（材料加工工程专业论文）550mm二、四辊板带轧机液压agc系统的研究.pdf

东北大学硕士论文 摘要 5 5 0 m m 二、四辊板带轧机 液压a g c 系统的研究 摘要 滚蘧a g c 作为当今投带乾麓技术鹣主要手段，已驭戴了电动a g c 麓霞嚣。 本文阐述了a g c 系统的历史、现状与发展，对各种a g c 系统进行了详细的分析 与眈较。 控制系统使用了s i e m e n s 公司最新推出的c p u - f m 4 5 8 十e x m 4 3 8 组合计算机 系统。采用双c p u 并行工作设计方案，由c p u f m 4 5 8 + e x m 4 3 8 高速计算机系统 完成a g c 厚度控制，著通过c p u - f m 4 5 8 豹p r o f i b u s d p 理场憨线与过程计算 机进行快速数据交换，同时由c p u 4 1 4 d p 完成系统逻辑控制，并且与传动系统 s 7 3 0 0 p l c 逶过d p 现场慧线实蕊瓣络数攥交换。 建立了液压a g c 系统的开环传递函数，使用m a t l a b 软件对液压a g c 系统 送行了动态穗能的仿真分轿。通过对系统的开环波穗图斡分析，得出本系统为稳 定的系统的结论。分析了长釉因索对液压a g c 系统动态性熊的影响，褥出的绪论 为通过增大液压缸的固有频率和伺服阀的响j 澎频率能够提高系统的动态性能。 缀合某礤究茨5 5 0 r a m 二、疆辊扳糟筑执滚压a g c 系统戆嶷际工程，镬建 s i e m e n s 公司的应用软件s t e p 7 和w i n c c 编写了程序，究成了包括液压缸位置 舀动控簇( a p c ) 、液压氯疰力离凌控锈( h a f c ) 帮液压浮度蠡穑控籁( a g c ) 等轧机的各种控制功能，并实现了系统的数据的采集与显示。实际应用的结果 髓示，各项链能指标均遮刘或超船了设计的要求，取得了较好的控制效柒。 关键词液嚣a g c 接递爱数波德銎动态缝戆数攒采集 一i i 查苎查望塑主丝墨 垒墅! ! 垦垒堕 r e s e a r c ho f h y d r a u l i c a g co f5 5 0 r a m 2 4 * h i g h m i l lf o r p l a t ea n ds t r i p a b 鼹嚣矗c 要 h y d r a u l i ca g c i sr e g a r d e dt ob et h em a i nw a yi np l a t ea n d s t r i pr o l l i n gt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，a n d i th a s r e p l a c e d e l e c t r i c a la g c t h eh i s t o r ya n d a c t u a l i t y a n d d e v e l o p m e n to f a g c s y s t e mi sd e s c r i b e di nt h i sp a p e ra n d a l s od i f f e r e n tk i n d so fa g c s y s t e m s a r ea n a l y s e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r c o m p o s e dc o m p u t e rs y s t e mo f f m 4 s 8 + e x m 4 3 8w h i c hx v a sr e c e n t l yp r o d u c e db y s e i m e n sw a su s e di nt h i ss y s t e m ，t h ed e s i g np r o j e c to ft w oc p u w o r k i n gt o g e t h e r w a sa d o p t e d f m 4 5 8 十e x m 4 3 8w a su s e dt oa c c o m p l i s hg a u g ec o n t r 0 1 a n dq u i c kd a t a e x c h a n g ew a s r e a l i z e db e t w e e np r o f i b u s - d po fc p u - f m 4 5 8a n d p r o c e s sc o m p u t e r l o g i cc o n t r o lo f t h es y s t e mw a sa c h i e v e db yc p u - 4 1 4 d p , a n dd a t ae x c h a n g eb e t w e e n n e t sw i 搬s 7 3 0 0 p l co fd r i v es y s t e mw a sa l s of u l f i l l e d 。 