冷连轧机控制系统及智能控制系统的开发
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第一作者: 张进之, 男, 64 岁, 教授级高工, 冶金部钢铁研究总 院, 北京市 (100081)
号与辊缝闭环来实现张力恒定, 同时也消除了轧 件硬度和入口厚度差对厚度的影响。 该方法最先 由美国西屋公司发明, 之后德国、 日本都应用了 它, 武钢 1700 冷连轧机就是这种系统。该系统进 一步改进, 张力差信号不直接与辊缝闭环, 而通 过改变压力设定值, 由机架液压压下的恒压力控 制系统实现, 能自动消除轧辊偏心对厚度的影响, 宝钢 2030 冷连轧机就是这种控制系统。 对于这种控制系统的原理, 国外普遍认为是 流量测厚及控厚系统。 在这种系统出现之前, 笔 者从连轧张力理论推出, 而且证明了张力间接测 厚比压力测厚精度高一个数量级[ 1, 2 ] , 进一步得出 恒张力厚度控制数学模型, 称为连轧 A GC [ 3 ]。 随着冷连轧控制系统的进一步发展, 国内外 出现了许多种新型控制方案。 例如宝钢 1550 冷连 轧机采用了直接测带钢速度技术, 鞍钢二冷轧设 计的控制系统[ 6 ] , 先进的奥钢联冷轧自动化方 案[ 7 ] 等, 都是增加各种测量装置, 使系统复杂化。 笔者提出的基于协调推理网络的分层递阶智能控
图 1 冷连轧机系统与测量装置示意图
—板形仪 TR —连轧 A GC, SCR —传动系统, T G —测速, E —油膜补偿, M —马达, Σ—延时, T —张力设定值, Ε
211 厚度、 张力控制系统
全部 5 个液压压下机架均配有位置自动控制 系 统 (A PC ) 和 动 态 设 定 型 变 刚 度 厚 控 系 统 (DA GC ) 。 主传动 ( SCR ) 控制精度达到 0104% ( 目前水平) 。 因为第 1 机架厚度预控系统和监控 系统去掉了, 所以第 1 机架入口测厚仪不参于控
1 引言
世界上第一套冷连轧是 1924 年在美国建设 的, 是由热连轧供给坯料, 控制简单, 有单机架 冷轧操作经验就可以了。 由秒流量相等条件设定 各机架速度和辊缝, 其设定误差依靠张力自动负 反馈调节和人工调节就可以实现平稳的冷连轧过 程。 随着产品质量的提高和轧制速度的加快, 出 现了厚度自动控制系统 (A GC ) 和张力自动控制 系统 (A TC ) 。以五机架冷连轧 A TC 为例, 以中 间机架速度为基准, 通过张力计测量张力值与设 定值之差调节前 ( 后) 机架速度来控制张力恒定。 成品机架调张力设 A GC 则是由前边机架调辊缝、 定值来实现。 由于计算机仿真技术在轧钢过程中的应用, 推出了新型张力控制系统, 由张力测量差值的信
重 型 机 械 2001 N o 15 ・1 4・
新技术・新设备
冷连轧机控制系统及智能控制系统的开发
钢铁研究总院 张进之 石 勇
摘要 叙述了国内外冷连轧技术的发展过程, 对冷连轧机产品的厚度和板形控制理论及方法作了 详尽的论述, 由于轧制工艺理论停留在静态水平, 提高产品质量主要靠装备创新和复杂的控制系统来实 现。我国建立的轧制动态理论等, 可以在简化装备和控制系统的条件下提高产品质量, 实现基于“工艺 控制论”的冷连轧过程分层递阶智能控制。 叙词 冷连轧 工艺控制论 板形计法 智能控制
http://www.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
重 型 机 械 2001 N o 15 ・1 6・
制系统[ 4 ] , 新型的冷连轧控制系统及仿真实验[ 5 ] , 是比较简化的。 目前我国已形成一个新建冷连轧 机和改造冷连轧的高潮, 推广应用该系统对我国 占领国际国内市场很重要。
2 冷连轧技术发展的理论基础及新
方案
国际上冷连轧系统发展的基础是静态分析理 论和动态分析技术。 静态分析理论是以秒流量相 等条件和弹跳方程为基础的计算机数值计算, 分 析目标量、 控制量和扰动量之间的定量关系。 动 态分析技术是用两机架张力微分方程代替秒流量 相等条件, 并引入厚度延时方程而进行的计算机 仿真实验, 它可以设计出冷连轧控制系统, 优化 控制方案和优化参数[ 8 ]。 智能控制在实际应用中, 进一步提出了“工艺控制论” 的概念[ 9 ]。工艺控制 论是将生产系统分为设备系统和工艺系统, 以工 艺系统为主体, 因为控制目标为轧件的尺寸精度 和物理性能。 设备系统是为工艺目标服务的, 它
来自百度文库
