冷連軋機厚度自動控制策略應(yīng)用對比分析
張巖1，邵富群1，王軍生2，劉寶權(quán)2
（1東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2鞍鋼新軋股份公司，遼寧鞍山114003）
摘 要：針對當(dāng)今國際先進(jìn)的ACC控制方法，深入地比較了日立公司和西門子公司厚度控制策略的不同，從理論上分析了它們?yōu)樘岣吆穸瓤刂凭人扇〉目刂扑枷氩町悾貏e是在秒流量ACC控制策略方面，無分體現(xiàn)兩者對于改善厚度偏差手段的不同。最終通過軋機生產(chǎn)厚度控制結(jié)果實績數(shù)據(jù)，闡述了控制策略的不同只是在現(xiàn)有硬件配置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，最終提出相關(guān)冷連軋機高精度厚度控制方案，給采取何種厚度控制策略以啟迪和借鑒。
關(guān)鍵詞：冷連軋；AGC；輥縫：輥速；張力解耦控制；秒流量
中圖分類號：TP 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1引 言
沿縱向厚度精度是冷軋帶鋼最重要的技術(shù)指標(biāo)，而最終產(chǎn)品的尺寸精度能否保證在極大程度上依賴于厚度自動控制ACC系統(tǒng)。由20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的厚度自動控制技術(shù)發(fā)展比較成熟，控制效果明顯。但由于AGC系統(tǒng)控制方式很多，各種ACC復(fù)合系統(tǒng)往往相互關(guān)聯(lián)，相互影響，實際上存在著****組合方案。本文通過對比國外先進(jìn)ACC控制方式，深入分析其厚度控制思想的差異，最終提出相關(guān)冷連軋機高精度厚度控制優(yōu)化方案。
2粗調(diào)AGC對比分析
ACC系統(tǒng)的基本控制方式分為粗調(diào)ACC和精調(diào)AGC兩部分，粗調(diào)ACC控制方式就是利用第1機架的前饋、壓力、監(jiān)控ACC來改變其輥縫，通過第2機架的前饋ACC來改變架間秒流量，使帶鋼大部分厚度偏差在第1機架得到消除。（為了方便表述在此規(guī)定第1機架。第5機架分別用Sl-S5表示）。冷連軋機ACC最基本原則就是基于保持整個軋機的秒流量恒定，每個機架的秒流量輸出都是帶鋼速度和厚度的綜合結(jié)果。現(xiàn)今世界比較先進(jìn)的ACC策略中，****代表性的是日立(Hitachi)公司和S/emens公司，它們的ACC策略各有特點，代表冷軋機厚度控制領(lǐng)域的先進(jìn)水平，下面就它們所采取的一些典型AGC方式進(jìn)行對比分析。
在檢測儀表配置方面，日立儀表配置包括：Sl前后測厚儀、Sl軋制力壓頭；S2-S5后測速儀；s5前一臺測厚儀、s5后兩臺測厚儀、s5軋制力壓頭；Siemens儀表配置包括：Sl前后測厚儀、Sl前后測速儀；s5前后測厚儀、s5前后測速儀。Siemens在Sl前后配備了測速儀和測厚儀，可以在Sl實現(xiàn)秒流量ACC，迅速消除來料硬度偏差和厚度偏差。日立在Sl前后僅配備了測厚儀無法實現(xiàn)Sl秒流量ACC，由于在S2 -S5后都配置了測速儀，則可以實現(xiàn)S2-S5反饋秒流量ACC，其目的是保證每個機架都有厚度控制方式，另外利用Sl軋制力壓頭可以
主要從事冷連軋機厚度與板形控制等方面的工作。
在Sl前饋ACC策略中，它們都是利用Sl前測厚儀檢測厚差，調(diào)節(jié)S1輥縫來消除該厚差的ACC調(diào)節(jié)方式，同時調(diào)節(jié)入口張力輥（S輥）轉(zhuǎn)矩進(jìn)行張力解耦控制。但Siemens特有的****秒流量控制方式下情況有所不同，由式(1)可得，將入口S輥看作“0”機架，通過調(diào)節(jié)S輥速△Vo來消除軋機入口厚差△Ho，而張力解耦控制則由S1輥縫控制實現(xiàn)。
