板形控制的发展及其应用

板形控制的发展及其应用
作者：李坤
来源：《硅谷》2011年第06期
摘要：板形是板带的重要质量指标够。

随着仪表、电器、汽车及轻工业的发展，对板带板形的要求日趋严格。

但在我国，带钢板形的自动控制还是一个相当薄弱的环节，每年由板形不良所造成的经济方面的损失十分严重，了解和解决我国板带生产中板形质量问题是一项具有巨大经济意义的课题。

关键词：板形控制；轧机；板形预测；变形
中图分类号：TG335文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0320140－01
金属在轧辊作用下经过一系列的变形过程轧成需要的板材。

最终产品的板形受到许多因素的影响，总括起来，这些因素可以分为内因（金属本性）和外因（轧制条件）两个方面。

轧制条件的影响更为复杂，它包括更为广泛的内容。

凡是能影响轧制压力及轧辊凸度的因素（例如摩擦条件、轧辊直径、张力、轧制速度、弯辊力、磨损等）和能改变轧辊间接触压力分布的因素（例如轧辊外形、初始轧辊凸度）都可以影响板形。

1 板形控制的发展
1.1 板形理论的发展。

板形理论的发展可以分成三个阶段，第一阶段是以轧辊弹性变形为基础的理论；第二阶段是日本新日铁和美国为代表的以轧件为基础的动态遗传理论；第三阶段为钢铁研究总院建立的轧件轧辊统一的板形理论。

1.1.1 轧辊弹性变形的板形理论。

最初的轧辊弹性变形研究是在二辊轧机L门上，并假设轧制力沿辊身全长均匀分布，也没有考虑轧件和轧辊之间的弹性压扁。

由于物理模型过于简单，处理方法也十分粗糙，对要求处理的四辊和六辊轧机，并要求给出精确的轧后端面分布，这种简单方法不能胜任。

自20世纪60年代，轧辊弹性变形的研究发展很快，其方法主要是以M.D.Stone为代表的弹性基础梁理论和以K.N.Shohet为代表的影响函数法以及有限元方法。

我国轧钢界从20世纪70年代起对轧制理论与技术的研究大都集中在轧辊弹性变形的理论方面。

这种理论对轧制过程主要起到分析指导作用，不能直接用于在线控制。

1.1.2 轧件连轧过程的板形理论。

20世纪70年代末，日本新日铁与日立、三菱合作在HCPC等板形控制轧机的开发过程中，提出了以实验为基础的板形理论研究新思路，得到了板形于扰系数和遗传系数为基本参数的板形向量模型，直接应用于生产。

20世纪80年代，美国阿姆柯钢铁公司提出影响矩阵方法，提出前面机架改变弯辊力或轧辊凸度不仅影响本机架板
形，而且还影响后面机架的板形。

他们用有限元法做了大量计算，在连轧过程工艺参数分析上取得了明显的效果。

1.1.3 轧件轧辊统一的板形理论。

轧件轧辊统一的板形理论是根据轧件横向厚差与纵向厚差的相似性，将遗传系数分解为代表轧机特性的轧机板形刚度和轧件刚度，并得出板形测控模型。

该理论能将现代控制理论应用于热连轧智能控制的协调性级，实现动态负荷分配协调板形板厚控制、轧辊实时凸度估计、弯辊力最佳设定等优化策略，使板形理论进入了人工智能的自适应板形控制时代。

1.2 板形控制方法的研究现状。

工业生产的迫切要求，使钢板的轧制有了很大的发展，己经由单机架非可逆单张轧制发展到全连轧。

板形控制也由过去的开环控制发展到了闭环自动控制。

板形控制系统是一个复杂的工业控制系统。

影响板形的因索很多，而且轧制过程环境恶劣，带材板形受到各种各样的干扰，因此无法建立起精确的数学模型。

传统的PID控制是基于数学模型的控制，由于板形控制系统的复杂性，PID控制己不能满足板形控制要求，致使板形控制的研究陷入了困境。

因此，人们在寻求建立更精确的系统模型的同时，开始探讨从控制思想的角度来研究板形控制问题，于是提出的以输出调节理论为基础的合成方法应用到板形控制中，有效地解决了检测时间延迟的问题，并将轧制速度变化引起的板形误差降至最小；北京科技大学的周旭东等人设计了一个自适应神经元网络控制器对板形板厚进行综合控制，仿真结果表明，该方法的效果比PID控制要优越。

