微張力算法在活套控制中的應(yīng)用

于景輝，趙德琦

（1馬鞍山鋼鐵股份有限公司 制造部，安徽 馬鞍山243000；2北京科技大學設(shè)計研究院有限公司，北京 100083）

1 前言

眾所周知，張力是連軋過程的一個重要現(xiàn)象，各機架通過帶鋼張力傳遞影響、傳遞能量而互相發(fā)生聯(lián)系。張力是由于機架間速度差而產(chǎn)生的，從兩個機架間來看，如果由于某種原因（外擾量或調(diào)節(jié)量變動時）而使i號軋機帶鋼出口速度減?。赡苁擒堓佀俣葴p小，也可能是由于壓下率等其他工藝參數(shù)變動，造成前滑量減?。?，結(jié)果使i號和i+1號機架間的帶鋼拉直而產(chǎn)生張力［1］。在軋制某些規(guī)格的帶鋼時，精軋區(qū)域過程控制級（簡稱L2）向基礎(chǔ)自動化級（簡稱L1）下發(fā)的設(shè)定由于計算的秒流量不匹配造成前后機架壓下率或者速度不匹配。通常這種前后機架壓下率或者速度設(shè)定不匹配的情況會引起機架間帶鋼套量過大或者過小，后者俗稱“拉鋼”。而拉鋼現(xiàn)象明顯體現(xiàn)于前后機架穿帶后電流相差過大（后機架＞前機架），活套角度低于正常設(shè)定角度。當帶鋼對活套施加一定外力情況下，傳統(tǒng)的液壓活套油壓傳感器檢測計算得到的帶鋼張力就不能反映真實的帶鋼張力。

針對這種拉鋼現(xiàn)象，在某帶鋼熱連軋現(xiàn)場利用傳統(tǒng)的微張力算法對其進行簡化得到一種新的帶鋼張力檢測方法，通過這種方法判斷當前是否處在拉鋼現(xiàn)象并及時對活套高度閉環(huán)做出補償，在一定程度上緩解了由于拉鋼引起的帶鋼頭部拉窄拉薄等不良現(xiàn)象。

2 活套控制系統(tǒng)構(gòu)成與拉鋼問題

在傳統(tǒng)的活套控制策略中，活套的高度是閉環(huán)調(diào)節(jié)的，張力由于缺乏有效的檢測手段，一般是開環(huán)控制。本系統(tǒng)中，保證張力恒定，根據(jù)活套機械結(jié)構(gòu)（見圖1），通過檢測活套驅(qū)動液壓缸兩側(cè)（無桿腔，有桿腔）油壓得到的液壓力矩計算得到實際帶鋼張力：

式中：MT為活套張力矩；FHydraulic為液壓缸力；Y為液壓缸作用力的垂直方向與活套動力臂的夾角；MS為帶鋼自重力矩；Ml為活套自重力矩。而FHydraulic可以由公式（2）計算得到：

式中：PO為無桿腔油壓；PI為有桿腔油壓；SO為無桿腔面積；SI為有桿腔面積。

圖1 活套機構(gòu)動力示意圖

通過以上兩式能夠反算得到帶鋼張力，實際帶鋼張力與二級模型設(shè)定帶鋼張力形成張力閉環(huán)控制。本系統(tǒng)的活套控制器由位置閉環(huán)、張力閉環(huán)和高度閉環(huán)3個閉環(huán)組成。如圖2所示，活套在等待過鋼時處于位置閉環(huán)，根據(jù)上下游機架的負荷繼電器信號切換到張力閉環(huán)和高度閉環(huán)。而高度閉環(huán)投入的時間則通過是否建張來判定?；钐赘叨乳]環(huán)與張力閉環(huán)之間相互獨立，高度閉環(huán)通過設(shè)定角度換算的套量和實際角度換算的套量之間的偏差調(diào)節(jié)上游機架的速度達到套量恒定。張力閉環(huán)則通過油壓傳感器檢測計算到的帶鋼張力與設(shè)定張力比較從而維持帶鋼張力恒定。

在軋制某些規(guī)格（極厚）的帶鋼時，精軋區(qū)域L2向L1下發(fā)的設(shè)定由于計算的秒流量不匹配造成前后機架壓下率或者速度不匹配?！袄摗爆F(xiàn)象直觀體現(xiàn)于前后機架間的活套實際角度低于正常設(shè)定角度，如圖3所示。拉鋼現(xiàn)象的危害是顯而易見的，當出現(xiàn)拉鋼后，帶鋼頭部往后的一段距離的厚度同樣被拉薄。

