小辊径可逆轧机自动厚度控制抗扰策略研究

第３８卷第１期　２　０　１　８年２月　冶金与材料　

Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１８　

小辊径可逆轧机自动厚度控制抗扰策略研究　丁　炜　（中冶南方（武汉）自动化有限公司。武汉４３０２０５）　

摘要：针对六辊小辊径冷轧可逆轧机自动厚度控制（ＡＧＣ）中复合扰动问题，提出了一种监控一秒流量动态组　合权值的算法，并给出了相应的控制策略用于消除扰动．首先通过列举六辊可逆轧机配置和轧制中存在的扰　动，分析了复合扰动下传统ＡＧＣ控制的局限性；其次，针对可逆轧机复合扰动，动态比较监控和秒流量两种控　制方式中实际轧件厚差与预计算之间的差值，引人监控一秒流量组合权值并加权计算得出最终辊缝调节量，　使得轧制过程中扰动带来的不确定性得到了有效的抑制。最后用某项目实际应用表明所提控制策略的可行性　与有效性。　关键词：可逆轧机；复合扰动；自动厚度控制；组合权值　

中冶南方工程技术有限公司于２０１４年承建　了江西新余地区的一台１　４５０　ｍｍ六辊冷轧可逆　轧机（后简称可逆轧机）机组，该机组采用国内新　工艺，独特的中间辊弯曲和小辊径工作辊，可以生　产出优质的薄、宽冷轧带钢，相比冷连轧机组优势　在于可生产更高牌号钢种硅钢，同时采用新的控　制技术。　机组投产后用于生产高效电机电工钢和无取　向中高牌号硅钢，将经过热轧并常化酸洗后的钢　卷，通过５—６道次轧制以减薄钢带厚度、改善带　钢板形、调整带钢表面粗糙度并提高带钢机械性　能。该可逆轧机机组的冷轧产品厚度范围为　０．３５　ｍｍ～０．５　ｍｍ，原料厚度为２．５，成品精度要　求为±５　ｍ。ＡＧＣ控制系统采用前馈、秒流量和　监控三种方式结合，同时对加减速阶段根据轧制　效率进行补偿。经过调试，２０１５年系统投入运行　后，成品厚度精度达到工艺设计要求并稳定运行　中。　液压压上控制。上下工作辊单电机传动，入口卷　取机、轧机、出口卷取机的主传动设备由ＴＥＭＩＣ公　司提供，开卷机及其余辅助传动设备由ＳＩＥＭＥＮＳ　公司提供。基础自动化系统基于ＳＩＥＭＥＮＳ平台，　完成机组主令线速度控制、液压压上控制、轧制张　力控制、带钢厚度控制、乳化液控制、仪表设备接　口等所有的一级工艺控制功能，其中工艺和传动　控制存放于高速控制器ＦＭ４５８中。本机组的仪表　配置如图１所示，在机架人口和出口设置了张力　计、激光测速仪和ｘ射线测厚仪，分别测量机架入　出口的带钢张力、速度及厚度；在机架液压缸上装　有ＳＯＮＹ磁尺高精度位移传感器，对轧机辊缝垂　直位移进行测量；在机架液压缸的有杆腔和无杆　腔上装有油压传感器，对机架轧制力进行间接测　量；在主传动电机尾部装有脉冲编码器，对电机转　速进行精确测量。所有仪表的测量信号通过模拟　量或现场总线方式传送至高速控制器ＦＭ４５８信号　采集模块。　

１　可逆轧机主要设备与仪表　２厚度控制的复合扰动　该可逆轧机采用单机架６辊形式，但相比常　规６辊可逆轧机，其工作辊辊径较小，以满足硅钢　轧制特性生产需求。在轧机机架传动侧和操作侧　各设置一台上推液压缸，通过高精度控制器实现　使得轧件厚度增大；本机组原料供给的热连轧机　组年代较久缺乏优化，且卷取温度控制不当，导致　原料头尾部分特别是尾部存在厚度超差同时带有　当其他条件不变时，轧件的原始厚度增加（或　减小），轧出的厚度也会随着增加（或减小），产生　厚度偏差，且坯料的厚度越不均匀，轧出的厚度越　不均匀，热轧坯料因头尾温降打，变形抗力增加，　周期性剧烈波动，如图２所示，加上原料板形有不　定的边浪和中浪，形成一种原料厚度复合波动。　轧制过程中，乳化液循环系统持续不断向轧　

