冶金机械自动化-6

1,（6）对每一道次，已知轧入厚度hi-1、轧制厚度hi、速度vi及该机架的工作辊半径Ri后，即可用下列公式计算出有关中间变量：,2,第六章轧制过程设备控制,第一节自动位置控制系统（）第二节带钢厚度自动控制系统（）,3,第一节自动位置控制系统（APC）,位置自动控制是生产过程计算机控制的一项最基本的功能，无论是高炉无料钟旋转布料，转炉倾翻机构，加热炉推钢机以及轧机液压压下等设备控制都需要采用自动位置控制功能，一套带钢热连轧机往往具有上百个位置控制回路。位置自动控制的任务是：在指定时刻将被控制对象的位置，自动地控制到预先给定的设定值上，使控制后的位置与目标位置之差，保持在允许的偏差范围之内。,4,位置自动控制系统在轧制过程中最常见的是压下位置，现以压下位置自动控制系统为例来说明它的基本组成和结构。图6-1是计算机控制的压下位置自动控制系统。压下位置的设定值可以在操作台上人工给定，也可以通过计算机模型计算来设定。压下的实际位置可通过位置检测环节，将位置信号反馈到控制器。控制器周期地根据位置设定值与当时的实际位置进行偏差计算，并算出为了能最快地把被控压下螺丝移动到位，应该具有的速度控制，然后将此控制信号通过模出向可控硅装置速度调节器输出，这个模出信号一直保持到下一个周期在这一点重新有输出信号为止。控制器的控制算法能保证在被控制的压下螺丝接近位置设定值的过程中，按照一定规律发出速度控制信号。当位置接近规定的精度范围时，便可以自动减速以达到精确定位。,5,图6-1,6,位置控制机构可以是电机驱动的机械亦可以是液压缸定位系统。从图6-1可知，位置自动控制系统实际上是一个闭环控制系统。由此可概括出具有普遍性的位置自动控制系统的基本组成和结构，即实测反馈位置与过程计算机给定的位置设定值进行比较，然后根据偏差信号的大小，由基础自动化控制器通过输出装置给可控硅装置，去驱动电动机，对被控制对象的位置进行调节，如此循环一直到达到定位精度为止。,7,由于采用了数字控制器，所以该系统是一个采样调节系统，被采样的反馈值送入控制器，计算后的输出值送给过程输出装置，其输出信号被保持器保持住，在采样周期中保持不变地对设备进行控制。为了准确地对轧制设备进行位置控制，一般对位置自动控制有以下几点要求：（1）电动机转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩；（2）能在最短时间里完成定位动作，并且定位符合规定的精度要求；（3）在控制过程中不应产生超调现象，并且系统稳定；（4）由于控制器是通过软件进行控制的，所以还要求控制算法要简单。,8,在实际应用中，控制信号的计算按控制装置的不同，可以分为以下二类：,（1）控制装置采用速度自动调节器，这用于对控制精度高的场合，设备的位置由电机来控制，而电动机的转速由控制器通过过程输出装置输出的电压模拟量来控制。在轧钢车间，此种控制装置用于立辊和部分侧导板开口度控制以及压下位置设定等。当负荷不变时，其速度控制曲线如图6-2所示。设DS为位置偏差，图6-2中DS3为第一减速点的位置偏差，DS2为第二减速点的位置偏差，DS1为规定的精度范围，U3为对应DS3的最大电压控制信号，U2为对应于DS2的电压控制信号。,9,从图6-2可以看出，速度整定曲线可分为三段：,10,11,当位置偏差S小于DS1，认为定位完成，但为了避免S仅仅是由正变为负时进入DS1区域造成的误判断，对定位是否完成必须在连续多次采样（在一定时间间隔内）S都处在DS1区内才能作出判断。