（材料加工工程专业论文）单机架四辊可逆冷轧机厚度控制系统研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nr e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 - h i g h c o l d r o l l i n gm i l lg a u g e c o n t r o l s y s t e m b ys o n gh a o y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n g d i a n h u a l e c t u r e rl ix u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研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他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己在论文中作了明确说明并表示了感 谢。 本人签名： 铀褥 日期；川每聿哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：甚p 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：爨囊坛媳 导师签名： 签字隗州专衍哆 签字麟 东北大学硕士学位论文摘要 单机架四辊可逆冷轧机厚度控制系统研究 摘要 板带厚度精度是板带材的两大质量指标之一，在国内外竞争激烈的市场经济中，提 高冷轧带钢质量非常重要。板带厚度控制是板带轧制中质量控制的关键技术环节，近年 来该技术取得了迅速发展。本文以某厂】2 7 0 m m 单机架可逆冷轧机厚度控制系统改造为 背景，针对板带轧制过程中监控a g c 系统存在大滞后问题，研究了s m i t h 预估器在监 控a g c 中的应用，在此基础上开发了一套综合的厚度控制策略并应用到现场生产。本 文的主要工作内容如下： f 1 ) 在收集和消化国内外大量文献的基础上，对板带轧机厚度控制的基本理论以及 单机架可逆冷轧机的几种a g c 构成方法及控制方式进行了分析。 ( 2 ) 以某厂1 2 7 0 m m 单机架四辊可逆冷轧机为研究对象，基于s i e m e n s 的p l c 及 f m 4 5 8 开发了一套计算机控制系统并对液压辊缝控制系统进行了研究。 ( 3 ) 对带s m i t h 预估器的不同被控对象的监控a g c 系统进行了分析与仿真，得到不同 调节器下监控a g c 系统的控制率。同时并采用样本跟踪方式，给出了带钢样本长度与时 滞的关系，成功的将s m i t h 预估器应用于积分监控a g c 系统。 ( 4 ) 开发了一套集变锁定值的前馈a g c 、基于带钢段跟踪的s m i t h 预估监控a g c 、基 于弹跳模型的厚度计a g c 、轧辊偏心补偿和加减速厚度补偿等综合厚度控制策略并成功 应用到某厂1 2 7 0 m m 单机架可逆冷轧机中。现场应用表明，该厚度控制策略具有良好的 实用性和可移植性等优点。 关键词：单机架，冷轧，厚度控制，s m i t h 预估器，a g c i i 东北大学硕士学位论文 摘要 s t u d y o nr e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 - h i g hc o l d r o l l i n gm i l lg a u g e co n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h ea c c u r a c yo fs t r i pg a u g ei so n eo ft w om a j o rq u a l i t yc o n t r o lg u i d e l i n e s i ti se s p e c i a l l y i m p o r t a n tt o i n c r e a s et h es t r i pq u a l i t yi nt h ef i e r c ec o m p e t i t i o no fi na n da b r o a dm a r k e t e c o n o m y t h eg a u g ec o n t r o li s t h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fs t r i pr o l l i n ga n di ti s d e v e l o p i n gf a s t i nt h er e c e n ty e a r s b a s e do nt h e12 7 0 m mr e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 - h i g hc o l d r o i l i n gm i l lg a u g ec o n t r o ls y s t e mo fs o m ei r o na n ds t e e lc o 。