冷軋立式活套張力建模與控制研究

--41-第1章緒論1.1課題研究背景作為最重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，鋼鐵工業(yè)在社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、財政稅收以及穩(wěn)定就業(yè)率等方面發(fā)揮著重要的作用，是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國防建設(shè)的基礎(chǔ)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展水平直接決定了汽車、建筑、家電、機(jī)械、造船以及國防航天等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，是衡量一個國家經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志。我國粗鋼產(chǎn)量高，低檔次普通鋼材產(chǎn)能相對過剩，高端鋼材產(chǎn)品自給能力不足，而且隨著中國城市化進(jìn)程的進(jìn)行，汽車行業(yè)和家電制造業(yè)有了飛速的發(fā)展，同時我國也正在進(jìn)行自主飛機(jī)、高速鐵路和電動汽車的重點(diǎn)工程建設(shè)。這些都加大了對連退板、鍍鋅板及其他冷軋后處理板材等高附加值產(chǎn)品的需求。針對行業(yè)現(xiàn)狀和市場需求情況，鞍鋼集團(tuán)在近年做出了一系列調(diào)整措施：先后通過引進(jìn)西門子控制系統(tǒng)建設(shè)了冷軋1#-3#鍍鋅線，4#-5#鍍鋅線，2007年以鞍鋼自動化公司為基礎(chǔ)建成了第一條自主知識的鞍鋼1450連續(xù)退火線，而后在2011年建成莆田冷軋1450連續(xù)退火線，2013年建成莆田冷軋鍍鋅線。本文擬通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集結(jié)合實(shí)際設(shè)計參數(shù)，對活套進(jìn)行數(shù)學(xué)模型仿真，并針對其不同規(guī)格不同材質(zhì)不同的張力設(shè)定值的特點(diǎn)，以單神經(jīng)元自適應(yīng)PID代替原有的老式經(jīng)典PID算法，達(dá)到在編程的過程中能使用模型進(jìn)行初步測試，設(shè)定初始參數(shù)，在現(xiàn)場調(diào)試過程中通過自適應(yīng)匹配更適合的參數(shù)，在提高調(diào)試效率及安全性的同時使系統(tǒng)有更好的快速性和穩(wěn)定性。1.2鞍鋼莆田冷軋熱鍍鋅線項(xiàng)目概述鞍鋼莆田冷軋是鞍鋼集團(tuán)繼朝陽和鲅魚圈戰(zhàn)略發(fā)展后的又一重大發(fā)展規(guī)劃，為了更好的滿足國內(nèi)外市場需求，充分利用福建沿海優(yōu)勢，從而增強(qiáng)公司對東南沿海地區(qū)市場的輻射能力，項(xiàng)目規(guī)模為年產(chǎn)冷軋產(chǎn)品100萬噸，以家電板為主，同時兼顧建筑和汽車用板。鞍鋼莆田冷軋主要包括：1條酸洗軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組、1條連續(xù)退火機(jī)組、1條熱鍍鋅機(jī)組、2條重卷機(jī)組、3條包裝機(jī)組及相應(yīng)的配套公輔設(shè)施組成。在該項(xiàng)目年產(chǎn)100萬噸的冷軋產(chǎn)品中，熱鍍鋅卷年產(chǎn)量為30萬噸、冷軋卷年產(chǎn)量為70萬噸。冷軋產(chǎn)品的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)按照J(rèn)IS3135、JIS4141標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，熱鍍鋅產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)按照EN10147、EN10142標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。產(chǎn)品規(guī)格為寬度700-1350mm，厚度0.25-2mm。為確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力，該項(xiàng)目采用Alstom公司的HPC系列高性能控制器組成自動化控制系統(tǒng)，采用最先進(jìn)的工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，同時在生產(chǎn)操作管理、產(chǎn)品及合同管理和設(shè)備管理方面也采用了最先進(jìn)計算機(jī)控制系統(tǒng)。冷軋?zhí)幚砭€一般按活套進(jìn)行區(qū)域劃分，入口活套前一直到開卷機(jī)為入口段，從入口活套到出口活套為工藝段，出口活套到檢查臺活套為光整區(qū)，從檢查臺活套到卷曲機(jī)為出口段，在加上出入口的鋼卷運(yùn)輸系統(tǒng)與液壓站系統(tǒng)，就構(gòu)成了整個生產(chǎn)線。該鍍鋅線入口段為上下線雙開卷布置方式，單線從開卷機(jī)開始經(jīng)磁力皮帶、入口夾送輥、矯直機(jī)前夾送輥、矯直機(jī)、剪前夾送輥、橫切剪、轉(zhuǎn)向夾送輥到公共夾送輥合并進(jìn)入焊機(jī)，上下線設(shè)備布置和功能完全一致，正常生產(chǎn)狀況下兩臺開卷機(jī)交替工作，一臺工作的同時，另一臺進(jìn)行上卷，帶頭廢料剪切等準(zhǔn)備工作，然后將帶鋼頭部定位到焊機(jī)前等待，等另一臺開卷的帶鋼甩尾結(jié)束后馬上進(jìn)行焊接，從而減少入口段因準(zhǔn)備工作而產(chǎn)生的停機(jī)時間，緩解活套的存儲壓力，保證帶鋼的連續(xù)運(yùn)行。工藝段為生產(chǎn)線的核心區(qū)域，在生產(chǎn)過程中，出入口段應(yīng)利用活套的存儲能力產(chǎn)生的停機(jī)時間進(jìn)行鋼卷的上下線工作，保證工藝段的連續(xù)運(yùn)行，如果發(fā)生故障，引起工藝段停機(jī)，輕則產(chǎn)生大量的廢品造成損失，重則產(chǎn)生斷帶事故。工藝段由入口活套開始，經(jīng)清洗段、連續(xù)退火爐、鋅鍋、冷卻塔、光整機(jī)、拉矯機(jī)、輥涂機(jī)、圓盤剪完成一系列的工藝過程，改變帶鋼從金相、屈服強(qiáng)度、表面粗糙度等一系列的工藝參數(shù)，帶到客戶的需求，具體過程下面再詳細(xì)介紹。出口段從出口活套開始，依次經(jīng)檢查臺、測厚測寬儀、涂油機(jī)到飛剪進(jìn)行帶鋼的采樣、頭尾廢料及焊縫的剪切，最后在開卷卷成成品卷，成品卷由出口卸卷小車從卷曲機(jī)上運(yùn)送到出口步進(jìn)梁，再由步進(jìn)梁運(yùn)輸至打包機(jī)組對成品卷進(jìn)行包裝。生產(chǎn)線整體布局簡圖如圖1.1所示。圖1.1生產(chǎn)線整體布局圖Fig1.1ProductLinePosition設(shè)備中文說明如下表：表1.1生產(chǎn)設(shè)備說明Table1.1Descriptionofproductdevice符號說明符號說明POR開卷機(jī)TOWER冷卻塔BR張力輥DLP出口活套ELP入口活套SPM光整機(jī)STOVE加熱爐LEVEL拉矯機(jī)ZINCPOT鋅鍋ILP檢查活套OLIER涂油機(jī)TR卷曲機(jī)下面簡要介紹一下一卷帶鋼在鍍鋅線上的生產(chǎn)流程。首先吊車將原料卷吊放到入口步進(jìn)梁上，同時鋼卷跟蹤系統(tǒng)接收到鞍座的占用信號，就會將來自三級生產(chǎn)管理的鋼卷基本信息顯示到畫面并存入緩存區(qū)待鋼卷上線后使用，隨著鋼卷不斷上線，步進(jìn)梁會自動步進(jìn)，保持最內(nèi)側(cè)的卷位有卷，等待運(yùn)輸小車接卷，鋼卷運(yùn)輸車根據(jù)卷曲的選擇信息將鋼卷運(yùn)送到相應(yīng)的開卷機(jī)入口。每臺開卷機(jī)都有一個單獨(dú)的上卷小車，主要負(fù)責(zé)從鋼卷運(yùn)輸車上將鋼卷運(yùn)送到開卷地輥位，生產(chǎn)操作人員將在地輥位給鋼卷拆打捆帶，并用地輥將帶頭旋轉(zhuǎn)到合適的角度準(zhǔn)備上卷。待開卷機(jī)上的鋼卷甩尾完成后，小車將對鋼卷進(jìn)行直徑測量，同時自動調(diào)整到芯軸高度上卷，小車前進(jìn)到芯軸中心位置后，抬起芯軸外支撐臂，同時將芯軸漲緊固定鋼卷。利用磁力皮帶吸住帶頭，配合開卷伸縮導(dǎo)板將帶頭引入入口夾送輥。同時將入口矯直機(jī)根據(jù)來料厚度調(diào)整好輥縫，待帶頭進(jìn)入矯直機(jī)后壓下，保證帶頭的板型，防止卡在機(jī)械的縫隙中。而后帶頭自動定位到入口橫切剪，進(jìn)行帶頭超差部分的廢料剪切，切下的廢料由運(yùn)輸帶運(yùn)到廢料箱內(nèi)。廢料剪切完成后將帶頭自動定位到焊機(jī)入口等待，等上卷帶尾定位焊機(jī)完成后進(jìn)行焊接，焊接完成啟動定位到月牙剪，進(jìn)行焊縫的背凸測試，測試合格就可以入口段建張運(yùn)行了。帶鋼從入口上線以后首先進(jìn)入到清洗段，清洗段主要由堿洗槽、電解清洗槽、熱水漂洗槽、刷洗單元、擠干輥單元、熱風(fēng)干燥系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)組成，主要為除去帶鋼表面在冷軋時吸附的軋制油，改善帶鋼表面清潔度以滿足后續(xù)的工藝要求。循環(huán)系統(tǒng)主要為給部分配置所需濃度的清洗液及電解液，根據(jù)電導(dǎo)率反饋進(jìn)行配置流量的調(diào)節(jié)，同時還通過各部分的噴嘴進(jìn)行噴射清洗，并利用蒸汽調(diào)節(jié)各部分的溫度。電解清洗是利加直流電壓的電極板，在帶鋼經(jīng)過兩個電極板過程中。通過電場電流降低帶鋼與電解質(zhì)溶液的界面張力，電解質(zhì)溶液滲透到帶鋼表面的油脂下面，通過氧化還原反應(yīng)在界面產(chǎn)生大量的起泡，從污物和金屬的縫隙中逸出，使得污物從帶鋼表面脫落，達(dá)到清洗的目的。擠干輥單元和熱風(fēng)干燥的目的是防止帶鋼將水帶到后續(xù)工藝，影響其他的工藝效果。帶鋼出清洗段后經(jīng)由2#張力輥進(jìn)入入口活套。入口活套為單立式活套，在生產(chǎn)線正常運(yùn)行的時候保持滿套位置，保證在入口上卷焊接的時間工藝段不受影響，在入口焊接結(jié)束后便高速充套，等待下一次焊接。在活套底部裝有CPC即帶鋼對中裝置，防止在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中由于帶鋼跑偏剮蹭引起斷帶等事故。CPC裝置利用電磁檢測或自動巡邊裝置檢測帶鋼的實(shí)際位置，通過糾偏輥進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證帶鋼始終運(yùn)行在中心線附近。全線根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)有多處對中裝置，在帶鋼建立張力并以一定速度運(yùn)行時自動投入使用。帶鋼離開入口活套經(jīng)過3#張力輥進(jìn)入爐區(qū)。