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东北大学硕士学位论文摘要 穿孔机导盘转速控制与优化 摘要 目前，国内许多钢铁企业为了提高无缝钢管的生产质量，都采用了加装狄赛尔导毹 的斜轧穿孔机进行钢坯穿孔。但是在斜轧穿孔机中，与生产密切相关的各个丁艺参数都 只能停机离线调整。这大大降低了钢坯穿孔生产效率和质量，成为钢管生产的一个瓶颈。 如何实现穿孔机部分工艺参数的在线可调，进而改善穿孑l 机穿孔生产的毛镑质量，提高 无缝钢管生产枫组的生产效率，已经成为各钢厂一个迫切需要解决的问题。 本文以上海宝山钢铁公司钢管分公司s w w 斜轧穿孔机的狄塞尔导盘改造为研究背 景，建立了导盘转速自动控制系统。设计了参数自适应模糊p i d 控制器，实现了导盘实 际转速的在线测量与在线实时控制。并以此为研究手段，建立了：i = 艺参数的优化模型。 本文采用了广义p c r 方法，建立了以轴向滑移系数巩为优化目标的导盘最优转速 模型。在将利用b p 神经网络方法建立的工艺参数优化模型求出的最优工艺参数和现场 采集的工况数据，带入导盘最优转速模型后，即可求出最优导盘转速，所得计算结果误 差小于5 ，能达到控制要求。 针对可离线调整的工艺参数，如送迸角、辊型和顶头前伸量等，本文采用了改进 b p 神经网络方法，建立了以穿孔质量参数与生产工艺参数为输入输出的工艺参数优化 模型。当输入要求的质量参数时，该模型可以在几秒中内的得出最优的离线调整1 ：艺参 数，并可以根据现场情况不断学习和更新。针对b p 神经网络容易陷入局部优化点的问 题，采用了一种可变动量因子的改进b p 算法来加速b p 神经网络的学习过程，所得计 算结果误差小于3 。 关键词：穿孔机导盘控制模糊p i db p 神经网路广义p c r i i 东北大学硕士学位论文 co n t r o la n d o p t i m i z a t i o n o fp i e r c e rg u i d ed i s c r o t a t i o ns p e e d a b s t r a c t n o w a d a y s ，i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs e a m l e s ss t e e lt u b e s ，m a n yb i l l e td o m e s t i c e n t e r p r i s e su s es k e wr o l l i n gp i e r c e rw i t hd i e s e h e rg u i d ed i s ct op i e r c es t e e lb i l l e t b u ti nt h e s k e wr o l l i n gp i e r c e r ，t h ep a r a m e t e r sc l o s e l yr e l a t e dt om a n u f a c t u r ec a no n l yr e g u l a t eo f f i i n e ， w h i c hh a sb e e nab o t t l e n e c ki n s t e e lt u b e sm a n u f a c t u r i n g ，a n dr e d u c e st h ep r o d u c t i v e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fs t e e lb i l l e tp i e r c i n g i ti sa nu r g e n tq u e s t i o no fh o w t or e g u l a t es o m e o ft h ep i e r c e rt e c h n i q u ep a r a m e t e r so n l i n es oa st oi m p r o v et h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c ya n d q u a l i t yo fs t e e lt u b e s t a k i n gt h ed i e s c h e rg u i d ed i s ct r a n s f o r m a t i o no ns w w s k e wr o l l i n gp i e r c e ro fs t e e l p i p es u b s i d i a r yc o m p a n y a ts h a n g h a ib a o s h a ns t e e lc o r p o r a t i o na sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h i s p a p e re s t a b l i s h e st h ea u t o m a t i cr o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mo ft h eg u i d ed i s ca n dd e s i g n s s e l f - a d a p t i v ef u