（机械工程专业论文）本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本钢冷轧厂引进的四机架冷连轧机厚度自动控制a g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 系统由模块化语言p 8 0 i 和l c r l 6 0 0 设计，在h p c i 工控机和j s l 6 0 0 计算机上实现。a g c 系统包括一架前馈a g c 系统、一架s m i t h - a g c 秒流量a g c 系统、二架前馈a g c 系统以及 出口a g c 系统。本文对一架前馈、s m i t h - a g c 、s m i t h - a g c 和流量a g c 、2 架前馈a g c 、 4 架反馈a g c 综合厚度控制策略进行研究的基础上给出其系统结构，深入分析 s m i t h - a c 系统的合理性和稳定性，在对新引入秒流量a g c 系统分析的基础上，对 s m i t h - a g c 和秒流量a g c 综合厚度控制策略在低速启动、稳定轧制、减速停车阶段的实 际控制过程中如何相互配合使用，以及这两种系统相互配合的优势进行深入分析。本文 对解决控制系统中的纯滞后问题有一定的参考价值。 s m i t h 预估器可以解决a c - c 系统中存在着理论上的时滞问题，然而s m i t h - a g c 系 统中轧制过程模型的准确程度直接决定了a g c 系统的控制精度。本文以本钢冷轧厂第 一机架为仿真对象进行了仿真研究，通过对比s m i t h - a g c 、s m i t h - a g c & 秒流量a g c 综合厚度控制策略，从理论和实验结果上表明，s m i t h - a g c & 秒流量a g c 综合厚度控制 策略具有响应较快，超调量小，稳态误差小，抗干扰能力强等优点，从而改善了大时滞 系统控制效果，进一步提高了带钢的厚度精度。 关键词：时涝问题；轧制过程模型；建模；s m i t h 预估器； s m i t h o a g c & 秒流量a g c 综合厚度控制策略 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no ni n t e g r a t e ds t r a t e g yo f a u t o m a t i ct h i c k n e s s c o n t r o li nb e n x ic o l dr o l l i n gm i l l a b s t r a c t t b ea g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o m r 0 1 ) s y s t e mi nt h ef o u rs t a n d so fb e n x it a n d e mc o l d 加i l li sp r o g r a m m e db yb l o c kp r o g r a m m i n gl a n g u a g ep s 0 ia n dl c r l 6 0 0 , a n dt u ni ni - i p c i i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dj s l 6 0 0c o 鲫n 盯1 ka g cs y s t e mi sm a d eo ft h ef e e d f o r w a r d c o n 昀ls y s t e ma n ds m i t h - a g c & m a s sf l o wa ( 配s y s t e mo nt h ef i r s ts t a n d , t h ef e e d f o r w a r d c o n t r o ls y e t e mo n8 e c o n ds t a n da n dt h ee x i ta g cs y s t e m t h ef o u r t hs t a n d t h ed i s s e r t a t i o n g i v e st h ea o cs y s t e m 舭t u r eb a s e d t h ed e 印a n a l y s ea n dr e s e a r c ho nt h ef i r s ts t a n d f e e d f o r w a r da n ds m i t h - a g cs y s t e ma n ds m i t h - a g c & m a s sf l o wa g ci n t e g r a t e dt h i c k n e s s c o n t r o ls t r a t e g ya n de x i ta g es y s t e m0 1 1t h ef o u r t hs t a n d ，w h i c hk e yc o n t r o la l g o r i t h m ， c o m p u t i n gm o d e la 托r e a s o n e d 嬲w e l l 鹊i t sp h y s i c a lm e a n i n ga n a l y s e 1 1 】ed i