四机架冷连轧机液压辊缝控制系统研究

论 文 题 目:四机架冷连轧机液压辊缝控制系统研究论文英文题目: Study On Hydraulic Gap Control System for Cold Tandem Mill中 文 摘 要液 压 辊 缝 控 制 技 术 是 轧 钢 不 可 缺 少 的 关 键 技 术 之 一 ， 其 控 制 效 果 直接 影 响 到 产 品 的 精 度 ， 因 此 ， 对 液 压 辊 缝 控 制 系 统 进 行 研 究 具 有 重 要 的 理论 及 实 际 意 义 。 消 化 和 吸 收 了 本 钢 冷 轧 厂 引 进 的 1676mm 四 辊 冷 连 轧 机的 部 分 关 键 技 术 ， 对 整 个 液 压 辊 缝 控 制 系 统 建 立 了 结 构 模 型 并 主 要 对 偏 心补 偿 进 行 了 分 析 。 液 压 压 下 系 统 是 液 压 辊 缝 控 制 的 最 重 要 的 组 成 部 分 ， 对工 作 在 位 置 控 制 方 式 下 的 液 压 压 下 系 统 建 立 了 数 学 模 型 ， 并 采 用 了 BP神 经 网 络 PID 对 其 进 行 控 制 ， 改 善 了 系 统 的 动 态 特 性 。 通 过 改 变 控 制 器 的参 数 实 现 了 系 统 的 在 线 调 节 ， 从 理 论 上 证 明 了 能 够 有 效 地 抑 制 一 机 架 出 口厚 度 的 波 动 。 为 以 后 系 统 的 优 化 设 计 和 控 制 系 统 的 性 能 研 究 打 下 了 基 础 。关 键 词 ： 液 压 压 下 ； 动 态 特 性 ； 位 置 控 制 ； 辊 缝 ； BP 神 经 网 络AbstractHydraulic roll gap control technology is one of the key techniques used in modern rolling mill, the effect of which has impact influence on the accuracy of the product. Studying hydraulic roll gap control system has important theoretical and practical significance. Digested and assimilated part of equipment and technology introduced by cold rolling sheet plant of Benxi iron and steel company and analyzed eccentricity compensation. Structure model of the whole hydraulic gap control system was established. Hydraulic screw down system is the most important part of hydraulic roll gap control. Researched on hydraulic screw down system of a cold rolling sheet plant, established mathematical models of every part of hydraulic screw down under position control and control it by BP neural network firstly. Improve dynamic characteristics of the system. A foundation laid down for optimum design of the system and research on the capability of the control system.Keyword: hydraulic screw down; dynamic characteristics; position control; roll gap； BP neural network; 1 绪 论1.1 引 言21 世 纪 世 界 钢 铁 工 业 发 展 的 一 个 显 著 特 点 是 钢 材 市 场 竞 争 愈 演 愈 烈 ，竞 争 的 焦 点 是 钢 材 的 质 量 高 而 成 本 低 。 随 着 国 民 经 济 的 高 速 发 展 ， 科 学 技术 的 不 断 进 步 ， 汽 车 、 机 械 制 造 、 电 器 和 电 子 行 业 对 板 材 及 带 材 的 质 量 提出 了 更 高 的 要 求 。 板 厚 精 度 是 板 带 材 的 两 大 质 量 指 标 之 一 ， 板 厚 控 制 是 板带 轧 制 领 域 里 的 两 大 关 键 技 术 之 一 1。 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 。 