式中，△vo為人口S輥速度調(diào)節(jié)量；△vHo為Sl前實測厚差。
在Sl反饋ACC策略中，其控制原理就是對間接測厚AGC殺統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控修正，以便進(jìn)一步提高ACC精度。Siemens采用監(jiān)控AGC方式，即基于Sl出口測厚儀測得厚度偏差，結(jié)合Smith預(yù)估器對厚度偏差進(jìn)行滯后補償，修正量作用到Sl輥縫，通過調(diào)節(jié)S1輥縫來消除該厚度偏差的調(diào)節(jié)方式。在****秒流量方式下，由式(2)可得，通過調(diào)節(jié)人口S輥速△Vo消除出口厚差△H1。
式中，△H1為來料厚差均值；△V0為入口S輥速度調(diào)節(jié)量；△H1為S1出口實際厚差。
日立實現(xiàn)反饋ACC，如圖2所示。
它采用厚度計監(jiān)控ACC( CM-ACC)方式。具體 實現(xiàn)通過Sl軋制力壓頭檢測軋制力，通過彈跳方程(3)計算出帶鋼厚度。
式中，hc為計算出口厚度；P為實際軋制力；K為機架剛度。
如圖2所示，將實際厚度偏差A(yù)h。輸入Smith機入口厚差△Ho，而張力解耦控制則由Sl輥縫控 預(yù)估器補償系統(tǒng)滯后，補償結(jié)果△E0對計算厚度制hc進(jìn)行修正，并與設(shè)定厚度hRFF同時輸入CM-AGC控制器，輸出S1輥縫修正值△SGM，調(diào)節(jié)輥縫實現(xiàn)厚度控制。
分析其差異可以看出，日立考慮應(yīng)用CM-AGC可以消除系統(tǒng)滯后影響，但由于壓力AGC存在精度不高的缺點，利用精度高的Sl后測厚儀來檢測實際厚度偏差，通過Smith預(yù)估器對A/z：滯后進(jìn)行補償，并反饋到CM-AGC系統(tǒng)中進(jìn)行修正效果比較理想。Siemens則認(rèn)為由于S1后測厚儀檢測到的厚度偏差已經(jīng)非常準(zhǔn)確，經(jīng)過Smith預(yù)估器滯后補償可以達(dá)到精度要求，根據(jù)彈跳方程間接計算帶鋼厚度，并通過實際厚度偏差A(yù)h，進(jìn)行修正的CM—AGC系統(tǒng)效果不明顯門。
在S2前饋ACC中其控制思路基本一致，都是根據(jù)S1出口測厚儀測得厚度偏差，應(yīng)用秒流量原理計算出Sl輥速修正量以消除S2人口厚度偏差。經(jīng)分析區(qū)別在于獲得Sl后的速度方式上，Siemens可以通過Sl后側(cè)速儀直接檢測帶鋼速度，但日立沒有在S1后設(shè)置測速儀，只能通過Sl前S輥脈沖計數(shù)器檢測傳動速度并計算出S1前帶鋼速度，應(yīng)用秒流量原理計算出S1后帶鋼速度。由于S2前饋ACC是調(diào)節(jié)S1輥速實現(xiàn)，需要同時調(diào)節(jié)S2輥縫對Sl，S2間張力進(jìn)行解耦控制。
在秒流量AGC中，由于在Sl前后未配置測速儀，日立無法實現(xiàn)Sl秒流量AGC，但它在S2-S5后都配置了測速儀，因此可以實現(xiàn)S2-S5反饋秒流量AGC。以s5反饋秒流量ACC說明其控制原理，其示意圖，如圖3所示。
通過檢測55前厚度和速度以及s5后速度，應(yīng)用秒流量原理計算s5后的厚度初始值，并與s5后測檢測實際厚度進(jìn)行比較，得到修正量W，再輸入汁算式(4)調(diào)節(jié)s4輥速V4。進(jìn)行修正。
式中，h5m為5架出口厚度；V4D為4架出口速度；V5D為5架出口速度；H5為5架人口厚度。