作者简介：丁炜（１９８１一），男，湖北黄冈人，硕士，研究方向：自动化。　冶金与材料　第３８卷　图１　机组主要设备与仪表配置　辊表面喷射乳化液，带走轧制时因带钢与轧辊、轧　辊与轧辊间的摩擦产生的热量，同时起到清洁带　钢和轧辊表面、提高带钢表面反射率等作用。因　此，乳化液的浓度、皂化值等指标对于带钢的稳定　轧制产生不同程度的影响，本机组乳化液系统循　环周期不定，导致轧制过程中乳化液的浓度或皂　化值发生较大变化，影响到轧出成品的厚度，严重　时导致厚度超厚超薄甚至断带。原料厚度复合波　动和循环乳化液浓度波动等组成了该机组特有的　厚控复合扰动。　３厚度控制策略　前馈、秒流量和监控三种ＡＧＣ厚度控制方式　是主要的轧制厚度控制策略。其中，前馈ＡＧＣ用　于消除轧机人口带钢厚度偏差，是一种开环控制，　但其调节能力有限，在三种控制方式中占较小比　重，需要与其他控制方式结合使用；秒流量ＡＧＣ　是一种反应较快的控制方式，在轧制速度较高时　是消除轧机出口带钢厚度偏差的主要方式；监控　ＡＧＣ用于消除轧制速度较低时的带钢厚度偏差或　者长期轧制过程造成的误差，通常作为前馈ＡＧＣ　和秒流量ＡＧＣ的补充控制，对厚度偏差加以修正　补偿。　３．１秒流量ＡＧＣ　利用轧制过程中，金属在轧制前后体积不变　的原理进行厚度自动控制的方法称为金属秒流量　ＡＧＣ。根据带钢轧制前后秒流量相等原则，并忽　略宽展，可以得出如下算式：　Ｖ．、　ｈ２，　＝　×ＨＪ　（），Ｔｈｇ　１　’Ｅｘｉｔ　式中，Ｖ　、Ｖ　分别表示机架入口、出口激光　测速仪测量值；Ｈ　ｍ　表示入口测厚仪测量的厚　度。　因此，获得精确的带钢线速度是实现厚度恒　２　定控制基本条件，本机组在机架前后都设置了激　光测速仪，这样就可以根据秒流量不变的原理计　算出机架出口厚度。　为了进一步提高秒流量ＡＧＣ方式Ｆ的轧机　出口带钢厚度精度，在轧制出口引入厚度偏差补　偿值Ａｈ　，即出口测厚仪实测值与秒流量理论计　算的出口厚度的差值。　根据公式（１）可以看出入口测厚仪测量到一　个入口厚度时立即根据秒流量方程计算出口厚　度，所以当前秒流量计算的出口厚度值与出口测　厚仪的实测值在时间上并不同步。因此，根据人　口测厚仪测量并计算的出口厚度值需要使用同步　滞后计算方式。　参见图３，根据秒流量方程计算的出［１厚度值　通过同步传输寄存器ＴＰＭｌ从入口测厚仪传输至　轧机辊缝处，然后再使用同步传输寄存器ＴＰＭ２从　轧机辊缝处传输至出口测厚仪，最后才与出口测　厚仪实际测量值相比较。即：　Ａｈ　＝Ｈ２ｍ　—ｈ　，　＂Ｍ３（ＴＰＭ２）　（２）　

式中，Ⅳ　表示出口测厚仪测量值；　ｈ：．州　）］为经过同步传输至出口测厚仪处的　

秒流量计算厚度。在此基础上，计算秒流量出口　厚差△　．　。计算５ｈ　．　时需要使用同步传输寄　

存器ＴＰＭ３将根据秒流量计算的出口厚度＾　ｗ从　人口测厚仪传输到机架辊缝处，即最终的秒流量　出口厚差为：　Ａｈ２．ＭＦ＝ｈ２．帅下ＰＭ２）一ｈ】　＋Ａｈ…，　（３）　

式中，ｈ！．㈣　表示经过同步传输到机架辊　

缝出的秒流量计算厚度，ｈ　表示出口厚度设定　值。　最后使用比例积分控制器根据Ａｈ：　与材料　模量等计算秒流量ＡＧＣ的辊缝调节量。　

＋　．．　△Ｓ　＝ＰＩ（一　ｉ－　×△＾２

，ＭＦ）　（４）　第１期　丁炜：小辊径可逆轧机自动厚度控制　扰策略研究　图２可逆轧机原料厚度曲线　式中，　表示轧机刚度，Ｃ　表示材料模量，　ＰＩ（）表示比例积分控制器。离散的ＰＩ控制器算　法为：　

