厚度自动控制系统

板带箔轧制的厚度自动控制系统金属加工产品广泛应用于建筑业、容器包装业、交通运输业、电气电子工业、机械制造业、航空航天和石油化工等各工业民用部门，其生产和消费水平已成为衡量一个国家工业发达程度的重要标志之一。

作为有色金属加工行业的设计研究单位，洛阳有色金属加工设计研究院早在1989年就自行设计研制出1400mm、1200mm、1300mm、1450mm、800mm 等各型全液压不可逆铝带箔冷轧机，1300mm 可逆铝带坯热轧机，560mm、850mm 全液压可逆铜带冷轧机，以及可逆钢带冷轧机的自动厚度控制配套系统，并积极开展铝板带箔厚度自动控制系统的开发研制工作，在吸收消化国外同类产品先进技术的基础上，先后开发出AGC-Ⅲ型到AGC-Ⅶ型厚度自动控制系统，厚控精度高，系统稳定。

广泛用于铝、铜加工及钢铁加工行业的各类板带箔轧机上，深得用户好评（参见厚控系统用户表）。

板带材在轧制过程中的厚度变化，既与轧件的塑性变形抗力、厚度等因素有关，也与轧制工艺规程及轧机机架的刚度有关，下面对板带材轧制厚度自动控制原理作一简述。

1．弹跳方程和P-H 图 板带轧制过程中轧件作用于轧辊辊系的反作用力使机架发生弹性变形，遵循弹跳方程的规律：K P S h 0+=式中：h — 轧件出口厚度，mm0S — 原始辊缝，mmP — 轧制压力，tK — 轧机刚性系数，t/mm作用于轧件的轧制力，使轧件发生塑性变形，轧件的塑性曲线虽然实际上不是直线，但在板带材轧制过程中塑性曲线处在微量变化情况下，可视为直线，轧件的塑性系数M 则可表示为：Ｍ＝ΔＰ／Δｈ式中：Ｍ — 轧件塑性系数ΔＰ — 轧制力变化量Δｈ — 轧件的厚度变化利用弹性变形曲线和塑性变形曲线所构成的Ｐ－Ｈ图（图１-１），可以很方便地用来分析轧件厚度变化原因。

图１-１ 弹性塑性变形的Ｐ－Ｈ图２.影响厚度变化的因素２.1 轧件的尺寸及性能的影响在其他条件不发生变化的情况下，轧件出口厚度的变化与其入口厚度的波动是成正比的，如图２-１所示，如果轧件入口厚度由0HH→，则会产生厚度波动h∆。

入口厚度变化1h∆。

图２-２ 轧件性能发生变化时的影响２.2轧机刚度的影响轧制过程中，轧机刚度是会变化的。

轧机刚度的变化（即轧机刚性系数的变化），反映为弹性曲线斜率的变化，如图２-３所示：冷轧带卷时引起轧机刚度变化的主要原因有：（１） 轧件宽度的变化；（２） 轧辊直径和凸度的变化；２.3 辊缝设定原始值变化的影响在轧制过程中，由于轧件尺寸及性能的影响、轧机刚度的变化等一系列因素，需要调整辊缝设定原始值，以实现厚度控制。

如图２-４，辊缝原始值增大，使B 线向右移动，在轧制力1P 点达到轧机平衡状态，从而产生偏差h ∆。

图２-４ 辊缝原始值变化的影响空载时，辊缝变化原因如下：（１） 轧辊偏心和不圆；（２） 轧辊热膨胀或收缩；（３） 轧辊磨损；（４） 轧辊弯曲；（５） 上下轧辊中心线交叉；（６） 轧辊轴承油膜厚度的变化；（７） 轧制中润滑膜的变化。

