热连轧轧制特性分析及控制策略的研究与应用

摘要

现代工业的发展对热连轧带钢的控制精度提出了越来越高的要求，厚度控制策略和活套控制策略作为热连轧控制系统的核心一直是轧钢自动化研究的热点。本文以某热连轧机组自动化控制系统研发项目为背景，对热连轧轧制特性与轧制过程中的轧制过程模型系统、厚度自动控制系统、活套控制系统等进行了研究，并将研究成果应用于生产，取得了良好的控制效果。主要研究内容如下：
　　(1)对热连轧过程设定模型和自学习模型进行了深入研究，通过轧制过程中的实测数据对轧制力模型和弹跳模型进行自学习，修正模型中的关键参数。针对轧制过程中精轧机架间可能同时轧制两块带钢的问题，提出了双存储区存储模型设定规程的控制策略，优化了模型的触发逻辑，提高了轧制节奏。
　　(2)结合轧制过程基本方程，建立了用于轧制过程特性分析的增量模型。根据求导法则，逐个计算轧制力和前滑对轧机入、出口厚度、温度以及前后张力的偏微分系数，得出了轧制工艺参数间的影响系数，以此为依据确定了最优厚度控制策略。
　　(3)分析了活套高度和张力控制系统的结构和功能，给出了活套电机力矩的计算方式和采用电流反馈信号的张力检测方式。针对活套高度控制和张力控制之间的干扰问题，给出了活套多变量控制。针对活套起落套过程对带钢质量的影响，建立了软接触和防甩尾控制，提高了轧制过程的稳定性和带钢头尾厚度控制精度。
　　(4)针对计算刚度系数和实际刚度系数之间存在偏差和弹跳曲线的非线性问题，从两个方面揭示了利用基于刚度系数的弹跳方程计算厚度基准存在误差的根本原因，提出了基于由牌坊弹跳特性曲线和机架轧机辊系挠曲特性曲线组成的弹跳特性曲线的机架间厚度计算策略，以此为基础建立新型厚度计AGC，解决了厚度计AGC厚度基准的问题，提高厚度计AGC工作稳定性和控制精度。以基于轧机弹跳特性曲线的机架轧出厚度计算方法为基础，优化前馈AGC控制系统，提高了厚度控制精度。
　　(5)针对热连轧监控AGC不能解决各个机架之间厚度偏差量的分配和保持各机架间负荷平衡的问题，提出了一种基于速度和机架间带钢厚度的样本跟踪方式协调各机架的厚度基准值。针对监控AGC对负荷平衡的影响，推导得出了轧制过程中机架间负荷修正模型，并以此为基础对监控AGC控制方式进行了优化。针对厚度计AGC消除厚度偏差的局限性，开发了动态锁定轧制力控制策略提高厚度计AGC消除厚度波动的能力。针对监控AGC和厚度计AGC共存时的相关性问题，通过优化改进厚度控制算法和控制结构，实现了厚度控制的非相关控制。
　　(6)给出了自动控制系统硬件网络配置和软件结构，对过程自动化系统、基础自动化系统和人机界面进行了介绍。采用现场实际曲线分析了过程设定系统、活套控制系统和厚度控制系统的应用效果，对控制系统的效果做出了有说服力的评价。
　　上述研究结果已成功应用于某热连轧生产机组，控制系统运行良好，对中国热连轧控制水平的提高具有积极的促进作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 热轧带钢生产技术的发展和现状

1．2 热轧带钢计算机控制系统概述

1．3 过程控制系统概述

1．3．1 过程控制系统数学模型概述

1．3．2 控制系统模型自学习方法

1．4 热轧带钢活套控制

1．4．1 活套控制基础

1．4．2 活套控制系统的研究与发展

1．5 厚度控制技术概述

1．5．1 厚度控制技术的发展历程

1．5．2 厚度控制策略和补偿控制

1．5．3 厚度控制的研究进展和发展方向

1．6 本文的研究目的与主要内容

第2章 热连轧控制系统模型与设定优化

2．1 过程控制系统设定模型

2．1．1 温度预报模型

2．1．2 厚度预报模型

2．1．3 速度预报模型

2．2 过程控制系统自学习模型

2．2．1 温度自学习模型

2．2．2 轧制力自学习模型

2．2．3 辊缝自学习模型

2．3 过程控制系统模型设定优化

2．3．1 模型触发逻辑

2．3．2 控制逻辑优化模型

2．4 本章小结

第3章 热连轧轧制特性分析

3．1 数学模型及其线性化

3．1．1 弹跳方程

3．1．2 增量前沿方程

3．1．3 增量入口速度及增量出口速度方程

3．2 偏微分系数计算

3．2．1 轧制力的偏微分系数

3．2．2 前滑的偏微分系数

3．2．3 偏微分系数的近似计算

3．3 影响系数计算

3．4 热连轧静态分析实例

3．4．1 轧制规程

3．4．2 影响系数计算

3．4．3 影响系数分析

3．5 厚度控制策略分析

3．6 本章小结

第4章 热连轧过程的活套控制策略研究

4．1 热连轧活套控制系统概述

4．2 活套高度控制系统

4．2．1 活套套量理论公式

4．2．2 活套套量工程计算

4．3 活套张力控制系统

4．3．1 活套受力计算

4．3．2 张力检测计算

4．4 活套多变量控制

4．5 辅助功能

4．5．1 防甩尾控制

4．5．2 软接触控制

4．5．3 流量补偿

4．6 本章小结

第5章 热连轧过程的厚度控制策略研究

5．1 热连轧厚度控制系统概述

5．2 厚度计AGC系统

5．2．1 基于弹跳方程的厚度计AGC

5．2．2 利用弹跳方程计算厚度存在误差的原理分析

5．2．3 基于轧机弹跳特性曲线的厚度计AGC

5．2．4 轧制力偏心滤波

5．2．5 基于轧机弹跳特性曲线的新型厚度计AGC的应用

5．3 前馈AGC系统

5．3．1 前馈AGC控制原理

5．3．2 带钢跟踪

5．3．3 前馈AGC应用效果

5．4 监控AGC

5．4．1 监控AGC控制原理

5．4．2 负荷平衡

5．4．3 尾部补偿控制

5．4．4 监控AGC应用效果

5．5 厚度计AGC与监控AGC的相关性

5．5．1 动态锁定轧制力控制

5．5．2 厚度计AGC与监控AGC的相关性

5．6 本章小结

第6章 热连轧控制系统的实际应用

6．1 工艺及主要设备参数

6．1．1 生产工艺流程

6．1．2 生产线主要工艺参数

6．1．3 生产线主要设备参数

6．1．4 轧机原始刚度系数

6．2 生产线计算机控制系统

6．2．1 过程自动化系统

6．2．2 基础自动化系统

6．2．3 人机界面系统

6．3 现场应用效果分析

6．3．1 过程控制系统计算典型轧制规程

6．3．2 活套控制效果分析

6．3．3 AGC控制系统运行效果

6．4 小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

致谢

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