冷轧带钢立式活套中速度与张力系统的研究.pdf

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分类号密级UDC学位论文冷轧带钢立式活套中速度与张力系统的研究作者姓名：

马腾指导教师：

钱晓龙副教授东北大学自动化研究所申请学位级别：

硕士学科类别：

工学学科专业名称：

控制理论与控制工程论文提交日期：

2008年1月20日论文答辩日期：

2008年2月29日学位授予日期：

答辩委员会主席：

高宪文教授评阅人：

井元伟教授，李鸿儒副教授东北大学2008年1月DissertationinControlTheoryandControlEngineeringResearchofthesystemoftheSpeedandTensioninCold-RolledVerticalLooperByMaTengSupervisor:

AssociateProfessorQianXiaolongNortheasternUniversityJanuary2008-I-独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。

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东北大学硕士学位论文摘要-II-冷轧带钢立式活套中速度与张力系统的研究摘要近年来连续冷轧在钢铁行业中发展迅速，是各种新技术应用广泛的一个领域。

而连续冷轧生产线中的一个基本要求是实现生产线的连续运行，从这个角度而言，控制活套是实现连续生产的关键，连续生产过程中稳定的速度控制和张力控制是防止带钢抖动、提高控制精度的基础，是保证产品质量的一项重要措施。

本文以镀锌生产线为依托，以立式入口活套为研究对象，首先分析了活套的位置控制、速度控制和张力控制的内在联系，结合它们之间的关系和现场的实际情况，分析立式活套所采用的复合张力控制方法，并提出现有活套系统的同步控制所存在的问题。

其次，使用BP神经网络方法建立活套系统的速度和张力模型，并验证该模型基本符合现场实际情况。

通过分析得出常规PID控制器虽然基本满足现场工艺要求，但对于立式活套这种时变、非线性的控制对象，它难以满足高精度控制和鲁棒性的要求。

最后，提出采用模糊自调整PID控制器代替常规的PID控制器以实现活套同步系统的最佳控制。

并对已建立的入口活套速度和张力模型使用模糊自调整PID控制器进行跟踪性能和鲁棒性能的实验。

本文使用MATLAB中的模糊逻辑工具箱和Simulink对活套系统的速度和张力模型进行仿真实验。

通过对活套的常规PID控制和模糊自调整PID控制进行分析与比较，得出使用模糊自调整PID控制器的系统具有响应速度快、稳态性能佳、超调量小的优点，而且具有很强的适应对象参数变化的能力。

它实现了参数的自我调整。

这对提高活套张力过程控制水平，有效保证带钢的质量与产量，具有重要的实际意义与理论价值。

关键词：

立式活套；速度和张力控制；BP神经网络；模糊自调整PID控制器东北大学硕士学位论文Abstract-III-ResearchofHarmonyControloftheSpeedandTensioninCold-RolledVerticalLooperAbstractNowadays,continuouscoldrollingisdevelopedrapidlyinthesteelindustry,andisthedomainwithallkindsofnewtechnology.Keepingproductlinerunningcontinuouslyisbasic,onthispoint,loopercontrolisthekeyofrunningcontinuously.Thesteadyspeedcontrolandtensioncontrolarethebasicsofavoidingstripwobblingandimprovingcontrolprecision,andalsotheyareimportantpledgeofproductquality.Thepapersbackgroundisthecontinuousgalvanizingline,andthesubjectinvestigatedistheentryloopers.Firstly,thepaperanalysistherelationshipofthepositioncontrol,speedcontrolandtensioncontroloftheloopers.Thenaccordingtothetheirrelationandlocalesituation,itanalysesthemethodofcomplextensioncontroltheentryverticalloopersused,andfindstheproblemsofthepresentloopersysteminSync-control.Secondly,thepaperusesthemethodofBPneuralnetworktoestablishthemodelofspeedandtensionoflooperssystem,andvalidatesthatthemodelaccordswiththelocalesituationgenerally.TheconventionalPIDcontrollersatisfieswiththetechnologicalrequirements,butforthetime-changeandnon-linearmodelasverticalloopers,ithasdifficultiesinfillingthepurposesofhighprecisioncontrolandrobustness.Finally,thepaperusesfuzzyself-regulatingPIDcontrollertoperformanexperimentintrackingandrobustness.ThepaperusesfuzzylogictoolboxandSimulinkinMATLABtomakeanexperimentwithsimulation.AccordingtotheanalysisandcomparisonbetweenconventionalPIDandfuzzyself-regulatingPIDcontroller,thepapercomestoaconclusionthatthesystemwhichusesfuzzyself-regulatingPIDcontrollerhasthecharacteristicofrespondingquirkier,bettersteadystateperformanceandsmallerovershoot,besides,ithasthecapabilityofsuitingwiththeparameterschanges,whichhasimportantactualandacademicvalueinimprovingthelevelofloopercontrolandsteelquality.Keywords：

