基于GM-AGC的中厚板軋機(jī)同板差原因分析及改進(jìn)*

杜 平，閆素杰，高永生，胡賢磊，王 君，劉相華

（1濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司 自動(dòng)化部，山東 濟(jì)南250101；2東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110004）

基于GM-AGC的中厚板軋機(jī)同板差原因分析及改進(jìn)*

杜 平1，閆素杰1，高永生1，胡賢磊2，王 君2，劉相華2

（1濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司 自動(dòng)化部，山東 濟(jì)南250101；2東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110004）

基于GM-AGC的控制方程，分析了軋機(jī)剛度、軋件塑性系數(shù)偏差對(duì)厚度控制調(diào)整量的影響，討論了咬鋼沖擊、油膜厚度、偏心、軋制力偏差等造成鋼板同板差的原因。采用軋機(jī)剛度非線性回歸、軋件塑性系數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算和頭部沉入、軋輥偏心、油膜厚度的補(bǔ)償?shù)却胧趪?guó)內(nèi)某3 500 mm軋機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了厚度10～30 mm的鋼板同板差控制在40 μm之內(nèi)。

中厚板；GM-AGC；同板差；厚度控制

隨著中厚板軋制技術(shù)的發(fā)展，鋼板的厚度精度越來(lái)越高，國(guó)際先進(jìn)水平鋼板同板差控制在50 μm以內(nèi)［1-2］。國(guó)內(nèi)大部分中厚板軋機(jī)基本上都采用了AGC技術(shù)，改善了中厚板的厚度控制精度，但在一些中厚板廠生產(chǎn)的鋼板同板差較大。本研究從中厚板軋機(jī)GM-AGC控制算法入手，分析了中厚板軋機(jī)產(chǎn)生同板差的原因，給出改善同板差的解決措施。

1 GM-AGC原理

GM-AGC是壓力AGC的一種，在中厚板軋機(jī)上始終占據(jù)著基礎(chǔ)的甚至是核心的地位，其本質(zhì)是利用彈跳方程和軋制力、輥縫等工藝參數(shù)的實(shí)際測(cè)量值，間接、無(wú)滯后地檢測(cè)軋機(jī)出口鋼板厚度，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)厚度閉環(huán)控制［3］（見(jiàn)圖1，其中G（s）為位置控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器、電液伺服閥和液壓缸及軋機(jī)系統(tǒng)的綜合傳遞函數(shù)）。國(guó)內(nèi)大多數(shù)中厚板軋機(jī)在基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)以GM-AGC來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)AGC，保證鋼板同板厚度良好，控制公式為［4］：

其中：ΔS、ΔP和Δh分別為輥縫、軋制力和厚度增量，M為軋機(jī)剛度，Q為軋件塑性系數(shù)。由公式（1）和（2）得知，軋機(jī)剛度和軋件塑性系數(shù)偏差以及影響輥縫、軋制力的因素都將影響GM-AGC的調(diào)節(jié)量，從而影響到鋼板的同板差。

2 厚度偏差原因分析

2.1 軋機(jī)剛度偏差的影響

假定位移傳感器測(cè)量的輥縫準(zhǔn)確，在不考慮軋制力測(cè)量誤差的前提下，分析測(cè)量的軋機(jī)剛度與實(shí)際剛度偏差對(duì)軋件厚度的影響。軋機(jī)剛度的測(cè)量回歸計(jì)算值M’與軋機(jī)剛度的真實(shí)值M之間存在誤差ΔM，根據(jù)式（1）得到利用M’和M求得的實(shí)時(shí)計(jì)算厚度同相對(duì)AGC中鎖定厚度的偏差：

圖1 GM-AGC系統(tǒng)測(cè)厚原理

利用式（4）和（5）得到

當(dāng)GM-AGC對(duì)厚度偏差量能完全調(diào)整，則Δh’＝0，同時(shí)M·ΔM遠(yuǎn)小于M2，可以忽略，式（6）變?yōu)椋?/p>

軋機(jī)剛度計(jì)算值與真實(shí)值之間的誤差ΔM不可避免，當(dāng)GM-AGC對(duì)偏差量能完全調(diào)整時(shí)，實(shí)際厚差Δh的大小與（P－PL）成正比，近似與ΔM成正比，與M2成反比。

2.2 軋件塑性系數(shù)的影響

GM-AGC中應(yīng)用的軋件測(cè)量塑性系數(shù)和實(shí)際軋件塑性系數(shù)存在偏差ΔQ，實(shí)際應(yīng)用中，影響到輥縫調(diào)節(jié)量的計(jì)算。利用式（2）得到輥縫的調(diào)節(jié)量：