s s e r t a t i o na l s o a n a l y z e st h es m i 也p r e d i c t i o ns t r a t e g y ，t h er a t i o n a l i t yo fs m i t h - a c h 2s t r u c t u r ea n dt h e s t 删l 姆o fs m i _ i h - a g cs y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c ho fs m i t h a g c & m a s sf l o wa g c i n t e g r a t e dt l t i e k n e s sc o n t r o ls t r a t e g y 。h o wi t c a nw o r kw e l li nd i f f e r e n tp h a s e sm i c ha s 眦e l e r a t i n gf o rs t a r t i n gu p ，s t a b l er o l l i n g ，d e c e l e r a t i n gf o rs t o p p i n gm i l li sa l s os t i l d i e di n d e t a i l t h ed i s s e r t a t i o n a l s op r e s e n t st h ea d v a n t a g e so fs m i t h - a g c & m a s sf l o wa g c i n t e g r a t e dt k i e l m e s sc o n t r o ls t r a t e g y t h i sp a p e rh a ss o m ev a l u ef o r 鲥v i n gt h et i m ed e l a y l d r o b l e mi nc o n t r o ls y s t e m s m i 也- a g cs y s t e mc a l ls o l v et h et i m ed e l a yp r o b l e mi nt h e o r yw h i c hl i e s i na g c s ) ，m m i nf a c tt h ep r e c i s i o no fr o l l i n gp r o c e 鹤m o d e ld e t e i m i n e st h ep r e c i s i o no fc o m r o li n a g cs y s t e m s m i t h - a g c ，s m i t ha g c & m a s sf l o wa g ci n t e g r a t e dt h i c k n e s se 幻n t r o l s t r a t e g ya n ds m i t ha c e & m a s sf l o wa g ci n t e g r a t e dt h i c k n e s sc o n t r o ls t r a t e g y a r ea l l s i m u l a t e d t h ef i r s ts t a n do ft a n d e mc o l dm i l lo fb e m x is t e e l n l et h e o r ya n de x p e r i m e n t s h o wt h a tt h es m i t ha o c & m a s sf l o wa g ci n t e g r a t e dt h i c k n e s sc o n 打o ls 舡8 t e g yi st h em o s t e f f e c t i v e i th a sm a n y 龇l v a n t a g e s 辄c h 雏r a p i dr e s p 伽i d l o wo v e r s h o o t , l e s ss t a b l ef f f l o r ， s t r o n g e ra b i l i t yt od e f e n dt h ed i s t u r b a n c e i tc a ni m p r o v et h ec o n t r o l l e de f f e c to ft h el a r g e t i m ed e l a ys y s t e ma n di n c r e a s et h eg a u g ep r e c i s i o no f t h es t r i p k e yw o r d s ：t i m ed e l a yp r o b l e m ；r o l l i n gp r o c 姻sm o d e l ；m o d e l i n g ； s m i t ha g c & m a s sf l o wa g c i n t e g n t e dt h i e l m e s sc o n h o ls t r a t e g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位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， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： l 至l 缝日期：迸塑：望 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： ) i l 笪 导师签名：三至趔导师签名：兰兰丝蚴 j 盟l 年f _ 一l t l 旦日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 板厚是扳带钢质置的主要衡量指标之一，它直接关系到产品的质量和经济效益。