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东北大学硕士学位论乏摘要 带钢热连轧电动活套张力控制系统研究与应用 摘要 本文以热连轧精轧区电动活套支持器为研究背景，着重论述了活套系统结构 及控制过程，建立了活套张力控制系统，给出了热连轧活套起套过程中的“软接 触”自适应控制等策略。建立的热连轧活套控制系统方案应用于实际热连轧过程， 取得丁明显的控制效果。本文的主要研究内容和取得的主要成果如下： ( 1 ) 论述了热连轧机活套控制系统的机理，详细阐述了某热连轧活套支持器 的结构、控制方法及控制过程的特点，尤其对电动活套张力控制系统进行了深入 的分析。 ( 2 ) 针对活套起套时可能对带钢产生撞击，使带钢头部被拉窄，即产生所谓 的“缩颈”的现象，提出了起套过程软接触的概念。指出活套起套过程属于活套 电机加速度受限条件下时间最小的角度最优控制问题。并针对活套的软接触控制， 建立丁初始活套量预测数学模型。分析了起套过程中活套电机的加速度、速度、 角位移之| 日j 的关系并根据电机的运动特性和工艺要求，逐段给出了备阶段最优 的电机速度和电流设定曲线，从而达到活套辊与带钢软接触之目的。 ( 3 ) 将这些优化的活套控制策略应用于某热轧厂7 5 0 m m 热轧窄带生产线 实际控制系统运行记录曲线和产品的实测结果表明：采用智能化活套高度和张力 控制策略后，实际生产出的热轧带钢产品的尺寸精度远远高于合同规定的指标。 本文的研究结果针对板带热连轧机的张力控制，具有很强的实用性，开发出 的控制算法可以推广到相似的控制对象中。所开发的张力控制策略已成功应用于 某热轧厂的热轧带钢生产线，对我国热轧板带控制水平的提高具有积极的促进作 用。 关键词：板带热连轧活套支持器张力控制自适应控制活套软接触控制 东北大学硕士学住论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fl o o p e rt e n s i o nc o n t r o l s y s t e mf o rah o ts t r i pm 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 rf o rah o ts t r i p f i n i s h e dr o l l i n g ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h el o o p e r ss t r u c t u r ea n dc o n t r o l l e dp r o c e s s e s t a b l i s h e st h el o o p e r t e n s i o n c o n t r o la n di n v e s t i g a t e st h es e l f - a d a p t i v ec o n t r o lo fs o f t t o u c hb e t w e e nl o o p e ra n ds t r i p d u r i n gr i s i n gl o o p e r 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 ，a n di t s p e r f o r m a n c es h o w st h a t t h e i n t e l l i g e n tc 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 rt ot h e t 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 k sa n dr e s u l t sa r ea st b l l o w i n g ： ( 1 ) t h et h e o r yo fl o o p e rc o n t r o ls y s t e mi nt h eh o ts t r i pm i l li sd i s c u s s e d t h e l o o p e r ss t r u c t u r e ，c o n t r o l l e dm e t h o da n dc o n t r o l l e dp r o c e s sa r ec a r e f u l l yd e s c r i b e d e s p e c i a l l yt h el o o p e r t e n s i o nc o n t r o li sa n a l y z e dd e e p l y ( 2 ) s e l f - a d a p t i v ec o n t r o lo fs o f t t o u c hb e t w e e nl o o p e ra n ds t r i p ：l o o p e rr o l l sr i s e u pa n dt i g h t e nt h es t r i pa tt h em a x i m a la