z z yp i d c o n t r o l l e r , t h eg u i d ed i s ca c t u a lr o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r i n go n l i n e a n dt h er e a l t i m ec o n t r o lo n l i n ec a nb er e a l i z e d t a k i n gi ta st h er e s e a r c hm e t h o d ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e st h et e c h n i q u ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm o d e l t h eg e n e r a l i z e dp c rm e t h o di su s e di n t h i sp a p e rt oe s t a b l i s ht h eo p t i m a lg u i d ed i s c r o t a t i o n a ls p e e dm o d e lw i t ht h ea x i a ls l i p p i n gc o e f f i c i e n tr oa st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t t h e o p t i m a lt e c h n i q u ep a r a m e t e r sa n dt h es c e n eo p e r a t i n gd a t ac a nb eo b t a i n e db yo p e r a t i n gt h e t e c h n i q u ep a r a m e t e r sm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e db yb p n e u r a ln e t w o r k s ，a n dt h e nb o t hd a t a g ot ot h eo p t i m a lg u i d ed i s cr o t a t i o n a ls p e e dm o d e ls o a st o g e tt h eo p t i m a lg u i d ed i s c r o t a t i o n a ls p e e d i ti sp r o v e dt h a tt h ee r r o ri ss m a l l e rt h a n3 a n dc a nm e e tt h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t s ， i nv i e wo ft h et e c h n i q u ep a r a m e t e r sw h i c hc a nr e g u l a t eo f f i i n e ，l i k em i l e rs h a p e ，f e e d a n g l e ，p l u ga d v a n c ea n ds oo n ，t h i sp a p e rm a k e su s eo ft h ei m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r k m e t h o da n de s t a b l i s h e st h et e c h n i q u ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm o d e l t h i sm o d e lt a k e st h e p i e r c i n gq u a l i t yp a r a m e t e r sa si n p u ta n dt h ep r o d u c et e c h n i q u ep a r a m e t e r sa so u t p u t v v h e n i n p u t t i n gt h er e q u e s t e dq u a l i t yp a r a m e t e r s ，t h i s m o d e lc a l lo b t a i nt h eo p t i m a lo f f i i n e r e g u l a t i o nt e c h n i q u ep a r a m e t e r si ns e v e r a ls e c o n d s ，a n dk e e po ns t u d y i n ga n du p d a t i n g c o n t i n u o u s l ya c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n s i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a tb pn e u r a ln e t w o r ki s w