（材料加工工程专业论文）板带热连轧活套高度和张力控制系统的应用及解耦研究.pdf

童查叁耋竺塑：i 耋竺垒耋，。，一，。! ，；， ! 。，。；，。! 垫量：， 板带热连轧活套高度和张力控制系统 的应用及解耦研究 摘要 本文以某7 5 0 m m 热轧中宽带精轧机组为研究背景，重点研究了活套多变量控 制系统。指出了常规活套控制方法的不足，给出了一套基于现代频域思想的解耦 控制策略。仿真结果研究表明，该解耦控制策略取得了明显优于常规控制的控制 精度。本文的主要内容和取得的主要成果如下： ( 1 ) 活套高度张力控制系统是一个典型的双输入双输出多变量控制系统。从 活套支持器的基本运动关系出发，推导出其在基准点附近的线性化数学模型。利 用拉普拉斯变换构造出多变量系统的传递函数矩阵，从而为控制系统的多变量解 耦控制奠定了基础。 ( 2 ) 为了消除活套高度和张力的相互影响，提出采用现代频域理论中的特征 轨迹法设计活套多变量耦合控制系统的解耦控制器。辅助设计工具选用自动控制 界流行的m a t l a b 语言。利用特征传递函数的轨迹( 即特征轨迹) 判断多变量系 统的稳定性。利用特征方向和自然基向量之间的夹角( 即失配角) 判断多变量系 统的关联性。通过s i m u l i n k 仿真实验表明，解耦后控制系统的控制性能明显优于 解耦前。 ( 3 ) 基于以上对活套多变量控制系统的研究，将部分研究成果和控制策略应 用到某热轧中宽带生产实际。比如活套的高度闭环控制、主干速度自适应控制、 动态速降预补偿控制以及甩机架控制等。同时给出了一套合理的热连轧计算机控 制系统的硬件配置和软件结构。 实际的运行结果和曲线表明，活套高度张力控制系统运行稳定，小张力连轧 过程中活套高度的波动范围控制在设定值的1 0 。 本文的研究结果针对板带热连轧机的活套多变量控制，具有很强的实用性和 推广价值，此外在活套多变量解耦控制方法的研究方面也有一定的突破。 关键词：板带热连轧，活套支持器，多变量解耦控制，活套高度控制，自适应控 制，特征轨迹法 a p p l i c a t i o n a n d d e c o u p l i n gr e s e a r c h o nl o o p e rh e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m f o rah o tt a n d e m r o l l i n gm i l l a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h el o o p e rc o n t r o lf o ra7 5 0 m mh o ts t r i pm i l l ，t h el o o p e r s m u l t i v a r i a b l es y s t e mi se s p e c i a l l yi n v e s t i g a t e d a l s o ，t h es h o r t a g eo ft h et r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o di sp o i n t e do u t b a s e do nm o d e mm u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gc o n t r o l ，as e t o fs y n t h e t i cc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h el o o p e rh e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o li nah o t 。s t r i pm i l l i sg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wc o n t r o ls t r a t e g yi so b v i o u s l ys u p e r i o r t ot h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h cl o o p e r sh e i g h ta n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sat y p i c a ld o u b l e i n p u ta n d d o u b l e - o u t p u tm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e m i nt h el o o p e rc o n t r o ls y s t e mo ft h eh o t t a n d e mr o l l i n g ，t h eb a s i ck i n e m a t i c a lr e l a t i o no ft h el o o p e ri sa n a l y z e d ，a n dt h el i n e a r m a t h e m a t i c a lm o d e ln e a