dagc方法代替引进厚控数学模型的历史进程

1 DAGC 方法代替引进厚控数学模型的历史进程 张进之 马鹏翔 （中国钢研科技集团公司 ，北京 , 100081） 摘要：分析得出用 DAGC 代替西门子厚控数学模型可以提高厚控精度，宝钢 2050 热连轧实 践证实了其分析结论。分析出 GE 厚控数学模型与西门子厚控数学模型相同。攀钢 1450 热连 轧采用 DAGC 代替 GE 厚控数学模型取得了预期效果。热连轧厚控精度低于冷连轧精度的主 要原因，是张力系统与厚控系统的互相干扰，所以热连轧采用流量补偿方法可以提高厚控精 度,攀钢的实践证明了此观点。分析出 DAGC 代替日本厚控数学模型的两大优点：简化调节 参数；消除了压力 AGC 与监控预控之间互相影响，达到简化系统并提高厚控精度的效果。 关键词：DAGC 西门子 AGC GEAGC 测厚计型 AGC 厚控精度 The history of DAGC method instead of mathematic model of thickness control Zhang Jinzhi Ma pengxiang (China Central Iron eliminating the influence between tension AGC and supervision forecast supervision, and this effect can be achieved that predigest system and enhance precision of thickness control. Keyword: DAGC siemens AGC GEAGC thickness gage model precision of thickness control 1. 引言 DAGC(动态设定型变刚度厚控方法的简称)是上世纪 70 年代末发现轧件扰动可测发明的 新型厚控方法，它比英国人发明的 BISRA 和日本人发明的测厚计型厚控方法具有响应速度快、 与其它厚控方法共用无相互影响、统一了轧机和平整机控制系统等多项优点。该方法在第一 重型机器厂 200mm四机架冷连轧机上实验成功后，在多套可逆式冷、热板带轧机上推广应 用，取得了预期效果13 ，开始研究在引进的板带轧机上推广应用的问题。首先是研究代替 西门子厚控数学模型，因为我国两套大型热连轧机（鞍钢 1700mm、宝钢 2050mm）和上钢 三厂 3300mm 宽厚板轧机都是西门子厚控数学模型，而 DAGC 已在上钢三厂 2300mm 中板轧 机上成功应用，取得了比 3300mm 宽厚板轧机上好的厚控效果 :DAGC 的厚控标准差为 0.04mm,而西门子厚控的标准差为 0.089mm4。 当时我国已对西门子厚控数学模型已有较深入研究：宝钢吴章维、谢文祥论文，液压 AGC 在宝钢热轧厂的应用5；赵铁航论文，热连轧数学模型应用程序分析6。这两篇论文 2 为分析用 DAGC 代替西门子厚控数学模型的具体实施方法提供了有利条件，从而写出了两份 分析报告：宝钢 C9509 提高热轧带钢厚控精度的可行性报告（1995.6.11）; 提高鞍钢 1700 半 连轧机产品精度的几点建议（1995.8.11） 。宝钢 2050mm 热连轧机厚控数学模型改进，在宝 钢有关领导支持下，钢研院与热轧厂密切合作下得以实施，取得了预期效果7.8。 2. 压力 AGC 数学模型的改进 压力 AGC 数学模型是英国人发明的，是轧钢理论和技术发展的一次飞跃，之后有进一 步改进。