冷带轧机板厚自动控制系统

纪 60 年代后期，在冷带轧机的控制上逐步过渡 到计算机设定并进行数字过程控制阶段。从 70 年代起液压压下逐步取代了电动压下，使板厚控 制技术取得重大进步，因液压压下的响应速度远 大于电动压下。液压技术和计算机技术的结合， 使厚控产品质量和产量得以大幅提升。
（ 4） 计算机网络智能控制阶段。从 20 世纪 90 年代至今，板厚自动控制技术依靠计算机技 术、测量控制技术、网络通讯技术、图形显示技 术和智能控制理论的发展以及高可靠性集散控制 系统、现场总线技术和智能仪表应运而生，使板 带轧机厚控技术进一步迈向计算机网络智能控制 阶段。
鉴于产品质量定位和投资限制的不同，轧机 厚控装机水平相差很大，但高速冷连轧技术始终 是该领域的制高点。液压 AGC 系统是其核心技 术，其基本点是控制生产的高精度、高速度和高 可靠性。 3. 2 工作原理
板厚控制原理指完成板厚质量控制的主要工 作方式，板厚控制的基本点是检测到输出板厚， 再根据输出板厚与设定板厚之差求得调节偏差， 通过闭环控制实现板厚质量控制。根据板厚检测 方法的不同，主要有以下三种：
AGC 过程控制级又分过程优化级（ 上位机） 和过程控制级（ 下位机） 。AGC 上位机负责完成 轧制工艺过程的计算机设定计算（ 来料规格： 材 质、厚度、宽度、卷重等； 成品规格： 轧制速 度、辊缝、张力、轧制力、弯辊力等相关力能参 数） 和人机界面、过程跟踪、轧制过程 状 态 显 示、产 品 统 计 报 表 等，具 有 数 据 库 功 能。AGC 下位机根据其上位机给出的设定值和自动化仪表 检测到的实时状态参数，实现高精度多变量闭环 控制和对原料质量误差、轧制设备及控制系统本 身各种误差的扰动补偿控制。AGC 的基础自动 化级主要是高速响应的液压伺服系统，藉以实现 液压压下、弯辊等高精度控制。
3 板厚控制的功能结构和工作原理
轧制设备属单件生产的一类产品，不同产品 种类、规格、批量的要求，与之对应的厚控系统 的复杂程度有很大差别，以高速、高精度冷连轧 机板厚 控 制 系 统 为 例， 阐 述 其 基 本 构 成 与 控 制 原理。 3. 1 功能结构
板厚 AGC 网络系统按其功能可以分为生产 管理级（ 计划管理、原料库管理、成品库管理、 磨辊管理等） 、过程控制级（ 物流跟踪、轧制规 范、数学模型设定、运行控制、质量控制等） 、 基础自动化级（ 逻辑控制、设备控制等） 。板厚 AGC 的过程控制级和基础自动化级是指 AGC 以 质量控制为主的过程控制级和其基础自动化级， 同时 AGC 系统需要传动系统作为液压 AGC 的控 制平台相配合。
（ 1） 高速控制。为达到系统高速控制，计算 机 CPU 的控制周期要求为 1 ～ 10 ms 之内。
（ 2） 高速通信。控制强耦合的多个子系统， 需要相互传递互补信息，数据更新速度要求为 1 ～ 2 ms 之内。
（ 3） 带钢纵向相对厚差可达 1% 以内，绝对 厚差可达 1 ～ 3 μm。
（ 4） 稳定轧制速度可达 20 m / min 以上，甚 至高达 40 m / min 以上。
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熟，流量 AGC 日益推广开来。 为求得厚控的高精度，通常采用复合控制方
式。即采用以厚度计 AGC 或流量 AGC 为内环、 以测厚仪外环监控，再辅之以各种干扰量（ 来料 质量误差、轧制设备和控制系统状态变化造成的 偏差） 的补偿控制构成复合控制策略。
4 板厚自动控制系统
作为 AGC 控制平台的传动系统亦有其相应 的过程控制级（ 上位机、下位机） 、基础自动化 级，传动系统的过程控制级控制主传动系统的控 制品质和静张控制系统的可靠性与稳定性、根据 轧制工艺设定相关工艺过程实施逻辑控制。传动 系统的基础自动化级根据过程控制级传来的指令 完成 上 卷、 活 套 充 放、 对 中、 送 料、 剪 切、 卷 取、卸卷、润滑等主传动与辅助传动控制。AGC 过程控制的上、下位机间与传动系统的上、下位 机间以及相应的基础自动化级间的级间通讯，应 根据对数据传输速率的要求不同，选择相应的网 络传输系统。