＝Ｙｏｌ＋　×Ｘ　＋Ｋｐ　（５）　

』Ｎ　式中，ｙＩ．和　一　分别表示ｎ和ｎ一１时刻Ｐｌ　

控制器的输出；Ｘ　表示ｎ时刻ＰＩ控制器的输入；　表示ＦＭ４５８控制周期的采样时间；Ｔ　为积分时　间参数；　为比例参数。　３．２监控ＡＧＣ　监控ＡＧＣ利用安装在轧制方向出口侧的测　厚仪测定带钢的出口厚度，并将此厚度与给定的　目标厚度进行比较得到厚度偏差，以此偏差按一　定的规律控制轧辊动作，达到消除厚差的目的。　由于出口测厚仪与轧辊辊缝存在水平距离，使得　出口测厚仪控制信号存在一定的滞后时间，但其　可以高精度地测量出成品厚度，因此可以用于修　正秒流量计算的出口厚度，同时还可以用于监控　ＡＧＣ。监控ＡＧＣ通过对测厚仪信号的积分，求得　监控段长度，即机架辊缝到机架出口测厚仪的距　离上的厚度平均值，乘以增益因子，然后使用积分　控制器计算出相应的修正值叠加在执行机构上。　监控ＡＧＣ的辊缝调节量　ａｓＭ。　ｉｔ。　＝　『（＿　×Ａｈ№　ｎｒ×ＧＭｏ．ｉ，ｏｒ）ｄｔ　（６）　』、Ｓ　其中　

一　１．０　一　，１、　［１Ｍｏｎｉｔｏｒ一０

．２Ｖｒ　儿Ｅ　ｘｉＩ＋３．０　

式中，△　表示监控段上出口厚差平均值，　Ｇ　表示监控ＡＧＣ的自适应增益，实际轧制过　程中将根据实际出口带钢厚度偏差自适应进行调　整，实际出口带钢厚度偏差越大则增益因子越大，　若带钢厚度偏差很小则保持初值不变；Ｌ　表示机　架至出口测厚仪之间的距离；ｔ为时间。　

４抗扰动策略　监控所产生的调节量ＡＳ　和秒流量产生的　调节量ＡＳ　限幅后直接叠加到位置控制器上，位　置控制器输出到执行机构（伺服阀、液压缸），可　

图３　可逆轧机秒流量ＡＧＣ算法　知此部分调节总量为（除此之外还有前馈调节量　和轧制效率补偿量）　ＡＳｓ　＝ｋｌ×ＡＳＭ。　＿ｌ０　＋ｋ２×ＡＳＭＦ　（８）　传统ＡＧＣ控制中即ｋ．和ｋ　均为１，但当轧　制过程中出现文中所提的复合扰动时，有概率会　出现辊缝调节量△．ｓ　和．ＡＳ　互斥的现象（一正　

一负），这对于稳定成品厚差是不利的，会导致成　品厚差不达标甚至成品厚差发散，需要针对该复　合扰动采取改进的ＡＧＣ控制。　由（３）式可知秒流量调节量ＡＳ　预计产生的　厚度偏差为△　Ⅲ，经过一个微分模块（微分时间　设置为４００ｍｓ），再加上当前的预计厚差，输出为　预计厚差变化趋势，即：　Ｘ（ｋ）＝［ｚｉｈ：．Ｍ　（ｋ）　

一Ａｈｚ，Ｍｖ　×　＋Ａｈｚ．Ｍｖ㈤　

监控ＡＧＣ调节量△．ｓ　预计产生的出口厚　差为　

△　。ｎ－．。ｒ＝＝Ｃｏ：ｉ：：：。　×△ｓ　。ｎｉｔｏｒ（ｉｏ）　式中，ｃ。表示轧制有效系数，同样的经过一　个微分模块（微分时间设置为４００　ｍｓ）后，预计厚　差变化趋势为　Ｙ（ｋ）＝［ＡｈＭ０ｎ　（ｋ）　

一ｚｉｈＭ０ｎＩｌ０，（尼一１）３×　ＴＤ＋ａｈＭ０ｎＩ１０　

（Ｊ｝）（１１）　

根据两种控制方式下的预计算厚差与实际测　３