厚 度自动控制( a c _ , c - a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 是提高带钢质量的重要方法之一，其目的 是获得带钢纵向厚度的均匀性【l 】。现代冷轧带钢要求成品厚度公差达到2 5 蛐之内( 占 全长9 8 ) 口1 。目前，厚度自动控制己成为现代化板带材生产中不可缺少的组成部分。 1 1 板带钢厚度波动的原因 冷轧过程中，凡是影响到轧制压力、原始辊缝和油膜厚度等的因素都将对实际带钢 轧出厚度产生影响【引，概括起来有如下几方面： ( 1 ) 温度变化的影响。温度变化对板带材厚度波动的影响，实质就是温度差对 厚度波动的影响，温度的波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响而引起的厚 度差【4 】。 ( 2 )张力变化的影响。张力是通过影响应力状态，以改变金属变形抗力，从而 引起厚度发生变化。张力的变化除对带钢头尾部厚度有影响之外，它也会影响其它部分 的厚度发生变化。当张力过大时除会影响厚度，甚至会影响宽度发生改变，因此在热连 轧过程中一般采用微活套的恒定小张力轧制【5 】，而冷连轧与热轧不同，由于是冷态进行 轧制，并且随着轧制过程的进行会产生硬化，故冷轧时采用较大的张力进行轧制【6 】。 ( 3 ) 速度变化的影响。它主要是通过摩擦系数、交形抗力、轴承油膜厚度来改 变轧制压力和压下量而起作用【”。 ( 4 )辊缝变化的影响。 当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀、辊缝的磨损 和轧辊的偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出厚度变化。轧辊和轴承的偏心所 导致的辊缝周期性变化，在高速轧制情况下，会引起高频的周期性厚度波动 - i 9 i 除上述因素钋，来料厚度和机械性能的波动，也是通过轧制压力的变化而引起的带 钢厚度产生变化冷轧时由于带钢有焊缝，焊缝处的硬度要比其它部分高，因此也会引 起厚度发生波动【 】。 1 2 冷轧带钢a g c 技术发展情况 a g c 系统在冷连轧机中是保证产品质量的重要环节，同时也是自动控制系统的核 心。回顾己应用在冷轧机中的a g c 系统，可归纳为以下三种基本类型。 ( 1 ) 用测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口侧带钢张力的a c , c 系统 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 7 0 年代，我国单机架可逆冷轧机上使用的厚度控制系统大都是这类系统，而且是模 拟线路。按轧机出口侧测厚仪测出的带钢实际偏差信号反馈控制，大偏差或被轧带钢厚 度大于0 4 m m 时，按偏差信号大小去移动压下位置，改变辊缝间距，以减小厚度偏差， 即所谓粗调；在小偏差或被轧带钢厚度小于0 4 m m 时，则调节轧机入口侧带钢张力，进 一步减小厚度偏差，即所谓精调 t 0 1 早期调节轧机压下装置的执行机构是电动压下，因电动压下响应慢和非线性的缺 点，逐渐被液压压下机构所取代。测厚仪安装在轧机两侧距轧辊中心约1 5 - 2 m 的位置， 故测厚仪信号滞后时间长，且随轧制速度而变，厚度控制的调节周期长，从系统稳定考 虑将会降低系统控制性能。一般而言，系统要修正2 3 次( 视轧机刚度而定) 才能把偏 差减小到允许范围内。如果a g c 系统是模拟的，通常是在轧机升速到一定轧速后才能投 入a g c a c - c 投入前和投入后第一次厚度自动调节达到允许偏差范围内这一段时间所轧 的一段带钢厚度就可能不合格【n l 。概括起来讲，这类a c , c 系统的主要缺点是： a c , c 调节周期长，并随轧制速度而变。为了使系统运行稳定，必须降低系统性 能，因而使控制效果降低； 带钢端部不受a l w 控制，成材率低，尤其轧制小钢卷时，损失尤为突出【1 2 】； 消除带钢纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差能力低； 冷轧的工艺特点是大张力轧制，故张力微调范围极小。 ( 2 ) 采用前馈控制和测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口带钢张力a g c 系 统 将( 1 ) 中a g c 系统数字化，并增加前馈控制回路就构成这类a g c 系统。前馈控制 是当轧机入口侧有厚度偏差的带钢进入轧辊时，立即调节被控机架压下位置，将入口带 钢厚度偏差消除的一种控制策略。