o p e nl o o pt r a n s f e rf u n c t i o no f t h ea g c s y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，a n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo f t h ea g c s y s t e mw a ss i m u l a t e da n da n a l y s e db yu s i n gm a t l a b + t h ec o n c l u s i o nt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ew a sd r a w nf r o mt h ea n a l y z i n go ft h eo p e n l o o pb o d ed i a g r a mo f t h es y s t e m e f f e c t so fd y n a m i cp e r f o r m a n c ef r o md i f f e r e n t f a c t o r sw e r ea n a l y s e d 。t h ec o n c l u s i o no fh o wt oi m p r o v ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mw a sd r a w n ，t h a ti st oi n c r e a s et h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo ft h eh y d r a u l i c c y l i n d e ro rr e s p o n s ef r e q u e n c y o f t h es e r v o - v a l v e 。 a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a lp r o j e c to ft h ea g c s y s t e mo f t h e5 5 0 m m 2 4 一h i g hm i l l f o rp l a t ea n ds t r i po far e s e a r c hi n s t i t u t e t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sp r o g r a m m e db y u s i n gs t e p 7m a dw i nc c ，w h i c h a r es y s t e ms o f t w a r eo fs e i m e n s ，f u n c t i o n si n c l u d i n g h y d r a u l i ca u t o m a t i cp o s i t i o nc o n t r o l ( h a p c ) a n dh y d r a u l i c a u t o m a t i cf o r c ec o n t r o l ( h a f c ) a n dh y d r a u l i ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l ( h a g c ) o f t h em i l lw e r ef u l f i l l e d ，a l s o s y s t e md a t ac o l l e c t i o na n dd i s p l a yw e r er e a l i z e d i tw a sr e p o r t e df r o mt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt h a tp e r f o r m a n c er e q u i r e dw a sa c h i e v e do re x c e e d e dc o m p a r i n gt o t h e d e s i g n ，a n db e t t e re f f e c to f c o n t r o lw a s a c q u i r e d k e y w o r d s h y d r a u l i ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l t r a n s f e rf u n c t i o nb o d e d i a g r a m d y n a m i cp e r f o r m a n c e d a t ac o l l e c t i o n - i i i 东北大学硕士论文 声明 声明 本人声骥掰望交的学位论文是在导耍器的指导下完成娓。