板 厚 精 度 关 系 到 金 属 的 节 约 、 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 ， 液 压 辊 缝 控 制 系 统 必 须 具 有 高 精 度 的 压 下 调 节系 统 及 控 制 系 统 的 支 持 。 液 压 辊 缝 自 动 控 制 是 AGC（ 自 动 厚 度 控 制 ） 系统 的 重 要 组 成 部 分 ， 其 目 的 是 获 得 板 带 材 纵 向 厚 度 的 均 匀 性 和 保 证 较 高 的厚 度 精 度 ， 从 而 生 产 出 合 格 产 品 。 目 前 ， 液 压 辊 缝 自 动 控 制 已 成 为 现 代化 板 带 生 产 中 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 ， 其 运 行 状 态 的 优 劣 对 轧 制 产 品 的 质 量和 产 量 具 有 重 大 影 响 2。各 行 各 业 对 板 带 材 厚 度 精 度 的 要 求 越 来 越 高 ， 对 轧 机 液 压 辊 缝 控 制 系 统的 控 制 要 求 也 随 之 越 来 越 高 。 在 实 际 轧 制 过 程 中 ， 影 响 轧 后 带 材 厚 度 精 度的 因 素 很 多 ， 分 析 系 统 参 数 变 化 对 轧 制 厚 度 及 系 统 品 质 的 影 响 ， 可 为 系 统的 优 化 设 计 及 对 轧 制 过 程 的 参 数 设 定 提 供 基 础 。 由 于 冷 连 轧 机 无 法 停 产做 实 验 （ 1676mm 冷 轧 机 停 产 一 天 的 损 失 就 会 将 近 二 千 万 元 ） ， 因 此 有必 要 借 助 计 算 机 手 段 ， 对 影 响 其 厚 度 精 度 的 液 压 辊 缝 控 制 系 统 进 行 仿真 ， 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 。在 板 带 材 工 业 加 工 过 程 中 ， 生 产 的 速 度 越 来 越 快 ， 要 求 的 效 率 也 越 来越 高 ， 因 而 要 求 液 压 辊 缝 控 制 系 统 能 在 最 短 的 时 间 内 达 到 给 定 的 目 标 。 这也 就 要 求 保 证 两 点 ： 一 是 控 制 模 型 的 准 确 性 和 合 理 性 ； 二 是 液 压 压 下 的 快速 性 3。 因 此 ， 必 须 对 液 压 辊 缝 控 制 的 控 制 算 法 和 执 行 机 构 进 行 进 一 步 的研 究 ， 以 选 择 最 适 合 某 套 轧 机 的 控 制 模 型 和 提 高 执 行 机 构 的 反 应 能 力 。 板带 材 几 何 尺 寸 包 括 纵 向 厚 差 ， 横 向 厚 差 和 板 形 。 纵 向 厚 差 是 指 以 板 宽 中 点处 沿 轧 制 方 向 的 厚 度 之 差 ； 横 向 厚 差 是 指 板 带 材 同 一 横 断 面 上 ， 中 点 与 边部 的 厚 度 之 差 ， 板 形 直 观 上 讲 是 指 板 带 材 的 翘 曲 程 度 ， 实 质 是 指 板 带 材 内部 残 余 应 力 沿 横 向 的 分 布 4。 本 文 以 带 材 纵 向 厚 差 的 控 制 方 式 为 主 要 研 究内 容 。1.2 板 带 轧 机 厚 度 控 制 技 术 的 发 展 及 研 究 现 状板 带 轧 机 厚 度 控 制 从 轧 机 诞 生 起 ， 直 到 由 计 算 机 完 成 各 种 复 杂 功 能 的控 制 ， 其 发 展 过 程 是 随 着 对 板 带 材 尺 寸 精 度 要 求 越 来 越 高 而 相 应 发 展 起 来的 ， 板 带 轧 机 厚 度 控 制 的 发 展 大 致 可 分 为 以 下 几 个 阶 段 3。第 一 阶 段 是 上 世 纪 30 年 代 以 前 的 人 工 操 作 阶 段 。 这 一 阶 段 的 轧 机 装机 水 平 较 低 ， 厚 度 控 制 是 以 手 动 压 下 或 简 单 的 电 动 压 下 移 动 辊 缝 方 式 为 主 。单 回 路 调 节 的 自 动 控 制 理 论 尚 未 应 用 于 控 制 轧 机 这 类 较 复 杂 的 机 器 ， 相 应该 阶 段 的 厚 度 控 制 尚 未 形 成 自 动 控 制 。第 二 阶 段 是 上 世 纪 30 年 代 到 60 年 代 的 常 规 自 动 调 整 阶 段 。 轧 制 理论 从 以 力 学 为 基 础 研 究 轧 件 变 形 规 律 ， 进 入 以 力 学 和 控 制 论 为 基 础 的 轧 件与 轧 机 互 相 作 用 变 形 规 律 统 一 研 究 。 该 阶 段 中 轧 制 理 论 的 发 展 和 完 善 为 板带 轧 机 的 厚 度 控 制 奠 定 了 基 础 ， 同 时 ， 随 着 自 动 调 节 理 论 和 技 术 的 发 展 并逐 步 应 用 于 轧 制 过 程 ， 使 轧 机 的 控 制 步 入 了 常 规 模 拟 式 调 节 的 自 动 控 制 阶段 。 单 回 路 的 各 种 调 节 系 统 不 断 涌 现 ， 这 些 自 动 调 整 系 统 的 实 现 ， 为 完 善板 带 轧 机 的 厚 度 控 制 提 供 了 先 决 条 件 。