退火爐的主要功能是根據(jù)帶鋼的熱力學(xué)模型，把帶鋼沿一定的溫度曲線加熱到設(shè)定的溫度、并根據(jù)適當(dāng)?shù)睦鋮s曲線冷卻。降低的冷加工硬化，改善薄板的成型性能。加熱段由上下導(dǎo)輥形成通道，在通道兩側(cè)裝有輻射管，透過燃燒控制加熱輻射管從兩面加熱帶鋼，對帶鋼寬度方向均勻加熱，從輻射管排出的燃燒氣體集中到匯流室，在排煙風(fēng)機(jī)的作用下形成負(fù)壓狀態(tài)，每段的溫度通過調(diào)節(jié)燃燒氣體的流量和助燃風(fēng)量的大小進(jìn)行控制。根據(jù)冶金學(xué)原理，退火分為兩個階段，第一階段是再結(jié)晶和晶粒長大過程，這一階段包括加熱、退火溫度下的保溫和第一段中速冷卻，這一階段的目的是形成對帶鋼成型性能很重要的組織結(jié)構(gòu)特征，第二階段包括快速冷卻和過時效處理，這一階段決定了帶鋼組織中碳化物分部特性和過飽和固溶的碳含量，給定了帶鋼的實(shí)效行為。鋅鍋位于爐子出口處，鋅鍋利用大功率感應(yīng)電爐來融化鋅錠，同時補(bǔ)償鍍帶鋼從鋅鍋中通過帶走的熱量，維持穩(wěn)定的鍍鋅溫度，帶鋼經(jīng)爐鼻進(jìn)入鋅鍋中的鋅液進(jìn)行浸鍍，繞過沉沒輥后出鋅鍋，再通過穩(wěn)定輥和氣刀進(jìn)入冷卻階段。浸在鋅液中的穩(wěn)定輥用于控制帶鋼的擺動，帶鋼從鋅鍋出來后，氣動和冷卻風(fēng)箱的巨大氣流會使帶鋼發(fā)生擺動，通過調(diào)整沉沒輥上部穩(wěn)定輥的水平距離，可增大帶鋼張力防止擺動，氣刀是利用氣體噴吹來控制鍍層的厚度，通過安裝在后面的鍍層測厚儀進(jìn)行反饋，調(diào)節(jié)氣刀風(fēng)機(jī)的氣刀間隙角度和風(fēng)量，達(dá)到要求的鍍層厚度。帶鋼出鋅鍋經(jīng)冷卻塔冷卻進(jìn)入光整區(qū)，光整機(jī)利用軋制力控制，可以產(chǎn)生一定的延伸率，能夠改善帶鋼的機(jī)械性能，消除屈服平臺，同時控制板型，提高產(chǎn)品質(zhì)量，光整的另一功能是對帶鋼表面質(zhì)量的改善，壓平帶鋼表面，使鋅層能夠更好的附著在帶鋼表面上，傳遞粗糙度，使帶鋼更容易進(jìn)行防銹處理，拉矯機(jī)是通過調(diào)整輥的插入量，利用張力產(chǎn)生一定的延伸率，區(qū)別于光整機(jī)主要針對帶鋼表面，拉矯機(jī)作用于帶鋼整個截面，具有橫向、縱向和垂直于厚度方向的三個自由度的變形，因而在所有軸線上的滑移面都能活動，可以消除帶鋼浪邊、浪形、瓢曲和輕度鐮刀彎。后經(jīng)過滾涂機(jī)進(jìn)行表面涂層，滾涂機(jī)后布置有圓盤剪，對帶鋼進(jìn)行切邊后就進(jìn)入出口活套。出口活套在正常轉(zhuǎn)車時保持空套，當(dāng)出口段進(jìn)行剪切、卸卷或檢查臺對帶鋼進(jìn)行表面質(zhì)量檢查時，活套會向上拉升，存儲帶鋼，保證工藝段的生產(chǎn)速度，出口活套后帶鋼進(jìn)入檢查臺，檢查臺內(nèi)有測寬、測厚及表面檢查儀用于測量產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量，同時質(zhì)量檢查員，通過垂直檢查室和水平檢查臺進(jìn)行監(jiān)測。尾部攝有靜電涂油機(jī)，對帶鋼表面進(jìn)行涂油。出口飛剪可以在運(yùn)行的情況下進(jìn)行帶鋼的連續(xù)剪切，當(dāng)飛剪分切完成后，前一卷帶鋼進(jìn)行自動甩尾，飛剪繼續(xù)按操作設(shè)定進(jìn)行帶尾帶頭的樣品和廢料剪切，剪切完成后帶頭到等待位等待，前一卷鋼卷下線并且卷曲穿帶準(zhǔn)備好后進(jìn)行穿帶。帶頭由穿帶導(dǎo)板引入卷取機(jī)。皮帶助卷器用于將帶鋼頭部纏繞到卷筒上。通過對帶鋼頭部的跟蹤，當(dāng)纏繞一定圈數(shù)后，各穿帶輔助設(shè)備就會自動打開。成品卷甩尾完成后，出口卸卷小車上升頂住鋼卷，卷取機(jī)芯軸收縮，小車將鋼卷先將運(yùn)到稱重位稱重，并由打捆機(jī)打捆，再將鋼卷運(yùn)送到出口步進(jìn)梁，步進(jìn)梁將鋼卷送到包裝線進(jìn)行包裝，然后就可以吊到成品卷庫等待發(fā)貨了。1.3冷軋立式活套的研究現(xiàn)狀鍍鋅、彩涂、連續(xù)退火、酸洗連軋、等冷軋生產(chǎn)線之所以能夠保持連續(xù)運(yùn)行，就是因?yàn)橛谢钐椎拇嬖?，作為帶鋼貯存系統(tǒng)在頭部焊接、尾部剪切及光整換輥等情況下保證工藝段生產(chǎn)的連續(xù)性，同時作為重要張力分區(qū)影響相鄰區(qū)域的張力控制及帶鋼糾偏裝置的工作性能。作為同時包含位置控制和張力控制的全線最為復(fù)雜的系統(tǒng)，活套的控制性能直接影響全線控制系統(tǒng)性能?；钐自诶滠垘т撎幚砭€中可以分三種結(jié)構(gòu)，分別是立式活套、臥式活套和螺旋式活套。臥式活套是橫向水平布置，特點(diǎn)是對空間的橫向占用不要求廠方的高度，而且有較大的牽引力，一般用于空間較充足且對帶鋼張力要求較大的生產(chǎn)線，螺旋式活套機(jī)械部分比較復(fù)雜，且在安裝維護(hù)上要求較高，同時在速度和張力方面有些限制，沒有得到廣泛的應(yīng)用。而立式活套是在近些年發(fā)展起來的一種技術(shù)，雖然還不是十分成熟。但相對于臥式活套有很多優(yōu)點(diǎn)，其占用空間較小，活套套量卻可以很大，對帶鋼張力的控制精度很高。雖然目前國內(nèi)冷軋生產(chǎn)線多使用臥式活套，但從目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢看，立式活套的優(yōu)點(diǎn)將會使他逐漸取代臥式活套，成為主流應(yīng)用，因此本文選用立式活套作為研究對象。目前活套裝置有以下幾個廣泛應(yīng)用的方面：（1）活套位置的測量裝置由于在生產(chǎn)過程中需要對活套位置進(jìn)行控制，所以必須實(shí)時檢測活套的實(shí)際位置，在熱軋以及棒線材生產(chǎn)線，由于活套的機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系，一般采用活套位置掃描器對活套位置進(jìn)行檢測，活套位置掃描器通過對熱金屬檢測的原理來測量活套高度，也有的生產(chǎn)線使用內(nèi)置于液壓缸中的位置傳感器來計算活套的位置。而冷軋立式活套的機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱軋有很大區(qū)別，通常套量要大很多，無法使用直接的掃描裝置檢測活套位置，所以一般使用安裝在活套卷筒后面的絕對值碼盤來計算活套的位置，使用現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)采集到PLC，使用編碼器便于安裝和維護(hù)，而且可以保持一定的檢測精度，目前多數(shù)冷軋立式活套都采用這種位置檢測方法。（2）活套塔的設(shè)計活套塔一般根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏和運(yùn)行速度來進(jìn)行設(shè)計，對于生產(chǎn)節(jié)奏和運(yùn)行速度都比較慢的生產(chǎn)線，對活套的套量需求較小，活套塔可以設(shè)計為單塔，單活套的系統(tǒng)慣量小，所以控制起來比較簡單，而且不存在雙活套位置同步問題；而對于鍍鋅線等大型系統(tǒng)而言，其雙開卷雙卷曲的結(jié)構(gòu)使得其生產(chǎn)節(jié)奏很快，運(yùn)行速度也比較快，薄料可以達(dá)到1000m/min左右，單塔活套難以滿足生產(chǎn)線大套量的需求，如果將單塔活套設(shè)計的很大，又很難保證其控制的精度。所以一般對于有較大套量需求的生產(chǎn)線，通常設(shè)計為雙立式活套，將一個大活套拆分成兩個獨(dú)立的小活套，只是在兩個獨(dú)立活套之間增加位置同步控制?；钐淄ㄟ^對傳動裝置對卷揚(yáng)電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，帶動卷筒纏繞鋼繩，通過滑輪組拉動小車在活套內(nèi)產(chǎn)生帶鋼張力，通過控制卷揚(yáng)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)對活套卷揚(yáng)的位置、速度和張力的控制。目前的活套控制方式：（1）傳統(tǒng)的活套控制傳統(tǒng)的活套控制方法是通過改變卷揚(yáng)電機(jī)的輸出力矩來調(diào)節(jié)活套張力的，這種控制方法是以活套的實(shí)際檢測張力為反饋，通過速度電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)試過程中需要對張力環(huán)、速度環(huán)與電流環(huán)的參數(shù)進(jìn)行整定，但其并未考慮速度與轉(zhuǎn)矩的耦合關(guān)系，只是構(gòu)建了張力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以在控制過程中難以達(dá)到很好的控制精度，傳動的活套控制方法結(jié)構(gòu)清晰容易理解實(shí)現(xiàn)，并且在以往的調(diào)試過程中積累的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)也使得調(diào)試過程簡單化，所以目前的應(yīng)用較為廣泛。（2）互不相關(guān)活套控制考慮到活套卷揚(yáng)電機(jī)速度與轉(zhuǎn)矩之間的耦合關(guān)系，為更好的對活套進(jìn)行控制，需要對兩者進(jìn)行解耦，采用前置補(bǔ)償器的解耦方法是目前應(yīng)有較多的解耦方法，使用狀態(tài)解耦、角形解耦和對角優(yōu)勢解耦等方法，可以避免活套卷揚(yáng)速度與轉(zhuǎn)矩之間互相干涉，使控制簡化為單變量的閉環(huán)控制，所以也叫做互不相關(guān)活套控制，互不相關(guān)活套控制也存在著一些缺點(diǎn)：卷揚(yáng)傳動的速度調(diào)節(jié)器依然影響張力控制；張力調(diào)節(jié)的快速性會受到影響，因?yàn)樗俣日{(diào)節(jié)的快速性受到了限制，而因此會產(chǎn)生張力波動。（3）活套多變量最優(yōu)控制活套張力控制系統(tǒng)是由三個部分組成的：活套卷揚(yáng)電機(jī)的傳動控制系統(tǒng)；活套張力控制系統(tǒng)和活套提升系統(tǒng)?？梢允褂米顑?yōu)化的調(diào)節(jié)理論對這三個部分進(jìn)行控制建模，對三部分進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使整個系統(tǒng)近似線性化，活套的最優(yōu)多變量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能把活套的張力控制與速度控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，但由于需要對三部分建立相應(yīng)的控制矩陣，所以在控制器的設(shè)計和調(diào)試上都有一定的難度，所以這種控制方法沒有的到廣泛的應(yīng)用，只有在個別對控制有特殊要求的場合進(jìn)行使用。