rt ot h er e f e r e n c ep o i n ti sg i v e n b yl a p l a c ec h a n g i n gm e t h o d ， t h et r a n s f e rf i m c t i o no f t h el o o p e rm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e mi sd e d u c e d ，t h e r e f o r et h e b a s i so fm u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gc o n t r o li sf o r m e d ( 2 ) i no r d e rt oo v e r c o m et h ei n t e r a c t i o no ft h el o o p e r h e i g h ta n dt e n s i o n ，a d e c o u p l i n gc o n t r o l l e rs h o u l db ei m p o s e do nt h ec o u p l i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , a d e c o u p l i n gm e t h o dc a l l e dc h a r i s t i cl o c u sd e s i g nm e t h o di s u s e da n dad e c o u p l i n g c o n t r o l l e ri sd e s i g n e db ym e a n so f n 【a t l a bl a n g u a g ew h i c hi sv e r yp o p u l a ri nc o n t r o l s c i e n c e 1 1 1 es t a b i l i t yo fc l o s e d l o o ps y s t e mi sd e t e r m i n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i cl o c u s c u r v e a l s o ，t h ev a r i a b l e sc o u p l i n gd e g r e ei sd e t e r m i n e db yt h ea n g l em i s a l i g n m e n t c u r v e b yt h es i m u l i n kt o o l b o xo ft h em a t l a bl a n g u a g e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h el o o p e r sc o n t r o ls y s t e mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ea f t e rd e c o u p l e d ( 3 ) b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h el o o p e r sm u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e m ，s o m eo f t h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep u ti n t oo ns i t ea p p l i c a t i o n s u c ha sl o o p e rh e i g h tc o n t r o l ， s e l f - a d a p t i v ec o n t r o lo f m a s t e rs t a n ds p e e d ，d y n a m i cv e l o c i t yd r o pp r e c o m p e n s a t i o n ，e t c a l s o ，as e to fr e a s o n a b l eh o ts t r i pt a n d e mm i l lc o m p u t e rs y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r es t r u c t u r ei sg i v e n t h ea c t u a lr e s u l t sa n dr e c o r dc u r v e si n d i c a t et h a tt h el o o p e rh e i g h ta n dt e n s i o n - 1 1 1 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ip l 晕日! 詈置e 量皇! 詈量皇! g ! 