VerticalLooper,SpeedandTensionControl,BPNeuralNetwork,FuzzySelf-regulatingPIDController东北大学硕士学位论文目录-IV-目录独创性声明.I摘要.IIABSTRACT.III第一章绪论.11.1课题研究背景.11.2冷轧立式活套的研究现状.11.3冷轧立式入口活套的分析.41.3.1入口活套装置技术参数.41.3.2入口段工作过程描述.41.3.3入口活套传动控制技术要求.61.4本文的研究内容.7第二章立式活套的速度与张力控制.92.1立式活套的套量控制.92.2入口活套速度设定.152.3立式活套的张力控制.162.3.1张力的产生与基础概念.162.3.2带钢张力的种类和作用.182.3.3张力的控制方式.202.4立式活套的复合张力控制.212.4.1直接张力控制方法.212.4.2间接张力控制方法.222.4.3入口活套张力控制方法.232.5立式活套张力控制的前馈补偿.252.5.1转动惯量补偿力矩.252.5.2机械损耗补偿力矩.262.5.3风量损耗补偿力矩.272.6立式活套控制中存在的问题.27第三章基于神经网络的活套速度和张力建模.293.1系统模型辨识的基础.293.1.1神经网络辨识内涵.293.1.2非线性系统的辨识模型及结构.30东北大学硕士学位论文目录-V-3.1.3系统辨识中的基本问题.313.1.4基于神经网络的系统辨识的基本思路.323.2建立BP网络模型算法的实现.323.2.1BP网络拓扑结构和数学描述.323.2.2标准BP运行算法.343.3基于BP神经网络的活套速度和张力建模.35第四章活套系统模糊自调整PID控制.414.1模糊控制原理.414.1.1模糊控制系统的组成.414.1.2模糊控制基本原理.414.2张力模糊自调整PID控制器原理.424.3活套内带钢张力系统输入、输出变量及语言变量.434.4活套系统PID参数的模糊调整模型.464.4.1PID参数对系统性能的影响.464.4.2活套系统PID参数的专家整定知识描述.474.4.3建立活套系统PID参数模糊调整模型.47第五章仿真模型的建立及分析.535.1活套模糊自调整PID仿真模型的建立.535.2仿真结果与分析.54第六章结论与展望.-61-6.1本文结论.-61-6.2未来的研究方向.-61-参考文献.63致谢.67东北大学硕士学位论文第一章绪论-1第一章绪论1.1课题研究背景钢铁行业在国民经济领域占有重要的地位，随着市场经济的发展，使得企业的规模和产量越来越大。

企业要想立于不败之地，必须提高自身的竞争能力，提高生产效率、降低成本、改进产品质量，以适应快速多变的市场需求1,2。

带钢的冷轧技术水平，在一定程度上反映了一个国家钢铁加工业的技术水平。

近几十年来，连续冷轧生产线在钢铁行业中发展迅速，也是各种新技术应用广泛的一个领域。

而连续冷轧生产线中的一个基本要求是实现生产线的连续运行，从这个角度而言，控制活套是实现连续生产的关键，连续生产过程中稳定的速度控制和张力控制是防止带钢抖动、提高控制精度的基础，是保证产品质量的一项重要措施，也是连续生产线发明以来，控制领域的专家不懈追求的目标3,4。