上 世 纪 七 十 年 代 以 前 ， 一 直 采 用 的 是 电 动 压 下 技 术 ， 反 应 的 滞 后 性 是其 最 主 要 的 缺 点 ， 对 板 厚 控 制 的 精 度 有 很 大 的 影 响 。 从 七 十 年 代 起 ， 液 压厚 控 技 术 (HAGC)的 应 用 ， 使 板 厚 控 制 技 术 产 生 了 重 大 变 革 。 液 压 AGC的 响 应 速 度 比 电 动 AGC 快 2 个 数 量 级 以 上 ， 因 此 ， 使 AGC 的 内 环 执 行机 构 几 乎 可 以 近 似 为 一 个 比 例 环 节 (相 对 于 AGC 的 响 应 速 度 )， 以 实 现变 等 效 刚 度 的 控 制 效 果 。 由 于 液 压 技 术 与 计 算 机 技 术 的 结 合 ， 使 这 一 阶 段的 板 厚 控 制 技 术 大 大 地 向 前 迈 进 了 一 步 。在 20 世 纪 最 后 的 十 年 ， 世 界 轧 钢 技 术 发 展 迅 速 ， 轧 钢 生 产 实 现 了 高 度的 自 动 化 、 连 续 化 和 高 精 度 化 。 由 于 对 冷 轧 薄 板 质 量 的 要 求 越 来 越 严 ， 因此 计 算 机 控 制 系 统 已 是 冷 轧 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 。 随 着 液 压 控 制 系 统 的 广泛 应 用 加 上 全 部 控 制 都 将 作 用 于 轧 辊 轧 件 形 成 的 变 形 区 ， 因 此 冷 轧自 动 控 制 系 统 需 满 足 下 列 两 个 要 求 ： 一 是 高 速 控 制 ， 二 是 高 速 通 讯 。 这 个“二 高 ”的 特 点 决 定 了 控 制 系 统 应 是 “快 速 ”分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 。各 钢 铁 企 业 都 加 快 了 薄 板 生 产 线 改 造 和 建 设 的 步 伐 。近 些 年 来 ， 为 进 一 步 提 高 冷 连 轧 产 品 质 量 ， 广 泛 采 用 成 品 带 钢 凸 度 测量 仪 (沿 带 宽 多 点 X 射 线 源 及 矩 阵 式 接 收 ， 以 获 得 沿 宽 度 方 向 的 厚 度 分 布 )和 带 钢 激 光 测 速 仪 。 激 光 测 速 仪 的 使 用 为 流 量 AGC 的 发 展 创 造 了 条 件 。近 年 来 ， 国 内 外 在 板 形 和 板 厚 等 控 制 技 术 方 面 取 得 了 许 多 新 的 进 展 ，大 大 提 高 了 板 带 材 的 几 何 尺 寸 精 度 。 伴 随 着 轧 制 产 品 尺 寸 精 度 的 提 高 ， 经济 效 益 也 会 大 幅 度 上 升 。 因 此 ， 从 20 世 纪 60-70 年 代 完 成 了 轧 钢 设 备 的大 型 化 、 高 速 化 、 连 续 化 和 自 动 化 后 ， 80 年 代 以 来 ， 轧 制 技 术 发 展 的 主要 目 标 是 提 高 轧 制 精 度 、 性 能 、 扩 大 品 种 ， 降 耗 增 效 ， 并 进 一 步 扩 大 连 续化 范 围 。 通 过 对 轧 制 过 程 控 制 计 算 机 的 高 精 度 设 定 和 基 础 自 动 化 的 自 动 辊缝 控 制 系 统 的 改 进 ， 厚 度 精 度 已 经 达 到 了 很 高 的 水 平 。回 顾 我 国 冷 轧 已 应 用 的 厚 度 控 制 系 统 ， 可 归 纳 为 3 种 基 本 类 型 5。(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AGC(Automatic Gauge Control)系 统 。 70 年 代 ， 厚 度 控 制 系 统 大 多 是 这 类系 统 ， 而 且 是 模 拟 线 路 。 按 轧 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 或 被 轧 带 钢 厚 度 大 于 等 于 0.4mm 时 ， 按 偏 差 信 号 大 小 去移 动 压 下 位 置 ， 改 变 辊 缝 ， 以 减 小 厚 度 偏 差 ， 即 所 谓 粗 调 ； 在 小 偏 差 或 被轧 带 钢 厚 度 小 于 0.4mm 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 。 我 国 早 期 的 AGC 系 统 调 节 压 下 装 置 的 执 行 机 构 是 电动 的 ， 因 电 动 压 下 响 应 慢 及 非 线 性 等 缺 点 ， 逐 渐 被 液 压 压 下 机 构 代 替 。 随着 轧 制 速 度 和 自 动 化 程 度 的 提 高 ， 为 了 更 有 效 地 控 制 带 钢 纵 向 厚 度 精 度 ，提 高 成 品 带 钢 质 量 ， 液 压 压 下 已 成 为 压 下 系 统 的 发 展 方 向 。 