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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳470双机架平整机控制系统的研究陈丰1，刘刚2，张殿华2（1.天津荣程钢铁公司天津200431）2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室沈阳110006）摘要：平整机控制系统的进步是与平整工艺的发展密切相关的。恒延伸率是平整机控制的最主要的控制目标，而延伸率的控制是通过张力、轧制力和辊缝的控制来实现的。本文综述了国内外平整机延伸率控制的主要控制策略，重点介绍了双机架平整机的延伸率控制策略，并给出了目前常用的延伸率控制方式和几种特殊的延伸率控制方式。关键词：双机架平整机；延伸率控制；张力控制TheStudyonDoubleStandsTemperMillControlSystemCHENFeng1，LIUGang2，ZHANGDianhua2(1.TianjinRockcheckIronandSteelCompanyCo.,Ltd,Tianjin,200431)(2.TheStateKeyLaboratoryofRollingTechnologyandAutomationNortheasternUniversity,Shenyang,110006)Abstract：Thetempermillcontroltechnologiesarecloselyrelatedwiththeadvancementoftheelongationtechnology.Itsmaincontrolobjectisconstantelongationratecontrol,whichisrealizedbythetensionsandrollingforcesandrollersgapcontrol.Thispapergivesthemaincontrolstrategiesoftheelongationcontrolwhicharecommonlyusedintheworld.Theelongationcontrolstrategiesofdoublestandstempermillareintroduced.Theanalysisismadeforthegeneralelongationcontrolmodesandseveralspecialmodes.Keywords：tempermill；elongation；control；tensioncontrol1前言冷轧带钢经过再结晶退火，消除了加工硬化组织，但却使力学性能和加工性能变坏。这时带钢的应力应变曲线具有明显的上屈服极限，并且在下屈服极限出现了屈服平台，这会使带钢在开卷时产生弯折，拉伸时易产生滑移线。为了消除退火后材料的屈服现象，带材必须进行冷加工，平整轧制是一种最有效的冷加工方法，适合于大规模的生产[1]。平整机的控制是与工艺要求分不开的。早期带钢平整为单机架平整，为了提高产品硬度和光洁度，迫使许多带卷在单机架平整机上进行多道次平整，产量低，表面质量无法达到要求。为了解决这个矛盾，在平整轧制问世不久，双机架平整机才开始问世。单机架平整机主要用于平整较厚规格的产品（0.3~3.0mm）；双机架平整机主要用于平整较薄规格的产品（0.1~1.0mm）[2]。近几年，人们开发了连续退火线（CAL－ContinuousAnnealingLine），实现了在线平整轧制，大大提高了生产效率[3][4]。平整轧制主要有以下作用[5]：a)去掉退火钢板的滑移线（吕德斯带），保证应有的力学性能；b)调整板面的光洁度和粗糙度；c)平整板面。由于平整后的产品需要均匀的机械性能，而平整过程中延伸率恒定对它的影响最大，保证延伸2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳471率的恒定就势在必行了，所以，平整机控制系统的主要目的就是使带钢延伸率恒定[6]。