（机械工程专业论文）中板四辊轧机液压agc系统研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着生产发展和技术的进步，用户对板厚精度的要求越来越商。液压厚 度自动控制系统是保证产品厚度尺寸要求的重要装备。本文以中板2 5 0 0 精轧 机液压a g c 改造为背景，根据中板的实际情况及计算机的发展，选择了先进、 实用的动态设定型压力a g c 控制系统，对改造后的a g c 系统使用中出现的问题 进行了分析，提出了部分改进措施。 在掌握液压厚度控制系统硬件软件配置的基础上，采用计算机仿真的 方法，研究了系统的动态特性。计算机仿真的基础是控制系统每个环节的传 递函数。在建立了液压a g c 系统的数学模型后，研究了系统压力波动对 厚度调节效果的影响，利用大型通用数学分析与运算软件一m a t l a b 对系统的 时域和频域特性进行了分析研究。 对动态设定型压力a g c 控制算法进行了研究及理论推导，由于模型误 差影响，a g c 控制调节效果受轧机刚度和轧件特性影响较大，当轧机刚度 较低，轧件塑性系数较高时，往往达不到理想的调节效果。因此，从设备 方面提高轧机刚度，减少非线性影响，工艺方面减少钢板温差，有利于厚 度控制。 相对a g c 只能保证同板差，绝对a g c 能保证异板差，为了消除轧机刚 度曲线非线性段的不稳定性，对轧辊进行压靠调零。分析了压靠过程中轴 向力的产生原因及消除措施。当轧辊存在水平度误差或两侧刚度不同时， 两侧轧制力会出现差异。当轧辊轴线交叉时，会产生较大轴向力，对设备 造成损坏，影响轧制稳定，使用中必须加以避免。 关键词：中厚板轧机厚度控制液压a g c 仿真 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y , c u s t o m e r sd e m a n dm o r e a n dm o r eo nt h eg a u g ea c c u r a c yo fm e d i u mp l a t e h y d r a u l i cg a u g ea u t oc o n t r o l i si m p o r t a n te q u i m e n ti na s s u r i n gt h eg a u g ea c c u r a c yo fp r o d u c t t h i sd i s s e r t a t i o n i sb a s e do na g cs y s t e mr e v a m p i n go f2 5 0 0 m mf i n i s h i n gr o l l i n gm i l la tm e d i u m p l a t e a d v a n c e da n dp r a c t i c a ld y n a m i ca g c c o n t r o ls y s t e m sa r eu s e di nm e d i u m p l a t ea c c o r d i n gt oi t sa c t u a ls i t u a t i o na n d t h ed e v e l o p e m to fc o m p u t e r a tt h e s a m et i m e ，a n a l y a z i n gt h ep r o b l e m so c c u r r e da n ds o m eb e t t e rm e t h o d sa r e i n t r o d u c e do ft h er e v a m p e da g cs y s t e m ： o nt h eb a s eo fm a s t i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fh y d r a u l i ca u t o m a t i c g a u g ec o n t r o l ，w et a k ea d v a n t a g eo ft h em e t h o do fd i g i t a l s i m u l a t i o nt o i n v e s t i g a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i ca g cs y s t e mo fr o l l i n gm i l l t h eb a s eo fd i g i t a ls i m u l a t i o ni st ot r a n s m i tf u n c t i o no fe v e r yl o o po fc o n t r o l s y s t e m o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gt h em a t hm o d e lo fh y d r