板材厚度测试计 毕业论文

北华大学毕业设计（论文）

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摘要

厚度与板形精度是板带产品的两大质量指标。目前随着轧制理论、控制理论和人工智能理论的发展，以及它们在轧制过程中的应用，使得板材产品的厚度精度与板形指标有了很大的提高。

厚度控制是通过测厚仪或传感器对实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置，张力或轧制速度，把厚度控制在偏差范围内的方法。

影响厚度指标的因素很多，如来料厚度波动，硬度不均，张力不稳，速度不稳，轧辊偏心，轴承油膜和轧辊尺寸变化，均能使产品的出口厚度产生误差。为了解决这些问题造成的影响，所采取的控制方法也很多，如前馈，反馈，厚度计，张力，速度，补偿轧辊偏心等等的方法。这些措施就是轧制系统中已广泛采用AGC系统。由于该系统是利用机架弹塑性曲线进行厚度测量与反馈控制，因此其厚度精度决定于机架的弹性曲线与AGC模型的精度。这种控制方法可以保证板材的厚度均匀，但不能保证绝对厚度精度，所以实际系统往往是几种控制联合使用才能够满足需要。

我们此次设计首先从系统的稳定性快速性考虑，采用了厚度计AGC，此系统能够快速粗调，对于我们控制精度要求无法实现。为了提高轧制精度，我们又加入了由测厚仪组成的反馈系统加以辅助控制，同时还加入了前馈控制系统以消除来料厚度的波动对厚度影响。所以我们实际采用的是厚度计法和由测厚仪组成的反馈，前馈相结合的复合控制法。

关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用《汉语主题词表》等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。

关键词：AGC；厚度计；前馈；厚度自动控制；轧制

Abstract

Theaccuracyofstripgaugeandthestripflatnessaretwoqualitytargetsofstripproduction.Atpresent.,theyhavehugeadvancementwiththedevelopmentofrollingtheory.controltheoryandartificialintelligencetheoryandtheirapplicationintherollingprocess.

Thicknessitcontrolstobethroughexaminethickappearanceorsensortorollandpublishthicknessgoonmeasurementinsuccessionactually,andthedeviationsignalaftercomparingwithaccordingtothesurveyingvalue,withtheaidofcontrollingthefunctionproceduresofthereturncircuit,deviceorcomputer,changeandpresstheposition,tensionorrollingspeed,controlthemethodwithintherangeofdeviationofthethickness

Therearealotoffactorsinfluencingthicknessindex,Ifthethicknessofsuppliedmaterialsfluctuates,thehardnessisuneven,tensionisunstable,thespeedisunstable,therollispartial,bearingoilfilmandrollmeasurementchange,canmakethethicknessofexportoftheproductsproducetheerror.Inordertosolvetheinfluencethattheseproblemscause,controlsmethodtakenarealotoftoo,suchasthefeed-forward,feed-back,thethicknessiscounted,tension,thespeed,compensatethepartialmethodtowaitamomentoftheroll.ThesemeasuresarethathavealreadyadoptedAGCsystemextensivelyinrollingsystems.Becausethissystemutilizestheframeworktoplaytheplasticitycurveandcarryonthicknessmeasuringandfeedbackcontrol,soitsthicknessprecisiondecidebyelasticcurveandAGCprecisionofmodelofframework.Thiskindofmethodofcontrollingcanguaranteethatthethicknessofthescreenmaterialiseven,butcan'tguaranteetheabsolutethicknessprecision,sooftenseveralkindsofcontrolarejointlyusedandcanjustsatisfythedemandintherealsystem.

KeyWords：Automaticgaugecontrol;gaugemeter;feedforward;theautomaticthincknesscontroling;rolling

Designatfirstconsidersincestabilitysexnotfastofsystem,lastpressure,standardpairmadeupinpositionclosesthecontrolsystemofthering,thissystemcanbeadjustedthicklyfast,whattheprecisionisexpectedmuchisunabletoberealized,inordertoimprovetherollingprecision,wejointheresponsesystemexaminedthethickappearanceandmakeuptoassistandcontrolagain,sowhatweadoptactuallythicknesscountlawandexaminethickfeedbackcomplexthatlawcombinetogetherthatappearancemakeupcontrollaw