论文中取 彳导的磷究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 本人签名：- z 方菏 日期：妒么2 2 , o 东北大学硕士论文 1 绪论 1 1 选题背景和意义 1 绪论 随着国民经济的高速发展，科学技术的不断进步，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， 只有满足这些要求才能适应不断提高的用户要求。原来传统机械电动压下由于压 下丝杠和螺母的摩擦副存在，只有克服了摩擦力之后才会使压下丝杠转动，其结 果往往是滞后2 0 3 0 “m ，不能满足现代用户的产品要求。而液压厚度自动控制 a g c ( 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，尤其液压a g c 能有效 减少甚至消除带钢头尾纵向厚差以提高产品质量1 1 。 传统的电动a g c 存在的主要问题有： 1 ) 调节精度差 电动a g c 在调整时的稳态转矩将使调整螺丝产生2 0 3 0 “m 的弹性扭变。为 确定调节位置而装在调整螺丝上的位移传感器，将检测到的弹性扭变两引起的位 移作为实际调节运动。在此2 0 3 0 z i 1 2 的滞变范围从厚度自动控制系统来的所有 信号在电动机械调节系统上实际是误信号，这将降低调节精度。 2 ) 效率低 电器机械调节系统的各环节产生摩擦损失，使设备总效率下降，一般有效功 率只有8 ，这些能量主要损失在螺旋副、涡轮副及轴承内。 3 ) 响应速度慢 由于厚度控制系统要求相对调节距离小，这段距离的调节时间主要由加速及 减速时间组成，亦即响应时间，而一般电动a g c 加速度不超过2 m m s 2 ，若用低惯 量电机改善性能，则电机仍然存在过热烧坏以及机械设备过载的危险。 而上述问题的改善可由液压a g c 完成。 液压压下伺服系统具有如下特点： 1 ) 调整压下速度快，约比电动一机械压下块5 1 0 倍，加速度快0 h 1 0 0 倍 以上。所以可使带钢厚度超差部分的长度降到最低量，一般厚度偏差可小于1 0u m ， 带材合格率显著提高。 东北太学硕士论文 1 绪论 2 ) 液压压下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，同 露还戆减少睾l 袋弱磨损，延长疑辊懿帮愈。 3 ) 液压压下轧辊部件更换时间短，进行嚣种调整工序所耗的能源少。因此它 在新设计的霉l 梳稻| 磊氧辊敬造中应雳较广泛【2 j 。 1 2 厚度鑫动控制( a g c ) 系统的历史与发展 1 2 1a g c 的基本原蘧 l 2 1 1a g c 系统酌定义 厚度自动控制遐通过测厚仪或传感器( 如辊缝仪和压头等) 对锻叛实隧载塞 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 鼹窝装嚣或计算极瓣功戆翟痔，敬交匿下装鬟、张力或莪镒速发，尧浮度控锚在 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 ”系统【3 1 。 1 2 1 。2 基本概念 ( t ) 弹跳方程积乾枧弹性曲线 h = s o 十s = s o + ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 描述了钢板的实际轧出厚度h 与预设辊缝值s o 和轧机弹跳德s 之间 的关系。 豳1 1p h 原理图 f i gl ，1p r i n c i p l ed i a g r a mo f p - h 由此绘制成的曲线为轧机弹性曲线，如图1 1 中的曲线a 。式( 1 1 ) 中m 称为 。2 东北大学硕士论文 一 轧机刚度，表征了轧机产生单位弹跳量所需的轧制力h 】。 ( 2 ) 轧制力和轧件塑性曲线 轧制力尸是所轧钢板的宽度艿、轧辊半径月、来料入口厚度日、 摩擦系数，、温度r 、前后张力吼和盯。以及变形抗力盯。等的函数。 p = f ( b ，r ，h ，h ，f ，f ，盯 ，仃，o - 5 ) 1 绪论 出口厚度h 、 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 是轧制力方程，当b 、r 、日tf 、t 、盯。、盯，一定时，轧制 力j p 将只随轧出厚度h 而改变，这样便可在图1 1 上绘出衄线b ，称为金属的塑性 曲线，其斜率q 称为轧件的塑性刚度，它表征轧件产生单位压下量时所需的轧制 力。可根据下面的方法来确定q 的值。根据已知的h 、h 、b 、r 、矿、f 、v 和 材质等参数测量出一个轧制力尸，然后再假定在其他条件不变的情况下，增加 0 1 m 的压下量幽( 即改变h ) ，又可测量出一个轧制力p ，则q 可由下式确定： q = 等 ( 13 ) 此外，也可用直线斜率q ：k 竺近似地代替塑性曲线上工作点处的斜率的方 h 法来确定，系数k 是为了修正此种方法所产生的误差，系数k 一般为k ：o 9 - 1 1 。 ( 3 ) p - - h 图的应用 图1 2 来料厚度变化时的p h 图 h g 1 2p - hd i a g r a mw h e n t h i c k n e s so f t h em a t e r i a lc h a n g e s 如图1 2 所示，假设钢板原来的入口厚度h 。