l t d ，t h ea u t h o rs t u d i e st h es m i t h p r e d i c t o ru s i n gi nm o n i t o ra g ca c c o r d i n g t ot h el a r g et i m ed e l a yi ns t r i pr o l l i n g o nt h eb a s i s ， ac o m p r e h e n s i v eg a u g ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e da n da p p l i e dt of i e l dp r o d u c t i o n t h i s p a p e rm a i nc o n t e n t ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fc o l l e c t i n ga n du n d e r s t a n d i n gl i t e r a t u r e si na n da b r o a d ，t h ea u t h o r a n a l y z e st h eb a s i ct h e o r yo fs t r i pm i l lg a u g ec o n t r o la n ds e v e r a la g cc o m p o s i t i o nm e t h o d s a n dc o n t r o lm o d e so f r e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 - h i g hc o l dr o l l i n gm i l l ( 2 ) t a k i n gt h e12 7 0 r n mr e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 - h i g hc o l dr o l l i n gm i l lg a u g ec o n t r o l s y s t e mo fs o m ei r o na n ds t e e lc o ，l t d a st h er e s e a r c ho b j e c t ，ac o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m w h i c hi sb a s e do nt h ep l ca n df m 4 58o fs i e m e n si sd e v e l o p e da n dt h eh y d r a u l i cg a u g e c o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d ( 3 ) t h em o n i t o ra g cs y s t e mo fd i f f e r e n tc o n t r o l l e do b j e c t sw i t hs m i t hp r e d i c t o ri s a n a l y z e da n ds i m u l a t e d a l s ot h ec o n t r o lr a t e sa r eo b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tr e g u l a t o r s m e a n w h i l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es a m p l el e n g t ho fs t r i pa n dt i m ed e l a yi sp r o v i d e da n d t h es m i t hp r e d ic t o ri sa p p l i e dt ot h em o n i t o ra g c s y s t e ms u c c e s s f u l l y ( 4 ) ac o m p r e h e n s i v eg a u g ec o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d i n gf e e df o r w a r da g cw i t hv a r y i n g l o c k i n gv a l u e ，m o n i t o ra g c w i t