有些系统采用曲线形式（图6-3），其基本思想相同，即当S较大时输出电压使位置系统以较大速度接近给定值（尽快使S减小），而当S较小时，则要迅速减小输出电压，使定位系统减速，并在达到给定值（一定精度范围内）时输出电压为0，减速的快慢以不使定位系统由于惯性而在控制电压为零时冲过给定值，同时又减速时间较短为好。,12,图6-3,13,为了消除机械间隙影响，对要求高精度的定位系统往往采用固定方向停车（图6-4）即当实际位置为A，给定值为B时，由A向B定位，而当实际位置为C时，则先使C向B以上的点B定位，然后再由B向B定位。为了加快由C到B的粗定位，速度控制曲线可以采用不对称形状（图6-5）。,14,图6-4图6-5,15,对于某些静止摩擦力较大的机械，为了避免当S不很大（但尚未达到精度）时输出电压过小而起动不了电机，当发现S小于某一程度时发出冲动脉冲（图6-6），使机械启动，然后按正常速度控制曲线计算输出电压后进行定位控制。,16,当位置偏差小于DS1时，表明已进入规定的精度范围，即进入死区，电压控制信号U为零。按照图6-2所示的曲线求出的输出值，还需要根据运行方向不同，将偏差信号加上正负符号。,17,（2）控制装置采用直流恒压速度调节器，用于控制精度要求不高和动作不太频繁的场合。设备的位置由电机来调整，电动机的转速只有三级（图6-7），F为正转，R为反转，K1是爬行，K2是中速，K3是最高速。,18,三级速度加上正反转，共有六种情况，如表6-1所示。控制器通过过程输出装置的常闭触点输出方式来选择其速度等级和方向。轧钢车间中的一部分侧导板开口度、夹送辊辊缝和助卷辊辊缝设定等采用此种方式。在此种情况下的控制曲线，如图6-7所示，计算方法是按开关状态进行。图中的OD3对应于K3+F（或R）状态（F向前，R向后）为高速；OD2对应于K2+F（或R）状态，为中速；K1+F（或R）对应于爬行速度。如果还要更均匀地调速，还可以将档分得更细。这种方式是按开关量输出。,19,第六节带钢厚度自动控制系统（AGC）,一、热轧带钢厚度差产生的原因带钢厚差主要决定于精轧机组。为了更好地消除带钢厚差，需对其产生的原因进行分析，以便针对不同的原因采取不同的对策。造成带钢厚差的原因可以分为两大类：（1）由带钢本身工艺参数波动造成，这包括来料头尾温度不均、水印、来料厚度不均以及化学成分偏析等。（2）由轧机参数变动造成。这包括支承辊偏心、轧辊热膨胀及轧辊磨损以及轴承油膜厚度变化等。,20,轧机参数变动将使辊缝发生周期变动（偏心）及零位漂移（热膨胀等）。这将使辊缝不调整情况下，轧件厚度发生缓慢变化或周期波动。自动厚度控制系统用来克服带钢参数波动对厚度的影响，并对轧机参数的变动给予补偿。仔细分析同一批规格的产品其厚度变化（如图6-8所示）。,21,带钢的厚差分为两类：,（1）头部厚度偏差造成同一批料的厚度分散（即板厚偏差）的主要原因是，精轧机组空载辊缝设置不当以及同一批料的精轧来料参数（来料厚度H0，宽度B，精轧入口温度TF0）有所波动时未能相应调整辊缝S0i。这种偏差采用计算机设定后可大为缩小（精轧辊缝速度预设定模型的重要任务之一即为缩小此种厚度偏差）。（2）同板厚差（带卷纵向厚差），主要是头尾参数变动（如温度），使轧制力P发生变化，从而在S0i不变的情况下，使带钢头尾厚度发生了变化。,22,从厚度分布特征来看，产生厚差的原因有以下几种：,（1）头尾温差。这主要是由于粗轧末架出口速度一般比精轧机组入口速度要高，因而造成了带钢头部和尾部在空气中停留时间不同，其原因可解释如下：设头部由粗轧末架运动到精轧机组F1所需时间tH，尾部到F1机架所需时间tT，则可列出下述等式。,23,头部以vRC速度由粗轧机组末架轧出，在尾部末轧出前，头部一直保持此轧速前进，当尾部离开粗轧末架，则轧件根据中间辊道速度运行，设中间辊道的平均速度为vE，则：,式中为轧件长度，L为粗轧末架到精轧入口的距离。