德国西门子首先将无辊缝闭环的测厚计 AGC（绝对值 AGC）改进成辊缝内环，厚 度外环，两环之间由积分环连接的形式，即原宝钢热连轧的压力 AGC 方式。为加快响应速 度，陈振宇等提出将积分环节改成比例积分环节。德国 AEG 为本钢热连轧 AGC 原设计方案 采用了比例积分方式，在 1988 年现场调试时改成模型算法，实现了比例环节连接。日本神 户制钢提出了改进的 BISRA 方法，并申请了专利。日本神户方法公开发表是 1983 年，张进 之方法是 1982 年公开发表。日本神户、AEG 、张进之方法的基本原理是相同的，即在扰动 条件下，通过识别扰动，保证厚度恒定的辊缝动态计算方法。张进之 1984 年发表的动态设 定 AGC 的可变刚度计算公式，是德、日没有的。详细论证三种方法的不同点见文献13。 图 1 西门子 AGC 控制图 西门子方法与动态设定方法相比较，主要缺点是响应速度慢。经分析研究证明，西门子 方法可以简便地改造成动态设定型变刚度厚控方法。具体做法是将位置与厚度环之间积分环 3 节改变成比例连接，即在原系统控制图的修改部分（图 1 所示）改成下述计算公式（1） ， （2） 。 SK =-C SK-1+ PK (1) C= (2)MQ2QMc 式中:Mc当量刚度; M轧机刚度 ; Q轧件塑性系数; C可变刚度系数; SKK 时刻辊缝调节量; SK-1实测辊缝值。 (1)、(2)式模型公式的推导见文献14 。 动态设定 AGC 已在国内外许多轧机上成功地应用,效果十分明显。 3. 热连轧 AGC 厚控数学模型改进的实践 关于宝钢 2050 热连扎机厚控数学模型修改后取得的效果已在78文中详细论述了。主 要介绍在攀钢 1450 热连轧机 DAGC 代替 GE 厚控数学模型的效果，进一步修改代替日本三 菱厚控数学模型的可行性分析。 3.1 攀钢 1450 厚控数学模型的分析和修改 攀钢 F4F6 过去的厚控数学模型，是美国 GE 方式。该模型由厚度差转换为消除它所需 的辊缝计算公式： S= -(1+ )h (3)h2MK K=KM B QpR 式中: KM轧件硬度; B轧件宽度; S辊缝改变量; -轧辊压扁半径R h压下量; Qp几何因子. (3)式与通用的压下效率计算式不同,但描述同一物理关系的计算公式是可以转化的 ,即(3) 式中的 应当等于 ,再应用宝钢 2050 热连轧机设定模型研究一文中的硬h2MKMQ 度计算公式: = (4)BhRHQ = =M2KMRQph2hQpH2 则推得 Qp=2 Hh 4 以上推导表明 ,可认为 GE 厚控数学模型与西门子数学模型是相同的。只作一些变换得 到 GE 厚控模型的几何因子 Qp 为 2 倍的压下率。以上分析证明了 GEAGC 数学模型与西门 子厚控数学模型是一样的。 DAGC 投运后的实际上效果 DAGC 于 2003 年 7 月经调试投入正常使用,比原先从国外引进的 AGC 系统厚控精度有明 显提高。2004 年新的过程自动化系统投入正常使用后,并对 DAGC 的控制参数进行了精调,其 厚控精度又有进一步提高,特别是轧制较厚带钢其厚度精度有很大改善,质量指标达到 1/4 ASTM 95%以上,2004 年 DAGC 精调后的效果如图 2 所示。 DAGC 在攀钢应用的详细情况,见文献14 。攀钢 1450 热连轧机控制系统由国内负责改 造已获 05 年四川省科技进步一等奖；06 年国家科技进步二等奖。 图 2 改进厚控数学模型前后厚度和宽度精度对比 3.2 改进日本三菱厚控数学模型的可行性分析及实现 日本三菱或东芝厚控数学模型在我国应用比较多,最先是武钢 1700mm 热连轧机从日本引 进,其厚控数学模型是东芝的; 宝钢股份 1580mm 热连轧机,宝钢集团上钢一厂 1780mm 热连轧 机,宝钢股份新建 1880 mm 热连轧均为日本三菱的厚控数学模型,鞍钢 1780 mm 热连轧机和唐 钢 CSP 等均为从日本引进。