hs m i t hp r e d i c t o ru s i n gs t r i pt r a c k i n g ，g a u g em e t e ra g cw i t h m i l ls p r i n gm o d e ，r o l le c c e n t r i c i t yc o m p e n s a t i o na n dg a u g ec o m p e n s a t i o nd u r i n ga c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o ni sd e v e l o p e da n da p p l i e dt ot h e12 7 0 m mr e v e r s i b l es i n g l es t a n d4 一h i g hc o l d r o l l i n gm i l lg a u g ec o n t r o ls y s t e ms u c c e s s f u l l y f i e l da p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h eg a u g ec o n t r o l s t r a t e g yp o s s e s s e sa d v a n t a g e so fn i c ep r a c t i c a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y k e yw o r d s ：s i n g l es t a n d ，c o l dr o l l i n g ，g a u g ec o n t r o l ，s m i t hp r e d i c t o r ，a g c i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a 】b s t r a c t i i i 第一章绪论i 1 1 引言1 1 2 冷轧带钢a g c 技术发展情况l 1 3 研究液压a g c 系统的目的和意义3 1 4 本论文主要研究内容4 第二章冷轧带钢a g c 理论研究6 2 1 冷轧带钢厚度控制的理论基础一6 2 1 1 轧机的弹| 生变形与弹跳方程6 2 1 2 轧件的塑性变形曲线与塑性方程7 2 2 带钢厚度波动的原因，9 2 3 冷轧带钢的厚度控制方法9 2 。3 1 前馈式a g c 9 2 - 3 2 反馈式a g c l 0 2 3 3 压力a g c 1 1 2 3 4 张力a g c 18 2 。3 。5 金属秒流量a g c 】8 2 3 6 监控a g c 1 9 2 4 本章小结】9 第三章1 2 7 0 r a m 单机架可逆冷轧机计算机控制系统构成及h g c 系统2 0 3 11 2 7 0 r a m 单机桨四辊可逆冷轧机概况一2 0 3 2 计算机控制系统2 0 3 。2 1 计算机控制系统结构一2 d 3 2 2 液压a g c 控制系统h m i 2 1 3 3 液压辊缝控制( h g c ) 系统2 2 3 3 1b i g c 系统控制功能描述、2 3 东北大学硕士学位论文尽录 3 3 2h g c 闭环控制系统组成2 4 3 3 3h g c 数据测量处理2 7 3 3 4 伺服阀控制2 8 3 4 本章小结2 9 第四章s m i t h 预估器在监控a g c 中的应用3 0 4 1s m i t h 预估补偿原理3 0 4 2s m i t h 预估器在监控a g c 中的应用3 2 4 2 1 被控系统为比例环节与时滞环节串联系统3 3 4 2 2 被控系统为惯性环节与时滞环节串联系统一4 l 4 2 3 系统样本延时及带钢样本长度4 6 4 3 本章小结4 9 第五章a g c 控制策略研究及a g c 补偿控制5 0 5 1 变锁定值的前馈a g c ，5 0 5 2 基于带钢段跟踪的s m i t h 预估监控a g c 一5 1 5 3 基于弹跳模型的厚度计a g c 。5 2 5 3 1 轧辊偏心的影响5 2 5 3 。2 与监控a g c 的相关性5 4 5 4 加减速厚度补偿控制一5 5 5 5 实际应用效果5 6 5 6 本章小结一5 7 第六章结论5 8 参考文献5 9 致谢6 2 查苎荃兰堡主兰竺丝二一：。阜：。，。，。坠= 坠 第一章绪论 1 1 引言 冷轧机的薄板和带钢产品具有表面质量好、尺寸精度高和良好的机械、工艺性等优 点，被广泛应用于宇航技术、导弹、汽车制造、食品包装、家用电器、机械、化工、造 船、轻工、仪表等国民经济各个部门。国民经济的迅猛发展，需要尺寸精度非常高的板 材产品，有的需用厚度为几个毫米，甚至零点几个毫米，甚至厚度偏差仅为几个微米的 冷轧薄板( 带) 材【l 】。如何提高带钢产品的产量和质量历来是各个国家科研机构的大 课题。