，原始的辊缝值为s o ，压力为e o ， 此时的出口厚度h 。当来料厚度变为日，时，此时的轧制力变为只，钢板出口的厚 3 东北大学硕士论文 1 绪论 度变为h ，发生了向的变化，要保持出口厚度h 不变，则要求重新设置辊缝值， 当辊缝值变为s = 5 04 - s ，轧制力变为p ，这样钢板的出口厚度的仍保持h 不变。 上面是来料厚度变薄的情况，当来料厚度变厚时，同样可以通过调整辊缝来保持 出i ：1 厚度不变。 因此，通过p h 图，我们可以找到各参数变化时调节的方法，找到保持良好 的厚度精度和板形的方法。 ( 4 ) 轧机的当量刚度和变刚度 ， 在厚度自动控制的轧机上，一般要用到轧机的当量刚度，用m ，来表示轧机的 当量刚度，可用下式表示： m c ：i d p ( 1 4 ) 式中：咖一轧制力的波动量； 幽一轧件的厚度偏差； 下面以入口钢板的厚度不均匀时的厚度控制为例来说明轧机当量刚度的基本 原理。 如图1 2 所示，假设轧件原来的厚度为h 。，轧制力为r ，轧件的出口厚度为 h ，若轧件的入i z i 厚度变为h 。，轧制力变为只，轧件的出口厚度变为h ，产生了 的厚度差。为消除厚差，可改变辊缝，使之增加船( 笛= s s 。) ，这样保持了 出口厚度不变，而轧制力为p ，此时轧制力的波动为凹( j d 只) ，轧后的厚度仍为 h ，轧机的弹跳方程为： h = s o + 二m + 丛 ( 1 - 5 ) 式中：m 一为轧机的自然剐度系数。 ( 1 5 ) 式微分形式为： d h = 告+ d s ( 1 6 ) ( 1 6 ) 式代入( 1 4 ) 式中得到： 峨2 赤 q 7 ) “工，j n 其中等与豳总是符号相反的。 d 东北大学硕士论文1 绪论 从式( 1 7 ) 中知，当考+ 嬲= 0 ，即轧件的厚度偏差以= o 时，轧机的当量刚 度m 。为无穷大。当量刚度m 。为无穷大，并不是说明轧机本身的刚度，而是指采 用某种厚控方法后，轧机能够消除厚差。轧机的当量刚度为无穷大，可以消除轧 件的纵向厚度偏差，但由于轧辊的弯曲程度变大，轧件的板形变差。当轧机的当 量刚度较小时，轧件的板形好而纵向厚差变大。希望轧机的当量刚度是可变的， 以便可以根据不同的工艺要求，采用不同的控制方法。 由式( 1 _ 6 ) 还可以知道，轧机的当量刚度系数m ，与辊缝调整量删及轧机的弹 性变形量害有关。如果用变刚度系数c 来表示嬲与轧机的弹性变形量害的比值， 即： c = 芳 ( 18 ) m 当量刚度用变刚度系数来表示时，式( 1 7 ) 可改写为： m c = = 兰 。， 万一。万 式( 1 9 ) 表示了轧机的当量刚度m 。和变刚度系数c 之间的关系，只要修正变 刚度系数c ( 即改变辊缝调整豳与轧机的弹性变形量尘m 的比值) ，就可以改变轧 机的当量刚度。 当c = 1 时，m ，为无穷大，轧机的弹跳量被完全地补偿，当量刚度为超硬刚 度。 当c = 0 时，坼= m ，轧机的当量刚度为自然刚度。 当o c 1 时，轧机的当量刚度系数为硬刚度系数，般c = 0 - - 0 8 。 当c o 时，轧机的当量刚度系数为软刚度系数，一般c 一1 5 - - 0 1 3 1 。 1 2 1 3 影响轧件出i z l 厚度的因素 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( 5 】【6 】： 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人们所不希望的变化。而这 一5 查i ! 垄兰堡主丝兰 ! 堂立 种空载荷下的辊缝变化通常是以下因素作用的结果：轧辊偏心，轧辊的椭圆度， 轧辊磨损，轧辊的热胀冷缩，轧辊平衡力的波动，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。而刚度可以表述为下列参数的函数：轧辊直径，轧辊凸度，轧辊压扁， 压下螺丝及附件，液压缸及附件，轴承油膜的厚度，辊缝润滑剂膜层厚度，轧 件宽度。 2 )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，弯辊的控制，轧辊 平衡的控制，轧辊的冷却及润滑控制，轧件张力的控制，厚度监控器的控制。 3 ) 轧件方面的干扰因素。轧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，硬废的变化，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 压力a g c 系统的产生与发展 压力a g c 的基本原理是英国s i m s 在2 0 世纪四十年代提出的弹跳方程： = s + 面p ( 1 1 0 ) 式中： h 一钢板的计算厚度： s 一辊缝值； ，一轧制力； m 一轧机刚度。 压力a g c 的基本的理论依据是轧机的弹跳方程，根据测压仪和测厚仪分别 测得轧制力、辊缝并与相应的给定值比较，得到其偏差信号，经过换算，然后 利用一个加法器将偏差信号叠加起来，便得到钢板轧出厚度的偏差值。通过调 整辊缝来消除厚度偏差。 