i l l i n gt o f a l li n t oap a r t i a lo p t i m i z a t i o np o i n t ，a ni m p r o v e db pa l g o r i t h mw i t hv a r i a b l e m o m e n t u mi su s e dt oa c c e l e r a t et h es t u d yp r o c e s so f b pn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h ep r o d u c ed a t a a r eu s e dt ot r a i nt h en e t w o r k s i ti sp r o v e dt h a tt h ee r r o ri ss m a l l e rt h a n3 + k e yw o r d s ：p i e r c e r ；g u i d ed i s cc o n t r o l ；f u z z yp i e ) ；b pn e u r a ln e t w o r k ；g e n e r a l i z ep c r i i i 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无缝钢管生产概述 钢管工业的发展开始于自行车制造业的兴起。二战后火电锅炉的制造，化学工业的 发展以及石油、天然气的钻采和输送等，都有力的推动着钢管业在品种、质量和产量_ - 的发展。钢管比其它轧制钢材与人类生活关系更密切，从自行车、日用家具、供水供气 设备，到石油化工，地下资源的开发，国防和航天技术所用导弹、火箭等等，都离不玎 钢管。钢管是经济建设中重要的原材料之一。 钢管按生产方法可分类为：无缝钢管和焊接钢管。对于无缝铜管来说，其生产：的重 心立足于厚壁管，但对一些中厚壁管，既可采用焊管也可采用无缝钢管。但厚壁管目前 只能采用无缝钢管，不能用焊管代替。另外，还有约4 0 0 个钢种的无缝钢管，焊管是 不能代替的。对于一些特殊用途的无缝钢管，如安全性要求高的钢管也不能用烽管代蛰。 所以世界各国都十分重视钢管，尤其是无缝钢管生产的发展 1 2 1 。 1 1 1 我国无缝钢管生产的历史 1 9 4 9 年新中国成立时，我国一吨无缝钢管都不能生产。1 9 3 5 年1 0 n ，| _ _ | 本侵略者曾 在我国东北的鞍【“建了一套可生产直径7 0 1 5 0 m m 的热轧无缝钢管机组，最高年产曾达 到1 ，1 4 万t ( 1 9 4 0 年) 。但1 9 4 5 年日本投降后，这套机组的全部设备被拆运到了当时的苏联。 所以新中国成立时，我国几乎不能生产无缝钢管，当时仅上海有极少数钢管改制设备， 可以将进口的无缝钢管改制为其他规格的无缝钢管。 新中国成立后，作为国家首批( 1 5 6 项) 重点i _ 、l k 建设项目，鞍钢无缝钢管厂于1 9 5 3 年1 0 月2 7 日成功地轧出了我国第1 根无缝钢管，并于当年1 2 月2 6 日正式投产，从此结束 了我国不能生产无缝钢管的历史f 3 。4 】。 随着钢管生产的发展，我国无缝钢管的产量逐年上升，品种及进出口数量也有了很 大的变化，1 9 9 4 年无缝钢管产量达到了3 0 4 万t ；1 9 9 7 年钢管产量达至i 9 4 3 3 万t ，成为世 界钢管生产第一大国，2 0 0 1 年钢管产量突破千万吨大关达到1 1 5 3 万t 其中无缝钢管5 2 3 j t 。无缝钢管从1 9 8 5 年开始出口，1 9 9 2 年至今，出口量逐年增加，从1 9 9 2 年的1 7 3 万c 达到2 0 0 4 年的6 1 2 万t ，包括油井、锅炉、地质、合会、不锈等品种。进口无缝钢管的品 种主要是油井管，2 0 世纪八十和九十年代平均年分别进口6 6 6 和4 6 6 万t ，2 0 0 l ，、一2 0 0 4 年为4 3 万t 。其次为锅炉管，过去平均年进口5 6 7 1 万t ，2 0 0 1 ，2 0 0 3 年逐渐上升，2 0 0 4 年达到1 7 8 万t 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l - l2 我国热轧无缝钢管生产设备发展简介 目前，生产热轧无缝钢管的机组主要有自动轧管机组、连续轧管机组、刷期式轧管 机组、三辊轧管机组、顶管机组和挤压钢管机组等。随着无缝钢管产量的增加和晶种结 构的调整，我国无缝钢管生产技术装备、设备设计和制造水甲也提升很快。从1 9 8 3 年 在鞍钢建成投产o 4 0 m m 自动轧管机组以来，我国陆续，f 发、研制、醴计、制造和建成 投产了一大批小型( 中5 0 1 0 0 m m ) 穿孔机和自动、三辊、连轧、圆盘( 狄塞尔) 等轧 管机组。随后又引进并建成投产了批顶管、周期l 大中型) 、大型自动、扩管、三辊 等类掣的轧管机组。之后又引进了一批先进的三辊、精密相连轧管机组等p 。7 j 。 1l _ 3 无缝钢管生产的基本工序 为了将实心圆钢穿轧成中穿的成品钢管，不论采用什么样的穿孔与轧管方式，生，。 