为了生产出更高精度的板带材产品，占领国际市场，各国相继投入了大量的人力、 物力，开发研制了多种现代化大型轧机。具有代表性的由日本日立公司研制的工作辊可 轴向移动的h c s l 机，德国西马克公司研制的连续可变凸度c v c 车l 机，中间辊既可弯曲 又可移动的u c 轧机，日本三菱公司研制的成对轧辊交叉式的p c 轧机，德国曼内斯曼德 马克公司的u p s 车l 机等，这些轧机配置以现代化控制手段，可以连续实现多功能精密轧 制，生产出微米级厚度的板带材产品【2 j 。 目前，我国的板材生产水平相对世界先进水平来说还比较低，许多轧钢厂的设备落 后，自动化程度低，技术含量不高，生产出的产品竞争力不强，很难满足日益发展的国 民经济需要【3 】。各种板带钢的技术要求又比较高，通常用“尺寸精确板型好，表面光洁 性能高 来描述，这包括了四个方面的要求【4 j ：l ，尺寸精度要求高；2 板型要求良好； 3 表面光洁；4 性能合格。我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板带轧 机，其关键技术是高精度的液压板厚控制和板形控制，其中的许多理论问题以及所采用 的先进技术，尚待进步消化研究【5 j 。 但是，单机架用户由于资金的短缺和设备的落后，采用大型液压辊缝自动控制成本 高，要在短时间内提高板材的精度，是相当困难的。单机架轧机的缺点是，产量低，质 量低，改进困难。单机架用户主要是由用于教学试验的小型实验室、私营企业主等组成， 资金周转不灵，缺乏关键技术支持。面对这种情况，如何提高单机架轧机的轧制精度， 给研究者带来了难题。 1 2 冷轧带钢a g c 技术发展情况 a g c 系统在轧制过程中是保证产品质量的重要环节。回顾国内己应用在冷轧机中的 a g c 系统，可归纳为以下三种基本类型。 ( 1 ) 用测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口侧带钢张力的a g c 系统。7 0 年代， 我国单机架可逆冷轧机上使用的厚度控制系统大都是这类系统，而且是模拟线路。按轧 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机出口侧测厚仪测出的带钢实际偏差信号反馈控制，大偏差时按偏差信号大小去移动压 下位置，改变辊缝间距，以减小厚度偏差，即所谓粗调；在小偏差时则调节轧机入口侧 带钢张力，进一步减小厚度偏差，即所谓精调 6 1 。 早期调节轧机压下装置的执行机构是电动压下，因电动压下响应慢和非线性的缺点， 逐渐被液压压下机构所取代。测厚仪安装在轧机两侧距轧辊中心约1 5 - 2 m 的位置，故测 厚仪信号滞后时间长，且随轧制速度而变，厚度控制的调节周期长，从系统稳定考虑将 会降低系统控制性能。一般而言，系统要修正2 3 次( 视轧机刚度而定) 才能把偏差减 d , n 允许范围内。如果a g c 系统是模拟的，通常是在轧机升速到一定轧速后才能投入 a g c 。a g c 投入前和投入后第一次厚度自动调节达到允许偏差范围内这一段时间所轧的 一段带钢厚度就可能不合格r ”。概括起来讲，这类a g c 系统的主要缺点是： 1 1a g c 调节周期长，并随轧制速度而变。为了使系统运行稳定，必须降低系统性 能，因而使控制效果降低； 2 ) 带钢端部不受a g c 控制，成材率低，尤其s l 匍j d , n 卷时，损失尤为突出心j ； 3 ) 消除带钢纵向厚度不均或硬度波动产生的厚差能力低； 4 ) 冷轧的工艺特点是大张力# l n ，故张力微调范围极小。 ( 2 ) 采用前馈控制和测厚仪信号反馈控制轧机压下或轧机入口侧带钢张力的a g c 系 统。 将( 1 ) 中a g c 系统数字化，并增加前馈控割回路就构成这类a g c 系统。前馈控制是当 轧机入口侧有厚度偏差的带钢进入轧辊时，立即调节被控机架压下位置，将入口带钢厚 度偏差消除的一种控制策略。使用前馈控制可有效克n ( 1 ) q a a g c 系统缺点中的第3 ) 点。 ( 3 ) 采用前馈控制、反馈控制和监控的a g c 系统p 1 8 0 年代，利用现代控制理论、电子技术与计算机技术薪成就，对上述( 2 ) 中a g c 系统 进步加以改造，其主要特点是使用轧机弹跳方程【lo j 计算轧后带钢厚度作为实测厚度， 与设定厚度相减，其差为检测的厚度偏差值，经转换后用于压下调节。这样就不存在轧 辊中心到测厚仪的传输滞后时间了，调节周期大大缩短，从而提高了系统性能，得到普 遍应用。人们称这种a g c n g m a g c ( g a u g em e t e r a g g ) 或b s r a a g c 【i ，再加上监控 回路，即用轧机出口侧测厚仪检测出的带钢真实厚度偏差作反馈控制，消除低频干扰因 素的影响，如轧辊磨损、轧辊热膨胀等。 数字化或计算机控制，加上应用一些新的控制算法，这类a g c 系统性能获得进一步 的提高，其控制精度可达成品厚度的5 1 0 ，如成品厚度0 8 m m 的汽车板，其厚度偏 差范围为0 0 4 0 0 8 m m ，称之为毫米级厚度偏差。