粗軋液壓寬度控制系統(tǒng)與精軋張力控制系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究.pdf

1、本課題以熱軋控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了熱軋系統(tǒng)建模以及優(yōu)化控制，建立了粗軋壓下系統(tǒng)模型，以及精軋張力控制系統(tǒng)模型，并將粗軋壓下系統(tǒng)模型成功移植到RT－LAB平臺(tái)上，并通過網(wǎng)絡(luò)通信方式，將過程機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)畫顯示聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了粗軋全系統(tǒng)分布式實(shí)時(shí)仿真。同時(shí)為提升液壓寬度壓下系統(tǒng)的能力，將免疫PID控制技術(shù)和粒子群優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到液壓寬度控制上；為提高精軋主傳動(dòng)系統(tǒng)的能力，將自適應(yīng)交互PID技術(shù)以及迭代反饋整定技術(shù)應(yīng)用在直流主傳動(dòng)控制

2、上，結(jié)果表明，液壓寬度壓下系統(tǒng)和直流主傳動(dòng)系統(tǒng)控制性能都得到進(jìn)一步改善。在飛剪剪切優(yōu)化方面，將動(dòng)態(tài)閾值處理、行態(tài)學(xué)濾波等圖像處理手段應(yīng)用到帶鋼頭尾圖像處理中，并建立和訓(xùn)練了帶鋼頭尾優(yōu)化剪切判別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研制出一套實(shí)用的帶鋼頭尾圖像識(shí)別及剪切優(yōu)化系統(tǒng)。 本課題根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的特點(diǎn)，按照原理建模的方式方法，建立了粗軋寬度壓下、粗軋厚度壓下模型、精軋張力控制系統(tǒng)模型。其中粗軋寬度壓下模型又包括液壓壓下系統(tǒng)模型和立輥機(jī)架模型，精軋張力系

3、統(tǒng)模型包括直流調(diào)速系統(tǒng)模型、交流同步調(diào)速系統(tǒng)模型、電動(dòng)活套模型。所有模型的參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料和理論計(jì)算獲得，并通過大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。高可靠性的模型是熱軋數(shù)字仿真和優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。 分布式實(shí)時(shí)仿真是仿真的難題之一，本課題將所有粗軋模型成功的移植到RT—LAB平臺(tái)上，并根據(jù)模型特點(diǎn)，建立了模型間和模型外的同步和異步通信，通過以太網(wǎng)和火線連接的方式構(gòu)成仿真集群，將虛擬帶鋼、過程機(jī)、動(dòng)畫顯示、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制成功的聯(lián)系在一起，真正實(shí)現(xiàn)了

4、粗軋全系統(tǒng)分布式實(shí)時(shí)仿真。 粗軋寬度控制系統(tǒng)的核心設(shè)備是液壓壓下系統(tǒng)，要想提高粗軋寬度控制能力，必須提高液壓壓下系統(tǒng)的控制性能。本課題在粗軋寬度壓下系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，將免疫PID和粒子群優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到液壓寬度控制上。免疫PID是將傳統(tǒng)PID與免疫系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制結(jié)合在一起構(gòu)成的新型PID控制器，為增強(qiáng)免疫PID控制器的非線性自適應(yīng)能力，還創(chuàng)新的將Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為免疫調(diào)節(jié)的非線性函數(shù)，仿真結(jié)果表明在外界擾動(dòng)以及工況變化

5、的情況下仍能取得良好的控制效果。粒子群算法是一種基于群智能的啟發(fā)式尋優(yōu)算法，將該優(yōu)化算法與PID參數(shù)尋優(yōu)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)根據(jù)常用的誤差目標(biāo)函數(shù)，以及模型實(shí)際特點(diǎn)，創(chuàng)新的提出一種加權(quán)目標(biāo)函數(shù)，作為尋優(yōu)的適應(yīng)度函數(shù)，仿真計(jì)算表明，粒子群算法能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)現(xiàn)有的PID參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化。 傳統(tǒng)的活套張力控制是通過調(diào)節(jié)主傳動(dòng)系統(tǒng)的速度來(lái)達(dá)到控制精軋張力的目的，精軋張力控制系統(tǒng)的性能在很大程度上受到主傳動(dòng)的控制特性的影響。本課題在精軋主傳動(dòng)模

6、型的基礎(chǔ)上，將自適應(yīng)交互PID技術(shù)以及迭代反饋整定技術(shù)應(yīng)用到直流主傳動(dòng)控制上。自適應(yīng)交互PID是將簡(jiǎn)化后的自適應(yīng)交互算法與常規(guī)PID控制器相結(jié)合，無(wú)需預(yù)知被控系統(tǒng)模型，就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制性能的優(yōu)化，仿真表明在外界負(fù)載擾動(dòng)、信號(hào)污染等工況變化的情況下仍能取得良好的控制效果。迭代反饋整定是一種新型的PID參數(shù) 整定辦法，是按照一定規(guī)則獲取系統(tǒng)響應(yīng)特性，并根據(jù)所獲信息以及性能判據(jù)逐次調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使系統(tǒng)性能得到優(yōu)化，模型仿真表明，該