本文选择连续镀锌生产线的立式入口活套为研究的对象，在消化了立式活套生产工艺、速度控制方法和基本的张力控制方式后，提出了运用神经网络对活套内带钢张力进行建模，并在原有的张力控制方式的基础上引入了模糊控制方法，改善了活套工作过程中带钢张力控制的性能。

1.2冷轧立式活套的研究现状冷轧活套装置是用来存储带钢，使生产线得以连续运行的不可缺少的设备，也是连续生产中控制张力的重要设备之一。

在冷轧带钢的生产中，活套按结构可以分为卧式活套和立式活套。

卧式活套大多用在酸洗-连轧生产线中，而立式活套在技术上还不是很成熟。

相对于卧式活套而言，立式活套的特点是占地面积小，满套套量大，带钢速度控制精度高，带钢张力恒定控制方面也要优于卧式活套5。

目前国内冷轧线多为卧式活套，但从目前国外的发展趋势看，鉴于立式活套的诸多优点，将来会逐渐得到广泛的应用。

在活套装置方面，目前广泛应用的具有以下几个方面：

（1）活套位置的测量在热轧和线材轧制过程中，活套位置的测量一般是由光电扫描器来测量的，即活套扫描器。

该扫描器以数字值的形式给控制系统提供活套位置（高度）的反馈，同时该扫东北大学硕士学位论文第一章绪论-2描器也具有热金属检测器的功能，可提供热检信号。

它是利用光电扫描脉冲相位比较原理来实现对活套量大小的检测。

由于扫描器有忽略在视角范围内任何二次指示的功能,故扫描器的旋转方向要求从最大活套位置向活套台底部位置的方向扫描，这样可避免活套台底部可能积存的热的氧化铁皮等杂物造成误指示。

很多冷轧活套中都使用编码器作为活套高度的检测，其优点是使用编码器可以使简化系统的结构，价格低廉，而且维修更换也相当简便，对于控制精度要求不是很高的场合是非常适用的，也是目前广泛采用的一种方法。

（2）活套塔的设计活套塔的设计需要根据工艺情况而定，对于小型的系统而言，由于带钢套量较少，设计一个活套塔就可以满足系统要求，这样的好处是控制方便，系统惯性小，而且没有双活套塔存在的同步问题；对于较大型的系统而言，由于带钢套量较大，如果设计一个活套塔很难承担大量带钢，并且会是系统的惯性增大，对控制精度难度要求更加困难。

所以一般对于较大套量系统均采用双活套塔模式，它可以较小系统的惯性，但对于控制而言有提出了更高的要求，即虽然物理上是双活套塔但控制上依然要实现单活套塔的速度和张力控制要求，同时双活套塔的同步问题也是目前国内研究的重点之一。

对于活套而言要进行两方面的控制：

活套速度控制和张力控制。

传统的活套控制中，速度控制是根据活套量的变化利用活套卷扬实现，张力控制是根据各种带钢不同利用活套卷扬电机的输出转矩实现的。

二者是一个耦合系统。

消除两者间的干涉，使活套稳定工作，成为活套控制的重要课题6：

（1）传统的活套控制传统的活套控制方法：

被控变量是活套内带钢的张力，通过调节活套电动机电流来使张力恒定，张力自动控制是活套电机转速与电流自动调节系统，速度的控制只能通过调试时找到PID参数的折中值来实现。

这种方法虽然理论上可行，实际也被广泛使用，但由于未考虑多变量输入输出之间的耦合因素，只是按照被控变量与操作变量单一结合构成单回路控制系统，因此，不能满足生产过程对控制系统的更高要求。

（2）互不相关活套控制互不相关活套控制方法也称解耦多变量控制，它考虑了活套速度和张力之间的相互干涉所造成的对控制的不良影响，采用前置补偿器使两者互不相关。

设置前置补偿器的解耦方法有多种，如：

对角形解耦，状态解耦和对角优势解耦等。

这种控制方法的优点是系统为单输入单输出回路，控制性能的设计及调整容易。

但也存在如下问题：

1）张东北大学硕士学位论文第一章绪论-3力控制依然受主传动机速度控制器响应的影响；2）因受张力控制系统响应时间的限制，速度控制的快速性降低，而张力的波动会导致产品质量与操作的稳定性。