c c e l e r a t i o n t h o u g hi tc o u l dr i s eu pl o o p e r q u i c k l y , b u tap h e n o m e n o nt h a tt h es t r i pn a l t o wn e c km a yo c c u rb e c a u s et h el o o p e rp u t s t o om u c hs o d d e np r e s so nt h es t r i pw h i l ec o n t a c t i n gi tw i t ha l li m p a c t i no r d e rt o p r e v e n tt h i sp h e n o m e n o n ，t h el o o p e rr o l l e rp o s i t i o nc o n t r o lf o rs o f t - t o u c hl o c a t i n gi s u s e df o rl o o p e rm o t o rs p e e da n dt o r q u es e tf o r , w h i c he f f e c t i v e l yr e d u c e st h ei m p a c t f o r c ea tt h em o m e n to fl o o p e rr o l l e rc o n t a c t i n gs t r i p t h ef o r e c a s t i n gi sg i v e na b o u tt h e f i xl o o p e rl e n g t hp r o b a b l yt of o r mb e t w e e nt h ea d j a c e n ts t a n d s ( 3 ) t h el o o p e r sr e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e np u ti n t oa p p l i c a t i o nf o ra7 5 0 m mh o t s t r i p m i l l t h ea c t u a lr e e o r dc u r v e sa n dt h e a c t u a lp r o d u c t si n d i c a t et h a ta f t e rt h e l o o p e r sh e i g h tc o n t r o la n dt h el o o p e r st e n s i o nc o n t r o la r eu s e d ，t h ea c t u a lp r o d u c t s d i m e n s i o n sa r eb e t t e rt h a nt h ea n t i c i p a t e dv a l u e s 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 rc o n t r o la n dt e n s i o nf o ra h o ts t r i pm i l l t h e ya r ep r a c t i c a la n dc a nb ea p p l i e di ns i m i l a rp r o j e c t t h ei n t e l l i g e n t l o o p e rc o n t r o lh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n7 5 0 m mh o tt a n d e ms t r i pm i l l ，w h i c hi s v a l u a b l et oi m p r o v et h ec o n t r o i j e v e jo f h o ts t r i pm i l if o ro u rc o u n t r y k e y w o r d s ：h o ts t r i p m i l l ；l o o p e r ；t e n s i o nc o n t r o l ；s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ；l o o p e r s o f t t o u c hc o n t r o l - l l i 东北大学硕士学住论丈 声明 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。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嚏疋嗣 日期： 如、2 、形 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 热轧带钢是应用极为广泛的一类工业原料，在轧制产品中所占比例较大，可 应用于国民经济的许多方面，如造船、建筑、汽车、电机、化工、机械制造、军 工及食品工业等部门都大量使用热轧带钢。