（4）模糊PID控制活套張力控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制，很難達(dá)到較高的控制精度。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時也就是偏差相對較少的時候有較好的控制性能，但在建立初始張力和張力波動較大的情況下，由于系統(tǒng)偏差較大，常規(guī)PID控制器會產(chǎn)生較大的超調(diào)量，同時需要很長的調(diào)節(jié)時間，會對帶鋼的質(zhì)量產(chǎn)生影響。而模糊控制在大偏差系統(tǒng)的調(diào)節(jié)上有很好的控制性能。國內(nèi)外在近些年提出了Fuzzy-PID復(fù)合控制方法。該方法的控制思想是：在活套建立初始張力的階段，使用模糊控制器對活套張力進(jìn)行控制，而當(dāng)活套建張完成進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，則切換到傳統(tǒng)的PID進(jìn)行控制，利用兩種控制的特點(diǎn)，使活套在初始階段據(jù)有較快的響應(yīng)速度，而在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。模糊控制器需要較長時間完成其解模糊化和模糊推理的工作，但在實(shí)際過程中受掃描周期的時間限制，所以需要對模糊控制設(shè)計控制查詢表，將活套張力偏差E和偏差變化率EC作為輸入，通過一個輸入域到輸出域的查詢表。輸出活套的附加轉(zhuǎn)速給定。在模糊控制器的設(shè)計過程中，能夠借助以往現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)對復(fù)雜的問題進(jìn)行簡單有效的處理，如果對模糊控制器的結(jié)構(gòu)和層級設(shè)計的合適，同時對控制對象的先驗(yàn)知識較豐富，在對控制器的設(shè)計和調(diào)試當(dāng)中能夠很好的整定，模糊控制器可以達(dá)到較好的效果，但其受人為經(jīng)驗(yàn)的影響也較大，且其本質(zhì)上是一個變參數(shù)的PID控制器，很容易產(chǎn)生振蕩。1.3.1出口活套的控制原則出口活套若要滿足工藝需求，需遵循以下兩點(diǎn)的控制原則：（1）物料平衡原則活套入口、出口的物料流量和活套內(nèi)帶鋼的存量應(yīng)保持物料平衡的原則，即活套的套量、運(yùn)行速度與活套出入口的運(yùn)行速度遵循如下的關(guān)系：(1.1)(1.2)其中h、表示活套的行程、速度；、表示活套入口側(cè)即工藝段的帶鋼的行程和速度，、表示活套出口側(cè)帶鋼的行程和速度；n表示活套內(nèi)帶鋼的股數(shù)。（2）張力恒定原則對同一規(guī)格的帶鋼，活套的帶鋼張力T應(yīng)該保持設(shè)定值不變即：(1.3)活套內(nèi)帶鋼的重量正比與活套的套量，所以在充套、放套過程中應(yīng)該根據(jù)套量的變化對張力設(shè)定進(jìn)行補(bǔ)償，保證活套內(nèi)帶鋼張力維持不變，修正值與活套套量的變化范圍也就是帶鋼的重量成比例，即，補(bǔ)償方式為。對于出口活套來說，活套的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括活套高度和帶鋼股數(shù)都已經(jīng)固定，所以活套內(nèi)帶鋼重量只由活套套量來決定；在生產(chǎn)過程中，工藝段速度即活套入口速度恒定，所以活套的套量和活套出口的速度，即光整段的速度有緊密關(guān)系。綜上所述，出口活套想要滿足生產(chǎn)的工藝需求和技術(shù)要求，就必須準(zhǔn)確、實(shí)時地控制活套小車的速度。1.4本文的研究內(nèi)容本文以莆田鍍鋅生產(chǎn)線為背景，以出口立式活套為研究對象，首先通過現(xiàn)場的調(diào)試工作了解立式活套的控制的原理及方法，同時發(fā)現(xiàn)了一些在活套控制方面的不足，在對活套的特點(diǎn)和控制原理方法進(jìn)行分析后，提出使用新型的智能控制方法對活套進(jìn)行控制。主要完成了以下幾個方面的工作：（1）對鞍鋼莆田鍍鋅線進(jìn)行整體上的概述，簡要介紹了冷軋立式活套的發(fā)展和研究現(xiàn)狀；（2）介紹連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)過程中立式活套機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和生產(chǎn)工作過程，介紹立式活套的位置、速度及張力控制原理和方法，結(jié)合項(xiàng)目對張力的控制方法及原理進(jìn)行分析，同時提出當(dāng)前廣泛使用的常規(guī)PID的控制方式存在的一些問題；（3）基于立式活套耦合、非線性、時變的對象特點(diǎn)，使用BP網(wǎng)絡(luò)建立活套的張力模型，使用現(xiàn)場采集的PDA歷史數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過改進(jìn)算法和參數(shù)使模型達(dá)到預(yù)期精度，并使用數(shù)據(jù)對模型精度進(jìn)行驗(yàn)證；（4）結(jié)合活套時變、非線性的控制特點(diǎn)，提出將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法應(yīng)用到活套的張力控制系統(tǒng)中。然后設(shè)計了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，并使用S函數(shù)構(gòu)建了單神經(jīng)元控制器，通過在simulink中對帶鋼張力模型的仿真，驗(yàn)證了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器在活套張力控制中的可行性；（5）通過對帶鋼建模和單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的仿真研究，提出了對建模精度、建模參數(shù)與算法選擇、以及單神經(jīng)元控制器的穩(wěn)定性分析等新的改進(jìn)與研究方向。東北大學(xué)專業(yè)學(xué)位論文第2章立式活套的速度和張力控制第2章立式活套的速度和張力控制2.1出口立式活套的分析2.1.1出口活套裝置技術(shù)參數(shù)出口活套由活套車、輥系、卷揚(yáng)裝置、配重、軌道及塔式鋼架等部分組成，立式活套為機(jī)械配重式結(jié)構(gòu)，鋼繩的一端固定在卷揚(yáng)卷筒上，一端固定在活套小車上，卷揚(yáng)電機(jī)通過變速箱帶動卷筒旋轉(zhuǎn)纏繞鋼繩，經(jīng)安裝在活套塔頂部的轉(zhuǎn)向輪提升活套小車，在活套小車上安裝有一定數(shù)量的活套輥，活套小車帶動活套輥上升下降來進(jìn)行充放套。小車上的活套輥一般為被動輥，在活套塔下面還安裝有對應(yīng)數(shù)量的固定底輥，一般帶有傳動系統(tǒng)，用來補(bǔ)償帶鋼在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的張力損失，在部分活套底輥的軸承座上安裝有活套安全銷，在張力達(dá)到一定大小的時候會使安全銷動作，發(fā)送給PLC急停信號，起到安全保護(hù)作用，同時還安裝有斷帶制動器，當(dāng)PLC通過計算檢測到斷帶發(fā)生時，斷帶制動器就會動作夾緊帶鋼，防止高處的帶鋼掉落造成設(shè)備和人員的傷害，活套上還裝有糾偏單元，用來防止活套塔中的帶鋼跑偏。出口活套示意如圖2.1所示。圖2.1出口活套示意圖Fig2.1Exitlooper2.1.2出口段工作過程描述出口活套位于工藝段與出口段之間，主要用來在出口段剪切卸卷的過程中保持工藝段連續(xù)運(yùn)行。出口活套通常有一個較低的位置設(shè)定值，在機(jī)組正常連續(xù)運(yùn)行時，工藝段與出口段保持相同的速度，出口活套工作在設(shè)定位置，當(dāng)焊縫距離飛剪一定距離的時候，出口速度降到甩尾速度準(zhǔn)備剪切，這是出口活套開始充套，保證工藝段的速度保持不變，直到出口段卸卷完成，下一卷帶鋼卷入卷曲后，出口加速拉套，把出口活套拉空到設(shè)定值后，出口速度降為和工藝段相同的速度，此時活套位置保持不變，等待下一個焊縫再進(jìn)行上述動作。圖2.2活套速度與套量變化圖Fig2.2Changeoflooperspeedandreserves出口活套塔出口帶鋼速度變化過程為：首先工藝段出口段同速運(yùn)行，活套工作在設(shè)定位置，當(dāng)焊縫到達(dá)減速位，出口帶鋼速度從工藝段速度降至剪切速度60m/min，為保證帶鋼在飛剪處達(dá)到剪切速度，從減速位到飛剪的距離應(yīng)稍大于帶鋼由最大工藝降到剪切速度的距離，當(dāng)跟蹤程序計算焊縫位置到達(dá)飛剪時啟動剪切程序，第一刀分切完成后卷取機(jī)啟動帶尾定位程序進(jìn)行甩尾，飛剪按照操作人員的設(shè)定進(jìn)行帶頭帶尾的取樣和廢料剪切，剪切完成后降到零速等待，卷曲機(jī)完成卸卷后進(jìn)行穿帶準(zhǔn)備，穿帶準(zhǔn)備完成后出口啟動到60m/min的穿帶速度進(jìn)行穿帶，帶鋼經(jīng)磁力皮帶導(dǎo)入助卷器，由帶頭跟蹤程序計算纏繞3圈后產(chǎn)生engage信號，落下磁力皮帶，打開助卷器抱臂，待輔助設(shè)備動作到位后出口段開始升速，并上升到最大速度對出口活套進(jìn)行放套。待出口活套套量達(dá)到設(shè)定位置后，出口速度也同步到工藝段速度，至此出口活套完成了一個工作循環(huán)。在出口卸卷剪切過程中，出口段速度、出口活套小車速度及出口活套套量變化趨勢如圖2.2所示。2.2立式活套的位置控制通過對出口活套工作過程的分析，活套在生產(chǎn)過程中是通過控制套量來保證全線的速度連接，主令控制系統(tǒng)根據(jù)活套的套量給定全線的速度，確?；钐妆３趾线m的位置既不被拉空，也不會充滿。出口活套塔的上下兩端分別裝有4個極限開關(guān)，其中在小于0%和大于100%的位置裝有2個羊角開關(guān)，作為機(jī)械保護(hù)，當(dāng)開關(guān)被觸發(fā)時產(chǎn)生急停信號，在套量0%和100%處裝有2個磁感應(yīng)的快停開關(guān)，這兩個開關(guān)被觸發(fā)時產(chǎn)生快停，通常這4個極限開關(guān)是不被觸發(fā)的，在操作室的HMI上有限制在5%到95%之間的活套空滿兩個設(shè)定值，正常生產(chǎn)過程中活套一直工作在空滿套設(shè)定值之間。出口活套位置控制的設(shè)計思想是當(dāng)活套運(yùn)行到設(shè)定點(diǎn)時，出口段速度能夠跟工藝段速度保持一致，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時，根據(jù)新的位置設(shè)定值和當(dāng)前的實(shí)際位置計算出附加速度，調(diào)整出口段的運(yùn)行速度使活套重新達(dá)到設(shè)定位置，當(dāng)活套重新達(dá)到設(shè)定位置后，出口段速度又將等同于工藝段速度，當(dāng)工藝段速度發(fā)生變化時，出口段的速度也隨之變化，保持活套位置維持在設(shè)定位置不變。