基于模糊控制的冷軋帶鋼板優(yōu)化方法及應(yīng)用

趙昊裔

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 自動化二部，武漢 430223）

板形控制算法是冷軋帶鋼板形控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，它的優(yōu)劣性直接決定了板形控制效果的好壞。目前廣泛采用的基于反饋控制思想的板形多變量優(yōu)化控制方法通過在軋機(jī)出口處配置接觸式板形儀在線測量實時板形信號，然后以板形目標(biāo)值與實時測量值之間的偏差的平方和為評價指標(biāo)函數(shù)，循環(huán)計算使得該評價指標(biāo)函數(shù)取得最小值時的各板形調(diào)控裝置在線調(diào)節(jié)量。需要指出的是，上述技術(shù)方案關(guān)鍵是要獲得高精度的各板形調(diào)控裝置的板形控制調(diào)控功效系數(shù)。然而，實際冷軋機(jī)是一種高度非線性、時變的復(fù)雜物理系統(tǒng)，目前尚不能對其進(jìn)行精確建模，這也決定了很難獲得高精度的各板形調(diào)控裝置的板形控制調(diào)控功效系數(shù)，因此不能得到理想的板形控制效果[1-3]。

為了解決上述技術(shù)問題，就必須從控制原理上進(jìn)行根本性的改變，為進(jìn)一步提高冷軋帶鋼產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 冷軋帶鋼工藝流程簡介

帶鋼冷軋生產(chǎn)工藝流程包括[4]：

1）酸洗線：清除原料（熱軋卷）上的氧化鐵皮。

2）冷軋機(jī)組：將酸洗后原料軋制成所需厚度的成品卷。

3）退火設(shè)備（罩式退火爐或連續(xù)退火線）：為加工硬化后的帶卷退火。

4）精整線：包括平整、重卷、縱剪、橫剪及各種鍍層處理線。

2 冷軋板形的模糊優(yōu)化控制方法及其實現(xiàn)

本文的目的在于提供一種冷軋帶鋼板形模糊控制方法，以解決常規(guī)板形控制方法由于無法獲取高精度的各板形調(diào)控裝置的板形控制調(diào)控功效系數(shù)，而導(dǎo)致冷軋帶鋼產(chǎn)品存在板形缺陷的技術(shù)問題[5]。使用模糊建模方法建立起了一階、二階和四階板形偏差與傾輥裝置、工作輥彎輥裝置和中間輥彎輥裝置在線調(diào)節(jié)量之間的動態(tài)關(guān)系，建立板形模糊控制模型，實現(xiàn)了對冷軋帶鋼出口板形質(zhì)量的精確控制，同時該方法不需要獲取冷軋帶鋼軋制過程精確的數(shù)學(xué)模型參數(shù)并且魯棒性強(qiáng)，簡易可行，完全滿足板形控制控制系統(tǒng)的實時性要求，可以有效消除冷軋帶鋼產(chǎn)品存在的典型板形缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

為實現(xiàn)上述目的，本文采用如下技術(shù)方案：

1）對于同一規(guī)格的帶鋼，將軋機(jī)出口張力和軋制壓力的工作區(qū)間各均勻分為五個子區(qū)間，按照軋機(jī)出口張力和軋制壓力所處不同軋機(jī)出口張力子區(qū)間和軋制壓力子區(qū)間的所有可能情況可將軋制工況分類為25種工況。

