东北大学国家重点实验室冷连轧机厚控系统

东北大学国家重点实验室冷连轧机厚控系统张殿华王君褚恩辉李建平牛文勇孟爱光王国栋摘要：介绍了东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室三机架冷连轧机的厚度及张力控制策略。

给出了改进的位置／压力HCC的控制方法，以及高分辨率前馈AGC、带关联因子的厚度计AGC、变增益监控AGC 及轧制加减速过程的AGC控制方案。

关键词：冷连轧机HCC控制厚度控制Gauge control of tandem cold mill in the state key laboratory ofNortheastern UniversityZhang Dianhua Wang Jun Chu Enhui Li Jianping Niu WenyongMeng Aiguang Wang Guodong(The State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation Northeastern University Shenyang 110006)Abstract The gauge control strategy of the 3-stand tandem cold mill at the state key laboratory of rolling technology and automation in Northeastern University is introduced. The improved position and rolling force closed loop Hydraulic Cylinder Control (HCC) is given. The new AGC (Automatic Gauge Control) methods are shown, such as, feedforward AGC with high resolution, gauge meter AGC with side-to-side dependence ratio, monitor AGC with variable gain, and the AGC for speed acceleration and deceleration.Key words tandem cold mill; HCC; AGC东北大学国家重点实验室的三机架冷连轧机是该实验室最重要的一条兼有实验和生产能力的轧线。

该轧机配备有美国西屋公司的分布式计算机控制系统、英国欧陆公司的全数字直流传动系统和德国福尔默公司的接触式测厚仪。

其液压伺服系统、液压缸位移传感器、轧制力传感器、带钢张力传感器、带钢位置跟踪编码器等均为国内配套。

1995年12月9日实验室通过国家验收时，该系统只投入了液压位置和速度调张等最基本的功能［1］。

现在，各种厚度控制功能已经投入，达到了较高的厚度控制精度。

它不仅可稳定地进行工业生产，也为轧制技术和连轧控制系统的理论研究提供了理想的试验手段。

1 系统的厚度控制策略设计中，在参考国内外连轧控制系统成功经验的基础上，针对三机架系统的具体特点，开发出了一套既有较好的通用性，又有独特特点的冷连轧控制软件。

整个系统的控制方案如图1所示。

图1 三机架冷连轧机厚度及张力控制系统框图P 1、P2、P3—1＃、2＃和3＃机架的轧制压力；ΔS1、ΔS2、ΔS3—1＃、2＃和3＃机架的液压缸附加位移；S1、S2、S3—1＃、2＃和3＃机架的液压缸位移；δh1、δh12、δh3—1＃、2＃机架入口和3＃机架出口的厚差；Vu1、V12、V23、V 3C—开卷机、1＃～2＃、2＃～3＃机架间和卷取机的线速度；Tu1、T12、T23、T3C—开卷机、1＃～2＃、2＃～3＃机架间和卷取机的张力；TSW—张力控制开关；SSW—位置控制开关；HCC—液压缸控制；ATC—自动张力控制；ASC—自动速度控制；FF AGC—前馈AGC；MNT AGC—监控AGC；GM AGC—厚度计AGC；ACC—自动电流控制第1机架采用了前馈AGC、厚度计AGC和监控AGC集成化的厚度控制策略。

．前馈AGC：通过第1机架入口测厚仪和入口张力辊上的光电编码器，测量带钢的厚差和进行位置跟踪，然后控制第1机架液压缸的位移，实现第1机架入口厚度前馈控制。

．厚度计AGC：利用第1机架的压头测量到的轧制力和位移传感器测量到的液压缸位移，依据机架的刚度模型，算出1＃机架轧制的带钢厚差，而后控制第1机架液压缸的位移，以实现其厚度控制。

．监控AGC：利用1＃机架出口测厚仪，测量出口带钢偏差，控制第1机架液压缸的位移，对厚度偏差进行监控，以克服1＃机架带钢的低频偏差。

第2机架入口前馈AGC：利用第1机架出口的测厚仪，检测带钢厚差，并控制1＃机架的速度来控制2＃机架入口的金属秒流量，进而控制2＃机架出口的带钢厚度。

第3机架监控AGC：利用3＃机架出口测厚仪，测量出口带钢偏差，并作为第3机架监控AGC的反馈信号。

一旦有厚差存在，通过两种方式来控制出口厚度：如果带钢硬化还不十分明显，就通过调3＃机架的HCC 系统来控制；如果硬化已很严重，则通过调节2＃～3＃机架间的张力来控制出口厚度。

机架间的张力控制：1＃～2＃机架间的张力，当速度低于额定速度的10%时，采用调速调张方式，称为静张力调节；当速度高于额定速度的10%时，采用调节2＃机架液压缸的位移来调张，称为动张力调节。

2＃～3＃机架间的张力，无论速度高低，均采用调速调张的方式，即通过调整1＃、2＃机架的速度设定来调节2＃～3＃机架间的张力。

开卷机和卷取机的张力调节，采用了最大转矩张力控制方式，通过实时的卷径测量来对张力进行开环控制，并辅以张力闭环控制。

为使卷板形状更好，卷取机的张力控制采用了与卷径相关的递变张力控制。

2 双量程位移传感器(LVDT)三机架冷连轧机选用国产的差动变压器(LVDT)位移传感器，原来的位移传感器的测量范围是±12.5mm，对应于计算机模入量±2047，其分辨率是6.1μm，这对于轧制高精度的薄带钢，无法满足要求。