2平整机控制系统的结构延伸率控制系统在整个平整轧机的控制系统中处于最主要地位。而恒延伸率控制的实现主要是通过轧制力/位置控制系统、后张力控制系统、前张力控制系统、主传动速度控制系统等完成，而双机架还将包括机架间张力控制系统。这几部分控制功能的有机的结合就形成了不同的延伸率控制策略。平整过程中，带钢只发生很小的塑性变形，相对于冷轧过程来说，所需轧制力较小，不足以使轧辊发生明显的弹性变形。对于双机架平整机延伸率控制方式有各机架辊缝控制方式、机架间张力控制方式和后张力控制方式三种，因此延伸率控制器的PID参数也需要有三种不同的选择，以适合这三种不同的控制方式。其中辊缝控制方式需要分别控制各机架延伸率，保证其延伸率之和即总延伸率恒定。而机架间张力控制和后张力控制手段可直接控制总延伸率。对于单机架平整机，其延伸率控制有辊缝控制方式和后张力控制方式。与冷连轧系统相类似，机架间的张力控制在低速时采用调速方式、高速时采用辊缝调节方式[7]。后张力控制可直接通过控制开卷机和入口上下张紧辊传动系统的电枢电流直接实现。图1为双机架平整机恒延伸率控制系统结构图。速度调节器延伸率调节器辊缝调节器后张力调节器机架间张力调节器压力/位置调节器传动系统电流调节器图1双机架平整机恒延伸率控制系统结构图3双机架平整机延伸率控制方式与单机架平整机相比，双机架平整机延伸率控制策略有更多的控制方式，但对于辊缝控制和后张力控制方式，两者是相同的。3.1延伸率通过辊缝控制方式其通过辊缝调节延伸率的控制框图如图2所示。从图中可以看出，整个控制系统为延伸率伺服系统，延伸率控制作为上级控制系统，它的输出作为辊缝控制系统的输入，压力控制方式和位置控制方式是操作人员根据现场实际情况决定的。延伸率的反馈值是通过测量一定时刻入口和出口处电机的脉冲数再经过计算得到的，其计算公式如下[8]：%100112×−=λλλε式中1λ、2λ为平整前、后的带钢走过长度，通过测量走过前后张紧辊带钢的长度得到；又由于：2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳472DNnπλ⋅=式中：N为脉冲编码器每转的脉冲数；n为规定的时间段内脉冲编码器所发出的脉冲数；D为安装编码器张紧辊的直径。显然上式可化为：%100112×−=nnnλ液压站压力、位置给定位置反馈压力反馈辊缝控制环节延伸率控制环节延伸率调节值延伸率给定压力/位置控制环节图2采用辊缝控制延伸率日本福山NO.3CAL采用单机架平整，控制方式采用辊缝控制方式，平整机入口、出口侧的张紧辊由机械方式控制，平整机入口张力通过主电机控制，出口张力由出口张紧辊的电机调节。延伸率偏差值用于调整轧机的辊缝。我国多数薄带钢生产厂家采用的都是这种控制方式。如：鞍钢冷轧薄板厂从荷兰购进的单机架四辊平整机采用的就是恒张力变压力的控制方式[9]，可将其归纳为辊缝控制。宝钢2050mm热轧平整线通过辊缝调节延伸率[10]。双机架平整机控制系统采用的是位置方式或压力方式，这两种方式是可以人为选择的，而压力方式又分为分压力控制方式、总压力方式和总压力带位置偏差锁定方式。3.2延伸率通过机架间张力控制方式机架间张力通过辊缝或速度调节，轧机运行在低速时，张力由第一机架速度控制；轧机运行在高速时，张力由第二机架辊缝控制。这是由调速和辊缝调节具有不同的响应频率所决定的。液压缸具有更高的响应频率。机架间张力闭环增益根据带钢厚度和材料的硬度进行补偿，以便在轧制不同产品时保持恒定的闭环增益。图3为由辊缝调节控制机架间张力的示意图，机架间张力调节器的比例系数是随机架间带钢的速度变化而变化的。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳473延伸率调节器张力由辊缝调节器压力给定压力调节压力给定压力调节液压站液压站v图3机架间张力由辊缝调节的控制系统结构图显然，通过机架间张力控制延伸率是双机架平整机所特有的控制方式。上海益昌薄板有限公司双机架平整机延伸率控制方式比较多，可以根据工艺要求人为选择控制方式，其中包括机架间张力控制方式[11]。