如果要进一步把带钢厚度偏差减小 ，2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 到几个u m ，用这类a g c 系统是做不到的，因为g m a g c 计算带钢厚度是建立在各种补 偿基础上按轧制压力计算的。要精确计算所用补偿参数很难，甚至是不可能的【1 2 】。 要补偿的变量主要有以下七种： 1 )轧辊偏心； 2 )油膜厚度( 如用液摩轴承) ； 3 )轧机刚度( 含带宽和轧辊辊径补偿) ； 4 ) 摩擦力变化； 5 ) 轧辊磨损及压扁； 6 )轧件塑性系数； 7 ) 轧辊热膨胀。 确定在各种轧制状态下所需各变量的补偿量，通常要用复杂的数学模型计算，或用 事先存入计算机内的表格数据( 图形曲线表格化) ，精度不可能高，这是影i 匠j g m a g c 控制精度的主要原因【1 3 】。要生产厚度偏差极小的带钢，必须采用控制精度更高的a g c 系统，可控制带钢厚度偏差达到成品厚度的1 ( 几个l a m ) 之内。这种系统的核心技 术是流量控带l j ( m a s sf l o wc o n t r 0 1 ) 1 4 1 。 ( 4 ) 冷轧机a g c 技术的新发展f 1 5 郴3 随着计算机技术的发展和广泛应用，国外冷轧机a g c 技术得到了迅速发展，功能不 断完善，流量a g c ( m a s sf l o wa o c ) 也开始在冷轧杌上应用，使厚度控制精度达到了相 当高的水平。流量a g c 国外早在7 0 年代就开始成功地应用在冷连轧机上，流量a g c 系统 在设各结构及系统设计方面均较简单，无需设置任何诸如轧辊偏心、油膜厚度等补偿系 统。检测元件设置地点环境好，易于安装和维护。系统检测分辨率高，检测精度可达 0 0 0 1 m m ，最终成品控制精度可达+ 8 1 a m 以下，并且能迅速逗近目标厚度，使成材率大 幅度提高。 1 3 研究液压a g c 系统的目的和意义 我国近年来从发达国家引进的一些大型的现代化的板带轧机，其关键技术是高精度 的板厚控制和板形控制。板厚精度关系到金属的节约、结构件的重量以及强度等使用性 能，为了获得高精度的产品厚度，a g c 系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系 统的支持。 就轧机设备的改造而言，它主要反应在轧机压下机构的改造上，因为压下机构的运 动速度和精度直接影响着板材的级向厚差和横向厚差，从原始的手动压下到电动压下， 进而发展到机械反馈式液压压下以至到今天的电液伺服阀压下装置，它走过了一条漫长 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 而艰苦的道路。以往采用的手动压下和电动压下装置的主要缺点是运动惯性大、调整时 间长，在辊缝调节过程中反应慢、精度低。随着航空技术的发展，液压伺服控制技术日 益完善l l8 1 。六十年代以后，在轧机的液压辊缝控制系统中，采用了航空工业使用的反应 灵敏、精度高的电液伺服阀，大大提高了轧机辊缝的调节速度和精度，使轧机的轧制速 度大幅度的提高，轧制板材质量有了明显的提高，这是轧机设备发展史上的一个重要飞 跃。 我国板厚控制技术虽然已经应用多年，但是应该看到，由于轧机的压下控制技术综 合了众多学科领域的知识，在实际的应用生产上，仍存在着诸多的问题。国内在厚控系 统的软件开发、检测仪器仪表、液压伺服系统元件的生产水平、精度上存在差距【l9 1 。同 时，由于带钢厚度受到液压伺服系统、自动控制系统、工艺的瞬时条件和原料的随机变 化等几方面的共同影响，使得a g c 控制系统具有不确定性。因此有必要对$ l n 过程进 行仿真研究，以便了解这些因素对板厚精度影响的规律提出消除或减小该影响的方案。 电液伺服位置系统是a g c 的核心技术，如果这个问题解决不好，就有可能使得调试现 场的p i d 控制器整定周期较长，控制策略不恰当，菲线性因素不易解决，影响板厚精度。 因此，为控制方法的更好实现，对电液伺服位置系统作进一步的理论研究，将有助于控 制参数的选取，缩短现场调试周期。另一方面，液压伺服系统中的一些非线性环节也影 响到板厚精度，采用传统的p i d 控制方法对这些非线性的适应是非常有限的，因此有必 要引入先进的控制方法，所以，开展智能控制方法在此类对象的建模与控制中的实际应 用和仿真探讨，不仅具有相当重要的理论意义，而且对促进我国自动化技术的发展，提 高人工智能领域的研究水平，亦具有积极的意义。 1 4 本论文主要研究内容 本论文以某厂1 2 7 0 r a m 单机架四辊可逆冷轧机的厚度控制系统改造为背景，对单机 架冷轧技术及1 2 7 0 m m 车l 机液压厚度自动控制技术进行了深入的研究。研究内容主要包 括以下几个部分： ( 1 ) 在收集和消化国内外大量文献的基础上，对板带轧机厚度控制的基本理论以及 单机架可逆冷轧机的几种a g c 构成方法及控制方式进行分析。 ( 2 ) 以某厂1 2 7 0 m m 单机架四辊可逆冷轧机为研究对象，对其设备状况进行了简单介 绍。同时基于s i e m e n s 的p l c 及f m 4 5 8 ，开发一套计算机控制系统并对该液压辊缝控制 系统进行研究。 ( 3 ) 针对板带轧制过程监控a g c 系统存在大滞后的问题，引入s m i t h 预估器进行系统 补偿。对带s m i t h 预估器的不同被控对象的监控a g c 系统进行了分析与仿真，推导不同 ，4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 调节器下监控a g c 系统的控制率，并采用样本跟踪方式，给出带钢长度与时滞的关系， 将s m i t h 预估器应用在积分监控a g c 系统。 ( 4 ) 开发一套集变锁定值的前馈a g c 、基于带钢段跟踪的s m i t h 预估监控a g c 、基于 弹跳模型的厚度计a g c 、轧辊偏心补偿和加减速厚度补偿等综合厚度控制策略。 5 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 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，把厚度控制在允许的偏差范围内。 通常把实现厚度自动控制的系统称为“a g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 系统。 理论研究是为了找到更好的解决实际问题的方法，本章在分析研究厚度控制理论的 基础上，介绍了实际生产中常用的几类a g c 模型，并比较分析了现在常用的压力a g c 模型，以便为本系统a g c 计算机控制系统的设计选择合理的a g c 模型。 2 1 冷轧带钢厚度控制的理论基础 2 1 1 轧机的弹性变形与弹跳方程 轧制时，在轧制压力的作用下，轧机( 轧辊及其轴承、压下装置和机架等) 产生一 定量的弹性变形。轧机的总变形量可达2 - 6 m m ，轧机的弹性变形将影响轧辊的开口度 和辊形，从而对轧制产品的精度造成影响2 0 - 2 2 。 轧机的弹性变形与轧制压力有关。在轧制压力较小时，轧机弹性变形与轧制压力成 非线性关系，这是由于轧机各零件之间的接触面凸凹不平和轧辊的非线性接触变形造成 的。当轧制压力达到一定数值后，轧机弹性曲线与轧制压力就成线性关系。轧机弹性变 形曲线( 图2 1 ) 直线段的斜率，称为轧机的纵向刚度系数，也称为轧机刚度。可用公 式表示： m = 石a p ( 2 1 ) 式中m 一轧机刚度，k n m m ； p 一轧制压力的变化量，k n ； 厂一弹性变形的变化量，m m 。 一般认为，轧机刚度愈大，轧机控制轧件纵向厚差的能力就愈强。由图2 1 可见， 轧后的轧件厚度h 可近似地表示为口3 1 。 办= 瓯+ 玄 ( 2 2 ) 式中尸一轧制压力，k n 。 该式称为轧机的弹跳方程，它表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制压力和轧机纵向刚 度系数之间的关系，是轧机厚度自动控制系统中的一个基本方程。 由于轧机各零件间的非线性接触变形不稳定，每次换辊之后都有变化，故弹跳曲线 6 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 的非直线部分经常是变化的，因此式( 2 2 ) 很难在实际中应用。 在实际生产中，为了消除上述不稳定和非直线段的影响，先将轧辊预压靠到一定的 压力只，并将此时的轧辊辊缝指示器读数设为零，称为人工零位【2 4 1 。见图2 2 ，图中的 弹跳曲线a 就是预压靠曲线。在零点处轧辊开始接触，当压靠力为只时，轧辊空载辊缝 为一s ，是一个负值。以此点作为人工零位，即将压靠力为只时的轧辊辊缝指示器读数 设为零( 称为清零) 。显然，当压靠力等于零时，实际的空载辊缝为零，而辊缝指示器 读数则为瓯，如果轧辊上升，当实际的空载辊缝为s 时，辊缝指示器读数则为 s o7 = s + 瓯，曲线在此辊缝下的轧机弹跳曲线与压靠曲线a 是完全对称的。考虑到轧辊 液体摩擦轴承油膜厚度变化的影响，精确的弹跳方程可表示为： 9 一p h = s o - i 寻一( 6 6 0 ) ( 2 3 ) 式中墨一人工零位后空载辊缝指示值，m m ； 只一人工零位时的预压靠力，k n ； 6 一液体摩擦轴承油膜厚度，m m ； 瓯一对应于人工零位时的油膜厚度，m m 。 p p 图2 1 轧机底座弹性变形曲线 f i g 2 1t h ed i s t o r t i o nc u r v eo fm i l lb e dp l a t e 2 1 2 轧件的塑性变形曲线与塑性方程 a 。 p a 。0 s 甄1 s 筑 r t - g c 一 寄 。m 。 