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目录

TOC\o"1-3"\h\z

摘要

1

Abstract

2

引言

1

1板材厚度控制的基本理论

3

1.1厚度控制简介

3

1.1.1轧机的弹性变形与弹跳方程

3

1.1.2轧件的塑性变形与塑性方程

4

1.2厚度变化的原因

5

1.2.1厚度变化的分析

5

1.2.2影响带材出口厚度波动的因素

7

1.3厚度控制方式

7

1.3.1调整压下

7

1.3.2调整张力

8

1.3.3调整轧制速度

9

1.4厚度控制原理

9

1.4.1厚度计AGC

9

1.4.2前馈AGC

11

1.4.3测厚仪AGC

11

1.4.4液压AGC

12

2厚度控制系统

14

2.1厚度控制系统基本原理

14

2.2厚度控制系统的设计

15

2.2.1厚度计AGC自动控制系统

15

2.2.2测厚仪AGC自动控制系统

16

2.2.3前馈AGC控制系统

18

2.3厚度计AGC控制系统中零位调整死区的功能

18

3MATLAB仿真

20

3.1PID控制器的设计

20

3.2厚度控制系统调节器的选取

21

3.3控制系统的仿真

21

3.3.1Simulink仿真

21

3.3.2仿真结论分析

26

4系统的单片机控制

27

4.1硬件设计

27

4.1.1系统的主板作用

27

4.1.2处理器的选取

28

4.1.3EPROM的选型

29

4.1.4A/D数模转换器的选型

29

4.1.5D/A数模转换器的选型

30

5系统的软件设计

31

5.1主程序的设计

31

5.2中断服务程序

34

5.3键盘显示程序

37

5.48279显示子程序

39

5.5PID程序设计

42

结论

49

参考文献

50

附录A

MACROBUTTONNoMacro［单击此处键入附录题名］

51

致谢

52

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引言

21世纪世界钢铁工业发展的一个显著特点是钢材市场竞争愈演愈烈，竞争的焦点是钢材的质量高而成本低。随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，汽车、机械制造、电器和电子行业对板材及带材的质量提出了更高的要求。板厚精度是板带材的两大质量指标之一，板厚控制是板带轧制领域里的两大关键技术之一。我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板带轧机，其关键技术是高精度的液压板厚控制和板形控制。板厚精度关系到金属的节约、构件的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品厚度，厚度控制系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。液压辊缝自动控制是AGC(自动厚度控制)系统的重要组成部分，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性和保证较高的厚度精度，从而生产出合格产品。

板带厚度控制技术的发展概况。

回顾我国冷轧已应用的厚度控制系统，可归纳为3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AGC(Automatic

GaugeControl)系统。上个世纪70年代，厚度控制系统大多是这类系统，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干0.4mm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。

我国早期的AGC系统调节压下装置的执行机构是电动的，因电动压下响应慢和非线性的缺点，逐渐被液压压下机构代替。

(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侧带钢张力AGC统。将上述AGC系统数字化，并增加前馈控制回路就构成这类AGC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。方法是将轧机入口侧测厚仪至轧辊中心的距离分成若干整数段，把经过入口侧测厚仪的每段带钢厚度顺序存入移位寄存器中，寄存器按FIFO方式工作，当寄存器输出的带钢段进入轧辊时，系统按该段厚度偏差值调整下，以消除进入轧机的带钢厚度偏差。这种控制方式消除了带坯纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差较大的缺点。

(3)采用前馈控制、压力反馈控制和监控的AGC系统。上个世纪80年代，在用现代控制理论的基础上，利用电子技术与计算机技术相结合，对上述2类AGC系统进一步加以改进，形成了GM-AGC系统或BisraAGC系统。其主要特点是使用轧机弹跳方程计算轧后带钢厚度作为实测厚度，与设定厚度或锁定厚度相减，其差为检测的厚度偏差值，经过转换后用子压下调节。这样就不存在轧辊中心到测厚仪的传输滞后时间了，从而提高了系统性能，获得普遍应用。再加上监控AGC控制，消除了低频干扰因素的影响，如轧辊磨损、轧辊热膨胀等。

2.板厚控制系统研究趋势

当前国内外在板厚控制方面的大部分研究工作围绕着下面的几个方面:

(l)由于厚度自动控制方式很多，各种AGC复合系统往往相互关联，相互影响，实际上存在着最优组合方案，这是目前世界上一些该领域的学者们积极研究的课题。

(2)随着人工智能控制系统在工业生产领域的应用，一些板厚控制系统也逐渐地采用了人工智能控制系统，主要在PID控制器的选择上。目前采用的如自适应神经网PID，模糊PID控制，这些控制器大部分是被应用在不稳定的轧制状态下，如;头、尾板厚控制[13-16]。利用现有的普通控制环节在不稳定状态下进行厚度控制，想得到一个高的控制精度是很困难的，这主要是由于设备的各个部分相互影响，且扰动因素比较多。提高带钢头尾的厚度控制也是当今质量控制领域的一个热门。一个自适应PID神经网络控制器能迅速地降低出口厚度偏差。在PI参数在线自适应调整的同时，头尾厚度精度被有效地提高了，不合格的带长可减少73%。

本课题设计了一种由前馈，厚度计AGC和反馈组成的复合控制系统，使用本系统可以很好的控制板材厚度，可以节省原料，提高带材的质量，有利于提高产品竞争力，使企业获得更大的经济效益，所以本系统就有很好的可行性。

板材厚度控制的基本理论

厚度控制简介

轧机的弹性变形与弹跳方程

轧制时，在轧制压力的作用下，轧机(轧辊及其轴承、压下装置和机架等)产生一定量的弹牲变形。轧机的总变形量可达2--6mm。轧机的弹性变形将影响轧辊的开口度和辊型，从而对轧制产品的精度造成影响。

轧机的弹性变形与轧制压力有关。在轧制压力较小时，轧机弹性变形与轧制压力成非线性关系，这是由于轧机各零件之间的接触面凸凹不平和轧辊的非线性接触变形造成的。当轧制压力达到一定数值后，轧机弹性曲线与轧制压力就成线性关系。轧机弹性变形曲线(图1-1)直线段的斜率，称为轧机的纵向刚度系数。可用公式1-1表示:

(1-1)

式中M—轧机纵向刚度系数;

—轧机制压力的变化量;

—弹性变形的变化量。

一般认为，轧机纵向刚度系数愈大，轧机控制轧件纵向厚差的能力就愈强。由

图1-1可见，轧后的轧件厚度h可近似地表示为：.