,24,尾部一离开粗轧末架后先以速度vE前进，一旦当头部咬入F1，尾部将以精轧入口速度运动，因此：,因此得尾部和头部在空气中停留的时间差为,25,当vF0=vRC时，t=0，但一般情况下精轧入口速度小于粗轧末架出口速度，即vF00，即尾部在空气中停留时间比头部长，因而尾部温降比头部要大，形成头尾有温度差，这将使头尾轧制力变化而产生头尾厚差。头尾厚差是一逐渐变化的量，因此比较容易消除，目前主要通过轧制过程中逐渐调整压下来消除（粗轧出口采用热板卷箱不仅可缩短精轧与粗轧间距离，并且可以减小头尾温差）。,26,（2）加热炉内导轨在钢坯表面造成的低温段称为水印。由于此段温度变化率大，厚度变动比较“陡”。一般反馈厚度控制系统由于有时间滞后，对这种厚差的调整效果较差。计算机控制后，由于采用预控方式，这种厚差可大为减少。（3）活套起套过猛，对带钢产生冲击使头部厚度变薄，为此需采用活套起套“软接触”技术。活套张力过大，当尾部离开各机架时张力消失，使轧制力发生突增，造成台阶性厚差，一般采用“压辊”或“拉尾”的办法来改善。,27,（4）现代带钢热连轧机都采用低速咬钢，待卷取机卷入带钢后再同步加速至高速的办法进行轧制，在轧辊转速变动较大时，将使油膜轴承的油膜厚度发生变化而使实际辊缝变小，影响轧件厚度。为此，现代厚控系统都具有速度补偿（油膜厚度补偿）功能。（5）轧辊偏心（椭圆度）将直接使实际辊缝产生高频周期变化。过去热轧调厚精度尚未达到如此高的水平，因此一般采用死区的办法（不灵敏区）来避免压下系统受此高频干扰的影响。近代，热连轧机组由于全部采用液压压下，为了进一步提高精度，已开始大力研究热连轧偏心控制。,28,消除同板厚差的主要办法是采用自动厚度控制（AGC）系统。AGC系统工作的效果和S0i及v0i设定的正确性直接有关。如果S0i及v0i设定不当，则AGC不仅要承担消除同板厚差的任务，还要承担消除板厚偏差。这样将使AGC任务过重，往往由于设备能力的限制，而不得不被迫停止工作。为此，有些系统采用以带钢头部厚度作为控制其后面厚度的标准。这是头部厚度不准确的情况下一般采用的方法。因此区分这两种偏差，力争减少头部厚板偏差，同时不断改进AGC系统功能，是提高板卷厚度精度和厚度均匀性的重要措施。,29,二、PH图,分析各种厚度控制方案主要依靠弹跳方程和轧制力方程。一种直观简易的方法是将变形区中的轧制力作为纵坐标，把厚度作为横坐标，即P-H图。,P-H图以变形区中的轧制力P作为纵坐标，而把厚度H作为横坐标，在此图上可以综合地研究变形区中轧件（塑性方程式）和轧辊（弹性方程式）间相互作用又相互联系的力和变形关系如图6-9所示。,30,P-H图在定性上比较直观，对于分析上述问题十分有效，是目前讨论厚差和厚度控制现象的一个有用工具。由于轧出厚度h即为“有载”辊缝值，因此在横坐标H上亦很清楚地表达了“空载”辊缝值S0、轧件厚度h和机座弹跳量。这样在P-H图上可以同时表达出轧机弹跳变形和轧件塑性变形的情况。利用P-H图可以很直观地分析造成厚差的各种原因。造成厚差的原因可以分为两大类：,31,（1）轧机方面的原因属于这类的有轧辊偏心（使辊缝发生周期变动）和轧辊热胀。前者为一高频变化的外扰量，后者则变化缓慢，但产生的现象都是在辊缝指示值不变的情况下，实际辊缝有所变动。因此，使出口厚度由h变h，其变动量h=h-h。,从图6-12可知h=cb，它将比S=ab（S为实际辊缝变动量）要小。h/S值决定于轧机弹性刚度（CP=tg）和轧件塑性线工作段的斜率大小（称为轧件塑性刚性Q=tg）。,32,（2）轧件方面的原因属于这类的有入口厚度波动（见图6-10a）；轧件变形阻力值波动（见图6-10b）。