（3）活套最优多变量控制该方法基于最优调节理论，即在活套驱动系统中加入一个最优调节器，使活套驱动系统线性化。

活套速度控制系统投入运行时，系统可视为三个支系统，分别为：

张力产生系统；主电机速度控制系统；活套驱动系统和活套装置。

建立此三个系统的状态方程模型，可得到完整的活套系统控制模型。

其优点是：

控制对象保持为多变量系统，所以能把主传动和活套电机在两方面充分协调控制，控制性能高；缺点是：

由于状态反馈阵的选择和控制性能一一对应，所以控制性能的设计及现场调试很困难。

（4）模糊PID控制采用传统的PID控制，调节时间长，超调量大，影响产品的宽度和厚度尺寸精度。

传统的PID调节器适用于偏差小的情况，调节快，稳态精度高，但当偏差大时，控制性能不理想。

采用模糊控制对大偏差量进行调节，可获得好的控制效果。

近年来国内提出了Fuzzy-PID复合控制策略。

该策略的控制思想是：

把模糊控制引入活套速度控制，当套量偏差较大时，用模糊控制器，而当偏差量小于某一阈值时切换到PID控制，以达到减少活套刚投入时的动态调节过程，并在稳态中提高控制精度。

实际控制中，由于采样周期很短，不可能在短时间内完成模糊推理、解模糊化等工作，因此采用了模糊控制查询法。

离线设计模糊控制器，得到一个由输入论域到输出论域的查询表。

输入取活套量的偏差E和偏差变化率EC，输出为活套转速设定的附加值7-9。

常规模糊控制器对比较复杂、不清晰的问题能进行简单而有效地处理，但是控制器的输入端仅有被控量的偏差和偏差变化量，因而实际相当于一个变参数的单输入PID控制器，很难消除系统稳态误差；当控制规则的结构和搜盖面不够恰当，或变量分级不够多的情况下，在平衡点附近常常会有小的振荡现象，不能保证系统精度；而且常规模糊控制器完全依赖人的经验，常常会受到人的主观意识影响10。

针对活套对张力的控制要求，结合PID控制和基本模糊控制的特点，本文构建具有两者优点，应用模糊推理功能实现参数自整定的模糊自调整PID控制系统。

本文在PID算法的基础上增加了E与EC的计算，并将在工艺分析和操作经验基础上总结的专家知识，以产生式语句“if（条件）then（结果）”的形式组成知识库，经Fuzzy合成推理形成Fuzzy查询矩阵。

如果在某一采样时刻观察到响应曲线模式与所期望的模式不同，则可根据模式状态变量E和EC，通过实时调整机构在知识库中搜索相应的东北大学硕士学位论文第一章绪论-4Fuzzy推理矩阵，进行参数调整，直到其输出达到期望的响应模式为止。

PID参数的Fuzzy自动调整思想是依据被控对象的响应在采样时刻的误差E和误差的变化率EC两个因素来确定参数调整量的极性和大小的。

本质上同时兼顾了被控对象响应的“静态性能”（是高于还是低于给定）和响应的“动态性能”（是靠拢还是偏离给定）两个因素，既看现状，也看动向。

其算法过程是利用对应的规则集将控制指标模糊化，然后将它与知识库中的模糊规则进行匹配，如有规则被匹配，则执行该规则的结果部分，就可得到相应的参数调整量。

因此存在实际控制系统的响应值（精确值）到模糊规则集的条件（模糊量）的转化过程（即模糊化）和其规则的操作值（模糊量）到实际的调整系数（精确量）的转化（判决）过程11-14。