其 主 要 优 点 6：1） 惯 性 小 、 反 应 快 、 截 止 频 率 高 ， 系 统 对 外 来 干 扰 跟 随 性 好 ， 调 节 精度 高 。2） 对 轧 辊 偏 心 引 起 的 辊 缝 发 生 高 频 周 期 变 化 的 干 扰 能 进 行 有 效 清 除 。3） 可 实 现 轧 机 刚 度 系 数 调 节 ， 可 依 据 不 同 的 轧 制 条 件 选 择 不 同 的 刚 度系 数 获 得 更 高 的 成 品 质 量 。(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 AGC 系 统 。 将 上 述 AGC 系 统 数 字 化 ， 并 增 加 前 馈 控 制 回 路 就 构 成这 类 AGC 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 。方 法 是 将 轧 机 入 口 侧 测 厚 仪 至 轧 辊 中 心 的 距 离 分 成 若 干 整 数 段 ， 把 经 过 入口 侧 测 厚 仪 的 每 段 带 钢 厚 度 顺 序 存 入 移 位 寄 存 器 中 ， 寄 存 器 按 FIFO 方式 工 作 ， 当 寄 存 器 输 出 的 带 钢 段 进 入 轧 辊 时 ， 系 统 按 该 段 厚 度 偏 差 值 调 整压 下 ， 以 消 除 进 入 轧 机 的 带 钢 厚 度 偏 差 。 这 种 控 制 方 式 消 除 了 带 坯 纵 向 厚度 不 均 或 硬 度 波 动 产 生 的 厚 差 较 大 的 缺 点 。 但 其 余 的 缺 点 仍 然 存 在 。(3)采 用 前 馈 控 制 、 压 力 反 馈 控 制 和 监 控 的 AGC 系 统 。 80 年 代 ，利 用 现 代 控 制 理 论 、 电 子 技 术 与 计 算 机 技 术 新 成 就 ， 对 上 述 2 类 AGC系 统 进 一 步 加 以 改 造 ， 其 主 要 特 点 是 使 用 轧 机 弹 跳 方 程 计 算 轧 后 带 钢 厚 度作 为 实 测 厚 度 ， 与 设 定 厚 度 或 锁 定 厚 度 相 减 ， 其 差 为 检 测 的 厚 度 偏 差 值 ，经 过 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 ， 从 而 提 高 了 系 统 性 能 ， 获 得 普 遍 应 用 。 即 GM-AGC 或BisraAGC。 再 加 上 监 控 AGC 控 制 ， 消 除 了 低 频 干 扰 （ 如 轧 辊 磨 损 、 轧 辊热 膨 胀 等 ） 因 素 的 影 响 。 数 字 化 或 计 算 机 控 制 ， 加 上 一 些 新 的 控 制 算 法 ， 使 这 类 AGC 系 统性 能 获 得 进 一 步 的 提 高 ， 例 如 成 品 厚 度 为 0.8mm 的 汽 车 板 ， 其 厚 度 偏 差范 围 为 (0.04-0.08mm)， 可 称 之 为 毫 米 级 厚 度 偏 差 。 如 欲 进 一 步 把 带 钢厚 度 偏 差 减 小 到 几 个 ， 用 这 类 AGC 系 统 是 做 不 到 的 ， 因 为 GM-AGC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 不 可 能 。 确 定 在 各 种 轧 钢 状 态 下 所 需 各 变 量 的 补 偿量 是 一 件 复 杂 的 事 情 ， 通 常 要 用 复 杂 的 数 学 模 型 计 算 ， 或 用 事 先 存 入 计 算机 里 的 表 格 数 据 (图 形 曲 线 表 格 化 )， 精 度 不 可 能 高 ， 这 是 影 响 GM-AGC 控 制 精 度 的 主 要 原 因 。 例 如 用 这 种 系 统 生 产 易 拉 罐 用 带 钢 就 很 困 难 ，为 此 ， 必 须 使 用 控 制 精 度 更 高 的 系 统 。 可 控 制 带 钢 厚 度 偏 差 达 到AGC成 品 厚 度 的 （ 几 个 ） 之 内 ， 这 种 系 统 的 核 心 技 术 是 质 量 流 量 控 制1%m（ MFC） 。 在 我 国 ， 装 备 较 先 进 的 现 代 化 宽 带 冷 轧 机 及 控 制 系 统 基 本 上 都 是引 进 设 备 ， 其 中 的 许 多 理 论 问 题 以 及 所 采 用 的 先 进 技 术 ， 尚 待 进 一 步 消 化研 究 。 而 自 行 研 制 的 轧 机 ， 技 术 含 量 不 高 ， 生 产 出 的 产 品 竞 争 力 不 强 ， 每年 尚 需 要 进 口 大 量 的 高 精 度 板 带 产 品 。 尤 其 国 内 许 多 台 套 的 板 带 轧 机生 产 状 况 ， 尚 不 令 人 满 意 ， 厚 度 精 度 急 待 提 高 。 对 这 些 轧 机 实 施 改 造 ， 许多 理 论 和 技 术 上 的 问 题 还 有 待 研 究 。1.3 本 课 题 研 究 的 意 义本 课 题 是 与 本 钢 冷 轧 厂 的 合 作 项 目 引 进 设 备 消 化 研 究 与 技 术 服 务 协议 的 子 题 课 的 延 伸 ， 主 要 是 对 其 液 压 辊 缝 控 制 系 统 的 的 控 制 算 法 进 行 研究 。 