铝箔高速高精轧制控制技术

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.s1.014 第9世增刊 北京科技大学学报 Yol.19 197年2月 Joural of University of Science and Technology Beijing Feh.1997 铝箔高速高精轧制控制技术 刘圣明)李谋渭2)童朝南)穆志纯2) 徐峰2) 1)东北轻合金加工厂，哈尔滨1500602)北京科技大学机械工程学院，北京100083 ，摘要通过上下位计算机系统结构，下位机厚控策略和张力AGC模糊控制，上位机基于专家经 验的轧制参数预设定和二次优化设定，最优化控制及张力传感器系统控制，说明铝箔高速高精 轧制控制技术的关键 关键词铝箔，轧制，计算机系统，模糊控制，传感器 铝箔高速高精轧制技术是铝箔生产发展的关键技术，东北轻合金加工厂在1350m铝 箔轧机上采用了此技术和相关的工艺技术，轧制速度提高了20%~50%，成品厚差在±3% 以内，收得率提高了10%~20%，取得较好的经济效益. 1上下位计算机系统结构 目前世界铝箔轧机多为两级计算机系统.系统的先进性主要取决于系统的结构和功 能.以东北轻合金加工厂于80年代末引进的德国阿亨巴赫公司的1350m中精铝箔轧机 为例，该轧机也采用两级计算机系统，但上位机为P℃350，没有控制软件，下位机控制周期 长，功能很不齐全，为适应高速高精轧制的需要，研制了新的上下位机系统，使系统的控制 周期从500s缩短至50ms,开发了很多先进的功能. 1.1新系统上位机功能 ()基于专家经验的轧制参数预设定和二次优化设定.(2)设定控制模式（上位机自动、 下位机自动和人工控制).(3)设定最优化模式（质量最优，面积最优和重量最优）.(4)轧 制参数显示和轧制油喷嘴显示.(5)统计报表.上位机实现打印报表全“汉化”， 1.2下位机功能 下位机新增1台计算机，共5台计算机：(1)1#A35机进行逻辑控制；(2)2#A35机 监视和控制轧制油阀状态、轧机状态和电气故障；(3)新增下位机进行动态补偿、张力随 卷径变化的合理控制、张力速度控制与直接张力闭环、AGC厚控策略、张力AGC模糊控制、 最优化控制（与2#A35机间有智能接口PCC)；(4)测厚仪计算机(Daystrom)进行 厚度显示与控制；(5)厚调计算机(S一115U)进行压力、辊缝和弯辊控制. 199%-03-20收稿 第一作者男57岁高级工程师

身‘ 架诊 二曾 干 蕊 扮 卯，年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加戚目 面赚卿 健 欣妇耽 回 恤山曰 娜犯 侧饭 望刀 铝箔高速高精轧制控制技术 刘圣 明 ” 李谋 渭 ’ 童朝 南 穆 志 纯 徐 峰 东北 轻合金 加 工 厂 ， 哈尔滨 夕】刃 北 京 科技大 学机械工程学 院 ， 北 京 侧洲粥 摘要 通过上下位计算机系统结构 ， 下 位机厚控策略和 张力 模 糊 控 制 ， 上 位 机 基 于 专家 经 验的轧制参数预设定 和 二次优化设定 ， 最优化控制及 张力传感器系 统控制 ， 说 明铝箔 高速 高精 轧制控制技术 的关键 关健词 铝箔 ， 轧制 ， 计算机系 统 ， 模糊 控制 ， 传感器 铝箔高速 高精轧制技术是 铝箔生产发展 的关键技术 ， 东北 轻合金加工 厂在 铝 箔轧机上采 用 了此技术和相 关 的工 艺技 术 ， 轧制速 度提 高 了 一 ， 成 品厚 差 在 士 以 内 ， 收得率提高 了 一 ， 取得 较好 的经 济效益 上下位计算机系统结构 目前世界铝 箔 轧 机 多 为 两 级 计算 机 系 统 系 统 的先 进 性 主 要 取 决 于 系 统 的结 构和 功 能 以东北 轻合金 加工 