制, 第 1 机架 DA GC 的当量刚度值设定与轧辊实 际偏心量有关, 偏心小时尽量取硬一些。 第 1 机 架出口测厚仪是关键性测厚装置, 它是张力测厚 系统的基准值, 由它调节第 1 机架速度实现第 2 机架厚度预控, 保持第 2 机架的金属流量恒定。 由 于各机架速度是按秒流量相等条件设定的, 各机
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2001 N o 15 重 型 机 械 ・1 5 ・
架速度保持恒定, 所以出现张力差时肯定是由厚 度差引起, 因此张力差与辊缝闭环控制系统不仅 保持了张力恒定, 而且也实现了厚度恒定。 连轧 信 A GC 是一个恒张力厚度的信号自动控制系统。 号控制系统具有高精度和高响应速度, 特别适用 于分层递阶智能控制系统的执行元件。 这样在第 2 机架预控保持入口秒流量恒定的条件下, 由连 轧 A GC 则保证了成品厚度恒定。 成品机架的测 厚仪作监控用, 实现自适应和自学习功能。 DA GC 实现恒压力控制与宝钢 2030 冷连轧的恒压力系 统的区别是: 前者为位置信号闭环, 后者为压力 信号闭环, 位置信号受干扰比压力信号受干扰小 得多, 所以 DA GC 实现恒压力的稳定性要比直接 压力闭环的稳定性好。 ～ F 5 的 DA GC 当量刚度 F2 按轧辊偏心值选择。 另外, 在穿带时只能用位置 闭环, 张力与位置闭环切断, 张力与速度闭环实 施调速度的恒张力控制。 动态变规格时的操作同 穿带时的情况一样。正常连轧时投入 DA GC 和连 轧 A GC。 212 板形控制 冷连轧板形控制特点是板凸度的目标值由坯 料凸度值确定, 所以平直度控制目标值很明确, 追 求 0I U 目标的实现, 即平直度 ( 或波浪度) 越小 越好。 板形计法是板形测控数学模型、 解析板形 刚度理论和板形板厚协调规律的综合。 板形计法 首先是在热连轧机上推广应用。 所以供给冷连轧 的坯料可按要求的凸度值供料, 其凸度波动要在 规定的范围内如±10Λ 。 这对冷连轧板形控制十 分有利, 从而可以简化冷连轧的板形控制装备。 冷 连轧板形控制的重点在动态变规格时的板形质量 保证上, 由板形计方法可以估计出轧辊实际凸度
是信号控制系统, 要求配备轧辊速度控制和辊缝 的位置控制 (A PC ) , 其 A PC 的设定值由工艺控 制系统的最优控制解给出。 工艺控制系统是信息 控制系统。 张力、 厚度和板形的状态方程是连轧 过程信息的数学表达式。 五机架冷连轧机的控制 量为辊缝和轧辊速度共 10 维 ( 2N ) , 张力和板厚 状态方程共 9 维 ( 2N 21) , 所以该系统只有一个自 由度, 即成品机架的轧辊速度。 对于板形控制, 主 要靠压下量分配和配轧辊原始凸度来实现, 以及 冷连轧机上都有弯辊装置。 由第一机架出口侧的一台测厚仪可获得全部 机架厚度值, 成品机架再安装一台测厚仪供精确 测量成品厚度和系统自适应应用。 总之, 由于冷 连轧机过程的张力、 板厚、 板形等机理数学模型 的建立, 由压力、 辊缝、 轧辊速度、 张力等实时 信号就可以获得冷连轧过程的全程信息, 由信息 控制系统实现板厚、 板形和张力等目标的综合最 优控制。 该系统的配置如图 1 所示。
Abstract T he article has a narration of the developm en t of co ld con tinuous casting techno logy w ith in and outside Ch ina, including detailed theo ry and m ethod fo r the th ickness and shape con tro l1 A s the ro lling theo ry is still on the static stage, the increasem en t of p rod 2 uct quality m ain ly relies on the equipm en t innovation and on the m o re com p lex con tro l sys2 tem. T he ro lling dynam ic theo ry established in Ch ina can enhance p roduct quality w ith a p re2 requisite fo r si m p lifying devices and con tro l system first, realizing in telligen t con tro l of co ld . con tinuous ro lling p rocedures based on“P rocess Con tro l T heo ry ” D escr iptors co ld con tinuous ro lling, P rocess Con tro l T heo ry, shape calculation, in tel2 ligen t con tro l