使用前馈控制可有效克服( 1 ) 中a g c 系统缺点中的 第点。 ( 3 ) 采用前馈控制、反馈控制和监控的a g c 系纠u j 8 0 年代，利用现代控制理论、电子技术与计算机技术新成就，对上述( 2 ) 中a c r c 系统进一步加以改造，其主要特点是使用轧机弹跳方程【1 4 】计算轧后带钢厚度作为实测厚 度，与设定厚度相减，其差为检测的厚度偏差值，经转换后用于压下调节。这样就不存 在轧辊中心到测厚仪的传输滞后时间了，调节周期大大缩短，从而提高了系统性能，锝 到普遍应用。人们称这种a g c 为g m a g c ( g a u g e m e t e r - a g c ) 或b i s r a a g c i l 4 j 。再加 上监控回路，即用轧机出口侧测厚仪检测出的带钢真实厚度偏差作反馈控制，消除低频 干扰因素的影响，如轧辊磨损、轧辊热膨胀等。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 数字化或计算机控制，加上应用一些新的控制算法，这类a g c 系统性能获得进一步 的提高，其控制精度可达成品厚度的5 0 o - 1 0 ，如成品厚度0 ，8 t m n 的汽车板，其厚度偏 差范围为0 0 4 加0 8 m m ，称之为毫米级厚度偏差。如果要迸一步把带钢厚度偏差减小到 几个a m ，用这类a g e 系统是做不到的，因为g m - a g c 计算带钢厚度是建立在各种补偿 基础上按轧制压力计算的。要精确计算所用补偿参数很难，甚至是不可能的f 1 5 1 。 要补偿的变量主要有以下七种： 轧辊偏心； 油膜厚度( 如用液摩轴承) ： 轧机弹性系数( 含带宽和轧辊辊径补偿) ； 摩擦力变化； 轧辊磨损及压扁； 轧件硬度： 轧辊热膨胀 确定在各种轧制状态下所需各变量的补偿量，通常要用复杂的数学模型计算，或用 事先存入计算机内的表格数据( 图形曲线表格化) ，精度不可能高，这是影响g m - a c r c 控制精度的主要原卧1 6 - 1 s 。要生产厚度偏差极小的带钢，必须采用控制精度更高的a c , c 系统，可控制带钢厚度偏差达到成品厚度的士1 ( 几个a m ) 之内。这种系统的核心技术 是流量控制( m a s sf l o wc o n t r 0 1 ) 【1 9 】 ( 4 ) 冷* v a l a g e 技术的新发展例 随着计算机技术的发展和广泛应用，国外冷* l 机a c , c 技术得到了迅速发展，功能不 断完善，流量a g e ( m a s s f l o w a g e ) 也开始在冷轧机上应用，使厚度控制精度达到了 相当高的水平流量a g c 国外早在7 0 年代就开始成功地应用在冷连轧机上，流量a g e 系统在设备结构及系统设计方面均较简单，无需设置任何诸如轧辊偏心、油膜厚度等补 偿系统。检测元件设置地点环境好，易于安装和维护系统检测分辨率高，检测精度可 达0 0 0 1 r a m ，最终成品控制精度础8 a m 以下，并且能迅速逼近目标厚度，使成材率 大幅度提高。 1 3 人工智能在轧制领域的应用 从9 0 年代开始，人工智能的应用为轧制理论的发展揭开了新的篇章。人工智能从新 的视角去处理轧制过程遇到的实际问题，引发了轧制过程研究中观念上的一场革命人 工智能在轧制领域一出现就是与应用密切联系在一起的。短短几年问，它已经成功应用 于轧制的各个领域肚1 1 。 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 1 3 1 人工智能在轧制领域的发展状况 人工智能进入轧制领域可以追溯到8 0 年代。1 9 8 4 年小园东雄曾介绍了利用人工智 能技术进行型钢的最优剪切控制 2 2 1 。9 0 年代以后，日本轧钢界学者和工程技术人员在 人工智能应用方面作了大量的工作 在模糊理论和模糊控制方面，有带钢板形的模糊控制田刎、估计碳素钢的变形抗力 嘲、进行板厚一张力不相关控制 2 6 1 、棒钢轧机的模糊设定鲫、热带精轧机组的轧制规程 设定闭、利用模糊推理进行冷连轧机组的智能操作例指导等等。 在专家系统应用方面，有冷连轧机厚度精度诊断【3 0 】、燕连轧负荷分配p ”，h 型钢孔 型设计【3 2 1 ，型钢质量设计【3 3 1 、棒钢出炉节奏控制跚、热轧在线传动系统诊断、热带 钢轧机的板坯自动搬运【3 6 l ，精整线板卷运输等等 在神经网络方面，有冷连轧机组压下规程设定 3 7 1 、多辊轧机板形控制、利用b p 网络进行板形识别、综合利用神经网络和模糊逻辑进行板形控制 3 9 1 、利用自组织模型进 行操作数据分类等等。 与日本学者的风格不同，德国的轧钢工作者虽然没有像日本人那样发表那么多的文 章，但他们在人工智能的实际应用方面也下了很大功夫。据介绍，西门子公司( s i e m e n s a g - c ) 利用神经网络进行轧制过程自动控制，进行轧制力预报、带钢温度预报和自然宽 展预报，使轧制力预报精度提高1 5 - 4 0 ，温度精度提高2 5 ，宽展精度提高2 5 。 这些成果已经应用于德国蒂森钢铁公n ( t h y s s e n a g ) 、赫施钢铁公司( i - - i o e s c h a o ) 等轧钢 厂的6 套轧机上。 人工智能在轧制中应用的最新进展是智能化信息处理。