厂 于 年代末 引进 的德 国 阿 亨 巴 赫 公 司 的 刀 中精铝 箔 轧 机 为例 ， 该轧机也采 用 两级 计算机 系 统 ， 但 上 位 机 为 ， 没 有 控 制 软 件 ， 下 位 机 控 制 周 期 长 ， 功能很不 齐全 为适应高速高精轧制 的需 要 ， 研 制 了新 的上 下 位 机 系 统 ， 使 系 统 的 控 制 周期从 缩短 至 ， 开发 了很 多先进 的功能 新系统上位机功能 基 于 专家经验 的轧制参数预设定和二次优化设定 设定控 制模式 上 位机 自动 、 下位机 自动和人工 控制 设定 最优化 模 式 质量 最 优 、 面 积 最 优 和 重 量 最 优 轧 制参数显示 和轧制油 喷嘴显示 统计 报表 上 位 机 实 现 打 印报表 全 “ 汉 化 ” 下 位机功能 下位机新 增 台 计 算 机 ， 共 台 计算 机 机 进 行 逻 辑 控 制 机 监视和控制 轧制 油 阀状态 、 轧机状态和 电气故 障 新 增 下 位 机 进 行 动 态 补 偿 、 张 力 随 卷径 变化 的合理控制 、 张力速度控制与直接张力闭环 、 厚控 策 略 、 张 力 模 糊 控制 、 最优化 控 制 与 机间 有 智 能 接 口 测 厚 仪 计 算 机 ” 进行 厚度显示 与控制 厚 调 计 算 机 一 进 行 压 力 、 辊 缝 和 弯 辊控 制 望拓 一 一 收稿 第一 作者 男 岁 高级 工 程 师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．s1．014

Vol.19 刘圣明等：铝箔高精轧制控制技术 ·53· 1.3上下位机通讯 新增下位机与上位机通过RS232通讯接口联系，下位机以从方式工作. 2新系统厚控策略和张力AGC模糊控制 21新系统厚控策略 采用后张力、速度、压力联合调厚方式.在张力速度控制策略中，为解决好线速度与卷径 关系，采用卷径记忆的模糊算法，为提高张力控制精度，新系统引入直接张力仪并进行直接 张力的外环校正，为避免直接张力闭环投张时波动太大，采用了智能化的非线性变系数的PI 方法，即引入的直接张力反馈与设定张力差值进行变换.为解决由开卷侧张力压辊压下位· 置不固定而引起的张力检测偏差，对实测张力值进行头部锁定， 2.2张力AGC模糊控制四 传统的张力AGC系统是基于张力压力效应的模型和数学模型很难精确描述.而以厚差 反馈进行张力调节是属滞后非线性调节，按线性系统控制理论解决难以达到预计的目的. 使用PI调节器算法难以照顾大小偏差的调节效果，为此开发张力AGC模糊控制器，如图1. 量 模 化 糊决 后张力 d 程 Ks 策 给定 图1张力AGC模糊控制器结构图 K,K,是根据不同的厚度目标，不同的精度要求量化厚差δh的标度系数；K,K4 是根据不同目标厚度而调整的比例积分系数，它对模糊决策之后的控制量进行比例积分； S为积分，K,为系数， 根据实际经验和人工调厚情况，设计厚差隶属关系和厚差变化率隶属关系，根据负公差 轧制要求，制定模糊规则决策表，如表1、表2和表3所示，图2为模糊决策关系 表1厚差量化后隶属函数 表2厚差变化率量化后隶属函数 E -3-2-10123 -3-2-10123 PL 0000 a az a PL 0000 bs bb PS 000 aa a:C PS 000 bbb 0 000aa,a00 000bbb00 s0a2a1a000 NS 0 bb b,000 NL a az a 0000 NL bbb 0000