本 钢 冷 轧 厂 是 一 个 具 有 现 代 化 生 产 能 力 的 大 型 国 有 企 业 ， 目 前 冷 轧厂 已 投 产 近 十 年 ， 部 分 设 备 工 艺 落 后 、 劣 化 严 重 、 故 障 频 繁 ， 对 正 常 的 生产 构 成 严 重 威 胁 。 轧 机 能 否 发 挥 出 先 进 设 备 的 能 力 ， 关 键 在 于 对 引 进 技 术的 消 化 、 掌 握 。 为 改 善 设 备 状 况 ， 发 挥 出 先 进 设 备 的 能 力 ， 改 善 冷 轧 薄 板的 精 度 ， 必 须 对 轧 机 的 厚 度 控 制 等 进 行 改 造 。 由 于 本 钢 轧 机 的 设 备 及 控 制系 统 为 克 莱 西 姆 公 司 和 奥 钢 联 的 设 备 ， 其 关 键 的 技 术 为 公 司 秘 密 ， 不 提 供核 心 技 术 。 因 此 ， 必 须 对 引 进 的 设 备 和 技 术 进 行 消 化 和 吸 收 。 本 课 题 就 是对 轧 机 的 液 压 辊 缝 控 制 部 分 的 消 化 吸 收 和 改 进 ， 研 究 本 钢 1676mm 轧 机液 压 辊 缝 控 制 的 补 偿 算 法 及 其 控 制 方 法 的 选 择 。 目 前 国 内 外 对 辊 缝 控 制 的动 态 性 能 的 研 究 尚 显 不 足 ， 对 其 进 行 研 究 有 着 重 要 的 实 际 意 义 。2 板 厚 控 制 基 本 理 论 及 本 钢 1676mm 轧 机 HGC 系 统 简 介2.1 厚 度 控 制 简 介 789轧 制 时 轧 机 和 轧 件 的 状 态 如 图 2-1 所 示 ， AGC(自 动 厚 度 控 制 )系 统主 要 以 轧 机 压 下 装 置 作 为 执 行 机 构 ， 控 制 轧 机 出 口 的 轧 件 厚 度 （ 简 称 为 轧件 出 口 厚 度 或 出 口 厚 度 ） h， 使 其 达 到 或 逼 近 轧 件 的 目 标 （ 基 准 ） 厚 度 。2.1.1 轧 机 弹 性 变 形 与 轧 件 塑 性 曲 线 轧 制 时 发 生 的 基 本 现 象 是 轧 机 的 弹 性 变 形 和 轧 件 的 塑 性 变 形 ， 如 图 2-2所 示 。图 中 H入 口 厚 度 ； S0空 载 辊 缝 ； 实 际 辊 缝 ；1Sh出 口 厚 度 ； F轧 制 力图 2-1 轧 机 与 轧 件 示 意 图图 2-2 轧制过程中的基本现象图 2-3 Fh 图2.1.1.1 机 座 的 弹 性 变 形轧 制 时 ， 在 轧 制 压 力 的 作 用 下 ， 轧 机 工 作 机 座 （ 轧 辊 及 其 轴 承 、 压 下 装置 和 机 架 等 ） 产 生 一 定 量 的 弹 性 变 形 ， 工 作 机 座 的 总 变 形 量 很 大 ， 工 作机 座 的 弹 性 变 形 将 影 响 轧 辊 的 开 口 度 和 辊 型 ， 从 而 对 轧 制 产 品 的 精 度 造 成影 响 。机 座 的 弹 性 变 形 与 轧 制 压 力 有 关 。 在 轧 制 压 力 较 小 时 ， 机 座 弹 性 变 形 与轧 制 压 力 成 非 线 性 关 系 ， 这 是 由 于 机 座 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 力 达 到 一 定 数 值 后 ， 机 座 弹 性 形 变曲 线 与 轧 制 压 力 就 成 线 性 关 系 。 机 座 弹 性 变 形 曲 线 （ 图 2-3） 直 线 段 的斜 率 ， 称 为 机 座 的 纵 向 刚 度 系 数 ， 可 用 下 式 表 示 ： （ 2-1）M式 中 轧 机 的 纵 向 刚 度 ； 轧 制 压 力 的 变 化 量 ；F 弹 性 变 形 的 变 化 量 。h轧 机 在 外 力 F 的 作 用 下 ， 产 生 弹 性 变 形 （ h- ） ， 依 HOOK 定 律 ：0S)(0ShM上 式 变 形 得 ：（ 2-2）MFSh0即 机 座 的 弹 跳 方 程 ， 它 表 示 了 轧 制 厚 度 、 空 载 辊 缝 、 轧 制 压 力 和 轧机 纵 向 刚 度 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 机 座 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 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 F0， 并 将 此 时 的 轧 辊 辊 缝 指 示 器 读 数 设 为 零 ， 称 为 人工 零 位 。 所 谓 预 压 靠 就 是 在 空 载 情 况 下 ， 使 轧 辊 压 靠 到 一 较 大 轧 制 力 ， 把此 时 的 辊 缝 位 置 定 为 辊 缝 的 参 考 零 点 。 这 样 做 既 避 免 了 轧 制 力 较 小 时 辊 缝非 线 性 影 响 ， 又 解 决 了 难 以 确 定 辊 缝 实 际 零 点 的 问 题 。