轧辊偏心的角域分析与主动补偿的研究

发布时间：2017-03-01 15:02

第 1 章  绪  论

1.1  课题背景
钢铁行业在国家的发展中起着十分重要的作用，钢铁行业的发展水平已经成为衡量一个国家经济水平和综合国力的重要标志之一。改革开放以来我国钢铁行业取得了飞速发展，尤其是在产量和销量方面在世界上占据首要地位。钢铁产业已经成为我国经济的支柱产业之一，在经济建设，社会发展，稳定就业等方面发挥了十分巨大的作用。而板带材在钢铁产业中占据着十分重要的地位，因为板带材在建筑、机械制造、船舶、汽车、航空等领域有着十广泛的应用[1]。伴随着经济的快速发展和工业水平的快速发展，对于板带材的质量要求越来越高。其中，板带的厚度波动要求也更加的严格。 虽然改革开放以来我国钢铁行业在技术上有了很大的提高，但是在世界范围内我国的钢铁产品质量还和欧美日等国家存在一定差距。为了提高钢铁产品在世界范围内的竞争力，我们需要通过不懈的努力实现钢铁产品质量的赶超。板带材作为钢铁行业中十分重要的一类产品，它在经济建设中有着很广泛的应用。其中，影响板带材质量的一个重要指标就是板厚波动。 板带材的广泛应用使得对于板厚控制精度的要求越来越高，轧辊偏心作为制约板厚精度的扰动因素之一引起了越来越多研究人员的重视。因此，解决轧辊偏心补偿问题也成为了板厚控制的重要问题之一[2]。形成轧辊偏心的因素有很多，比如轧辊制造精度不够造成轧辊形状的不规则，轧辊安装过程中轧辊与安装轴承的不同轴也会造成轧辊偏心。在很多轧机厚控系统中，轧辊辊缝的大小是通过压下缸的位移量来测量的。这种板厚控制方法可以消除入口板带厚度的扰动，但是无法消除轧辊的磨损、轧辊偏心、轧辊热膨胀等扰动[3-5]。这些扰动变量无法直接测量，我们需要通过其它途径获取这些信号，然后对这些扰动加以补偿从而提高板带厚度精度。
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1.2   轧辊偏心补偿控制的研究现状
轧辊偏心补偿控制在轧制自动化技术领域是非常热门的研究课题。消除轧辊偏心对带钢板厚的影响，主要是通过设计控制方法和控制软件实现的。20 世纪 70 年代开始，以欧美和日本为代表，他们在轧辊偏心补偿方面做了大量的实验研究。并且在 20 世纪 90 年代初期取得了很好的补偿效果[6]。国内在轧辊偏心补偿装置的研究方面起步较晚，应用的偏心补偿控制装置多数要靠进口。目前，国内的一些研究院所在轧辊偏心补偿控制方面取得了一定的成果，但是在实际中的应用还不多见。 目前，人们将轧辊偏心补偿控制方法分为预防控制法、被动控制法、主动补偿法三类[7]： (1)预防轧辊偏心补偿法。这种控制方法主要是在工艺方面有所改进，比如提高轴承以及轧辊辊身的加工精度，以此来减小轧辊偏心对板厚的影响。此种方法在轧制过程中不采用任何的补偿方法。 (2)被动轧辊偏心补偿法。被动控制法可以使控制信号避免误调节。在轧辊偏心补偿的研究初期，采用这种研究方法的较多，死区法是这种补偿方法的代表。但这种方法在本质上并不能消除轧辊偏心带来的影响。 (3)主动轧辊偏心补偿法。这类方法属于目前研究轧辊偏心补偿方法中最多的一类。主动补偿法概括来说是从包含轧辊偏心的一些轧制信号(如轧制力、辊缝、轧件出口厚度等)中通过运用各种数学方法来提取轧辊偏心信号，再将提取的偏心信号转换成补偿信号投入到板厚控制中进行补偿控制。主动补偿法大致可以分为两类，综合法和分析法。综合法就是通过提取出偏心分量进行补偿。分析法是通过运用数学方法从提取的出口板厚、轧制力等包含轧辊偏心特征的信号中提取偏心信号，然后对其进行分析和补偿。 目前，轧辊偏心补偿方法主要分为上述三类，这三类补偿方法又可以具体展开为很多种具体的补偿方法，接下来对这些补偿方法进行简要介绍。  
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第 2 章  轧辊偏心分析及厚度控制的基本方法

在高精度冷轧薄板的轧制过程中，存在着许多来自轧机本身的扰动，这些内部扰动成为提高冷轧板带质量的影响因素。轧辊偏心便属于一种轧机的内部扰动，其对高精度冷轧板带板厚精度影响很大。本章将对轧辊偏心的成因及特点进行分析。 

2.1  轧辊偏心的成因分析 

在板带轧制过程中，各个轧辊均存在轧辊横截面不是绝对圆形、轧辊几何中心与转动中心存在偏离、轧辊热膨胀变形、轧辊磨损等现象，这些现象统称为轧辊偏心。概括来说，轧辊偏心可以分为以下两种类型： (1)  轧辊旋转中心与制造中心不重合而产生的偏心(如图 2-1 中 a)所示)； (2)  轧辊本身具有的形状不规则造成的偏心(如图 2-1 中 b)所示）。

