冷连轧机张力控制

一、冷连轧机的工作原理
四机架冷连轧机的机械组成是由开卷机、四个连轧机架、卷取机等组成。

轧钢的轧制分穿带、建张、正常轧制和出钢四个阶段。

带钢经过开卷机后经酸洗、水洗到达第一机架，第一机架轧辊的带动电机通过电动使带钢穿过，依此法使带钢穿过二、三、四机架到卷取机，卷取机咬住带钢后，穿带结束。

在张力闭环控制投入之前，通过手动调节开卷机、四个机架轧辊及卷取机的速度来建立各机架间及开卷机与第一机架间第四机架与卷取机间的张力建张结束后，在不进行张力闭环控制情况下，靠各机架速度的搭配给定进行轧制。

当张力达到设定张力的100% 时，张力闭环控制投入运行，进入正常张力轧制阶段。

张力是联系各个机架参数的桥梁和纽带，在较大的张力条件下进行轧制是带钢冷连轧生产的一个重要特点，这就要求张力的控制要合理，而张力控制系统是一个在高实时性要求下的变参数系统，所以对它进行实时快速的控制就显得非常必要了。

轧机张力的产生与测量
张力是连轧过程的一个重要现象，各机架通过带钢张力传递影响，传递能量而相互发生联系，张力是由于机架间速度不协调而造成的，以两个机架为例，由于某种原因(外扰量或调节量变动时)而使1#轧机带钢出口速度减小(可以是轧辊速度减小，也可能由于压下率等其他工艺参数变动，造成前滑量减小)或使2#轧机带钢入口速度加大(原因也可以是轧辊速度变大或后滑量减小)，结果使1#~2#机架间的带钢产生拉拽，从而产生张力。

张力问题是连轧中的核心问题，大张力轧制是带钢冷连轧生产的一个重要特点，合理的张力制度，可以保证轧制过程稳定而且对成品带钢质量及带卷质量的控制有着重要的影响。

张力在轧制过程中的主要作用有如下几点：
(1)防止轧件跑偏防止轧件跑偏是保证冷连轧能否正常轧制的一个
重要问题。

在实际的生产过程中，轧件跑偏将破坏正常板形，引起操作事故甚至设备事故,特别是在开坯时，需耗费很多时间，甚至采用停机、抬辊等办法来纠正，直接影响生产效率，因此，在轧制过程中必须尽量地防止轧件跑偏现象的发生。

(2)自动调节作用在轧制过程中，如果机架间的速度存在偏差，平衡状态将遭到
破坏，机架间便会出现带钢张力，并且会按照动态方程所描述的规律逐渐增加，当机架间的速差为零时，机架间的带钢张力保持恒定不变，由此可见，张力在一定的范围内具有自动调节的作用，从而使轧制过程恢复到新的平衡状态。

(3)使所轧带钢板形平直冷连轧带钢的板形不良，其主要原因就是沿带钢宽度方向上各个点的张力分布不均，轧件中的残余应力超过了稳定时所允许的压应力而造成的，如果在轧制过程中给轧件施加一定的单位张8力，从而使板、带钢沿宽度方向上的压应力不致超过所允许的压应力，便可以获得具有较好板形的带钢产品。

(4)可提高产量由于张力的作用，降低了轧制时的压力(可减25%左右)，减少了轧辊的弹性弯曲和压扁，从而减轻了设备和电机的负荷，有利于增大机架的压下量，提高劳动生产率。

同时，还可增加轧制速度，从而大大提高了产量。

(5)降低轧制压力和变形功大量实验表明，采用张力轧制时，张力不仅可以使水平方向的压应力减小，而且也能使垂直方向的压应力降低，故能使轧制压力变小，金属变形时所需要的功耗自然也就变小了。

(6)作为精调带钢厚度自动控制系统的手段在轧制的过程中，由于某一工艺参数的波动，使相邻两机架间存在带速偏差，产生带钢张力。

当张力增大时，轧件塑性曲线的斜率将会减小，从而使带钢轧出的厚度变薄。

(7)张力起着机架间能量的传递作用在冷连轧生产中，轧件在某一瞬间同时位于两个以上顺序布置的轧件上进行轧制，通过带钢的张力将整个机组连成一个整体，亦即张力在机架间起着传递能量的作用。

二、张力控制
直接张力控制是一种最直接、最有效的控制方式之一，直接张力控制方式中，设置有张力检测元件、张力辊和张力控制环，利用张力检测元件的检测信号与给定张力值比较，经张力控制环后去驱动执行机构，控制张力辊的位置，达到控制张力的目的。

这种张力控制方式优点是张力控制精度高，从理论上可以实现零误差控制;缺点是控制精度依赖于张力检测元件的精度，如果现场环境比较恶劣如酸雾对检测元件的腐蚀，就可能导致张力控制失效。

间接张力控制系统中没有张力检测元件，对张力的控制是通过对卷取机构的物理方程进行静态、动态分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，对这些物理量进行控制，从而达到恒张力控制的目的。

