板形自動(dòng)控制在熱連軋中的應(yīng)用

李成鋒

（山鋼股份萊鋼分公司 自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

隨著冶金鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，特別是板材的發(fā)展，其板形的質(zhì)量控制變得越來越重要了，因?yàn)榘逍沃笜?biāo)是其市場競爭力的決定性因素。采用先進(jìn)的板形測量裝置是實(shí)現(xiàn)板形自動(dòng)控制的重要前提之一。板形測量裝置主要是利用傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對帶鋼板形的檢測，板形檢測主要分兩種：測量帶材橫向張力分布的隱含板形和測量帶材表面波浪度的宏觀波形。熱軋過程中使用的檢測裝置以測量宏觀板形為主，目前鋼鐵公司采用較多的是激光板形儀。

1 板形控制系統(tǒng)構(gòu)成

帶鋼熱連軋板形質(zhì)量控制的區(qū)域主要是在精軋區(qū)，在精軋區(qū)域的出口安裝凸度儀和平坦度儀是保證板形控制的關(guān)鍵。目前，熱連軋生產(chǎn)線大多采用四輥六機(jī)架連軋機(jī)組，對于每個(gè)機(jī)架來說都具備正負(fù)彎輥和竄輥的功能。系統(tǒng)設(shè)定彎輥力的最大調(diào)節(jié)值達(dá)4 000kN，機(jī)架F1、F2、F3的最大竄輥量為150mm，F(xiàn)4、F5、F6的最大竄輥量為200mm。彎輥控制是動(dòng)態(tài)板形調(diào)控的重要手段，凸度控制、平坦度控制為反饋的輔助手段。

板形控制程序根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)編寫，如圖1所示。該系統(tǒng)中主要包含板形設(shè)定、彎輥力前饋控制、彎輥力正彎與負(fù)彎控制、凸度儀的反饋閉環(huán)控制、平坦度的反饋閉環(huán)控制、板形與板厚的解耦控制等手段。其中板形設(shè)定主要是由操作人員根據(jù)客戶的生產(chǎn)要求，按已設(shè)計(jì)好的數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)定，以達(dá)到工藝要求。彎輥力前饋控制的目的主要是對帶鋼在軋制生產(chǎn)中的軋制力波動(dòng)進(jìn)行預(yù)控制。凸度反饋控制與平坦度閉環(huán)反饋控制是為了得到理想板形的一種精細(xì)控制手段；采用板形與板厚解耦的控制方法，其目的是消除在軋制生產(chǎn)過程中厚度控制系統(tǒng)對板形質(zhì)量控制產(chǎn)生的影響。凸度與平坦度控制，其實(shí)質(zhì)是對輥縫閉環(huán)的精細(xì)調(diào)節(jié)，其和厚度控制系統(tǒng)的不同之處在于，厚度控制系統(tǒng)只對輥縫的中間部位的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而凸度與平坦度的控制是對整條輥縫的形狀與開度的調(diào)節(jié)。凸度與平坦度之間的控制是相互耦合、相互制約的，板形的凸度既是板形控制的根本目標(biāo)，又是平坦度閉環(huán)控制的非常重要的因素之一。根據(jù)精軋區(qū)域各機(jī)架的實(shí)際情況，可以利用凸度與平坦度解耦控制方法，在精軋區(qū)域的前部機(jī)架F1、F2實(shí)行凸度控制，中部機(jī)架F3、F4同時(shí)進(jìn)行凸度控制和平坦度控制，后部機(jī)架F5、F6進(jìn)行平坦度控制。

圖1 板形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 板形的自動(dòng)控制系統(tǒng)

2．1 彎輥力前饋控制計(jì)算模式

彎輥力前饋控制的本質(zhì)就是通過調(diào)節(jié)彎輥力來補(bǔ)償由于軋制力的擾動(dòng)而引起的輥縫凸度的變化，進(jìn)而保證良好的板形質(zhì)量。彎輥力模型的構(gòu)建是為了通過調(diào)節(jié)彎輥力來補(bǔ)償軋制力擾動(dòng)對帶鋼凸度的影響，在此基礎(chǔ)上加入全機(jī)架板形調(diào)控策略，使各機(jī)架軋制力不僅僅作為完成帶鋼厚度變形的手段，同時(shí)將其納入整個(gè)板形調(diào)控體系，從而可以豐富板形調(diào)節(jié)手段，擴(kuò)大機(jī)組對于帶鋼板形的綜合調(diào)控能力。

當(dāng)軋制力發(fā)生變化時(shí)，承載輥縫凸度變化為：

其中：KRf＿C為軋制力對輥縫的影響系數(shù)為；ΔRf為軋制力變化量。

調(diào)整彎輥力后，承載輥縫凸度的變化為：

其中：KBf＿C為彎輥力對輥縫的影響系數(shù)；ΔBf為彎輥力變化量。

所以彎輥力要補(bǔ)償軋制力的波動(dòng)對承載輥縫帶來的影響，則必須滿足：

由此可得軋制力對彎輥力的影響系數(shù)為：

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，板形的設(shè)定中已經(jīng)進(jìn)行了熱凸度與磨損凸度的補(bǔ)償計(jì)算，然而在彎輥力的模型前饋控制中，由于彎輥力的變化而引起整體軋制力值的變化量是非常小的，在計(jì)算補(bǔ)償值時(shí)可以忽略其變化量的影響，由此可得到彎輥力的前饋控制模型為：