7、方法收斂速度快，魯棒性強(qiáng)，無(wú)需預(yù)知控制系統(tǒng)模型，就能夠很好的完成直流調(diào)速系統(tǒng)PID控制參數(shù)的整定。 帶鋼經(jīng)過粗軋機(jī)組軋制后，頭尾會(huì)出現(xiàn)魚尾形等缺陷，在進(jìn)入精軋機(jī)組前需要對(duì)帶鋼頭尾進(jìn)行剪切處理，通過剪切優(yōu)化可提高成材收得率，為帶鋼生產(chǎn)創(chuàng)造效益。本課題利用常用的金屬熱檢儀以及普通CCD相機(jī)構(gòu)建了實(shí)用的帶鋼頭尾圖像識(shí)別系統(tǒng)，利用自適應(yīng)閾值分割、二值化處理、形態(tài)學(xué)濾波等方法，對(duì)圖像進(jìn)行處理，提取帶鋼頭尾圖像特征，然后根據(jù)最佳剪切線的選取原

8、則，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剪切類型判別，并給出最佳剪切線。在線對(duì)比測(cè)試表明，該剪切優(yōu)化系統(tǒng)具有較高的判別精度和準(zhǔn)確性。 本論文的主要內(nèi)容分為6章，現(xiàn)分述如下： 第一章 仿真技術(shù)和熱軋控制技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，主要介紹系統(tǒng)仿真的定義、建模方法和驗(yàn)證手段，并介紹了分布式仿真的特點(diǎn)和常用軟件，以及國(guó)內(nèi)外熱軋仿真的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。并著重對(duì)熱軋寬度控制系統(tǒng)、精軋張力控制系統(tǒng)、飛剪系統(tǒng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。最后結(jié)合與熱軋帶鋼質(zhì)

9、量密切相關(guān)的系統(tǒng)改造需求，提出建立粗軋寬度控制系統(tǒng)、精軋張力控制系統(tǒng)的相關(guān)模型，并在模型的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)控制進(jìn)行優(yōu)化的研究路線，并開發(fā)一套實(shí)用的帶鋼頭尾識(shí)別及剪切優(yōu)化系統(tǒng)。 第二章 重點(diǎn)介紹了熱軋仿真研究的關(guān)鍵技術(shù)—?jiǎng)討B(tài)模型的建立以及分布式仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)研究對(duì)象寶鋼2050熱軋生產(chǎn)線的基本情況進(jìn)行介紹，然后詳細(xì)介紹了粗軋壓下系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（包括液壓壓下系統(tǒng)、立輥機(jī)架和厚度壓下系統(tǒng)）和精軋張力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（包括：直流調(diào)速系統(tǒng)

10、模型、交流同步調(diào)速系統(tǒng)模型和電動(dòng)活套模型）。最后對(duì)分布式仿真的原理、實(shí)現(xiàn)方法及效果進(jìn)行了詳細(xì)闡述。 第三章 詳細(xì)描述了粗軋壓下系統(tǒng)的模型參數(shù)，并采用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證。在模型的基礎(chǔ)上并結(jié)合寶鋼2050粗軋寬度的實(shí)踐，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真研究，明確了影響系統(tǒng)性能的部分因素。并將免疫PID技術(shù)和粒子群優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到液壓寬度控制系統(tǒng)的上，仿真結(jié)果表明能夠起到改善系統(tǒng)控制性能的目的。 第四章 詳細(xì)描述了精軋張力系統(tǒng)的模

11、型參數(shù)，并采用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證。在模型的基礎(chǔ)上，對(duì)活套響應(yīng)頻率與帶鋼張力的關(guān)系，進(jìn)行了仿真研究，提出活套響應(yīng)頻率影響帶鋼頭部張力波動(dòng)。并將自適應(yīng)交互PID技術(shù)以及迭代反饋整定技術(shù)應(yīng)用直流主傳動(dòng)控制上，仿真結(jié)果表明能夠起到改善系統(tǒng)控制性能的目的。 第五章 詳細(xì)描述帶鋼頭尾識(shí)別和剪切優(yōu)化系統(tǒng)，首先描述該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，然后介紹了圖像處理過程中采用自適應(yīng)閾值分割、形態(tài)學(xué)濾波等圖像數(shù)值處理方法，然后根據(jù)最佳剪切線的選取原則