1
A
( i)
值, 所以设定不同规格的最佳板形规程就能保证 质量。 由于一卷钢轧制的时间比较长, 在此期间 内轧辊热凸度可能有较大变化, 为使成品的平直 度恒定, 可以采用第二类动态负荷分配方法来实 现, 一般在 100s 左右改变一次负荷分配。 目前冷连轧采用多种板形控制装置, 是由于 热连轧供应的板卷质量不稳定所采取的, 所以用 板形计法实现对热连轧恒定目标 ( 板厚、平直度、 板凸度等) 控制后, 冷连轧机的装备必然会得到 较大简化。 动态变规格的板形最佳规程设定属于 第一类动态负荷分配问题。 21211 第一类动态负荷分配方法 第一类动态负荷分配是指在一个换工作辊周 期内补偿轧辊凸度变化或不正常生产的变压下率 分配, 使板凸度变化小。 80 年代以前, 欧洲、日 本的动态负荷分配主要靠经验, 板形计方法从理 论上解决了这一问题。 由板形计法计算出各机架 的板凸度和平直度, 判断成品板形是否达到目标 值和各机架平直度是否在允许的范围内, 如果条 件满足就得到板形最佳规程; 如果超出允许范围, 则用板形板厚协调规律计算出板形最佳规程。 在 计算时, 轧辊实际凸度、 坯料凸度和成品的平直 度要求等都是已知的, 轧辊实际凸度是由板形计 法得到的。 板形板厚协调规律 ( 1) X ( i) = A ( i) X ( i- 1) + B ( i) u ( i) 式中 X
1 1
1
B
( i)
0 1
- 1
=
- Ν i
hi
C h i- 1 qi - ∃Ε iq i + m h i- 1
u A 、B
二维状态向量, X T = [ ∃Cn, ∃ 2 Ε] 二 维 控 制 向 量, u T = [ ∃ h ′ ( i- 1) , ∃ h ( i) ]
′
系数矩阵, 由下式计算。
0 1
- 1
=
- Ν i
hi
qi hi q i + m h i- 1
-
qi hi q i+ m
- Ν i
h i1
号与辊缝闭环来实现张力恒定, 同时也消除了轧 件硬度和入口厚度差对厚度的影响。 该方法最先 由美国西屋公司发明, 之后德国、 日本都应用了 它, 武钢 1700 冷连轧机就是这种系统。该系统进 一步改进, 张力差信号不直接与辊缝闭环, 而通 过改变压力设定值, 由机架液压压下的恒压力控 制系统实现, 能自动消除轧辊偏心对厚度的影响, 宝钢 2030 冷连轧机就是这种控制系统。 对于这种控制系统的原理, 国外普遍认为是 流量测厚及控厚系统。 在这种系统出现之前, 笔 者从连轧张力理论推出, 而且证明了张力间接测 厚比压力测厚精度高一个数量级[ 1, 2 ] , 进一步得出 恒张力厚度控制数学模型, 称为连轧 A GC [ 3 ]。 随着冷连轧控制系统的进一步发展, 国内外 出现了许多种新型控制方案。 例如宝钢 1550 冷连 轧机采用了直接测带钢速度技术, 鞍钢二冷轧设 计的控制系统[ 6 ] , 先进的奥钢联冷轧自动化方 案[ 7 ] 等, 都是增加各种测量装置, 使系统复杂化。 笔者提出的基于协调推理网络的分层递阶智能控
图 1 冷连轧机系统与测量装置示意图
—板形仪 TR —连轧 A GC, SCR —传动系统, T G —测速, E —油膜补偿, M —马达, Σ—延时, T —张力设定值, Ε
211 厚度、 张力控制系统
全部 5 个液压压下机架均配有位置自动控制 系 统 (A PC ) 和 动 态 设 定 型 变 刚 度 厚 控 系 统 (DA GC ) 。 主传动 ( SCR ) 控制精度达到 0104% ( 目前水平) 。 因为第 1 机架厚度预控系统和监控 系统去掉了, 所以第 1 机架入口测厚仪不参于控
1 引言
世界上第一套冷连轧是 1924 年在美国建设 的, 是由热连轧供给坯料, 控制简单, 有单机架 冷轧操作经验就可以了。 由秒流量相等条件设定 各机架速度和辊缝, 其设定误差依靠张力自动负 反馈调节和人工调节就可以实现平稳的冷连轧过 程。 随着产品质量的提高和轧制速度的加快, 出 现了厚度自动控制系统 (A GC ) 和张力自动控制 系统 (A TC ) 。以五机架冷连轧 A TC 为例, 以中 间机架速度为基准, 通过张力计测量张力值与设 定值之差调节前 ( 后) 机架速度来控制张力恒定。 成品机架调张力设 A GC 则是由前边机架调辊缝、 定值来实现。 由于计算机仿真技术在轧钢过程中的应用, 推出了新型张力控制系统, 由张力测量差值的信
