高强度合金薄带高速轧制过程轧机机液耦合系统非线性动力学特性及振动控制

Intense vibration frequently occurs when the rolling mill system is used to produce high-strength alloy strip at high speed. Owing to it restricts the improvement of rolling efficiency and product quality, it is urgent to be solved. However existing system models fail to precisely describe the complex operating conditions of rolling mill system; therefore it is difficult to popularize vibration control measures. This work employs a nonlinear system identification theory and clustering method of the measured data, establish a nonlinear dynamic model for hydraulic-mechanical coupling under different operating conditions by considering rolling speed, force, coupling effect of hydraulic screw down compensation model; on-line parameter identification method is applied to constantly amend the model parameters under different operating conditions and modeling method of large-scale hydraulic-mechanical coupling system is explored; moreover, the authors use a numerical analysis method to discuss the nonlinear dynamic characteristics of the system proposed and investigate the change law of uncertain parameters under varied operating conditions. Besides, the influence law and mechanism of the speed, force and compensation of rolling on system are revealed. The paper aims to optimize and establish mapping relationship between control parameters and the different working conditions and provide a theoretical basis for vibration control of mill and enrich dynamics theory, which will improve rolling efficiency and product quality, and promote the application of the vibration control theory in industrial field mill system.

轧机系统在高速轧制高强度合金薄带过程中频频出现强烈振动现象，是制约轧制效率和产品质量进一步提高且亟待解决的瓶颈问题。而现有的系统模型难以准确描述轧机系统复杂多变的工况，振动控制措施推广困难。本课题应用非线性系统辨识理论和实测数据的聚类方法，综合考虑轧制速度、轧制力和液压压下系统补偿模型的耦合作用，建立不同工况的机液耦合系统非线性动力学模型；应用参数在线识别方法，不断修正不同工况下系统的模型参数，探索一类大型机液耦合系统建模方法；应用数值分析方法，对系统的非线性动力学特性进行讨论，探讨不同工况下系统不确定参数的变化规律，揭示轧制速度、轧制力和补偿量等因素对系统的影响规律和作用机制；优化不同工况的系统模型控制参数，切换不同工况的模型控制参数，建立控制参数与当前工况的映射关系，为轧机振动控制提供理论依据，丰富动力学理论，进而提高轧制效率和产品质量，推动振动控制理论在工业现场轧机系统的应用。

本项目以现场热连轧机液耦合系统为研究对象，主要开展了三个方面的研究工作：（1）研究了高强度合金薄带高速轧制过程非线性动力学行为机理，构建了轧机机液耦合系统非线性动力学模型；针对轧机工况多变，轧机动力学行为难以准确、全面把握等问题，提出了一种轧机振动工况的聚类方法；针对机液耦合系统模型参数不明确，经验或理论计算获得的参数值可信度不高等问题，提出了一种基于人工智能算法的系统不确定参数辨识方法并验证了该方法的有效性和准确性。（2）研究了所建机液耦合非线性动力学模型的稳定性，求解在动态轧制力条件下机液耦合系统的固有特性；应用多尺度法求解了周期激励下垂直系统的解析近似解及主共振幅频方程，以激励幅值、辊系刚度和阻尼为分岔参数分析系统的非线性动力学特性；针对轧机系统运行工况复杂的问题，结合机液耦合系统非线性动力学模型，通过数值分析研究了轧制速度、轧制力和液压伺服系统控制参数等因素影响下轧机机液耦合系统非线性动力学特性及其对系统的影响规律和作用机制；研究了在高速轧制过程中轧制不同规格和不同种类高强度合金薄带时轧机机液耦合系统不确定参数的变化规律；模拟了工业现场单一补偿模型和多补偿模型对系统的影响，得出液压压下系统补偿控制模型对机液耦合系统的作用机制及影响规律。（3）考虑到轧制过程和运行状态的复杂性、工业生产线设备改造升级的困难性，许多的轧机系统振动抑制方法在工业现场应用过程中效果并不理想，提出了一种基于不同工况的轧机机液耦合系统非线性动力学模型的控制参数优化方法，整定和重组了不同工况下轧机系统控制参数；基于已经聚类的轧机振动工况，提出了不同工况下轧机机液耦合系统非线性动力学模型的控制参数选择框架，建立了最优化控制参数与当前工况的映射关系，并通过实测数据验证了该方法的有效性。综合上述研究成果，在国内三条热轧生产线实现了工程应用，项目在理论和工程应用方面均达到了预期目标。