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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素。采用先進(jìn)的板形測(cè)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(cè)量裝置主要是利用傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼板形的檢測(cè)，板形檢測(cè)主要分兩種：測(cè)量帶材橫向張力分布的隱含板形和測(cè)量帶材表面波浪度的宏觀波形。熱軋過程中使用的檢測(cè)裝置以測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)承載輥縫帶來的影響，則必須滿足：

由此可得軋制力對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)出口凸度的影響系數(shù)。

從現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程中看，AF系數(shù)對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)帶鋼的對(duì)稱浪形控制非常好，但是它對(duì)帶鋼的不對(duì)稱浪形的調(diào)節(jié)能力就非常有限了。對(duì)此，通過平坦度的反饋控制，引入不對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

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