對(duì)于同一道次來(lái)說(shuō)，由于軋件塑性系數(shù)的變化量ΔQ與軋機(jī)剛度M相比較小，因此測(cè)量的塑性系數(shù)和實(shí)際軋制過(guò)程中塑性系數(shù)的偏差對(duì)輥縫的調(diào)節(jié)量影響不大。然而，影響塑性系數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素是軋件溫度，中厚板軋制過(guò)程是多道次往復(fù)軋制，第一道次和最末道次的軋制溫度差在150～200℃，在微合金鋼和高級(jí)別鋼種的控制軋制時(shí)，存在中間待溫道次，溫度差更大［3］。因此，在中厚板軋制過(guò)程中軋件塑性系數(shù)變化很大。剛度為8 000 kN的3 500 mm軋機(jī)生產(chǎn)寬度為2 000 mm、厚度為10 mm的典型鋼板時(shí)，需軋制13個(gè)道次，軋件的塑性系數(shù)ΔS’的變化范圍為3 000～8 500 kN/mm，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)量偏差為-1.37Δh～-2.06Δh。可見(jiàn)，在中厚板多道次往復(fù)軋制過(guò)程中，軋件塑性系數(shù)的變化對(duì)AGC的調(diào)節(jié)量影響很大。

2.3 實(shí)際輥縫測(cè)量值的影響

2.3.1 頭部沉入的影響

在咬鋼過(guò)程中，軋制力的階躍變化對(duì)軋機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)沖擊，影響輥縫暫時(shí)偏離設(shè)定值。對(duì)于中厚板軋機(jī)來(lái)說(shuō)，頭部沉入包括電動(dòng)絲杠間隙回縮和液壓缸內(nèi)部油柱彈性回縮兩部分，回縮量一般在0.2～0.3 mm，回縮量與軋制力大小、壓下絲杠的機(jī)械加工精度、液壓缸的工作行程等有關(guān)。由于頭部沉入的存在，影響軋出鋼板的頭部和尾部偏差，使鋼板的同板差偏大。同時(shí)也使咬鋼后200～300 ms內(nèi)輥縫測(cè)量值波動(dòng)較大，影響了相對(duì)AGC輥縫和軋制力的鎖定值。

2.3.2 軋輥偏心的影響

軋輥偏心是指軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心偏離，引起輥縫波動(dòng)，使軋機(jī)的出口厚度偏差出現(xiàn)周期波動(dòng)。軋輥偏心主要是由于軋輥和軋輥軸承形狀不規(guī)則、不對(duì)中和磨損缺陷等造成的。在國(guó)內(nèi)3 500 mm軋機(jī)上進(jìn)行偏心測(cè)量，15 000 kN的恒壓力下壓靠，軋輥以40 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，造成的輥縫波動(dòng)可達(dá)到100 μm。

2.3.3 油膜厚度的影響

目前，大多數(shù)中厚板軋機(jī)支撐輥軸承采用油膜軸承，隨著軋制力和軋制速度的變化，油膜厚度也時(shí)刻發(fā)生變化。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)GM-AGC實(shí)現(xiàn)的相對(duì)AGC的厚度偏差調(diào)節(jié)，GM-AGC是壓力正反饋，即實(shí)測(cè)壓力增大，認(rèn)為鋼板在該部分變厚或溫度偏低，AGC系統(tǒng)將減小輥縫設(shè)定值，以保證該部分鋼板厚度不變，調(diào)整后壓力進(jìn)一步增大；反之，實(shí)測(cè)壓力減小，AGC調(diào)整后壓力進(jìn)一步減小。而對(duì)油膜厚度的影響如圖2所示，當(dāng)油膜變厚時(shí)，實(shí)際輥縫變小，鋼板減薄Δh1，應(yīng)當(dāng)抬起輥縫使鋼板厚度不變；但由于油膜變厚使軋制力變大，AGC錯(cuò)誤認(rèn)為鋼板厚度增加了Δh2，作減小輥縫調(diào)整，鋼板進(jìn)一步減?。?］。可見(jiàn)GM-AGC在調(diào)節(jié)過(guò)程中不但無(wú)法消除油膜厚度變化的影響，相反會(huì)使厚度精度變得更糟。在軋制過(guò)程中不能忽視油膜厚度對(duì)軋制鋼板的出口厚度影響。

2.4 軋制力測(cè)量誤差的影響

圖2 油膜厚度變化的AGC調(diào)節(jié)