a u l i ca g c ，w e a n a l y a z et h ee f f e c tt h a tp r e s s u r ef l u c t u a t ei m p a c to ng a u g ec o n t r 0 1 a n a l y i n g a n dr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e ro f t i m er a n g ea n df r e q u e n e er a n g eo fs y s t e mb y u s i n gt h el a r g em a t ha n a l y a z ea n do p e r a t i o ns o f t w a r e - m a t l a b r e s e a r c ha n dp e r f o r mt h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t i o no nc o n t r o la r i t h m e t i co f d y n a m i ca g c ，t h em i l lm o d u l u sa n d r o l ls t o c kc h a r a c t e r i s t i ch a v el a r g e i n f l u e n c eo nt h er e s u l t so fa g cc o n t r o ld u et ot h ee r r o ro fc o n t r o i m o d e l ，w h e nt h em i l lm o d u l u si sl o wa n dr o l ls t o c kp l a s t i cc o e f f i c i e n ti sh i g h ，i t i sn o te a s yt or e a c ht h ep e r f e c tp u r p o s e s oi t sf a v o r a b l et ot h i c k n e s sc o n t r o l b yi m p r o v i n gt h em a c h i n em o d u l u s ，d e c r e a s i n gt h ei n f l u e n c eo fn o n - l i n e ra n d d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ei nm i l ls t o c k r e l a t i v e l ya g co n l ye n s u r et o l e r a n c ei nt h es a m ep l a t e ，a b s o l u t e n e s sa g c c a ne n s u r et o l e r a n c ei nd i f f e r e n tp l a t e ，i no r d e rt or e d u c et h eu n s t e a d yi n n o n 1 i n e ro fm i l l m o d u l u sc u r v e ，t h er o l l e rm e e tt i g h t l ya n da d j u s t z e r o a n a l y z i n gt h ec a u s eo fa x i sf o r c ea n dh o wt or e d u c et h ef o r c ew h e nt h e v 山东大学硕士学位论文 r o l l e rm e e tt i g h t l y ，w h e nt h er o l l e re x i s th o r i z o n t a le l t o ro rt h er o l l e rm o d u l u s a r ed i f f e r e n ti nt w os i d e ，t h er o l l i n gf o r c ei sd i f f e r e n ti ne a c hs i d e t h el a r g ea x i s f o r c ea p p e a rw h e nt h er o l l e ra x e si n t e r s e c t ，t h i sw i l ld a m a g et h ee q u i p m e n t ，i t a l s oh a se f f e c to ns t e a d yo fr o l l i n g ，s ow h e nr o l l i n gw es h o u l da v o i db r i n ga x i s f o r c e k e y w o r d s ：m e d i u mp l a t er o l l i n gm i l l ，g a u g ec o n t r o l ，h y d r a u l i ca g c 。 