此外，还有大量的热轧带钢用于冷轧 原料及制造焊管和冷弯型钢等。因此，热轧带钢在国民经济中占有重要的地位。 目前大规模高效率优质热轧薄板和带钢的生产，主要是在连续式和半连续式 带钢热连轧机上进行的。近几十年来热连轧板卷的生产，在轧钢生产中发展晟迅 速，也是各种新技术应用最广泛的一个领域，故带钢热连轧机的水平，在一定程 度上反映了一个国家钢铁工业的技术水平。实现连轧的一个基本条件是同一时间 内各个轧制道次的秒流量相等，对热轧带钢柬说，主要是靠精轧机组机架f i ：t j 的活 套来维持秒流量相等来实现。从这个意义上说，活套控制是实现连轧的关键，连 轧过程中稳定的张力控制足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，也是连轧机发明以来，轧钢控制专家不懈追求的目标。所以本文选 择以热轧带钢电动活套的张力控制为重点研究内容。 1 1 熟轧带钢生产技术的发展 1 1 1 带钢热连轧机的发展概况 自1 9 2 6 年第一套带钢热连轧机1 4 7 0 m m 在美国的巴特勒投产以来，带钢热连 轧已经有8 0 多年的发展史川。 在1 9 6 0 年以前建设的热带钢轧机，习惯上称为第一代热带钢轧机。这段时期 热带钢轧机的技术发展缓慢，热带钢轧机辊身长度范围为1 1 2 0 2 4 9 0 m m ，由于没 有宽的板坯，尚需横轧展宽，轧机的年生产能力为1 0 0 2 0 0 万t ，少数在1 0 0 万t 以下，轧制带钢卷单重为6 1 3 6 t 单位宽度钢卷重量为5 - 1 2 k g m m ，精轧机的最 大速度为1 0 1 2 m s 。这一时期热轧带钢工艺技术最重要的进步是将厚度自动控制 ( a g c ) 技术应用于精轧机，从根本上改善了供给冷连轧机的带钢原料的厚度公 差。 美国人把2 0 世纪6 0 年代建设的l l 套热带钢轧机称为第二代热带轧机。后来 在日本和欧洲于1 9 6 9 1 9 7 4 年间建设的8 - 9 套热带轧机，在主要生产工艺技术指 标方面又超过了第二代热带轧机，被称为第三代热带轧机吐第二代、第三代热带 轧机的主要技术指标范围列于表1 1 。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 表1 1 第二代、第三代热带轧机的主要技术指标 t a b l e1 1t h es e c o n da n dt h i r dg e n e r a t i o nh o tt a n d e mr o l l i n gm i l lm a i ns p e c i f i c a t i o n 这段时期，热带轧机的产品厚度从第二代时的l - 1 2 7 m m 扩大到( 1 0 ) 1 2 2 0 m m ，宽度扩大到2 1 5 0 m m ，材料强度达到6 0 0 m p a 以上。第三代热带轧机 设汁产品厚度最薄到o 8 1o m m 。 自上个世纪8 0 年代以束，工业发达国家的钢材市场供过于求的形势，使得钢 材生产特别是板带尘产从追求宽带钢轧机的大型化、商速度、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。2 0 世纪9 0 年代热轧宽带钢轧制工艺方 面的一项重大突破是1 9 9 5 1 9 9 6 年r 本川崎钢铁公司干叶厂开发成功的无头连续 轧制宽带技术。无头连续轧制带钢技术，是在精轧机组前将两卷中削带坯头尾端 切齐，并由电感应加热器将头尾接合起来进行连续轧制的技术。该技术与常规热 连轧技术相比，其特点是可以稳定的轧制厚0 8 1 2 m m 、宽1 2 0 0 m m 超薄带钢；由 于全长在一定的速度和张力下轧制，所以带钢质量均一，一级品收得率提高 o 5 1 5 ；可以生产高r 值深冲钢板；可以生产8 0 0 m p a 级高强度薄带钢：可以轧 制厚度为1 2 m m 、宽度达1 6 0 0 m m 宽而薄的带钢。这些在常规热连轧机上是不可 能的。 1 1 2 现代带钢热连轧机技术发展的特点 自2 0 世纪6 0 年代以来，带钢热连轧不仅在数量上增长很快，在生产技术上 的发展也是很迅速的，其技术发展的特点是：设备大型化、生产高速化、工艺连 续化和控制自动化。但在七十年代末和八十年代初，由于钢铁工业不景气，轧机 开工率低，巨型热轧机的建设速度放慢了，其技术发展的重点是在节约能源、提 高产品质量和提高成材率，以获得高的经济效益。 1 生产能力的提高 过去由于轧制速度、轧机作业率低、板坯重量小，故轧机的生产能力低。“第 一代”轧机的设计年产量，一般为1 0 0 2 0 0 万t ，“第二代”为2 5 0 3 5 0 万t ，而 东北大学硕士学位论文 一 第l 章绪论 表1 1 第二代、第三代热带轧机的主要技术指标 t a b l e1 1t h es e c o n da n dt h i r dg e n e r a t i o nh o tt a n d e mr o l l i n gm i l lm a i ns p e c i f i c a t i o n 这段时期，热带轧机的产品厚度从第二代时的1 2 - 1 2 7 m m 扩大到( 1 0 ) 1 2 2 0 m m ，宽度扩大到2 1 5 0 m m ，材料强度达到6 0 0 m p a 以上。