压力a g c 根据其使用方式分为三种【1 1 ： ( 1 ) 头部锁定式，称为相对值a g c ，及通常所说的b i s r a a o c ； ( 2 ) 用弹跳方程间接测量轧件厚度，与设定厚度相比较调节辊缝，以使厚度恒 定，即绝对值a g c ，又称作厚度计型a g c ： ( 3 ) 动态设定型变刚度厚控法，简称动态设定型a g c 。 6 东北太学硕士论文1 绪论 1 2 3 典型的压力a g c 系统 l 。2 。3 。lb i s r a a g c 又称相对a g c ，也称头部锁定式a g c 。中厚板车l 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，记住艇辊缝值和轧制力 毽，将之捧为镄定辊缝和镀定敦割力，在乾裁过程中，投握实测轧铡力彝实测辊 缝值与锁定轧制力和锁定辊缝的差值来控制辊缝，从而消除厚麓。值得注意是： 裙对a g c 哭能游除嚣板麓，焉不韪澄涂异投差。螽撵魏方程翔转视静密墨簿度h 为鸭 h = s o + ( 1 1 1 ) 当南增量形式表示辩，( 1 。l1 ) 式可写蔽： 幽。a s 十竺 ( 1 。1 2 ) 由( 1 1 2 ) 式可知，当嬲：一等对，则出口厚度豹变化a 是为零。 膨 。 。 刚度系数c ，那么： 一 醐：一三a p m ( 1 1 3 ) 式虢是b i s r a a g c 的基本模型公式。 其中：氏p 一为轧制力的变化； s 一为辊缝的变化； c 一为变羽度系鼗。 如果考虑到变 ( 1 】3 ) 图1 , 3b i s r a a g c 系统框图 f i g 1 3s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f b i s r aa g c * 7 东北大学硕士论文 1 绪论 b i s r a a o c 的系统框图如图1 3 所示。图1 3 中使用的符号说明如下：g ( s ) 为位置控制系统调节器、电液伺服阀和液压缸及轧机系统的综合函数；s 为辊缝实 际值：配为辊缝锁定值；s 、p 分别是以辊缝和轧制力锁定值为基准的辊缝和 轧制力的增量；r 、只分别是由辊缝调节量和外扰量引起的 l n 力增量； 幽 是以锁定厚度为基准的厚度偏差；a s 为克服厚度偏差a h 所需的辊缝增量，以液 压缸位置的实际值为基准；m 为轧机刚度；q 为轧件塑性刚度【7 】【8 】。 下面参考图1 4 ，根据三角函数关系来推导当辊缝移动s 时，由于辊缝调整 所引起的轧制力的变化量蛾。 ， 图1 4 b i s r a a g c 系统消除厚差框图 f i g 1 4b l o c kd i a g r a mf o re l i m i n a t i n gt h i c k n e s sd i f f e r e n c eo f b i s r a - a g c 如图1 4 所示，鼻为轧制过程中厚度扰动引起的变化( 只= 叱) ，辊缝变 化丛时，引起的轧制力变化蝇( 峨= 纰一必) 。 在a a b c 中，可以用o a 来表示辊缝引起的轧制力的变化。 一最= o b m 一峨= o c 9 o b + o c = s 8 ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 东北大学硕士论文 1 绪论 出( 1 。t 4 ) 秘 l ，1 5 ) 式亏导： o b ：垒 c m 把( i 1 7 ) 式代入( 1 1 6 ) 式得： q + m o c ：a s m 掰数； o c ：旦心 掰+ q 把( 1 1 9 ) 式代入( 1 1 5 ) 得： a 只：一堕船 。 材+ 0 在存在阶跃扰动时，b i s k a a g c 动态调节过程如下 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) 第一次袋样时：轧俅厚度引起的轧制力的变化为只，此时轧辊辊缝无变化， 噱= 0 e 实测的匿力与锁定联力之差： 相应的辊缝调节蹩 鲻= 蛾+ 峨= 蛾 ( 1 。2 1 ) 簦= 一a 吖p d ( 1 2 2 ) 第二次采样时：因为上次调整辊缝而引起的轧制力的变化量： 蝇= 篇mq 即一篇m 鸟m = 罴- - 1 - 峨 ( 1 2 3 ) “ + + p 、。斯0 一“ 实测压力与镞定聪2 2 _ 蓑； 蝇。蝇。+ 峨。屹+ 誊蛾- ( 1 + 蔷) 蛾 ( 1 z 4 ) 所以相应的辊缝调整量为： 麟：- - m ca ! ：一若蝶篇) ( 1 l 。s ， 。9 。 东北大学硕士论文l 绪论 同理；第三次采样时的辊缝调整蘑为： 蝇= 一吾瑚+ 丽c q + ( 鼎门 ( 1 2 6 ) 第k 次采样时刻的辊缝调节量： 蝇= 一若剃+ 丽c q 十( 焉n - 】 ( 1 2 7 ) 当o c l ，望 l ，级数收敛，当匿斗。时： m + p 。1 ”一 ，吕峨e 壶卜若弛揣纯。s ， m + q 此时，相应的实测轧制力与锁定轧制力之差为： 蛾2 屹一篇( 一言蛾畿) = 只( 1 + 1 m + q q - c q ) 2 屹( 揣) 2 9 ) 将( 1 2 8 ) 、( 1 2 9 ) 式代入弹跳方程的增量形式( 1 1 2 ) 式得： 址雠。