(1-2)

式中P—轧制压力。

该式称为轧机的弹跳方程，它表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制压力和轧机纵向刚度系数之间的关系，是轧机厚度自动控制系统中的一个基本方程。

由于轧机各零件间的非线性接触变形不稳定，每次换辊之后都有变化，故弹跳曲线的非直线部分经常是变化的，因此式1-2很难在实际中应用。

在实际生产中，为了消除上述不稳定和非直线段的影响，先将轧辊预压靠到一

定的压力，并将此时的轧辊辊缝指示器读数设为零，称为人工零位。见图1-2，图

中的弹跳曲线A’就是预压靠曲线。在零点处轧辊开始接触，当压靠力为时，轧

辊空载辊缝为-S，是一个负值。以此点作为人工零位，即将压靠力为时的轧辊辊

缝指示器读数设为零(称为清零)。显然，当压靠力等于零时，实际的空载辊缝为零，而辊缝指示器读数则为，如果轧辊上升，当实际的空载辊缝为S时，辊缝指示器读数则为曲线A为在此辊缝下的轧机弹跳曲线，它与压靠曲线A'是完全对称的。考虑到轧辊液体摩擦轴承油膜厚度变化的影响，精确的弹跳方程可表示为:

(1-3)

式中—人工零位后空载辊缝指示值;

一人工零位时的预压靠力;

—液体摩擦轴承油膜厚度;

—对应于人工零位时的油膜厚度。

图1-1轧机底座弹性变形曲线图1-2人工零位时弹跳曲线

轧件的塑性变形与塑性方程

在一定的轧件宽度和轧辊半径条件下，轧制压力实际上是轧件厚度、张力、摩

擦系数和轧件变形抗力等因素的函数[24][25]，轧制压力与轧后轧件厚度的关系称为轧

件的塑性变形曲线。轧件塑性变形曲线的斜率，称为轧件的塑性刚度系数，可表示

为:

(1-3)

式中W轧件塑性刚度系数。

轧件塑性变形曲线是非线性的，但在一般轧机使用的压下量范围内基本是线性的，因此轧件的塑性方程可近似地表示为:

(1-4)

式中—压下量，;

—轧制压力直线段延长线与横坐标的交点离塑性曲线原点之间的距离。

轧件塑性刚度系数W反映了轧件变形的难易程度，即轧件的软硬程度。轧件的塑性变形曲线及轧件塑性刚度系数可以通过实验得到。在轧件轧前厚度、张力、摩擦系数及变形抗力等不变的条件下，改变轧件轧后厚度，可测得一系列相对应的轧制压力P。根据测得的数据，即可绘制成轧件塑性变形曲线，进而得到轧件塑性刚度系数。

当轧制条件(某些固素)变化时，塑性曲线及塑性刚度系数亦随之发生变化。在一定的轧制压力下，轧件轧前厚度愈薄，塑性曲线愈陡，轧件塑性刚度系数W愈大，压下量愈小:张力愈大，塑性曲线愈平缓，轧件塑性刚度系数愈小，轧后轧件厚度就愈薄;摩擦系数愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后厚度也愈大，愈薄;变形抗力愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后厚度也愈大、愈薄。

图1-3弹塑曲线迭加图的P-h图

厚度变化的原因

厚度变化的分析

带材轧制中，厚度变化的原因可以从下面的表达式[1-5]，即弹跳方程简便地分析出来:

(1-5)

式中—轧材的出口厚度;

—空载辊逢值;

—轧制力;

—轧机结构刚度。

弹跳方程式可以用下图表示，图中，直线A的斜率表示轧机的结构刚度。它等于：

=(1-6)

式中——表示轧制力增量

——表示空载辊缝增量

——表示直线A的斜率

直线B的斜率表示轧材的刚度

(1-7)

式中——轧材厚度变化

——表示直线B的斜率

1-4初始辊缝条件曲线1-5辊缝设定值厚度变化曲线

1-6轧材入口厚度变化曲线1-7轧机刚度变化曲线

直线A和直线B交点由C点表示，它决定了轧制力P和出口厚度的值。由公式(2-6)和图1-3可方便地用来分析厚度变化的原因。

影响带材出口厚度波动的因素

(1)厚度偏差直接受胚料的厚度和形状急均匀情况影响，包括带材的厚度不均和宽度不均，为了消除来料波动对控制精度的影响，我们可以同过前馈控制来预报，从而使出口厚度控制在我们的期望值；

(2)轧机在轧制时，辊发生热膨胀，辊偏心，轧机刚性变化等都会使得辊缝发生变化，从而影响厚度控制精度，为此，我们得实时检测，及时控制由此造成的变化；

(3)轧制时前后张力的变化，轧制速度的变化也会造成厚度波动

厚度控制方式

调整压下

调整压下是厚度控制的最主要和最有效的方式，它通过改变空载辊缝的大小来消除各种因素的变化对带材厚度的影响。

图1-8为消除来料厚度变化影响的厚控原理图。当来料厚度为H时，弹性曲线为A,塑性曲线为B,轧后带材厚度为h。如果来料厚度有一个增量，则塑性曲线由B移到，轧后带材厚度就有一个增量(偏差)。为了消除这一偏差，就要调整压下，使辊缝减小一个调整量，弹性曲线由A变，与交点的横坐标为h,即轧制后带材厚度不变。

1-8调整压下消除来料厚度变化的影响

图1-9为消除张力、摩擦系数和变形抗力变化影响的厚控原理图。这些因素的变化都会改变塑性曲线;当张力减小、摩擦系数增大、变形抗力增人时，塑性曲线的斜率增大，反之塑性曲线的斜率则减小。当这些因素的影响(单独作用或同时作用)使塑性曲线由B变到时，塑性曲线的斜率增大，带材厚度h就有一个增量(偏差)，为了消除这一厚度偏差，调裂压下使辊缝减小，弹性