预 压 靠 时 各 相 关 物 理 量 的 对 应 关 系 如 图 2-4 所 示 。图 中 预 压 靠 轧 制 力 ；fF 相 对 实 际 位 置 零 点 的 空 载 辊 缝 （ 把 轧 机 的 特 性0ffSM曲 线 近 似 为 直 线 ） 。图 2-4 预压靠时各相关物理量的对应关系 由 图 2-4 可 推 导 出 ：(2-3)000f ff fFFhSSMM式 2-3 就 是 实 用 形 式 的 轧 机 弹 跳 方 程 。 由 于 式 2-2 和 2-3 式 等 价 ，所 以 在 分 析 液 压 辊 缝 和 厚 度 控 制 的 原 理 ， 确 定 控 制 算 法 时 ， 可 对 预 压 靠 后参 考 零 点 以 上 的 线 性 部 分 进 行 分 析 ， 所 以 仍 可 用 2-2 式 所 表 示 的 基 本 形式 的 轧 机 弹 跳 方 程 。2.1.1.2 轧 件 的 塑 性 变 形在 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 。 以 轧 件 为 对 象 可 得 到 轧 制 力 方 程 ： （ 2-4）(,)esFfHhTRB式 中 ， Te、 Ts 分 别 为 入 口 和 出 口 张 力 ； R 为 轧 辊 半 径 ； B 为 带 钢 宽 度 。在 轧 制 力 F 和 出 口 厚 度 h 以 外 的 各 变 量 一 定 的 情 况 下 ， 可 画 出 F随 h 变 化 的 曲 线 。 把 轧 机 弹 性 曲 线 和 轧 件 塑 性 曲 线 画 在 同 一 坐 标 平 面 上 得到 的 几 何 图 形 称 为 F-h 图 ， 如 图 2-3 所 示 。轧 件 的 一 个 重 要 参 数 是 轧 件 塑 性 系 数 ， 即 ： 使 轧 件 产 生 单 位 压 塑 所 需 轧制 力 。 用 Q 表 示 轧 件 塑 性 系 数 ， 则(,)fHhA可 见 ， 轧 件 的 塑 性 系 数 为 轧 件 塑 性 曲 线 的 斜 率 。2.2 影 响 轧 件 厚 度 波 动 的 因 素由 轧 机 F-h 图 可 见 ， 一 切 影 响 弹 塑 性 变 形 曲 线 交 点 位 置 的 因 素 都 将 影响 轧 件 的 出 口 厚 度 。 具 体 地 说 ， 轧 件 的 出 口 厚 度 主 要 取 决 于 空 载 辊 缝 、 轧机 刚 度 、 轧 件 入 口 厚 度 、 轧 件 变 形 抗 力 、 轴 承 油 膜 厚 度 、 轧 辊 偏 心 等 因 素 。利 用 F-h 图 可 以 形 象 分 析 这 些 因 素 造 成 带 材 出 口 厚 差 的 原 因 和 修 正 方 法 。（ 1） 空 载 辊 缝 设 置 的 影 响 轧 辊 的 偏 心 、 磨 损 和 热 膨 胀 等 会 使 实 际 空载 发 生 变 化 ， 使 轧 件 出 口 厚 度 产 生 波 动 。 如 图 2-5 所 示 ， 当 空 载 辊 缝0S变 化 到 或 时 ， 弹 跳 曲 线 位 置 将 由 A 平 移 到 A1 或 A2， 当 轧 机 达 到012S新 的 平 衡 时 ， 轧 制 力 增 加 或 降 低 到 或 ， 而 轧 件 出 口 厚 度 变 化 到1F2或 。1h2(2) 轧 机 刚 度 的 影 响 轧 机 刚 度 的 变 化 相 当 于 曲 线 A 的 斜 率 发 生 变化 。 如 图 2-6 所 示 ， 增 大 轧 机 刚 度 如 同 增 大 曲 线 A 的 斜 率 ， 轧 机 的 弹 性变 形 量 减 小 。 当 轧 机 达 到 新 的 平 衡 点 时 ， 轧 制 力 增 大 到 F， 而 轧 件 出 口厚 度 却 降 至 。 可 见 ， 提 高 轧 机 刚 度 有 利 于 轧 出 更 薄 的 板 带 材 。1h(3) 轧 件 入 口 厚 度 的 影 响 来 料 厚 度 增 大 ， 则 塑 性 曲 线 B 向 右 平 移 ，轧 制 压 力 增 大 ， 导 致 轧 件 的 出 口 厚 度 增 大 到 ， 如 图 2-7 所 示 。1h(4)轧 件 变 形 抗 力 的 影 响 轧 件 变 形 抗 力 的 变 化 相 当 于 曲 线 B 的 斜率 发 生 变 化 。 当 变 形 抗 力 增 大 时 ， 塑 性 曲 线 斜 率 增 大 ， 轧 制 压 力 增 大 ， 当达 到 平 衡 状 态 时 ， 轧 件 的 出 口 厚 度 变 厚 。 如 图 2-8 所 示 。图 2-6 轧机刚度对轧件厚度的影响图 2-5 空载辊缝对轧件厚度的影响民图 2-7 入口厚度对轧件厚度的影响 图 2-8 变形抗力对轧件厚度的影响图 2-9 测厚仪式 AGC 2.3 板 厚 的 控 制 方 式 及 数 学 模 型 2.3.1 AGC 的 基 本 原 理 按 控 制 方 式 可 把 AGC 分 为 两 类 ， 即 前 馈 式 AGC 和 反 馈 式 AGC。厚 度 控 制 与 厚 度 的 检 测 方 法 密 切 相 关 ， 按 厚 度 的 检 测 方 式 可 把 反 馈 式AGC 分 为 两 类 ， 即 直 接 测 厚 AGC 和 间 接 测 厚 AGC。 