对于热轧来说。变形阻力波动是来料温度变动造成，对于冷轧来说，变形阻力变动是由于摩擦系数变动（由速度变化引起或由润滑剂影响）和张力变动造成的。,33,厚度控制方案,（1）移动压下这常用来消除轧件方面原因造成的厚度差（见图6-11）,如原来轧制力为P，轧出厚度h，当入口厚度或硬度变动（虚线），而使轧制力变为P，轧出厚度变为h，则为消去h，需移动压下S，结果轧制力变为P1（P1PP）。,因此使用改变压下法调厚时轧机负荷将增加。从图6-12中还可以看出，如果轧件较硬（当轧合金钢或轧件较薄时，轧件塑性变形线较陡），则移动压下来调厚的效率较低，S值很大时，能消除的h值较小，大部分都转成轧机弹性变形了。S=ab=ac+bc=h+ac,35,(1)对于轧机方面的原因造成的厚差，如是热膨胀等缓慢变化量，则可用相应的压下移动来补偿此实际辊缝值的变化，使轧件厚度不变。(2)对于频繁变化的偏心影响，如是液压压下，则尚可高速地给予补偿，如是电动压下，则不能用来移动压下的方法消除。过去，一般采用在调节系统中设有非灵敏区（死区），使在此小偏差量作用下系统不工作。,近来为了提高板厚精度，倾向于采用液压压下系统，这时利用变刚度控制来消除偏心影响，其实质相当于改变轧机刚度（当量刚度），以保证恒轧制力（见图6-13）,36,（2）利用张力改变轧件塑性线来进行厚度控制,例如，当存在H而产生h时，可用改变张力（改变塑性斜率）来消除此h（见图6-14）。此法有时用于精轧机组的末机架间（此时轧件较薄，压下效率较低），但张力变动范围有限，变动过大容易造成宽度不合格，因此控制效果受到限制。,37,P-H图用于定量分析时，遇到的主要困难是轧件塑性线（轧制力）为一非线性函数。考虑到用P-H图分析厚度控制等问题时所涉及的都是各参量的小变化量，因此，为了便于P-H图用于定量分析，可利用塑性线某工作点的切线来代替塑性线本身，。,工作点不同时则切线也不同（见图6-15），切线和横轴相交角的正切称为塑性线（在此工作点时）的刚度，即塑性刚度Q，以和弹性刚度CP相应,38,如工作点的轧制力为Pa，其相应的轧件轧出厚度为ha，可取某一假想轧出厚度hb，设相应对于hb可从塑性线上取得Pb，则Q值可以计算如下：,39,2.1S和H的关系,（见图6-16）由图可知，当压下移动S时，轧件厚度变化并不是S，而仅仅是h，它们间的关系可推导如下：S=abh=cbtg=CPtg=Q,40,41,过去一般AGC系统根据偏差量h来控制压下系统进行厚度控制，由式（6-6）可知，实际上厚差总是不能完全消除的（即使压下及时移动了h量，轧件厚度变化仍将小于h），因此应该在求得轧件厚度偏差信号h后，通过一比例放大器，使输入控制系统的信号为S，即,式中K为比例放大系数。,42,由于Q决定于轧件具体情况（温度、钢种、厚度等等），因此K值为一变值，需根据具体轧制情况来决定。这一问题只有采用计算机控制才能解决，即由计算机来计算确定AGC系统中的比例放大的增益，这样就使厚度调整精度大为提高。,43,一般情况下，AGC系统是根据反馈原理工作的，即利用直接或间接测厚（间接测厚即用P和辊缝信号，用弹跳方程来测厚），检测出实际轧出厚度h后，同给定值h*相比，求得实际厚度偏差h，并用此偏差信号去控制压下进行厚度控制，使h0。但反馈AGC的主要缺点为，实际调厚的点不是所检测之处存在滞后现象。为了克服这一缺点，在采用计算机控制基础上，可采用预控原理来调厚，即入口测厚仪或用上一机架弹跳方程测出入口厚度H，当它和给定值H*相比有偏差H时，可预先估计出将产生的h值，由此可确定应有的S值（为了消除此h值），然后根据检测点进入轧机的时间，并考虑移动S所需的时间提前进行控制，使控制点即为此检测点。