曲线由A变到,与交点的横坐标为h，就可以使轧后带材的厚度恢复到h。

1-9调整压下消除张力，摩擦系数和变形抗力变化不影响

调整张力

在连轧机或者可逆式轧机上，除了调整压力进行厚度控制以外，还可一以通过改变前后张力来进行厚度控制，如图1-10所示，当来料厚度H有一个正偏差时，轧后带材厚度h将产生正偏差。在空载辊缝不变的情况下，通过加大张力，使塑性曲线的斜率减小，由曲线变为,A与交点的横坐标为h，从而消除厚度偏差，使轧后带材的厚度h保持不变。

图1-10调整张力消除来料厚度变化的影响

张力厚度控制与压下厚度控制相比，其优点是比压下厚度控制反映速度快井且易于稳定，可使厚度控制精度更准确;缺点是热轧带材和冷轧较薄的带材时，为了防止拉窄和拉断，张力的调节变化范围不能过大。这种方法在冷轧时用得较多，热轧一般不采用，但有时在热轧末机架采用张力微调。冷轧时，往把调整压下厚度控制和张力厚度控制配合使用、当厚度偏差较小时，在张力允许的范围内采用张力微调。当厚度偏差较大时，采用压下厚度控制。

调整轧制速度

调整轧制速度可以起到调整轧制温度、张力和摩擦系数的作用，从而改变塑性曲线的斜率，达到厚度控制的日的。其厚度控制原理图与张力厚度神制原理图相似。

厚度控制原理

厚度计AGC

该方式AGC系统其带材的实际厚度是由弹跳方程计算出来的，在确定的轧机上其刚度系数可用测试的方法求得，是一个已知数，辊逢值及轧制力可用辊缝仪和测压仪测得，因此，利用弹跳方程可以测得任何时刻的带材实际厚度。这个相当于把整个轧机当作厚度计，用这种方法可以克服前述的传递时间滞后，但仍对压下机构的电气机械系统及计算机控制程序运行时间滞后不能克服，所以该方法的实时性仍有一定差距。

hREF

压下装置

控制器

h=s0+F/M

△h

△S

+

压头

F

h

1-11厚度计AGC系统原理图hREF

SoREF

控制

算法

记忆

环节

轧机

1/M

F

△S

+

+

+

+

+

—

—

h

△h

△S0

S0

△Sx

1-12厚度计AGC系统框图

前馈AGC

带材入口厚度由安置在轧机入口的测厚仪测量并且被从入口测厚仪到轧机辊缝之间被跟踪，即入口厚度被输入一个缓存器并且准确切跟踪，当测量的带材轧入轧机辊缝的时候，带材厚度测量值被从缓存器中提出，然后与入口厚度设定值比较。入口厚度测量值对应入口厚度设定值的偏差的任何改变被存入控制器。前馈控制器的集成输出被转换成位置变量，并且辊缝被打开或压下用于入口厚度偏差的校正。

1-13前馈AGC系统原理图

为了跟踪测量的入口厚度近可能的精确到进入辊缝，要考虑入口测厚仪的响应

时间，从测厚仪到轧机辊缝带钢的跟随时间和液压调整的响应时间都有延迟。

测厚仪AGC

通过安装在轧机出口处的测厚仪，测得带材的实际出口厚度，将此厚度与给定值比较，产生厚度偏差，用这个偏差信号去控制系统，使出口厚度达到我们的期望值。

1-14测厚仪AGC系统原理图

反馈控制器比较出口带钢厚度的参考值和测量值。通过轧制模型和轧材模型，任何偏差都被转换成位置变量。

反馈控制的目的是保持轧机出口的厚度是一个常量，它是调节通过辊逢和轧制力来校正厚度偏差。

由于轧机和测厚仪之间的距离，有一个不可忽视的死区，即在轧制结果的测量

和工艺执行之间。由于这个死区，只有非常慢的积分控制器可用于所有厚度偏差的

校正，即反馈控制器只能校正长周期的厚度偏差。

图中Td一纯滞后时间;SOREF一空载辊缝基准值。

测厚仪式AGC是最早的一种AGC形式。由于系统中存在较大的纯滞后，所以，测厚仪式AGC系统存在严重的难以稳定的问题，很容易出现超调和振荡现象。

液压AGC

液压APC系统即液压AGC的电液位置伺服系统，它的任务是接受AGC系统的指令值，进行压下缸的位置闭环控制，使压下缸实时准确地定位在指令所要求的位置，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是液压AGC的执行系统，也是整个AGC系统的基础。

PI控制器

伺服放大器

电液伺服阀

位移传感器

——

位置给定

1-15液压AGC系统框图

如图所示，缸体相对于活塞的位移通过位移传感器检测出来，在实际系统中，为了消除活塞相对于缸体摆动的误差，位移传感器是在缸体两侧对称安装，传感器分别固定在缸体和与活塞连接的挡板上，取其平均值作为实测位移值。位移传感器检测出来的电压信号反相送到位置设定值的输入端，与给定的设定值信号相比较，得出的电压误差信号通过PI控制器进行调节，然后经过伺服放大器进行放大并转换成电流信号送给电液伺服阀，系统中的电液伺服阀直接安装在压下缸上，伺服阀获得电流信号后输出负载流量给压下缸，压下缸就输出一定的位移，直到位移传感器的实测值与设定值相等为止，这就是液压AGC系统闭环控制的过程。

厚度控制系统

在前面所介绍的前馈控制，厚度计AGC，测厚仪AGC，他们单独使用时有各自的利弊，一般情况下很难达到我们所要的系统性能指标。在轧制过程中，为得到优良的产品，我们往往采用多种控制方法相结合的复合控制方法。在此，根据要求和现有水平，采用的是前馈，厚度计和测厚仪反馈三种方式相结合的复合控制系统。