２.4轧制工艺条件的影响前后张力、轧制速度及润滑等轧制工艺条件的变化，将影响轧制压力的大小，从而引起厚度偏差。

张力是以影响变形区的应力状态，改变轧件的塑性变形抗力而起作用的，如图２-２所示，张力增大轧出厚度减小，反之厚度增加，且后张力比前张力影响大。

在生产中，稳定的前张力是卷取的必要条件，为防止断带现象后张力也只能在一定范围内波动。

轧制速度是通过影响摩擦系数、变形抗力及轴承油膜厚度，从而改变轧制压力或辊缝影响出口厚度的。

在冷轧中随着速度的提高使摩擦系数减小，作用于轧件上的应力增大，出口厚度减小。

反之，轧制速度减小，出口厚度增加。

当速度提高时，对于油膜轴承，油膜变厚导致上下轧辊接近，出口厚度变薄。

相反，轧制速度减小，油膜变薄，出口厚度变厚。

油膜厚度与轧制速度的关系，如图２-５所示：２— ３机架连轧机最后机架Φ４００／１０００×１０００ｍｍ图２-５ 油膜厚度与轧制速度的关系润滑条件的影响，表现在轧制时摩擦系数的变化对出口厚度的影响。

３．厚度自动控制３.1 液压执行机构的闭环控制（内环）位置控制方式和轧制力控制方式是两种最常用厚度自动控制方式，如图３-１所示：选择位置控制方式时，液压缸位置基准信号与位置传感器提供的反馈信号进行比较。

偏差信号经放大等处理后，输入伺服阀，从而控制进入或流出液压缸的流量。

根据传感器的安装位置不同，又可分为油缸位置控制（位置传感器安装于油缸上）和辊缝位置控制（位置传感器安装于工作辊轴承座之间），后者轧机刚度要远远大于前者。

压力控制方式，是由压力基准值与压力传感器或负荷元件提供的反馈信号比较形成压力闭环，如图３-１。

３.2刚度调节系数ＧＭＴＲ在理想状态下轧机机架有无限大的刚度，辊缝将不随来料的厚度或硬度变化而变化，轧件的出口厚度也必然较为均一，但实际轧制时，轧机存在弹跳，。

厚控系统可以通过补偿机架延伸量，达到增加刚度使其超过轧机自然刚度。

下面利用弹跳方程进行分析。

当轧件来料有ΔH的变化，引起轧制压力变化ΔＰ，不进行补偿时，出口厚度将有如下变化：K P h ∆=∆进行补偿，使出口厚度没有波动Δｈ＝０即 0KP S =∆+∆ 有 GMTR K P S •∆−=°∆式中：ＧＭＴＲ—刚度调节系数辊缝调节量—、°∆∆S S当GMTR＝１时，满足Δｈ＝０，但是在实际应用中，因轧辊存在偏心，GMTR 补偿是压力变化的ΔＰ正补偿，补偿效果使偏心加重，一般通过设置压力死区消除轧辊偏心的影响，GMTR 取小于１的值。

３.３ 反馈式自动控制在轧机出口侧安装测厚仪，组成反馈式厚度自动控制系统，简称反馈式AGC 或监控AGC，控制原理如图３-２所示。

图３-２ 反馈式自动控制系统在轧件出口侧由测厚仪实际测出厚度h ，并与给定厚度0h 相比较，得到厚度偏差0h h h −=∆如果不为零，AGC 系统有信号输出，去调节压下改变辊缝，或者调节张力、轧机速度直到输出量为零，从而消除了板厚偏差，即所谓的压力AGC、位置AGC 调节、张力AGC 和速度AGC 系统。

由于测厚仪安装在离辊缝一定距离的地方，这样厚度偏差的检测与厚度调节不是在同一时间发生，所以实际轧出厚度的波动不能得到及时反映。

即测量的对象不是辊缝中的板厚，而是到达测厚仪处的板厚，结果使整个调节有一定滞后时间，即hV L t =式中：Ｌ—轧辊中心线到测厚仪的距离−h v 轧件的出口速度将测厚仪安装在距离轧辊尽量近的位置，以缩短滞后时间，达到较好的控制效果。

３.4 多级AGC 控制为解决单级AGC 控制时，控制调节器负担过重或饱和的现象，须综合运用各种AGC 控制方式。

一般采用两种方式构成两级控制，即一个作为初级控制器，另一个作为二级控制器，如张力—速度AGC 中，张力为初级控制器，速度为二级控制器。

图３-３ 二级AGC 控制结构框图如图３-３所示，二级AGC控制系统工作情况如下：初级控制器是一个厚度偏差反馈控制器，利用比例积分实现，出口厚度偏差信号作为输入信号，根据轧制速度调节增益。