一 魏 一 图2 2 人工零位时弹跳曲线 f i g 2 2t h es p r i n gc u r v eo fm a n m a d ez e r om o d e 在轧制过程中，轧件在轧辊间承受轧制力的作用而产生塑性变形。与此同时，轧件 也给轧辊以大小相等的作用力( 也称为轧制力) 。 轧件发生的是塑性变形，所以可以认为等于实际辊缝。轧机发生的是弹性变形，因 为一旦轧件离开轧机，辊缝自然回到初始状态，因此，称该现象为轧机弹跳现象。依据 h o o k 定律可以得出轧机的弹跳方程。 7 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 轧制力尸是所轧带材宽度b ，来料厚度日，出口厚度办，摩擦系数，前、后张力乃， 互以及变形抗力仃。等的函数2 5 1 。 p = f ( b ，h ，h ，乃，t ，仃。，k )( 2 4 ) 式( 2 4 ) 称为金属压力方程。 当把除办以外所有的变量都视为常量时，轧制力与出口厚度办的关系曲线称为轧件 的塑性变形曲线，如图2 3 所示。其关系式称为轧件的塑性方程。 p ( k n ) p ah qh r lh fm m ) 图2 3 轧件望性变形曲面 f i g 2 3t h ed i s t o r t i o nc h r v eo fs t r i pp l a s t i c i t y 在一定的轧件宽度和轧辊半径条件下，轧制压力实际上是轧件厚度、张力、摩擦系 数和轧件变形抗力等因素的函数，轧制压力与轧后轧件厚度的关系称为轧件的塑性变形 曲线。轧件塑性变形曲线的斜率，称为轧件的塑性系数，可表示为： p q 一面 ( 2 5 ) 式中q 一轧件塑性系数，k n m m 。 轧件塑性变形曲线是非线性的，但在一般轧机使用的压下量范围内基本是线性的， 因此轧件的塑性方程可近似地表示为： 尸= q ( a h + a 片)( 2 6 ) 式中办一压下量，m i l l ： 玟芹一轧制压力直线段延长线与横坐标的交点离塑性曲线原点之间的距离，m m 。 轧件塑性系数q 反映了轧件变形的难易程度，即轧件的软硬程度。轧件的塑性变形 曲线及轧件塑性系数可以通过实验得到。在轧件轧前厚度、张力、摩擦系数及变形抗力 等不变的条件下，改变轧件轧后厚度h ，可测得系列相对应的轧制压力p 。根据测得 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 的数据，即可绘制成轧件塑性变形曲线，进而得到轧件塑性系数。 当轧制条件( 某些固素) 变化时，塑性曲线及塑性系数亦随之发生变化。在一定的 轧制压力下，轧件轧前厚度愈薄，塑性曲线愈陡，轧件塑性系数q 愈大，压下量愈小； 张力愈大，塑性曲线愈平缓，轧件塑性系数愈小，轧后轧件厚度就厚；摩擦系数愈大， 曲线愈陡，轧件塑性系数和轧后厚度也愈大，愈薄；变形抗力愈大，曲线愈陡，轧件塑 性系数和轧后厚度也愈大、愈薄。 2 2 带钢厚度波动的原因 厚度是板带钢最重要的尺寸质量指标之一，厚度自动控相j ( a g c ) 是现代板带钢生产 中不可缺少的重要组成部分。 根据弹跳方程，凡是影n i 骋l n 压力，原始辊缝和油膜厚度等的因素都将对实际轧件 厚度产生影响，概括起来有如下几个方面【2 6 】： ( 1 ) 车l a f j 力波动的影响。轧制压力波动是造成轧件厚度波动的主要因素，所有影响 轧制压力的因素都会影响轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过改变弹跳曲线和塑 性曲线的交点位置，从而影响轧件的实际轧出厚度。 ( 2 ) 张力变化的影响。张力是通过影响应力状态，以改变金属变形抗力，从而引起 厚度发生变化。张力的变化除对带钢头尾部厚度有影响之外，它也影响其他部分的厚度 发生变化。当张力过大时除了会影响厚度，甚至会引起宽度发生改变，因而在热连轧过 程中一般采用微套量的恒定小张力轧制，而冷轧就与热轧不同，由于是冷态进行轧制， 并且随着轧制过程的进行，会产生加工硬化，故冷轧时采用较大张力进行轧制。 ( 3 ) 速度变化的影响。它主要是通过摩擦系数，变形抗力，轴承油膜厚度来改变轧 制压力和压下量而起作用。 ( 4 ) 辊缝变化的影响。当进行带钢轧制时，因轧机部件的热膨胀，轧辊的磨损和轧 辊偏心等会使轧辊发生变化，直接影响实际轧出厚度变化。轧辊和轴承偏心所导致的辊 缝周期性变化，在高速轧制情况下，会引起高频的周期性厚度的波动。 除上述影响因素外，来料厚度和机械性能的波动也是通过轧制压力的变化而引起带 钢厚度产生变化。 2 3 冷轧带钢的厚度控制方法 按控制方式可把a g c 分为两类，即前馈式a g c 和反馈式a g c 2 7 1 。 2 3 1 前馈式a g c 前馈式a g c 是用测厚仪作为“厚度计 ，在带钢未进入轧机之前测量出其入口厚度 9 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 ，并与给定厚度值譬唧相比较，当有厚度偏差脯时，便预先估计出可能产生的轧出 厚度偏差，从而确定为消除此偏差所需要的辊缝调节量龄，然后根据检测点进入本机 架的时间和移动丛所需要的时间，提前对本机架进行厚度控制，使得厚度的检测点正 好就是胡的检测点。 