无缝钢管时的基本工序均为1 q ： ( 1 ) 坯料准备：包括管坯入库、管坏切断( 剪断或气割断) 、剥皮修磨、探伤桅奁、咀 及高合会钢管坯的表面处理( 如酸洗) 与冷定心等； ( 2 ) 管坯加热：通常在环行加热炉或斜底式管坯加热炉内进行加热管坯出炉后一般 都经过热定心送往穿孔工序； ( 3 ) 穿孔：将实心圆钢穿孔成空心的厚壁毛管，通常采用两辊或三辊式斜轧穿孔机来 穿孔。若管坯为钢锭或连铸方坯时，可在水压机上冲孔，或在两辊( 纵轧) 压力穿孔机 一p p m 轧机上推轧穿孔； ( 4 ) 轧管：为了使空心毛管进一步减径减壁，必须在轧管机上将毛管加工成荒管。对 于自动轧管机组，轧管后还要经过均整机进行均整： 5 ) 再加热与定减径：为了最终获得所要求韵成品管，通常对荒管进行再加热，然后 在写释机k 、减径机上、张力减径机e 或扩径机上进行加工，获得各种规格尺寸的成品 钢管： ( 6 ) 精整、检查及包装入库。 12 穿子l 机概述 在无缝铜管生产中，穿孔工序的作用是利用穿孔机将实心的管坯穿成空心的毛管。 穿孔是金属变形工序中的第一道工序。由于穿出的管子壁较厚、长度较短、内外表i 前质 量较差，因此，穿出的管子叫做毛管。 量较差，因此，穿出的管子叫做毛管。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 i 2 1 管坯穿孔方式 管坯穿孔的方式有三种：压力穿孔：推轧穿孔；斜轧穿孔。 压力穿孔 压力穿孔是在压力机上( 机械传动或液压传动) 穿孔。这种穿孔方式所用的原料是 方坯( 轧坯或连铸坯) 和多边形钢锭。工作原理是首先将加热好的方坯或钢锭装入圆形 模中( 此圆形模带有很小的锥度) ，然后压力机驱动带有冲头的冲杆将管坯中一e l , 冲压出 一个圆孔。这种穿孔方式变形量很小，一般中心被冲挤开的金属正好填满方坯和圆形模 的间隙，从而得到几乎无伸长的圆形毛管，延伸系数最大不超过1 1 。 推轧穿孔 推轧穿孔( 称为p p m 法) 是在推轧穿孔机上穿孔。这种穿孔方式是压力机穿孔的 改进。把固定的圆锥形模改成带圆孔型的一对轧辊。这对轧辊由电机带动反向旋转( 即 两个轧辊的旋转方向相反) ，旋转藿的轧辊将管坯咬人轧辊的孔型中，而固定在孔型中 的冲头( 顶头) 便将管坯中心冲出个圆孔。为了便于实现轧制，在坯料尾端加上一个 后推力( 液压缸) ，因此叫做推轧穿孔。 这种穿孔方式使用方坯，穿出的毛管较短，变形量很小，延伸系数一般不大于是1 i 。 推轧穿孔法是近年来发展的一种新工艺，它具有很多优点，主要体现在以下几方耐： 1 ) 坯料中心处于全压力状态。穿孔过程是冲孔和轧制相结合，不会产生内折缺陷，对 坏料质量要求较低，可用廉价的连铸方坯。 2 i ) 顶头( 冲头) 上的平均压力比压力穿孔的小5 0 左右，因而工具消耗较小。 3 ) 生产率比压力机穿孔高，可达每分钟两支。 以上两种穿孔方式多用于生产大中型无缝钢管或特殊钢种的无缝钢管，如挤压f j 的 管坯穿孔。由于这两种穿孔方式变形量很小，毛管较短较厚，因而在热轧无缝钢管机组 中要设置斜轧延伸机，将毛管的外径和壁厚减小并使管子伸长。 斜轧穿子l 斜轧穿孑l 机按轧辊数目和导向： 具形式分类如下： 斜轧穿f l 机 带导板二辊式穿孔机 辊式穿孔机 带导辊二辊式穿孔机 曩誊凳 三辊式穿孔机 带导盥一：辊式穿孔机 篓善羞 这种穿孔方式被广泛地应用于无缝钢管生产中0 1 。 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 斜轧穿孔与机械加工即钻孔有着本质的差别。钻孔是靠钻头旋转切削金属而获得圆 孑l ，被切削的那部分金属废掉。斜轧穿孔是靠金属塑性变形加工来形成内孔，网而没有 金属的损耗。 1 2 2 二辊式穿孔机 二辊式穿孔机分盘式、菌式和辊式三种。管坯在此三种斜轧穿孔机中穿孔变形时， 三者的变形区形状相同，变形过程的特点也基本相同。但由于盘式和菌式穿孔机受结构 条件的限制：轧辊悬臂安装，轧机强度小，不能穿在直径薄壁管，齿轮传动部分磨损快， 修理频繁，生产率低；辊身短变形区短，单位变形区长度上应力较大，穿孔过程中金属 内部产生极大的应力，易使毛管质量变坏：前进角固定，生产品种受到限制；所以这两 种穿孔机已较少使用。目前用得最广泛的是辊式穿孔机。 二辊斜轧穿孑l 机自发明以来，根本性的技术改革并不多，管坯盒属的应力状态条件 并没有本质的改变。近十多年来，为了强化穿孔过程、改善毛管质量和提高工具寿命， 进行了一些技术的改进，其中主要有以下几项：大送进角穿孔、顶锥穿孔、轴向出料和 顶杆循环使用、采用机架上铰链、导板支座液压移动、连接轴头快速开脱等装置和采用 工艺润滑等。 1 2 3 狄舍尔穿孔机 直至d i e s c h e r 穿孔机出现以前，高效能的穿孔机的共同特点是：交流电机传动，设 有固定导板，后台设有止推小车，不可变速的交流传动使轧辊的圆周速度最大仅能达 6 m s ，再加上喂进效率差，仅为0 8 ，因此空心坯长度不大于l o r n ，而在转出端的操作过 程中又需约1 0 r e s 的停顿时间。因此传统穿孔机的生产率仅为3 根m i n ，即每分钟穿车l 2 4 m 穿孔坯。曼内斯曼钢管公司自1 9 7 0 年开始研制开发旨在超越上述极限的新的斜轧穿孔 机。在1 9 7 2 年，第一台d i e s c h e r 穿孔机投产。若以每分钟穿孔坯的米数来表示生产能力， 所研制的d i e s c h e r 穿孔机的生产能力是当时斜轧穿孔机的1 倍。此外，还有一些有利于 降低成本的其他的工艺改进。