若要達(dá)到活套位置的實(shí)時控制，需要以下幾個功能：對活套位置的實(shí)時監(jiān)測對活套位置的標(biāo)定通過活套位置控制器對充放套速度進(jìn)行調(diào)節(jié)對活套小車的速度調(diào)節(jié)2.2.1活套的實(shí)時套量計算活套套量既活套內(nèi)儲存的帶鋼長度，分為固定長度和變化長度兩部分：(2.1)其中固定長度為活套上輥上表面到輥的軸心高度加上下輥軸心高度到下表面高度的存儲帶鋼長度，這部分長度不隨活套位置發(fā)生變化，實(shí)際長度等于活套輥的半周長乘活套輥的個數(shù)：(2.2)式中：D為活套輥直徑N為活套輥個數(shù)而可變長度部分則對應(yīng)于活套上輥系和下輥系軸心高度差再乘以帶鋼的層數(shù)：(2.3)式中：H為上下活套輥中心高度差K為活套內(nèi)帶鋼的水平層數(shù)其中H為時變的測量值，由于下輥為固定輥，所以H是由活套小車的實(shí)際位置決定的，活套小車的位置測量由安裝在卷筒上的編碼器來測量，編碼器的測量脈沖數(shù)通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)傳到PLC，活套的實(shí)際位置由以下公式計算：(2.4)式中表示活套小車的實(shí)際位置表示編碼器的標(biāo)定值表示編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)4096D表示活套卷揚(yáng)卷筒的直徑i表示鋼繩在活套車上纏繞的匝數(shù)，現(xiàn)場實(shí)際為6，既卷筒轉(zhuǎn)6個單位長度，小車移動1個單位長度其中表示編碼器的標(biāo)定值，在活套中部安裝有一個磁感應(yīng)開關(guān)，用于活套小車的位置標(biāo)定，每當(dāng)小車經(jīng)過標(biāo)定開關(guān)時，PLC中的活套標(biāo)定程序就將標(biāo)定為標(biāo)定開關(guān)所對應(yīng)的實(shí)際位置，用來消除累計誤差。2.2.2活套的速度控制活套的位置控制實(shí)際上是由控制活套小車的速度實(shí)現(xiàn)的，而活套小車的速度是由活套的入口速度和出口速度決定的：(2.5)式中：為活套小車的速度為工藝段速度為出口段速度N為活套內(nèi)帶鋼的股數(shù)當(dāng)時，,活套小車向上移動，活套處于充套狀態(tài)，套量增大；當(dāng)時，,活套小車向下移動，活套處于放套狀態(tài)，套量減??；當(dāng)時，,活套小車位置不變，套量不變；就出口活套而言，當(dāng)出口進(jìn)入焊縫定位階段，工藝段速度大于出口速度，活套車向上移動，當(dāng)出口穿帶完成后出口段加速，出口段速度大于工藝段速度，活套車向下移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定位置時，達(dá)到同步控制?？刂苹钐椎奈恢没诳刂苹钐总嚨乃俣?，又工藝段速度在正常生產(chǎn)時是保持不變的，所以調(diào)節(jié)活套車速度實(shí)際是基于的出口速度的控制，在出口剪切時，出口段退出同步控制執(zhí)行剪切速度，當(dāng)穿帶完成后進(jìn)入同步控制，則出口速度如下式：(2.6)其中為出口速度設(shè)定值，為工藝段速度實(shí)際值，為活套位置調(diào)節(jié)器輸出的速度調(diào)節(jié)量，活套位置調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入的活套位置設(shè)定值和活套位置實(shí)際值，計算出出口附加速度：(2.7)式中：為位置調(diào)節(jié)附加速度為活套位置設(shè)定值為活套位置實(shí)際值為活套位置調(diào)節(jié)區(qū)間為活套所允許的最大速度限幅當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際值偏差大于調(diào)節(jié)區(qū)間時，調(diào)節(jié)器輸出為最大允許速度，最大允許速度的大小取決于卷揚(yáng)電機(jī)的額定速度，當(dāng)位置偏差值小于調(diào)節(jié)區(qū)間時，調(diào)節(jié)速度開始下降，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際值相同時，偏差為零，調(diào)節(jié)器輸入也為零，活套進(jìn)入同步位置穩(wěn)定運(yùn)行。出口活套的同步工作位置為下限設(shè)定值，而出口活套的上限設(shè)定值是當(dāng)出口降速或停車時間過長時，活套套量達(dá)到上限設(shè)定，出口PLC將會通過PLC間通訊告知工藝段PLC，進(jìn)行減速停車。2.3立式活套的張力控制張力控制是冷軋生產(chǎn)線中非常重要的一個環(huán)節(jié)，冷軋帶鋼只有在適當(dāng)?shù)膹埩ο虏拍芊€(wěn)定連續(xù)的運(yùn)行，并且在短時間的停車期間也要保持一定的靜態(tài)張力，可以說張力控制貫穿著整個生產(chǎn)的式中，不但影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，同時還會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至如果張力控制的不好，過大的張力會拉斷帶鋼，造成重大事故，下面就從張力的基本概念入手，詳細(xì)的闡述一下出口立式活套的張力控制原理。2.3.1張力產(chǎn)生的基本原理冷軋生產(chǎn)線中帶鋼的張力是靠帶有傳動的輥?zhàn)訉т摰睦飚a(chǎn)生的，帶鋼由拉伸所產(chǎn)生速差，使金屬各處產(chǎn)生相對位移，從而產(chǎn)生張應(yīng)力，也叫做平均單位張力，用帶鋼的截面積A乘以平均單位張力，可以計算出作用在整段帶鋼上的張力：圖2.3作用在帶鋼上的張力Fig2.3Tensiononthestrip張力計算公式如下：(2.8)式中：T是作用于帶鋼橫截面上的張力；A是帶鋼的截面積；是單位平均張力。由胡克定律可知，金屬的彈性應(yīng)變與單位張應(yīng)力成正比的關(guān)系：(2.9)其中E是帶鋼的楊氏彈性模數(shù)，定義為張應(yīng)力與應(yīng)變的比值，在數(shù)值上等于單位應(yīng)變時的張應(yīng)力；為彈性應(yīng)變，即帶鋼在單位長度上的伸長量。據(jù)上圖所示在帶鋼上分別取任意兩點(diǎn)a和b來分析，兩點(diǎn)之間的距離用表示，用和分別表示a、b兩點(diǎn)的運(yùn)動速度，方向是從a到b，并且，帶鋼在長度方向上的位移為。彈性應(yīng)變的表達(dá)式應(yīng)為：(2.10)如果對張力進(jìn)行幾何分析，則如下圖所示：:圖2.4張力產(chǎn)生原因Fig2.4causeoftensiongeneration材料在長度方向上的形變決定了所產(chǎn)生應(yīng)力的大小，形變的量值既兩點(diǎn)間的相對位移量，a和b兩點(diǎn)以不同的速度運(yùn)動，由其相對速差產(chǎn)生相對的位移量。先求出應(yīng)變值，再通過應(yīng)變值計算出產(chǎn)生的應(yīng)力，得出的就是張應(yīng)力，用表示：(2.11)(2.12)所以(2.13)因此，當(dāng)a、b兩點(diǎn)分別以、速度運(yùn)動時，帶鋼上產(chǎn)生的張力值為：(2.14)其中A、E和L在具體情況下皆為常數(shù)值，所以生產(chǎn)過程中張力的大小全部取決于a點(diǎn)和b點(diǎn)的速度偏差。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，和是不斷變化的，當(dāng)和分別產(chǎn)生大小為和的微小變化時，其在帶鋼上形成的張力也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量，其對應(yīng)關(guān)系為：(2.15)(2.16)所以作用于帶鋼上的張應(yīng)力除了兩點(diǎn)速度差的分量外，還應(yīng)包含由速度本身變化所產(chǎn)生的分量，則張應(yīng)力和張力分別為：(2.17)(2.18)由以上關(guān)系式可知，由電氣傳動系統(tǒng)拉伸帶鋼，使帶鋼各處產(chǎn)生微小的速度差，從而產(chǎn)生的張力，同時張力的變化是由各處速度的變化引起的。單位張力和張力只與各處的速度差大小有關(guān)系，而與帶鋼本身的運(yùn)行速度沒有關(guān)系。2.3.2帶鋼張力的種類和作用（1）帶鋼張力的種類（a）穿帶張力：是指帶鋼在剪切以后進(jìn)行穿帶或甩尾的張力，因?yàn)樵诖Ш退ξ矔r的速度很低，所以穿帶張力也比較小，一般為運(yùn)行張力的40%?；钐讻]有穿帶張力。（b）運(yùn)行張力：全線正常運(yùn)行時的張力，根據(jù)帶鋼規(guī)格和工藝要求有不同的運(yùn)行張力值。（c）靜張力：生產(chǎn)線在進(jìn)行維護(hù)檢修和事故臨時停車時的張力。機(jī)組臨時停車達(dá)到一定的時間，張力就切換為靜張力，等生產(chǎn)線恢復(fù)運(yùn)行時再切換為運(yùn)行張力。靜張力為了降低電機(jī)長期堵轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量，電機(jī)在機(jī)組沒有運(yùn)行的靜態(tài)建張中實(shí)際是處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以靜張力不宜過大，時間也不宜過長。靜張力一般為運(yùn)行張力的50%。如果機(jī)組長時間沒有恢復(fù)運(yùn)行，則進(jìn)行張力切斷。（d）點(diǎn)動張力：電動張力是為了在操作人員需要對機(jī)組進(jìn)行手動前進(jìn)后退時使用，避免在手動電動過程中產(chǎn)生跑偏和擦劃，點(diǎn)動張力也比較小，一般為運(yùn)行張力的30%。（2）帶鋼張力的作用張力在生產(chǎn)過程中主要有四方面的作用：即使帶鋼獲得一定的延伸率；防止帶鋼跑偏；使帶鋼獲得較好的板型；工藝需求（開卷與卷?。?。張力主要作用有一下幾個方面：（a）有利于生產(chǎn)線穩(wěn)定帶鋼在沒有張力的情況下非常容易跑偏，單獨(dú)依靠自動對中裝置CPC很難完成帶鋼的糾偏工作，只有在合適的帶鋼張力下才能充分的發(fā)揮自動糾偏裝置的功能，保證帶鋼在連續(xù)生產(chǎn)的過程中始終處于中心線附近。（b）有助帶鋼板形平直（SPM/WCR）張力控制的不好可能會在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生一些板型問題，如：邊浪、中間浪、鐮刀彎、寬度及長度方向反彎等，其主要原因是各方向延伸不均，帶鋼中的殘余應(yīng)力引起帶鋼在各方向上的變形。拉矯機(jī)就是利用大張力，消減帶鋼中的殘余應(yīng)力，使帶鋼在各方向上的變形趨于一致，在經(jīng)過拉矯后得到比較平直的板型。另外在爐區(qū)的各個加熱段和隨后的各種冷卻段中，如果沒有合適的張力，則帶鋼在與輥面接觸時可能產(chǎn)生瓢曲，進(jìn)而影響加熱的均勻性，使帶鋼的溫度分布不均，待溫度冷卻后就會產(chǎn)生板型問題。