第三代热带轧机 设计产品厚度最薄到0 8 1 o m m 。 自上个世纪8 0 年代以柬，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。2 0 世纪9 0 年代热轧宽带钢轧制工艺方 面的一项重大突破是1 9 9 5 1 9 9 6 年r 本川崎钢铁公司干叶厂开发成功的无头连续 轧制宽带技术。无头连续轧制带钢技术，是在精轧机组i j 将两卷中州带坯头尾端 切齐并由电感应加热器将头尾接合起来进行连续轧制的技术。该技术与常舰热 连轧技术相比，其特点是可以稳定的轧制厚o 8 1 2 m m 、宽1 2 0 0 r n m 超薄带钢；由 于全长在一定的速度和张力下轧制，所以带钢质量均一，一级品收得率提高 o 5 ，1 5 ；可以生产高r 值深冲钢板；可以生产8 0 0 m p a 级高强度薄带钢：可以轧 制厚度为1 ，2 m m 、宽度达t 6 0 0 m m 宽而薄的带钢。这些在常规热连轧机上是不可 能的。 1 1 2 现代带钢热连轧机技术发展的特点 自2 0 世纪6 0 年代以来，带钢热连轧不仅在数量上增长很快，在生产技术上 的发展也是很迅速的，其技术发展的特点是：设备大型化、生产高速化、工艺连 续化和控制自动化。但在七十年代末和八十年代初，由于钢铁工业不景气，轧机 开工率低，巨型热轧机的建设速度放慢了，其技术发展的重点是在节约能源、提 高产品质量和提高成材率，以获得高的经济效益。 1 生产能力的提高 过去由于轧制速度、轧机作业率低、板坯重量小，故轧机的生产能力低。“第 一代”轧机的设计年产量，一般为1 0 0 2 0 0 万t ，“第二代”为2 5 0 3 5 0 万t ，而 一代”轧机的设计年产量，一般为1 0 0 2 0 0 万t ，“第二代”为2 5 0 3 5 0 万t ，而 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 目前已增加到3 5 0 6 0 0 万t 。可见现代带钢热连轧机的生产能力增长是很迅速的。 7 0 年代薄板和带钢产量增长最多的国家是同本，净增了1 7 1 6 万t ，增长了6 0 ， 板带产量占热轧材产量的比重从1 9 6 9 年的4 2 6 提高到1 9 7 7 年的4 6 5 ，薄板 和带钢比重晟大的是美国，最高的1 9 7 6 年达5 8 3 ，大多数国家板带比重在7 0 年代期i n j 都有不同程度的增长。 2 轧制速度的提高 带钢热连轧机的生产能力，一般受精轧机能力的限制。因此，提高精轧机组 术架的出口速度，是提高生产能力的主要途径之一。“第一代”轧机，其精轧机组 术架的出口速度一直只有1 0 1 2 m s 。随着生产技术的发展、自动化的引入，轧制 速度得到很大的提高。目前已增加到2 8 3 0 m s 。但轧制速度的提高，一方面导致 主f 动电动机功率的增加，另一方面当f f l n 速度超过1 2 m s 时，带钢在精轧机组 后面的输出辊道上运行会产生“漂浮”现象，不便运输，同时出于卷取机结构的 原因，一般卷取机的咬入速度为l o 1 2 m s 左右。后来采用了升速轧制的方法， 使精轧机组未架的出口速度得以飞跃提高。目前现代带钢热连轧机上均采用升速 轧制的方法，即丌始以1 0 m s 左右的低速进行咬钢轧制，待带钢头部被卷取机咬 入并卷上两圈之后，精轧机组和卷取机同步加速到正常轧制速度。这种升速轧制， 还可以提高带钢尾部的终轧温度，以补偿带钢长度方向的温降，使终轧温度均匀 一敛。 3 板坯重量的增加 加大板坯重量即加大钢卷的重量，也就是轧机产量的一个重要途径。过去带 钢热连轧机轧制的板坯重量一般为5 1 0 t 左右，钢卷的单位宽度重量一般为 4 k g m m 。现代带钢热连轧机轧制速度的提高，为板坯重量的增加创造了条件。目 前板坯重量己增加到3 0 4 5 t ，有趋势向更大坯重发展。钢卷的单位宽度重量增加 到2 7 3 6 k g m m 。 4 机架数量的增加 随着卷重的增加，板坯尺寸亦增大，而扳坯宽度由产品规格决定( 目前带钢 宽度大多为1 5 5 0 m m 以下) 。为了不增大轧制的总延伸率，一般来说，首先应将板 坯加长，目前板坯的长度己由“第一代”的6 m 左右增加到1 5 m 左右。如再增加 将使加热炉结构复杂。因此，只有增加板坯的厚度，板坯的厚度已由“第一代” 的1 2 5 2 0 0 m m 增加到2 5 0 3 6 0 m m ，从而导致了粗轧机组组成方式的改变及精轧 机组数目的增加。过去带钢热连轧机的粗轧机组，一般由l 2 架可逆式轧机( 半 连轧) 或4 架跟踪式轧机( 全连轧) 组成。现代带钢热连轧机的粗轧机组，一般 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 在两架可逆式机座后面再增加两架连轧机座( 3 1 4 连轧) 或由5 6 架轧机组成全 连轧。为了不使粗轧机组出来的带坯过长，造成过大的头尾温差，就要加大粗轧 机组出口带坯的厚度，即增加精轧机组的延伸系数。