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 t 狄塞自 穿孔机示意图 f i g 1 1s k e t c hm a po f d i e s e h e rp i e r e e r 如图1 1 所示，狄舍尔( d i e s c h e r ) 斜轧穿孔机由上下两个轧辊和左右两个主动旋 转的导盘组成，与以导板为工具的二辊斜轧穿孔机相比，它具有如下优点： ( 1 ) 用导盘代替固定的导板，导盘工作表面不断变更，散热条件好，热负荷及工 作表面温度较低，寿命比导板高5 倍以上。尽管导盘的制造费用比导板高，但最终单位 产品的导盘费约为导板的i 8 ，此外，穿孑l 机的有效作业率也有所提高； ( 2 ) 导盘的圆周速度约为毛管出口速度的1 5 2 2 倍，导盘对变形区金属施加一个 轴向拉力，可使穿孑l 效率由o 7 提高到0 8 0 9 以j 二； ( 3 ) 在前进角小于1 5 0 的范围内，采用主动导盘，金属的可穿性比用导板时高2 0 。 其原因是导盘对变形区金属施加轴向拉力和导盘允许在小的孔型椭圆下工作，使变形i 墨 中金属的横变形和不均匀变形减小，为促进轴向变形提供了条件。因此这种穿孔机的成 材率比采用导板的二辊式斜轧穿孔机高o 2 0 3 ，并为穿孔边铸坯提供了较好的应力状 态条件： ( 4 ) 穿孔效率高，高达1 3 。的大前进角使穿孔速度提高到1 1 1 2 m s 。穿孔效率的 提高，使顶头寿命延长，能耗降低： ( 5 ) 能生产薄壁毛管，最小壁厚为l o l l m m ： ( 6 ) 轧辊采用上下布置，有利于传动装置的布置以及导盘的更换； ( 7 ) 由于使用了旋转导盘，可以减少内表面缺陷，加之它对管坯的轴向拉应力， 在顶头前管坯中心金属不易形成孔腔，这对使用边铸坯穿孔创造了条件。， 为了和穿孔机工作机架相适应，达到高效能的目的，穿孔机后台采用了线外脱顶杆 - 5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的设计，即在将顶杆和毛管输送辊提起推出的同时。将根准备好的顶杆放入轧制中心 线，毛管在轧制线外脱开顶杆，这就使辅助时间大为减少，从而保证每分钟穿# l4 4 米 的要求。 近年来，狄舍尔穿孔机不仅在连轧管机组上，而且在c p e 顶管机组以及三辊行星轧 管机组中都得到了应用 1 1 1 2 1 。 1 3 钢管生产及穿孔机的自动化发展 各行业对钢管力学性能、表面质量、尺寸精度提出越来越高的要求，加上本身竞争 的需要，促进穿孔机采用先进的自动控制技术。 ( 1 ) 生产机组自动控制检测和管理水平的发展 目前，国内大多数机组普遍可进行全自动、半自动和手工操作，有效地避免了许多 人为因素造成的生产事故，从而确保产品质量稳定在较高水平。一些先进的连轧机组还 采用轧辊调整全液压压头代替传统的机电系统来调整轧机，可在轧制过程中实现对辊缝 的调整，也可根据预设定位置，适时调整辊缝，使钢管的头尾轧成锥形，以改善钢管头 尾的壁厚偏差，提高成材率。国内厂家的多套机组分别采用了双通道、多通道的射线热 测壁厚、激光超声波热测壁厚和激光热测径、测长等仪器，实现了在线监控产品质精的 目的。成品检测方面，超声波探伤、漏磁探伤、涡流探伤和无损检测等设备获得了广泛 应用。一些先进检测手段，如超声波相控阵探伤技术、阵列式涡流探伤技术等也在管材 检测方面进行了生产试验，可有效地防止带缺陷的管子流出生产厂。随着生产管理水平 的发展，许多企业的厂级m e s 系统已经基本建立，基本实现了全生产线的计算机控制 与管理。各道j 一序的生产过程和结果数据基本实现了网络共享。 ( 2 ) 穿孔机的自动化发展 国内钢厂的大多数穿孔机已经能实现了p l c 远程控制。但控制手段基本局限于运 行设备的启停，而对于工艺参数尚无法实现在线自动调整。在德国、美国、日本和法圈 的大多数钢厂，通过改造已经实现了部分工艺参数的在线自动调整，如导盘转速，送进 角和导盘间距等。 ( 3 ) 穿孔过程的建模方法发展 众多学者和专家在斜轧理论方面做了大量的、长期的工作。通过对穿孔和斜轧过程 进行分析，建立了一些模型用于提高穿孔和轧制的质量，优化斜轧工艺参数。 h a r t l e y ( 1 9 9 3 ) n 1 利用神经网络方法建立了钢管轧制过程模型。g l o w a c k i ( 1 9 9 5 ) t 1 4 1 根据热 传导、金属流动等原理，建立了钢管穿孑l 轧制过程中的金属塑性形变模型。雷亮( 2 0 0 4 ) ”“ 利用a n s y s l s d y n a 显式动力学有限元软件建立了精确实用的轧制力计算模型，并 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 建立了轧制力能参数在线监测系统。袁泉( 2 0 0 3 ) i m 对影晌壁厚变化的主要因素作数学同 归，建立起简便实用的钢管减径中壁厚回归模型。m o r i ( 1 9 8 9 ) ”1 建立了轧制的! 维几何 模型，研究了金属c l 锖 j 变形过程。崔学芳( 2 0 0 4 ) 1 1 糊利用统计学原理对理论计算和实际测 试结果进行了分析比较，提出了相对比较合理的计算二辊斜轧穿孔机穿孔时力的经验公 式。b e y n o n ( 1 9 8 7 ) ”9 】从毛管质量分析入手，采用三维钢塑性有限元法对斜轧穿孔过程进 行模拟分析，解决了变形区构形问题。