,2、预控AGC的S值确定,44,进行预控调整板厚，需要建立H,h和s之间的关系，三者关系如图所示。,45,当然预控属于开环控制，它不能检查效果，控制精度直接决定于预算公式的精度，因此目前一般常采用预控和反馈控制相结合的办法，互相取长补短，以提高总的控制精度。,46,3、S和Q的关系如果来料参数t0、B等波动，将造成Q值有Q波动时，h的变化如图6-18所示。,47,48,忽略h、tg和项，则有,49,3、自动厚度控制系统,自动厚度控制系统利用的基本方程，仍然是弹跳方程。但为了进一步提高精度，需对各种影响间接测厚精度的因素增加补偿措施，方程可写为：,50,其中，O为考虑轧机速度变化使支撑辊的油膜轴承的油膜厚度发生变化，从而对辊缝产生的影响（速度变大，油膜厚度加大，因而使辊缝减小）。油膜轴承的油膜厚度和轧制力大小及轴承的线速度有关，O=f（P，v）的曲线一般用实验的方法直接在现场生产轧机上求得。在前面曾介绍过用压靠法直接在现场生产轧机上求得轧机刚度CP值的方法。为了区分轧机刚度和油膜厚度，一般规定轧机的刚度实验应在轧辊线速度固定在某一数值下进行，在此基础上，进一步求油膜厚度。,51,当采用电动压下时，自动厚度控制系统采用的是位置内环、厚度外环方式（见图719a），由于长期以来热轧厚差精度都在50m以上，对偏心影响往往采用死区回避。现代热连轧机普遍采用全液压压下，其自动厚度控制系统可以采用常规的位置内环、厚度外环方式，或采用单恒轧制力环（见图719b）来消除偏心影响。但单恒轧制力环将放大带钢带来的外扰（来料厚差等），因此一般很少单纯采用轧制力环，而是采用轧制力内环，厚度外环（见图719c）方式。轧制力内环用来消除偏心，而在轧制力内环再加上厚度外环以消除轧件带来的外扰。,52,位置内环、厚度外环和轧制力内环厚度外环的控制算法不同。,图6-19自动厚度控制a位置内环、厚度外环；b恒轧制力环；c轧制力内环、厚度外环,3.1厚度锁定方式,（1）绝对方法以设定厚度为目标，计算间接实测厚度与目标值比较，使实测值与目标值一致。若头部厚度与目标值相差太大，会造成压下系统负荷过重或带钢头尾厚差。（2）相对方法不论带钢头部温度是否符合要求，以头部的实际厚度为基准来控制整个长度上的带钢厚度。厚度均匀，但厚度未必和目标厚度一致。,53,3.2厚度控制方法,厚度控制的最终动作是控制压下量(1)位置内环、厚度外环厚度环只需给位置环设定的辊缝值：其中位置环设定的辊缝未知量；消除厚差调节量；由利用实测轧制力和辊缝值间接获得。,54,(2)轧制力内环、厚度外环,此方式控制的轧制力，厚度环输出的是轧制力：其中为初始设定轧制力的值；消除厚差所用的调节值。的确定：（1）轧辊偏心时采用恒轧制力，通过调节压下量消除厚差，该值为零。（2）板坯厚度变化时：,55,（3）板坯温度变化时将会同时导致板厚和轧制力变化：为消除板厚差需要压下为压下引起的压力变化为,56,(4)轧制力设定值,因此对于后面两种情况轧制力的设定值为：上面式中分别为轧机弹性刚度系数和轧件塑形刚度系数。,57,3.3预控,根据来料情况，提前确定调整量。对于水印造成的厚差比较有效。由上一机架到本机架的时间：考虑到系统反应延时时间,58,3.4补偿控制,（1）压下调厚，将改变压下率，使前滑值改变，从而改变带钢轧制速度，改变秒流量平衡影响活套的工作。因此压下需要活套补偿。（2）压下调厚，轧制力发生变化，轧辊变形影响带钢断面形状，需要进行板型补偿。（3）改变轧制速度、喷水量时轧制温度发生变化，从而轧制力发生变化，带钢厚度和板形都会发生变化，需要相应的补偿。,59,3.5尾部补偿,当带钢尾部离开第i个机架时，