为此，与厂家联合设计了一种具有双量程的位移传感器。

在一个位移传感器上，安装两套线圈，对应的芯杆有两段磁芯，并相应地装有两路信号处理和放大器电路，可分别测量±2.0mm和±12.5mm的位移。

在小量程段，位移传感器的分辨率可达0.977μm。

在实际使用中，当位移量超过±2.0mm，通过计算机的软件处理，可实现位置测量的无扰切换，这样可确保在大小位移传感器的切换处，不至由于数据跳变而引起位置调节系统的振荡。

3 位置／轧制力闭环HCC控制HCC作为AGC控制的执行内环，对AGC的性能有决定性的影响。

HCC 的功能是独立地调节操作、传动侧伺服阀开口使两侧液压缸达到所期望的位置或轧制力。

位置环工作时，辊缝调节值由AGC模块和手动干预给出，它与液压缸位置反馈信号比较后产生一个位置偏差信号，这个偏差信号和一个与液压缸压力相关的可变增益相乘后送到位置调节器，调节器输出伺服阀开口信号，通过伺服放大器驱动伺服阀，控制液压缸的位置。

当轧制力的实际值接近或超过限幅值，与之并行的压力限幅控制器的输出小于位置调节器的输出时，压力限幅控制器将取代位置调节器进行恒压力控制。

因为流量与压力具有非线性关系，通过变增益环节对系统的非线性进行补偿。

在实际轧制过程中发现，轧辊的偏心对轧制带钢的精度有很大影响，在恒定位置设定的轧制过程中发现，轧制力波动最大可达轧制力的5%。

为了抑制轧辊偏心对厚差的影响，设计了轧制力闭环。

穿带过程使用位置闭环，完成穿带过程后，可以自动或手动切换到轧制力闭环工作方式。

单纯的轧制力闭环极易发生带钢跑偏，尤其在张力没建立之前。

在系统中加入了一个位置纠偏闭环控制环节，以防带钢跑偏断带。

实际轧制表明，用轧制力闭环抑制偏心影响，效果非常明显。

轧制力和位置HCC闭环为全数字化，控制系统的采样时间为2ms，它是由2＃辅助处理器MSP2来完成的。

经测试，对于0.10mm阶跃给定，位置闭环控制系统的带载上升时间为35ms，－3dB时的响应频率为8.5Hz。

4 高分辨率的前馈AGC控制与反馈控制不同，前馈控制的关键是投入时刻的准确。

一个投入时刻不准确的前馈控制对于系统来说就是人为的干扰。

特别是当前馈AGC 和厚度计AGC同时作用时，对前馈控制的时间准确性要求更高。

传统的前馈AGC控制，是把测厚仪到1＃机架的带钢分成几段，每段的长度均在几十个厘米长，因而前馈控制在带钢纵向上的长度分辨率很低。

本系统采用了定时高密集采样方式。

测厚仪到1＃机架轧辊中心的距离为765mm，对应编码器的2435个脉冲。

在计算机中开辟了500对存储空间，用于存储厚度和脉冲值，轧制时前馈厚度控制纵向长度的分辨率小于1cm。

由于存储空间较大，如果采用常规的移位方法，占用机时太多，本系统采用循环覆盖存储方法，有效地解决了此问题。

5 带关联因子的厚度计AGC通过对由压力变化而引起的轧机弹跳进行补偿，实现对轧机刚度的动态控制，来达到控制厚度之目的。

在厚度计AGC控制中，精确地测出轧机的弹跳方程至为重要。

实验采用了空压靠法和变辊缝轧板法测定轧机的弹跳，回归出的轧机弹跳M与轧制压力P的关系：(1)式中P为轧制力(kN)，M为轧机的弹跳(mm)。

以宽度为196mm轧件的弹跳为基准值，回归出的轧机弹跳与轧件宽度的对应关系为(2)为轧机在轧件宽度为196mm时的弹跳(mm)；B为轧件的宽度式中M为轧件的基准宽度，196mm。

(mm)；B图2给出了厚度计AGC中弹跳补偿的原理框图。

在带钢进入机架后，将锁定时刻由轧制力和液压缸位移计算出的轧机弹跳作为设定值。

由实际的轧制压力来计算出轧机的实际弹跳，轧机的弹跳曲线见(1)式。

带钢的宽度对弹跳的计算有一个校正，校正算法见(2)式。

计算出的弹跳偏差值经过双侧的算术均、差处理后，同一个小于等于1的“关联因子”K 进行运算，K决定了两侧弹跳补偿控制的相关性，K＝1时为完全独立，K ＝0时两侧完全相等，0＜K＜1时，介于两者之间。

最后输出的弹跳补偿值与一个小于1的硬度系数相乘后输出到HCC环中去。

当来料横向厚差较大时，如果单侧独立地进行强制性的厚度控制，可能会出现板形问题。

这时，通过调整“关联因子”K值，可产生一种两者兼顾的效果。

图2 厚度计AGC中弹跳补偿原理框图(2)6 变增益的监控AGC通过对接触式测厚仪测得偏差的积分，把这一信号最后送到位置基准中，以维持出口厚度恒定。

图3给出了通过控制液压压下位置对带钢厚度进行控制的原理图。

在带钢进入机架之前，监控AGC保持为0。

在带钢进入轧机，并在测厚仪测到厚度值后，监控AGC投入。