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2.2  轧辊偏心测量
轧辊偏心的测量分为直接法和间接法两种[28]。 直接法主要利用位置传感器直接对轧辊进行测量，如图 2-2 所示。对已经装配好的轧辊进行直接测量能确定修磨和轴承装配过程中产生的轧辊偏心。直接法过程为：轧辊装配完成后，放置在相当平稳的水平面上。然后把机架上的指示仪顶在辊身上，用钢丝吊索在辊颈处环绕约三周后，挂在起重钩上。当起重机向上抬起钢丝时，轧辊开始旋转。此时，记下指示仪读数，通常在轧辊中间或两端测量偏心。对已经装配好了的轧辊进行直接测量能确定修磨和轴承装配过程中产生的轧辊偏心。但直接法对轧制过程中诸如轧辊磨损等影响偏心的因素就无能为力了。轧辊偏心是周期性变化的，从而轧辊偏心会造成辊缝是周期性变化，进而影响轧制力周期性的变化。在预压靠时，轧制力呈现周期性变化，轧制力的周期变化并不是正弦信号，其频率与支承辊旋转频率一致。在轧制过程中，轧制力会受到轧件厚度、轧件硬度及张力变化的影响。 轧辊偏心量e?x 与对应的附加轧制力e?P 之间的关系如式(2-11)所示。由于轧辊偏心使得轧制力呈现周期性的变化，即是轧制力的变化间接反映了轧辊偏心的扰动。因而在轧制力信号中含有轧辊偏心信号。所以在理论上讲可以从检测到的轧制力信号中获取部分的轧辊偏心信号。 
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第  3  章  轧辊偏心厚差溯源及角域分析 ......... 19 
3.1  带钢冷轧过程的数据提取与厚差溯源 .......... 19
3.2  轧辊偏心的角域分析 ........... 23
3.3  轧辊偏心信号的特征提取 ............ 27 
3.4  本章小结 .... 31 
第  4  章  300 实验轧机控制 AGC 系统建模 .... 32 
4.1 AGC 系统的硬件系统 ........... 32 
4.2  液压伺服控制系统 ...... 38
4.3  基于 Matlab 与 Simulink 的 AGC 建模 ......... 44 
4.3.1  轧机压下系统各环节数学模型 ....... 45 
4.4  本章小结 .... 49 
第  5  章  轧辊偏心主动补偿研究 ............ 50 
5.1  轧辊偏心主动补偿方法 ....... 50
5.2  偏心信号相角的补偿 ........... 52 
5.3  轧辊偏心补偿仿真 ...... 53
5.4  本章小结 .... 58 

第 5 章  轧辊偏心主动补偿研究

轧辊偏心的补偿主要分为被动补偿和主动补偿两种类别。被动补偿方法在轧辊偏心补偿中应用较少，而主动补偿在轧辊偏心补偿中应用较多。所谓主动补偿一般思路研究思路是从轧制过程中的轧制参数信号(如轧制力、辊缝位置、厚度信号等)中提取出轧辊偏心量，进而由轧辊偏心量得到补偿量信号投入到轧机 AGC 系统中来抑制轧辊偏心对板厚的影响。 

5.1  轧辊偏心主动补偿方法
为了消除轧辊偏心对板带厚度的影响，我们需要设计轧辊偏心补偿模块，并且将轧辊偏心补偿模块投入到轧机 AGC 控制系统中。整个流程如图 5-1 所示。在图 5-1 中我们可以看出其中的轧辊偏心补偿模块是图 5-1 的关键所在。那么轧辊偏心补偿模块的设计将按照下面的思路展开。首先，轧辊偏心信号在时域上随着轧制速度的变化而变化，根据第三章提到的阶比分析原理将轧辊偏心信号进行时-角域的转化，从而使得轧辊偏心信号在角域上具有严格的周期性。其次，轧辊偏心补偿模块还需要考虑将角域偏心信号进行存储、更新，以及相位校核、偏心信号自学习等。其中，轧辊偏心补偿的自学习模块的设计需要考虑偏心数据的准确采集，同时要保证数据的不断更新。综上轧辊偏心补偿模块原理图可如下图 5-2 所示。 在第四章中已经建立了轧机的压下数学模型，接下来将以 300 可逆冷轧机为例，将轧辊偏心信号投入到轧机 AGC 系统中进行建模。轧辊偏心信号应该投在位置环以外，厚度环以内。 
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结论 

板带材的广泛应用使得对于板厚控制精度的要求越来越高，轧辊偏心作为制约板厚精度的扰动因素之一引起了越来越多研究人员的重视。因此，解决轧辊偏心补偿问题也成为了板厚控制的重要问题之一。 本文主要研究内容有： 
(1)  分析了轧辊偏心的成因和轧辊偏心的测量方法，以及轧辊偏心对带钢厚度、轧制力的影响。分析了冷轧机厚度控制的基本方法和厚控系统的主要方法，为后续补偿打下理论基础。通过偏心厚差溯源方法得到轧辊偏心信号。运用阶比分析原理和角域重采样进行轧辊偏心的角域分析，然后对轧辊偏心进行角域转换以及厚度信号的角域平移。最后，对轧辊偏心信号的特征进行提取，从历史轧制数据中提取重要的参考数据建立表格，，对这些轧制数据进行序列转换。 
(2)  通过分析 300 实验可逆冷轧机的硬件系统和轧机的主要参数，轧制数据的存储与实验数据的记录和分类整理，后续分析了液压伺服控制系统。然后在此基础上在 Matlab 软件中的 Simulink 环境中建立 AGC 的控制模型，为投入轧辊偏心补偿建立基础。设计了轧辊偏心主动补偿系统，然后对轧辊偏心主动补偿在 Simulink 中进行建模。建立了偏心补偿自学习模块，可以使偏心补偿数据进行更新，最后在 Simulink中对轧辊偏心补偿进行仿真。 
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参考文献(略)

本文编号：246778