首鋼京唐酸軋機(jī)組厚度控制策略分析與應(yīng)用

郭劍飛，劉翠紅，張 浩，孫 杰，張浩宇

(1.唐鋼微爾自動(dòng)化有限公司，河北 唐山 063000;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，沈陽(yáng) 110819)

首鋼京唐酸軋機(jī)組厚度控制策略分析與應(yīng)用

郭劍飛1，劉翠紅1，張 浩1，孫 杰2，張浩宇2

(1.唐鋼微爾自動(dòng)化有限公司，河北 唐山 063000;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，沈陽(yáng) 110819)

厚度精度是衡量帶鋼質(zhì)量的重要指標(biāo).本文通過(guò)對(duì)首鋼京唐酸軋機(jī)組厚度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，分析了包括1#機(jī)架FF－AGC、BISRA－AGC和GM－Smith AGC以及2#－5#機(jī)架MF－AGC的綜合的厚度控制策略.實(shí)際應(yīng)用效果表明，成品厚度偏差小于±1%，達(dá)到了較高的厚度控制精度.

冷連軋;厚度控制系統(tǒng);前饋控制;秒流量控制

厚度精度一直是衡量冷連軋產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)［1～2］，如何提高產(chǎn)品的厚度控制精度一直是冷連軋領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3］.冷連軋厚度控制具有多變量、非線性、多約束、時(shí)變性強(qiáng)、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)［4～5］，是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程.

首鋼京唐的酸軋聯(lián)合機(jī)組生產(chǎn)線從日本日立公司引進(jìn).該機(jī)組采用了當(dāng)今世界先進(jìn)的技術(shù).酸洗工藝為日立公司的先進(jìn)淺槽噴流鹽酸酸洗技術(shù)，軋機(jī)為UCM形式，5個(gè)機(jī)架全部為6輥軋機(jī)，其中中間輥具有橫移功能，并且工作輥和中間輥都具有正負(fù)彎輥能力，軋機(jī)采用壓上方式，可提供最大2 200 t的軋制力.基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)采用日立公司的HISEC－04R700系列PLC，軟件為日立公司的MICA系統(tǒng);L2級(jí)系統(tǒng)采用HIDIC－RS90過(guò)程計(jì)算機(jī).

軋機(jī)具有出色的厚度調(diào)控能力，全線設(shè)有5組測(cè)厚儀，分別設(shè)置在1#機(jī)架前后以及5#機(jī)架前后;考慮到軋線出口帶鋼厚度檢測(cè)的重要性，在5#機(jī)架后設(shè)有兩組測(cè)厚儀，為一備一用.另外，在3#機(jī)架前后以及5#機(jī)架前后分別設(shè)有激光測(cè)速儀，以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼速度的精確測(cè)量.

1 厚度控制策略

根據(jù)該機(jī)組的特點(diǎn)以及實(shí)際的儀表配置情況，本機(jī)組設(shè)計(jì)了一套包括FF－AGC、BISRAAGC、GM－Smith AGC和MF－AGC等綜合的厚度控制策略，如圖1所示.

在1#機(jī)架的厚度控制環(huán)節(jié)中，F(xiàn)F－AGC的輸出附加于PUC，進(jìn)而修正1#機(jī)架的輥縫，同樣，GM－Smith AGC經(jīng)過(guò)與BISRA－AGC的相關(guān)性處理后，作用于PUC，修正1#機(jī)架的輥縫，實(shí)現(xiàn)1#機(jī)架的厚度控制.

在2#－5#機(jī)架的厚度控制環(huán)節(jié)中，每個(gè)機(jī)架的MF－AGC的輸出均附加于上游機(jī)架的ASR，進(jìn)而修正上游機(jī)架的速度，實(shí)現(xiàn)厚度控制.

1#機(jī)架前的ATR作用于入口S輥的ASR，修正入口S輥的速度保持入口張力的穩(wěn)定控制;1#－5#機(jī)架間的ATR作用于下游機(jī)架的PUC，修正下游機(jī)架的輥縫，保持機(jī)架間張力的穩(wěn)定控制.機(jī)架間的ATL在實(shí)際張力超出限幅值時(shí)，通過(guò)作用于上游機(jī)架的ASR以修正上游機(jī)架的速度，將實(shí)際張力快速穩(wěn)定至限幅范圍內(nèi).

經(jīng)過(guò)以上環(huán)節(jié)的共同作用，構(gòu)成了一套嚴(yán)謹(jǐn)且穩(wěn)定的厚度控制系統(tǒng).