众所周知，现代化轧机配备 了大量的传感器，可以随时对轧制过程的各种参数进行检测，如温度、轧制力、张力、 速度、辊缝、板形、液压系统压力、冷却系统流量等等。轧制过程的工作状态，可以通 过这些参数充分地反映出来。所谓轧制过程的智能化信息处理，就是利用人工智能工具， 对这些采集到的信息进行加工处理，从中提取出有用的知识。应当指出的是，轧制线上 采集到的大量数据是需要处理的，一是因为数量大，不经处理，数据量反映不出规律； 二是因为项目多，不经处理，揭示不出内在联系；三是因为变化快，很多参数在毫秒时 间内发生变化，这就对数据的采集和应用提出了更高的要求智能化信息处理系统的作 用是通过分析数据、挖掘知识，来整合控制模墅参数，维护过程控制软件，最终达到优 化轧制过程的目的智能化信息处理的应用是多方面的。首先它可以帮助我们发现、总 结轧制过程中的规律。更重要的是在线应用一些智能化信息处理系统，作为操作人员和 技术人员头脑的延伸，在轧制过程的监控、软件的远程维护、设备的故障诊断、模型的 优化等重要的工作中，起着关键的作用。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 应用智能化信息处理已经成为轧机现代化水平的标志之一。轧制过程的智能化信息 处理技术仍在向前发展，虽然目前全面评价它对轧制技术发展的影响尚为时过早，但是 可以肯定地说，智能化信息处理技术在轧制领域的大规模应用，将为这一古老的传统产 业带来新的生机和活力。 1 3 2 人工智能系统的构成及应用前景 目前已应用于钢铁工业的人工智能技术主要有：专家系统、模糊系统、神经元网络、 遗传算法、混合系统 ( 1 ) 专家系统( e s - e x p e r ts y s t e m ) e s 被认为是一种主要处理规则推理的人工智能工具，由于人们在生产过程中积累了 大量经验，再加上专家的指导，有益于人们建立丰富的知识库来处理变化着的实际情况。 专家系统在钢铁工业中己成功地应用于：故障诊断、生产调度、计划制定、优化问题和 生产过程自适应控制等专家系统主要缺点是知识不能无限获取 ( 2 ) 模糊系统( f s - f u z ys y s t e m ) f s 能够对无法或难以建立数学模型的实际系统，充分利用实际操作者经验或专家知 识完成无模型控制或预测。钢铁工业中不乏这样的例子，如精炼炉炉温控制。f s 技术己 成功应用于：系统建模、系统预测、模式识别、故障诊断、过程优化和动态过程控制、 板坯连轧等。 ( 3 ) 神经元网络( a n n a r f f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) a n n 以其大规模并行算法及网络信息的分布存贮而著名，a n n 不但可以建立生产 过程数据驱动的实际模型，而且可以通过对历史数据的学习获得生产过程经验，从而使 得网络具有很强的适应能力。 ( 4 ) 遗传算法( o a - g e n e f t i ca l g o r i t h m ) g a 主要解决优化问题，不但可解出优化过程的最优解，而且可对算法结构进行优化， g a 建立在自然进化法则的基础之上，算法原理与人进行最优决策思路相象，具有广阔 的应用前景。 ( 5 ) 混合系统 混合智能技术为智能技术之间或模型技术与智能技术混合使用，达到优化生产过程 目的。包括：数学模型十智能技术；统计模型十智能技术；a n n + f s ；g a + f s ：g a + a n n ： g a + e s ) a m e s ；f s + e s 等。 1 3 3 利用智能技术研制a g 0 系统的优点 ( 1 ) 精确确定控制模型参数 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 ( 2 ) 提高控制模型精度 ( 3 ) 提高a o c 系统的适应能力 ( 4 ) 减少系统的调试时间 1 4 本文的主要内容 本钢四机架冷连轧机是从国# b q l 进的全连续式冷连轧机。是我国第一条酸洗轧机联 合机组，又称c d c m 生产线( c o n t i n u o u sd i s c a l i n gc o l dm i l l ) 它是一个复杂的多输入 多输出的控制系统，包括厚度控制系统( a g c ) ，张力控制系统( a t c ) ；板形控制系统 ( a f c ) ，活套控制系统等。其中厚度自动控制系统主要包括： ( 1 ) 一架前馈a c , c 系统 ( 2 ) 一架s m i t h - a c r c & 秒流量a 1 3 c 综合厚度控制系统 ( 3 ) 二架前馈j 址配系统 ( 4 ) 低压下率( a 方式) 出口a g c 系统 ( 5 ) 高压下率( b 方式) 出口a c r c 系统 c d c m 生产线能否稳定的投入生产，发挥其功能和潜能，将直接影响产品的质量和 产量，进而影响企业的经济效益和社会效益。