 0 1 ( p i d ，v a r s ) p i d 为校正器的类型。p i d = i ，计算p 调节器的参数；p i d = 2 ，计算p i 调节 器的参数；p i d = 3 ，计算p d 调节器的参数，p i d = 4 ，计算p i d 调节器的参数。 v a r s 为带延迟一暌性环节模型的k ，t ，t a u 已知三参数： 5 4 附录 - 一- - ：- - - - - z 一 皇曼曼! 皇蔓曼曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼曼! 曼曼曼鼍曼皇曼! 曼! 毫曼! 曼曼曼曼! 曼鼍 k = v e r s ( 1 ) ；t = v a r s ( 2 ) ：t a u = v a r s ( 3 ) 输出参量g c 为校正器的传递函数，k p 为校正器的比例系数：t i 为校正器 的积分时间常数；t d 为校正器的微分时间常数。 f u n c t i o n g c ，k p ，t i ，t d = c c 0 1 ( p i d ，v a r s ) k = v a r s ( 1 ) ： t = v a r s ( 2 ) ： t a u = v a r s ( 3 ) ： k p = 口：t i = 口：t d = 口： if p i d = l ， k p = ( t t a u ) + o 3 3 3 k ； e l s e i f p i d = 2 k p = o 9 木( t t a u ) + o 0 8 2 k ： t i = t * 3 3 3 * ( t a u t ) + o 3 木( t a u t ) 2 1 + 2 2 木( t a u t ) ： e l s e i fp i d = 3 k p = 1 2 4 * ( t t a u ) + 0 1 6 1 2 k ； t d = t * 0 2 7 * ( t a u t ) 1 + 0 1 3 ( t a u t ) ： e l s e i fp i d = 4 ， k p = 1 3 5 * ( t t a u ) + 0 2 7 k t i = t * 2 5 * ( t a u t ) + 0 5 木( t a u t ) 2 1 + 0 6 木( t a u t ) ： t d = t * v o 3 7 * ( t a u t ) i + 0 2 木( t a u t ) ： e n d s w i t c hp i d c a s e l ，g a = k p ： c a s e 2 ，g c = t f ( k p * t i k p ， t i0 ： c a s e 3 ，g c = t f ( k p m t d k p ，1 ) ： c a s e 4 ，n n = k p 水t i 木t d k p 木t i k p ： d d = t i0 ： g c = t f ( n n ，d d ) e n d 附录6m a t i a b 函数i n m i n 0 1 m 用积分值最小准则来计算系统p 、p i 、p i d 校正器的参数 i n m i n 0 10 i n m i n o l0 函数的调用格式为 g c ，k p ，t i ，t d = i n m i n o l ( p i d ，v a r s ) p i d 为校正器的类型。p i d = i ，计算p 调节器的参数；p i d = 2 ，计算p i 调节器的 5 5 北京工业大学工程硕十学位论文 参数；p i d = 3 ，计算p i d 调节器的参数。 v a r s 为带延迟一惯性环节模型的k ，t ，t a u 已知三参数： k = v a r s ( 1 ) ：t = v a r s ( 2 ) ：t a u = v a r s ( 3 ) 输出参量g c 为校正器的传递函数，k p 为校正器的比例系数；t i 为校正器的积 分时间常熟；t d 为校正器的微分时间常数。 f u n c t i o n g c ，k p ，t i ，t d = i n m i n o l ( p i d ，v a r s ) k = v a r s ( 1 ) ： t = v a r s ( 2 ) ： t a u = v a r s ( 3 ) ： i c = v a r s ( 4 ) ： k p = ： t i = 口： t d = 口： i fp i d = i ， a b t a b = 0 9 0 2 ，1 4 1 4 ，0 9 0 4 ； - 0 9 8 5 ，一0 9 1 7 ，- i 0 8 4 ： e l s e ifp i d = 2 ， a b t a b = 0 9 8 4 ，1 3 0 5 ，0 0 9 8 6 ，一0 9 5 9 ，一0 9 7 7 0 6 0 8 ，0 4 9 2 ，0 6 7 4