由 于 射 线 式 测 厚 仪测 厚 是 直 接 测 厚 的 主 流 方 式 ， 所 以 ， 直 接 测 厚 AGC 又 称 为 测 厚 仪 式AGC； 间 接 测 厚 AGC 主 要 包 括 厚 度 计 式 AGC 和 流 量 AGC。 2.3.1.1 测 厚 仪 式 AGC 由 射 线 式 测 厚 仪 检 测 厚 度 而 构 成 的 AGC系 统 称 为 测 厚 仪 式 AGC系 统 ，如 图 2-9所 示 。图 中 出 口 厚 度 基 准 值 ； REFhh 出 口 厚 度 实 际 值 ； 出 口 厚 差 ； h辊 缝 调 节 量 。 S测 厚 仪 式 AGC 系 统 框 图 如 图 2-10 所 示 。 图 中 Td 纯 滞 后 时 间 ； S0REF 空 载 辊 缝 基 准 值 。 测 厚 仪 式 AGC 是 最 早 的 一 种 AGC 形 式 。 由 于 系 统 中 存 在 较 大 的 纯 滞后 ， 所 以 ， 测 厚 仪 式 AGC 系 统 存 在 严 重 的 难 以 稳 定 的 问 题 ， 很 容 易 出 现超 调 和 振 荡 现 象 ， 如 图 2-11 所 示 。因 此 ， 这 种 基 本 的 测 厚 仪 式 AGC 系 统 不 能 作 为 一 种 独 立 的 AGC系 统 来 运 行 。 但 由 于 射 线 式 测 厚 仪 可 以 满 足 高 性 能 AGC 对 厚 度 检 测 精度 的 需 要 ， 所 以 测 厚 仪 式 AGC 并 没 有 消 失 ， 它 被 广 泛 用 作 监 控 AGC。 正 确 理 解 测 厚 仪 式 AGC 的 这 种 不 稳 定 性 有 助 于 我 们 对 其 它AGC（ 厚 度 计 式 AGC、 流 量 AGC） 系 统 设 计 思 想 的 研 究 和 分 析 。2.3.1.2 厚 度 计 式 AGC 厚 度 计 式 AGC 简 称 为 GM-AGC（ Gauge Metre AGC） ， 它 把 整 个 轧机 作 为 检 测 厚 度 的 仪 表 ， 直 接 检 测 轧 制 力 F 和 空 载 辊 缝 ， 并 通 过 轧 机0S图 2-11 测厚仪式 AGC 的不稳定现象图 2-10 测厚仪式 AGC 系统框图弹 跳 方 程 来 间 接 检 测 出 口 厚 度 。 GM-AGC 系 统 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 种AGC 系 统 。 由 于 轧 机 弹 跳 方 程 避 免 了 测 厚 仪 式 AGC 系 统 的 纯 滞 后 作 用 ，所 以 ， 它 的 问 世 为 AGC 技 术 的 发 展 做 出 巨 大 的 贡 献 。 GM-AGC 系 统 是到 目 前 为 止 应 用 最 为 广 泛 的 一 种 AGC 方 式 。 称 为 轧 机 弹 跳 量 。0FShGM-AGC 系 统 的 原 理 如 图 2-12 和 2-13：图 中 SOREF 空 载 辊 缝 基 准 值 ； 辊 缝 调 节 量 ； 总 的 辊 缝 调 节 量 ； 0S辊 缝 调 节 量 变 化 值 （ AGC 系 统 实 际 调 节 辊 缝 值 ）x引 起 厚 度 波 动 的 原 因 可 分 成 两 类 ， 即 轧 机 方 面 的 原 因 和 轧 件 方 面 的 原因 。 从 F-h 图 （ 图 2-14） 上 看 ， 凡 引 起 轧 机 弹 性 曲 线 和 （ 或 ） 轧 件 塑 性 曲图 2-12 GM-AGC 系统原理图图 2-13 GM-AGC 系统结构图图 2-15 轧辊偏心对轧件厚度和轧机弹跳方程的影响线 变 化 的 因 素 都 可 导 致 轧 件 出 口 厚 度 h 的 波 动 。GM-AGC 的 核 心 数 学 模 型 是 轧 机 弹 跳 方 程 （ ） ， 下 面 具 体0FhSM来 分 析 轧 机 和 轧 件 两 类 扰 动 对 轧 机 弹 跳 方 程 的 影 响 。（ 1） 轧 件 方 面 的 扰 动 例 如 ： 如 果 轧 件 入 口 厚 度 H 增 大 ， 则 将 导 致 实 际 出 口 厚 度 h 增 大 。 由 于 H 增 大 将 导 致 轧 制 力 F 增 大 ， 由 弹 跳 方 程 检 测 （ 计 算 ） 的 出 口 厚 度 h将增 加 （ 和 M 均 保 持 不 变 ） ， 与 实 际 情 况 一 致 。 0S可 以 得 出 这 样 的 结 论 ： 所 有 轧 件 方 面 的 扰 动 所 造 成 的 h 变 化 均 可 通过 弹 跳 方 程 检 测 出 来 。（ 2） 轧 机 方 面 的 扰 动 例 如 ： 如 果 出 现 轧 辊 偏 心 （ 辊 径 分 布 不均 ） ， 如 图 2-15 所 示 。 在 轧 机 压 下 不 动 作 的 情 况 下 ， 当 由 轧 辊椭 圆 造 成 的 小 辊 径 接 触 带 材 时 ， 实 际 出 口厚 度 将 变 大 ； 与 此 同 时 ， 轧 制 力 将 变 小 ， 所 以 由 轧 机 弹 跳 方 程 检 测 （ 计 算 ）的 出 口 厚 度 将 变 小 ， 与 实 际 情 况 正 好 相 反 ， 可 见 ， 在 这 种 情 况 下 是 不 能 用轧 机 弹 跳 方 程 来 检 测 厚 度 的 。