k a w a l l a ( 1 9 9 4 ) 2 0 】采用能量原理中的变分法则二轧 联合穿轧过程中的力能参数进行求解。双远华( 1 9 9 9 ) 2 1 , 2 2 利用有限元和神经网络结合方 法建立了斜轧穿孔的质量模型。o h j o o n ( 1 9 9 2 ) t 2 如对借用纵轧公式近似计算斜轧穿孔的单 位压力方法进行了深入分析与研究。 1 4 宝钢高铬钢s l 箨j l j 导盘转速的综合研究项目概述 狄塞尔导盘是钢管分公司s w w 斜轧穿孔机上的关键设备，在穿孔机的轧制过程中 主要起到对实心坯轧件的导向作用。通过一对在轧辊9 0 度方向上横向配簧的狄塞尔导 盘与斜轧穿孔机的上下两个轧辊进行相互配合，共同构成了空心坯轧件的热变形空l h j 。 在穿孔机空心坯的轧制过程中，狄塞尔导盘由一对低速大扭矩的液压马达来驱动，转速 控制在2 6 转每分钟左右。通过对可驱动狄塞尔导盘的使用，可以有效地缩短空心坯的 轧制时间，增加滑动系数，减少金属粘连和表面磨损，有利予提高穿孔后空心坯的表而 质量。s w w 斜轧穿孔机狄塞尔导盘剖面如图1 2 所示： 穿孔机空心坯的轧制过程中，为减少导盘表面的金属堆积，狄塞尔导盘的圆周线速 度一般控制在空心坯轧件出口速度的二倍左右。这个转速还应该与穿孔机轧辊的转速， 定心机架的调节时间，导盘的设计直径，导盘表面黏着物的情况等相互匹配。这就需要 导盘的转速在空心坯轧件的轧制过程中，在一定范围内能够进行调整。同时，如果穿孔 机的狄塞尔导盘具备了转速在线可调性能，还将能够实现空心坯轧件在轧制过程中利用 导盘来进行制动、匀速或加速轧制。 目| j ，狄塞尔导盘的转速控制是使用r e x r o t h 公司a 4 v s g 5 0 0 m a 新型斜盘式轴 向柱塞泵驱动低速大扭矩液压马达来完成。由于不具备速度调节装鼍，因此导盘的转速 在工件的轧制过程中是保持恒定的。现有的导盘速度调节方式是完全手工操作的，即在 工件轧制前用人工调节主液压泵的方式来实现导盘转速的调整。 导盘的液压控制系统采用封闭式回路设计，由p 2 0 、p 2 1 、p 2 2 液压泵( 两用一备) 分别控制两台排量为1 1 81 r 的低速大扭矩液压马达驱动一对狄塞尔导盘，并使导盘的 转速控制在2 6 r m i n 左右。 7 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2s w w 斜轧穿孔机被塞尔导盘剖面图 f i g1 2c u t a w a yv i e wo f s w ws k e wr o l l i n gp i e f c e rg l l i d ed i s c 1 5 本文完成的工作 在本文中。从现实需求出发，立足于“解决问题”和“实用方法”的研究，熏。_ 讲 述了导盘转速控制系统的开发与设计，穿孔机重要工艺参数的建模与优化问题。 全文共分五章，第一章概述了无缝钢管生产的发展和设备情况，尤其是在我困的发 展情况。重点介绍了穿孔机的类型、结构及备类穿孔机的特点及其自动化发展。，最后介 绍了与宝钢合作开发的高铬钢轧制导盘转速综合研究的项目情况。 在第二章中，提出了导盘实际转速的测量和控制方法。然后重点介绍了模糊p i d 挣 制器的设计，并作了仿真实验。介绍基于西门于s 7 3 0 0 p l c 的下位枫系统，摹j 4 w i n c c 6 0 的上位机系统的设计与开发。 第三章，叙述了穿孔机中需要在线控制的重要参数的优化问题。主要是导徽转速的 存线优化。用广义p c r 方法建立了导盘最优转速模型，可求出在不同的工艺参数f 导 盘的最优转速。 第四章，叙述了穿孔机中需要离线控制的重要参数的优化问题。以改进b p 算法为 核心建立了管坯质量与离线调节参数之间的工艺参数优化模型。建立模型后，通过输入 要求的管坯质量和管坯直径等变量刈得到最佳的穿孔机离线调整工艺参数。模型还日t 根据现场实际生产数据不断进行学习和更新。 第五章，对牟文进行了总结，提出有待进一步研究的课题和今后研究工作的重点。 一8 东北大学硕士学位论文 第二章导盘转速的控制 第二章导盘转速的控制 2 。1 导盘转速控制系统的组成 图2 1 导盘转速控制系统图 f i g 2 1s p e e dc o n l a o ls y s t e mo f t h eg u i d ed i s c 改造前导盘转速控制系统由导盘、液压马达、液压泵、液压泵驱动电机等装茕组 成。由液压泵驱动电机为液压泵提供油压，将电能转化为液压能，再由液压马达把液 压能转化为动能，驱动导盘转动。原导盘转速的调节依靠停机手动调整液压泵的油压。 改造后导盘转速控制系统如图2 1 所示，由上位机、下位机、导盘、液压马达、 电动执行机构、液压泵、接近开关和感应螺丝等装置组成。在液压泵和液压马达间加 装电动执行机构，通过调节电动执行机构的开度值，来改变液压马达的输入油压，进 而调整导盘转速。并且通过在液压马达处加装感应螺丝，通过接近开关检测液压马达 转速，进而得到液压导盘转速，实现系统的闭环控制。 同时，为了提高生产质量和效率，要求建立与导盘转速相关的优化模型。系统总体 设计如图2 2 ，通过工艺参数优化模型和导盘最优转速模型，求出最优导盘转速，以此 作为导盘转速控制系统的设定值。导盘最优转速模型和工艺参数优化模型的建立方法分 别在第三章和第四章加以叙述。 