罩g 詈詈篁詈皇鼍鼍舅皇鼍鼍墨鼍 c o n t r o li so b v i o u s l yi m p r o v e d ，t h ef l u c t u a t i o no f t b el o o p e r sh e i g h ti sl e s st h a n1 0 o f t h er e f e r e n c ev a l u e t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a p e ra r eu s e f u lt ot h el o o p e rm u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n g c o n t r 0 1 t h e ya r ep r a c t i c a la n d c a r lb ea p p l i e di ns i m i l a rp r o j e c t a d d i t i o n a l ，t h e r ei sa l s o ab r e a k t h r o u g hi nt h em e t h o d o f l o o p e rm u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：h o ts t r i pm i l l ，l o o p e rm u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gc o n t r o l ，l o o p e r h e i g h t c o n t r o l ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ，c h a r i s f i cl o c u sd e s i g nm e t h o d - i v 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它学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：乎矿移 同期：删m 1 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：即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。本人授权东北大学可 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；否则视为卜刘意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名 签字h 期 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 第一章绪论 钢铁及其产品一直广泛应用于日常生活及工业生产中，至今在任何一个国家， 钢铁产品仍不能被其它产品完全取代，它一直处于非常重要的地位，是国民经济 建设中不可缺少的支柱型产业。 带钢生产比重日益增长是现代轧钢生产发展的一个主要趋势。热轧带钢是重 要的工业原料，广泛应用于汽车、电机、化工、机械制造、建筑、造船等工业部 门，此外还大量的热轧带钢用于冷轧原料及制造焊管和冷弯型钢等【”。 现代工业的发展，对热轧带钢的厚度和板形控制精度提出了越来越高的要求。 而活套控制作为热连轧的关键环节，它的控制效果好坏严重影响着热轧带钢产品 的性能。由于板带热连轧过程厚度、宽度和板形控制系统与张力控制有很强的耦 合性，因而，连轧过程中稳定的张力控制是板带尺寸控制精度提高的基础，是保 证产品质量的一项重要措施。所以本文选择以热轧带钢活套的高度张力控制系统 的解耦为重点。 1 1 热轧带钢生产技术的发展史 世界第一套带钢半连续式热连轧机，于1 8 9 2 年建于捷克斯洛伐克的特布甩兹， 但未能正式投产。其主要原因是轧制速度太低( 2m s ) ，并且是二辊轧机。因此， 无法生产出合格的热轧带钢。直到1 9 2 6 年才在美国实现了热轧带钢的连续轧制。 由于带钢热连轧机的产量高，能轧制出较薄的带材，特别是厚度在1 5 1 6 m m 以下的带材必须采用高温轧制，否则在s l n 过程中，带材将会很快冷下来，难以 轧制，所以自1 9 2 6 年第一套带钢热连轧机在美国投产以来，许多国家相继迅速建 设了这类轧机。据不完全统计，到1 9 8 5 年为止，世界上拥有的带钢热连轧机约为 1 6 2 套。 在带钢热连轧机问世及相继发展的同时，还出现了炉卷轧机。但是这种轧机 轧出的带钢厚差大、表面质量差、生产成本高，影响了它的广泛使用。随后又出 现了行星式热轧带钢轧机。这种轧机占地面积小，可以s l n 特种钢，但因轧制时 震动大、设备磨损快、轧机作业率低、产品质量差，因此也没有得到广泛使用。 最近澳钢联开发一种热轧带钢生产的新工艺，采用一种可逆式紧凑轧机生产热轧 带钢。其典型的车间布置方案是两架串列布置的四辊式带钢可逆轧机。可生产尺 寸公差和组织性能均匀的热轧带钢。目前热轧带钢绝大部分还是带钢热连轧机生 产的。 随着第一套热连轧机1 9 2 6 年在美国的诞生，带钢热连轧已经有7 0 多年的发 东北大学硕士学位论文 第一草绪论 展史吼根据带钢热连轧机的生产工艺和轧机的装备水平不同，其发展过程一般认 为经历了3 个发展时期( 即所谓的“三代”) 。