心 上下位机通讯 刘圣 明等 铝箔高精轧制控制技术 新增 下 位机 与上位 机通过 通讯接 口 联 系 ， 下位机 以 从方式工作 新系统厚控 策略和 张 力 模糊控 制 新系统厚控策略 采用后 张力 、 速度 、 压力联合调厚方 式 在 张力 速度控 制策 略 中 ， 为解 决好线速度 与卷径 关 系 ， 采用卷径 记忆 的模糊算法 为提 高张力控制精度 ， 新 系统引人直接 张力 仪并 进 行 直 接 张力 的外 环校 正 为避 免直接张力 闭环投 张 时波 动太大 ， 采用 了智能化 的非线性变系数的 方法 ， 即引人 的直接张力反馈 与设定 张力差 值进 行 变 换 为解 决 由开 卷 侧 张力 压 辊压 下 位 置不 固定而 引起 的张力检 测偏 差 ， 对实测 张力值进行头部锁定 张力 模糊 控 制 传统 的张 力 〔 系 统是基于 张力压力效应 的模 型和 数学模型很难精确描述 而 以厚差 反馈进行 张力 调节是 属 滞后 非线性调节 ， 按线性 系 统控制理论解 决 难 以 达 到 预计 的 目的 使用 调 节器算法难 以 照顾大小偏差 的调节效果 ， 为此 开发 张力 模糊控制 器 ， 如 图 量 模 化 糊 过 决 后 张力 凡 程 策 凡尽 给 定 图 张力 模糊控制器结构 图 凡 ， 凡 是根 据不 同 的 厚 度 目标 ， 不 同 的 精 度 要 求 量 化 厚 差 占 的 标 度 系 数 ， 凡 是根 据不 同 目标厚度而 调 整 的 比例积分 系数 ， 它 对模糊决策之后 的控制量 进 行 比例 积分 为积分 ， 为 系数 根据实际经验和 人工 调厚情况 ， 设计厚差隶属 关系和厚差 变化率隶属关系 ， 根据负公差 轧制要 求 ， 制 定模糊规则决策表 ， 如表 、 表 和表 所示 图 为模糊 决策关系 表 厚差最化后隶属 函数 表 厚差变化率 化后隶属 函数 － 一 认 八 一 一 一 一 一 一 玩 恤 玩 玩 悦 饥 气备 ‘ 人 裕 权 认 恤 玩 玩 昭 飞 气 曰 、 姚 人

·54 北京科技大学学报 1997年 表3张力控制置化后隶属函数 U E NL NS 0 PS PL -3-2-10123 NL NL NS0 PL 0000 CC.C S S 0 PS 000 CCC 0 0 S 0 PS 000C,C2C500 PS 0 PS PL s0C3CC6000 PL 0 PS PL LC,C4C60000 图2张力AGC模糊决策表 图2和表1~表3中，E,E。为隶属函数，U为模糊控制量，PL为正大，PS为正小，NL 为负大，S为负小.根据图表及模糊运算，可得14条规则和14个模糊关系矩阵R,有表 1,表2和R,后，在检测到厚差6h和厚差变化率8h后就容易得到模糊控制量U.以第一条规 则为例： If E=NL and E.=NL or E =NS,Then U=NL. 这表示，当厚差是负的大偏差，且厚差变化率仍继续使厚差变小，此时后张力控制量是处 于最大减小张力的输出控制级.由表1~表3可得到模糊关系矩阵R: R,=NLEX(NL EC+NS BC)X NL.=NL EO (NL BCU NS EC)ONL (1) 将(1)式拉直变成列向量并与行向量相乘得式(2). R-UR, (2) R,是个49×7矩阵，其中很多元素为“O”.照上面方法，可得其他13个规则的模糊关系矩 阵，从而计得R.控制量U的隶属关系函数为： U=(EoE.)oR (3) 根据最大隶属度原则和式(3)计算U.在实际中也可不按最大隶属度原则而按加权平均法和 中位法进行控制.由于上述计算占用在线较多时间，故可先离线计算，然后用一个二维数组 表示出来.工作时，直接由厚差量化级别和厚差变化率量化级别用查表法直接决策出U的 控制级， 3基于专家经验的轧制参数预设定和二次优化设定四 ()专家经验的获取.获取专家经验的方法主要有3种：1)采访专家.由知识工程师进 行总结整理，这是获取专家的经验的主要方法，2)观察专家实验.通过归纳整理，获取 专家经验；3)建立轧制工艺参数模型.与实测数据比较，完善数学模型，再与专家经验比较，完