圖2 活套控制系統(tǒng)示意圖

圖3 拉鋼現(xiàn)象

3 微張力算法建模與補償

當軋制處于拉鋼的狀態(tài)時，活套系統(tǒng)的實際帶鋼張力與角度如圖4所示。由圖4可知，7#活套處于拉鋼的狀態(tài)時，活套角度（套量）遠低于設(shè)定值。而通過油壓傳感器檢測計算得到的帶鋼張力在曲線中卻一直處于設(shè)定值范圍。此時油壓傳感器已不能反映真實的帶鋼張力，而實際的帶鋼張力在拉鋼區(qū)域要比設(shè)定值大。

圖4 活套角度與帶鋼張力

在現(xiàn)場活套輥沒有測壓頭同時傳統(tǒng)的油壓傳感器檢測計算方式又不能真實反映帶鋼張力的情況下，是否能夠找到另外一種方法準確得到真實的帶鋼張力，很多書籍及資料中利用微張力算法進行小張力軋制。但是這種算法需要計算大量且復(fù)雜的過程參數(shù)，同時僅適用于速度較慢的機架。

對活套上游機架的主電機建立電機負載模型如圖5所示。

圖5 電機負載模型

通過已知的電機轉(zhuǎn)速n，電機功率P，經(jīng)過減速箱的轉(zhuǎn)速nf，減速比j、實際電機效率η以及工作輥直徑d，由公式（3）～（7），可以推導(dǎo)出公式（8）：

式中：σ為帶鋼張應(yīng)力，n/mm2；Pm為上游機架實時輸出功率，kW；η為上游機架各級傳動效率；j為上游機架減速比；B為上游機架出口寬度，mm；h為上游機架出口厚度，mm；n為上游機架電機轉(zhuǎn)速，r/min；d為上游機架工作輥直徑，mm。

根據(jù)式（3）中計算得到的結(jié)果就能夠通過電機的信息得到實際的帶鋼張力/張應(yīng)力。針對拉鋼這種現(xiàn)象，可以根據(jù)實際帶鋼的張力/張應(yīng)力對高度閉環(huán)進行相應(yīng)的補償。圖6即為針對高度閉環(huán)進行補償?shù)乃惴ㄔ韴D，設(shè)定張力與主電機實際功率計算得到的帶鋼相張力比較的結(jié)果首先進入折線控制器中，而折線控制器能夠輸出非線性的補償，只針對正向偏差輸出即拉鋼的情況才會輸出，隨后乘以一定的增益（可調(diào)）后為避免振蕩，最終的輸出要經(jīng)過積分。

圖6 補償算法

補償算法的輸出量和原高度閉環(huán)控制器的輸出疊加進入上游機架主傳動裝置。如此，一旦發(fā)生拉鋼的現(xiàn)象，在L1（一級基礎(chǔ)自動化）系統(tǒng)中會調(diào)節(jié)對應(yīng)的上游機架主傳動系統(tǒng)速度，從而讓活套抬起至設(shè)定角度。

4 應(yīng)用效果

為驗證算法的有效性，在某帶鋼熱連軋現(xiàn)場將此算法投入。將算法中的比例增益K=1，積分時間TN=5 000 ms，根據(jù)現(xiàn)場發(fā)生的實際拉鋼現(xiàn)象投入。投入前后的效果對比如圖7和圖8所示。

圖7 算法投入前

圖8 算法投入后

對比圖7和圖8，首先可以看出當通過檢測電機功率計算得到的帶鋼張力＞設(shè)定張力時帶鋼處于拉鋼狀態(tài)，而通過油壓傳感器檢測計算得到的帶鋼張力不能反映帶鋼的真實張力；其次高度閉環(huán)的輸出相比較算法投入前也更加快速，活套從被拉低的角度恢復(fù)到設(shè)定角度的時間也大大縮短。而帶鋼頭部的寬度厚度相比投入前也有明顯的改善，如圖9所示。

圖9 算法投入后的帶鋼質(zhì)量

5 結(jié)語

利用主電機的信息對傳統(tǒng)的微張力算法進行改進，建立簡易帶鋼張力模型。同時針對L2設(shè)定誤差造成拉鋼的現(xiàn)象對活套系統(tǒng)中高度閉環(huán)進行及時補償，證明這種思想有利于拓展活套控制系統(tǒng)中對于張力檢測的手段。傳統(tǒng)的油壓傳感器檢測在某些場合不能準確有效的反映實際帶鋼張力，而壓頭的成本又相對較高，因此本文所提出來的算法可以作為一種新的有效檢測手段。筆者在某帶鋼熱連軋現(xiàn)場投入使用取得了一定的效果，但該算法還需要進一步的改進，才能最終保證算法的準確性。