+ 鲁 当c = i 辩， =峨煮+丽m+qm mc c o 蝎 。|一醚麓0 一c o 、一。 器峨 m t m + q c q 、 。 缄一警蛾 - l o ( i ，3 0 ) i 。3 1 ) 东北戈学硕士论文 i 绪论 a 只：- 掣- q a p d ( 1 3 2 ) 肘 将( i 3 1 ) 和( 1 3 2 ) 式代入弹跳方程的增量式( i 1 2 ) 知：a h = 0 。可觅 当变刚度c = l 时，利用b i s r a a g c 算法最终可将出口厚差消除，帮置哼* 时， a h = 0 。0 c i 时，只能部分消除厚差，即置峙时，a h 0 。b i s r a a g c 模 黧的竣大的缺点怒系统响应时间的长，反应速度慢，这楚由模蛩本身所决定静。 1 2 3 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，根掇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，而不是锁寇厚度。因此，能同时改善钢板的 同板羞和异板差。绝对a g c 一般用g m 。a g c 模型来实现。习惯上，g m a g c 与 绝对a g c 都指同一含义。g m a g c 系统框阔如图1 5 所示。 图1 5 中使用的符号说明如下：s 为设定空载辊缝；s 为总辊缝调节鼙设定 值；, s 为积分环节；a p c 为自动位置控制系统；m 为轧机刚度；q 为轧件塑性刚 度【9 l 。 圈i 5 厚度计a g c 控制系统方橇圈 f i g 、1 5b l o c kd i a g r a m f o rc o n t r o l s y s t e mo f g a u g e m e t e ra g c 下面根攒舀l 。6 来推导浮度计a g c 系绞模型豹基本公式。 东北大学硕士论文 t 绪论 蹙为 p 岛 p g s 0堍h h 翻1 6p h 原理图 f i g 1 6p r i n c i p l ed i a g r a mo f p - h 报据测怒熬轧铡力尹帮辊缝毽s ，由弹珧方理霹计冀懑辊缝中麓镪扳l 摹度： h = s + - ( 1 。3 3 ) 馏 求出与目标厚度之麓： a h = h h 。( 1 3 4 ) 在溷l ，s 中建o b 表示a h 。在a 4 b c 中 o a + o b = a s ( 1 3 5 ) 一o c 。m ( 1 3 6 ) o a 。 o c 。q ( 1 3 7 ) o b 、 由( 1 3 6 ) 和( 1 3 7 ) 式得：o a m = o b x q ，所以： o a ：g ( 1 3 8 ) m 、 辍缝中憨镧扳露凄要僚持不变，蠢( 1 。3 5 ) 和( 1 。3 8 ) 式翘，需要辊缝改交 舱：一犀+ 1 1 。o b ：一丝望 1 m 4 m ：一丝塑矗矗 ( 1 3 9 ) m 、 一1 2 垒些垄堂堡主丝墨 值得注意是： 本公戏。 1 绪论 s 与a 是的符号相反。( 1 ，3 9 ) 式为厚度计a g c 系统模型的基 由图1 5g m a g c 所示的系统框图可知：理论上讲，g m a g c 可以绝对地将 钢板厚度调节到目标值厚度。但实际上并非如此。如果要求的目标厚度h 。给定不 当，超出了a g c 的调整范围，无法实现目标厚度，或者压下量不适当，造成板 形的问题。因此如图1 5 所示的g m a g c 要进行改进，把过程计算机引入，用它 来完成压下量的道次分配及优化，计算预测轧制力疑预设辊缝。每道次都由过 程计算机为它分配一个最优化压下量，即一目标厚度。如图1 7 为改迸借的厚 度计型a g c 系统框闰。图1 8 建在实际应用中的绝对值a g c 框图。 嘲1 7 厚度计型a g c 系统框图 f i g 1 7s y s t e mb l o c kd i a g r a m o f g a u g e m e t e ra g c 图i 7 中使用的符号说明如下：o ( s ) 为位簧控制系统调节器、电液伺服阀和 液压缸及轧机系统的综合函数；s 、p 分别为辊缝和轧制力实际值；爵、r 分别 为辊缝和轧制力锁定值；s 、a p 分别是以辊缝和轧制力锁定值为基准的辊缝和 轧制力的增嫠：a b 、吃分剐燕由辊缝调节量和外扰量引麒的轧制力增量；a 是 以锁定厚度为基准的厚度偏差；心+ 为克服厚度偏麓矗所需的辊缭增羹，蹙l 三l 液 压缸位置的实际值为基准：m 为轧机刚度；q 为轧件塑性刚度l 嚣。 由目标厣度和来科厚度甜，根据* l n 力预测模型，计算难预铡轧制力矗： 只= 厂( ，h o ) ( 1 4 0 ) 有了矗和h 。，校据弹魔计公式就可以计算潞一个预测辊缝值瓯，三者的关系 如下： 1 3 ， 东托天擎硕士论文 1 绪论 = 氐+ 墨m ( i 4 i ) 然后根据实际测出的轧制力p 和上一个采样周期的辊缝傻最得出钢檄计算 厚度h g ： h g = s 。+ 面p ( 1 + 4 2 ) 则计算厚度与星檬厚发之差为； h ：h g - 嘏r 跏等 稀缝的谲节量为： 鲥= 一警瞩- i - s o ) 十唔e - e 0 强 ( 1 + 4 3 ) ( 1 。