因此本钢已把“c d c m 线综合控制技术的 研究与应用”作为一个重要的科研项目 本文对c d c m 线中冷连轧机的a g c 系统中s m i t h 预估控制策略、s m i t h - a g - c 系统 结构、控制算法，s m i t h - a g c 系统的稳定性进行了分析 在对s m i t h - a g c 系统分析的基础上，本文对s m i t h - a g c & 秒流量a o c 综合厚度控 制策略( 由模块化语言p 9 0 i 和l c r l 6 0 0 设计的软件系统) 进行了较全面、深入的消化、 研究，对s m i t h - a c j c & 秒流量a g c 综合厚度控制策略中的算法和模型进行了严格的推 导；对s m i t h - a o c & 秒流量a o c 综合厚度控制策略在低速启动阶段、稳态轧制阶段、 减速停车阶段的实际控制过程中如何相互配合使用，以及这两种系统相互配合的优势等 进行了深入的分析。 对于复杂而且具有不确定性的轧钢过程，控制对象难以建立确定的数学模型。本文 在a l s t o m 公司的p 8 0 i 软件平台上，对s m i t h - a g c 系统、s m i t h - a c k ：& 秒流量a c - c 综合厚度控制系统系统进行了仿真研究。研究仿真结果，从系统的响应时间、超调量、 跟随性、抗干扰性等各方面看出s m i t h - a o c & 秒流量a g c 综合厚度控制策略的有效性， 从理论和仿真试验结果两方面证明了s m i t h - a g c & 秒流量a g c 综合厚度控制系统具有 良好的性能指标。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2a g c 理论基础 本章主要从分析a g e 系统中常用数学模型及板带钢厚度变化规律出发，着重论述 a o c 的基本型式及其控制原理，并对这些基本a g c 系统的优缺点做了一定的分析。 2 1a g c 的基本概念 熟悉a o c 系统的基本概念是研究a g c 系统的前提。本节主要分析a g c 系统中常用 的数学模型以及轧制过程中板材的厚度变化规律。 2 1 1 轧机弹跳与弹跳方程 在轧制过程中，由于受轧制力的作用，轧机的机架、轧辊、轴承等部分都会产生弹 性变形，如图2 1 所示。 置 图2 1 轧制时发生的基本现象 f i g 2 1t h eb a s i cp h e n o m e n aw h e ns t r i pi sr o l l e d 图中，b 一入口厚度；_ i 卜一出口厚度：曲一空载辊缝；s l 实际辊缝；卜轧制力。 这些变形引起的辊缝变化的总和即称为轧机弹跳 2 1 ，它是轧机负载辊缝与空载辊缝 的差值。轧机在外力f 的作用下，产生弹性变形( - s o ) ，依h o o k 定律可得( 2 1 ) 式： f = m q 一岛) ( 2 1 ) 式中，h _ 轧机模数或轧机刚度系数。由式( 2 1 ) 变形得： f h = 8 0 + 古 ( 2 2 ) h ( 2 2 ) 式就是著名的轧机弹跳方程，它由s m i s 等人创立，是厚度计式a c j c 的基 本数学模型，也是实现厚度计式a g c 的基础。由于轧机弹跳方程避免了铡厚仪式a g c 系统的纯滞后作用【3 】，所以，它的问世为a g c 技术的发展做出巨大的贡献。 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 2 1 2 轧件塑性曲线与f _ h 图 轧制时的轧制压力f 是所轧带钢的宽度丑、来料入口厚度f k 出口厚度h 、摩擦系娄职 轧辊半径r 、温度，、入口张力( 前张力) 足、出口张力( 后张力) 五以及变形抗力口等 的函数，如式( 2 3 ) 所示。 f = f ( b ，h ，h ，r ，t ，z ，z ，吒) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 为金属的轧制力方程( 又称塑性变形方程) 。在冷轧机中，影响轧制力的主要 因素是日。h ，疋、瓦，因此，式( 2 3 ) 可以进一步简化为： f = f ( h ，h ，瓦，巧) ( 2 4 ) 对( 2 4 ) 式进行泰勒级数展开并只取一次项得到： a f = 筹脯+ 竺j l + 堡蝇+ 一o fatah a t a 1 ( 2 5 ) a h 式中誓，篆，器，篝为偏导数 在实际应用中，总是针对具体的主要扰动因素，对式( 2 4 ) 进一步简化。如果除 出口厚度h 以外，其他参数恒定不变，则职随h 变化，式( 2 4 ) 可简化为： f = f ( h ) ( 2 6 ) 在轧制力f 和出口厚度h 以外的各变量一定的情况下，可画出，随h 变化的曲线， 并称该曲线为轧件塑性曲线。 轧件的一个重要参数是轧件塑性系数，它定义为：使轧件产生单位压塑所需轧制力 称为轧件塑性系数【3 】。用q 表示轧件塑性系数，则 d 皇一竺：一笪! 丝! 型( 2 7 ) 一a矗a矗 可见，轧件塑性系数为轧件塑性曲线的斜率。 把式( 2 2 ) 和( 2 6 ) 画在一个几何图上，如图2 2 所示，两条曲线交点的横坐标 恰好是出口厚度h 。图2 2 中，日- 入口厚度；_ i | 一出口厚度；s 矿一空载辊缝；，- 轧制 力； 仁轧机模数。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 f ， 么濡馨蓄主住 o 轧件 吲 一 i ， 日 一 岛r 面- 呻 图2 2 ，_ 图 f - g 2 , 2f - hd i a g r a m 线 q 近似为常数 这就是只矗图，它是分析和设计a o c 系统的一个有效工具。 2 1 3 轧制过程中厚度变化的基本规律 由轧机弹跳方程可知，带钢实际轧出厚度主要取决于空载辊缝岛、轧机模数 轧 制力胜三个因素。