同樣，S2-S4反饋秒流量ACC實現(xiàn)方法與s5相同。為抵消S2-S5因輥速調(diào)節(jié)產(chǎn)生的機架張力波動，計算調(diào)節(jié)(n+1)架輥縫進(jìn)行張力解耦控制：
式中，ASref為調(diào)節(jié)架前張力輥縫調(diào)節(jié)量；K為軋機剛度；凹為帶鋼塑性系數(shù)；t為機架速度設(shè)定。
Siemens通過檢測Sl前厚度和速度及Sl后速度，用秒流量公式預(yù)計算SI后的厚度偏差△h1：
式中，h1，h1,，為Sl后的厚度及厚度偏差；vo，V1分別為Sl前后速度；Ho，△h。為Sl前厚度及厚度偏差。
Sl秒流量AGC，如圖4所示。
秒流量預(yù)計算可預(yù)先知道Sl出口的厚差，并且對機架的輥速或輥縫調(diào)節(jié)，其預(yù)計算結(jié)果由監(jiān)控ACC進(jìn)行修正，修正值輸入秒流量控制器。在普通秒流量控制方式下，調(diào)節(jié)量輸入到Sl輥縫控制，同時調(diào)節(jié)Sl人口S輥速對人口張力波動進(jìn)行補償；
在****秒流量控制方式下，系統(tǒng)將S輥看作“O”架調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)化為人口S輥速，同時調(diào)節(jié)Sl輥縫對人口張力波動進(jìn)行補償。
對比秒流量AGC控制策略可看出，****秒流量是Siemens特有的控制方式，在此控制方式下，可實現(xiàn)所有機架的厚度控制完全由機架輥速調(diào)節(jié)，最終通過調(diào)節(jié)Sl輥速和人口S輥速實現(xiàn)厚度控制。Siemens認(rèn)為來料百分之95以上的厚度偏差可通過一架
ACC處理完成，不必在S2-S5設(shè)置秒流量AGC。而日立認(rèn)為通過一架ACC不足以完成厚度精度要求，還需在S2-S5設(shè)置厚度控制功能才達(dá)到精度要求，有必要在S2 -S5設(shè)置反饋秒流量ACC功能。
3精調(diào)AGC策略對比分析
為了進(jìn)一步提高成品帶鋼的厚度精度，對粗調(diào)ACC未能淌除的厚度偏差，在冷連軋機S4，s5設(shè)立精調(diào)AGC系統(tǒng)，s5出口測厚儀檢測成品帶鋼厚差，由精調(diào)ACC系統(tǒng)進(jìn)行處理。
日立在s5采取不同控制策略只是針對張力控制而言，當(dāng)s5采用光輥ACC策略時，由于s5采用位置控制方式，S4 -S5間張力控制(ATR)可通過s5輥縫控制實現(xiàn)；s5采用毛輥AGC控制策略時，s5轉(zhuǎn)化為恒軋制力控制(CPR)，則S4 -S5間張力控制只能通過S4輥速進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于厚度控制則保持一致，通過s5后測厚儀檢測實際厚度，運用反饋秒流量方法控制S4輥速以消除出口厚度偏差。
Siemens根據(jù)s5應(yīng)用的軋輥形式采取不同策略。根據(jù)帶鋼軋制理論，在相同軋制力的況下，如果軋機的前后張力變大有利于軋機的軋制，即可以將帶鋼軋得更薄，采用張力極限控制方式即B方式。在方式B控制模式下，由于s5采取位置控制可以應(yīng)用前饋、反饋、秒流量ACC改變s5輥速，其對應(yīng)速度補償計算分別為
式中，△V5為5架附加速度；△H4為s5前厚差；△h5為s5后厚差；地為S4厚度；皿為s5厚度。