4 4 ) 这种轧制力预测模型和厚度计模型共同构成的绝对a g c 模型，可以按目标厚 度严格进行轧和，灵活方便f i o 】【l l 】。 图1 8 中使用的符号说明：为钢板入口厚度：r 为预测轧制力；h 。为目标 厚度；氐为预设辊缝；s 为实测辍缝：p 为实测轧制力；占为干扰量；h 。为计算 厚度；矗计算厚度与日标厚度之差；筋。为计算辊缝调节量；s 。为上一采样周 期的辊缝值：s 。为本采样墒期的辊缝值；m 为轧机的刚魔系数；q 为塑性系数。 辫1 8 绝对僮a g c 框鞠 f i g l ，8b l o c kd i a g r a mo f a b s o l u t ea g c 。1 4 。 塞些垄兰堡主建查 ! 竺堡 l 。2 3 3 凌态设定型( d y n a m i c s e t ) a g c 动态设定垒a g c 是由钢铁磷究总院的张迸之提出静，采角泰勒级数豹方法避 行了推导。动态设定疆a g c 是扶轧制力中减去位藿调节量号 起戆轧制力增攫，褥 弼单独由扰动弓l 起静转制力增量。擞据扰动号| 起豹转剑力增量与瀵除蓐差掰霉敷 位置调节量之闼熬对应关系，对毵枫压下系统遴行调节，一次性完成瀵除煤差所 需的灞节量。壹鼹静解器是，a p c 憋辊缝设定 巍随对按条件的变化薅动态调整， 从恧囱a p c 实现a g c 的功魃，其系统蠖图如图1 。9 所示【l o j 。 图1 9 动态设定鍪a g c 系统框图 f i g 1 9s y s t e m b l o c k d i a g r a m o f d y n a m i c s e t a g c 闰1 9 中使淆静符号说明如下：g ( s ) 为位篷控制系统谣节器、毫液饲黻阀和 液压缸及茕税系统静综合函数；s 、p 分别为辘缝鞫转潮力实际篷；s o 、e o 分崩 为辊缝私乾制力锁定值；a s 、矗p 分裂是鼓辊缝和乾制力镂定嬗为基准豹辊缝和 毵制力静增鬟；矗b 、矗蜀分捌怒壶辊缝调节叁_ 莘拜辨挽量弓| 怒麴毵刽力增量；酗是 以镂定浮度兔基准懿厚发犏差；a s + 失克服浑度镶蓑a h 所濡豹辊缝增鬟，是以液 糕缸经羲的实器徨戈基准；m 戈氧极雕瘦；q 必车l 件塑性剐疫f 8 】f 1 2 】。 下露绘如动态设定黧a g c 溅控模型分掇方法魏摸型公式拯导。 带育校正系数蟾弹跳方程： h = s + 么，+ ( 1 ，4 5 ) ， 其中：s 为校正系数。 1 5 东北太学硕士论文1 绪论 p = f ( h ，h ，k ，t ，r ，)( 1 4 6 ) 缎设扰动只有入口厚度嚣，则把( 1 。4 5 ) 窝( 1 。4 6 ) 式题泰勃级数震野并取 一次项得： a h ( 1 - 簪郴吲1 鬲a p 脚 a z ， a 警) = 埘+ 万鬲) 甜 ( 1 4 7 ) 舟p ! o h 习惯用轧件塑性系数“q ”表示：由轧制工艺理论知： a p 堡o h = 一鲁x 堡o h ( 1 4 8 ) 日 7 堡：一q (149)oh 。 惩( 1 4 8 ) 帮( 1 。4 9 ) 式带入蓟( 1 4 7 ) 式中褥： 酗2 高醚+ 旦m + q 尝龋 ( 1 - s 爨为浮凌控翻韵磊标虢是a h = 0 ，豳( 1 5 0 ) 式得出消除入网厚麓偏差影响 的控制模型： 艏一尝詈蚶 ( 1 5 ，) hm 与般前馈控制模型的差异为“万h ，殿映了辍性曲线非线性影响。 出分接或p - h 甏霹褥翔戳下关系式： 勰一警蛾 ( 1 t5 2 ) 蛾一篇您 泣s 3 ) 其中：最一受孝箨找臻萼 越雏转铡力静变纯量； 岛为辊缝变化引起的轧制力的变化量。 第一次采释薅袤l 一繇k = i 霹，可殴通过稔灏得到置，而此时的s ；0 ，那 么邮= 蝇。 由( 1 5 2 ) 式得剿： 蝇警媚 1 6 查! ! 查茎塑主垒圭 一三! 量旦 一警蛾 阻5 4 ) 第二次采样时掰，邵k = 2 时，可敬溺褥矗最，魏翔鲍蠡忍包捂两部分，一嫠分 为轧件扰动所引起的轧制力的变化a 哎：；另一部分为第一次调整辊缝所引起的轧 制力的变化蝇即：幔= 蜴：+ 峨。 那么， 蛾：= 峨一蝇。 ( 1 5 5 ) 融( 1 5 2 ) 、( 1 5 3 ) 、( i 。5 4 ) 和( 1 5 5 ) 式得： 船，：旦蝇一m + q 鸠 ( 1 。5 6 ) m m 。 麓三次暴样时刻，即k = 3 时，同样，此时刻的只包括两部分；a 马= a 如+ a b ： 那么： = 忍一乓2 ( 1 5 7 ) 鄹理，第k 次莱样时刻时： 船。= 一导a s k - i 一面m + r q x 叱 ( 1 5 8 ) 式( 1 5 8 ) 即为动态设定a g c 模型的基本公式。能够保证轧件在任意抗动下 轧搏嚣度恒定。但是于压力闭环是正发馈，翔( 1 。5 8 ) 式构遣调节系统对，娆当 加修正系数岸。，防止模型中的轧机刚魔小于实际的轧机刚度，引起超调而破坏系 统於稳定性。莨。一般为0 8 0 。