根据不同的物理量采用不同的方法，一般有电流反馈、电枢反电势反馈、卷径反馈等。

由于间接张力控制涉及多个参数的控制，一般需采用多闭环的控制方式来实现。

这种恒张力控制方式的优点是减少了张力辊及相应的检测元件，降低了系统成本;缺点是控制方式更为复杂，与直接张力控制方式相比控制精度较低，并且完全依赖于控制器的精度。

复合恒张力控制方式是在间接张力控制方式的基础上，再增加一个张力闭环，形成一个三环控制系统。

该控制方式优点是不仅具有直接张力控制的高精度，还具有间接张力控制方式的快速性能和跟随性能;缺点是投资成本大，控制方式更为复杂。

在实际中，应用最为广泛的是间接张力控制方式，其控制精度完全取决于控制器。

传统的张力控制主要采用常规的PID控制，PID控制是基于偏差的比例、积分和微分的集成式控制方法，具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广，可以改善系统的动态特性和稳态特性等优点，只要正确的设定其参数便可以实现其控制作用，因而被广泛的作为控制器应用于张力控制系统中。

由于在常规PID
控制很难获得满意的控制效果，随着人们对产品质量要求的提高，人们也在不断的寻找新的控制方法。

文献[刘建昌，钱晓龙，陈宏志．冷连轧机张力自动控制系统[J]，钢铁，2002，37(12)：36-39．]设计了具有限幅环节的PI控制器；文献[张进之，郑学锋，薛栋．冷连轧张力的最优和互不相关控制系统实验[J]，钢铁研究总院学报，1996，(6)：384—388．]设计了最优控制器；文献[Y. Kadoya, T. Ooi, Y. Washikita. Strip Gage and Tension Control at Cold Tandem Mill Based on I.L.Q. Design Theory. IEEE Conference on Control Applications-proceedings,1999,(1):23-28]将逆线性二次型理论应用于冷连轧张力控制系统；
有人提出了自适应PID控制的方法。

把神经网络的认知处理能力和模糊控制的技能处理能力融合起来，构建模糊神经网络自适应PID控制器，充分发挥两者的优点，是解决参数时变的张力控制系统的有力工具。

在这方面国内外也有不少的研究报道，文献[张智密,王京,安世奇.一种简单自适应算法在五机架冷连轧机张力控制系统中的应用.电气传动,2006,36(9):32-35]无论从仿真和现场运行结果来看,与常规PI控制器相比,这种改进的离散时间简单自适应控制,显著提高了系统的动态响应性能,系统输出能够很好地跟踪参考模型的输出,具有一定的抗干扰性,鲁棒性较好。

文献[陈巍,窦春霞,孙蓟泉.用FCGA 优化的四辊冷轧机恒张力模糊控制系统. 机械工程与自动化.2005,130(3):8-11]针对四辊冷轧机张力系统，对电流电压环设计了一维模糊控制器，速度环和张力环设了二维模糊控制器，并且利用遗传算法优化了张力模糊控制器的参数；文献[赵俊, 陈建军. 一种不确定对象的自适应智能PID 控制系统术. 仪器仪表学报.2008,29(6):1193-1197.]将模糊神经网络与PID神经网络相结合，提出了一种新型智能PID控制器，其参数采用混沌策略与离子群算法结合的混沌离子群离线优化和误差反传相结合的方法获取。

文献[方一鸣,陆金波,刘仙等.冷连轧机张力系统的混合灵敏度鲁棒控制器的设计.系统仿真学报,2004,16(8):1812-1815；李国友.冷连轧机张力控制系统鲁棒控制器设计.重型机械,2004,3:11-14]对张力控制系统进行了鲁棒控制研究。

方一鸣利用H∞混合灵敏度鲁棒控制方法设计了其张力鲁棒控制器，仿真研究结果与常规PI 控制效果的比较表明，所设计的张力鲁棒控制器对前后滑和外界干扰等不确定性具有更好的抑制作用，从而证明了所设计控制器的有效性。

李国友针对五机架冷连轧机利用H∞状态反馈控制方法设计了其张力鲁棒控制器。

仿真研究结果表明,所设计的张力鲁棒控制器对前后滑和外界干扰等不确定性具有更好的抑制作用,从而验证了所设计控制器的有效性。

论文[1450冷轧机张力控制系统建模与预测函数控制研究]张力控制系统进行了常规PID 控制的仿真研究，针对常规PID 控制存在的不足，应用了张力控制系统的预测函数控制方案,并对其进行了仿真研究，从仿真结果可以看出这种控制方案的优越性，解决了常规PID 控制中因对象参数变化而无法保证张力始终处在一个比较好的控制状态的问题。

论文[冷连轧张力神经网络预测控制系统的研究]在分析冷连轧机张力控制系统的基础上，推导了张力形成环节的数学模型，提出了张力的总体预测控制方案，研究了广义预测控制理论及其设计方法，并针对广义预测控制在冷连轧张力控制系统中受到的实时性限制，推导出一种广义预测控制快速算法，给出Diphantine 方程的求解公式及其详细的证明过程，该算法避免了Diophantine方程的在线递推求解，减小了预钡经控制算法的部分计算量，仿真表明了该算法的有效性。

研究中发现还存在着一些问题，如神经网
络模型和结构的选择还有很大的随意性，没有一个明确的理论对其进行指导，需通过计算机反复的设计和检验予以确定。

三、数学建模方法及模型类型
大多采用在辊缝式调张法和速度式调张法原理的基础上，利用机理模型分析法建立了张力控制系统的动态传递函数数学模型。

论文[冷连轧张力神经网络预测控制系统的研究]在采用具有良好函数逼近功能的BP网络和RBF网络作为预测模型,突破了传统数学模型的约束，提高了模型的预测精度。