因此，无论是分析轧制过程中厚度变化的基本规律，还是阐明厚度 自动控制在工艺方面的基本原理，都应从深入分析这三个因素入手。 1 ) 实际轧出厚度随轧机辊缝而变化的规律 轧件实际轧出厚度随轧机辊缝而变化的规律如图2 3 所示。 图中，月，_ 入口厚度；h i ，尬， 广出口厚度；岛，s 壬一空载辊缝：肛轧制力：0 l ， 0 2 ，0 r - 轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的交点；她，峨，她一轧件实际压下量 ( j l = h 一日) ；屉_ 预压力。 性曲 图2 3 实际轧出厚度随轧机辊缝而变化的规律 f 培2 3t h eo r d e r l i n e s so f s t r i pt h i c k n e s sw i t ht h er o l lg a p g 一 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 轧机的原始预调辊缝值岛决定着弹性曲线的起始位置。随着压下设定位置的改变， 将发生变化。在其它条件相同的情况下，它将按如图2 3 所示的方式引起带钢的实际轧 出厚度h 的改变。 例如因压下调整或采取预压紧轧制时都会使弹性曲线曲线平移，从而使得弹性曲线 与轧件塑性曲线的交点由d l 变为d 2 ，此时实际轧出厚度便d a h l 变为垃，如 ，使带 钢轧得更薄。 当采取预压紧轧制时，即在带钢进入轧辊之前，使上下轧辊以一定的预压靠力，5 相 互压紧，也就相当于辊缝负值( - 8 0 ) ，这样就能使带钢轧的更薄，此时实际轧出厚度变 为h 3 ，h 3 扔 酬 1 。坝 ：i 图2 4 实际轧出厚度随轧机模数而变化的规律 f i g 2 4t h eo r d e r l i n e s so f s t r i pt h i c k n e s sw i t ht h em i l lm o d u l u sc h a n g i n g 大连理工大学专业学位硕士学位论文 当轧机的模数系数由脑增加 毛，则实际轧出厚度由 l 减d 唾o h 2 ，如图2 4 所示。在实 际的轧制过程中，由于轧辊的凸度大小不同，轧辊轴承的性质以及润滑油的性质不同， 轧辊圆周速度发生变化，也会引起轧机的模数发生变化。就使用油膜轴承的轧机而言， 当轧辊圆周速度增加时，油膜厚度会增厚，油膜刚性增大，带锅可以轧得更薄 4 1 。 3 ) 实际轧出厚度随影响轧制力的因素而变化的规律 如前所述，所有影响轧制压力的因素都会影响轧件塑性曲线的相对位置和斜率【4 】， 因此，即使在轧机弹性曲线的位置和斜率不变的情况下，所有影响轧制压力的因素都可 以通过改变轧机弹性曲线和轧件塑性曲线二曲线的交点位置而影响着带钢的实际轧出 厚度。实际轧出厚度随来料厚度而变化的规律如图2 5 所示。 图2 5 中，局，飓，玛一入口厚度；h i ，h 2 ，b 一出口厚度；s 矗一空载辊缝；f 一车l 制力 h i h 2 h 3 ，j一 训h 3 h 2h i 喝飓研 图2 5 来料厚度对轧出厚度的影响 f i g 2 5t h ee f f e c to f t h es t r i pe n t r a n c et h i c k n e s so nt h ee x i t 当来料厚度日发生变化时，便会使轧件塑性曲线的相对位置和斜率都发生变化，如 图2 5 所示。在岛和值一定的条件下，来料厚度日增大，则轧件塑性曲线的起始位 置右移，并且其斜率稍有增大，即材料的轧件塑性系数稍有增大，故实际轧出厚度也增 大；反之，实际轧出厚度要减小。所以当来料厚度不均匀时，所轧出的带钢厚度也将出 现相应的波动。 在轧制过程中，当减小摩擦系数，时，轧制压力也会降低，可以使得轧件塑性曲线的 起始位置左移，带钢轧得更薄。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦 系数的影响来起作用，当轧制速度高时，摩擦系数减小，轧件塑性曲线的起始位置左移， 则实际轧出厚度也减小，反之则增加实际轧出厚度随摩擦系数而变化的规律如图2 6 所示。图2 6 中：氍一入口厚度；h l ，如一出口厚度；s o _ 一空载辊缝；f 一轧制力；五，。丘一 摩擦系数哳磋) 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 图2 6 摩擦系数对轧出厚度的影响 f i g 2 6 t h ee f f e c t o f f r i c t i o n c o e f f i c i e n t 0 1 1 t h ee x i t t h i c k n e s s 当变形抗力吒增大时，则轧件塑性曲线的斜率增大，实际轧出厚度也增厚；反之， 则实际轧出厚度变薄。实际轧出厚度随变形抗力c r i 而变化的规律如图2 7 所示。图2 7 中：品入口厚度；h l 。_ l l r 出口厚度；s 卜一空载辊缝；， _ 牟l 制力。 f - 硎 地h i盯 图2 7 变形抗力对轧出厚度的影响 f i g 2 7t h ee f f e c to f d i s t o f tm s i s o n t h ee x i tt h i c k n e s s o l lt h ee x i tt h i c k n e s 这说明当来料机械性能不均或轧制温度发生波动对，金属的变形抗力也会不一样， 因此，必然使轧出厚度产生相应的波动 轧制张力对实际轧出厚度的影响，也是通过改变轧件塑性曲线的斜率来实现的，张 力增大时，会使轧件塑性曲线的斜率减小，因而可使带钢轧得更薄。