厚度控制系统基本原理

厚度控制是通过测厚仪或传感器对实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实测值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置，张力或轧制速度，把厚度控制在偏差范围内的方法。

在本文的设计中考虑到影响轧机出口厚度精度的两个重要方面：一是周期性的干扰因素，包括入口厚度的波动，以及支撑棍偏摆造成的辊缝波动；二是漂移性的干扰因素，辊缝热变形，电气及液压系统等的漂移。因此，为了保证出口厚度少受或不受干扰因素的影响，在厚度自动控制系统中，除了要有保持辊缝大小的位置闭环系统外，还必须具有消除入口厚度干扰的前馈系统、轧辊摆偏干扰的偏心补偿系统、各种漂移与其它干扰造成出口厚度偏离的监控系统。其中，入口侧测厚仪及出口侧测厚仪的传递函数均可分别视为一阶惯性环节。

即：（2-1）

及：（2-2）

式中T1——入口侧测厚仪的时间常数

T2——出口侧测厚仪的时间常数

K1——入口侧测厚仪的放大系数

K2——出口侧测厚仪的放大系数

由于测厚仪只能安装在轧机入口前某一位置或轧机出口处呆一位置，因此，入口侧从测厚仪到压下中心线的传递函数为一纯延迟环节，即:

（2-3）

一个系统如果没有高精确的检测元件，准确检测各个控制量或被测参数，那么即使有再好的控制系统，再灵敏的执行器件也将无济于事。系统采用的检测元件有位置传感器和压力传感器。

厚度控制系统的设计

厚度计AGC自动控制系统

假设压下调节系统用一个一阶惯性环节来代替，其传递函数为，则系统的动态结构图可简化为下图（2-1），在此只简述干扰量引起的调节过程。

控制器

2-1系统动态结构图

为得二阶最佳系统，图中的算法框应该是比例调节器，设比例放大系数为，此时系统的开环传函为：

=（2-4）

系统的频率特性为：

（2-5）

根据二阶系统最佳参数的如下关系可以求得比例系数，=

式中——系统的开环放大倍数

——为系统的等效时间常数

（2-6）

所以（2-7）

我们设初给定值为+5V时，出口厚度为0.5mm，原始辊缝（即空载辊缝）为,轧制力为F，K为轧制的弹性变形系数。

正常轧制（即没有厚差），使给定信号和反馈信号的某一值对应给定辊缝，它们的绝对值的大小，则对应这辊缝的大小，绝对值越小，辊缝也越小。若无厚差，各信号仍为原给定值，所以位调输入信号为0，因此实际出口厚度h仍等于。所以各调节器仍稳定运行于某一值。直到由于如温度变化、来料材质不均等原因的影响，出口厚度变厚，（即），轧辊向下动，此时各个传感器反馈的信号不再和原来所设定的信号相同，位置传感器向下动，位置反馈绝对值变大，压力反馈增大，电磁阀得正电，使得轧辊向上压力增大，使辊缝变小，从而使得厚度变薄。使系统在新的压力下工作，直至稳定在新的稳定点上。，外环的调整结果是使辊缝不变。反之，若变薄了，电磁阀得负电，使轧辊向下运动，压力减小，压上油缸上腔进油，下腔出油。辊缝自然变厚。辊缝往大调时，位调为P调节；往小调节时，为PI调节。这时系统的控制速度和精度已经进行粗调完毕。但是对于我们所要求的更高精度的轧制，这个控制系统还有不足之处，因而我们加入测厚仪控制。

测厚仪AGC自动控制系统

许多扰动是在压力传感器和位置传感器上体现不出来的，如轧辊偏心，油膜厚度等等原因造成的厚度偏差，从而使精度降低，为了进一步提高系统轧制精度，我们采用了由测厚仪直接测量，再进行反馈的反馈控制来辅助原来的双闭环控制。此控制方法无论是何种原因造成的偏差，只要实际出口的厚度和预设的有偏差，那么测厚仪就能检测出来，从而参与调节，对给定值进行修正。这样就大大提高了系统的控制精度。

因为反馈环在厚度计之外，所以在设计时可以先将厚度计这个部分简化，简化后可将起看成一个二阶环节，由于反馈系统是一个滞后系统，为了便于设计，且滞后时间相对与系统来说可以忽略，所以在此设计时，将滞后环节省略，化简后系统的动态结构图如下：

控制器

2-2系统动态结构图

在此系统中，

开环系统放大倍数为K=55.58，轧机惯性环节T=0.15。所以原闭环系统的传递函数为：

其相应的闭环对数频率特性如下图所示，从图中我们可以看到，此时系统的幅值裕度和相角裕度分别为-5.8709dB和-16.6deg.系统不稳定。

2-3原系统闭环频率特性图

为了把系统校正成三阶最佳系统，在此需采用PI调节器。控制器的传递函数为：

系统校正后的闭环频率特性如下图所示：

2-4校正后系统闭环频率特性

从图中可以看出，系统的相角峪度和幅值峪度都为正值，有足够的稳定峪度，但系统的截止频率降低了，使系统的动态特性降低，降低了系统的响应速度，但通过校正系统的稳态性能很好。

下面简述其调节过程，这仍然以超厚为例。系统的实际出口厚度h超厚，那么经过测厚仪测得的偏差信号不再等于0。经过一个正负死区的比较信号，经行超厚调节。再经过一个积分器，来实现无静差，从而又进一步提高了控制精度。该积分器充放电的快慢程度由轧机的轧制速度来决定，轧机的速度越快，我们充放电的速度也越快；轧机速度越慢，充放电的速度也就越慢，这样既可以保证精度，又可以避免系统产生震荡。但当系统的偏差过大时，积分器的输出值很大时，仅靠去修正给定值来调节，往往因调节太大而使系统产生振荡。为了避免此现象，我们设置了带有死区的零位调整。如果偏差过大，并且超过了死区设定值，我们就把该信号直接加到双闭环的反馈回路上参与调节，即（即为零位调节信号）。这样既提高了控制调节的速度，又避免了系统产生振荡尤其在轧制更换轧辊时，作用尤为突出。