s i m u l a t i o n - v l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：l 蓥望日期：碰之! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：址导师签名：毖期：2 型 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 中厚板质量指标中，厚度的尺寸精度和厚度在全长上的均匀性以及板型的 好坏都是十分重要的，中厚板轧制的基本目标就是生产出板形良好、板凸度小、 同板厚差和异板厚差尽可能小的产品。其中，同板厚差和异板厚差的减小是采 用负公差轧制以提高成材率的关键，科学技术不断进步，用户对板带钢材的品 种、材质、精度提出了更高的要求，尤其在汽车工业、电子工业、高压容器等 领域对各种板带材要求更为苛刻。因而促使板带轧机向自动化、高速化和高精 度方向发展，轧机的压下机构要具有高精度、快速性、稳定性、同步性、可靠 性等要求，传统的电动压下由于传动效率低、转动惯量大、反应速度慢、调整 精度低等缺点，己不能满足工艺要求【l 】。而液压厚度自动控制h a g c ( h y d r a u l i e a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 能很好满足以上用户的要求。 济钢中板厂2 5 0 0 m m 精轧机于8 9 年1 月试生产，投产初期，曾安装液压 a g c 系统。由于当时设计及技术不成熟，油液污染严重，故障频繁，系统投用 率不高。为了提高产品质量，2 0 0 4 年决定对a g c 系统及辊系进行改造，安装 一套新型液压a g c 系统。该项目采用先进的工艺技术及控制方法，压下系统 采用计算机二级控制，根据生产工艺的需要，实现相对a g c 方式和绝对a g c 方式进行厚度控制，生产高质量的中厚板。为了创造更多的经济效益，应尽量 缩短安装调试时间，对生产的影响达到最小。因而，就有必要对济钢压压下控 制系统进行动态特性分析，建立数学模型，计算机仿真，并把理论分析和调试 结果对比，以求得更可靠的理论基础，进而优化参数，指导调试和生产，使a g c 尽快投入正常使用。目前国内a g c 的控制模型有多种，但各有优缺点，其稳 定性和调节效果受多种因素影响，也依赖轧机轧件特性。为了提高a g c 的使 用率，需要对系统进行消化吸收，针对使用中容易出现的低温钢及合金钢厚控 效果不好现象，提出改进措施 山东大学硕士学位论文 我国中厚板轧机厚度控制精度与国外先进水平相比有很大差距，目前除国 内除鞍钢厚板厂等少数轧机设有液压a g c 板厚自动控制系统外，绝大多数轧 机都没有控制板厚偏差手段，板厚偏差普遍在o 2 5 , - , 0 3 0 ，与国外o 0 7 o 0 8 r a m 相差甚远。从目前国内的自动厚度控制系统的运行情况来看，远没有达到理想 的指标。原因是系统某些环节的制造工艺不过关，以及没有充分发挥设备的控 制能力。所以，对系统各环节进行认真的分析与测试，提高液压系统的可靠性 和投运率十分必要的，目前济钢热轧、冷轧项目正开始建设，对厚度精度的要 求更高。因此开展对液压a g e 系统的分析研究具有十分重要的意义。 1 2 厚度自动控制( a g c ) 系统的类型与特点 厚度自动控制是通过测厚仪或传感器( 如辊缝仪和压头等) 对钢板实际轧出 厚度连续地测量，并根据实测值与给定值相比较后得到偏差信号，借助于控制 回路和装置或计算机的功能程序，改变压下装置、张力或轧制速度，把厚度控 制在允许偏差范围内的方法。实现厚度自动控制的系统称为“a g c ”。1 。 1 2 1 影响轧件出口厚度的因素啪 影响轧件出口厚度的干扰因素主要源于轧机和轧件，下面对这些因素进行 分类并加以描述。 ( 1 ) 轧机机械和液压压下装置的干扰因素。轧机液压装置本身的缺点及某个 参数的变化将会使轧机的刚度及空载下的辊缝产生变化产生这种变化的影响 因素有：轧辊磨损，轧辊的热胀冷缩，轧辊平衡力的波动，轧辊偏心，轧辊的椭 圆度，轧机的振动，轧辊润滑剂膜层厚度的变化。当轧机开始承受载荷时，那 些传递载荷的轧机构件将发生挠曲和变形，从而使辊缝产生额外的变化，其变 化程度的大小取决于轧机结构刚度的大小。 ( 2 ) 轧件温度变化的影响：对热轧而言，最重要的因素是轧件温度的波动。 主要包括加热温度不均匀及轧制过程中温降的不一致。带坯的纵向温差变化对 板带钢厚度波动的影响，主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数产生影响，从 而引起厚度偏差。轧件在加热炉内加热过程中由于接触水冷导轨从而使轧件局 山东大学硕士学位论文 部产生水印，因而在轧制过程中引起轧制力波动。 ( 3 ) 自动控制系统的干扰因素。