前馈式a g c 控制算法： 笛：里h ( 2 7 ) m 式中m 一轧机刚度，k n m m ； q 一轧件塑性系数，k n m m 。 2 3 2 反馈式a g c 反馈式a g c 的控制方式如图2 4 所示【2 8 】： 图2 4 反馈式a g c 不意图 f i g 2 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff e e d b a c ka g c 该图对反馈式a g c 的控制作用做了清晰的说明，即首先应确定一个厚度目标值， 然后与出口厚度的实际测量值进行比较以得到厚度偏差，按照反馈控制算法对此偏差进 行计算，形成调节量后输出给压下驱动控制器，驱使压下执行机构进行位置调整，改变 轧机有载辊缝，以使轧机出口侧实际板厚向目标值趋近。这一过程将周而复始地持续进 行下去，直至轧件离开轧机为止。 反馈式a g c 控制算法： 门 艏= ( 1 + 盖) 幽 ( 2 8 ) 式中m 一轧机刚度，k n m m ； q 一轧件塑性系数，k n m m 。 厚度控制与其检测方法密切相关，按厚度的检测方式可把反馈式a g c 分为以下几 ；类：压力a g c 、张力a g c 、流量a g c 及监控a g c 等。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧带钢a g c 理论研究 2 3 3 压力a g c 轧制过程中，有很多因素会引起轧件的厚度偏差，如坯料厚度不均匀，坯料沿长度 方向机械性能不均匀，轧制速度和张力的变化，轧辊的偏心、热膨胀和磨损等。这些因 素影响的最后结果是使轧制过程中的轧制力发生变化，从而引起机座弹性变形量的变 化。机座弹性变形量的变化直接影响轧辊辊缝值，使轧件厚度发生变化。为了能及时调 整辊缝，必须在液压位置闭环控制系统的基础上增加压力补偿控制环节，构成轧制力补 偿系统即压力a g c 系统。 由于液压压下具有可变刚度的优势，所以变刚度控制模型是液压a g c 中独有的厚 控模型。通过改变压力环的放大系数达到改变和选择轧机的等效刚度系数，称这种轧机 为变刚度轧机。在连轧机或可逆式板带轧钢过程中，采用这种轧机，对各机架或各道次 选择合理的当量刚度值，可达到最小的纵向和横向公差。 在压力a g c 的控制下调整辊缝，使之完全消除由轧制力引起的机座弹性变形时， 轧辊的弯曲变形较大，所以轧件的板形就差一些。同时，要获得较好的板形，就必须以 牺牲厚度精度为代价。国内外主要结合变刚度控制的方法解决这一矛盾【2 9 】。 压力a g c 系统的基本原理是s m i t h 最先提出的弹跳方程。根据引用弹跳方程的方式 不同，压力a g c 系统可以分为三种，即b i s r a a g c 、g m a g c 和动态设定型 a g c ( d a g c ) 3 0 1 。 2 3 3 1b i s r a a g c 这是英国钢铁协会( b r i t i s hi r o na n ds t e e lr e s e a r c ha s s o c i a t i o n ) 发明的厚度控制系统， 通常称之为一般b i s r a 型变刚度压力a g c 系统。b i s r a a g c 模型只能用于相对a g c 控制，因此习惯上b i s r a a g c 与相对a g c 都指同一个含义。但是相对a g c 控制并不 一定要用b i s r a a g c 模型。b i s r a a g c 是以压力补偿环的方式抵消带材的弹性变形 量，将轧机本身看成测厚装置，用弹跳方程测厚。当带材进入轧机后，调整到期望的板 厚，此时锁定其压力值只，以后求出实际轧制压力尸与锁定压力只之差，即尸= p 一只， 厚度计算偏差为a h = p m ，根据这个偏差修正液压a p c 的给定值，从而消除或减少 厚度偏差。减少厚度偏差的大小由轧机刚度确定，它与补偿系数c 有关。 b i s r a a g c 是轧制理论和轧制技术的一次飞跃，标志着压力a g c 的诞生。它的原 理图如下图2 5 。 东北大学硕士学位论文第二章冷轧带钢a f l c 理论研究 图2 5b i s r a - a g c 系统框图 f i g 2 5t h eb l o c kd i a g r a mo fb i s r a a g c 图中符号说明如下：g ( s ) 为位置控制系统调节器，液压伺服阀和液压缸及轧机系统 的综合传递函数；s 、p 分别为液压缸位置和轧制力实际值；& 、只分别为液压缸位置 和轧制力锁定值；肿、丛分别为以分别为液压缸位置和轧制力锁定值为基础的增量； 蝎和北分别是由外界扰动量和由位置调节量所引起的轧制力增量；向是以锁定厚度 为基准的厚度偏差；丛+ 和a s 均为克服厚度偏差a h 所需要的位置增量，但前者以液压 缸位置实际值s 为基准，后者以液压缸位