目前带坯的厚度已由过去 2 0 r a m 增加到3 0 5 0 m m ，这样就促使精轧机组数目的增加，现大都为7 个机架， 并预留第8 机架甚至第9 机架的位置。 5 主传动电机容量的增加 随着皈坯重量的增加、轧制速度的提高和升速轧制方式的采用，轧机( 特别 是精轧机) 主传动电机容量在加大。 6 产品规格范围的扩大 由于用户对钢材品种规格的要求越来越多，生产带钢品种规格的范围亦随之 扩大。“第一代”带钢热连4 i ；l ) d l 生产的成品带厚一般为2 1 0 m m 。而现代，淞俐热连 轧机生产成品带厚可为0 8 2 5 m m 左右，向着薄规格和厚舰格两个方向发展，这 样既可减轻冷连轧机的加工量，又可承担部分中厚板轧机的产品。 7 自动化程度不断提高 由于对成品带钢质量的要求同益严格，对生产高效率、经济商效益的要求r 趋迫切，因此，就促使在带钢热连轧机上采用一系列自动控制系统( 如厚度自动 控制、位鬣自动控制、温度自动控制、速度自动控制、恒定张力自动控制系统等) 和在整个生产过程中全部采用计算机控制，并在整个轧制线上配罱各种自动化检 测仪表。这样就保证科带钢热连轧机的高效率、高产量，优质和低消耗的生产。 带钢热连轧机自动化水平的迅速提高，在一定程度上各国都以其带钢热连轧 自动化程度作为本国轧钢自动化水平的标志。 伴随着相关技术领域的进步，仅2 0 年来热轧带钢生产和研究领域的新技术层 出不穷，推进了工艺、设备、技术的飞跃发展。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为热轧 带钢技术发展树立了第三个里程碑。现代热轧带钢生产本身已经达到了相当高的 水平，同时也为相关的轧制领域起到了示范、带动和推进作用。近2 0 年热带轧制 过程主要技术进步情况见表1 2 【l j 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 2近2 0 年热带轧制过程主要技术进步 t a b l e1 1t h em a i nt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t so fh o tt a n d e mr o l l i n gm i l li na b o u t2 0y e a r s 1 1 3 我国热轧带钢的发展概况 我国第一套热轧带钢轧机始建于1 9 5 7 年，即鞍山钢铁公司( 以下简称鞍钢) 的半连续轧机。全套设备从苏联引进，为一套2 8 0 0 1 7 0 0 m m 半连续式板带轧机， 既生产中厚钢板又生产钢卷。该轧机的轧制中厚钢板部分1 9 5 8 年7 月投产，1 9 5 9 年精轧机组投产，开辟了我国宽带钢卷生产的生产历程。在1 9 5 9 年到1 9 7 2 年之 前的较长的时间内，该轧机一直是我国唯一的一套生产宽带钢卷的轧机。 我国现有辊身长度在1 4 2 2 m m 以上的热轧宽带钢轧机9 套、薄板坯连铸连轧 带钢轧机3 套，按投产时间排列如下： 1 ) 武钢1 7 0 0 r a m ，3 4 连续式热带钢轧机； 2 ) 本溪钢铁公司( 简称本钢) 1 7 0 0 m m ，3 4 连续式热带钢轧机： 3 ) 宝钢2 0 5 0 m m ，3 4 连续式热带钢轧机： 4 ) 攀钢( 集团) 公司( 简称攀钢) 1 4 5 0 r a m ，半连续式热带钢轧机： 5 ) 太原钢铁( 集团) 有限公司( 简称太钢) 1 5 4 9 r n m ，半连续式热带钢轧机； 6 ) 梅山钢铁公司( 简称梅钢) 1 4 2 2 m m ，全连续式热带钢轧机： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 7 ) 塞钢1 5 8 0 r a m 半连续式热带钢轧机： 8 ) 鞍钢1 7 8 0 r a m ，半连续式热带钢轧机； 9 ) 鞍钢1 7 0 0 m m ，中厚板坯带钢连轧机： 1 0 ) 珠江钢铁有限责任公司( 简称珠钢) 1 5 0 0 m m 薄板坯连铸连轧带钢轧 机： 1 1 ) 邯钢( 集团) 有限责任公司( 简称邯钢) 1 9 0 0 r a m ，薄板坯连铸连轧带 钢轧机： 1 2 ) 包头钢铁稀土公司( 简称包钢) 1 7 5 0 m m ，薄板坯连铸连轧带钢轧机： 其中，武钢1 7 0 0 m m 热带轧机是2 0 世纪7 0 年代从r 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，固内合作制造 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 囡外( f = t 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。 1 2 热轧带钢活套张力控制方式的研究 热轧时的理想情况是希望张力为零或在最小的张力范围内进行。为了保证连 轧顺利进行，实际采用的是很小张力的小张力轧制【3 i ，这是热连轧的一个基本特 征。