（c）調(diào)節(jié)帶鋼延伸率（平整機(jī)）光整機(jī)是通過調(diào)節(jié)軋制力來使帶鋼產(chǎn)生一定的延伸率的，一定的延伸率可以改變帶鋼內(nèi)部的應(yīng)力情況，使帶鋼獲得較好的性能和表面質(zhì)量，但如果沒有張力的作用，金屬在變形區(qū)中只有三向的壓應(yīng)力作用，需要很大的軋制力才能產(chǎn)生形變，而通過對帶鋼施加一定的張力，可以使水平的張應(yīng)力變?yōu)槔?，垂直方向的壓?yīng)力變得更小，較小的軋制力就可以產(chǎn)生很大的形變，使得光整機(jī)的控制更加容易，可以達(dá)到更好的控制精度，同時，使用較小的軋制力還可以降低產(chǎn)生延伸率的能源消耗。（d）輔助生產(chǎn)線開卷工作開卷機(jī)的張力主要是保證帶鋼能順利開卷，如果張力過大，則無法進(jìn)行穿帶，如果張力過小，會在開卷前產(chǎn)生堆鋼現(xiàn)象，而且開關(guān)的張力應(yīng)充分考慮前道生產(chǎn)工序的張力，否則過大的張力會引起帶鋼的層間滑動，造成表面擦劃傷，同時，如果在升減速過程中對開卷的張力控制不好的話，會使較薄的帶鋼變形甚至斷代。（e）輔助生產(chǎn)線卷取機(jī)工作帶鋼張力對卷起來說更為重要，一般對卷曲機(jī)來講都會有帶鋼的硬核控制，就是在最初的一段帶鋼施加較大的張力來進(jìn)行卷曲，避免因張力小而引起的內(nèi)圈松動，在卸卷的過程中出現(xiàn)問題，同時，如果在卷曲過程中張力不適合，會在卸卷后發(fā)生塌卷現(xiàn)象，無法進(jìn)行下一步工序，卷曲的張力波動能導(dǎo)致EPC裝置的振動，產(chǎn)生塔形或溢出邊的情況，如果生產(chǎn)的是成品卷，則不能滿足合同的要求。在機(jī)組停車期間也必須維持一定的靜態(tài)張力，即前文提到的靜張力，防止帶鋼在沒有張力的情況下與設(shè)備和輥?zhàn)又g產(chǎn)生相對位移，使帶鋼表面產(chǎn)生擦劃傷，帶鋼張力在整個生產(chǎn)過程中起到至關(guān)重要的作用。2.4張力的控制方式及原理冷軋鍍鋅線和其他的冷軋?zhí)幚砭€都采用分區(qū)張力控制的方式，利用張力輥和活套的張力隔斷作用，把整條生產(chǎn)線按工藝需求分割成許多大小不同的張力區(qū)，對每個張力區(qū)進(jìn)行單獨(dú)的張力控制。冷軋?zhí)幚砭€一般有直接張力控制、間接張力控制和復(fù)合張力控制三種不同的張力控制方法，根據(jù)每個張力去的實(shí)際情況選擇合適的張力控制方式，直接張力控制就是指直接讀取張力計的數(shù)值作為張力反饋，進(jìn)入張力控制器進(jìn)行張力閉環(huán)控制；而間接張力控制則是使用一些其他的如轉(zhuǎn)矩等反饋值計算出實(shí)際張力，再用計算值來進(jìn)行張力的閉環(huán)調(diào)節(jié)，另外還有一種復(fù)合張力控制的方法，在目前的實(shí)際生產(chǎn)中也有比較廣泛的應(yīng)用，他是結(jié)合前兩種控制方式，混合使用，達(dá)到一個理想的控制效果，下文將進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.4.1直接張力控制我們稱用張力計測量值作為反饋的張力控制方式為直接張力控制，直接張力控制是目前使用最為廣泛的一種張力控制方式，他的控制精度高和響應(yīng)速度快，一般都用在對張力控制精度和響應(yīng)速度要求較高的張力區(qū)，因?yàn)閺埩τ嫵杀据^高，所以在對張力控制性能要求不高的張力區(qū)，一般用其他的控制方式代替直接張力控制，同時，直接張力控制由于其響應(yīng)速度快，所以比較容易振蕩，要求在調(diào)試過程中反復(fù)修改參數(shù)，調(diào)試比較復(fù)雜。莆田鍍鋅生產(chǎn)線爐子段、鋅鍋段、平整機(jī)段以及立式活套部分等工藝段的張力控制采用直接張力控制，用來滿足這些工藝段對張力精度要求高，要求張力調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快的工藝需求。下面簡單介紹一下直接張力控制的基本原理：由上一小節(jié)的公式可知影響張力的變量為關(guān)于時間的積分，公式給出了a到b點(diǎn)長度為l的帶鋼的張力隨時間變化的函數(shù)。但是如何求得對于兩個固定傳動輥之間的張力呢?不妨假定存在從a到b長度為l的一段帶鋼(l很短)，當(dāng)a和b點(diǎn)進(jìn)入圖3．4所示的L區(qū)域時，這段長為l的帶鋼的張力變化為：（2.19）圖2.5速度差與張力的關(guān)系Fig2.5TesionandSpeed由于l很短，對于長度L可以認(rèn)為l是一個點(diǎn)，那么這段帶鋼在上述區(qū)域經(jīng)過的時間可以近似計算：（2.20)又各小段的拉伸量在整段帶鋼是均勻分布的，則可以得到：（2.21)將式(2．19和(2．20帶入到(2．21)，可以得到a-b段經(jīng)過此區(qū)域時的張力變化量：（2.22)如果速度差值是固定的，那么此段帶鋼的張力變化量為：（2.23)對張力基本表達(dá)是中的積分運(yùn)算的慣性問題進(jìn)行處理。一般可以將積分環(huán)節(jié)等效為大慣性環(huán)節(jié)，將積分時間常數(shù)等效為大慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。將慣性環(huán)節(jié)引入系統(tǒng)的動態(tài)函數(shù)當(dāng)中，并在不考慮入口張力的情況下，張力的實(shí)際處理模型T的s函數(shù)如下：（2.24)式中，E為楊氏模量；A表示截面積；L表示帶鋼長度。根據(jù)上面的公式，要想維持張力的恒定，則需要控制的值保持恒定。但是根據(jù)每個張力去的結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)情況選擇控制入口或出口的速度或者。但無論選擇控制哪個速度，都必須滿足速度差保持恒定，直接張力控制從本質(zhì)上就是控制速度差。假定出口速度保持不變，入口速度同張力成反比，因此應(yīng)使用張力偏差作為控制器輸入量，張力偏差經(jīng)過控制器運(yùn)算后，作為附加速度加到入口速度上。通過上面的描述可以繪制出直接張力控制的控制框圖。圖2.6直接張力控制框圖Fig2.6DirectTensionControl直接張力控制器通常采用PI調(diào)節(jié)器，按照無靜差系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)時，一般使用純積分環(huán)節(jié)設(shè)計前向開環(huán)傳遞函數(shù)，使閉環(huán)傳函成為一個一階慣性環(huán)節(jié)。2.4.2間接張力控制由于直接張力控制存在著一些問題，特別是張力計成本很高，在一些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境容易損壞。并且隨著矢量控制理論在變頻器上的應(yīng)用，使變頻器能夠進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，間接張力控制方法因此產(chǎn)生。間接張力控制是一種張力開環(huán)控制，有電機(jī)的額定功率、齒輪比、輥徑以及張力設(shè)定，計算出電機(jī)應(yīng)該輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，直接對變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。這種方法控制結(jié)構(gòu)簡單，張力控制穩(wěn)定，但由于其開環(huán)的特性，實(shí)際是一種有靜差的張力控制。在目前的冷軋生產(chǎn)線中，應(yīng)用最廣泛的就是直接張力控制和間接張力控制，基本上在對精度和響應(yīng)速度要求高的地方采用直接張力控制，而在對張力控制精度要求不高，但的控制的穩(wěn)定性有要求的地方使用間接張力控制。間接張力控制的原理如下:在張力輥的工作過程中，張力力矩與電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、空載轉(zhuǎn)矩、動態(tài)轉(zhuǎn)矩有以之間下關(guān)系：(2.25)又因?yàn)殡妱訖C(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：(2.26)張力為：(2.27)若忽略電動機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的空載損耗，并在恒速時，可忽略不計，于是張力(張力差)為：(2.28)在式(2.24)～(2.26)中，為張力力矩；為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；為空載轉(zhuǎn)矩；為加速過程中的加速轉(zhuǎn)矩；U、I為電動機(jī)的電樞電壓、電動勢和電樞電流：V為生產(chǎn)線運(yùn)行速度；對于開卷(卷取)機(jī)T為開卷(卷取)張力，對于張力輥和傳動輥，;D為輥?zhàn)拥闹睆?；Gr為減速箱的齒輪比；為電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；為電動機(jī)磁通量：P為電動機(jī)功率?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)矩是間接張力控制的核心問題，對于傳動裝置本身就是要使電流I和磁場按照指定的要求變化。根據(jù)矢量控制的原理，可以單獨(dú)調(diào)節(jié)磁場使其保持恒定，這樣問題就轉(zhuǎn)化為如何使按照張力的要求控制轉(zhuǎn)矩電流I，即I可以用函數(shù)表示。因此間接張力控制也可叫做轉(zhuǎn)矩控制。間接張力控制不需要對張力進(jìn)行直接的測量，所以間接張力控制系統(tǒng)中沒有張力控制器，張力設(shè)定值通過計算得出電磁轉(zhuǎn)矩給定，直接發(fā)送到傳動裝置進(jìn)行控制，在工作過程中只有傳動裝置的電流調(diào)節(jié)器處于工作狀態(tài)，而對于傳動裝置的速度調(diào)節(jié)器，通常是附加一個偏差速度使其處于飽和狀態(tài)。不需要測量張力反饋是間接張力控制最大的優(yōu)點(diǎn)，同時間接張力控制與直接張力控制相比，沒有張力控制器，速度調(diào)節(jié)器也工作在飽和狀態(tài)，少了兩個調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使得其控制性能比較穩(wěn)定，僅僅依靠電流環(huán)對勵磁和轉(zhuǎn)矩電流的矢量控制，實(shí)現(xiàn)對張力的開環(huán)調(diào)節(jié)。所以當(dāng)系統(tǒng)受到擾動影響時，如摩擦、升降速等因素，只能依靠補(bǔ)償值來微調(diào)轉(zhuǎn)矩，消除擾動的影響，補(bǔ)償值的準(zhǔn)確與否極大的影響了張力的控制效果。最典型的間接張力控制為開卷機(jī)和卷曲機(jī)。