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 表 张力控制一化后隶属 函数 一 － 污 一 一 一 几 闻二 裕 昭 裕 裕 图 张力 模糊决策表 图 和表 一 表 中 ， ， 。 为隶属 函数 ， 为模糊控制 量 ， 为 正 大 ， 为正 小 ， 为负大 ， 为负小 根 据 图表 及 模 糊 运 算 ， 可 得 条规则 和 个 模 糊 关 系 矩 阵 有 表 ， 表 和 ‘ 后 ， 在检测到厚差 占 和厚差变化率 占 后就容易得到模糊控制量 以 第一条规 则为例 二 二 这表示 ， 当厚差是 负的大偏差 ， 且 厚差 变化率仍继续使厚差 变 小 ， 此 时后 张力控制量是处 于最大减小 张力 的输 出控制级 由表 一 表 可得到模糊 关系矩 阵 ‘ 二 二 飞 二 二 。 将 式拉直变成列 向量并 与行 向量相 乘得式 一 ‘ 是 个 矩 阵 ， 其 中很多元 素为 “ ” 照上 面方 法 ， 可 得 其 他 个 规 则 的 模 糊 关 系 矩 阵 ， 从而计得 控 制量 的隶属关系 函数 为 、 为 根据最大隶属度原则和式 计算 在 实际 中也可不按最大隶属度原则而按加 权平均 法和 中位法进行控制 由于 上述计算 占用在 线较多 时间 ， 故可先离线计算 ， 然 后 用 一 个 二 维 数 组 表示 出来 工作 时 ， 直接 由厚差量化级别 和厚差 变化率量 化 级 别 用查 表 法 直 接 决 策 出 的 控制级 基 于 专家经验 的轧 制 参数预 设 定 和 二 次 优化 设 定 刀 专家经验 的获取 获取 专家经验的方法 主要 有 种 采访 专家 由知识工程 师进 行总结整 理 ， 这 是 获取 专家 的经 验 的 主 要 方 法 观 察 专家 实 验 通 过 归 纳 整 理 ， 获 取 专家经验 建立 轧制工艺参数模型 与实测数据比较 ， 完善数学模型 ， 再与专家经验 比较 ， 完

Vol.19 刘圣明等：铝箱高精轧制控制技术 ·55· 善专家经验 (2)专家经验的表示，根据获取的专家经验，进行格式化，建立专家知识数据库， 对于新产品，将采用上述第3种专家经验获取方法，初定轧制工艺.即用“最优轧制道次 及工艺参数设定”的方法，该方法是建立在对已知铝合金变形抗力实验和铝箔轧制压力数 学模型的基础上，根据质量最优、产量最优和最少能耗的原则而制定的 (3)专家经验的利用.上位机设置专门的人机接口，使用者可通过人机界面获取专家 的经验. (4)基于专家经验的二次优化设定，当运用专家经验进行预设定控制时，在到达设定速 度后，根据出口厚差，计算相对厚差，当厚差大于一定范围，则分别改变张力，速度和压力的 设定，轧制一定时间后，再作厚差统计，确定预设定修正量. 基于专家经验的轧制参数预设定已在1350mm铝箔轧机应用上获得成功. 4产品生产的计算机最优控制 (1)质量最优控制.下位机在接到此优化指令后，运用新系统厚控策略，通过张力AGC 模糊控制器，利用测厚仪的反馈控制，保证产品厚差在规定的标准范围内， (2)面积最优控制.按控制厚差的要求，改变原出口厚度的设定目标值，相应地 缩小厚度公差的范围，偏差通过计算机软件自动设定为出口目标厚度的百分比 (3)重量最优控制，与面积最优相似，主要在成品道次进行，改变原出口厚度的设定目标 值，向正偏差设置，相应地缩小厚度公差的范围. 5张力传感器系统控制 新研制的传感器把张力辊轴承座和传感器分开，传感器为全封闭式，固定于机架上.轴承 座和传感器之间采用万向球铰链连接，轴承座上下移动采用滚动导向板导向.折卸张力辊 和轴承时传感器固定不动，传感器的电阻应变片与轧制油完全隔离，加之传感器桥路输人 导线置于机架侧面的隐蔽处，传感器寿命大大提高.