2）對于同一規(guī)格的帶鋼，分別建立步驟 1）中所述25種工況對應(yīng)的板形控制模糊推理控制模型：

其中，σ1板形偏差信號中的一階板形偏差，單位為10-5m，S1P、S1Z、S1N分別為描述一階板形偏差為正、零、負(fù)的模糊數(shù)；σ2板形偏差信號中的二階板形偏差，單位為10-5m，S2P、S2Z、S2N分別為描述二階板形偏差為正、零、負(fù)的模糊數(shù)；σ3板形偏差信號中的四階分量，單位為10-5m，S3P、S3Z、S3N分別為描述四階板形偏差為正、零、負(fù)的模糊數(shù)；Ui為在第i種工況下傾輥裝置、工作輥彎輥裝置和中間輥彎輥裝置在線調(diào)節(jié)量組成的控制輸出向量；為在第i種工況下第j條模糊規(guī)則下傾輥裝置在線調(diào)節(jié)量，單位為mm，為在第i種工況第j條模糊規(guī)則下工作輥彎輥裝置在線調(diào)節(jié)量，單位為kN，為在第i種工況第j條模糊規(guī)則下中間輥彎輥裝置在線調(diào)節(jié)量，單位為 kN，且 i=1，2，…，25 和 j=1，2，…，27；可以通過人工操作經(jīng)驗知識獲得。

3）結(jié)合傾輥裝置物理特性設(shè)定σ1在第i種工況下的如下模糊隸屬函數(shù)

σ1關(guān)于S1P的模糊隸屬函數(shù)：

這里，αi為第i種工況下述一階板形偏差為正的閾值，單位為10-5m，在步驟（2）所述板形控制模糊推理控制模型中認(rèn)為一階板形偏差σ1大于αi時為正，小于-αi時為負(fù)，下同。

σ1關(guān)于S1Z的模糊隸屬函數(shù)：

σ1關(guān)于S1N的模糊隸屬函數(shù)：

4）結(jié)合工作輥彎輥裝置物理特性設(shè)定σ2在第i種工況下的如下模糊隸屬函數(shù)

σ2關(guān)于S2P的模糊隸屬函數(shù)：

這里，βi為第i種工況下述二階板形偏差為正的閾值，單位為10-5m，在步驟（2）所述板形控制模糊推理控制模型中認(rèn)為二階板形偏差σ2大于βi時為正，小于-βi時為負(fù)，下同；

σ2關(guān)于S2Z的模糊隸屬函數(shù)：

σ2關(guān)于S2N的模糊隸屬函數(shù)：

5）結(jié)合中間輥彎輥裝置物理特性設(shè)定σ3在第i種工況下的如下模糊隸屬函數(shù)

σ3關(guān)于S3P的模糊隸屬函數(shù)：

其中，γi為第i種工況下四階板形偏差為正的閾值，單位為10-5m，在步驟（2）所述板形控制模糊推理控制模型中認(rèn)為四階板形偏差σ3大于γi時為正，小于-γi時為負(fù)，下同。

σ3關(guān)于S3Z的模糊隸屬函數(shù)：

σ3關(guān)于S3N的模糊隸屬函數(shù)：

6）利用Takagi-Sugeno模糊模型建模規(guī)則建立如下板形模糊控制模型：

其中：i=1，2， …，25；ui1為第 i種工況下傾輥裝置調(diào)節(jié)量，單位為mm；ui2為第i種工況下工作輥彎輥裝置調(diào)節(jié)量，單位為kN；ui3為第i種工況下工作輥彎輥裝置調(diào)節(jié)量，單位為kN。

7）按照軋制過程所處工況選擇對應(yīng)的板形模糊控制模型來進(jìn)行傾輥裝置、工作輥彎輥裝置和中間輥彎輥裝置的在線調(diào)節(jié)。具體實施方式為：傾輥裝置調(diào)節(jié)量為ui1，工作輥彎輥裝置調(diào)節(jié)量為ui2，中間輥彎輥裝置調(diào)節(jié)量為ui3。特別地，按照響應(yīng)速度快、靈敏度大的傳動裝置先調(diào)的原則依次對傾輥裝置、工作輥彎輥裝置和中間輥彎輥裝置進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。

3 應(yīng)用研究

基于本文所述的冷軋帶鋼板形板厚綜合控制方法如圖1所示，可用于四輥、六輥單機(jī)架或多機(jī)架冷連軋機(jī)組。以下以某鋼廠單機(jī)架六輥軋機(jī)為例，該機(jī)組的主要技術(shù)性能指標(biāo)和設(shè)備參數(shù)為

