轧机液压厚度自动控制系统的研究及应用

河北工业大学硕士学位论文轧机液压厚度自动控制系统的研究及应用姓名：王瑶申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王晓晔20071201轧机液压厚度自动控制系统的研究及应用iiTHERESEARCHANDAPPLICATIONOFTHECOLDMILLAUTOMATICGAUGECONTROLSYSTEMABSTRACTAutomaticGaugeControlSystem(AGC)isanimportantpartinautomaticsysteminmill.Theclassicalcontroltheoryisbasedonaccuratemathematicmodel.Butbecauseofcomplexityofmillprocessmechanism,itisdifficulttobuildanexactmathematicmodel.Intelligentcontroltechnologyisaneffectwaytosolvetheproblemofautomaticgaugecontrol.Thisthesisintroducesdetailedlyaboutthenewtechniques,thenewspecialties,thegeneralconstitutionofthecoldsheetmill,thelocationandfunctionoftransducers,andtheparametersofmaintechnologybasedontheMSB-6C-650BReversiblecoldrollingmillthickHydraulicControlSystem.Thesystem'smaincontrolmethod,principle,theprimaryfunctionofreversiblerollingmillandelectriccontrolsystemaccuracy,tensioncontrolaccuracy,precisionthicknesscontrolarealsointroduceddetailedly.Basedonthecurveofmillelasticdeformationandthecurveofstripplasticdeformation,theinfluenceofsomefactorsonthestripexitgaugeisanalyzed.OntheanalysisofthehydraulicAGCsystemandoperationmechanisminastripmill,andthemathematicalmodelofelectric-hydraulicpositioncontrolsystemisbuiltaccordingtotheequationofloadingpressure-fluxinservovalve,theequationofloadingfluxinhydrauliccylinderandtheequationofforceequilibriuminhydrauliccylinder.Accordingtothemathematicalmodelofelectric-hydraulicpositioncontrolsystem,thePIDcontrollerisapplied,andsteadycontroleffecthasbeenachievedinhydraulicAGCsystem.Becauseofthepropertyoffastresponse,highcontrolprecisionandhighanti-interferenceofthehydraulicAGCsystem,AdaptiveFuzzyPIDcontrollerandthesingleneuronadaptivePIDcontrollerareadopted,whichisappliedintheAGCcontrolsystem.Simulationresultsshowthat,basedontheAdaptiveFuzzyFuzzyReasoningPIDcontrollersarecomparedtothetraditionalsystemdynamicresponsecurvesbetter,shorterresponsetime!Overshootissmall,steady-statehighprecision!Systemencounterinterferencecanquicklyreturntosteady-state,gooddynamicandstaticproperties.AdaptivesingleneuronPIDcontrollercomparedtothetraditionalstep-responseovershootsmall,shortertransitiontime.PIDcontrolofthedependenceofstrongobjectmodel,oncetheobjectmodelchanged,thecontroleffectwillworsen.ThesingleneuronadaptivePIDchangesintheobjectmodelbytheimpactisverysmall,comparedwiththePIDsingleneuronadaptivePIDhasbetterrobustness.Thesefindingsabovecancertainlyprovidethetheorymeaningforoptimalcontrolofthesystem,theycanalsoprovidethetheoryfoundationforon-the-spotpracticalapplication.