汽车工业、建筑工业、交通运输业 等的发展，使得热轧钢板的需要量不断增长，从而促进了热轧带钢获得了迅速和 稳定的发展。 1 9 6 0 年以前为第一代，由于长期受精轧机和卷取机咬入速度的限制，精轧速 度( 精轧机组末架出口速度) 低，最高只能达1 0 1 2m s 。而且轧制钢卷单重为 6 1 3 6 t ，单位宽度卷重5 1 2 k g m m ，因此，热连轧机的年产量不高，最高不超过 2 0 0 万t 。 直到六十年代初期，由于大功率电机的制造成功，美国首创的升速轧制成为 现实，将延续三十多年来的第一代带钢热连轧机推进到第二代，其轧制速度由 1 0 1 2m s 增至1 5 2 1m s ；轧机年产量由1 0 0 2 0 0 万t 增至2 5 0 3 5 0 万t ；带卷单 位宽度重量也由4 1 1k g m m 增至1 2 2 1k g l m m ：成品带钢厚度由2 1 0m m 扩大至 1 5 1 2 7m m 。同时带钢热连轧机的自动化也进入了一个新的阶段。主机的调速系 统由电机放大机一发电机一电动机调速系统发展到可控硅电动机调速系统；对工艺 参数的控制，由人工手动加上单机自动化阶段进入到单机自动化和计算机控制并 存的新时期；在轧制工艺上由大张力轧制发展到恒定的小张力微套量轧制。此外， 还采取增加精轧机的架数、引入厚度自动控制等技术来增加轧机的产量和提高带 钢的质量。 带钢热连轧机经过半个多世纪的发展，至七十年代初已进入第三代高速、巨 型轧机的领域。轧机的年产量可达3 5 0 6 0 0 万t 。带卷单位宽度重量也由 1 2 2 i k g m m 增至2 7 3 6 k g m m ，成品带钢厚度扩大至0 8 2 5 4m m ，轧制速度可达 2 8 3 0m s 。在该阶段轧制工艺和设备等方面都有很大的进步，并采用了许多新技 术：如增加粗轧机组的机架数量，并在粗轧机组的最后两个机架上实行双机连轧； 精轧机组的架数进一步增多，由原来的六个机架增加到七个机架，并预留有第八 机架甚至第九机架的可能性；出现了步进式加热炉；在工艺上采用调速轧制法， 以控制终轧温度，并应用了高效率的层流冷却控制系统以控制卷取温度和成品带 钢的组织性能；为了改善板型，在精轧机组上采用新式结构的轧机、设置弯辊装 置及其它新技术：为适应不同厚度的产品，增设了近距离薄带钢卷取机；为保证 带钢厚度均匀一致，不断完善厚度自动控制系统，简称a g c ，发展到整个生产过 程全部采用计算机控制等，目前新建的带钢热连轧机己毫无例外的都采用计算机 控制。2 0 世纪8 0 年代以来，工业发达国家的钢材市场供过于求的形势，使得钢材 生产特别是板带生产从追求宽带钢轧机的大型化、高速度、大卷重的指导思想， 转向更加注重从产品质量上去提高竞争力。同时板带钢用户对于低凸度板带材和 - 2 一 要求最小理论质量交货的板材需求量不断增长。提高产品质量、成材率和降低成 本是各钢铁公司一壹努力的目标。2 0 世纪8 0 年代以来又形成新的系列技术方针 和综合性新技术。其中，板带钢板形控制技术是2 0 世纪8 0 年代热轧宽带钢轧机 轧制技术中的一项重要课题【2 】。 2 0 世纪9 0 年代出现的无头连续轧制宽带技术是热轧宽带钢轧制工艺方面的一 项重大突破。该技术解决了在常规热连轧机上生产厚度o 8 1 2m m 超薄带钢的一 系列技术难题。无头连续轧钢带钢技术，是在精轧机组前将两卷中间带坯头尾端 切齐并由电感应加热器将头尾结合起来进行连续轧制的技术。在卷取机前由高速 飞剪将带钢再切分开来，经地下卷取机卷成钢卷。无头轧制的一组带钢厚度是分 布减薄的，穿带和最后一卷带钢为厚度稍厚的带钢。如厚度为1 2 6 1 6 6 r a m 。实现 无头轧制的主要设备与技术为：3 个卷位的卷取箱、中间带坯切头尾飞剪和电感应 接合装置、精轧机组高速高精度厚度变更技术、卷取机前高速切飞剪及高速穿带 装霉。 如果说2 0 世纪3 0 年代热带连轧的成功标志着现代热轧带钢技术发展的第一 个里程碑，2 0 世纪6 0 年代计算机控制系统在热带轧制中的应用是第二个里程碑， 那么2 0 世纪8 0 年代以后出现并逐渐完善的、以高精度数学模型和智能轧制技术 为代表的高新技术群可以说是热轧带钢技术发展树立了第三个旱程碑。近3 0 年来 带钢热连轧生产在围绕节能、提高产品质量和成材率等方面所采用的新技术主要 有【3 】： 1 ) 卷取箱技术：卷取箱技术是加拿大钢铁公司在1 9 7 0 年提出的一项新技术。 该公司已先后在多个国家申请专利，并不断改进完善该项新技术。它就是在粗轧 机组和精轧机组之间的中间辊道上设置一个无芯的下卷式的卷取机。当带坯从粗 轧机组轧出后，就进入卷取箱进行卷取。带坯的尾端进入卷取箱后卷取停止。随 即将钢卷翻转，带坯的尾端先进入精轧机组进行轧制，而头部最后离开精轧机组。 浚项新技术不但解决了轧件在中间辊道上的温降问题，而且具有节能显著、减少 投资、提高产量和质量、扩大品种、提高成材率以及可降低对精轧机组自动控制 的要求等一系列优点。 2 ) 板坯热送、热装与直接轧制工艺：板坯热送、热装，主要是将连铸坯由铁 路用特制保温车或采用带有耐火材料衬罩的辊道运送到板坯库保温，再用钳式吊 车将热板坯装入加热炉内，或者不经保温直接热装炉内。它的主要效果是有效利 用钢坯显热、降低燃料单耗另外还可提高金属收得率，降低成本等。所以说热 送、热装特别是直接热装，是今后节能技术的发展方向。