9 ，裂( 1 ，5 8 ) 式霹雩戒： 船t = 一昙丛“一髟气笋蝇 ( 15 9 ) 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 扰动孳；起懿筏销力蹭量，缀据这个穗懿与清除淳差豁所嚣懿位嚣谲节爨之润煞关 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，然后考虑轧税压下效率补偿，对靶机难下 系统进幸亍调节戳消除厚度偏差。由于二者控捌的思路不同，构成的控制算法表达 形式也不同，一直被认为是两种不同的控制算法。然而= 者在应用上又有相似之 处，帮当变涮系数为1 时，理论上二者都哥良一次洼地消除努抗弓| 起的厚差。常 常困扰着研究设计人员的一个问题是算法的选择。东北大学轧制技术及连轧自动 化国豢重点窝验室的王君老繇觚控制雾法表遮式、控涮系统方框图稻p - h 圈三种 途径详细的诞明了厚度计型a g c 和动态设定型a g c 是完全统一的【”】。这为压力 a g c 算法的选择提供了理论依据。 1 7 东北大学硕士论文l 绪论 1 2 4 其它几种常用的a g c 1 2 4 1 反馈a g c 反馈a g c 的厚度控制系统框图如图1 1 0 所示。通过测厚仪测出实际轧出厚 度魄，并与绘定的爆度健比较，褥到厚度镶差矗( 赫= 玩一是。) 。当a h 0 辩， 便将信息反馈给厚度自动控制凝匿，变换为辊缝调节量的控制信号，输出给电动 压下载滚嚣蓬下装鬟，游簸j 萃瘦德差。 下面根据图1 1 1 ，利用平面几何的三角知识，推导反馈a g c 数学模型的基本 公式：在a m e g 中， 矗= 唐2 强6 0 ) 妣缮。眵+ f g = 争罟 盈 由“- 6 0 ) 和( 1 6 1 ) 式得：芸= 面等一0 ，所以：篮m + 。 船= 堕望 (162)m 式( 1 6 2 ) 就怒反馈a g c 模型的基本公式。反馈a g c 在实际的应用中存在 麓时间滞后盼闯题，辑以迭秘按魄值进行厚度控制蛉系统缀难进行稳定瓣控制。 图1 1 0 反馈式厚度自动控制系统 f i g ，1 ，1 0f e e d b a c k a g cs y s t e m 1 8 东北大学硕士论文 1 绪论 p 图1 1 1 反馈a g c p h 图 f i g 1 。1 1p - hd i a g r a m o f f e e d b a c k a g c 1 2 4 2 前馈a g c 在轧制i 过程尚朱进行时，预先测定出来料厚度偏差盯，并送给下机架，在 预定时间内提前调整压下枕梅，以便保证获褥所要浆的轧出厚度h ，如图i 1 2 。 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 。 鲥e 铷h 压下装簧 fa 矗s 张 魄一h 。 k fi厂、 h l 0 羁辫架 7 ，秀f 圈l 。1 2 蘸馈式簿度蠡动控制系统 f i g 1 1 2f e e d f o r w a r da g cs y s t e m 前馈a g c 控翩原理就是箱测厚佼或前一视架作为“潭度计”，在钢袄来进入 本机架前测爨其入口厚度日，并与给定的厚度日。比较，得出厚度偏差a 日，便预 先估计出可能产生的轧出厚度偏差矗，从而确定为消除幽所需的辊缝调节量心， 1 9 东北大学硕士论文l 绪论 提前对本机架进行厚度控制，保证所要求的轧出厚度。 冀数学模型兹蒸本公式为： a s = 詈蛸 ( 1 _ 6 3 ) 娃 1 2 4 3 监控a g c 簸控a g c 是翻用测浮仪誊接测堂厚差酌厚度控制系统，般在轧机上安装 窟近式测厚仪，剥用其高耪度测照值与目标厚度之麓进幸亍反馈控制，这撵可以及 时修正轧辊热膨胀和轧辊磨损等原因引起的厚度偏蓑。由于监控a g c 存在滞后， 鼹以监控a g c 不黢 乍必主体厚按手段，只戆与压力a g c 聚合壤躅，跌嚣实瓣严 格按目标厚度轧制。 1 2 5 各种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，该装受以其筵单、g 是应速艘恢等饯点缛委l 了广泛兹应露。b i s a r a g c 怒一 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鼹线性的， 影峻了筑f 孛霉度售诗精麦，并量没有考稼筑枫歪下效率嵛德阔瑟，因稀其系统动 态响应特性不理想。g a u g e m e t e ra g c ( 厚度计型a g c ) 是在b i s r a a g c 基础上 加入了轧件塑性嗣魔系数q ，增加了轧机压下效率补偿( 吖+ q ) m ，有效的提高 了系统的动态响应特性。假是，g a u g e m e t e r a g c 厚度估计模型仍使用线性轧投弹 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 t a g c ) 是从轧制 力增量中减搏疆缝谈节造袋戆羲粼力摇霪瑟褥爨车俘撬动雩| 超涎筑制力增量，然 后再计算出位鼹控制系统设定增爨值( 辊缝调节量) 。前面几种a g c 控制模型， 都委线髓酶轧梳弹跷方程，因魏，它们的话诗精发受到了限稍。绝对值a g c ( a b s o l u t ea g c ) ，使用了实测的q 线性轧机弹跳方程，加上全面的辊缝 偿，使 轧件厚度倍计精度大大的掇高。但是轧机的聪下效率补偿环节