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1、湘钢宽厚板板厚自动控制模型的分析与实现刘正茂(湘潭钢铁公司, 湖南 湘潭市 411101)摘 要:介绍了目前宽厚钢板轧制过程厚度控制系统的发展趋势及影响板带厚度的因素。 分析、 讨论了厚度自动控制系统的控制原理及其特点。针对湘钢宽厚板生产工艺的特点, 提出了适合于湘钢板材生产的板厚自动控制模型,并在实际生产中得到了应用。 关键词:宽厚钢板;轧制;自动厚度控制;压力AGC;监控AGC;前馈AGC保证钢板的厚度同板差和厚度异板差是宽厚板生产线质量控制的一个重要方面,宽厚板生产线采 用的在线消除板厚偏差的自动控制系统称为AGC 系统。长期以来,热轧板轧机一般采用传统的电动AGC系统控制。电动AGC控
2、制系统由于其传动效 率低、 运动部件惯性大、 过载保护能力差等缺点,特别是响应速度慢、 调整精度低、 轧制力小,越来越不 能满足不断提高的行业标准。随着现代液压技术, 特别是液压伺服控制技术的飞速发展,基于此技术 发展起来的液压厚度自动控制系统(HAGC)逐步取 代了传统的电动AGC。1 影响板厚的因素分析自动厚度控制的基本过程是利用测厚仪或其他 传感仪连续直接测量或间接计算钢板的轧出厚度, 把实测值与设定值的偏差输入自动控制装置,经过逻辑判断和模型计算分别把辊缝调整量和轧机速度 调整量送到压下定位系统和轧机速度调节系统,通 过调整辊缝和轧机速度,快速把钢板的出口厚度控 制到允许的公差范围并保
3、持稳定轧制。 轧制过程中影响宽厚板厚度变化的干扰因素主要可归纳为以下几个方面:轧机机械及液压装置、 轧 机控制系统、 入口轧件厚度。 (1)轧机机械及液压装置的干扰因素。轧机机械及液压装置本身的异常或参数的变化,如轧辊偏 心、 轧辊的椭圆度、 轧辊磨损、 轧辊的热胀冷缩、 轧辊平衡力的波动、 轧机的振动、 辊缝润滑剂膜层厚度的 变化会导致空载荷下的辊缝或轧机的刚度变化。当 轧机开始承载载荷时,那些传递载荷的轧机构件将 发生挠曲和变形,从而使辊缝产生额外的变化,其变 化的大小取决于轧机结构刚度的大小。其中轧辊偏心和轧辊热膨胀及磨损是影响厚度精度的重要因素之一。连轧过程中,张力的变化会引起轧制力的
4、变 化,从而引起板材厚度的变化。新轧机的轧机常数 主要由制造厂家决定,随着生产的进行,轧机常数会 发生变化,也会影响到宽厚板的轧制厚度的变化。(2)轧机控制系统的干扰因素。控制系统的干扰因素主要指控制系统本身不完善引起的,如轧制 速度的控制、 轧制力的控制、 弯辊的控制、 轧辊平衡 的控制、 轧辊冷却及润滑的控制、 张力的控制、 厚度 监控器的控制等存在问题或干扰因素对板厚控制的 影响。其中测压头的磁滞回线会使实际轧制力的测量值不精确,从而引起AGC系统的误调整,使带板 材厚度控制精度降低。 (3)待轧板坯引起的干扰因素。待轧板坯性能及参数的变化,也会引起宽厚板厚度的变化、 硬度的 变化、 宽
5、度的变化、 断面的变化、 平直度的变化。如加热过程的温度差(水印等造成)或轧制过程冷却 的不均匀,都会引起宽厚板厚度的变化。2 自动厚度控制系统分析与设计在分析清楚轧辊辊缝大小和形状变化规律的基础上,采用先进的控制算法和测控装置,可有效控制 板厚误差,提高宽厚板的质量。通过分析目前常用 的AGC控制算法和湘潭钢铁公司宽厚板精度的主 要影响因素,采用监控AGC、 压力AGC和前馈AGC 等控制算法实现宽厚板厚度的控制与调节。2. 1 监控AGC 监控AGC的工作原理是在粗轧机出口处设置X射线测厚仪,将出口实际板厚与目标板厚值之差 值反馈到机架,以调整轧机机架辊缝,从而使宽厚板 的出口厚度误差,控