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冷连轧机控制系统及智能控制系统的开发
钢铁研究总院 张进之 石 勇
摘要 叙述了国内外冷连轧技术的发展过程, 对冷连轧机产品的厚度和板形控制理论及方法作了 详尽的论述, 由于轧制工艺理论停留在静态水平, 提高产品质量主要靠装备创新和复杂的控制系统来实 现。我国建立的轧制动态理论等, 可以在简化装备和控制系统的条件下提高产品质量, 实现基于“工艺 控制论”的冷连轧过程分层递阶智能控制。 叙词 冷连轧 工艺控制论 板形计法 智能控制
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重 型 机 械 2001 N o 15 ・1 6・
制系统[ 4 ] , 新型的冷连轧控制系统及仿真实验[ 5 ] , 是比较简化的。 目前我国已形成一个新建冷连轧 机和改造冷连轧的高潮, 推广应用该系统对我国 占领国际国内市场很重要。
2 冷连轧技术发展的理论基础及新
方案
国际上冷连轧系统发展的基础是静态分析理 论和动态分析技术。 静态分析理论是以秒流量相 等条件和弹跳方程为基础的计算机数值计算, 分 析目标量、 控制量和扰动量之间的定量关系。 动 态分析技术是用两机架张力微分方程代替秒流量 相等条件, 并引入厚度延时方程而进行的计算机 仿真实验, 它可以设计出冷连轧控制系统, 优化 控制方案和优化参数[ 8 ]。 智能控制在实际应用中, 进一步提出了“工艺控制论” 的概念[ 9 ]。工艺控制 论是将生产系统分为设备系统和工艺系统, 以工 艺系统为主体, 因为控制目标为轧件的尺寸精度 和物理性能。 设备系统是为工艺目标服务的, 它
来自百度文库
制, 第 1 机架 DA GC 的当量刚度值设定与轧辊实 际偏心量有关, 偏心小时尽量取硬一些。 第 1 机 架出口测厚仪是关键性测厚装置, 它是张力测厚 系统的基准值, 由它调节第 1 机架速度实现第 2 机架厚度预控, 保持第 2 机架的金属流量恒定。 由 于各机架速度是按秒流量相等条件设定的, 各机
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2001 N o 15 重 型 机 械 ・1 5 ・
架速度保持恒定, 所以出现张力差时肯定是由厚 度差引起, 因此张力差与辊缝闭环控制系统不仅 保持了张力恒定, 而且也实现了厚度恒定。 连轧 信 A GC 是一个恒张力厚度的信号自动控制系统。 号控制系统具有高精度和高响应速度, 特别适用 于分层递阶智能控制系统的执行元件。 这样在第 2 机架预控保持入口秒流量恒定的条件下, 由连 轧 A GC 则保证了成品厚度恒定。 成品机架的测 厚仪作监控用, 实现自适应和自学习功能。 DA GC 实现恒压力控制与宝钢 2030 冷连轧的恒压力系 统的区别是: 前者为位置信号闭环, 后者为压力 信号闭环, 位置信号受干扰比压力信号受干扰小 得多, 所以 DA GC 实现恒压力的稳定性要比直接 压力闭环的稳定性好。 ～ F 5 的 DA GC 当量刚度 F2 按轧辊偏心值选择。 另外, 在穿带时只能用位置 闭环, 张力与位置闭环切断, 张力与速度闭环实 施调速度的恒张力控制。 动态变规格时的操作同 穿带时的情况一样。正常连轧时投入 DA GC 和连 轧 A GC。 212 板形控制 冷连轧板形控制特点是板凸度的目标值由坯 料凸度值确定, 所以平直度控制目标值很明确, 追 求 0I U 目标的实现, 即平直度 ( 或波浪度) 越小 越好。 板形计法是板形测控数学模型、 解析板形 刚度理论和板形板厚协调规律的综合。 板形计法 首先是在热连轧机上推广应用。 所以供给冷连轧 的坯料可按要求的凸度值供料, 其凸度波动要在 规定的范围内如±10Λ 。 这对冷连轧板形控制十 分有利, 从而可以简化冷连轧的板形控制装备。 冷 连轧板形控制的重点在动态变规格时的板形质量 保证上, 由板形计方法可以估计出轧辊实际凸度