直接轧制，就是将连铸 坯直接热送至热轧机进行轧制的方法。它更能有效利用板坯显热和降低燃料单耗， 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 而且没有水印温差，带钢纵向厚度公差减少。 3 ) 低温出炉轧制新技术：低温出炉轧制，就是将板坯的出炉温度由常规的 1 2 5 0 0 c 降低到1 1 5 0 0 c 或1 1 0 0 0 c 进行轧制。通过增加中间辊道的绝热系统大大提 高精轧机组温度的均匀性，改善成品带钢厚度的精度、扩大产品规格范围、减少 滑轨黑印、提高现有加热炉的能力等优点。 4 ) 改善热轧带钢板形的新技术：2 0 世纪8 0 年代以来，世界各国对于热轧带 钢的板形质量普遍重视起来。板形包括带钢断面凸度、断面轮廓形状及带钢的平 直度。近一、二十年国际上开发研制出各种板形控制轧制和方式，而用于热连轧 机的板形控制方式主要有：工作辊弯辊装置( 嘞) 、工作辊横向移动装置( w r s ) 、 连续可变凸度控制( c v c ) 及成对交叉辊轧机( p c m ) 等【2 1 。 此外，采用的新技术还包括有粗轧机立辊侧压短行程控制( s s c ) 和宽度自动 控制( a w c ) 、精轧机组全液压压下及a g c 系统、带钢层流冷却系统、全液压地 下卷取机等。 1 2 我国热轧带钢轧机的概况 鞍山钢铁公司的半连续轧机始建于1 9 5 7 年，是我国第一套热带钢轧机。这是 为了适应中华人民共和国成立后国家工业的发展，满足各部门对中厚钢板、热轧 薄板、带钢和供冷轧机生产冷轧薄板用钢卷的需要而建设的。全套设备从苏联引 进，为一套2 8 0 0 1 7 0 0 r a m 半连续式板带轧机，既生产中厚钢板又生产钢卷。它是 我国直到1 9 7 8 年武钢1 7 0 0 m m 热带轧机投产前，国内设计带钢热连轧机的参照样 板设备。 武钢1 7 0 0 m m 热带轧机是2 0 世纪7 0 年代从日本引进的全部成套设备；宝钢 2 0 5 0 m m 热带轧机是2 0 世纪8 0 年代从德国引进的成套设备，国内合作制造了部分 机电设备：宝钢1 5 8 0 m m 热轧机及鞍钢1 7 8 0 m m 热轧机是2 0 世纪9 0 年代国外( 日 本) 引进和国内制造的机电设备。这4 套现代化的宽带钢热轧机所采用的工艺技 术，技术设备和计算机控制系统，具有当时国际上一流的技术水平。这些热连轧 机的建设使我国的热轧带钢生产工艺技术很快提高到国际上的先进水平，并为我 国国民经济各部门提供了品种齐全的优质热轧板带钢和冷轧机用原料钢卷，进而 为汽车、家用电器、交通运输业等用户提供紧缺的优质冷轧薄钢板。 本钢1 7 0 0 m m 热轧机和攀钢1 4 5 0 m m 热轧机是我国自行设计和制造的两套热 连轧机。由于受当时历史条件的限制，原设计的这两套热连轧机的技术装备水平 比较低，投产后进行过的技术改造和现在开始进行的现代化技术改造，是十分必 要的。 d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 太钢1 5 4 9 m m 热轧机和梅钢1 4 2 2 m m 热轧机是购买日本2 0 世纪6 0 年代投产 的二手设备。由于老化的主电机未能更新和主传动控制系统也未全面改造。这两 套轧机投产后的总体装备水平满足不了轧制工艺要求，不能生产所规定的全部产 品规格，产品质量满足不了工艺的要求，而且由于技术装备落后，产品质量难以 提高。 根据国家“九五”计划后两年重点改造落后的工艺技术装备和解决关键产品 品种替代进口的方针，对于这4 套老热轧机的改造给予政策和资会上的支持，进 行一次较全面的现代化技术改造，使这几套老轧机有条件生产所规定的产品品种 和规格，能满足用户对产品质量提高的要求。 这几套老的热轧机经过技术改造后，我国带钢热轧机总体的技术水平将有明 显提高，有能力国外市场竞争形势。 1 3 热轧带钢张力的控制方法 为了保证连轧顺利进行，采用的是很小张力的小张力轧制”，这是热连轧的 一个基本特征。若j f l j 过程中热轧带钢所受张力过大，将会产生使轧件被拉窄， 以及产生缩颈等不良后果【3 】。 保证连轧顺利、稳定进行的另一个必要条件是金属秒体积流量相等。秒流量 用流量方程表示为【4 】： h i v ，= c( 1 1 ) 式中：鱼任意架轧机轧件的出口厚度： v 一任意架轧机轧件的出口速度； c 一连轧常数。 在实际生产过程中，因为坯料尺寸、温度等方面的影响，常常会导致秒流量 不相等而破坏正常的连续轧制，因此需要采取一定措施使相邻轧机重新达到秒流 量相等。秒流量在瞬间的不相等，并不影响带钢的精确度，而张力的不恒定却会 对带钢的精确度产生严重的影响。因此，在带钢连轧机中常采用以下控制策略： ( 1 ) 在一定范围内，追求秒流量相等。控制系统始终不断地按秒流量相等的原 则控制，使秒流量在一个尽可能小的范围内发生变化。 ( 2 ) 恒定的张力控制。在一个小范围内允许秒流量不等，但张力却始终恒定， 即秒流量不等时，张力不能改变。 目前有两类方法可实现秒流量相等和微张力恒定：微张力无套轧制和小张力 带套连轧。 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 太钢1 5 4 9 m m 热轧机和梅钢1 4 2 2 m m 热轧机是购买日本2 0 世纪6 0 年代投产 的二手设备。