这些因素主要是由于下列控制系统本身的 不完善引起的轧制速度的控制：辊缝的控制，轧制力的控制，轧辊平衡的控制， 轧辊的冷却及润滑控制，轧件张力的控制，厚度监控器的控毒4 。 ( 4 ) 轧件方面的干扰因素。车l 制时轧件的厚度也能受到入口轧件以下因素的 影响：厚度的变化，硬度的变化，宽度的变化，断面的变化，平直度的变化。结 合影响轧件出口厚度的因素和板带轧机的特点，重点对几种典型的压力a g c 系 统进行剖析。 1 2 2 典型的压力a b c 系统 轧制时，在轧制力作用下，轧机及轴承座等受力部件会发生弹性变形，在 轧制过程中的轧制力波动，在一定的原始辊缝下，机座弹性变形也有相应的波 动，这就使轧件沿长度方囱的厚度发生变形，产生纵向偏差。轧件沿宽度方向 产生的横向厚度偏差，一般是通过合理的辊型设计来控制： 在轧制板带时，要实时监测轧制时辊缝处钢板的实际厚度比较困难，可以 在轧机出口侧设置高精度的钡8 厚仪来进行反馈控制，然而由于中厚板轧制是多 道次来回轧制，上述的反馈控制需要一系列的保证措施。 压力a g c 根据轧制力反馈信号及辊缝反馈信号来控制轧机的压下系统，从而 完成厚度自动控制。钢板的实际轧出厚度h 与预设辊缝值s 。和轧机弹跳值s 之 间的关系用下式描述： h = s o + s = s 。+ p m( 1 一1 ) 式中：h 一钢板的计算厚度； s 一原始辊缝； p 一轧制力；m 一轧机刚度 根据弹跳方程的引用方式不同，压力a g c 算法可分为如下三种： 1 2 2 1b i s r - - a g o 又称相对a g c ，也称头部锁定式 g c 。中厚板轧机早期使用的厚度控制手段， 目前在实际的生产中仍在使用。在咬钢后的某一时刻，记住其辊缝值和轧制力 值，将之作为锁定辊缝和锁定轧制力，在轧制过程中，根据实测轧制力和实测 辊缝值与锁定轧制力和锁定辊缝的差值来控制辊缝，从而消除厚差“1 。值得注 意是：相对a g c 只能消除同板差，而不能消除异板差。辊缝调节量用如下公式计 算： 山东大学硕士学位论文 a s 一一c 旦m ( 卜2 )l l zj 式中： c 一变刚度系数； as 一辊缝调节值； m 一轧机剐度系数 b i s r aa g c 模型的最大的缺点算法逐渐收敛，系统响应时间长，反应速度慢， 这是由模型本身所决定的。 1 2 2 2 厚度计a g c ( g m a g c ) 又称作绝对a g c ，在轧制过程中，利用弹跳方程，根据实测的辊缝和实测 轧制力计算辊缝中钢板的厚度，使之与目标厚度比较，利用其差值来调节辊缝， 从而完成厚度控制。此种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”。 这种厚控模型是以目标厚度为基准值，而不是锁定厚度。因此，能同时改善钢 板的同板差和异板差习惯上，g m - a g c 与绝对a g c 都指同一含义。 1 2 2 3 动态设定型( d y n a m i cs e t ) g c 动态设定型a f , c 是由钢铁研究总院的张进之提出的，采用泰勒级数的方法 进行了推导。动态设定型a g c 直观的解释是，a p c ( 自动位置控制) 的辊缝设定 值随时按条件的变化而动态调整，从而由a p c 实现a g c 的功能。其控制算法如 下： 蝇一j j 峨- l - j i 2 等峨 ( 1 - 3 ) i ：丝：丝 盯。+ q( 1 4 ) 式中：s 广_ k 时刻辊缝调节量；p 一轧制压力； m 一轧机刚度：m 广当量刚度；q 一轧件塑性系数。 动态设定型a g c 从轧制力增量中，减掉位置调节量引起的轧制力增量，得 到扰动引起的轧制力增量，根据这个增量与消除厚差的所需的位置调节量之间 的关系，对轧机压下系统进行调节，消除厚差。g m a g c 是利用位置和轧制力增 量信号，依据轧机弹跳方程估计厚度偏差，然后考虑轧机压下效率补偿，对轧 机压下系统进行调节以消除厚度偏差。由于二者控制的思路不同，构成的控制 4 山东大学硕士学位论文 算法表达形式也不同，一直被认为是两种不同的控制算法。然而二者在应用上 又有相似之处，即当变刚度系数为1 时，? 理论上二者都可以一次性地消除外扰 引起的厚差。有学者从控制算法表达式、控制系统方框图和p h 图三种途径详 细的证明了厚度计型a g c 和动态设定型a g c 是完全统一的砖3 这为压力a g c 算法 的选择提供了理论依据。 1 2 2 4 其它几种常用的a g o ( i ) 反馈a g c 反馈a g c 通过测厚仪测出实际轧出厚度h ，并与给定的厚度值h 。比较，得 到厚度偏差a h ( a h = h - h ) 当h 0 时，便将信息反馈给厚度自动控制装 置，变换为辊缝调节量的控制信号，输出给电动压下或液压压下装置，消除厚 度偏差。辊缝调节量s 由下式计算： a s = 旦m 生a 6( 1 6 ) l oj 式( 1 6 ) 就是反馈a g c 模型的基本公式。由于反馈a g c 在实际的应用中存 在着时问滞后的问题，所以这种按比值进行厚度控制的系统很难进行稳定的控 制。 ( 2 ) 前馈a g c 在轧制过程尚未进行时，预先测定出来料厚度偏差h ，并送给下一机架， 在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所要求的轧出厚度h ，正由于 它是提前设定调整信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈a g c 。前馈a g c 控制原理就是用测厚仪或前一机架作为“厚度计，在钢板未进入本机架前测 量其入口厚度h ，并与给定的厚度h 。比较，得出厚度偏差 a h 。以便预先估计 出可能产生的轧出厚度偏差h ，从而确定为消除h 所需的辊缝调节量a s ， 提前对本机架进行厚度控制，保证所要求的轧出厚度。 其数学模型的基本公式为： a s ：卫 l ( 3 ) 监控a g c 监控a g c 是利用测厚仪直接测量厚差的厚度控制系统， 5 ( 1 7 ) 一般在轧机上安装 山东大学硕士学位论文 直近式测厚仪，利用其高精度测量值与目标厚度之差进行反馈控制，这样可以 及时修正轧辊热膨胀和轧辊磨损等原因引起的厚度偏差。所以监控a g c 不能作 为主体厚控手段，只能与压力a g c 配合使用，从而实现严格按目标厚度轧制。 1 2 3 各种压力a g c 的比较 压力a g c 是根据弹跳方程，利用轧制力信号间接测量厚度差的厚度自动控 制系统，该装置以其简单、响应速度快等优点得到了广泛的应用。b i s r a - a g c 是一种简单的压力a g c ，只使用了轧机刚度m ，然而其使用的轧机弹跳方程是线 性的，影响了轧件厚度估计精度，并且没有考虑轧机压下效率补偿问题，因而 其系统动态响应特性不理想。g m a g c ( 厚度计型a g c ) 是在b i s r aa g c 基础上加 入了轧件塑性刚度系数q ，增加了轧机压下效率补偿( m + o ) m ，有效的提高了系 统的动态响应特性但是，g m a g c 厚度估计模型仍使用线性轧机弹跳方程， 其估计精度是有限的。动态设定型a g c ( d y n a m i cs e ta g c ) 是从轧制力增量中 减掉辊缝调节造成的轧制力增量而得到轧件扰动引起的轧制力增量，然后再计 算出位置控制系统设定增量值( 辊缝调节量) 。前面几种a g c 控制模型，都用线 性的轧机弹跳方程，因此，它们的估计精度受到了限制。绝对值a g c ( a b s o l u t e a g c ) ，使用了实测的非线性轧机弹跳方程，加上全面的辊缝补偿，使轧件厚度 估计精度大大的提高但是轧机的压下效率补偿环节仍同g m - a g c 和d y n a m i c s e ta g c 一样，使用了线性的轧机刚度和轧件塑性刚度，a g c 系统的动态响应特 性受到了限制。 1 2 4 压力a g o 的优缺点及解决方案 液压a g c 与其他控制方式相比有：响应速度快，可改变控制轧机工作机座 的刚度，可保证轧机的安全操作等优点。因此，随着市场对钢板质量要求的不 断提高以及伺服阀和检测元件性能的不断提高，压力a g c 目前在中厚板轧机上 得到了广泛应用，但压力a g c 存在以下主要缺点“1 ，限制了在高精度轧机上的 应用。 ( 1 ) 对轧辊偏心、热膨胀、轴承油膜厚度引起的厚差有扩大作用，实际应用 中需要对这些因素进行补偿。 ( 2 ) 辊系的数学模型复杂且具有非线性，轧机刚度很难精确知道，必须在每 个静态和动态过程中不断修正。 6 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 压力a g c 的控制精度依靠高精度的厚度计模型，但厚度计模型的精度无 法与测厚仪精度相比，因此压力a g c 无法达到太高的精度。 因此，一个高精度的压力a g c 系统，需要以下基础工作： ( 1 ) 测出轧机的刚度曲线，回归合适的刚度模型。 ( 2 ) 测出轧件宽度对轧机刚度的影响系数，从而对不同宽度的轧件进行宽度 补偿。 ( 3 ) 选择高精度的轧辊热膨胀及磨损模型。 ( 4 ) 在轧机出口处按照直近式测厚仪，。进行前馈和反馈控制，并对厚度计模 型进行及时修正。 1 3a g o 应用技术的发展 a g c 技术随技术的进步也在不断发展“。 ( 1 ) 从模拟a g c 到数字a g c 早期的a g c 是采用模拟电路来实现的，模拟电路通过调整可变电阻和可变 电容来完成的。调试过程复杂，调试周期长，故障发生率高，且故障检测困难， 模拟a g c 无法对数学模型进行准确的计算。随着电子技术、计算机技术和离散 控制技术的发展，模拟a g c 现已被数字 g c 所代替。近年逐渐使用专用计算机 控制系统实现数字式控制，与模拟式控制系统相比，数字a g c 系统硬件构成简单。 且计算机运行稳定、故障率小、故障检查简单，计算机技术的应用，使a g c 系 统的开发周期和调试周期缩短。 ( 2 ) 从电动a g c 到液压a g c 传统的电动 g c 由于响应慢，载荷不能太大等缺点，适应不了大轧制力下 的大规模生产，满足不了高精度产品的要求。