9 东北大学硕士学位论文 第二章导盘转速的控制 质量参数 工艺参数 纵向外径偏差 工 入口温度 纵向内径偏差 艺 辊型 二 导 参 送进角 横向外径偏差 数 盘 导投 横向内径偏藿 优 顶头前伸量 最 最优导盘转速 盘制 化 管坯尺寸。模 优 转系 型 转 设定值 速统 速 顶头外径 模 摩擦系数 型 顶头前坯料径向压下量 图2 2 导盘转速控制及优化系统图 f i g 2 2s p e e dc o n t r o la n do p t i m i z es y s t e mo f t h eg u i d ed i s c 2 2 导盘转速的测量和控制方法 2 2 1 导盘转速的测量方法 因为导盘工作时，其周围产生大量的水汽钢屑等物质，在其上面直接安装测量装嚣 将很难达到要求精度和维持较长寿命。故采取在液压马达处等距安装4 个感应螺丝。液 压马达与导盘之间的传动为精确的齿轮传动，传动比为2 。1 7 4 5 ：1 。在此我们选定图尔 克生产的电磁接近开关，并自行设计安装托架。通过数字输入模块检测感应螺丝产生的 上升沿信号，记录经过两个上升沿信号的时间。通过关系转换，得到导盘的转度。根据 现场的需要，系统提供了两种测量方法。 ( 1 ) 动态测量方法：记录接近开关通过两个感应螺丝的时间间隔，计算出导盘实 际转速。导盘转速约每隔2 5 0 m s 更新一次。虽然响应速度快，能满足特定需要下，对f 艺改进分析的要求，但是其检测误差较大，约为4 ( 1 0 m s 2 5 0 m s = 4 ) 。 ( 2 ) 静态测量方法：记录接近开关通过4 个感应螺丝的时间间隔，来计算导盘实 际转速。导盘转速约每隔l s 更新一次，响应时间较慢，但检测误差很小，约为1 ( 1 0 m s ls = 1 ) 。 动态测量方法采集的数据主要用于实验分析，而静态测量方法采集的数据主要用于 现场自动和手动控制。 2 。2 2 导盘转速控制方法 在液压泵和液压马达之间安装电动调节器，通过调整e m 调节器的转角值来改变 液压泵对液压马达的流量输出。进而改变液压导盘的转速。根据现有的软硬件条件， 1 0 东北走学硕士学位论文第二章导盘转速的控制 总结出如下方法： ( 1 ) 直接控制 通过检测的导盘实际转速与目标转速的差值来调整删调节器的开度。这种优点是 闭环控制，精度高，系统无需定期更新和调整。缺点是易于受测量结果影响。当导盘电 磁测速装置损坏时，无法进行导盘速度控制。 ( 2 ) 间接控制 建立导盘实际转速与e m 调节器开度的关系模型。当给出要求的导盘转速，计算出 所需的e m 调节器开度。这种方法优点是控制简单可靠稳定，不受导盘速度测量结果影 响。缺点是开环控制，精度较低，且模型需要定期调整。 在此，我们使用直接控制与间接控制相结合的方法。当导盘的电磁测速装置正常：r 作时，我们采用闭环直接控制，当导盘的电磁测速装置不能正常工作或测量结果偏差较 大时，采用开环间接控制。这样作既满足了导盘转速控制的精度要求，又使得控制安全 可靠。 2 3 导盘转速的模糊p i d 控制器 由于影响导盘转速的工艺参数经常改变，所以导盘转速控制系统的被控对象存在不 确定性，难以建立精确的数学模型。采用单纯的p i d 控制很难达到控制要求，因此我们 选用模糊p i d 控制。 模糊自整定p i d 控制【2 4 - 2 6 是在一般p i d 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规 则环节，利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误 差e 和误差变化e c 作为输入，可以满足不同时刻的e 和e c 对参数自整定的要求。它 将模糊控制和p i d 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强 的优点，又具有p i d 控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好 的控制效果”i 。 2 3 1 模糊p i d 控制器的结构 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用： 维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差e 和误差变化率e c 为输入语句变 最。结合导盘转速控制系统，模糊p 】d 控制器的构成如图2 3 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章导盘转速的控糊 2 _ 3 2 模糊化 图2 3 模糊p i d 控制器构成图 f i g 2 3t h ec o n s t i t u t ed i a g r a mo f f u z z yp 1 dc o n t r o l l e r 模糊控制器设计的第一步是模糊化，即根据变量的精确值，分别确定它们的隶属函 数。也就是在模糊变量的模糊集和论域确定后，必须对模糊语言变量确定隶属度函数， 即所谓对模糊变量赋值。因此，在导盘转速控制这模型中，模糊控制器的输入的误差 e 和误差的变化率e c 如式2 1 。 e = n 盯 旦) + s 盟( 8 ) 、 e c = r ( p c ! l _ ) + s 印( ) e c m 其中，偏差变化范围限制在 一e u ，】，偏差变化率范围限制在 一e c m ，e c m 】。 