由于老化的主电机未能更新和主传动控制系统也未全面改造。这两 套轧机投产后的总体装备水平满足不了轧制工艺要求，不能生产所规定的全部产 品规格，产品质量满足不了工艺的要求，而且由于技术装各落后，产品质量难以 提高。 根据国家“九五”计划后两年重点改造落后的工艺技术装各和解决关键产品 品种替代进口的方针，对于这4 套老热轧机的改造给予政策和资金上的支持，进 行一次较全面的现代化技术改造，使这几套老轧机有条件生产所规定的产品品种 和规格，能满足用户对产品质量提高的要求。 这几套老的热轧机经过技术改造后，我国带钢热轧机总体的技术水平将有明 显提高，有能力国外市场竞争形势。 1 3 热轧带钢张力的控制方法 为了保证连轧顺利进行，采用的是很小张力的小张力轧制”，这是热连轧的 一个基本特征。若轧制过程中热轧带钢所受张力过大，将会产生使轧件被拉窄， 以及产生缩颈等不良后果【”。 保证连轧顺利、稳定进行的另一一个必要条件是金属秒体积流量相等。秒流量 用流量方程表示为p i ： v = c( 1 1 ) 式中： 任意架轧机轧件的出口厚度； u 一任意架轧机轧件的出口速度； c 一连轧常数。 在实际生产过程中，因为坯料尺寸、温度等方面的影响，常常会导致秒流量 不相等而破坏正常的连续轧制，因此需要采取一定措施使相邻轧机重新达到秒流 量相等。秒流量在瞬间的不相等，并不影响带钢的精确度，而张力的不恒定却会 对带钢的精确度产生严重的影响。因此，在带钢连轧机中常采用咀下控制策略： ( 1 ) 在一定范围内，追求秒流量相等。控制系统始终不断地按秒流量相等的原 则控制，使秽流量在一个尽可能小的范围内发生变化。 ( 2 ) 恒定的张力控制。在一个小范围内允许秒流量不等，但张力却始终恒定， 即秒流量不等时，张力不能改变。 目前有两类方法可实现秒流量相等和微张力恒定：微张力无套轧制和小张力 目前有两类方法可实现秒流量相等和微张力恒定：微张力无套轧制和小张力 带套连轧。 1 3 1 无活套微张力控制 现代轧制生产中，为了减少加热炉燃料消耗和提高产品的成材率，采用了加 厚粗轧来料的方法，这就要求精轧机组完成较大的压下量。但较厚的带坯要求精 轧前几机架具有较大的带钢弯曲能力，使活套结构和转动惯量增大，减弱了活套 装景的控制能力：而且活套控制方式与设备复杂，成本高【5 j 。所以，有必要研究无 活套微张力控制。 用无活套方式代替活套提供张力并进行张力匹配时，带材在相邻机架间被拉 紧。通过电机转矩测出带材上的张力【6 】，通过调整主电机的速度以保持张力恒定。 目前，无活套微张力轧制主要有m t c ( m i n i n u mt e n s i o nc o n t r 0 1 ) 、f t c ( f r e et e n s i o n c o n t r 0 1 ) 及无活套最优多变量微张力控制【5 。”。新日本制铁株式会社室兰和八幡厂的 带钢热连轧机组上已实际采用无活套方式，并证明该系统较常规活套装置具有动 态响应快、控制精度高、穿带与操作性能好等优点【钔。但因主电机的转动惯量很 大，造成主电机速度控制响应慢，并且，难以从主电机的转矩精确地测量带材张 力，控制精度还不太高 6 】。所以此种方法很难用于轧制窄带与薄带钢。目前此方法 只用于前几架轧机或厚板轧制一j 。 1 3 2 活套l t c 控制 由于前面所述原因，为保证连轧的成品质量，在精轧机组的晟后几机架之间， 必须采用活套装置保证绝对恒定的小张力。因此在设备上，必须保证有低惯性、 响应快速的活套机构；在控制上，必须保证有好的张力控制方法。 活套支持器结构图如图1 1 所示。从图中可以看出，活套装罱安装在相邻两机 架的近中间位置。活套支持器具有两个主要作用：1 ) 吸收相邻机架间因轧制速度 的差异引起的轧件活套量的变化量，实现秒流量相等：2 ) 使轧件在机架间保持适 当的张力值，使连轧得以顺利进行。 因此活套控制包括两个方面：活套高度控制与张力控制【3 1 。 传统的活套控制中，通过调整上游机架轧辊速度使活套高度维持在设定值附 近，通过控制活套电机力矩使机架间张力恒定。而在实际轧制过程中，活套高度 和机架间张力两者相互影响。也就是说活套高度变化时，机架间张力随之变化； 机架间张力变化时，活套高度同样随之变化。即活套控制系统是个典型两输入 两输出的耦合系统。排除两者之间的相互干涉，使活套稳定工作，提高产品的尺 寸精度，就成了活套控制研究的一个重要课题，自连轧投入运行以来，这方面的 研究就在不断进行与发展。随着热连轧过程中降低轧制温度以及提高轧制速度u 0 6 等新技术的应用，人们对活套控制提出了更高的要求。 l i 圆圆 图1 1 热连轧活套支持器结构示意图 f i g 1 1t h ei n d i c a t i o no fl o o p e rs t r u c t u r ef o r h o ts t r i pm i l l 大量的研究和实验证明影响热连轧厚度精度进一步提高的原因是活套系统对 厚度控制系统的干扰【l ”。为了保证产品的宽度、厚度和尺寸形状的精度，研究热 连轧相邻机架间的活套控制系统具有重要的现实意义。 1 4 活套高度一张力控制方法的改进 从传统的活套高度一张力控制发展至今，已经历了几个阶段，各种方法都力求 提高活套对秒流量变化的快速响应，并且将张力控制在一个尽可能小的偏差范围 之内。 