所以分析和改进日本厚控数学模型有重要的实际意义。 日本厚控数学模型: S= (5)hQMK1 式中： S辊缝调节量 mm ；M 轧机刚度值 KN mm-1 ；Q轧件塑性系数 KN mm-1； K压力 AGC 增益值； -比例因子； h厚度偏差值 mm 模型中的厚差由弹跳方程根据压力、辊缝实测值计算。公式中的 、K 两个参数可按实 际经验或计算机仿真实验的方法确定,这两个参数与轧件特性有关,所以难保证最佳值。而 5 DAGC 只有一个当量刚度参数,它很容易给定,一般取 510 倍的轧机刚度 M 值。 另一个重要问题是与监控 AGC 的关系。压力 AGC 由于受轧辊磨损、热膨胀、油膜轴承 的油膜厚度等的影响,其厚控精度不能高于 0.02mm,所以必须有监控 AGC 共用。压力 AGC 与 监控 AGC 的相关性就显得对系统设计和参数优化十分重要了。理论分析和实践证明:动态设 定 AGC 与监控是自动解耦的 ,而测厚计型与监控是互相影响的。关于压力 AGC 与监控关系 的详细分析和实际应用效果,详见文献16 。 关于宝钢 1580mm 热连轧 AGC 模型改造工程，经几年论证，于 2006 年宝钢公司立项， 由宝钢分公司热轧厂，宝钢研究院自动化所和东北大学信息科学与工程学院合作完成。经一 年多时间的分析研讨、现场实验和仿真实验，于 2007 年 12 月 17 日公司组织专家验收，专 家给予很高评价。目前 1580 厚控精度在宝钢属先进水平，当然也属于世界先进水平。具体 内容见参考文献17。 4. 活套控制系统与厚控系统的相互影响 实现稳定连轧过程要求秒流量相等，但是，连轧生产过程中许多工艺参数和设备参数的 变化，都会使金属流量平衡失调，使平稳连轧状态受到破坏。热连轧活套装置就是当流量平 衡变化时，通过活套高度变化，吸收或放出活套中存储的钢带，保持连轧过程正常进行。活 套设计的基本要求是，在活套量变化过程中维持张力恒定和及时调节轧辊速度恢复活套的设 定高度，即保持活套角向设定值靠近。由于它的基本功能，在连轧过程中活套在不断摆动， 这种摆动与厚控系统产生严重的干扰。活套高度控制与张力控制是两个独立系统，张力恒定 是靠控制马达力矩来实现，力矩控制是一个滞后系统，因此活套摆动时张力必然要发生变化， 此变化张力称带钢瞬变张力。 6 图 3 多变量控制的仿真结果 现在应求得瞬变张力值的大小，9文对此问题作了分析，得出瞬变张力值可达正常设定 值的 45.5%。活套上下摆动时，实际张力在 14.55N/mm25.45N/mm2 之间变化，假定张力设 定值为 10N/mm2。张力变化将引起轧制压力变化轧机弹跳变化 出口板厚变化，厚度变化 将使厚控系统动作，从而又引起秒流量的变化。总之，活套控制系统与厚控系统之间存在着 很强的耦合作用，对厚控精度有很大的影响。 厚控系统与活套系统耦合作用对厚控精度影响的量是多大呢？10文对此问题进行了理 论分析，仿真实验和热连轧机上的实验。下面将10文的主要结果简介如下。 10文分穿带过 程和稳定连轧两种情况分别作了分析和实验，对非稳态部分，主要提出用活套角速度观测器 方法使过渡过程加快，张力波动减少，实际张力变化由 13.2T 减小到 7.8T，设定张力为 12T。稳定态连轧部分，按现代控制理论设计多变量控制器，在只有两机架连轧张力动态数 学模型情况下，所以只实现两机架张力和厚度多变量控制，忽略了机架间张力和厚度的总体 相互干扰。