板带轧机轧辊偏心控制的研究

论文摘要

厚度精度是衡量板带材质量的主要指标,轧辊偏心是造成周期性厚度偏差的主要因素。为了提高板带材的厚度精度,针对板带轧机轧制过程中存在的轧辊偏心问题,研究AGC系统如何有效地抑制和补偿轧辊偏心。论文对轧辊偏心控制中存在的偏心算法的精确性和强适应性问题、轧机系统在补偿高频的周期偏心信号时的相位滞后和幅值衰减问题及偏心控制实现等问题进行了深入研究,提出了相应的控制算法和控制方案,并利用实验轧机对研究结果进行了验证,取得了良好的效果。论文的主要研究内容如下：1)偏心控制模型的研究。在对轧辊偏心成因进行分析归类的基础上,依次针对单辊、两辊和四辊分别具有旋转偏心、椭圆偏心或者同时两类偏心的情况进行了分析,内容包括：（1）偏心的周期问题；（2）偏心波动最大和最小时,各偏心分量初始相位角之间的关系；（3）偏心主要分量确定及模型的合并简化；研究了上下支撑辊存在明显辊径差时偏心的偏摆现象；基于对各种偏心特点的分析研究,提出了轧辊偏心控制的统一模型；提出了通过优化各个轧辊初始相位角之间的关系来减轻或克服偏心影响的相位优化控制新策略。2)轧辊偏心傅里叶算法研究。在研究四种基本傅里叶变换、快速傅里叶算法、频谱泄漏和栅栏效应的基础上,提出了汉宁窗采样的快速傅里叶变换修正算法（HMFFT）,详细推导了该算法的频率、幅值、相位修正公式。该算法有如下特点：（1）精度高,特别是相位的计算精度很高,在非整周期截断情况下能有效地降低频谱泄漏和栅栏效应产生的误差；（2）计算简单、速度快。它对标准FFT算法的计算结果的频域值进行再处理,只增加了两次复数加法的计算量；（3）应用范围广,可用于带钢厚度偏差的高精度诊断,也可用于板带材的高精度轧辊偏心补偿控制。3)轧辊偏心控制的小波阈值法研究。针对傅里叶算法和其他一些辨识算法的缺点,提出了一种轧辊偏心控制的自动优化小波阈值法,设计了采用自动优化小波阈值法的AGC系统（AW-AGC）,它有以下优点：（1）当偏心频率变化和轧辊存在明显辊径差时,仍能精确的分析出轧辊偏心模型,并且其计算结果是最优估计；（2）不仅能够消除轧辊偏心对带钢厚度均匀性所产生的直接不良影响,而且可以避免轧辊偏心所造成的GM-AGC调节质量的恶化；（3）具有参数自动调整、算法简单、鲁棒性强的特点。4)AGC系统轧辊偏心补偿的相位滞后研究。针对常规辊缝控制系统在补偿轧辊偏心这一高频周期信号时,会产生严重的相位滞后和幅值衰减,从而导致补偿失败的情况,研究了辊缝控制系统的闭环频域特性与偏心补偿的幅值衰减和相位滞后的关系,及幅值衰减和相位滞后对偏心补偿效果的影响；采用重复控制原理,设计偏心补偿的重复控制器,提出了一种基于传统PI控制和嵌入式重复控制的新型复合控制方案,研究了重要控制参数的整定；该方案结构简单、易于实现,具有良好的动态和稳态特性,能有效地消除偏心补偿的幅值衰减和相位滞后。5)轧辊偏心控制系统的设计和应用。以实验室实验轧机为控制对象,设计了轧辊偏心控制的硬件和软件系统,开发了相关的偏心控制软件,分别采用了HMFFT法和A-WAVELET法进行轧辊偏心补偿,补偿后轧辊偏心的影响分别减小了53.6%和61.8%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 板带轧机厚度控制技术的发展
• 1.2.1 人工操作阶段
• 1.2.2 常规自动调节阶段
• 1.2.3 计算机控制阶段
• 1.2.4 大型计算机网络控制阶段
• 1.3 轧辊偏心控制的现状
• 1.3.1 滤波法
• 1.3.2 变刚度AGC控制方法
• 1.3.3 自适应辨识法
• 1.3.4 神经网络方法
• 1.3.5 傅里叶变换分析法
• 1.3.6 小波分析法
• 1.3.7 轧辊偏心控制现存的主要问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 轧辊偏心模型研究