实际轧出厚度随张 力而变化的规律如图2 8 所示。图2 8 中：陪一入口厚度i 籼，赴， 广一出口厚度；曲一空 载辊缝：f 一轧制力。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 f j一 酬南垃 i 矿 图2 8 张力对轧出厚度的影响 f i g 2 ，8t h ee f f e c to f t h er o l lt e n s i o no nt h ee x i tt i 1 i c k n e s s 在实际轧制过程中，以上诸因素对带钢实际轧出厚度的影响不是孤立的，而往往是 同时对轧出厚度产生作用。所以，在厚度自动控制系统中应考虑各因素的综合影响。 2 1 4 消除厚差原理 f - h 图可以定量地说明入口厚度鼠出口厚度h 、轧制时的压下量 、轧制压力r 轧辊空载辊缝岛，及辊缝调节量s 这六个参数间的关系，以f - h 图作为工具，可以直观 地看出利用控制压下来消除厚差的原理。如图2 9 所示 假设设定轧件的入1 3 厚度为凰( 曲线1 ) ，压力为f o ( 曲线l 与曲线3 的交点) ，出 口轧件厚度为，实际轧件入口厚度变为凰( 曲线2 ) ，将使轧制力变为f l ( 曲线2 与曲 线3 的交点) ，轧出厚度变为h l ，产生日的厚差。 图2 。9 厚差消除原理 f i g 2 9t h et h o o qo f e l i m i n a t i n gt h et l i i c k n e s s r 本钢冷轧厂厚度综合控制策略的研究和仿真 为消除这个厚差，改变预设辊缝，从岛到& ，使之增加s ( 曲线4 ) ，这样保持了出 口厚度不变，而轧制力变为乃( 曲线2 与曲线4 的交点) 。从这可以看出，当轧件的厚度 减少时，使轧制力减少且轧出厚度变小，为了保持出口厚度不变，抬起辊缝，轧制力进 一步减小；反若当轧件的厚度增加时，轧制力增加，轧出厚度增加，为了保持出口厚度 不变，减小辊缝，轧制力进一步增加。可见厚度计式a g c 是根据所检测的轧制力来进行 正反馈控制【1 0 1 。 2 2 几种基本a g c 及其控制原理 本节主要介绍测厚仪式a c r c 系统、厚度计式a g c 系统、前馈式a g c 系统、流量a g c 系统和张力a c _ r c 系统。 2 2 1 测厚仪式a g c 系统 铡厚仪式a g c 就是利用x 射线测厚仪直接检测出实际轧出厚度并与给定厚度射线测 厚仪直接检测出实际轧出厚度并与给定厚度值相比较，得到厚度偏差曲，当二者数值 相等时，幽= 0 。若实测厚度值与给定厚度值相比较出现厚度偏差幽时，反馈给厚度 自动控制装置进行相应的调节，以消除此厚度偏差。测厚仪式a g c 系统结构如图2 1 0 所 示。 图中，圾睇出口厚度基准值：j l 出口厚度实际值；出一出口厚差；a s 辊缝调节量。 图2 1 0 测厚仪式a g c 系统原理图 f i g 2 1 0t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c - cs y s t e mi ng a u g em o d e 测厚仪式a g c 的控制算法m 如式( 2 8 ) ： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 必= 警一a h ( 1 + 争t l h ( 2 8 ) 式中：朋一出口厚差：z l s 辊缝调节量；沪一轧机模数：9 一轧件塑性系数。式( 2 8 ) 表示，为了消除带钢的厚度偏差幽，则必须使辊缝移动( 1 + 苦) _ j l 的距离。因此，只有 朋 当m 越大，而q 越小，才能使得岱与幽之间的差别愈小。当等为一定值时，即 ( 1 + 与_ j l 为常数，则s 与幽便成正比关系。只要检测到厚度偏差办，便可以计算出 为消除此厚度偏差应作出的辊缝调节量丛。 测厚仪式a g c 能准确地测出实际厚度进行反馈控制。但是由于轧机结构的限制、测 厚仪的维修需要以及防止断带损坏测厚仪，因此铡厚仪的安装点离辊缝有一段距离，所 以存在一段大时间滞后，难以进行稳定控制，使测厚仪式a o c 不适用于厚度快速变化情 况。但由于射线式测厚仪可以满足高性能a g i ：对厚度检测精度的需要，所以测厚仪式a g e 并没有消失，它被广泛用作监控a g e 。因此常给厚度计式a c c 、秒流量a o c 作慢监控处 理，保证轧出厚度不跑飞阴。 正确理解测厚仪式a g c 的这种不稳定性有助于对其它a g c ( 如厚度计式a c r c 、流 量a g c 等) 系统的设计思想的研究和分析。 2 2 2 厚度计式a g o 在轧制过程中，任何时刻的轧制力聊空载辊缝岛都可以检测到，因此，可用弹跳 方程矗= s o + 告，计算出任何对刻的出口厚度h 。在这种情况下，就等于把整个机架作 为测量厚度的“厚度计”，这种检测厚度的方法称为厚度计或g m ( g a u g e m e t e r - 简称o m ) 方法。根据轧机弹跳方程测得的厚度和厚度偏差信号进行厚度自动控制的系统称为