活套高度控制是以某一设定的活套高度为基准，用调节上游机架速度来维持 活套量恒定，即主传动速度控制系统与活套装置的套量信号相结合组成活套高度 闭环控制系统。当实际的活套高度与基准值有偏差时，用套量差值控制上游机架 主传动的速度，纠正秒流量偏差，以保持活套量恒定。 活套张力控制的目的是为了使带钢在不同的活套高度下，仍能保持在恒定的 微张力状态下进行轧制。目前，我国热轧带钢生产线多采用传统方法即开环控制： 根据检测到的活套高度值，调节活套电机力矩( 电流) 使张力保持恒定。电机力 矩m 为张力力矩与重力平衡力矩之和，是活套辊摆角0 和张力r 的函数，即 m = f ( e ，t ) 。在实际轧制过程中，由于工艺参数( 如辊缝、轧制速度等) 的波动， 活套辊不可避免地会在一定角度内摆动。若电机供给的力矩不变，则带钢在相邻 两机架间所受的张力r 将随活套臂的摆角波动而变化，即0 角增大，张力下降；0 角减小，张力上升。所以要保持张力恒定，活套装置电机的传动力矩必须随角度 的波动而按前面所述函数关系而变化。这表明活套控制系统的张力和高度是相互 影响的，即是一个耦合的多变量系统。 7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1 传统的活套控制方法 传统的活套控制思想如下：活套控制系统是一个二输入二输出的多变量控制 系统，被控变量是活套角度口和带钢张力r ；以上游机架的轧机电机速度和活套电 机驱动力矩为输入变量。张力与活套角度0 相互影响，当活套角度日变化时，如活 套电机驱动力矩按函数m = f ( e ) 变化，则可保证张力的恒定，所以，通过调节活 套电动机电流来使张力恒定。这里张力的控制与主传动无关，是通过活套电机电 流调节的：而0 的恒定则通过调节上游机架的电机转速来得到保证。 传统的活套控制图如图1 2 所示f 1 3 】。活套电机电流基准值计算器( c r c c ) 计算出活套输出的电流基准值，此值与板带张力基准值相对应，与活套实际高度0 运算后被送到电机的电流控制器上，保证在角度变化时，相应的张力不变。活套 高度控制器由活套角度基准值与实际值之偏差计算出主电机速度设定的附加值， 此附加值被送到主电机速度控制器上，它能使活套角度回到基准值。这种方法虽 然理论上可行，实际在我国太部分钢铁厂也被广泛使用。但由于未考虑多变量输 入输出之间耦合因素的存在，而只是按照被控变量与操作变量单一结合构成两个 单回路控制系统，并不能很好地满足轧制生产过程对控制系统的高精度要求。 m a i nm o t o r 图1 2 热轧活套系统传统控制方框图 f i g 1 2t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ld i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e rc o n t r o l 若对此方法做一下改进，即张力与活套角度均用闭环控制，考虑角度及张力 输出波动对带钢速度及活套电机力矩的影响，且改变传统的用力矩控制张力，而 用主电机速度作为张力的控制输入量，用力矩控制活套高度】。如图1 3 中去掉交 叉控制器所示。但仍末解决张力与高度的相互耦合，其结果仍不能满足控制要求。 1 4 2 活套的互不相关控制 8 0 年代初，活套支持器的控制采用d d c ( 直接数字控制) 系统代替模拟数字 ，8 控制系统，d d c 系统由微型计算机组成，它根据轧制中各轧机、压下装置及活套 支持器的数据以及来自主过程计算机的数据精确计算各种控制参数，从而获得高 精度控制 1 。从而为开发和应用控制性能高的活套控制方法提供了硬件基础。 互不相关活套控制方法也称解耦多变量控制，它考虑了活套角度和张力之间 的相互干涉所造成的对控制的不良影响，采用前置补偿器使两者互不相关。 y o s h i k a z u k o t e r a 、f u m i ow a t a n a b e d 等人对此方法作了研究，他们结合轧制条件推 导出活套支持器的运动方程式，在仿真基础上将此控制方法用于实际的生产轧机， 其实验表明其性能远比传统方法好得多：在正常轧制条件下，活套支持器的位置 变化减小到1 2 度，机架间张力变化到可以忽略不计。设计前置补偿器的解耦 方法有多种，如：对角形解耦、状态解耦和对角优势解耦等 1 4 。 如图1 3 所示为互不相关控制框图，它采用交叉控制器( c r o s s c o n t r o l l e r ) h ( s 1 作为前黄补偿器，使c ； 2 g c s ，日c s ，( ；： = ( 晶苫引g ：二。， ；： ，活套角度与 张力被控制于互不相关状态而改进了系统的控制精度和响应时间。此方法对于需 要分离两个耦合变量的控制系统是很有效的。 