由于s5輥速變化造成S4 -S5問以及s5出日張力波動，對于出口張力通過卷取傳動轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)出口張力調(diào)節(jié)。對于S4 -S5間張力控制，采取將設(shè)定張力與實際張力進(jìn)行比較，將其差值與沒實際張力相比，并通過非線形死區(qū)函數(shù)處理，輸入s5輥縫進(jìn)行張力調(diào)節(jié)。這種控制思想基于s5輥縫主要負(fù)責(zé)帶鋼減薄和板形缺陷處理功能，為保證以上功能實現(xiàn)，對于較小的張力偏差s5輥縫不調(diào)節(jié)，只有超出死區(qū)范圍的較大張力偏差才給予調(diào)節(jié)執(zhí)行，這樣就保證了s5輥縫主要功能的調(diào)節(jié)效果。
當(dāng)s5采用毛輥軋制時，Siemens選用C方式。這種控制方式在前4架就完成了成品帶鋼厚度的軋制，s5作為平整機功能控制板形，其壓下率控制在百分之0 5~2范圍內(nèi)。很明顯，此時55采用恒軋制力控制不具備消除s5后厚差能力，只能用S4輥縫來消除出口厚度偏差，同時也無法通過改變s5輥縫對S4-S5間張力進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能采用調(diào)節(jié)S4輥速去消除此張力偏差。由式(IO)，式(11)得，反饋ACC輸出調(diào)節(jié)量通過S4，s5輥速補償。
4應(yīng)用效果分析
為比較日立和西門子公司在不同條件下軋機ACC控制精度，現(xiàn)以某冷軋廠五機架全連續(xù)冷軋機為依托，分別在軋制穩(wěn)態(tài)、加減速及過焊縫情況下，就Sl和s5出口厚度偏差進(jìn)行了實時數(shù)據(jù)采集：實際軋制粗調(diào)ACC和精調(diào)ACC控制結(jié)果曲線，如圖5所示
比較可知，軋機入口****來料厚差為百分之4. 68，從Sl出口厚度控制效果可看出，Siemens經(jīng)過Sl厚度控制后出口厚度偏差減少到百分之0. 78，經(jīng)過s5厚度控制后出口厚度偏差減少到百分之0. 42；日立經(jīng)過Sl厚度控制后出口厚度偏差減少到百分之0.85，經(jīng)過s5厚度控制后出口厚度偏差減少到百分之0.37。經(jīng)分析，百分之98的厚度偏差在Sl粗調(diào)ACC中消除，經(jīng)過s5精調(diào)ACC后完全滿足成品帶鋼精度要求，輸出效果明顯。日立厚度控制效果與Siemens基本一致，只是從粗調(diào)AGC中Sl出口厚度控制效果看Siemens稍好于日立，但通過應(yīng)用S2-S5反饋秒流量AGC，s5出口控制效果都能達(dá)到精度要求。
5結(jié)語
在冷連軋厚度控制中，日立公司和Siemens公司所采用的各自控制策略，比較了它們的儀表配置、粗調(diào)AGC拴制、精調(diào)AGC控制的不同實現(xiàn)方式。日立公司由于在S2-S5后配備激光測速儀，可以實現(xiàn)S2-S5反饋秒流量ACC，最終達(dá)到SI-S5所有機架都具有厚度控制功能，對提高控制精度有優(yōu)勢。另外，由于Sl采取CM-ACC方式可以消除反饋AGC滯后影響，同時有利于焊縫厚度控制。Siemens公司通過采用特有的Sl****秒流量ACC，可以實現(xiàn)所有機架都通過輥速調(diào)節(jié)厚度功能，實現(xiàn)通過機架輥縫調(diào)節(jié)張力，有利于在高速軋制時保持張力的恒定。另外Sl前饋、反饋和秒流量ACC這3種控制方式的結(jié)合，保證Sl可消除百分之98以上的厚度偏差，最終提高成品厚度精度。它們考慮方面各有側(cè)重但都很好達(dá)到成品厚度精度要求，控制策略的不同只是在現(xiàn)有硬件配置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化控制，經(jīng)分析比較優(yōu)化的ACC控制策略為，Sl采取前饋、修正GM-A GC、秒流量AGC；S2前饋、秒流量ACC; S4，s5反饋秒流量ACC。
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