若轧件所受张力超过一定值，将会产生一系列降低产品质量的不良后果：如 轧件被拉窄、缩颈等现象【2 1 。 针对以上问题，国内外有很多关于热连轧张力控制的研究8 1 ，日本在这方面 的研究尤其活跃，从7 0 年代至今，不断有新的研究方法出现，并运用在实际生产 中。 保证连轧顺利、稳定进行的一个必要条件是金属秒流量相等。秒流量用流量 方程表示为【2 。3 1 ： h v ，= c( 1 1 ) 式中： ，任意架轧机轧件的出口厚度 v ，任意架轧机轧件的出口速度 c 连轧常数 而在实际生产中，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。 东北大学硕士学位论文第t 幸绪论 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，近代带钢连轧机采用了以下控制策略： ( 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。 当前，有两类方法可实现秒流量相等和张力恒定：微张力无套轧制和小张力 带套连轧。 1 2 1 活套小张力控制 无活套张力控制虽有其优点，但张力的变化对连轧成品厚度控制精度、板形 的影响非常大，因此在最后的几机架轧制中，必须保持恒定的张力。要达此目的， 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恒 定的小张力控制。 活套装置安装在相邻两机架的中问位厦，活套支持器吸收相邻机架i u j 因轧制 述度的差异而引起轧件活套量的变化量，实现秒流量相等：并使轧件在机架问保 持适当的张力值，使连轧得以顺利进行。因此对于活套要进行两方面的控制：活 套高度控制与张力控制 2 1 。 币常连轧时，为防止产生拉钢现象，相邻两机架之间的带钢长度应比机架间 距离稍长一些，靠活套将其张紧并产生给定的张力。设置于两相邻机架i b j 的活套 装置主要有三个作用： 1 ) 检测相邻机架间的带钢长度 在张力连轧时，活套辊紧贴带钢，即使带钢长度只发生微小的变化，活套也 能检测到，通过检测活套臂的角度，经过计算，就可知道此时带钢的长度。因此， 活套是一个很灵敏的带钢长度检测器。 2 ) 使各机架的金属秒流量相等 实际轧制中，有多种因素会导致上游机架的出口速度同下游机架的入口速度 不相等，即机架间金属秒流量不相等。活套检测到套量与设定值的偏差，就会发 出调节信号，对上游各机架的速度进行快速调整，使金属秒流量重新达到平衡。 3 ) 实现张力恒定控制 轧制过程中，活套辊能顶起并绷紧带钢，使机架间的带钢之间形成张力，并 糸北大学硕士学位论文第1 章绪论 通过活套机构传动装置本身的“恒张力调节器”来使得张力恒定。 活套支持器结构图如图1 1 所示。传统的活套控制中，通过调整上游机架轧辊 线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问张力恒定。 此时，活套高度变化，机架间张力会发生变化；机架间张力变化，角度也会发生 变化，即活套控制是一个耦合系统。排除两者的相互干涉，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。现在，各国都在朝节约能源、提高产量方面努 力，主要采取了降低轧件温度，提高轧制速度等方法【l ，这样对活套系统的响应 速度和控制精度就提出了更高的控制要求。 i i 图围 圈1 _ 1 活套支持器结构图 f i g 1 1t h e h o ts t r i pl o o p e rc o n s t r u c t i o nd i a g r a m 国内外大量研究的实验证明，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【2 0 矗4 1 。尤其在我国，有不少窄带钢生产厂家，由于热 连轧带钢为不切边地应用，对宽带公差的要求非常严格：纵长宽度公差仅为 1 0 m m 左右，比厚度公差要求更严，而窄带钢宽度对张力变化极为敏感。因此， 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 2 2 活套控制系统结构的研究与发展 在使用活套保证秒流量相等，控制张力恒定方面， 活套装置本身及其控制精度方面都取得了长足的进步。 按传动方式分，热轧活套装置可分为：气动活套、 人们做了大量的工作，从 液压活套和电动活套这三 东北大擘硕士学位论文第l 章绪论 类吲。 1 ) 气动活套 气动活套的优点为摆轴惯量小，但气动系统比较复杂，动作不太灵活，起落 套不平衡，冲击大，改变张力或更换品种不方便，维修、检修工作量也较大。压 力调节范围小，调节精度差，同时在一个气动系统中要迅速得到两种压力很困难 ( 迅速起套要求高压，正常张力状态要求低压) 。气动活套在低频时扰动较低，但 在其共振频率时衰减严重，因此它的整体性能不好。 2 ) 电动活套 电动活套的优点为：低惯量、恒张力、快速响应，其结构简单、坚固耐用、 性能稳定，张力调节方便，运行可靠，易于维修，已是一种可靠的成熟技术。国 内新建和改建的宽带或窄带钢热连轧机组均普遍采用电动活套，研究我国活套控 制系统的主要对象也是电动活套控制系统。 