前馈AGC控制系统

系统的动态结构图如下所示，图中的为延迟环节的传递函数，为带钢移动延迟的时间和压下动作时间的总和，为影响系数，即增益K，为压下装置的传递函数，为系统中的延迟环节所整定的延迟时间。前馈系统的校正作用是在开环状态下进行的，为了达到预期效果，必须配合准确。

``控制器

+

-

在本系统中，我们在导向辊上安装一光电脉冲发生器（1000个），以测量带材移动的距离。并将长度分割为45段，则每段计算值为×1000/45，设，则×1000，其中×1000是指时间内的计数值，因此，只要每段按n进行计数，经过45段后，将测厚仪原先的采样信号转变为相应的控制信号，输出给压下装置，就可以调整由入口带材厚度波动带来的厚度偏差，从而使控制精度得以改善。

2.3厚度计AGC控制系统中零位调整死区的功能

零位调整处的死区设置及作用：

该处的死区设置要比前一个死区的大得多，它是整个控制系统中三个死区中设置最大的一个，他的作用是在如更换轧辊等大范围偏差出现时，仅靠修正给定值，往往会出现调节误差，因为修正给定的信号往往比较小，而大的偏差若通过死区时，我们直接把该信号送厚度计控制中去和修正给定值一起参与调节，这样调节会使系统很快达到平衡。双闭环系统中的死区设置作用主要是消除由于轧辊偏心或油膜厚度造成的偏差。其中以零位调整处的死区最大，闭环处的居中，而反馈处的最小，他的作用相当于一个滤波器。

MATLAB仿真

PID控制器的设计

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:

e(t)=r(t)-c(t)

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。由于其结构简单，能满足大量工业过程的控制要求，且PID控制的强鲁棒性使之能较好地适应过程工况的大范围变动，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，因而是工程上应用最广泛的控制规律。其控制规律为:

或写成传递函数形式:

式中，U(t)为控制器输出，e(t)为控制器偏差输入，,,分别为控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，,,的作用如下:

(1)比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越

大.系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定,取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

(2)积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差

消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过

程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

(3)微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程

中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应

过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

厚度控制系统调节器的选取

稳定性，快速性还有稳态误差是一个良好的控制系统重要指标，不仅要保证系统的动态稳定性，快速性，又能消除静态误差，同时对扰动也要有很强的抑制能力。单闭环系统的稳定性和快速性好，又能消除静态误差，但它对各种原因引起的扰动不能良好的抑制，所以实际的控制系统多采用双闭环控制系统。

为了使系统获得良好的静、动态性能，辊缝调节器采用P调节器，厚度调节器采用PI调节器。

因为PI调节器可以实现无厚差，只要系统存在厚差，积分作用输出量也要逐渐增加，直至输出达到饱和值。正因为这种可贵的积累作用，将积分调节器用在调厚系统中，就可以完全消除静态误差。加入比例调节器是为了提高控制系统的快速性。而加入一个死区，就是因为压力系统的控制精度有限，我们对由于轧辊偏心所引起的误差，此作为死区的设置不引入调节。

调节器采用PID调节器，是因为该厚控系统的被控对象是伺服阀，伺服阀直接控制液压缸的进油和出油流的大小，从而控制执行器件压上装置的上下移动。由于重力的存在，所以存在惯性，我们为了系统的调节品质，引入偏差的比例调节，是为了保证系统的快速性，引入偏差的积分调节以提高控制的精度，引入偏差的微分调节来消除系统的惯性影响。因此采用PID调节器。

控制系统的仿真

Simulink仿真

由于设计的系统无法在现场中得检验，为了得到设计系统的性能，在此我们选用1676mm冷轧机为例，对其进行仿真。仿真参数如下：

表一：轧机主要参数

轧机规格

（mm）

支撑辊尺寸

（mm×mm）

工作辊尺寸

（mm×mm）

牌坊质量

（kg）

1676

1200×1676

560×1676

油缸活塞直径

（mm）

活塞杆直径

（mm）

工作行程

（mm）

额定压力

（Mpa）

800

740

130

260

表二：仿真的主要参数

参数

数值

参数

数值

0.004

744.9

0.108

0.187

628

1.5×

0.7

7×

0.5026

61100

×

1.7×

9.9×

0.02

5.45×

图3-1系统仿真结构图

图3-2系统的仿真图

图3-3系统的仿真图

系统的响应特性可以用两个指标来表示：1.响应的快速行，由上升时间和峰值时间表示；2.实际响应和是输入的匹配程度，即对所期望响应的幅值和时间的逼近性，由超调量和调节时间表示。由图3-2可知，系统的上升时间为0.24s，峰值时间为0.32s，最大超调量为8%，调节时间为0.56s，可见系统的时域动态指标较为令人满意，并且与实际系统的时间响应特性大致吻合。

(1)增大系统的开环增益可以提高系统的响应速度和精度，其可以通过增大PI控制器的比例系数和伺服放大器增益的方法来实现，但取值过大将会影响系统的相对稳定性，如图3-3所示，当增大比例系数Kp时，系统的上升时间由0.24s减小至0.135s，超调量由8%增大到15%，故提高了响应速度，但是超调量变大，振荡次数增多，使系统的相对稳定性能变差。因此，只能在满足控制系统的主要性能指标和要求的条件下，适当的提高系统的开环增益。