6、制在允许的公差范围内,并达到ISSN 1671 - 2900 CN 43 - 1347/TD 采矿技术 第9卷 第2期 Mining Technology, Vol . 9,No. 2 2009年3月 Mar . 2009最佳值。监控AGC属于闭环反馈控制,有较高的控制精度,广泛采用在冷热轧机组上。其基本模型是:S=Q+M M h,其中,S为辊缝调节量, Q为轧件塑性系数,M为轧机刚度,h为厚度偏差。2. 2 压力AGC在宽厚板轧制过程中,轧件会产生塑性变形,而同时轧机会产生弹性变形(即所谓的弹跳) ,由于轧机的弹跳,使轧出的板材厚度( h)等于轧辊的理论空载辊缝(S )再加上轧机的弹跳值。按
7、照胡克定律,轧机弹性变形与应力成正比,故弹跳值应为P /M,从而可得轧机的弹跳方程:H=S+P /M+(1)式中: H 轧件出口厚度;P 轧制力;S 辊缝;M 轧机刚度; 补偿系数。式(1)的微分方程为:h =S +P M(2)图1 压力AGC的P - H图如图1所示,调节开始时,轧制在弹性曲线1与塑性曲线a相交点A稳定进行。由于外界扰动,轧件塑性曲线由a变为b,而此时弹性曲线未发生变化(辊缝还未开始调整) ,轧制点由A变到C,此时轧件厚度发生了变化,由h变为h+h。AGC系统调节的目的就是要消除厚度偏差 h,使轧件厚度保持h恒定。因此,其调节过程发生在C到A的过程中,此时, AGC系统发出指
8、令,调节压下量,使轧机弹性曲线由1经2位置到达2位置。这是一个连续变化的过程。在此过程中,轧制压力不断上升,辊缝不断发生变化,弹性曲线变化到2位置时,辊缝停止变化,此时h=0,维持轧件厚度h恒定。 由以上过程可知,AGC调节辊缝的过程是一个 连续、 动态变化的过程。 压力AGC的调节过程,实际上是解决外界扰动 (坯料厚度和硬度差等)、 调节量(辊缝)和目标量(厚度)等之间的相互影响关系。外界扰动影响轧制力,调节辊缝也引起轧制力的变化。方程(2)动 态地反应了压力AGC的调节过程,扰动引起轧制力 变化,要消除由此轧制力变化所引起的轧件恒定变 化,必须调整辊缝;而辊缝的调整又引起轧制力的变 化,轧
9、制力的变化又引起轧件出口厚度的变化,因 此,辊缝需要再次调整。上述过程反复进行,直到达到平衡状态为止。在P - H图上可以动态地反应调 节过程,但并不能反应调节过程中各量之间的定量 关系,没有从根本上揭示轧制力、 外扰、 辊缝和轧件 出口厚度之间的矛盾关系。张力对板材厚度的影响 程度图2所示。图2 张力对厚度的影响为了有效改善上述压力AGC算法的缺陷,在实 际应用过程中采用了改进的AGC算法。辊缝调节 量由下式决定:S= -MP M(3)代入(2)式即可得到:h= -MP M+P M=P M 1 -M(4)令:Mc=M 1 -M, Mc称为当量刚度。于是上式变为:h=P Mc(5)由(4)式可
10、以计算出厚度变化量。当M= 1 时,Mc=,为无限硬当量刚度,在外界扰动作用 下,h= 0仍可得到恒定的出口厚度,反应在P - H 图上,S=S,弹性曲线2和2重合;当M1时, 为硬刚度,可以部分消除干扰影响,随M增大,消除 外界扰动的能力加强,反应在P - H图上,S愈靠57刘正茂: 湘钢宽厚板板厚自动控制模型的分析与实现近S,弹性曲线2愈接近弹性曲线2;当M=0时,Mc为自然刚度,是厚度控制系统不存在的情况,反 应在P - H图上,即为轧制点在C点,出口厚度为h+h;当M0时,即Mc小于轧机的自然刚度,使 轧制过程向恒压力过渡。从而可优化轧制过程,有 效提高轧制精度。2.3 位置控制回路
11、湘钢宽厚板生产线在轧机的操作侧和传动侧分别安装了两组传感器获取位置反馈信号,然后把这 两个位置信号加以处理和计算,产生一个代表中央 位置的信号,这个位置信号和给定的辊缝信号相比 较,再用两者之差值来驱动伺服阀,调整压下油缸使 差值趋于零。位置控制回路是AGC控制的一个基本内环,由位移传感器测量液压缸位移量,实现对轧 机辊缝的控制与调节,从而构成反馈闭环控制。2. 4 前馈AGC 前馈AGC就是在轧机的入口侧设置测厚仪,将 测得的厚度与给定厚度值相比较,求出厚度差 H,然后利用AGC算法,完成辊缝调节量S的控制。 结合P - H图,经过推算可得到S=K h,其 中, K=Q /M, Q为材料轧件