3 ) 液压活套 早期的液压活套除了具有类似气动活套的缺点以外，若密封不好，容易漏油， 造成污染。但它有一个明显的优点：转动惯量小，这对于活套的快速响应足至关 重要的。 第一代带钢热连轧机大都使用了大惯量的气动活套或液压活套机构，使活套 与主电机闭环调速动作迟钝，而处于手动控制、大张力调节状态，经常出现轧件 被拉窄，产生缩颈的现象。这种轧制一旦产生套量，有可能来不及及时排除而使 套量不断增加，造成飞钢事故。第二代热连轧机一般均配置了性能良好的“低惯 量恒张力快速电动活套”，咀使连轧过程中的带钢始终处于小张力微套量轧制状 态，活套对带钢的追随性能也非常好。近几年，国外在液压活套控制方面又有了 新的突破：用压头取代以前的汽缸式压力传感器提高了带钢的张力控制，避免了 头部的张力过大：低惯量的活套与高精度的压力测量相结合，并采用多变量控制 方法，提高张力精度的同时，也增大了带材s l n 的厚度、宽度范围与屈服性能。 这种活套的控制效果在目前所有活套控制方式中是性能最好的，它的优点为：低 惯量、压力测量精确、摩擦小、控制可靠、易于维修、投资省等特点，已在h o o g o v e n s 得到实际使用【3 2 。 1 3 热连轧中张力控制的重要性及改进的控制方法 在热连轧中影响带钢纵向宽度的重要因素是张力，张力控制效果的好坏直接 影响成品的宽度指标。机架间张力和轧制过程的很多工艺参数是相互影响、相互 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 作用的，由于热轧带钢的几何尺寸中宽厚比远大于各类型钢，热轧时对张应力的 变化极为敏感，因此，用连轧机生产时如没有高质量的张力控制措旌，连轧件极 易因过度张拉而产生塑性变形，导致厚度、尤其是沿纵长方向的宽度波动和超差。 所以说在热连轧中张力是最活跃的、最关键的因素，张力控制是热连轧中 控制系统中最重要的环节，是保证生产出高精度带钢的根本，轧制线上能否高水 平地完成带钢地轧制过程，生产出高质量的带钢很大程度上取决于对张力的控制 水平。现代带钢连轧机把轧钢生产推进到新的阶段，实现了恒定的张力轧制，可 以说，连轧机的水平能否不断提高，就在于能否实现高精度的张力控制。 自经历了几个发展阶段的活套高度一张力控制，每种方法都力求提高活套对秒 流量的快速响应，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罱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， 纠证秒流量偏差。以保持活套量恒定。 连轧过程中的活套张力控制，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。目泔，我国热轧带钢生产线多采用传统方法 即丌环控制：即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，是活套辊摆角口和张力r 的函数，即m = ，限力。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。若电机所供给的力矩不变，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；否则反之。所以要保持张力恒定，活套装置电动机的传动力矩必须随 角度口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。 这样，传统活套控制可以归于如下思路：每个活套控制系统都是一个二输入 二输出的多变量控制系统，被控变量是活套角度日和带钢张力：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。张力与活套角度口相互影响，当活 套角度0 变化时，如活套电机驱动力矩按函数手斤切变化，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；而口的恒定则通过调节上游机架的电机转速来得到 保证。 传统的活套控制如下：活套电机电流基准值计算器( c r c c ) 计算出活套输出 东北大擘硕士学住论文第l 章绪论 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o 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， 实际在我国大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。 对上述方法做一下改进，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忙“。下面的方法就是 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问的 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【4 i 。k o t e r a 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【2 “。