液压a g c 具有调整压下速度快， 定位精度高，具有自动及快速卸压装置，以防止轧辊及轴承的过载和损坏等特 点，得到了广泛应用。 ( 3 ) 相对a g c 与绝对a g c 厚板轧机早期使用的厚度控制手段是b i s r a - a g c ( 即相对a g c ) ，它的控制 机理决定了这种厚控方法能有效地改善同板差，但异板差的改善依靠轧制力预 7 山东大学硕士学位论文 测方程的精度，但目前的轧制力预测方程的精度偏差在5 1 0 以上，很难得 到满意的异板差”1 。 绝对a g c 是在轧制过程中利用厚度计公式根据实测辊缝和实测轧制力计算 出辊缝中钢板的厚度，使之与目标厚度相比较，用其差值来调节辊缝，从而完 成厚度控制。绝对a g c 的特点决定了其异板差的精度仅由厚度计方程( 其精度 远高于轧制力预测方程) 以及摆辊缝精度来决定。所以绝对a g e 可在保证同板 差精度的同时，极大的提高异板差控制精度，绝对a g e 的应用使钢板厚控精度 又有了一个历史性的飞越。 ( 4 ) 厚度控制精度越来越高 到9 0 年代末板厚公差己小于士5 0 u m ，其主要技术是是使用液压代替电动压 下，控制系统数字化和由传统的厚度计式a g c 附加前馈a g c ( f f a g c ) ，使用 人工智能，如模糊理论、专家系统、神经元网络建立混合式预设定模型等 1 3 1 我国a g o 技术应用现状与发展前景 我国现有中厚板轧机小规格轧机多，宽幅中厚板轧机数量有限，产品的质 量和品种远远不能满足国民经济发展的需要0 3 。装备水平低，有少数轧机因配 料来源受到制约使生产能力不能充分发挥。因此，我国平均每套轧机的生产能 力远远低于国外轧机的平均生产能力。生产的钢板大多为普碳板和低强度合金 钢，专用板比例偏少 装备水平比较落后，国外加热炉多采用步进式，而我国仍以推钢式为主， 容易造成板坯加热温度不均匀，影响成品厚度还达不到全部钢坯热送热装， 因此燃料单耗较高。 自动化控制水平较低，除少数轧机如酒钢2 8 0 0 单机架轧机实现全部计算机 控制外，大部分轧机还是人工控制，而国外大多数中厚板轧机都实现了计算机 控制，车间的控制水平高度自动化。 此外，国内轧机缺乏比较完善的产品厚度检测手段，缺乏厚度检测如安装 厚度计等。厚度检测多数由人工对产品抽检，达不到全长实时检测。 近年来，我国在 g c 技术研究和应用方面发展很迅速，取得了很大成绩。 山东大学硕士学位论文 在基础自动控制方面，以p l c ( 可编程控制器) 、d c s ( 集散控制系统) 、工业 控制计算机为代表的计算机控制取代了常规模拟控制，现场总线、工业以太网 等技术逐步在冶金自动化系统中应用，在冶金企业全面普及。在控制算法上， 回路控制普遍采用p i d 算法。智能控制等先进控制技术在轧机轧制力控制等方 面有了初步应用，并取得了一定成果。 随技术的进步，压下控制技术包括的主要技术内容己为国内人士所掌握。 目前，技术的工程化已可以完全立足于国内。随着技术的不断完善，针对国内 板带轧机装备状况形成的一整套控制技术己经能够解决钢板生产中的厚度差及 板形等质量问题但是，我们应看到同世界钢铁强国的差距，我国的a g c 应用还 存在着很多问题。，耳前国内大多数中厚板液压系统投运率低，运行效果差。 造成这种状况的因素是多方面的m 1 ”： ( 1 ) 中厚板四辊可逆轧机运行时各种参数变化范围很大。包括轧制力、压 下量、辊缝变化量及钢板的塑性系数等。 ( 2 ) 四辊可逆轧机在轧前轧后一般不安装近机架测厚仪，因而，预控和监 控a g c 等模型不能在其系统中应用。 ( 3 ) 影响板厚的因素很多，而又不能及时补偿各因素对板厚的影响。 ( 4 ) 液压a g c 系统中的液压伺服系统的数学模型很难精确提炼出来，液压 系统的参数随时间变化，工作点改变时参数呈非线性变化，因而控制 方法的选择对控制精度有影响。 ( 5 ) 一般没有过程机或者即使有也不能正常投入，不能利用动态计算来及 时补偿各因素对厚板的影响。 要提高我国的板带材产量和质量，对中厚板轧机，进行液压a gc 计算机 控制系统改造，是提高同板差和异板差的重要措施，已是大势所趋。 1 4 液压a g c 发展前景 板带材的轧制过程是一个复杂的非线性过程，尽管线性控制理论己在轧制 过程自动化领域获得不小的成功，但随着用户对产品质量要求的不断提高，尤 其是对人工智能技术认识的不断深入，许多研究者已开始研究如何把专家系统、 神经网络、模糊理论等用于轧制过程，并取得了巨大成果和经济效益。以分布 控制系统取代集中控制，将成为今后发展的必然趋势。a g c 是轧制过程自动化 9 山东大学硕士学位论文 的一个重要组成部分，传统的a g c 技术是从轧制过程所发生的基本现象出发， 把轧机的弹性变形与轧件的塑性变形均近似为线性变形，并设计出线性控制器。 但对于一些无法忽略的非线性和不确定性因素，不得不采取各种改进或补偿措 施。利用s m i t h 预估控制策略设计的一种新型测厚仪式a g c 系统，已在本钢四 机架冷连轧机上成功地运行【1 3 】。