另外在板形检测、板形预测、弯辊力自动设置、轧辊局部冷却（冷却液的控制）、板形板厚控制的解藕等诸多方面人们都进行了有益的尝试。

特别是一些智能方法的引入极大的改善了板形控制的现状。

2 板形控制应具备的条件
2.1 板型自动控制的问题
板形控制的最终目的在于解决板形质量问题，为此需配备完整的板形自动控制环节，要实现对板形的自动控制必须具备以下几个方面的条件。

1）完整有效的板形控制数学模型。

这涉及到随板形基本理论的各个领域的研究，即通过对板形生成全过程的研究，揭示板形生成的机理。

确定所有对板形有影响的因素（包括干扰量和控制量），及其影响作用的大小，建立板形生成过程的定量模型，并且研究板形检测方法及计算机控制所需要的信号处理方法、控制规律和控制算法。

最终建立一套能够根据实测板形信号及相关轧制工艺参数分析得出合理的调控方案及正确的各种板形调节机构的设定值的板形自动控制系统的算法。

2）板形检测技术。

板形检测是板形自动控制系统的眼睛，所有板形信息均来自板形检测装置。

板形检测包括横截面几何形状检测和平坦度检测。

横截面几何形状检测用于测量带材的
横向张力分布，以检测隐含板形，平坦度检测用于测量带材板面的波浪度，以检测带材的宏观波形。

3）板形控制手段。

板形控制的实质是对带宽范围内轧辊辊缝形状的控制。

对轧辊形状的控制手段可以分为三大类，一类称为力学因素，即通过轧制力（单位宽度上的轧制力分布）、弯辊力使辊系发生变形来改变辊缝形状；第二类成为准力学因素，它是通过改变辊系抗变形能力来改变轧制力、弯辊力的影响，属于这一类的有HC轧机（抽动工作辊来改变辊系变形，以及改变中间辊和支撑辊的接触压力分布），支撑辊端头修形减少支撑辊和工作辊的接触长度等；第三类称为几何因素，即通过改变轧辊辊形来影响辊缝形状，其中包括CVC技术、分段冷却轧辊以改变其热辊型等。

2.2 板形控制存在的问题
1）控制方法需要完善。

板形控制方法的研究既要考虑到板形控制能力，又要考虑到生产过程的经济，胜。

虽然弯辊法和抽辊法已成为当前板形控制的核心方法，但是对于板形缺陷中的一些复合波形显得无能为力。

因此，探求新的控制方法或实现多种方法综合控制已成为板形控制发展的另一个方向。

2）板形信息检测及数据处理有待提高。

测量手段不成熟，致使一些关键轧制参数不能进行在线测量。

板形信息检测技术的提高主要是板形仪测量精度的提高。

目前国内外出来的板形仪不下几十种，但成功应用到实践中的也只有几种，而称得上高精度的微乎其微，这严重制约了板形质量的进一步提高。

可见，开发高精度的板形测量传感器，寻求合理的检测方法，生产出高质量的板形仪是改善板形的一个突破口。

3）控制器有待完善。

控制器是板形控制系统的大脑，由于板形控制系统是一个复杂的工业控制系统，无法建立起精确的数学模型，而且影响板形的因素繁多，板形检测有很不完善，这样给控制器带来了诸多困难。

实践证明，对于这样一个复杂系统，常规的控制方法难以取得理想的控制效果。

因而采用现代控制方法（如多变量控制、最优控制、自适应控制、预测控制等）和智能控制方法（如模糊控制、专家系统、神经网络等方法）相结合的手段，已成为板形控制的发展趋势。

3 总结
本文介绍了板形控制的基本概念、影响板形的因素、板形控制的理论基础、分析板形控制的发展过程及其存在的问题。