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1、河北*大学2012届本科毕业设计河 北 * 大 学毕业设计作 者： * 学 号： 08* 学 院： *学院 系(专业)： *专业 题 目： 冷连轧厚度控制中耦合问题的研究 指导者： * 教授 评阅者： * 副教授 2012 年 6 月 8日毕业设计（论文）中文摘要冷连轧厚度控制中耦合问题的研究摘要：厚度控制技术是板带轧制领域里的一项关键技术。在轧制过程中，板厚、张力、轧制力、轧制速度之间存在耦合。他们之间严重的耦合有时破坏了厚度的有效的控制。本文对连轧机厚度和张力控制系统进行了解耦控制研究。本文首先介绍了AGC技术的发展，讲述了冷连轧技术，并给出了一些重要的设备参数。然后，它分析了厚度控制和张
2、力控制的动态数学方程。在此基础上建立厚度与张力之间的耦合模型。之后，通过介绍解耦方法，我们以此为依据设计解耦器。其中的厚度-张力参数由理论分析及实际测量得到。最后，我们利用MATLAB仿真验证解耦控制器的效果，结果表明控制器能够使输出稳定，说明该解耦器能有效提高厚度控制性能。关键词：冷连轧技术；自动厚度控制；解耦理论；仿真毕业设计（论文）外文摘要Title Study of coupling problem in thickness control in tandem cold rolling Abstract：Thickness control is one of the key techn
3、ologies of the strip rolling fields. During rolling process, there is coupling between strip gauge, tension, rolling force and rolling speed. They interact so heavily that sometimes it destroys the effective control. Decoupling control of gauge and tension is studied here.The paper first introduced
4、the development of AGC technology, described the tandem cold rolling technology and gave some important equipment parameters. Then it analyzed the dynamical mathematics equations in gauge control and tension control. Based on all the analysis above, we established the coupling model between strip ga
5、uge and tension.Besides, it introduced the decoupling theory and designed a decoupling controller with the decided decoupling method. Through theoretical analysis and practical measurement, parameters in the gauge-tension model were determined.Finally we do simulation with MATLAB to test the effect
6、of the decoupling controller.Results show that the controller can keep output stable and is effective in improving gauge control performance.Keywords： The tandem cold rolling technology; Automatic Gauge Control; Decoupling theory; Simulation目 次1 绪论12 建立冷连轧厚度控制中的耦合模型22.1 冷轧带钢AGC（自动厚度控制）系统概述22.2 1370五
7、连轧机简介32.3 推导轧制过程中被调量和调节量之间的关系42.3.1 从第一机架轧辊位置到第一机架出口厚度的方程式42.3.2 从张力辊电机转矩到带钢入口张力的方程式82.4 测定模型中的参数值92.5 确定耦合数学模型103 设计解耦控制系统113.1 前馈补偿法113.2 对角矩阵法123.3单位矩阵法133.4设计厚度与张力的解耦控制器134 解耦的仿真研究154.1 MATLAB功能简介154.2求解解耦矩阵164.3 Simulink仿真17结论22参考文献23致谢25- 4 -河北*大学2012届本科毕业设计1 绪论板厚是板带材质量的主要衡量指标之一，它直接关系到产品的质量和经济
8、效益。己成为国内外轧钢行业普遍关注的一个焦点。随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，用户对板带钢材的品种、材质、精度提出了更高的要求，尤其在汽车工业、电子工业、高压容器等领域是对各种板带材要求更为苛刻。厚度自动控制（Automatic Gauge Control 简称AGC）是提高带材厚度精度的重要方法，其目的是获得板带材纵向厚度的均匀性，从而生产出合格产品。AGC的基本方式是通过测厚仪或者其他相关传感器对轧机机架出口处的板厚进行实时监测，求得给定值与实测值之间的偏差信号，并借助相应测量装置来调整张力、压下量以及压下速度，从而控制带钢的出口厚度偏差在允许的范围之内。因此促使板材冷连轧轧机