人工智能技术在a g c 中的应用必将开创厚度 自动控制新的革命。 1 4 本文研究内容 本课题选择济钢2 5 0 0 四辊可逆轧机a g c 系统为研究对象，介绍了济钢2 5 0 0 四辊轧机压下系统的改造方案，研究、分析了其厚度控制基本原理，结合a g c 系统实际使用情况，分析产品产生厚差的原因及进一步提高液压a g c 控制精度的 措施，对辊系及工艺制度进行改进。 针对工程的实际需要，将完成以下工作： ( 1 ) 分析并掌握本系统的计算机控制系统和硬件配置。 ( 2 ) 对该轧机的液压控制系统建立数学模型进行分析。 ( 3 ) 在构造液压压下系统传递函数的基础上，运用经典控制理论进行厚度控制 系统的稳定性分析和a p c 系统的响应特性分析。讨论系统中有关参数对压下系 统动静态特性影响。 ( 4 ) 对动态设定型压力a g c 控制算法进行研究，指导生产实践。 ( 5 ) 探讨轧机辊缝调零中出现的问题及改进措施。 1 0 山东大学硕士学位论文 第2 章济钢中板a g c 系统 济钢中板厂a g c 系统2 0 0 4 年3 月开始进行了改造，现就该设备特别是液压a g c 部分作一概述。 2 1 中板厂工艺设备概况 ( 1 ) 工艺流程 济钢中板厂0 4 年淘汰三辊轧机形成了四辊轧机双机架中板生产线，年生产能 力1 5 0 万吨。 其轧制工艺为：坯料经过高压水除鳞后，由辊道送到四辊粗轧机进行展宽 和厚度轧制，当宽度达到要求时，由运输辊道送至四辊精轧机。四辊精轧机进 行纵轧，直到满足厚度要求。轧后铜板经矫直，送精整线定长定宽剪切。 ( 2 ) 原料及成品 原料为第一炼钢厂生产的连铸板坯，产品品种有碳素结构钢板、1 6 m n 系列 低合金钢板、船板、锅炉容器板。产品规格：厚度6 - - 3 0 m m ，宽度1 5 0 0 - - 2 0 0 0 m ， 长度4 0 0 0 一1 2 0 0 0 m m 。 ( 3 ) 2 5 0 0 车l 机技术参数 最大轧制力( 静态) 3 0 0 0 t2 5 0 0 t ( 动态) 最大轧制力矩2 0 0 t m 最大轧制速度2 4 - 4 9 m s 轧辊最大开口度1 5 0 姗 工作辊尺寸8 2 0 7 3 0 2 5 0 0 哪 支撑辊尺寸1 5 5 0 1 4 5 0 2 4 0 0 舢 轧制转速：0 - 6 0 - 1 2 0 ( r m i n ) 电动压下速度：2 - 2 0 m m s 电动压下速比：2 0 5 2 1 压下螺丝螺距：4 0 m m 山东大学硕士学位论文 压下螺丝直径：5 0 0 r a m 2 2 压下系统改造方案 本次改造是在原有电动压下的基础上，增加液压压下功能。利用液压压下 响应频率高的特性，对中厚板轧制过程进行动态厚度控制。改造的目的是提高 产品的厚度精度，减轻工人劳动强度，降低操作失误，达到降低成本，提高产 品竞争力，增加企业的经济效益。 2 2 1a g c 控制方案 ( i ) 相对值a g c 和绝对值 6 c 相结合 系统提供高精度的轧制力预设定计算，以保证良好的轧制厚度精度。为了 提高轧制产品的厚度精度，在精轧的前几道次采用恒辊缝或相对值a g c ，以便获 得比较准确的轧制过程参数；在其余的几个道次，采用绝对值a g c ，以便提高 每批料头几块钢的轧制精度，适应小批量、多品种的要求。采用绝对值a g c 时， 关键的环节是高精度的预测各道次的轧制力。因此，系统提供高精度的轧制力 模型和准确的在线信息。高精度的轧制力模型涉及到温度模型，变形抗力模型， 这些模型和相应的计算工作均包括在过程自动化的范畴之内。所以，过程自动 化是必不可少的。 ( 2 ) 轧辊热凸度和磨损的预测 轧制开始的阶段，轧辊热凸度的改变对产品的厚度和平直度有重大的影响， 根据具体的轧制过程进行情况，对热凸度和磨损的影响进行预测，进行相应的 补偿。 ( 3 ) 板凸度和板平直度控制 通过合理的负荷分配，确保轧后的板凸度和板平直度。 2 2 2 方案关键技术指标 2 2 2 1a g o 控制系统主要性能指标 液压压下速度： 4 m s 山东大学硕士学位论文 液压a p c 定位精度：0 o l o m m ， 系统0 i m m 阶跃响应： 一 l o m m 板厚l o m m 板厚 f o r u m 2 3 i 板轧机控制器 该部分硬件选用s i e m e n s 公司过程控制器产品s i m a d y nd 。s i m a d y nd 系 统是一种全数字、可自由配置、实时多任务、多处理器的模板化控制系统。每 个机架内可最多插入八个处理器，每个处理器可以执行各自的任务，处理器之 间互相独立运行，也可以通过系统总线( 称为局部总线和通讯总线) 进行数据 交换，控制模式有：模块化软件设计、图形化自由配置、功能块完善、完整功 能块描述、在线监测、参数修改( i b s ) 等。 主要控制功能： 在相应软件支持下生成a g c 测量系统( 压力、辊缝等) 、处理系统( 测量值 的平滑、滤波等) 、执行系统( 控制值的运算、输出) 、管理系统( 数据的规范 化、有序化、合理化) 。 