軋制過程自動控制系統(tǒng)

宋國忠

（西林鋼鐵集團(tuán)檢修公司自動化分公司，黑龍江 伊春 153025）

任何動作過程都是一種控制過程。最簡單的生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)是由生產(chǎn)過程和人組成的?，F(xiàn)以軋機(jī)壓下位置的控制為例進(jìn)行說明。依據(jù)預(yù)期的出口厚度，由人調(diào)節(jié)壓下螺絲將軋輥輥縫移動到比預(yù)期的出口厚度小的某一位置后，軋輥軋出來的軋件就接近預(yù)期的出口厚度。這里給定的壓下位置代表控制量，軋后軋件的厚度代表輸出量或稱為被控量，經(jīng)過軋輥的加工作用，軋件厚度變薄，也就是說一定的壓下位置就對應(yīng)著一定的軋出厚度。但在輥縫不變的條件下，如果來料厚度不均、材質(zhì)不均或軋制狀態(tài)發(fā)生變化，也會使軋機(jī)（軋輥撓曲、立柱等受力部件）彈性變形不同，引起輥縫發(fā)生變化，因而軋出的軋件厚度也就發(fā)生變化。在這一軋制過程中，輸出量對軋制量沒有賦予任何控制影響作用。這種輸出量不會返回影響過程的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

如果在軋機(jī)出口安裝有測厚儀，當(dāng)外界干擾引起被控量發(fā)生變化時，人根據(jù)觀察到的實測厚度，與目標(biāo)值比較，發(fā)現(xiàn)已偏離了所要求的目標(biāo)厚度，就通過壓下螺絲去改變控制壓下位置，使得軋出的厚度回到所要達(dá)到的目標(biāo)厚度，幾次調(diào)節(jié)把它控制在允許的厚度偏差范圍之內(nèi)。這一過程，人在軋制過程中起到了比較、判斷和操作的作用。由此可知，人工操作過程實質(zhì)上是通過測厚儀發(fā)現(xiàn)差異，由人來糾正差異的過程。這里人的眼睛、大腦、手、軋機(jī)和測厚儀等便組成了一個人機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。將輸出量反饋回來影響輸入量的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱為反饋控制系統(tǒng)。如果是用運(yùn)算控制器代替人自動完成偏差信號調(diào)節(jié)和控制信號輸出，再由電動執(zhí)行器完成具體調(diào)節(jié)任務(wù)，就成為自動控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)分類的方法很多，按照變量的控制和信息傳遞方式不同，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)一般用框圖及信號流線表示，這樣控制系統(tǒng)的分析可以從任何具體控制裝置中抽象出來。將控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的相互聯(lián)系和流程用動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖表示，便于比較分析，也便于對系統(tǒng)進(jìn)行實驗?zāi)M。返回實際問題時，只要將各框圖內(nèi)數(shù)學(xué)模型建立準(zhǔn)確，即可仿真某種輸入條件下的輸出結(jié)果。

開環(huán)控制系統(tǒng)為直接控制系統(tǒng)，輸入量即為控制量，發(fā)出控制作用給被控制部分，而被控所示為前饋控制，控制部分依據(jù)對輸入量的制部分并不將控制結(jié)果返回到控制端。如軋制的前饋厚度控制，其方法是檢測來料厚度，按固定算法計算輥縫，輸出給壓下裝置進(jìn)行輥縫設(shè)定，但不涉及軋出厚度到底是多少，即沒有將輸出量反饋到輸入端與給定量進(jìn)行比較。于是開環(huán)控制系統(tǒng)的精度便取決于該系統(tǒng)初始模型精度以及系統(tǒng)各部件的精度。

閉環(huán)控制系統(tǒng)是借助于測厚儀測出實際的軋出厚度，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，然后將它與所要求的目標(biāo)厚度相當(dāng)?shù)碾妷盒盘栠M(jìn)行比較，得到與厚度偏差相當(dāng)?shù)钠钚盘?。偏差信號?jīng)放大器放大，控制可控硅導(dǎo)通角度，調(diào)節(jié)電動機(jī)通電時間，使壓下螺絲向上或向下移動，從而使輥縫相應(yīng)改變，得到所要求的軋件厚度值。只要測厚儀精度足夠，調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器或任何外擾因素影響出口厚度時，都會調(diào)節(jié)輥縫，自動地使實際軋出厚度保持在允許的厚度偏差范圍內(nèi)。即無論來料干擾還是調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的緣故，一旦有偏差，出口監(jiān)測裝置就會報告出來。故反饋系統(tǒng)廣泛地用于自動控制系統(tǒng)之中。

模擬量信號實現(xiàn)控制為模擬自動控制系統(tǒng)。被控對象的輸出量能作用到控制部分的輸入端，信號的傳遞形成一個閉合環(huán)路的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)。輸入量與反饋量之差即為偏差量。偏差量加到控制器上，其作用是使系統(tǒng)的偏差減小或消除，使系統(tǒng)的輸出量接近于給定值或等于給定值。

然而，檢測儀放在軋機(jī)后面一定距離,檢測信號已經(jīng)滯后一段時間，只能對后續(xù)部分進(jìn)行控制，所以反饋控制是有滯后作用的。對短時突變，簡單反饋控制還可能造成多余調(diào)節(jié)。但是一般原料條件不會驟然突變，所以控制信號對后續(xù)部分也是同樣有參考作用的。

把模擬信號數(shù)字化，由計算機(jī)實現(xiàn)控制，稱為數(shù)字式控制。是采用計算機(jī)進(jìn)行壓下位置調(diào)整的數(shù)字自動控制系統(tǒng)。計算機(jī)周期性地根據(jù)壓下位置設(shè)定值與當(dāng)時的實際壓下位置值進(jìn)行比較，按照預(yù)定的控制算法進(jìn)行計算，然后通過壓下電機(jī)的轉(zhuǎn)動去調(diào)整壓下位置使之保持在設(shè)定值上。由于是用計算機(jī)直接進(jìn)行控制運(yùn)算，所以此種系統(tǒng)稱為直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）。數(shù)字式控制系統(tǒng)制算法靈活，精度高，是未來控制系統(tǒng)的主要方式。

根據(jù)反饋原理可知，實現(xiàn)軋件厚度或壓下位置的控制，基本上要完成3 個步驟：一是對被控量（即實際軋出厚度或壓下位置）的正確測量與及時報告；二是將實際測量的被控量與希望保持的給定值進(jìn)行比較、計算和控制方向的判斷；三是根據(jù)比較計算的結(jié)果，發(fā)出執(zhí)行控制的命令，使被控量恢復(fù)到所希望保持的數(shù)值上。根據(jù)上述原理，便可以概括出閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)原理。

在復(fù)合控制系統(tǒng)中，控制部分與被控制部分之間同時存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制。采用復(fù)合控制系統(tǒng)的目的是使系統(tǒng)既具有開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和前瞻性，又具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度。

實現(xiàn)軋制復(fù)合控制，需要測量來料厚度、溫度和出口厚度，前兩項提供前饋控制的依據(jù)，預(yù)設(shè)輥縫。后者為反饋調(diào)整提供參考，確保產(chǎn)品最終精度。這樣在來料波動的情況下，也能包括頭部在內(nèi)軋出高精度軋材。