12、塑性系数, M为轧机刚 性系数。 通过将前馈AGC应用于热连轧的第一机架,以校正来料厚差所引起的第一机架出口厚度变化,进 一步保证了最终产品全长范围内厚度的均匀性,达 到提高产品质量的目的。3 AGC控制算法的实现通过对宽厚板轧制过程中的干扰来源和自动厚 度调节系统结构等的分析,确定控制器采用PI D调 节器,其动态传递函数为:Gc(s)=Ue Us=Kp1 +1 TIs+TDs(6)式中, US为给定信号与位移传感器的信号之差; Ue 为US经PI D信号调节器后所得到的响应信号;KP 为PI D调节器的比例系数;TI为PI D调节器的积分时间常数;TD为PI D调节器的微分时间常数。 在控
13、制算法中还设置了位置闭环调节器、 预控 调节器、 监控调节器,通过采用比例环节,用以提高 位置闭环系统的快速性和稳定性,并利用入口测厚 仪信号对辊缝适时修正,达到消除入口厚度波动对出口厚度的干扰,同时利用出口侧的测厚仪,来实时 检测出口侧的实际厚度与所要求的目标厚度之间的偏差,进行反馈控制。 在控制模型中还采用了信号补偿来提高控制的 准确性和减少控制误差:油膜补偿,油膜的厚度随着轧辊的旋转速度和轧制压力的变化而变化,通过油 膜补偿可以消除它对轧件厚度的影响;偏心补偿,轧 辊偏差造成的误差可达到0. 05 mm,偏心误差属于 高频误差,采用死区的方法实现对轧辊偏心的补偿; 轧辊热膨胀补偿,轧制时
14、,轧辊容易发生磨损和热膨胀,采用过程参数设定补偿和AGC调节器补偿相结 合的自适应补偿方式;板坯在进入和离开轧机时,由 于张力的突变,使宽厚板头尾产生厚度偏差,设计了 尾部补偿功能以克服厚度突变。 通过采用以上控制算法和补偿措施,有效抑制了生产过程中各种干扰因素对板材厚度的影响,从 而有效保证了湘钢宽厚板生产线产品的质量。4 结 语对湘潭钢铁公司宽厚板生产线影响板材厚度的各种干扰参数进行了详细分析,对自动厚度控制算 法的结构也进行了深入探讨,针对湘潭钢铁公司的 实际生产情况提出了采用前馈AGC、 监控AGC与压 力AGC相结合的自动厚度控制系统,并采用位置控 制回路有效提高了控制精度,为了进一
15、步提高整个控制系统的精度,对湘钢宽厚板生产线采用了多种 补偿算法。最后,设计了实现AGC系统的控制器, 并在实际生产中得到了应用,取得了较好的效果,产 生了良好的经济效益和社会效益。参考文献:1 张进之.压力AGC分类及控制效果分析J .钢铁研究学报,1988, (6) : 8794.2 刘兴刚,谭树彬,徐心和.冷连轧第5机架轧制力模型J .东北大学学报(自然科学版) , 2004, 25(1) : 58.3 Monaco F.Hot mill profile/flatness performance and finishingmillwork roll practicesJ .Iron &
16、Steel Technology, 2004, (5) :3845.4 BulutB, Katebi M R. Predictive control of hot rolling processesA . Proceedings of the American Control Conference C , Chi2cago, 2000: 20582062.5 StephensR I, RandallA. Online adaptive control in the hot rollingof steel J . IEEE Proc Control Theory and Applications, 2002,144 (1) : 1524.(收稿日期: 2008 - 09 - 28)作者简介:刘正茂(1