河北工业大学硕士学位论文iiiKEYWORDS:coldrollingmill,automaticgaugecontrol,intelligentcontrol，PIDcontroller,simulation河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1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。钢材应用部门连续化自动化作业的迅猛发展，除要求钢材的性能均匀以外，还要求钢材尺寸精度高。同时，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[1]。板带材主要用于冲制各种零部件，因此要求厚度精度高、板形好，以利于提高冲模寿命和冲压材的精度，轧制产品的高精度比是轧钢技术发展的重要趋势之一。全世界七十多年来已建成二百多套带钢热连轧生产线。我国从1978年武钢1700mm热连轧生产线建成投产至今，已建成及正在建设的宽带热连轧机达到了16套，年生产能力将达到4000万吨以上。到2000年底，我国生产的热轧板带材的精度有99%达到了士40um。冷轧带钢是带材的主要成品工序，其所生产的冷轧薄板属于高附加值钢材产品，是汽车、建筑、家电、食品等行业所必不可少的原材料。2003年全国消费钢材2.7亿吨，冷轧板带(含涂镀层板)消费量为2843万吨，占消费总量的10.47%;2004年按GDP增长7%测算，钢材消费量将超过2.8亿吨，冷轧板带消费量为3000万吨左右，而产量预测值为1734万吨，还需进口42%左右[2]。目前，在工业发达的几个产钢国家中，薄板、带材在钢材中所占的比例已超过了60%。从世界范围来看，发达国家的钢材生产已经从量的增加转移到提高产品的质量，开发高附加值产品的轨道上来。而我国虽然是一个钢产品生产大国，但产品的档次较低，特别是一些高精度的带材产品基本依赖进口。因此，研究钢材的轧制过程，提高产品质量和档次，增加国产钢材的竞争力具有十分重要的意义。厚度自动控制系统(AutomaticGaugeControlsystem，简称AGC系统)是轧机自动化系统中不可缺少的一部分，它控制金属带材厚度精度，使金属带材厚差在限定的标准内，提高金属带材的成品率[3-5]。但是，传统控制理论需建立在精确数学模型基础上来实现的，由于轧制工艺的复杂性，对于轧机厚度自动控制系统，要建立精确的数学模型是很困难的，智能控制技术为解决厚度自动控制提供了一种有效途径。§1-2研究背景与意义金属加工产品应用于社会的各行各业，与人类的生存息息相关，其生产和消费水平己成为衡量一个国家工业发达程度的重要标志之一。随着社会的发展，科技的不断进步，对金属加工产品的厚度精度要求越来越高，作为控制金属加工产品厚度的轧机自动厚度控制系统(AGC)，更是起着关键的作用，它决定着产品的精度与质量。在厚度自动控制系统(AGC)中，由于加工工艺的复杂性以及各种未知因素影响的不确定性，很难得到精确的数学模型，在经典控制领域中，AGC控制系统对轧机的厚度控制往往只能粗略给出控制参数，采用传统控制原理进行控制。粗略给定控制参数显然影响系统的控制精度，导致控制精度较差、存在超调或控制到厚度目标值的时间较长，造成费品率高，生产效率降低。由于AGC控制系统的不确定性，传统的经典AGC系统存在一定的问题。这里所说的AGC控制系统的不确定性，是指系统控制参数的不确定性。所谓系统控制参数的不确定性，是指由于金属带材厚度受到液压伺服系统、自动控制系统、工艺的瞬时条件和原料等几方面的共同影响，对于同样的轧制设备、工艺条件和控制系统，轧机液压厚度自动控制系统的研究及应用2AGC控制参数的整定是不一样的，而且没有规律可循[6-9]。因此为了使AGC能正常运行，达到设计控制精度，就必须作为一个系统来考虑，而不仅仅是一个控制设备。正是由于AGC控制系统的这种不确定性，要继续提高控制精度是比较困难的，而智能技术正是解决AGC系统控制精度和轧制过程不确定的成功的技术之一。我国研制的金属轧机AGC系统在在改革开放的20余年中不断改进，日趋完善。然而由于我国自主研发轧机的时间较晚，很多先进的控制理论，例如模糊控制与神经网络控制，并没有很好的应用与实际生产中，AGC系统控制精度不如国外，自动化程度也落后于国外。为了生产出高质量的产品，国内不少轧机的AGC系统采用进口产品，但价格昂贵，维修麻烦，严重阻碍了国民经济的发展[10]，因而，自行开发出智能控制的AGC系统很有必要。由上面的分析可以看出，以往的AGC系统存在一定的问题，如果采用传统的控制方法，要继续提高控制精度是比较困难的。作为轧制技术重要组成部分之一的AGC控制系统的任务是保证成品质量的重要品质，但是由于现存的AGC控制器或多或少具有缺陷，因此有必要利用现存的智能技术对AGC系统进行再开发，设计出性能更加优良的AGC控制器。模糊系统可以提取现场工程师和专家的操作经验，由此确定AGC系统调节厚度的准则，能够达到现场专家级的调节精度。总的来说，我国目前的现状，金属加工工业迫切需要推动基础理论研究和技术开发，以适应国民经济发展的要求和面对加入WTO后的国际市场。因此，智能控制在AGC中的应用，对提高金属板带材产品的质量，具有较强的现实意义。§1-3板厚控制的发展状况板带的主要衡量指标是厚度和板形，轧机控制主要包括轧件的厚度控制和板形控制两大部分。厚度有纵向厚度和横向厚度，厚度自动控制(AGC)是指纵向厚度控制，其目的是为了获得带钢纵向厚度的均匀性。同其它各种技术的发展一样，板带轧机板厚控制技术及其理论的发展也经历了由粗到精、由低到高的发展过程。20世纪三十年代以前，近代轧制理论处于孕育萌芽期。20世纪三十年代到六十年代，是轧机的常规自动调整阶段。该阶段中控制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础，同时，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动调节阶段。从20世纪六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