中厚板軋機(jī)常采用2種方式進(jìn)行軋制力測(cè)量：壓磁式壓力傳感器和油壓傳感器。壓磁式壓力傳感器測(cè)量精度高，基本不受環(huán)境的影響。油壓傳感器是根據(jù)液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)的壓力來(lái)近似求出軋制力，其精度較低。油壓傳感器的測(cè)量具有一定滯后性，因?yàn)橛蛪簜鞲衅靼惭b在液壓缸進(jìn)出油口附近，所以在進(jìn)出油過(guò)程中，油壓傳感器能夠很快測(cè)得進(jìn)出油口附近油壓的變化，但實(shí)際上整個(gè)液壓缸內(nèi)的油壓還沒(méi)有真正完全達(dá)到平衡，利用油壓傳感器測(cè)量計(jì)算的軋制力在咬鋼后偏差較大，影響相對(duì)AGC軋制力鎖定值的準(zhǔn)確性。另外，液壓缸的響應(yīng)特性和調(diào)節(jié)周期也將影響軋出鋼板的厚度偏差。

3 解決措施

1）在中厚板軋制過(guò)程中，軋機(jī)剛度誤差和軋件塑性系數(shù)的誤差是不可避免的；同時(shí)Q/M越大，輥縫調(diào)節(jié)量越大。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)軋機(jī)剛度采用非線性回歸，盡量使回歸的軋機(jī)剛度接近實(shí)際值，并盡可能增大軋機(jī)剛度，提高軋機(jī)本身特性［6］。在中厚板軋制過(guò)程中，隨鋼種、溫度、寬度變化，軋件塑性系數(shù)變化較大，因此利用Q＝P/Δh對(duì)軋件塑性系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，第i道次的軋件塑性系數(shù)為Qi＝Pi/Δhi，其中Pi為第i道次的軋制力，Δhi為第i道次的壓下量。由（1）式得到：

式中Si為第i道次的輥縫值。將（9）式代入軋件塑性系數(shù)計(jì)算公式，則第i道次的軋件塑性系數(shù)為：

考慮成品道次軋制時(shí)，上下兩道次間輥縫偏差較小，這時(shí)軋制力波動(dòng)會(huì)成為影響軋件塑性系數(shù)計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。所以，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)Pi-1－Pi做濾波處理和限幅。

2）咬鋼沖擊、軋輥偏心和油膜厚度的影響，最終歸結(jié)為對(duì)相對(duì)AGC中軋制輥縫的影響。為盡量避免咬鋼過(guò)程頭部沉入的影響，減少咬鋼速度，縮短頭部沉入補(bǔ)償區(qū)域的長(zhǎng)度，在軋機(jī)咬鋼一段時(shí)間后，再進(jìn)行輥縫鎖定值計(jì)算，避開(kāi)電動(dòng)絲杠間隙回縮和液壓缸內(nèi)部油柱彈性回縮對(duì)輥縫值的影響。對(duì)于軋制過(guò)程中產(chǎn)生的偏心，可以利用軋輥偏心測(cè)量?jī)x從反映軋輥偏心的主要軋制參數(shù)信號(hào)中檢測(cè)出軋輥偏心信號(hào)，估算出軋輥偏心量，得出補(bǔ)償信號(hào)，送到輥縫控制調(diào)節(jié)器補(bǔ)償軋輥偏心。為了補(bǔ)償油膜厚度的變化，一種校正信號(hào)發(fā)送并自動(dòng)添加到軋制液壓缸位置基準(zhǔn)中，補(bǔ)償由于軋輥軸承油膜厚度的變化帶來(lái)的軋件厚度偏差。油膜厚度計(jì)算模型可以利用實(shí)測(cè)軋制力、軋制速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。式（11）和（12）為某3 500 mm中厚板軋機(jī)回歸得到的傳動(dòng)側(cè)和非傳動(dòng)側(cè)油膜厚度計(jì)算模型［5］：

另外，對(duì)于測(cè)量電動(dòng)輥縫位置和液壓缸油柱高度的位移傳感器要求精度高、無(wú)滯后性、穩(wěn)定可靠。

3）盡量選擇壓磁式壓力傳感器，并注意在每次換輥或檢修后及時(shí)清零。利用油壓傳感器求出的軋制力作為備用和校核。國(guó)內(nèi)一些中厚板廠家出于成本和經(jīng)濟(jì)利益考慮，選擇了油壓傳感器來(lái)間接計(jì)算軋制力，在相對(duì)AGC投入時(shí)可以延遲一段時(shí)間，等油壓平穩(wěn)后進(jìn)行采樣，計(jì)算軋制力的鎖定值。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

在某3 500 mm中厚板軋機(jī)上，充分考慮影響厚度偏差的各種因素，對(duì)軋機(jī)剛度進(jìn)行非線性回歸，對(duì)軋機(jī)塑性系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回歸計(jì)算，增加油膜厚度、軋輥偏心、軋輥傾斜補(bǔ)償和輥縫的手動(dòng)干預(yù)，在基礎(chǔ)自動(dòng)化中利用GM-AGC實(shí)現(xiàn)了相對(duì)AGC厚度調(diào)整（見(jiàn)圖3）。