開收卷電機(jī)由矢量型變頻器S120控制，工作在轉(zhuǎn)矩限幅模式下，在PLC程序中始終疊加一個附加速度在開卷和卷曲的速度給定上（開卷為負(fù)速度），由于速度調(diào)節(jié)器的輸入始終不為零，所以速度調(diào)節(jié)器始終工作在飽和狀態(tài)，這個時候只有轉(zhuǎn)矩限幅起作用，將速度調(diào)節(jié)器的輸出限制在想要的工作轉(zhuǎn)矩輸出給電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定與實(shí)際的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以控制活套卷揚(yáng)。在轉(zhuǎn)矩控制下的傳動裝置同樣也有附加轉(zhuǎn)矩給定，同時附加轉(zhuǎn)矩給定也相應(yīng)的加到限幅值上，這種控制方法也稱為轉(zhuǎn)矩限幅控制，控制框圖如圖2.7所示：圖2.7變頻器的雙閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制Fig2.7Double-closed-loopscontrol對于轉(zhuǎn)矩控制方式下，張力參考值加上張力控制器的附加張力值作為傳動設(shè)備的張力設(shè)定值，即轉(zhuǎn)矩限幅值，PLC通過調(diào)整傳動的轉(zhuǎn)矩限幅去控制實(shí)際張力。2.4.3立式活套的復(fù)合張力控制不同的張力控制方式使用與不同的場合，而對于立式活套的張力控制，其控制性能的判定取決于三個方面的調(diào)節(jié)能力：第一，在靜態(tài)建張階段，使活套穩(wěn)定在靜態(tài)張力。第二，在活套出入口速度有差的情況下，即活套小車處于運(yùn)動的狀態(tài)下，克服加減速對活套張力的影響，避免活套張力的波動。第三，在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的階段，即活套出入口同速運(yùn)行，活套能過保持運(yùn)行張力穩(wěn)定，避免擾動帶來的張力波動。針對第一個和第三個問題，因?yàn)榫頁P(yáng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是通過鋼繩經(jīng)滑輪組拉升活套小車，活套小車?yán)瓌訋т摦a(chǎn)生張力，在力傳導(dǎo)的過程中，鋼繩的重量、帶鋼的自重以及鋼繩的彈性都會對活套張力產(chǎn)生一定的影響，因此要通過張力的閉環(huán)控制達(dá)到無差調(diào)節(jié)。針對第二個問題，一般靠在升減速過程中投入速度調(diào)節(jié)器或者加長升減速的時間來改善，但是以上兩種方法都是以犧牲系統(tǒng)的快速性來換取穩(wěn)定性，這在活套的控制上是不可取的。由于張力的閉環(huán)控制是靠反饋張力來進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際上要等到張力出現(xiàn)偏差以后才能反映到活套卷揚(yáng)的轉(zhuǎn)矩上，反饋閉環(huán)控制實(shí)際上是一種滯后的控制，而如果想消除因之后而引起的張力波動，則需要對系統(tǒng)引入前饋控制，對于活套的升降速而言，就是通過在調(diào)試過程中測得的活套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)系統(tǒng)的加速度，計算出活套所需的加速轉(zhuǎn)矩，以前饋的方式補(bǔ)償?shù)交钐椎霓D(zhuǎn)矩上，使其代替由閉環(huán)控制調(diào)節(jié)出的那部分加速轉(zhuǎn)矩，同時還對不同速度的摩擦力變化進(jìn)行補(bǔ)償，通過補(bǔ)償?shù)囊?，能使系統(tǒng)在升減速過程中始終跟隨生產(chǎn)線的速度變化，解決加減速過程中產(chǎn)生張力波動的問題。綜上所述，使用傳統(tǒng)的直接張力控制和間接張力控制都很難達(dá)到很好的控制效果，因此，結(jié)合直接張力控制響應(yīng)快精度高，間接張力控制穩(wěn)定的特點(diǎn)，設(shè)計出兩者結(jié)合的復(fù)合張力控制，即保留速度調(diào)節(jié)的快速性，又利用轉(zhuǎn)矩限幅調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。對于本項(xiàng)目中出口活套的張力控制采用復(fù)合張力控制，如圖2.7所示。圖2.7復(fù)合張力控制原理圖Fig2.7compositetensioncontroltheory系統(tǒng)外環(huán)為張力環(huán)，運(yùn)用張力傳感器進(jìn)行直接張力控制；對活套張力起直接影響的2#卷揚(yáng)電機(jī)作為張力系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，運(yùn)用矢量變頻器進(jìn)行間接張力控制。系統(tǒng)的張力設(shè)定值經(jīng)過張力/轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換，在加上各種前饋補(bǔ)償后，作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值輸入到變頻器，而張力環(huán)的反饋信號為張力傳感器輸入給PLC的實(shí)際張力值。輸入到變頻器的轉(zhuǎn)矩值作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的限幅，編碼器反饋的頻率值作為內(nèi)環(huán)的反饋信號。需要指出的是，在活套的復(fù)合張力控制中，根據(jù)張力傳感器反饋得到控制偏差ΔT后，通過ATR（自動張力調(diào)節(jié)器）轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩修正值ΔMT，而不是轉(zhuǎn)化為速度修正值，然后將其作為張力矩補(bǔ)償加到轉(zhuǎn)矩限幅上，作為轉(zhuǎn)矩限幅值的一部分。因此這與一般ATR是有不同的。而正是因?yàn)樵诨钐邹D(zhuǎn)矩的限幅中加入了直接張力控制的偏差分量，這樣就有效提高了張力控制的精度。同時張力設(shè)定值（相當(dāng)于前饋量）作為控制電流限幅的一部分，在不影響張力控制精度的同時，有效地提高了系統(tǒng)響應(yīng)快速性能。張力復(fù)合控制的PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法，基本與前文直接張力控制方式中所述的“速度差控制算法”的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計方法類似，這里不再贅述。2.5立式活套張力控制的前饋補(bǔ)償要準(zhǔn)確快速地控制活套張力，有必要對活套轉(zhuǎn)動過程中的各種損耗進(jìn)行補(bǔ)償。活套前饋補(bǔ)償力矩包括：轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償力矩（加速度補(bǔ)償）、機(jī)械損失補(bǔ)償力矩、風(fēng)量損耗補(bǔ)償力矩，帶鋼自重補(bǔ)償力矩。前饋補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有準(zhǔn)確的了解。下面分析一下轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償力矩、機(jī)械損失補(bǔ)償力矩、風(fēng)量損耗補(bǔ)償力矩、帶鋼自重補(bǔ)償力矩各自的作用和數(shù)學(xué)模型。2.5.1轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償力矩活套卷揚(yáng)的運(yùn)動是旋轉(zhuǎn)式的，運(yùn)動方程為：(2.29)式中為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；是角速度；為活套的轉(zhuǎn)動慣量；是動量矩。項(xiàng)對于那些變慣量轉(zhuǎn)動裝置是很重要的。例如離心機(jī)和卷曲機(jī)的傳動裝置，它們的負(fù)載幾何形狀與轉(zhuǎn)速或時間有關(guān)，幾何形狀可變的工業(yè)機(jī)器人也是這樣的。然而在很場合如活套裝置，可以假設(shè)轉(zhuǎn)動慣量是常數(shù)，因此：(2.30)式（2.9）表明，電動機(jī)內(nèi)部電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差，便是電動機(jī)本身的慣量加速和克服電動機(jī)內(nèi)部摩擦轉(zhuǎn)矩所需的轉(zhuǎn)矩。在加減速過程中，變頻器根據(jù)速度給定和速度反饋計算電動機(jī)所需的電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到加減速的目的，這是典型的反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)在響應(yīng)時間要求較快，同步性要求較高的場合無法滿足用戶的要求。轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償就是針對反饋控制的不足，在活套加減速時人為地加大或者減小傳動電機(jī)的輸出電磁力矩，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速起變化之前提前插入額外的電磁力矩，用于，從而加快系統(tǒng)加減速時的響應(yīng)速度。這是一種動態(tài)的前饋補(bǔ)償，需要實(shí)時計算轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償?shù)闹?。要計算系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償力矩，首先必須要了解系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。活套轉(zhuǎn)動慣量由活套卷揚(yáng)傳動機(jī)構(gòu)、卷筒等部分的轉(zhuǎn)動慣量組成。理論上一個為M，半徑為r的圓柱體剛體的轉(zhuǎn)動慣量J可由下式計算得出：（2.31）因此轉(zhuǎn)動慣量力矩計算公式如下：（2.32）可由線加速度得出：（2.33）其中a是加速度；R是卷揚(yáng)卷筒的半徑；V是線速度。對于一個復(fù)雜的非勻質(zhì)物體，例如包含形狀復(fù)雜的鐵、銅和絕緣材料的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動慣量實(shí)際上只能用近似方法確定。在帶有機(jī)械負(fù)載時，問題就變得更復(fù)雜了，用戶通常并不知道負(fù)載在結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)。有時轉(zhuǎn)動慣量不是一個常數(shù)，而是一個在平均值附近周期性的變化著，例如帶有曲軸和連桿的活套壓縮機(jī)就是這種情況。所以在實(shí)際工程中無法采用式（2.32）計算轉(zhuǎn)動慣量，工程中都采用實(shí)驗(yàn)測定法確定其轉(zhuǎn)動慣量。2.5.2機(jī)械損耗補(bǔ)償力矩摩擦補(bǔ)償力矩由以下公式計算得到：（2.34）式中D是軸徑直徑;F是卷重和張力的合力;是軸徑摩擦因數(shù)。