圖1 冷軋帶鋼板形模糊控制方法計算流程圖Fig.1 Calculating flow chart for cold rolled strip shape control using fuzzy control method

軋制速度：Max 900 m/min，軋制壓力：Max 18 000 kN，最大軋制力矩：140.3 kN·m，卷取張力：Max 220 kN，主電機(jī)功率：5 500 kW；

來料厚度范圍：1.8～2.5 mm，來料寬度范圍：850～1 280 mm，軋后厚度范圍：0.3 mm～1.0 mm；

工作輥直徑：290～340mm，工作輥身長：1400mm，中間輥直徑：440～500 mm，中間輥身長：1 640 mm，支撐輥直徑：1 150～1 250 mm，支撐輥身長：1 400 mm；

每側(cè)工作輥彎輥力：-280～350 kN；每側(cè)中間輥彎輥力：0～500 kN， 中間輥軸向橫移量：-120～120 mm；輔助液壓系統(tǒng)壓力：14 MPa；平衡彎輥系統(tǒng)壓力：28 MPa；壓下系統(tǒng)壓力：28 MPa。

板形輥的輥徑313 mm，由實心鋼軸組成，沿寬度方向每隔52 mm或26 mm被分成一個測量區(qū)域。

圖2給出了本文所述控制方法投入運行前的軋機(jī)出口板形分布圖，此時采用人工手動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行冷軋帶鋼板形控制。由圖2可以看出，軋機(jī)出口板形的板形偏差最大值超過了20×10-5m，具有非常明顯的板形缺陷，影響了產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益；這也說明了實際生產(chǎn)對先進(jìn)板形控制技術(shù)研發(fā)的必要性。圖3給出了本文所述控制方法投入運行后的軋機(jī)出口板形分布圖。由圖3可以看出，本文所述方法有效消除了板形偏差，軋機(jī)出口板形的板形偏差最大值控制在8×10-5m以內(nèi)，顯著改善了帶鋼產(chǎn)品出口板形，提高了帶材的板形質(zhì)量。

圖2 冷軋帶鋼板形模糊控制方法使用前軋機(jī)出口板形分布圖Fig.2 Strip shape at the exit distribution map before using cold rolled strip shape fuzzy control method

圖3 冷軋帶鋼板形模糊控制方法使用后軋機(jī)出口板形分布圖Fig.3 Strip shape at the exit distribution map after using cold rolled strip shape fuzzy control method

4 結(jié)語

本文所述方法使用模糊建模方法建立起了一階、二階和四階板形偏差與傾輥裝置、工作輥彎輥裝置和中間輥彎輥裝置在線調(diào)節(jié)量之間的動態(tài)關(guān)系，建立板形模糊控制模型，實現(xiàn)了對冷軋帶鋼出口板形質(zhì)量的精確控制，同時該方法不需要獲取冷軋帶鋼軋制過程精確的數(shù)學(xué)模型參數(shù)并且魯棒性強(qiáng)，簡易可行，完全滿足板形控制控制系統(tǒng)的實時性要求，可以有效消除冷軋帶鋼產(chǎn)品存在的典型板形缺陷，解決了常規(guī)板形控制方法由于無法獲取高精度的各板形調(diào)控裝置的板形控制調(diào)控功效系數(shù)而導(dǎo)致冷軋帶鋼產(chǎn)品存在板形缺陷的技術(shù)問題并成功應(yīng)用于實際工程 （發(fā)明專利申請?zhí)枺?01310335017.8；申請日：20130802；發(fā)明專利申請人：趙昊裔）。因此，具有很好的推廣前景。

[1] 丁修堃.軋制過程自動化[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2] Siemens.Electrical Equipment and Automation for Cold Strip Tandem Mills[Z]，2000.

[3] 孫一康.帶鋼冷連軋計算機(jī)控制 [M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[4] 孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[5] 張景進(jìn).中厚板生產(chǎn)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005. ■