a ：t e n s i o n ；+ ：t o r q u ef a c t o r ；s c ：s p e e dc o n t r o l l e r ；0 ：l o o p e ra n g l e ； l t c ：l o o p e rt e n s i o nc o n t r o l ；s ：l a p l a c i a n ； l h c ：l o o p e rh e i g h tc o n t r o l ；c r c c ：c u r r e n tr e f e r e n c ec a l c u l a t i o nc o n t r o l l e r ； r e f r e f e f e n c e ；m a i na s r ：m a i nm o t o rd r i v es y s t e m ；c c ：c u r r e n tc o n t r o l l e r 图1 3 热轧活套系统互不相关控制方框图 f i g 1 3t h el i o n i n t e r f e r e n c ec o n t r o ld i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e r 互不相关控制与传统的控制方法相比，在响应时间和控制稳定性上获得了很 大的改进，但是，依然有如下问题存在【“i ： ( 1 ) 虽然采用了互不相关控制，张力控制依然受主电机速度控制器响应的 9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 影响，所以，并没有达到预期性能。 ( 2 ) 由于受张力控制系统响应时间的限制，不能解决生产中的干扰问题，而 张力的波动会导致产品质量问题与运行的稳定性。 1 4 3 活套最优多变量控制 1 9 8 8 年，k e n y af u k u s h i r n a ，y u i c h it s u j i 等人设计了活套最优多变量控制方法。 浚方法基于最优调节理论，即在活套驱动系统中加入一个晟优调节器，使活套控 制系统线性化。此控制可由可编程控制器实现f 1 2 l 【1 3 】。 活套速度控制系统投入运行时，整体系统可视为三个子系统，如图1 ，4 所示， 分别为：a 张力产生系统；b 主电机速度控制系统；c 活套传动系统和活套装置。 建立此三个系统的状态方程模型，结合此三个系统就可以得到完整的活套系统控 制模型。 l o o o e rg r l o o t s p e e dt a r g 融 v a l u ea n l 。f m a i n s p e e d 恤掣t v a l u e 黼“ l w r d r i v es y s t e ma n d l o o p e r m e c h a n i c s t e 雌l o n 口m i 呲m a 】，g l 2 i n t e r a c t i o np a r a m e t e r ； 十m 巾l ：t h et o r q u ec o e f f i c i e n to fm a i na n dl o o p e rm o t o r , r e s p e c t i v e l y j mjl ：t h ei n e r t i ao f m a i na n dl o o p e rm o t o r , r e s p e c t i v e l y ； e ：y o u n g s m o d u l u s o f s t r i p ；l ：t h e l e n g t ho fs t r i pb e t w e e ns t a n d s ； k | - k t ：c o n s t a n t s 图1 4 活套最优控制系统框图 f i g - 1 - 4t h eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e md i a g r a mf o r h o ts t r i pl o o p e r 最优多变量控制框图如图1 5 所示，与图1 4 结合，则为完整的活套控制系统。 被控制量是张应力盯与活套角度日，通过调节上游机架主动机与活套电机的速度校 f 值a n m 州、a n i 来实现控制张应力和活套角度。 仿真结果表明：由于增加了最优调节器来消除被控量与其参考值之间的误差， 一1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 此控制方法可达到较好的控制效果。采用互不相关控制时，张力波动为传统方法 的8 3 ，而此方法为传统方法的4 5 ；角度波动与互不相关控制接近，为传统 方法的2 4 。 a v n 池i 。8 吼 t e n s i o n 扭r 辨t v a l u e w 图1 5 最优多变量控制框图 f i g t 5t h eo p t i m a lm u l t i - v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e md i a g r a mf o rh o ts t r i pl o o p e r 1 4 4 具有扰动补偿器的活套互不相关控制系统 1 9 9 2 年，s h i n y a 等又设计了一种具有扰动补偿器的互不相关控制方法【”】。在 此先讨论互不相关控制与最优多变量控制的优缺点： 1 互不相关控制的优缺点 优点：因为把系统作为单输入单输出而设计的，控制性能的设计及调整容易。 因为系统被非干扰化，即使活套角度的目标值变化，机架间张力也不变化。 缺点：在张力、活套的变动被充分满足时，不能提高p i 的增益。因为张力的 变动由主电机的速度来改变，所以不能充分利用活套电机。 2 最优多变量控制的优缺点 优点：控制对象保持为多变量系统，所以，能把主电机和活