9、向高速化、高精度和自动化的方向发展，轧机压下机构必须具有快速性、高精度、同步性、可靠性及稳定性等要求，只有这些要求得到满足，轧机系统才能够适应日益提高的实际要求。此外AGC系统必须要有高精度压下调节系统和控制系统的支持。张力是板带钢材轧制过程中特别重要的一个工艺参数，而冷连轧机架间的联系是通过带钢张力建立起来的。要想正确地控制冷连轧系统，我们必须研究轧制过程中张力的变化规律以及它与其他参数、调节量之间耦合关系以便建立数学模型。在带钢轧制的过程中，板厚波动、带钢间的张力等调节量、被调量间存在的比较严重的耦合影响了各变量之间的一对一控制作用，这有时甚至会妨碍各控制系统的正常工作，使系统不能正常投入
10、运行。可见，工业生产中解耦的研究与问题的解决对冷连轧系统有十分重要的意义。解耦是指使含有多个变量的数学方程变成能够用单个变量表示的方程组，即变量不再同时影响一个方程的所有结果，从而简化分析计算。通过适当的控制量的选取，坐标变换等手段将一个多变量系统化为多个独立的单变量系统的数学模型，即解除各个变量之间的耦合。也就是说解耦的的实质则是设计一个计算机网络，用它来消除控制过程中的耦合关联，以此去保证每个单回路的控制系统能够独立地进行控制。对于多变量的耦合控制系统解耦问题，目前主要有三类方法：前馈补偿法、单位矩阵法和对角矩阵法。由于在实际工业宽带钢冷连轧过程中，解耦的前提和基础就是建立以及分析冷连轧机
11、的综合耦合数学模型。第一步，应用板带钢材轧制理论来对工业轧制过程中板厚、板形以及张力等控制量来进行了综合分析，第二步考虑系统的内环控制动态特性从而建立起冷连轧机的典型耦合数学模型，并定量分析板带轧制的过程中辊缝、前架轧辊速度、本架轧辊速度及出口的厚度、出入口的张力等控制量间的耦合关系式。然后是选择最优方案来实现解耦设计，最后验证解耦效果。该课题就是对冷连轧耦合现象进行深入的分析,建立典型冷连轧机张力与厚度的耦合数学模型,并选择对角矩阵法解耦方案进行设计，实现厚度与张力的解耦控制，并用MATLAB中的Simulink仿真分析算法的有效性。 2 建立冷连轧厚度控制中的耦合模型2.1 冷轧带钢AGC
12、（自动厚度控制）系统概述冷连轧机中应用AGC系统是企业保证板带钢材质量的关键。从国内AGC系统的应用来看，此系统可以分成三种类型，如下：1、以测厚仪的反馈来控制入口一侧轧钢张力或轧机压下的一类AGC系统。2、利用系统前馈控制和测厚仪反馈控制入口一侧轧钢张力或轧机压下的一类AGC系统。3、利用反馈控制、前馈控制和实时监测的一类AGC系统。随着计算机技术的发展和广泛应用，国外冷轧机AGC的技术已经得到了迅速地发展，功能也不断完善，使厚度控制的精度达到了非常高的水平。AGC系统的控制要求既然是修正厚度的偏差值，第一步就必须实时测量板厚的偏差值，并进一步应用各种有效算法予以消除。显然这里有俩难题以待解
13、决。首先就是测量板厚的偏差值问题，这一难题的解决目标则是对板带钢材在轧制期间随时出现的厚度波动大小实时监测，为消除这一差值提供控制数据。另一个问题则是如何消除出现的板厚偏差，我们应先依据测出的板厚偏差值来求得输出控制信号及调节量；然后利用前馈、反馈控制信号完成对系统的控制过程。前者属于自动厚度控制系统，我们称之为AGC运算；而后者则是由液压缸、电机等执行机构（即APC-自动位置控制系统）来执行。AGC系统初期是基于模拟电路来控制的，这一过程又是通过对可变电容和可变电阻调整变化来实现。这里的一个问题就是测试时间特别长并且调试十分繁琐，再加上模拟电路控制过程中频发故障，模拟AGC系统对此类电路模型
14、很难计算正确。所以，这一控制方法很快就被淘汰了。过去的几十年计算机控制技术以及电子技术飞速发展，尤其是离散化控制技术日渐成熟，数字AGC系统很快得到应用。它的优点较前期控制有很多优点，首先其硬件构成并不复杂，因此数字AGC系统中计算机运行十分稳定，故障检查简单且故障发生概率小，特别是能轻松处理工业轧钢里大型的数学模型（适应工业中不同的钢种以及各种生产工艺参数指标），显然这方便对控制过程中的重要变量和参数来进行修正及补偿。还有，计算机技术的成熟及应用，使得AGC系统缩短了开发、调试周期。这里所讲述的冷连轧AGC系统集成了大部分AGC系统的优点，它以轧机预设辊缝为基础，控制板带钢材成品的厚度，使之
15、符合误差标准。该系统基本上只包括俩环节，即检测板厚偏差及进行AGC的运算。典型的可逆式冷轧机AGC系统包含前馈AGC、反馈AGC、压力AGC、张力AGC、流量AGC、监控AGC、速度补偿AGC等几个部分。2.2 1370五连轧机简介冷连轧是利用AGC控制原理，以热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮，在室温下进行轧制，通常是整卷轧制。工业轧钢生产中多为四、五辊轧机。五连轧的工艺流程主要分为开卷、矫直、焊接、酸洗、轧制、剪切和卷取七个过程。其中的开卷和焊接是为后续的连轧做准备，而轧制则是主要的加工过程。本文以1370 五连轧机为例，推导此控制系统中厚度-张力控制系统的数学模型。 1370五连轧简画图如图 1-1 所示：图 2-1 1370轧机第一机架厚度与张力控制简图在冷连轧机组中，产品厚度受各机架的速度等因素影响，产生偏差。这里以第一机架作为研究对象，利用AGC