仿真实验和轧机上实验为三个机架，三机架可分解为二个独立的张力和厚度多变 量控制系统。 仿真实验，对精轧机组后边三个机架（F4、F5、F6 ）上安装的最佳调节器与常规控制系 统作了对比，结果如图 4 所示。 7 图 4 多变量控制的实机试验结果 在仿真实验时，设 F1 机架入口的正弦波状温度干扰，温度变化幅度为 150C，频率为 0.05Hz。对常规控制，K n=0.8，虽然控制系统稳定，但在 F6 机架出口处留下很大的厚度偏差。 若使 Kn=1.0，则控制系统不稳定。与此相反，当多变量控制时（图 1（3） ） ，即使 Kn=1.0，控 制系统也很稳定，F6 出口厚度变化几乎为零，张力变化、活套角度变化都控制的很小。 在和歌山厂热连轧机（F4、F5、F6 ）上实验，轧制宽度为 955mm，厚度为 4.5mm 的低 碳钢，图 4 示出其结果。 从图 2 实验结果可以看出，在进行多变量控制时，可以提高 AGC 增益，与常规控制相 比，F6 出口的厚度偏差从峰值到峰值，可由 62m 减少到 35m。同时还可以看出，虽然随 着 AGC 增益的提高，F6 机架压下量聚变，但通过同时修正 F5 机架轧辊速度，可以使活套角 度及张力都得到稳定。 由9文给出活套摆动瞬时张力值，10文一般控制和活套厚控多变量最佳控制的定量结 果，说明了热连轧厚控精度比冷连轧低一个数量级的原因；也告诉人们，采用多变量最优控 制可以显著地提高厚控精度。笔者在建立多机架连轧分布参数动态张力数学模型后，曾进行 过五机架冷连轧张力和厚度多变量仿真实验11和武汉带钢厂 350mm 三机架冷轧控制实验 12，结果与10文相似。由于客观原因，这项工作未继续进行。 目前世界热连轧主导方向为液压活套和张力解耦最优控制。但是，从连轧张力公式推出 的流量 AGC 不仅已在冷连轧机上普遍应用，在攀钢 1450 热连轧机上已试验成功。2008 年投 入正常应用，使热连轧厚控精度向冷连轧靠近了。连轧张力公式推出的控制系统可能成为热 连轧主导方向，因为同时提高了张力、厚度和板宽的控制精度。 5 结论 1、对鞍钢、宝钢等引进西门子厚控系统、厚控数学模型及程序深入分析为改进其厚控 数学模型提供了基本条件。分析出用 DAGC 代替西门子厚控数学模型可提高厚控精度,实践 证实改用 DAGC 后使厚控精度提高了一倍。 8 2、攀钢 1450 热连轧机从国外引进的厚控数学模型为美国 GE 的,分析证明 GE 厚控数学 模型与西门子数学模型是相同的(通过数学变换证明), 由此攀钢 1450 精轧机组由国内负责改造 采用 DAGC 代替 GE 厚控数学模型,取得了完全的成功。 3、分析出 DAGC 比日本测厚计数学模型的两个优点:测厚计型有两个参数需要调节,而 DAGC 只有一个参数需要调节,而可调范围很宽;DAGC 与监控、预控无相互影响 ,是自动解耦 的,而测厚计型有相互影响。 4、热连轧用流量 AGC 不仅能提高厚控精度，而且宽度精度也大大提高了，应当推广流 量 AGC 在热连轧机上的应用 。 参考文献 1.陈德福、姚建华、孙海波等,动态设定厚控方法和锁定 保持法在中厚板轧机上应用 J 1992 (1):4251 2.李炳燮、陈德福、孙海波等, 冷连轧机液压 AGC 微型计算机控制系统 J 1988 (1):1923 3.史庆周、孟庆有、赵恒传等, 高速铝板轧机液压厚调计算机控制系统 J 1990 16(3):276280 4.张进之、戴学满, 中厚板轧制优化规程在线设定方法 J 2001 年 6 期 5.吴章维、谢文详, 液压 AGC 在宝钢热轧厂的应用 A,中国金属学会论文.1990.10 6