可 以 得 出 这 样 的 结 论 ： 凡 轧 机 方 面 的 扰 动 所 导 致 的 h 变 化 都 不 能 用图 2-14 引起厚度波动的原因弹 跳 方 程 来 检 测 ， 否 则 将 使 GM AGC 产 生 相 反 的 误 调 节 。 因 此 ， 在GM-AGC 系 统 中 ， 必 须 对 轧 机 方 面 的 扰 动 进 行 补 偿轧 机 方 面 的 扰 动 包 括 轧 辊 热 膨 胀 与 磨 损 、 支 持 辊 偏 心 及 支 持 辊 轴 承 油 膜厚 度 变 化 等 。 本 钢 1676mm 冷 轧 机 所 采 用 的 具 体 补 偿 方 法 将 在 第 三 章 中 进行 分 析 。2.4 1676mm 冷 连 轧 机 液 压 辊 缝 控 制 系 统 组 成本 钢 1676mm 液 压 辊 缝 控 制 系 统 主 要 包 括 两 个 部 分 ， 一 个 就 是 软 件 部分 也 就 是 所 说 的 DIGIGAGE， 它 主 要 通 过 软 件 来 对 硬 件 进 行 操 作 ， 发 送 信号 ， 来 控 制 整 个 液 压 辊 缝 控 制 系 统 ； 另 一 部 分 就 是 硬 件 部 分 ， 也 就 是 整 个液 压 控 制 系 统 ， 它 主 要 是 接 受 到 控 制 计 算 机 的 命 令 信 号 ， 来 控 制 伺 服 阀 ，完 成 压 下 的 功 能 。 如 图 2.16 所 示 。在 DIGIGAGE 的 机 柜 中 ， 装 有 基 于 多 总 线 的 24 个 插 槽 ， CPU 板 卡和 I/O 板 卡 都 安 装 在 这 个 机 柜 中 ， 通 过 多 总 线 处 理 器 能 够 访 问 I/O 端 口和 共 享 内 存 (双 通 道 RAM)。在 DIGIGAGE 中 ， 4 个 CPU 的 主 要 功 能 为 ： CPU1 主 要 完 成 两 个 机架 之 间 的 通 讯 。 CPU2 主 要 完 成 一 个 机 架 除 偏 心 补 偿 外 的 所 有 HGC 作用 和 弯 辊 作 用 。 CPU3： 主 要 完 成 另 一 个 机 架 除 偏 心 补 偿 外 的 所 有 HGC作 用 和 弯 辊 作 用 。 CPU4： 主 要 完 成 两 个 机 架 的 偏 心 补 偿 。1 个 ADAS/ICM150： 完 成 模 拟 量 输 入 读 取 。 连 接 到 接 口 模 块 ， 在 全 差动 模 式 下 能 够 32 位 的 模 拟 量 输 入 。1 个 ADAS/ICM212： 完 成 脉 冲 输 入 ， 连 接 到 STB212 接 口 模 块 ， 能够 进 行 12 位 的 脉 冲 记 数 。4 个 ADAS/ICM812： 完 成 模 拟 量 输 出 。 能 够 进 行 32 位 模 拟 量 输 出 。2 个 iSBC519： 能 够 完 成 数 字 输 入 读 取 。 连 接 到 接 口 模 块 PB24 上 ，图 2-16 1676mm 冷连轧机 HGC 控制系统原理图能 够 进 行 72 位 数 字 输 入 和 24 位 数 字 输 出 。1 个 JS/KLIO： 用 来 连 接 OPTOBUS 和 JS 设 备 。液 压 辊 缝 控 制 的 主 要 功 能 有 二 个 方 面 ， 一 方 面 是 纵 向 液 压 辊 缝 控 制 ,即只 控 制 带 材 纵 向 厚 度 变 化 ； 另 一 方 面 是 板 形 控 制 ， 包 括 弯 辊 和 倾 辊 控 制 。本 文 所 研 究 的 对 象 是 第 一 方 面 ， 所 以 在 本 文 提 到 的 液 压 辊 缝 控 制 未 考 虑 弯辊 和 倾 辊 的 作 用 。2.5 本 章 小 结本 章 主 要 介 绍 了 轧 制 过 程 的 基 本 理 论 及 与 1676mm冷 连 轧 机 液 压 辊缝 控 制 系 统 相 关 的 测 厚 仪 式 AGC和 GM-AGC的 基 本 原 理 ， 为 第 四 章 对 液压 辊 缝 控 制 系 统 建 立 数 学 模 型 打 下 了 理 论 基 础 。 对 1676mm冷 连 轧 机 液压 辊 缝 控 制 系 统 的 组 成 和 功 能 做 了 分 析 。3 轧 机 参 数 的 测 定 及 液 压 辊 缝 控 制 的 补 偿 算 法 研 究3.1 轧 机 纵 向 刚 度 系 数 的 测 定纵 向 刚 度 是 液 压 辊 缝 控 制 系 统 的 一 个 基 本 参 数 ， 因 此 对 轧 机 纵 向 刚 度 的测 定 有 着 重 要 的 意 义 。轧 机 的 纵 向 刚 度 的 测 量 有 两 种 方 式 ， 一 种 是 将 应 变 片 贴 在 轧 机 机 座 上 ，通 过 牌 坊 变 形 与 轧 制 力 的 变 化 确 定 轧 机 刚 度 ； 另 一 种 是 通 过 缸 位 移 随 轧 制力 的 变 化 回 归 出 轧 机 刚 度 。 前 一 种 方 法 适 用 于 早 期 的 电 动 压 下 轧 机 ， 在 液压 压 下 系 统 应 用 后 ， 一 般 采 用 后 一 种 方 法 11， 12