二级控制器同初级控制器类似，也是一个利用比例积分实现的厚度偏差反馈控制器，不同的是以初级控制器输出的溢出部分作为偏差输入信号。

当初级控制器的输出没有超出限幅，二级控制器不被启动，该初级控制器等同于一般的单级AGC控制。

而当初级控制器的输出超限，启动二级控制器，开始二级调节。

两级控制器同时工作，有效地解决了单级的饱和现象，同时缩短了系统调节周期。

常用的多级AGC控制器有张力—压力AGC、压力—张力AGC、张力—速度AGC和速度—张力AGC。

３.５前馈式自动控制反馈式自动控制存在滞后，因而限制了控制精度的进一步提高，特别是轧件来料厚度变化较大时，更会影响轧出厚度的AGC、预控AGC。

控制原理如图３-４所示，在轧件未进入本机架前，利用测厚仪或前一机架测量出其实际入口厚度H，并与给定入口厚度值Ｈ相比较，当有厚度偏差H∆，∆时，便估算出可能产生的轧出厚度偏差h∆，从而确定为消除h∆所需要的辊缝调节量S 然后根据该检测点进入本机架的时间和移动S∆所需时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度的控制点正好就在H∆的检测点上。

H ∆、h ∆和S ∆之间的关系，可以用Ｐ-Ｈ图进行分析，如图３-５所示。

图３-５ 前馈控制Ｐ-Ｈ分析图该原理实现的关键是如何使调节点和检测点是同一点，如图３-３所示，测厚装置与机架中心线的距离Ｌ不变，入口速度也可实时检测，那么轧件从测量点到机架的时间（一般用脉冲数表示）可以确定如下：HV L p = 式中：Ｌ—测厚仪到轧辊中心线的脉冲距离—H v 轧件的入口速度，一般根据入口侧偏导辊所加脉冲电机每秒所发出的脉冲数表示因此，可以保证测量点和调节点的一致性。

由于前馈式厚度控制属于开环控制系统，因此其控制效果不能单独地进行检测。

一般将前馈式和反馈式控制系统结合使用。

３.6 质量流控制这一控制方式是根据轧制过程中的运动学特点提出的。

单位时间内通过变形区任一轧件横断面的金属秒流量（体积）相等，即hh X X H H V F V F V F ==一横断面的面积入口、出口、变形区任—、、X h H F F F运动速度一横断面上金属的水平入口、出口、变形区任—、、X h H V V V在实际应用中，轧件横向变形小，通常忽略不计，这样可由上面的等式得出：h H hV HV = Ｈ、ｈ— 入口、出口任一横断面得厚度可推出 h V HV h hH −=∆Ｈ、ｈ— 入口、出口测厚仪测量的轧件厚度H V 、h V — 入口、出口的速度该式为零时，没有偏差输出信号，不为零时，h ∆为偏差信号，参与厚度控制。

质量流的原理如图３-６所示：３.7张力厚度自动控制系统张力的变化可显著改变轧制压力，从而改变出口厚度。

用调整张力的方法控制厚度，惯性小、反应快且易稳定。

张力AGC是根据精轧机出口侧测厚仪测出的厚度偏差来调节机架间的张力，借以消除厚度偏差的自动控制系统。

张力调节可由两个途径实现：一是根据厚度偏差，调节精轧机的速度：二是调节活套机构的给定转矩，其控制原理如图３-７。

由于张力变化范围小，所以调节范围有限，用于微调。

在轧制过程中，常常采用调节张力和调节压下量配合使用。

３.8偏心补偿轧辊偏心描述的是较复杂的轧机设备缺陷，包括：（１） 工作辊不圆；（２） 支承辊偏心；轧辊偏心引起的轧制力变化，影响带材的纵向公差。

对于轧机刚度小的轧机偏心影响较小，而刚度大的轧机反而影响大。

基本上有以下三种方法减小轧辊偏心的影响：（１） 用轧制力方式控制辊缝；（２） 引入一个死区，在该范围内的辊缝控制不受轧制力变化的影响；（３） 利用傅立叶分析法补偿偏心，如图３-８所示。

图３-８傅立叶分析的轧辊偏心补偿系统由支承辊偏心引起的轧制负荷的变化与支承辊角度的旋转同步发生，后者由安装在支承辊端部的接近开关和工作辊上的脉冲发生器检测。