• 2.1 轧辊偏心成因分析
• 2.2 单个轧辊偏心的情况
• 2.2.1 单个支撑辊旋转偏心
• 2.2.2 单个工作辊旋转偏心
• 2.2.3 单个支撑辊椭圆偏心
• 2.2.4 单个工作辊椭圆偏心
• 2.2.5 单个支撑辊同时旋转偏心和椭圆偏心
• 2.3 两个轧辊偏心的情况
• 2.3.1 两个支撑辊旋转偏心
• 2.3.2 两个支撑辊椭圆偏心
• 2.3.3 一个支撑辊旋转偏心一个支撑辊椭圆偏心
• 2.3.4 两个支撑辊同时旋转偏心和椭圆偏心
• 2.4 四个轧辊偏心的情况
• 2.4.1 四个辊仅旋转偏心
• 2.4.2 四个辊仅椭圆偏心
• 2.4.3 一个支撑辊同时旋转偏心和椭圆偏心、其他辊椭圆偏心
• 2.4.4 支撑辊同时旋转偏心和椭圆偏心、工作辊椭圆偏心
• 2.4.5 支撑辊和工作辊同时旋转偏心和椭圆偏心
• 2.5 轧辊的其他不规则形状
• 2.6 上下支撑辊存在明显辊径差时的偏心情况
• 2.6.1 上下支撑辊仅旋转偏心
• 2.6.2 上下支撑辊仅椭圆偏心
• 2.6.3 两个支撑辊既旋转偏心又椭圆偏心
• 2.7 轧辊偏心特点总结及轧辊偏心的统一模型
• 2.8 偏心控制的相位优化策略
• 2.8.1 相位优化策略方案一
• 2.8.2 相位优化策略方案二
• 2.9 本章小结
• 3 轧辊偏心分析与补偿的傅里叶算法研究
• 3.1 傅里叶算法介绍
• 3.1.1 四种傅里叶变换形式及其相互关系和区别
• 3.1.2 快速傅里叶变换（FFT）
• 3.2 轧辊偏心分析与控制的HMFFT算法
• 3.2.1 频谱泄漏和栅栏效应
• 3.2.2 汉宁窗
• 3.2.3 频率修正公式
• 3.2.4 谱线修正量公式及幅值修正公式
• 3.2.5 相位修正公式
• 3.3 HMFFT的应用研究
• 3.3.1 HMFFT在带钢厚度偏差原因诊断上的应用
• 3.3.2 HMFFT在偏心控制补偿中的应用
• 3.4 本章小结
• 4 轧辊偏心小波阈值法的应用研究
• 4.1 小波方法简介
• 4.1.1 小波变换
• 4.1.2 MRA与Mallat算法
• 4.2 轧辊偏心控制的自动优化小波阈值法
• 4.2.1 常规压力AGC系统
• 4.2.2 小波阈值法AGC系统设计
• 4.2.3 自动优化小波阈值法
• 4.2.4 小波阈值法与其他方法的比较分析
• 4.3 仿真试验
• 4.3.1 带钢存在不规则厚度波动及轧制速度变化的情况
• 4.3.2 轧辊存在明显辊径差及轧制速度变化时的情况
• 4.4 本章小结
• 5 AGC系统轧辊偏心补偿相位滞后研究
• 5.1 板带轧机液压压下控制系统的传递函数
• 5.2 采用PID控制器的AGC系统的偏心补偿分析
• 5.2.1 PID控制器分析
• 5.2.2 偏心补偿的误差分析
• 5.2.3 超前相位补偿方案
• 5.3 采用重复控制器的轧辊偏心补偿AGC系统
• 5.3.1 重复控制基本理论
• 5.3.2 重复控制系统结构
• 5.3.3 采用重复控制器的轧辊偏心补偿AGC系统设计
• 5.3.4 实验分析
• 5.4 复合控制系统方案
• 5.4.1 复合控制系统结构
• 5.4.2 重要控制参数的选择与整定
• 5.4.3 实验分析
• 5.5 本章小结
• 6 四辊轧机轧辊偏心控制的实验研究
• 6.1 实验室二/四辊可逆冷轧机轧辊偏心控制系统
• 6.1.1 实验轧机参数
• 6.1.2 轧辊偏心控制系统组成
• 6.2 轧辊偏心控制方案
• 6.2.1 轧机刚度曲线测定
• 6.2.2 基础自动化级偏心控制部分
• 6.2.3 过程自动化级偏心控制部分
• 6.3 轧辊偏心控制效果
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的工作
• 致谢
• 作者简介