通过对4种不同形式传感器的制作研 究，最后确定开卷侧采用剪切式张力传感器，卷取侧采用双联孔式张力传感器.在结构上采 用特殊的组桥和密封措施，作到静态精度优于1/1000，不必进行在线标定就可安装在轧制线 上使用.在现场采用专门的抗干扰措施、动态精度良好， 新系统张力传感器不仅具有原德国传感器规定的张力显示和断带保护功能，而且完全 满足直接张力闭环的要求，有利于提高系统的精度和稳定性.第四种形式的传感器已在生 产上使用一年多没有破坏，工作情况良好，对比仅能使用半年的原德国张力传感器，新研制 的传感器不但使用寿命长、功能多、精度高，而且价格仅为同类进口传感器的1/13

刘圣 明等 铝箔高精轧制控制技术 善专家经验 专家经验 的表示 根据获取 的专家经验 ， 进行格式化 ， 建立 专家知识数据库 对于新 产品 ， 将采用上述第 种 专家经验 获取方 法 ， 初定 轧制工艺 即 用 “ 最优轧制道次 及 工艺参数设定 ” 的方 法 该方法是建立在 对 已 知 铝 合 金 变 形 抗 力 实验 和铝 箔轧制压 力数 学 模 型 的 基 础 上 ， 根 据 质 量 最 优 、 产 量 最 优 和 最 少 能 耗 的 原 则 而 制 定 的 专家经验 的利用 上位机设置 专门的人机 接 口 ， 使 用 者 可 通 过 人机 界 面 获取 专家 的经验 基于 专家经验 的二次优化设定 当运 用 专家经验进行 预设 定 控 制 时 ， 在 到 达 设 定 速 度后 ， 根据 出 口 厚差 ， 计算相 对厚差 ， 当厚差大 于 一定 范 围 ， 则分别改变张力 ， 速 度 和 压 力 的 设定 轧制一定 时 间后 ， 再作厚差 统计 ， 确定 预设定修正量 基 于 专家 经 验 的 轧 制 参 数 预 设 定 已 在 铝 箔 轧 机 应 用 上 获 得 成 功 产品生产 的计算机最优控制 质量 最优控制 下位 机在接到此优化指令后 ， 运用新系统厚控策略 ， 通过 张力 模糊控制 器 ， 利用测厚仪 的反馈控制 ， 保证产 品厚差 在规定 的标准范 围 内 面 积 最 优 控 制 按 控 制 厚 差 的 要 求 ， 改 变 原 出 口 厚 度 的 设 定 目标值 ， 相 应 地 缩 小 厚 度 公 差 的范 围 ， 偏 差 通 过 计算 机 软件 自动设 定 为 出 口 目标 厚 度 的 百 分 比 重量 最优控制 与面积最 优相 似 ， 主要 在成 品道次进行 ， 改 变原出口 厚度的设定 目标 值 ， 向正偏差设 置 ， 相 应地缩小厚度公 差 的范 围 张 力 传 感 器 系 统 控 制 新研制 的传感 器把 张力辊轴承座和传感器分开 ， 传感器 为全封闭式 ， 固定于 机架上 轴承 座 和传感 器 之 间采用 万 向球铰链 连接 ， 轴承 座 上 下 移 动 采 用 滚 动 导 向板 导 向 折 卸 张 力 辊 和轴承 时传感器 固定 不动 传感器 的 电阻应 变 片 与 轧制 油 完全 隔 离 ， 加 之传感器 桥路 输人 导线置于 机架侧面 的隐蔽处 ， 传感 器 寿命大 大提 高 通 过 对 种 不 同形 式 传感 器 的 制 作 研 究 ， 最后 确定 开卷侧采用剪切式张力传感 器 ， 卷取 侧采用双联孔式 张力传感器 在 结构上 采 用特殊 的组桥和密封措施 ， 作到静态精度优于 ， 不必进行在线标定就可安装在轧制线 上使用 在现场采用专门的抗干扰措施 、 动态精度 良好 新 系统张力传感 器不仅具有原德 国传感 器规定 的张力显示 和 断带保护功能 ， 而 且 完 全 满足直接张力 闭环 的要求 ， 有利于提 高系统 的精 度 和 稳 定 性 第 四 种 形 式 的传感 器 已 在 生 产上使用 一年 多没有破坏 ， 工作情况 良好 ， 对 比仅能使用半 年 的原德 国 张力 传感 器 ， 新 研 制 的传感器不但使用寿命长 、 功能多 、 精度高 ， 而且 价格仅为 同类进 口 传感器 的