圖3 厚度調(diào)整的實(shí)現(xiàn)

相對(duì)AGC投入的條件有：咬鋼；自動(dòng)、半自動(dòng)軋制方式；總軋制力＞12 000 kN。咬鋼后延遲200 ms，在80 ms內(nèi)高速采集幾十個(gè)輥縫和壓力，將其平均值作為鎖定輥縫和壓力，在300 ms后投入，軋制力、輥縫鎖定，由GM-AGC對(duì)輥縫調(diào)節(jié)量進(jìn)行計(jì)算，同輥縫補(bǔ)償一起傳給HGC（液壓缸控制）系統(tǒng)完成輥縫調(diào)整。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，對(duì)厚度在10～30 mm的鋼板進(jìn)行同板差測(cè)量，厚度偏差控制在40 μm之內(nèi)，滿足了厚度精度的控制要求。

5 結(jié)論

5.1 基于GM-AGC控制方程，分析了回歸的軋機(jī)剛度、軋件塑性系數(shù)、實(shí)際測(cè)量輥縫和軋制力偏差對(duì)鋼板厚度調(diào)整量的影響。

5.2 在中厚板軋制過(guò)程中，利用非線性回歸得出貼近實(shí)際的軋機(jī)剛度；利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修正軋件塑性系數(shù)，使回歸的塑性系數(shù)接近軋制后軋件實(shí)際塑性系數(shù)，減少對(duì)GM-AGC輥縫調(diào)節(jié)量的影響，保證軋制鋼板的同板厚差在允許的范圍內(nèi)。

5.3 在咬鋼一段時(shí)間后（約200～300 ms），再進(jìn)行相對(duì)AGC軋制輥縫和軋制力鎖定值的采樣計(jì)算，避免頭部沉入、咬鋼震動(dòng)和液壓缸沖油過(guò)程中實(shí)測(cè)值的波動(dòng)對(duì)鎖定值的影響，對(duì)頭部沉入、軋輥偏心和油膜厚度進(jìn)行補(bǔ)償。

5.4 在國(guó)內(nèi)某3 500 mm中厚板軋機(jī)上應(yīng)用表明，厚度在10～30 mm的鋼板同板差控制在40 μm之內(nèi)，滿足了厚度精度的控制要求。

［1］ 胡賢磊，趙忠，劉相華，等.中厚板頭尾厚度超差原因分析［J］.鋼鐵，2007，42（4）:50-52.

［2］ 白埃民，周和敏.軋機(jī)與軋制條件對(duì)AGC穩(wěn)定性和厚控的影響［J］.軋鋼，2001，18（6）:11-13.

［3］ 楊衛(wèi)東.基于彈跳方程的GM-AGC的局限性［J］.冶金自動(dòng)化，2005，29（4）:59-61.

［4］ 王君，王國(guó)棟.各種壓力AGC模型的分析與評(píng)價(jià)［J］.軋鋼，2001，18（5）:51-54.

［5］ 張其生，胡賢磊，趙忠，等.中厚板軋機(jī)相對(duì)油膜厚度模型的建立［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（1）:68-71.

［6］ 孫濤，杜平，劉相華，等.一種新型中厚板頭部厚度控制方法［J］.鋼鐵，2008，43（10）:47-50.

Cause Analysis of Thickness Deviation on Plate and Improving Measures in Plate Mill Based on GM-AGC

DU Ping1,YAN Su-jie1,GAO Yong-sheng1,HU Xian-lei2,WANG Jun2,LIU Xiang-hua2
（1 The Automation Department of Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,China;2 The State Key Laboratory of Rolling and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China）

Based on the control function of GM-AGC,deviation of mill stiffness and fluctuation of plasticity coefficient on adjustment of AGC were analyzed,and other factors influencing on thickness distribution were discussed,including impact of biting,thickness of oil film,roll eccentricity,deviation of rolling force and so on.After non-linearity regression of mill stiffness,real-time calculation of plasticity coefficient and other compensation of impact and roll eccentricity and oil film thickness were adopted,thickness deviation on plate in range from 10 mm to 30 mm was controlled below 40 μm in some 3 500 mm mill line.

plate;GM-AGC;thickness deviation on plate;thickness control

TG335.5

A

1004-4620（2010）04-0020-03

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50604006）。

2010-01-18

杜平，男，1980年生，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)材料加工工程專業(yè)，博士?，F(xiàn)為濟(jì)鋼自動(dòng)化部工程師，從事軋制過(guò)程自動(dòng)化的研究、開(kāi)發(fā)工作。