软件结构：具有模块化的特点，编程软件主要有两种：s t r u cg 和s t r u cl 。 s t r u cg 是一种图形化编程语言，包括控制、运算，通讯、诊断、输入输出及 逻辑等功能，还具有i b sg 在线测试软件。s t r u cl 为表格形式编程软件，功 能同s t r u cg 。 2 3 2 液压压下油缸 济钢中板生产线为双机架作业，四辊轧机仅作为精轧机使用，因此来料厚 度通常不大于5 0 m m ，完全有条件采用全液压压下方式轧钢，而此方式得以实现 的关键部件是大行程压下油缸。压下油缸是液压a g c 系统的执行机构，它在中 板轧机上的工作环境是极为恶劣的，主要是承受巨大的轧制力、频繁的咬钢冲 山东大学硕士学位论文 击、剧烈的偏摆扰动、高温蒸汽和粉尘污染等影响，同时又要做到高定位精度 ( 0 o l o m m ) ，以满足苛刻的使用要求。油缸的结构强度要可靠( 油缸坯料采用 合金钢经精炼、真空浇铸、锻造、探伤等严格的工艺环节制造，加大关键部位 安全系数，并充分利用现有轧机的配合空间，增加结构强度) ；通过采用优选进 口件进行密封和“全包”方式的导向带，使油缸磨损以及偏摆撞击造成的损坏 降为最低；为了防止咬抛钢冲击和油缸偏摆对密封造成过早损害，在油缸上设 计了经多次改良的抗偏载装置。油缸的高响应、低磨进行改进设计，在精加工 中采用多次珩磨以及滚压、镀铬抛光，合理的低磨擦外导向装置，配合特别设 计的活动接头装置，可使液压系统与油缸的联接软管长度降至最短) 。设计原理 图示如下： 图2 1 压下油缸示意图 液压缸主要技术性能指标t 通过上述措施使油缸的磨擦系数降至极低的水 平，最小启动压力 o 0 5 m p a ，油缸响应速度 = 3 2 m p a 。 保压l o 分钟无异常，法兰及管接头采用不锈钢延长使用寿命。高压软管设计压 力高于实际使用压力，关键部位采用进口件。 电控系统：采用p l c 对系统的各种联锁功能以及油压、液位、油温等运行 参数进行控制和显示( 本地或异地) 。 系统设置了油压、油温油位，过滤器阻塞的显示，报警功能及加热和紧急 泄荷等操作功能。 配电系统设置了总电源开关，与外电网隔离或接通。液压站与4 号操作室 2 号台间有工作停机通讯开关信号，由站内操作人员手动控制，2 号台上装有 液压系统工作压力显示表，便于轧钢工了解液压站运行状态。方便维修。安装 排气扇。 2 3 4 现场检测仪表 2 3 4 1 液压位移测量 位移测量方法目前均采用在液压缸上安装位移传感器，通过测量液压缸的 1 6 山东大学硕士学位论文 位移达到间接测量辊缝的目的。考虑数据准确性能。我厂采用两测安装形式。 当位移传感器安装在液压缸两侧时，实际的位移量为传动侧、操作侧的液压缸 上位移传感器的总平均值。为了测量轧件温度，现场安装了测温仪仪表现场设 置情况如下图： 图2 ，2 轧制线仪表布置示意图 2 3 4 2 轧制力测量 轧制力测量采用压力传感器方法，传感器分别安装在液压缸活塞侧和活塞 轩钡l j ，测量的是浊的压力。总轧规力为两侧轧制力( 与活塞的面积相乘得出轧 制力) 和减去轧机的平衡力。 压力传感器除了参与轧制力的计算和控制，还有一个功能就是伺服阀流量 补偿。流量补偿的目的就是使流量保持恒定，补偿算法则是根据缸中的油压和 油源的压力来计算的。 另外，液压a p c 的伺服执行机构采用m o o g 大流量伺服阀。为轧件轧制过 程中的温度变化信息，本系统在轧线相关位置安装温度检测仪表：在租轧机出 口处，安装一台：在精轧机入口和出口处，各安装一台。为确定钢板在轧线上 的位置，在租轧出口、精轧机入口和出口处，各安装一台钢板位置检测仪表 ( h m d ) ，供过程计算机完成自动轧钢用。 山东大学硕士学位论文 2 4 控制系统组成 根据前述对系统的功能要求及控制系统的选型原则，对配置的控制系统 结构描述如下： ( 1 )基础自动化控制系统中的主要部分是板轧机控制器，选用多处理器 并行工作方式的控制器进行控制。该控制器总体上分为h g c 控制部分；a g c 控 制部分；通讯部分、逻辑控制和系统调度部分，几部分功能分配在不同的处理 器，各自完成独立的控制任务。 ( 2 )为了保证数据的可靠性，基础自动化部分具备本地高速数据采集通 道以及输出通道，以便与相应快速反应的控制信号连接。 通过现场总线外挂的e t 2 0 0 远程i 0 站，控制控制系统将与现场信号进行 连接。 ( 3 ) 过程计算机选用目前广泛应用的h p 公司的p c 服务器承担。服务器操 作系统为w i n d o w s2 0 0 0 ，应用软件包采用m sv c + + 编程语言。 ( 4 )系统的通讯。板轧机控制器、监控站、过程计算机之间采用s i e m e n s 的h 1 网( i 业以太网) 进行通讯。板轧机控制器与e t 2 0 0 现场接口采用s i e m e n s 的l 2 网进行通讯。 ( 5 )监控系统。监控系统包括监控计算机以及用于编制监控程序的系统 软件。监控计算机的配置应根据所选监控软件的环境要