1.3冷轧立式入口活套的分析1.3.1入口活套装置技术参数入口活套位于入口段与工艺段的中间，主要用来满足工艺段的连续生产。

当入口段焊接或者是停车的时候，入口活套释放套量来满足工艺段的生产要求。

而当入口段重新启动后入口段会对入口活套充套储存套量。

当入口活套满套的时候，入口段保持与工艺段相同的速度，入口活套保持相对静止的状态。

入口活套由两个活套塔组成，分别为1#活套塔和2#活套塔，所以它有两个卷扬和两个活套小车，卷扬可以通过缆绳带动活套小车上下运行。

在活套小车上安装有活套辊，由活套小车来带动它们上下运行来进行充放套。

活套辊分带有电机的助力辊和不带有电机的辅助辊。

其中助力辊的作用为了减少带钢运行过程中张力的损失，因为带钢在转向的时候会有力矩损失。

活套上有3个纠偏单元，用来防止活套中的带钢跑偏。

同时在上驱动辊上安装有制动辊及断带制动器，当发生断带等故障的时候，制动辊和断带制动器动作。

入口活套示意如图1.1所示。

1.3.2入口段工作过程描述生产线正常运行时，入口活套塔处于下同步位置控制状态。

当工作开卷机上的带钢还剩最后几圈时，入口活套塔入口处开始降速，前一卷带钢的带头准备与下一卷带钢带尾焊接。

而入口活套塔出口处仍以工艺段速度（正常生产速度）向后面的清洗段输送带钢。

入口活套塔入口处带钢速度的曲线变化趋势为：

首先带钢从工艺段速度降至穿带速东北大学硕士学位论文第一章绪论-5度60mpm工作，开卷机开出的带钢以穿带速度60mpm经过矫头机矫直后穿带至飞剪前，带钢从穿带速度60mpm降至0停在飞剪剪刃处；飞剪动作，切除带尾厚度超差部分；带尾加速至穿带速度，以穿带速度向焊机运行；带钢从穿带速度60mpm降至0停止在焊机处，同时，准备开卷机开出的带钢（已经在飞剪处切除头部超差部分并且在飞剪后等待）头部也穿带至焊机处，焊机动作，对前后带钢进行焊接，并冲出月牙；焊接好后的带钢开始加速，加速至工艺段速度，在这段时间内，入口活套塔完成放套，此时入口活套塔储量最小；入口活套塔入口处继续加速，开始充套，加速至最大速度650mpm，然后以最大速度650mpm稳定运行一段时间，目的是为了快速恢复活套的储量；然后再减速至工艺段速度，在这段时间内，入口活套塔完成充套，此时入口活套的储量为工作储量。

图1.1入口活套示意图Fig1.1EntryLooper以后不考虑其它的影响，入口活套塔将以正常生产速度将剩余带钢向工艺段输送完毕，在这段时间内入口活套塔的储量仍为工作储量，至此入口活套塔完成一个工作循环。

东北大学硕士学位论文第一章绪论-6在入口换卷的过程，入口活套塔中带钢的储量、入口活套塔入口速度的变化趋势如图1.2所示。

入口活套设备的技术参数如表1.1所示。

表1.1入口活套技术参数Table1.1TechnicalparameterofEntryLooper设备名称规格说明入口活套的股数24股入口活套最大冲程27.5米入口活套空停止位0.0米入口活套满停止位27.5米入口活套距离有效冲程的长度1.8米入口1#活套的标定位置：

28.0082米入口2#活套的标定位置28.0626米入口活套空快停位置-1.1米入口活套满快停位置28.131米入口活套空急停位置-1.475米入口活套满急停位置28.506米入口活套空机械停车位置-1.8米入口活套满机械停车位置28.8米入口活套配重9912.68牛图1.2活套入口速度和活套储量的变化Fig1.2changeofentryspeedandlooperreserves1.3.3入口活套传动控制技术要求根据工艺需要，入口活套的传动控制需要满足以下两项技术要求10：

东北大学硕士学位论文第一章绪论-7

（1）物料输送平衡原则即活套小车的垂直行程、运行速度与机组带钢物流流量、机组生产速度的关系遵守：

（）hLLn=入口出口（1.1）（）hVVVn=入口出口（1.2）式中h、hV为活套垂直方向的行程、速度；LV入口入口、为塔式活套入口侧带钢水平方向的行程、速度；LV出口出口、为塔式活套出口侧带钢水平方向的行程、速度；n为活套带钢股数。

（2）张力恒定原则对某一产品代号ID的带钢而言，活套内的带钢张力T应该保持恒定，即TT=设定值实际值（1.3）由于活套车内带钢自重WS与活套动车行程成正比，因此在充套、放套过程中需根据带钢自重的变化对T设定值进行补偿修正，以维持活套