(2)为了减小由于增大开环增益带来的过大超调量和出现的震荡次数的加大，可以通过调节PID控制器的微分环节系数来实现，如图3-4所示，为在3-3基础上增大微分系数，使系统的超调量由15%减小到10%。因此，为了加快系统的响应速度增大开环比例增益，由此造成的系统相对稳定性变差，可以通过调节PID的微分参数来改善系统的性能。

图3-4微分环节对系统性能影响

图3-5加入扰动时系统的响应曲线

在1s时给系统加入一个阶跃扰动量，此时系统的响应曲线如图3-5所示。由图可知，出现扰动后，系统经过大约0.2s后，又恢复到原来的值，可见，系统的抗干扰行比较好，可以很好的抑制扰动量对系统的影响。

仿真结论分析

利用计算机对厚度控制系统进行仿真，其主要目的是：

(1)由于我们无法把设计的系统放到现场中去实验，我们可以通过计算机来模拟，通过仿真实验我们可以迅速准确掌握控制过程中系统的状态和控制器的参数变化范围，以及参数变化对系统性能的影响，从而可以找到最优的控制参数。

(2)MATLAB仿真环境为我们提供了大量的各种输入，不同干扰信号，便于我们对系统作出比较完整的分析，从而找到最优的控制方法。

(3)此次设计的系统未运用到现场，仅通过理论分析设计，要用到现场中还需要在现场中综合考虑各种因素，从新整定控制器的参数，使系统性能达到我们的标准。

从上述的仿真结果来看，本次设计的系统基本达到了我们预先的指标，系统的稳态性能和动态性能都比较良好，且系统的抗干扰性好了。但是由于我们的设计是在忽略很多现场中的许多影响因素的前提下进行设计的，所以当我们将此系统运用到实际生产当中时需要对系统参数重新整定，甚至有必要采用更新进的控制策略才能达到我们所希望的控制精度。

系统的单片机控制

硬件设计

系统的主板作用

系统采用MCS-51系列的单片机8031，这是Intel公司80年代推出的单片8位计算机。从应用的角度来看，它有以下优点:

1、集成度高

单片机8031的内部含有128B的RAM,4个8位并行口，一个全双工的串行口，两个16位定时计数器、片内时钟振荡器、两种优先级的五个中断源的中断结构、64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器地址空间。并且由于集成度高，焊点少，可靠性也大大提高。

2、速度快，处理能力强

8031指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、转移指令，并且有丰富的位操作功能。

在采用12MHz晶振时，它执行一条单字节的乘法指令仅需4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。

3、扩充性好，寻址范围大

另外，8031还具有特殊的多机通信功能，很适合于用作分级分布式控制系统中的直接控制级。

主控板必须完成信号响应、采集、比较、控制、计算及信号输出，发出对显示电路和触发板的控制信号等功能。因此，主控板的设计对整个系统而相当关键。由于单片机采用大规模集成电路器件，集成度高，因面具有结构紧凑、功能强、体积小、可靠性高、面向控制和价格低廉等一系列优点，特别适合于控制型应用领域，因此，我的设想是采用MCS-51单片面为核心，与74LS373地址锁存器和程序存贮器共同组成单片机基本系统，用以完成数据采集、处理、运算控制，显示等功能。

处理器的选取

单片处理器选型:

中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。

（1）运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。

运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。

MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。

（2）控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。

EPROM的选型

M2764,，2764是8K*8字节的紫外线擦除可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS,28脚双列直插式封装。由于本系统的程序量和数据量都不大，因此2764已能满足系统设计的要求。

A/D数模转换器的选型

A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节。数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些信号转换成为数字形式，以便输入计算机。因此，对于一个模拟信号转换成数字信号所要求的基本部件应包括:

1、模拟多路转换器与信号调节电路。

2、采样/保持电路。

3、A/D转换器。

4、通道控制电路。

而A/D接口设计要点则包括如下几点:

1.选择合适的系统采样速度

2.减小A/D转换的孔径误差

3.合理选用A/D转换器

而合理选用A/D转换器对整个A/D转换接口的设计至关重要，A/D转换器指标的好坏直接影响到接口电路设计的成败，因此我们必须根据系统的要求，合理选用适用的A/D转换器，在A/D转换器的选型上有几个指标必须要明确:

分辨率(Resolution):分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或者BCD码位数来表示。与一般测量仪表的分辨率表达方式不相同，不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示。转换精度(ConversionAccuracy):转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。

偏移量误差(OffsetError):偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值.

系统对数据采集精度要求是综合精度要求，它包括了传感器精度、信号调节电路精度和A/D转换精度。应将综合精度在各个环节上进行分配，以确定对A/D转换器的精度要求，据此确定A/D转换器的位数。选用8位、10位或12位以上分辨力芯片或相应的3(1/2),4(1/2)的双积分BCD码输出A/D转换芯片。

D/A数模转换器的选型

D/A转换芯片，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。实际上，我们在选用D/A转换芯片时，主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。

DAC0832具有数字输入锁存功能电路，能和CPU数据总线直接相连，带有数据寄存器及D/A转换控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换，且具有与CPU相同的单一电源供电5V，是八位分辨率的D/A转换集成芯片。它同8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。为20脚双列直插式封装结构。DAC0832内部由三部分电路组成。“8位输入寄存器”、“8位DAC寄存器”、“8位D/A转换电路”由8位T型电阻网络和电子开关组成。

引脚功能介绍：

DAC0832共有20条引脚，双列直插式封装。

(1)数字量输入线DI7～DI0(8条);