其中：ΔFBi為機(jī)架彎輥力調(diào)節(jié)量，機(jī)架號(hào)i＝1，2，3，4，5，6；kali為彎輥力的前饋控制調(diào)整系數(shù)；kFF為軋制力的變化量值；ΔFRi為彎輥力與軋制力的前饋模型系數(shù)。

在生產(chǎn)控制時(shí)，當(dāng)帶鋼依次通過各機(jī)架時(shí)，控制系統(tǒng)將收到咬鋼信號(hào)并延時(shí)1s，先鎖定軋制力、彎輥力，然后再執(zhí)行彎輥力的前饋控制模式，對彎輥力進(jìn)行調(diào)整。

2．2 凸度反饋控制計(jì)算模式

在PI控制器的基礎(chǔ)上，凸度反饋控制計(jì)算模型根據(jù)實(shí)際計(jì)算的結(jié)果，控制F1～F6各機(jī)架同時(shí)參與調(diào)節(jié)；根據(jù)各機(jī)架凸度偏差，按照凸度比例恒定的原則，推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

其中：k為控制周期的序號(hào)，k＝0，1，…；ei（k）為第k周期值在第i機(jī)架組的出口帶鋼的凸度偏差值，μm；ACm為入口凸度對出口凸度的影響系數(shù)；Caim為凸度的目標(biāo)值；Cmes（k）為第k周期凸度的實(shí)測值，μm；hi為第i機(jī)架的帶鋼出口厚度值，mm；h6為精軋區(qū)出口帶鋼的厚度值，mm。

在凸度反饋的閉環(huán)控制過程中，其核心的控制器就是PI控制器，其控制模型與計(jì)算公式如下：

其中：ΔFBi（k）為第k周期的第i個(gè)機(jī)架彎輥力的調(diào)節(jié)計(jì)算值，kN；KPi為第i個(gè)機(jī)架的比例系數(shù)；KIi為第i機(jī)架的積分系數(shù)；AF為彎輥力對出口凸度的影響系數(shù)。

從現(xiàn)場的生產(chǎn)過程中看，AF系數(shù)對模型控制的控制精度影響非常大，根據(jù)本文中所得到的計(jì)算公式，經(jīng)邏輯計(jì)算在鋼帶寬度不同情況下的AF系數(shù)列組，這些模型的AF系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按層別與順序把它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以便能夠在精軋區(qū)的二次設(shè)定中，按照板形的設(shè)定值將其捆綁起來傳遞給控制系統(tǒng)。一般來說，可以按照來料鋼卷的規(guī)格調(diào)試，得到的數(shù)據(jù)組再用概率統(tǒng)計(jì)的辦法進(jìn)行優(yōu)化，最終得到最優(yōu)參數(shù)。

2．3 平坦度的反饋控制與計(jì)算模型

結(jié)合從生產(chǎn)現(xiàn)場得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及理論數(shù)據(jù)來看，精軋區(qū)域的末尾機(jī)架F5、F6的彎輥力變化值對出口帶鋼板形的平坦度影響很大。然而，在F6調(diào)控能力達(dá)到該設(shè)備所能調(diào)控的極限時(shí)，平坦度的缺陷還不能得到消除時(shí)，F(xiàn)5也將會(huì)投入到平坦度控制當(dāng)中來。在軋制過程中如有機(jī)架空過時(shí)，F(xiàn)5、F6兩個(gè)機(jī)架就會(huì)執(zhí)行平坦度的反饋閉環(huán)控制模式。目前，平坦度閉環(huán)控制系統(tǒng)主要依賴于液壓彎輥的控制。雖然彎輥力對帶鋼的對稱浪形控制非常好，但是它對帶鋼的不對稱浪形的調(diào)節(jié)能力就非常有限了。對此，通過平坦度的反饋控制，引入不對稱浪形調(diào)節(jié)系數(shù)是非常重要的。

從平坦度反饋控制中可計(jì)算得到平坦度的偏差為：

其中：e（k）為第k周期平坦度偏差值；r（k）為目標(biāo)平坦度值；yact（k）為第k周期實(shí)際平坦度值；ξ為浪型不對稱調(diào)節(jié)系數(shù)。

在平坦度反饋控制中也可以利用比例積分調(diào)節(jié)，即PI控制，其計(jì)算模型為：

其中：FF（k）為第k周期F6機(jī)架調(diào)整的彎輥力；ka3i為調(diào)整系數(shù)；KPF為比例系數(shù)；KIF為積分系數(shù)；KBF為彎輥力對平坦度的影響系數(shù)。

在平坦度閉環(huán)反饋控制模型中，一般取反饋控制的檢測周期T＝80ms，控制周期T′＝200ms。

3 總結(jié)

本文詳述了熱連軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的構(gòu)成與控制策略，從理論上對其模型計(jì)算公式進(jìn)行了分析與推導(dǎo)，給出了理論彎輥力、凸度、平坦度反饋控制策略模型，并列出了彎輥力、凸度、平坦度的偏差模型；經(jīng)對精軋區(qū)域的PLC系統(tǒng)的邏輯控制程序編寫以及相關(guān)電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、液壓設(shè)備的完整調(diào)試，完成了系統(tǒng)優(yōu)化改造。實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，板形自動(dòng)控制系統(tǒng)投入后板形質(zhì)量比以前有了很大的改善，提高了熱軋帶鋼產(chǎn)品在市場中的競爭力。

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