熱連軋精軋機(jī)組活套控制模型應(yīng)用分析

王　飛

（山信軟件股份有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1　前　言

山鋼日照分公司新建2 050 mm熱連軋生產(chǎn)線，引進(jìn)TMEIC電氣自動(dòng)化系統(tǒng)和SMS工藝機(jī)械裝備，設(shè)計(jì)年產(chǎn)熱軋鋼卷500萬(wàn)t，主要生產(chǎn)熱軋汽車用鋼、薄規(guī)格高強(qiáng)度集裝箱用鋼、高級(jí)別管線鋼以及冷軋?jiān)暇淼蠕摲N。精軋7連軋機(jī)組作為核心裝備，其電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。為此，對(duì)TMEIC提供的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的活套控制模型進(jìn)行分析，以方便操作人員對(duì)控制模型進(jìn)行選擇。

2　活套控制

活套裝置安裝在精軋機(jī)組機(jī)架間，以確保板帶在機(jī)架間有恒定張力。過(guò)張力會(huì)產(chǎn)生板帶頸縮，甚至斷帶；精軋機(jī)組相鄰機(jī)架間的穿帶速度不匹配可能會(huì)形成褶皺，當(dāng)褶皺厚度達(dá)到3倍于板帶厚度而進(jìn)入下一機(jī)架時(shí)，極易導(dǎo)致斷輥或斷軸。因此，必須建立成熟穩(wěn)定的活套控制，給精軋機(jī)組主傳動(dòng)提供速度校正參考，同時(shí)使得活套保持在預(yù)設(shè)角度值，保持精軋機(jī)架之間有恒定張力［1］。

精軋機(jī)架間不進(jìn)行板帶軋制時(shí)，活套輥移動(dòng)至等待位；當(dāng)精軋機(jī)組軋制板帶時(shí)，進(jìn)行張力控制，即活套輥貼靠到板帶時(shí)產(chǎn)生特定大小的張力。為了滿足這兩種情況，在日常應(yīng)用中，把活套控制設(shè)計(jì)成活套液壓缸位移和推力的串級(jí)控制，其中，位移控制優(yōu)先，推力控制次之。

精軋機(jī)組張力控制系統(tǒng)包括軋機(jī)主傳動(dòng)和液壓活套裝置，主傳動(dòng)包括中壓變頻器、主電機(jī)和軋輥等；液壓活套裝置包括液壓缸、活套桿和活套輥等；還有壓力傳感器、位移傳感器等檢測(cè)元件。

活套控制對(duì)活套高度（套量）進(jìn)行反饋控制，通過(guò)調(diào)節(jié)主傳動(dòng)速度來(lái)改變活套高度，活套電機(jī)則輸出恒定力矩，活套系統(tǒng)的控制目標(biāo)是保持活套高度恒定，一旦活套高度發(fā)生變化，機(jī)架間張力也隨之變化［2］。為保持帶鋼在軋制過(guò)程中張力恒定，同時(shí)減小恒張力控制時(shí)的活套角度波動(dòng)，將恒力矩控制和恒張力控制相結(jié)合，進(jìn)行張力加權(quán)控制。

3　活套控制模型分析

熱軋精軋機(jī)組控制系統(tǒng)中，TMEIC提供了兩種活套控制模型，一種是活套常規(guī)控制模型，一種是活套逆線性二次型控制模型（Inverse Linear Quadratic），簡(jiǎn)稱ILQ控制模型。根據(jù)不同工藝的要求，精軋操作人員可以進(jìn)行兩種控制模型的選擇。

3.1　常規(guī)控制模型

活套常規(guī)控制通過(guò)檢測(cè)活套角度和張力大小進(jìn)行反饋，活套角度控制和張力控制相互耦合；同時(shí)主傳動(dòng)通過(guò)速度檢測(cè)并反饋給活套角度控制，活套電流給定是根據(jù)板帶設(shè)定張力和設(shè)定角度計(jì)算得出，在軋制過(guò)程中保持不變［3］?；钐壮Ｒ?guī)控制屬于恒力矩控制，其控制目標(biāo)是在軋制過(guò)程中保持活套輸出恒定的力矩?？刂七^(guò)程如圖1所示。

圖1　活套常規(guī)控制框圖

3.2　ILQ控制模型

活套ILQ控制模型處理活套張力和角度兩變量，其控制精度相比常規(guī)控制模型更高，是更高一級(jí)的活套控制模型。ILQ控制模型通過(guò)分配活套變量的極點(diǎn)，尋求獲取活套響應(yīng)；不需要求解黎卡提方程，因此不需要再設(shè)置專門的計(jì)算工具來(lái)求解方程；其控制增益由過(guò)程模型的變量表征，而不使用數(shù)字。即ILQ控制模型利用LQ逆線性二次型，在LQ的逆方向解決問(wèn)題。其控制原理見圖2。