圖1 首鋼京唐酸軋機(jī)組厚度控制策略Fig.1 Gauge control strategy of Shougang Jing－tang PL－TCM

1.1 1#機(jī)架FF AGC

1#機(jī)架FF－AGC依據(jù)入口厚度偏差對(duì)輥縫進(jìn)行修正，以消除熱軋?jiān)仙霞夥逍偷暮穸纫?guī)格突變.機(jī)架前測(cè)厚儀的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)移位寄存器由測(cè)厚儀檢測(cè)點(diǎn)移至輥縫壓上位置，并綜合考慮測(cè)厚儀的響應(yīng)時(shí)間以及壓上系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輥縫修正點(diǎn)與測(cè)厚儀的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一致.FFAGC的最終輸出的輥縫修正量如式(1)所示.

式中，ΔSFF為FF－AGC輸出的輥縫調(diào)節(jié)量;ΔH為入口側(cè)測(cè)厚儀檢測(cè)的厚度偏差信號(hào);M為材料塑性系數(shù);K為軋機(jī)剛度系數(shù);αFF為FF AGC控制增益;K'為理想狀態(tài)下軋機(jī)剛度.

1.2 1#機(jī)架BISRA AGC

因?yàn)镕F AGC為開(kāi)環(huán)控制，其無(wú)法通過(guò)控制效果的反饋而全部完成厚度的修正，所以1#機(jī)架設(shè)置了BISRA－AGC.BISRA AGC通過(guò)如式(2)所示的彈跳方程，控制1#機(jī)架出口帶鋼厚度.

式中，h為出口帶鋼厚度;P為軋制力;S為當(dāng)前輥縫.

設(shè)在AGC投入的初始狀態(tài)時(shí)，如式(3)所示.

式中，P0為初始軋制力;S0為初始輥縫.

于是，為了使出口厚度偏差為零，輥縫S將如式(4)進(jìn)行控制

由于BISRA－AGC幾乎不存在控制上的滯后，其響應(yīng)時(shí)間要優(yōu)于基于出口測(cè)厚儀的反饋式AGC.所以，1#機(jī)架設(shè)置的BISRA－AGC可以有效、快速地改變厚度偏差.

1.3 1#機(jī)架GM－Smith AGC

由于BISRA－AGC只是對(duì)出口厚度進(jìn)行估算繼而進(jìn)行控制，為了確保在1#機(jī)架獲得良好的厚度控制效果，系統(tǒng)設(shè)置了基于1#機(jī)架后測(cè)厚儀檢測(cè)的實(shí)際帶鋼厚度作為反饋的 GM－Smith AGC.由于出口測(cè)厚儀離機(jī)架有一段距離，于是在GM－Smith AGC的控制閉環(huán)中，存在一個(gè)軋機(jī)至測(cè)厚儀的延遲環(huán)節(jié);由于這個(gè)延遲，直接將測(cè)厚儀檢測(cè)信號(hào)作為控制閉環(huán)的反饋將很難得到穩(wěn)定及高響應(yīng)的控制效果［6］.于是設(shè)置了如圖2所示的GM－Smith AGC控制算法.

圖2 1#機(jī)架GM－Smith AGC原理圖Fig.2 Principle diagrams of GM－Smith AGC in stand No.1

首先通過(guò)1#機(jī)架軋制力與輥縫反饋，通過(guò)厚度計(jì)公式，如式(5)所示，計(jì)算1#機(jī)架出口厚度.

式中，Sh1為軋機(jī)彈跳量;Sact1為實(shí)際輥縫;Δεcom1為厚度補(bǔ)償量.

將此厚度計(jì)算量通過(guò)移位寄存器跟蹤至出口測(cè)厚儀，并綜合考慮測(cè)厚儀的響應(yīng)時(shí)間后，與測(cè)厚儀檢測(cè)的實(shí)際厚度進(jìn)行比較計(jì)算厚度補(bǔ)償量Δεcom1，如式(6)所示.

式中，Kε1為補(bǔ)償值積分增益;h1x為1#機(jī)架測(cè)厚儀檢測(cè)實(shí)際出口厚度;hGMC1(x)為跟蹤至測(cè)厚儀檢測(cè)點(diǎn)的厚度計(jì)算值.

GM－Smith AGC主要用于消除剩余的帶鋼厚度偏差量，于是將控制器設(shè)計(jì)為PI控制器的形式.最終GM－Smith AGC輸出的輥縫修正量如式(7)所示.

1.4 2#－5#機(jī)架MF－AGC

2#－5#機(jī)架的MF－AGC是應(yīng)用秒流量恒定原理對(duì)出口帶鋼厚度進(jìn)行計(jì)算，繼而對(duì)上游機(jī)架速度進(jìn)行修正以實(shí)現(xiàn)厚度控制.

即使秒流量計(jì)算存在非常高的準(zhǔn)確性，由于它并不是對(duì)出口帶鋼厚度進(jìn)行直接測(cè)量，出口帶鋼厚度的計(jì)算精度仍可能存在一定偏差.所以在4#機(jī)架和5#機(jī)架后設(shè)有測(cè)厚儀的情況下，在4#和5#MF－AGC設(shè)置有厚度自適應(yīng)修正環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)厚儀檢測(cè)的實(shí)際帶鋼厚度信號(hào)對(duì)秒流量計(jì)算值進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)高精度的厚度控制，保證末機(jī)架出口帶鋼厚度指標(biāo).MF－AGC的原理圖如圖3所示.