(2)控制线(5条);

(3)输出线(3条);

(4)电源线(4条)。

系统的软件设计

系统的软件设计包括主程序初始化，接口芯片初始化，中断设定，中断服务程序等等。

主程序的设计

主程序包括各接口芯片初始化，中断设定等，主程序框图如图所示

主程序清单如下：

ORG 0000H；

AJMP MAIN；转入程序

ORG 0003H；

AJMP INTOP；转INT中断服务程序

ORG 000BH；

AJMP TOP；

ORG 0013H；转定时器服务程序

ORG 00A0H；主程序地址

MAIN：MOVSP，#60H；设堆栈

MOVR1，#TFH；20~7FH清0

MOVR0，#20H；

UP1：MOV@R0，#00H；

INCR0；

DJNZR1，UP1；

MOVTMOP，#11H；设为16位定时器

MOVTCON，#05H；设中断IN为边沿触发

MOVTHO，#0F2H；置初示值

MOVTLO，#0FFH；

MOVIP，#09H；置IN和为高优先级

MOVIE，#0FH；允许IN中断

MOVDPTR，#9100H；规定A、B为输出口

MOVA，#03H；C口输入口

MOVX@DPTR，A；

MOVDPTR，#9104；8155接口定时器置初常数时间

MOVA,，#10H；定时20ms

MOVX@DPTR，A；

INCDPTR；

MOVA，#0A7H；

MOVX@DPTR，A；

UP2：ACALLKET；

MOV@R1，A；送显示缓冲区

MOV@R0，A；送备用地址

DECR1；修改地址

DECR0；

MOVR5，#03H；读给定值

MOVDPTR，#9100H；启动8155定时器

MOVA，#0C3H；

MOVX@DPTR，A；

SETBEA；开中断

LOOP：NOP；

ACALLDIR；调显示程序等中断

AJMPLOOP；

中断服务程序

我们采用由定时中断，采样周期大小的选择根据的是香农定理采样定理，一个连续时间信号，设其频带宽是有限的，其最高频率为Wmax,如果要想要使采样后的信号能包含原信号的全部信息，那么采样频率应该满足Ws>2Wmax,而我们的最大周期为300ms，所以我们采样周期定为10ms，因为我们的计算机完成的工作量不大，采样周期T定时到，CPU接受一次中断申请，在IN中断服务中完成一次控制。

我们在调节系统时，不可能产生多大偏差我们就调节多大偏差，那样调节容易产生误差，调节极不准确。为了使系统调节准确，而且没有误差，避免产生振动，我们设定了调节的标准量B，每次调节标准量，这样才能逐渐地接近没有误差，实现调节误差小甚至是没有误差，加入积分器的作用也是为了达到这个目的，而积分器的作用在计算机中是通过累加器来实现的。而调节的快慢是通过厚差和转速来共同调节的，在计算机中是通过公式来近似代替。在该系统中加入的二个死区，他们的作用前面已经讲过，在这里我就不讲了，我们在计算机中就是通过键盘来设定的。通过计算机出来的信号输出时要经过低通滤波器进行滤波，而且由于计算机出来的信号非常的小，所以还有功率放大的作用。中断服务程序框图如下：

图5-2中断程序框图

程序清单如下：

ORG0200H

INTOP：PUSHPSW；保护现场

PUSHACC；

MOVA，25H；取实际厚度h信号

MOVA，27H；取厚差信号

MOVA，36H；

MOVPSW，#08H；更新寄存器

CLRTR0；暂停

SUBBA.36，A，27H；比较h和c

JNBACC.7，D01VE；（h–c）为正转移

SJMPNEXT2；跳转

MOVX@DPTR,A；张力控制显示

NEXT1：MOVA，25H；取值

MOVACC.7，D01VE；值为正转移

MOVR0，25H；值为负取绝对值

MOVA，#00H；

SUBBA，#R0；

SJMPJCD；

DONE：MOVA，25H；取值

JCD：MOVB，36H；取a值

SUBBA，B；算||

JNBACC.7NEXT3；若||>a转移

MOVB，37H；若||<a则取-B

NEXT3：MOVB，37H；；若||>a则取+B

MOVA，40H；取

MULC，A，25H，A，40H；完成k

MOVA，42H；取

MOVB，40H；取n

MULD，AB；完成

ADDC，D；完成

MOVA，44H；取

MULA，C；完成

PUSHACC；将ACC压入堆栈

PUSHPSW；将PSW压入堆栈

SETBTR0；启动计数器

LOOP1:JBCTF0,LOOP2；益处吗？是则跳LOOP2

LOOP2:MOVA,R2；计数指针加1

ADDA,#01

MOVR2,A；存入R2

DJNZR2；指针返回

MOVA,R2；取栈底的值

SUBBA,b；比较看是否超过死区

JNBACC.7NEXT4；若超过死区跳转

MOVX@DPTR,A；2#输出显示

NEXT4：MOVA，46H；取K4的值

MULA，b；计算K4*b的值

MOVX@DPTR,A；1#输出显示

ACALLDIR；调显示子程序

NEXT2：POPACC；恢复现场

POPPSW；

RETI；中断返回

键盘显示程序

若操作人员有按键，则键值自动进入8279FIFORAM中，然后8279的引脚IRQ=1，向IN申请中断。在中断程序中，CPU先向8279写入读FIFORAM命令字40H，再读出键值送A中。中断返回后执行键盘分类程序。8279键盘中断程序

图5-38279键盘中断服务程序框图

初始化主程序：

ORG0000H

LJMPSTART

ORGSTART

START：M