但此式只用作理論研究，目前實(shí)際工程上的摩擦補(bǔ)償力矩計算采用如圖2.8所示的曲線。摩擦補(bǔ)償力矩在電機(jī)轉(zhuǎn)速較小時電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，電機(jī)克服的摩擦力矩為一定值。該值需要在現(xiàn)場調(diào)試時給出。圖2.8摩擦補(bǔ)償與電機(jī)速度關(guān)系Fig2.8Relationshipbetweenfrictionlosstorqueandmotorspeed還有一些其他的補(bǔ)償量，諸如：鋼繩重量補(bǔ)償、風(fēng)量損耗補(bǔ)償?shù)龋伎傓D(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)較小，在要求不高的情況下通常忽略，這里就不再贅述了。2.6立式活套控制中存在的問題雖然項(xiàng)目中的復(fù)合張力控制經(jīng)調(diào)試后，整定出一組能基本滿足設(shè)計需求的張力控制器PID參數(shù)值，但這樣的設(shè)計仍然存在著以下一些問題：（1）出口活套的一個工作周期包括套量穩(wěn)定階段、勻速充放套階段、加減速充放套階段，在每個工作階段均使用同一組PID參數(shù)，必然不能使每個工作階段的張力控制效果達(dá)到最優(yōu)，這組PID參數(shù)只能是各個工作階段的一個折衷值；（2）前面介紹的轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償、摩擦損耗補(bǔ)償、風(fēng)量損耗補(bǔ)償?shù)惹梆伭囟际峭ㄟ^一些近似的工程測定手段獲得的，難以保證其補(bǔ)償?shù)木_性；（3）立式活套是一個非線性、時變的對象，對于一個變化的對象使用簡單的PID控制顯然不能達(dá)到很好的控制效果；（4）對于速度控制的1#活套和轉(zhuǎn)矩控制的2#活套之間，使用同步模塊來使它們同步，雖然基本滿足調(diào)試要求，但對于快速性要求較高的情況，這種簡單的同步方式將產(chǎn)生兩個活套的短時異步，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓹C(jī)械損壞。基于以上問題，改進(jìn)活套內(nèi)帶鋼張力PID控制器是十分具有意義的一個工程問題。所以本文擬采用一種能夠克服這些控制缺陷的智能控制策略，即單神經(jīng)元自調(diào)整PID控制。通過理論論證和仿真驗(yàn)證這種控制器的控制效果和可行性。同時，為了避免出現(xiàn)活套異步的問題，并給張力單神經(jīng)元自調(diào)整PID控制器的仿真研究提供合理的活套系統(tǒng)模型，將運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立活套的速度和張力模型。2.7本章小結(jié)首先從物理角度分析了帶鋼中產(chǎn)生張力的根本原因，簡要介紹了冷軋?zhí)幚砭€中帶鋼張力的作用和種類。接著介紹了目前廣泛應(yīng)用的三種張力控制方式，重點(diǎn)分析了冷軋鍍鋅線立式活套卷揚(yáng)張力控制方式的獨(dú)特設(shè)計，以及各種轉(zhuǎn)矩前饋補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)場在使用了上述設(shè)計方案后，基本可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中維持活套帶鋼張力恒定的目的。但當(dāng)前的控制系統(tǒng)還存在著諸多缺陷，于是提出使用一種能夠克服控制缺陷的智能化張力控制策略，即單神經(jīng)元自調(diào)整PID控制。這種控制策略即發(fā)揮了單神經(jīng)元控制在線參數(shù)自整定的優(yōu)勢，同時保留了PID對過程控制良好的控制效果和適應(yīng)性。該控制器的設(shè)計工作在第五章中完成。同時，為了給張力單神經(jīng)元自調(diào)整PID控制器的仿真研究提供合理套內(nèi)帶鋼張力模型，將運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立活套內(nèi)帶鋼張力的模型。東北大學(xué)專業(yè)學(xué)位論文第3章莆田鍍鋅線活套控制的實(shí)現(xiàn)第3章莆田鍍鋅線活套控制的實(shí)現(xiàn)3.1莆田鍍鋅線活套控制系統(tǒng)配置莆田鍍鋅線基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的主要任務(wù)是:傳動、工藝控制功能和儀表儀器處理相關(guān)的控制；設(shè)定值如張力,延伸率等控制和實(shí)際值處理；入、出口的自動順序控制；帶鋼跟蹤；HMI顯示等?；A(chǔ)自動化控制器主要由高性能控制器HPC所組成，對于不同的功能,每一個控制器獨(dú)立地運(yùn)行。這些自動化控制器之間的通訊協(xié)議采用EGD通訊。CPU之間單獨(dú)網(wǎng)段保證通訊速度。每個控制器能連接到分別的儀表、智能遠(yuǎn)程I/O、傳動控制器，CPU控制器與這些設(shè)備的通訊以流行的現(xiàn)場總線ProfiBusDP為主，對于實(shí)時性求低的采用以太網(wǎng)通訊。一級通過高性能控制器經(jīng)由100Mb/s以太網(wǎng)接受來自二級的輸入數(shù)據(jù)和經(jīng)由HMI的操作員輸入數(shù)據(jù),并在HMI系統(tǒng)做必要數(shù)據(jù)顯示，HMI計算機(jī)基礎(chǔ)自動化畫面同二級畫面合二為一，HMI單獨(dú)網(wǎng)段同二級服務(wù)器和HMI服務(wù)器通訊。二級同三級計算機(jī)通訊獨(dú)立網(wǎng)卡完成。連退線的緊急停車由德國PILZE公司的過程安全PLC系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)配置示意圖如圖3.1所示。圖3.1莆田生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig3.1ControlsystemofputianCGLline整個鍍鋅線自動化系統(tǒng)的配置由五部分通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：第一部分為現(xiàn)場總線ProfibusDP網(wǎng)，主要是提供各區(qū)域的控制器與主/輔電氣傳動、遠(yuǎn)程I/O及部分儀表的通訊，最高通訊速度達(dá)12Mb/s。軋線上的所有主、輔電氣傳動都通過ProfibusDP網(wǎng)與相應(yīng)區(qū)域的控制器相連，控制器為DP網(wǎng)主站，電氣傳動控制器為從站；各區(qū)域的遠(yuǎn)程I/O及相應(yīng)操作臺與操作箱I/O和操作單元OPU的I/O單元均通過ProfibusDP網(wǎng)與主控制器相連。第二部分是100Mb/s的基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，主要完成HPC控制器之間、HPC控制器同急停PLC的數(shù)據(jù)通訊，HPC之間采用EGD通訊，HPC同急停PLC采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議通訊。第三部分調(diào)試工程師站、特殊功能站、第三方具有以太網(wǎng)通訊能力的儀表、控制器；以及HMI服務(wù)器、二級系統(tǒng)之間通訊。第四部分是二級服務(wù)器、HMI服務(wù)器、各個操作室的HMI客戶機(jī)之間的通訊。完成畫面的顯示。第五部分是二級服務(wù)器的一個單獨(dú)1000Mb/s網(wǎng)卡，單獨(dú)連接到三級計算機(jī)的交換機(jī)上，該網(wǎng)不連接連退線的任何其他設(shè)備。其中包含出口活套控制的光整區(qū)控制器配置和主要控制功能為：光整和出口區(qū)域從出口活套開始，由一個HPC框架組成，兩個HPC的CPU完成光整區(qū)域和出口區(qū)域的控制。控制包括：出口活套的控制，光整區(qū)域的順序控制、點(diǎn)動、聯(lián)動及運(yùn)行控制，張力、速度控制，光整機(jī)的順序、工藝控制功能，光整機(jī)電氣傳動設(shè)備控制，光整機(jī)液壓系統(tǒng)控制，濕平整控制，換輥控制，光整機(jī)油氣潤滑控制，空氣吹掃控制，與板型控制系統(tǒng)的接口，數(shù)據(jù)通訊等，主機(jī)架配置如下圖：圖3.2光整段HPC系統(tǒng)配置Fig3.2SPMsectionsystemconfiguration配置有雙口PROFIBUS網(wǎng)板，完成同電氣傳動變頻器通訊、遠(yuǎn)程站的通訊、碼盤和位置傳感器通訊，CPC、張力計第三方控制設(shè)備的通訊。一塊IBA數(shù)據(jù)采集板。本文使用的PDA歷史數(shù)據(jù)就是通過IBA板卡采集到PDA服務(wù)器進(jìn)行記錄的，計數(shù)器板作為電氣傳動碼盤數(shù)據(jù)采集接口。用來對帶鋼位置進(jìn)行跟蹤，絕對值信號接口板用于連接光整機(jī)的磁尺等，模擬量板用于連接液壓控制器，出口CPU雙以太網(wǎng)接口，一個接口采用EGD通訊方式，完成CPU之間通訊，完成同急停CPU的通訊。另一個以太網(wǎng)口負(fù)責(zé)同HMI服務(wù)器通訊、編程調(diào)試工程師站、其他第三方需要以太網(wǎng)通訊的設(shè)備通訊。采用高性能控制器多CPU結(jié)構(gòu)，CPU為PentiumM1.6GHz產(chǎn)品，內(nèi)存512MB，最快控制周期可小于1ms,適用于對控制精度要求高的快速系統(tǒng)。使用高集成度的工業(yè)級芯片，對惡劣的工業(yè)環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。辦卡帶有視頻、鼠標(biāo)鍵盤接口，可以方便的使用顯示器監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)，方便故障診斷。圖3.3為高性能控制器的CPU板卡。圖3.3高性能控制器VMIC7807Fig3.3HighperformancecontrollerVMIC7807多CPU結(jié)構(gòu)和實(shí)時多任務(wù)VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境,適合于冷軋?zhí)幚砭€控制系統(tǒng)這樣的實(shí)時多任務(wù)多時間周期的工作方式。根據(jù)實(shí)際需求對程序定義不同的掃描周期。從表3.1程序掃描周期分配表中看到，在CPU中根據(jù)程序所處理內(nèi)容對實(shí)時性和控制精度的要求分配不同的掃描周期，對實(shí)時性和控制精度要求高的程序如：（1）活套張力、位置控制及光整機(jī)軋制力、延伸率控制都采用最快的20ms的掃描周期，用來保證其控制的精度和實(shí)時性；（2）對于CPU間通訊、和CPC的通訊及線的順序控制程序，選取40ms的掃描周期；（3）對于單獨(dú)點(diǎn)動、組點(diǎn)動以及光整機(jī)輔助系統(tǒng)這些實(shí)時性要求不高的程序，采用100ms的掃描周期。這樣的多時間周期工作方式，能充分的利用CPU的能力，提高控制精度。