是信号控制系统, 要求配备轧辊速度控制和辊缝 的位置控制 (A PC ) , 其 A PC 的设定值由工艺控 制系统的最优控制解给出。 工艺控制系统是信息 控制系统。 张力、 厚度和板形的状态方程是连轧 过程信息的数学表达式。 五机架冷连轧机的控制 量为辊缝和轧辊速度共 10 维 ( 2N ) , 张力和板厚 状态方程共 9 维 ( 2N 21) , 所以该系统只有一个自 由度, 即成品机架的轧辊速度。 对于板形控制, 主 要靠压下量分配和配轧辊原始凸度来实现, 以及 冷连轧机上都有弯辊装置。 由第一机架出口侧的一台测厚仪可获得全部 机架厚度值, 成品机架再安装一台测厚仪供精确 测量成品厚度和系统自适应应用。 总之, 由于冷 连轧机过程的张力、 板厚、 板形等机理数学模型 的建立, 由压力、 辊缝、 轧辊速度、 张力等实时 信号就可以获得冷连轧过程的全程信息, 由信息 控制系统实现板厚、 板形和张力等目标的综合最 优控制。 该系统的配置如图 1 所示。
Abstract T he article has a narration of the developm en t of co ld con tinuous casting techno logy w ith in and outside Ch ina, including detailed theo ry and m ethod fo r the th ickness and shape con tro l1 A s the ro lling theo ry is still on the static stage, the increasem en t of p rod 2 uct quality m ain ly relies on the equipm en t innovation and on the m o re com p lex con tro l sys2 tem. T he ro lling dynam ic theo ry established in Ch ina can enhance p roduct quality w ith a p re2 requisite fo r si m p lifying devices and con tro l system first, realizing in telligen t con tro l of co ld . con tinuous ro lling p rocedures based on“P rocess Con tro l T heo ry ” D escr iptors co ld con tinuous ro lling, P rocess Con tro l T heo ry, shape calculation, in tel2 ligen t con tro l
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A
( i)
值, 所以设定不同规格的最佳板形规程就能保证 质量。 由于一卷钢轧制的时间比较长, 在此期间 内轧辊热凸度可能有较大变化, 为使成品的平直 度恒定, 可以采用第二类动态负荷分配方法来实 现, 一般在 100s 左右改变一次负荷分配。 目前冷连轧采用多种板形控制装置, 是由于 热连轧供应的板卷质量不稳定所采取的, 所以用 板形计法实现对热连轧恒定目标 ( 板厚、平直度、 板凸度等) 控制后, 冷连轧机的装备必然会得到 较大简化。 动态变规格的板形最佳规程设定属于 第一类动态负荷分配问题。 21211 第一类动态负荷分配方法 第一类动态负荷分配是指在一个换工作辊周 期内补偿轧辊凸度变化或不正常生产的变压下率 分配, 使板凸度变化小。 80 年代以前, 欧洲、日 本的动态负荷分配主要靠经验, 板形计方法从理 论上解决了这一问题。 由板形计法计算出各机架 的板凸度和平直度, 判断成品板形是否达到目标 值和各机架平直度是否在允许的范围内, 如果条 件满足就得到板形最佳规程; 如果超出允许范围, 则用板形板厚协调规律计算出板形最佳规程。 在 计算时, 轧辊实际凸度、 坯料凸度和成品的平直 度要求等都是已知的, 轧辊实际凸度是由板形计 法得到的。 板形板厚协调规律 ( 1) X ( i) = A ( i) X ( i- 1) + B ( i) u ( i) 式中 X
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B
( i)
0 1
- 1
=
- Ν i
hi
C h i- 1 qi - ∃Ε iq i + m h i- 1
u A 、B
二维状态向量, X T = [ ∃Cn, ∃ 2 Ε] 二 维 控 制 向 量, u T = [ ∃ h ′ ( i- 1) , ∃ h ( i) ]
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系数矩阵, 由下式计算。
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