5 板厚控制研究的热点问题
为推进厚控 AGC 高精度控制、高速度轧制、 高可靠性生产，可从相关学科的技术创新成果中 加以推进。在前述板厚复合控制系统中，当前集 中于下述几个方面进行探索。 5. 1 智能控制策略的应用
在控制论已发展到智能控制阶段的今天，在 大量生产设备上仍然采用 PID 经典控制方法，主 要是它的简单、稳定、可靠，但适应性差，这为 把智能控制技术应用到板厚自动控制中提供了空 间，如模糊控制、神经网络控制、遗传控制、多 变量鲁棒控制、预测控制等众多算法，当前主要 探索其实时性与可靠性得以保证。 5. 2 干扰量的扰动补偿控制
（ 3） 流量 AGC。根据带钢在轧制变形区和连 轧过程中皆遵循连续介质秒流量相等的准则，若 能精确测出任一时刻轧机入口和出口的带材厚度 和速度，就可精确算出轧机辊缝处的辊缝值，以 此为准实施闭环控制。这种以精确检测为基础的 控制方法可以有效提高板厚控制精度，但该方法 受检测水平的制约，随着激光测速技术的日渐成
4. 1 复杂的机电液综合控制大系统 轧机板厚控制是典型的机电液综合控制大系
统，其理论基础是轧制理论、控制论、液压伺服 理论、自动化、计算机及网络技术、智能仪表等 多个学科的融合，有众多子系统同时作用在同一 受载体 （ 轧制带材） 上，控制系统的不确定性、 时滞性 影 响 较 大， 其 中 任 一 子 系 统 不 能 正 常 工 作，都会导致整个系统不能和谐有序的进行，甚 至故障停车。 4. 2 控制要求高
（ 2） 常规模 拟 式 调 节 的 自 动 控 制 阶 段。20 世纪 30 年代到 60 年代，随着经典控制理论建立 和技术进步（ PID 控制技术在工业中应用） ，轧机 板厚控制迈入常规模拟式调节的自动控制阶段。
（ 3） 液压压下计算机集中控制阶段。20 世
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1 wk.baidu.com言
在钢铁生产中，板带比（ 板带产品占钢铁总 产量的比重） 是表征国家钢铁生产水平的重要指 标。我国当前的板带比约为 50% 左右，发达国 家达 60% ～ 70% 甚至更高。板厚精度是板带产 品最重要的质量指标之一，是规范产品质量、提 高市场竞争力的标识。在国内外激烈的技术市场 竞争中，厚控技术有了长足的发展，国产技术已 经有了突破性进步，燕山大学机电液综合控制科 研团队完成的 1450 mm 四 / 六辊五机架冷连轧机 液压厚度自动控制（ 液压 AGC） 系统，纵向相对 板厚差达 1% ，绝对板厚差达 ± 3 μm，轧制速度 达 21 m / s。随着国民经济高速发展，对冷轧薄 板高端产品的质量与产量要求越来越高，故研发
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冷带轧机板厚自动控制系统
王益群，杨 阳，陈 刚
（ 燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）
摘 要： 板厚自动控制是板带生产的核心技术，本文介绍了板厚控制技术的发展历程，阐述了板 带厚控系统的功能结构和工作原理，展望了板厚自动控制系统的研究方向： 干扰量的扰动补偿控制和 虚拟轧制系统的研究。
收稿日期： 2011 － 05 － 06； 修订日期： 2011 － 05 － 12 基金项目： 河北省自然科学基金资助项目（ E2009000405） 作者简 介： 王 益 群 （ 1938 － ） ， 男， 燕 山 大 学 机 械 工 程 学 院，
教授。
控制精 度 更 高、 速 度 更 快、 可 靠 性 更 强 的 板 厚 AGC 系统，仍有不少理论与技术问题需要不断 努力探索，以满足生产需要。
（ 1） 直接测厚 AGC（ h-AGC） 。采用高精度测 厚仪检测轧机出口板厚，反馈调节，实施板厚闭 环控制。该方式简单可靠，但存在出口测厚仪检 测滞后，控制精度受制约。