程序中掃描周期按其控制功能分配如下表所示：表3.1程序掃描周期表Table3.1Programscantimetable程序內(nèi)容掃描周期（ms）RemoveI/OInputandoutputdataCounterReadGlobalLogicvariablereadandwrite2020SPMforce,bending,Elongationcontrol20MainspeedandDrivelogicalcontrolDrivecontrolreferencesetpoint2020Loopertension,running,positioncontrol20Striponlineposition,Tensiononcontrol20CommunicationwithProcessandTrackingEGDcommunication4040ProfiBusCommunicationwithCPC40communicationlifesignal40Emergencystop/QuickStopMainlinenormalrunningcontrol4040TandemJogcontrolandIndividualJogcontrolDriveGroupPowercontrol100100SPMAuxiliarysystemcontrol100高性能控制器的編程和開發(fā)環(huán)境采用Converteam的P80i編程軟件，它使用國際通用的IEC61131-3編程規(guī)范，IEC61131-3編程環(huán)境是經(jīng)過PLCOpen認(rèn)證，包括所有DCS/PLC典型編功能如：功能塊編程；程序拷貝自動變量替代功能；三段變量名管理，中間變量自動管理，地址無關(guān)性；程序源獨(dú)立變量空間，變量空間可調(diào)整；停電不丟失變量保證系統(tǒng)停電后變量不變等等編程環(huán)境為控制程序圖形化編程提供了一整套完整的功能模塊：計時器、計數(shù)器、各種邏輯運(yùn)算；上升、下降、延時等多種觸發(fā)模式；多路器、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解碼、編碼；布爾、整型、實(shí)整數(shù)、長整形數(shù)據(jù)，以及相互轉(zhuǎn)換及各種數(shù)學(xué)計算；各種PID調(diào)解，定位、速度發(fā)生器、張力等控制模塊；EGD、TCP/IP、UDP等各種通訊模式的功能塊；數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫指針等工具。活套卷揚(yáng)電機(jī)的傳動控制系統(tǒng)采用西門子SINAMICSS120系列驅(qū)動裝置，SINAMICSS120是西門子公司推出6SE70系列變頻器的替代產(chǎn)品，他采用模塊化的設(shè)計，通過對功率組件的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)簡單的功率擴(kuò)容，在維護(hù)的備件方面都變得十分便利，同時他采用CU集中控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個控制單元可以控制最多6個矢量軸，在控制單元內(nèi)部可以進(jìn)行軸之間的數(shù)據(jù)交換，主從驅(qū)動等控制變得十分容易，這在張力輥組的控制上顯得尤為明顯，控制單元與電機(jī)模塊之間使用DRIVE-CLIQ連接，在調(diào)試過程中使用自動配置功能可以快速的完成系統(tǒng)組態(tài)，如果選擇帶DRIVE-CLIQ接口的電機(jī)與編碼器，也可以通過自動配置讀取參數(shù)，自動配置，節(jié)省了大量的調(diào)試時間也不容易出錯?；钐讉鲃酉到y(tǒng)控制單元CU320通過Profibus與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收速度設(shè)定、附加轉(zhuǎn)矩及控制方式來控制活套卷揚(yáng)電機(jī)，同時反饋實(shí)際速度、實(shí)際轉(zhuǎn)矩及狀態(tài)給PLC，用來監(jiān)控和控制。功率單元采用公共母線整流的方式，使活套及其他四象限運(yùn)行的設(shè)備能在發(fā)電狀態(tài)回饋能量，提高效率。3.2莆田鍍鋅線的活套控制莆田鍍鋅線出口活套為立式雙活套，在入口、中部和出口安裝TM16、TM17、TM18三個張力計，1#2#活套塔分別有4個和7個帶傳動的活套底輥。活套卷揚(yáng)電機(jī)安裝增量式編碼器通過編碼器模塊進(jìn)入傳動系統(tǒng)作為實(shí)際速度檢測，活套卷揚(yáng)卷筒安裝絕對值編碼器通過ProfibusDP連接到PLC作為套量檢測。出口活套的控制畫面如下圖：圖3.4光整段HMIFig3.4SPMsectionHMI在生產(chǎn)過程中,操作人員是通過HMI畫面根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況對活套進(jìn)行控制的，HMI采用服務(wù)器客戶端方式，服務(wù)器采用冗余配置，保證在一臺服務(wù)器出現(xiàn)問題的情況下不影響生產(chǎn)。從上圖的HMI中可以看出，操作人員通過改變活套位置設(shè)定值來控制活套的運(yùn)行位置；通過改變爐區(qū)和光整段的速度設(shè)定控制活套的升降套速度；通過改變活套的張力設(shè)定來控制活套的運(yùn)行張力。在P80i中通過3個不同的Task使用相應(yīng)的定位塊和張力控制塊來編寫活套位置、速度和張力的控制程序。3.2.1莆田鍍鋅活套套量與同步控制（1）位置控制根據(jù)工藝需求出口活套的套量設(shè)定位置通常是空套套量，如上圖HMI中設(shè)置為3%，根據(jù)出口工藝流程，在出口剪切、卸卷過程中，出口速度小于工藝速度，活套處于充套狀態(tài)，此時活套為速度控制模式，只在達(dá)到滿套位置后停車，按活套的結(jié)構(gòu)控制其卷揚(yáng)速度,活套卷揚(yáng)的速度設(shè)定按如下公式計算：(3.1)其中S=6為活套鋼繩股數(shù)；n=48為活套帶鋼股數(shù)。在出口完成穿帶以后，需要高速拉套，將活套位置降到設(shè)定值，從而保證下個工藝流程的正常進(jìn)行，此時活套為位置控制方式，在PLC程序中，通過P_LOOP活套位置控制塊實(shí)現(xiàn)，P_LOOP活套位置控制塊是通過碼盤計算活套的實(shí)際套量與HMI設(shè)定套量進(jìn)行計算，輸出附加速度調(diào)節(jié)光整出口段的速度設(shè)定，對活套的套量進(jìn)行控制，其設(shè)定參數(shù)如下表所示：表3.2位置調(diào)節(jié)塊參數(shù)Table3.2Parameterofpositioncontrolblock參數(shù)設(shè)定值Minimumlengthinmeters41mMaximumlengthinmeters603.4mDeadbandin%0.4%Maximumspeedinm/min450m/minRegulationareainmeters100m其中41m和603.4m分別對應(yīng)活套0%和100%的套量，模塊根據(jù)實(shí)際套量計算附加調(diào)節(jié)速度，在實(shí)際套量與設(shè)定套量的偏差大于死區(qū)0.4%時位置控制使能，對附加速度的最大限幅值為450m/min，這是根據(jù)卷揚(yáng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與齒輪比，卷筒直徑和活套的機(jī)械參數(shù)決定的，在偏差大于調(diào)節(jié)范圍值100m時活套位置控制附加速度為最大值，在偏差進(jìn)入調(diào)節(jié)區(qū)域后，按照下面公式計算：(3.2)其中PV為實(shí)際套量單位米數(shù)，PS為設(shè)定套量單位為百分?jǐn)?shù)，分別為最大套量603.4m和最小套量41m，為最大附加速度450m/min，為調(diào)節(jié)范圍100m。（2）同步控制由于出口活套的套量很大，為避免慣性過大難以控制的問題，出口活套設(shè)計為兩個活套小車分別由兩個卷揚(yáng)控制，這樣就可以保證活套穩(wěn)定的充放套，同時也需要用一個位置同步控制器來調(diào)節(jié)兩個活套的套量平衡。出口活套的同步控制器以1號活套小車的實(shí)際位置為參考值，以2號活套小車的實(shí)際位置為實(shí)際值，根據(jù)兩個活套小車的位置偏差調(diào)節(jié)出一個補(bǔ)償速度來附加到2號小車的設(shè)定速度上，控制框圖如下：圖3.5活套同步控制框圖Fig3.5Loopersynchronizationcontroldiagram活套張力建立以后同步控制器開始工作，當(dāng)兩個活套小車的位置偏差進(jìn)入死區(qū)時，這個附加速度就為0。在程序中使用一個純比例的PID調(diào)節(jié)器作為同步控制器。3.2.2莆田鍍鋅活套張力控制（1）活套張力控制使能首先，在生產(chǎn)線運(yùn)行之前要對活套建立靜態(tài)張力，程序中使用BDFV2和FMTON塊進(jìn)行活套建張控制，在滿足建張條件的情況下通過HMI操作畫面或建張操作按鈕對活套進(jìn)行建張，使能活套的張力調(diào)節(jié)，并在活套建張條件丟失的情況下中斷使能，確保安全。圖3.4為建張控制塊的示意圖：圖3.6建張控制塊示意圖Fig3.6BlockforTensiononcontrol從上圖可見，活套的建張條件包括：沒有急停、無斷帶信號、活套位置正常、活套夾打開、活套出入口加送輥關(guān)閉及沒有點(diǎn)動命令，同時活套上下游處于停止?fàn)顟B(tài)且不在Bypass模式，滿足建張條件后，通過Tensiononrequest命令對活套建張，使能張力調(diào)節(jié)器。（2）活套張力調(diào)節(jié)莆田鍍鋅線出口活套采用直接張力控制，取TM16、TM17、TM18三個張力計的平均值作為張力反饋，張力調(diào)節(jié)器輸出做為附加速度與位置控制的速度設(shè)定疊加通過DP網(wǎng)發(fā)送到傳動裝置進(jìn)行控制。控制框圖如下：圖3.7活套張力控制框圖Fig3.7Loopertensioncontroldiagram由于活套對張力控制的精度和響應(yīng)速度要求較高，在PLC中通過功能塊搭建自定義的PID調(diào)節(jié)器作為張力控制器，自定義的PID調(diào)節(jié)器可以改善程序自帶的PID控制器可整定參數(shù)較少的缺點(diǎn)，能夠更好的改善活套的調(diào)節(jié)性能。其控制程序如圖3.4所示：圖3.8自定義PID控制程序Fig3.8UserdefinePIDcontrolprogram從上圖的控制程序中可以看出，基于活套時變的特點(diǎn)，程序根據(jù)生產(chǎn)線的運(yùn)行速度和活套的套量對自定義PID調(diào)節(jié)器的比例積分系數(shù)進(jìn)行切換，以在不同情況下取得更好的控制效果，于是提出用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID做為張力調(diào)節(jié)器，利用其自適應(yīng)自學(xué)習(xí)的