为了实际推理的方便，往往将在实际区间陋，用内的变量转换到区间 - 转换公式为： y = 惫( x 一半 n ，” 之间其 ( 2 2 ) 将精确变量模糊化的过程为：将精确变量离散化分为若干个等级。设精确变量的论 域为( 一工，曲，即精确变量的变化范围为( 一x ，x ) 。若变量的模糊集论域取勾 ( 一n , - n + 1 ，h 一1 ，n ) ，即变量的模糊值变化范围为( 一，- n + l ，”一l ，月) ，则变量的模糊 化因子为k - - n x 。 在实际应用中，为了使计算尽量的简便，从而有效的降低计算成本，1 般把变量 模糊值的变化设定在一个比较小的范围之间连续变化，这一范围即为变量的模糊论域。 首先取变量的论域为( 一n ，一n + 1 ，h 一1 ，n ) 。在论域确定之后，把( m 一。+ 1 ，：。i 。) 之 。1 2 一 东北大学硕士学位论文 第二章导盘转速的控制 间连续变化的量分为m 档，再将论域分成2 n + 1 个等级。再根据实际的系统状况分别得 出备档的隶属度函数。例如对于n b ，若在论域中一3 为最负值，则我们可认为3 对n b 的隶属度为1 ，又可认为一2 对于n b 的隶属度分别为0 5 ，而其余各档对于n b 的隶属度 全都为0 ，则可得到对n b 的模糊集为e r = ( 1 ，0 5 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ) 。 同理可写出论域对各档的模糊集。为了便于观察和计算使用，将这m 个模糊集列成 为一张表格，这张表格就是模糊变量的赋值表。 首先将误差e 模糊化。我们在这里取它的论域为 一3 ，3 。在论域确定之后，出于提 高稳态精度的目的，把 - 3 ，3 之间连续变化的量分为7 档，记为p b ( j e 大) ，p m ( 正中) ， p s ( 正小) ，z ( 零) ，n s ( 负小) ，n m ( 负中) ，n b ( 负大) 。再将论域分成7 等级，则有 x = 一3 ，一2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 。同理，对误差变化率e c 也进行相同的模糊化。 在这里我们采用在实际工程中最常用的三角形隶属度函数【2 ”，作为我们的隶属度函 数。由此，我们可以得到模糊变量误差e 和误差变化e c 赋值表( 见表2 1 ) 。 表2 1 误差e 和误差变化e c 赋值表 t a b l e21v a l u a t i o no f ea n de c n m n s z p s p m p b 0 5 o o 0 o o l 0 5 o o o 0 o 5 1 0 5 0 0 o o o 5 1 o 5 o o o o 0 5 l 0 5 0 o o o o 5 1 o 5 0 0 0 0 0 5 1 然后，将控制量k p 、虹、k d 模糊化。k d 同e 和e c 一样，在这晕取它的论域为 - 3 ，3 】。 k p 的论域为 一0 3 ，0 3 1 ，k i 的论域为 一0 0 6 ，0 0 6 】。在论域确定之后，把论域之间连续变化 的量也分为7 档，记为p b u e 大) ，p m ( e o ) ，p s ( j ：t j 、) ，z ( 零) ，n s ( 负小) ，n m ( 负中) ， n b ( 负大) 。则有x k p = 一0 3 ，一0 2 ，0 1 ，0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 】，x k d = 【- 0 0 6 ，一0 0 4 ，一0 0 2 ，0 ，0 0 2 ，0 0 4 ，00 6 。 表2 2 控制量k p 赋值表 n m n s z p s p m p b 05 o 0 0 0 o l o 5 o 0 o o o 5 l o 5 0 0 0 o 05 1 0 5 o o 0 0 o 5 l o 5 0 1 3 o o o o吣； o o o 。 东北大学硕士学位论文 第二章导盘转速的控制 表2 3 控制量k i 赋值表 t a b l e2 。3v m u a t i o no f k l n b n m n s z p s p m p b 1 0 o 5 0 o o 0 0 0 5 1 0 5 0 0 0 o 0 o 5 1 0 ，5 0 o o o o o 5 1 o 5 o o 0 0 o o 5 1 o 5 o o o o 0 o 5 1 o 5 o o o o 0 05 1 由此。我们仍然利用上面的方法求模糊变量控制量l c p 、l ( i 的赋值表( 见表2 2 和表 2 3 ) ，k d 的赋值表同表2 1 相同。 2 3 3 模糊推理 第二步是根据控制规则进行模糊推理。模糊控制器的中心任务是依据语言规则进行 模糊推理。对于人类已知的系统，依据人的手动控制经验和直觉推理，经过经验归纳构 成模糊控制语句，据此构造一个模糊控制器。在本模型中，输入为误差e 和误差变化率 e c ，输出为控制量的变化k p 、k i 和k d 。 在实际工程应用中，模糊算法最常用的推理语言规则是 i f ea n de ct h e n 毡 由上面的讨论可知，这种控制规则是一个模糊条件推理语句，它对应一个模糊关系为 8 = 尽e c x u ( 2 。3 ) 若用模糊矩眸表示上式，见| 有 j 尽