（ 2） 厚度计式 AGC（ GM-AGC） 。利用轧机弹 跳方程，计算出轧机辊缝的实际值，在忽略轧件 弹性恢复的条件下，认为辊缝值即为实时输出板 厚，将轧机看作测量板厚的厚度计，以此为准求 得调节量，实施闭环控制。该方法消除了测厚仪 检测滞后，并且可根据轧制工艺的不同（ 轧制或 平整） 要求，通过对轧制力补偿量的调节实现变 刚度控制，但此方法依靠的是弹跳方程计算，精 度差，故控制精度难有较大提高。
2 板厚控制发展历程
板带轧机板厚控制的发展历程是随着工业生 产对板带尺寸精度要求越来越高的市场推动下发 展起来的。从当初的手动压下、电动压下到现在 的电液伺服压下，从原来的计算机集中控制到现 在分布式计算机网络控制，板厚控制系统大体经 过下述几个阶段。
（ 1） 人工操作阶段。在 20 世纪 30 年 代 以 前，轧机装机水平较低，板厚控制是以手动压下 或简单的电动压下来移动辊缝控制板厚，轧制过 程的实时调节依靠操作者的经验完成。
利用虚拟轧制系统可大大提高新设备、新工 艺的研发效率和节省开发成本。
6 结束语
（ 1） 随着网络技术的发展，板厚 AGC 系统必 然借助网络技术不断扩展、充实其智能控制的内 容，从有 限 通 讯 向 无 线 化 过 渡， 进 一 步 提 高 网 速，实现异地远程故障诊断、调试和维护。
（ 2） 控制系统是为实施工艺过程服务的。随 着新的轧制工艺出现，为适应各具特色的轧制工 艺需要，板厚 AGC 系统将会有进一步发展。例 如怎样适应用钢水直接轧制板带的新工艺问题。
关键词： 板厚自动控制； 冷轧； 液压 AGC 系统 中图分类号： TG334. 9 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 196X（ 2011） 04 － 0050 － 04
Automatic gauge control system of cold rolling
WANG Yi-qun，YANG Yang，CHEN Gang
干扰量主要来自于来料的质量误差，如厚度
不均、硬度不均等和轧制设备及控制系统状态变 化，如辊系偏心、设备摩擦、磨损、温度变化、 润滑状态、轧辊轴承状态等，探索相应的扰动补 偿控制可增强厚控的有效性。 5. 3 高精度虚拟轧制系统的研发
由于冷轧 工 艺 的 复 杂 性 及 在 线 实 验 的 高 成 本，研发高精度可实用的虚拟系统作为研发平台 就成为研发新控制策略和试验轧制新工艺的重要 手段。
虚拟仿真 的 关 键 技 术 是 构 建 设 备 级 精 确 模 型，建立轧制设备级模型有两种方法，其一是建 立轧制设备的机理模型，即根据物理系统相关学 科的数理方程建立数学模型，进而建立仿真系统 的机理仿真模型，这种方法具有普适性，可以直 接预测物理参数对输出的影响，但模型精度难于 做高。其二是辨识模型，即根据现有设备的实测 输入、输出参数序列，应用辨识理论，辨识出轧 制设备的辨识模型，这种模型精度高，但无普适 性，不能直接预测物理系统某一物理参数对输出 的影响。
（ College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）
Abstract： Automatic gauge control （ AGC） is the key technology in strip production． Hydraulic AGC system is the commanding height for the cold continuous rolling． The development history of AGC technology is introduced in this article． It is pointed out that the compensation control and virtual rolling control is the research direction of AGC system． Key words： automatic gauge control； cold rolling； hydraulic AGC system