3.3后张力控制方式后张力控制方式一般是通过控制开卷机和入口上下张紧辊的电机电流来实现的。将延伸率调节器的输出值通过适当的运算后，作为开卷机和上下夹送辊的电流附加值与给定电流值相加，送到传动系统电流调节器中，使后张力值根据延伸率的波动适当增大或减小。在对开卷机张力进行控制时，需要用到开卷机带钢卷径，由于这个值在轧制过程中是不断变化的，所以需要通过计算将其确定。在整个平整机控制程序中，已知参数有开卷机转速、入口张紧辊转速而且其直径是固定的。初始时刻假定开卷机带卷直径为D(0)，通过转速可以计算出开卷机带卷线速度V1和入口张紧辊处带钢线速度V2。12VVV−=Δ写成离散的形式为：)()()(12jVjVjV−=Δj=0，1，……转速差VΔ是一个时间函数，令其对时间的积分等于开卷机带钢直径D。dtVkD∫Δ=写成离散的形式为：)()()1(jDjVkjD+Δ=+；k为使D以一定速度收敛的积分常数，要求收敛速度大于轧制速度。当积分器的输入VΔ=0时，开卷机带卷直径D(j)就收敛到某一相对恒定的值，这个值就是在j时刻的带卷直径。最后，系统再根据这个估算出来的带卷直径计算出开卷机传动系统所应控制的电流限幅，从而2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳474保证合适的开卷机带钢张力。3.4辊缝与后张力联合的控制方式张力与辊缝联合控制方式已经在工程上广泛应用。作为影响延伸率的两个重要因素，前面介绍的控制方式都是事先保证其中一个量恒定，而通过另一个量控制延伸率。这些控制方式虽然简单，但都没有考虑到后张力与辊缝之间存在的耦合关系，因此，达不到最优的控制效果。辊缝与后张力联合的控制方式在国内的应用还不理想。宝钢2030冷轧部单机架平整机在带钢厚度H≤1.0mm时采用变压力变张力控制方式。但是在采用这种控制方式时发现延伸率总是出现波动[12]。鞍钢冷轧薄板厂平整机控制程序中也有采用轧制力与张力联合的控制方式，但是由于机械设备的原因，这种控制方式受到了限制[9]。日本学者Y.Kadoya等人从后张力与辊缝的关系入手，基于逆线性二次型ILQ（InverseLinearQuadratic）方法，设计出了辊缝和张力控制系统。他们针对传统的解耦控制进行了分析，对于传统的解耦控制只适用于低频状态，当系统处于高频状态仍然达不到解耦的目的。而采用ILQ方法设计的控制器，达到系统解耦的目的，同时改善了系统的动态特性，提高了系统的响应速度[13]。3.5根据带钢钢种选择平整控制方式日本学者山下道雄先生分别采用整个轧制区的弹塑性解析的模型（Prandtl-Reuss应力-应变关系式）和Bland&Ford公式分析了低碳钢和超低碳钢在平整轧制时的变形行为。对于双机架平整轧机，1#机架控制压下率也即控制延伸率、2#机架上控制表面光洁度。在轧制低碳钢时采用速度AGC（AutomaticGaugeControl）和压力ATL（AutomaticTensionLimitControl）联合的控制方式；在轧制超低碳钢时，用压力控制出口板厚，用入口速度控制入口张力[14]。低碳钢进行两次轧制（DR－DoubleReducing）时与通常的轧制特性一样，入口速度变动时对板厚的影响大，压下力变化时对入口张力的影响大。因此，板厚、张力二者的控制系统干扰小，轧制过程能够稳定进行。然而，在进行超低碳钢低压下率轧制时，入口速度的变动对张力的影响比对板厚的影响大，而且压下力的变动对板厚的影响也比对张力的影响大。正是这种特殊的轧制特性，使轧制过程不稳定。解决问题，可以将控制系统改为适应超低碳钢的低压下率轧制的特性，即：用入口速度改变张力时板厚的变动和用压下来改变板厚时后张力都很小这一特性，将原来的轧机控制系统改为用压力来进行板厚控制（AGC）、用入口速度来进行张力控制（ATR）的板厚、张力分别控制系统。控制系统改变后，通过延伸率控制系统，改变1#机架的轧制力，来抵消轧制速度变动对延伸率的影响，实现延伸率恒定的稳定轧制。4结论平整是确保冷轧带钢成品质量的最后一道关键工序，延伸率作为平整轧制最重要的变形指标，在保证带钢内部组