圖2　活套ILQ控制示意圖

1個(gè)活套控制周期內(nèi)，ILQ控制模型調(diào)用PLC程序中的比例增益、積分增益、調(diào)諧增益和一些公共參數(shù)，以獲取活套控制的期望響應(yīng)?？梢詫⑵淇刂评碚撌褂每驁D的形式展現(xiàn)，如圖3所示，活套ILQ控制模型對(duì)活套的張力和角度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并得到高精度目標(biāo)值［4］，這是優(yōu)于常規(guī)控制模型的。在精軋機(jī)組處于自動(dòng)模式下，當(dāng)軋機(jī)主傳動(dòng)、液壓系統(tǒng)、活套控制PLC系統(tǒng)、活套的位移傳感器和壓頭均正常工作時(shí)，工藝操作就可以選擇使用活套ILQ控制模型。正常控制周期是在活套回落時(shí)完成，這和常規(guī)控制模型是一樣的。但是當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，ILQ控制模型降級(jí)轉(zhuǎn)換為常規(guī)控制模型：1）機(jī)架間張力的設(shè)定與反饋偏差過(guò)大并持續(xù)一定時(shí)間；2）活套角的設(shè)定與反饋偏差過(guò)大并持續(xù)一定時(shí)間；3）實(shí)際張力過(guò)大并持續(xù)一定時(shí)間；4）實(shí)際活套角過(guò)大并持續(xù)一定時(shí)間；5）一段時(shí)間內(nèi)ILQ控制模型連續(xù)對(duì)軋機(jī)速度修正過(guò)多。

圖3　活套ILQ控制框圖

3.3　液壓力控制模型

活套液壓力控制是對(duì)精軋機(jī)組的活套力矩進(jìn)行控制，液壓力控制模型包含一個(gè)液壓力調(diào)節(jié)器，如圖4所示，調(diào)節(jié)器根據(jù)力偏差（力偏差=力的設(shè)定值減去力的反饋值）輸出伺服閥開度，獲取液壓力的反饋值，并進(jìn)行液壓力計(jì)算，引入活套角度反饋；由于閥芯存在一定的偏移量，是基于圓周條件產(chǎn)生的，閥開度設(shè)定值并不等于閥的流體速度，采用小偏差補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償閥芯偏移量。

圖4　活套液壓力控制示意圖

除此以外，液壓力控制模型還包含流量增益自動(dòng)控制、差壓補(bǔ)償和流量補(bǔ)償，以及控制模式和安全邏輯等方面［5］。

1）流量增益自動(dòng)控制。由于液壓缸腔側(cè)、桿側(cè)截面面積不同，延伸方向和折疊方向的缸速不同。此外，負(fù)載能夠影響到液壓缸內(nèi)流體速度。根據(jù)液壓缸體運(yùn)動(dòng)方向及其負(fù)載力的大小，流量增益自動(dòng)控制系統(tǒng)AFGC通過(guò)改變流量增益來(lái)消除流速差（不同的調(diào)節(jié)反應(yīng)產(chǎn)生的）。

2）差壓補(bǔ)償。如果負(fù)載過(guò)大（重規(guī)格軋制或板帶張力過(guò)高），更多的液壓油需要流入液壓缸腔體以滿足目標(biāo)力的需求。一旦所需要力很大，差壓補(bǔ)償增益就能夠加大力調(diào)節(jié)增益。

3）流量補(bǔ)償?；钐纵伣佑|到板帶時(shí)，小的流體流量就能增加活套液壓推力。但活套輥沒(méi)有接觸到板帶時(shí)，液壓缸頂起活套輥朝向接觸板帶的方向運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致液壓缸的腔室空間增大，就需要更多的液壓油進(jìn)入以增加液壓推力。

4）液壓力控制模式和安全邏輯?；钐滓簤和屏刂朴型屏刂颇Ｊ?、鎖定模式和快降落模式這3種。力調(diào)節(jié)器和補(bǔ)償功能適用于推力控制模式。如果檢測(cè)到異常，安全起見，控制模式改變?yōu)殒i定模式，即通過(guò)止回閥動(dòng)作關(guān)堵液壓缸。如果操作人員從HMI操作畫面選擇了快降落模式，控制模式就改為快降落模式，液壓缸由安全閥縮回到最低位。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)活套控制模型的分析，活套的高度和角度兩個(gè)變量至關(guān)重要，對(duì)這兩個(gè)變量的高精度控制是精軋機(jī)組軋制板帶平衡物流的最有效的手段?；钐譏LQ控制模型引入活套角度和張力兩個(gè)變量閉環(huán)控制，對(duì)于板形控制和軋機(jī)輥縫控制大有裨益，在日常應(yīng)用中，還需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。