设计前鬻补偿器的解耦方法有多种，如：对角形解耦、 状仑解丰禺和对角优势解耦等口6 “。 解鸫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【2 i l ： ( 1 ) 虽然采用了解耦控制，张力控制依然受主电机速度控制器响应的影响， 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 9 8 8 年，k e n y af u k u s h i m a ，y u i c h it s u i i 等人设计了活套最优多变量控制方法。 该方法基于最优调节理论，即在活套驱动系统中加入一个最优调节器，使活套控 制系统线性化。此控制可由可编程控制器实现【1 4 4 5 1 。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 2 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。建立该三个系统的状态方 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。 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， 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 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 方法的2 4 。 l e q x r 由、s y s t e m 加d l o o p e r d 啪心 c r o t o n 掌r “i m s 撺m a ，a 2 ：i n t e r a c t i o np a r a m e t e r ： a t 九：t h et o r q u ec o e f f i c i e n to 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 ； 以，l ：t h ei n e r t i ao f m a i na n dl o o p e r ； e ：y o u n g sm o d u l u s o fs t r i p ； ：t h el e n g t ho f s t r i pb e t w e e ns t a n d s ： 蜀k t ：c o n s t a n t s 图1 2 活套最优控制系统框图 f i g 1 2t 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 rh o ts t r i pl o o p e r 1 4 轧制带钢拉窄原因简析 在热连轧过程中，各阶段的轧件经常微量偏离正常连轧时设定的速度，致使 相邻机架间的活套量发生波动。当带钢产生的张应力超过一定值时，便明显产生 带钢的某些区域变窄即拉钢现象。拉钢会严重影响带钢宽度公差，拉钢愈严重， 带钢宽度控制就愈困难，从而因宽度公差造成的废品率也就愈大。实践证明拉钢 主要发生在连轧机的精轧枫组，造成带钢拉窄的原因很多，主要原因有： 1 带坯入口厚度偏差对连轧带钢的影响 在带钢穿带前，各机架轧制速度和带钢出口厚度是按秒流量相等的原则而设 定的。在穿带过程中虽然各机架速度保持不变，但轧制过程中引起各机架出口厚 1 2 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 度变化的因素很多，有来料情况误差、设定计算误差等，各机架秒流量变化将引 起不同程度的拉钢或堆钢。 ：带坯入口宽度偏差的影响 根据轧制力公式可知，带坯宽度越宽，设定计算出的轧制力越大，二者为倍 数关系。根据弹跳方程的一般表达式： h = s 。+ ( p p o ) k ( 1 2 ) 一带钢出口厚度； 岛一机架空载辊缝值； j p 一预计或实际轧制力； n 一空载辊预压靠力； k 一轧机弹性系数 在空载辊缝岛一定的情况下轧制力p 越大，出口厚度h 越大。若带坯宽度设 定值大于实际值，则所有机架的原设定轧制力均大于实际轧制力值，结果可能导 致f i 几机架造成堆钢或呈堆钢趋势，后几机架造成拉钢或呈拉钢趋势。 3 活套系统套量不稳定 由于活套支持器不能迅速起套，不能有效的缓冲余属流量变化从而引起拉带， 同时活套系统不能保持恒定张力，会因张力过大引起拉钢。套堂不稳定，不能很 好的调节各机架的轧制速度以缓冲金属流量变化，也可导致拉钢。 1 5 本论文主要目的意义和研究内容 现代科学技术的发展，对高性能的传动系统、高精度的传感器和高计算速度 的工业计算机提出了更高的要求。高计算速度的工业计算机的出现，使得控制性 能更优的控制模型可以在生产中得到实际应用1 9 ，2 9 ，3 0 】。现实生产中，冷轧系统对其 产品质量的要求越来越高，热轧产品高精度的实现，对张力控制系统的稳定性提 出了新的更高的要求，常规的活套控制系统的控制系统己难以满足这些要求。在 这样的背景下，针对活套控制研究出具有智能