·56 北京科技大学学报 1997年 6结论 (1)1350m铝箔轧机的上下位计算机新系统满足铝箔高速高精轧制的要求. (2)下位机厚控策略和张力AGC模糊控制器是成功的. (3)上位机基于专家经验的轧制参数预设定和二次优化设定的技术是可取的， (4)上位机最优化控制的策略和计算机程序是可行的， (5)新张力传感器系统设计思想正确、精度高、功能多、寿命长，价格低和具有新颖性， 参考文献 】田盛丰，人工智能原理与应用.北京：北京理工大学出版社，1993 2吴慧中，机械设计专家系统研究与实践.北京：中国铁道出版社，1994 致谢 本文作者还有：北京科技大学王邦文张少军、邢宏、陈工、刘鸿飞等；东北轻合金加工厂邹立河、孙永 杰、杨忠利、刘桂林彭刚、王国平、王越、王正中等；指导本研究工作有：林鹤教授、施东成教授、张为民副 厂长、肖亚庆总工，赵良歌副总，在此致以谢意. Rolling Aluminium Foil Control Technology with High Speed and Creat Accuracy Liu Shengming Li mouwei)Tong Chaonan 2)Mu Zhichun 2 Xu Feng 2) 1)Northeast Light Alloy Fabrication 2)College of Mechanical Engineering.USTB.Beijing 10083,PRC ABSTRACT The rolling parameters on expert experience and second optimal predetemination of SCC,optimal control of SCC and system control of tension sensor are predetermined by the main technology that consists of computer system structure of SCC and DDC.garge con- trol tactics and Tention AGC Fuzzy control of DDC. KEY WORDS aluminium foil,rolling,computer system,fuzzy control,sensor

北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 结论 卫 铝箔轧机 的上下位计算机新系统满足铝箔高速高精轧制 的要求 下 位机厚控策略和张力 模糊控制器是成 功 的 上位机基于 专家经验 的轧制参数预设定 和二次优化设定 的技术是可取 的 上位机最优化控制 的策 略和计算机程序是可行 的 新 张力传感器 系 统设计思想正 确 、 精度高 、 功能多 、 寿命长 、 价格低和具有新颖性 参考文献 田 盛 丰 人 工 智能原理 与应用 北京 北京理 工 大学出版社 ， 卯 昊 慧中 机械设计专家系统研究 与实践 北京 中国铁道 出版社 ， 奥科 致谢 本文作者还有 北京科技大学 王 邦文 、 张少军 、 邢宏 、 陈工 、 刘鸿 飞 等 东北 轻合金加工厂 邹立 河 、 孙永 杰 、 杨忠利 、 刘桂林 、 彭刚 、 王 国平 、 王 越 、 王 正 中等 指导本研究工 作有 林 鹤教 授 、 施 东成教 授 、 张 为 民副 厂 长 、 肖亚 庆总工 、 赵 良默副总 ， 在此致 以谢意 而而 户沈 。 卿 犷， 段巧 ， 五，刀 刀 厂’ 刀口 刀 助 卿 司 乡 ， ， 〕 ， ’ 助 吸 耐 而 ， 外忱 耐 画 ‘犯 巴 峨 二 ， 岛 石 而 ， ， ， 几卿 比