圖3 MF－AGC原理圖Fig.3 Principle diagrams of MF－AGC

根據(jù)秒流量恒定原理，MF AGC的出口厚度計(jì)算值如式(8)所示.

式中，hMFC，i為MF－AGC厚度計(jì)算值;VS，i－1為入口帶鋼速度;VS，i為出口帶鋼速度;Hi為入口帶鋼厚度;ηi為厚度自適應(yīng)修正值，只應(yīng)用于4#機(jī)架和5#機(jī)架.

厚度自適應(yīng)修正環(huán)節(jié)中，修正值ηi算法如式(9)所示.

式中，Kη為自適應(yīng)修正積分系數(shù);hx，i為出口側(cè)測(cè)厚儀檢測(cè)到的實(shí)際厚度;hMFC，i(x)為經(jīng)移位寄存器跟蹤至出口測(cè)厚儀的秒流量厚度計(jì)算值;ΔT為跟蹤時(shí)間.

MF－AGC中包括兩部分控制，分別是MFFF和MF－FB，即秒流量前饋控制與反饋控制.秒流量前饋控制通過(guò)跟蹤上游機(jī)架的秒流量計(jì)算值，并估算此入口厚度可能引起的出口厚度偏差，繼而修正上游機(jī)架的速度消除此偏差.秒流量反饋控制依據(jù)本機(jī)架的秒流量計(jì)算值，修正上游機(jī)架的速度，消除出口厚度偏差.MF－FF與MFFB控制閉環(huán)的反饋分別如式(10)與式(11)所示.

式中，為MF－FF控制閉環(huán)的厚度反饋;為MF－FB控制閉環(huán)的厚度反饋;為考慮上游機(jī)架速度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間的本機(jī)架入口厚度跟蹤值.

MF－FF主要用于消除本機(jī)架入口厚度尖峰型厚度突變引起的出口厚度偏差，MF－FB則主要負(fù)責(zé)消除趨勢(shì)性的出口厚度偏差.針對(duì)以上特點(diǎn)，控制器設(shè)計(jì)為比例積分控制器，即MF－FF采用比例控制器，MF－FB采用積分控制器.于是MF－AGC的最終輸出的速度調(diào)節(jié)量如式(12)所示.

式中，ΔVMF為 MF－AGC輸出的速度修正量;KMF，i為控制器積分增益;KMF，p為控制器比例增益;href，i為本機(jī)架出口厚度設(shè)定;ΔTS為AGC控制周期的積分.

2 應(yīng)用效果

圖4為在穩(wěn)態(tài)軋制過(guò)程中，軋制不同厚度規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，取得的末機(jī)架出口測(cè)厚儀檢測(cè)的帶鋼成品厚度偏差曲線，其中包括厚度為0.3 mm、0.4 mm、0.7 mm以及1.0 mm的成品厚度偏差.由圖中可以看出，產(chǎn)品的厚度精度均在±1%之內(nèi).

圖4 末機(jī)架出口厚度偏差曲線Fig.4 Curve of last stand exit gauge deviation

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)1#機(jī)架FF－AGC、BISRA－AGC和GM－Smith AGC以及2#－5#機(jī)架MF－AGC的共同作用，并輔以各機(jī)架ATR提供的穩(wěn)定的張力控制，構(gòu)成一套綜合的冷連軋厚度控制策略.該機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，其厚度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)軋制過(guò)程中帶鋼厚度偏差小于±1%，帶鋼厚度控制精度達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平.

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Analysis and application of gauge control strategy of shougang Jing－Tang PL－TCM

GUO Jian-fei1，LIU Cui-hong1，ZHANG Hao1，SUN Jie2，ZHANG Hao-yu2

(1.Tang Gang Weier Automation Limited Cooperation，Tangshan 063000，China;2.The State
Key Laboratory of Rolling Technology and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Thickness accuracy is an important index of strip quality.Based on the research of shougang Jing－Tang PL－TCM gauge control system，the gauge control strategy was analyzed，which included FF－AGC，BISRA－AGC，GM－Smith AGC in stand No.1 and MF－AGC in stand No.2－No.5.The application result indicated that the gauge error of product is within±1%，and a high gauge control accuracy has been achieved.

tandem cold rolling;gauge control system;feed forward control;mass flow control

TP 273

A

1671-6620(2012)02-0141-05

2011-10-18.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助 (N110307001).

郭劍飛 (1979—)，男，唐山微爾自動(dòng)化有限公司工程師，E－mail:guojianfei_1979@163.com.