郭劍飛，劉翠紅，張 浩，孫 杰，張浩宇

(1.唐鋼微爾自動化有限公司，河北 唐山 063000;2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

首鋼京唐酸軋機組厚度控制策略分析與應用

郭劍飛1，劉翠紅1，張 浩1，孫 杰2，張浩宇2

(1.唐鋼微爾自動化有限公司，河北 唐山 063000;2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

厚度精度是衡量帶鋼質(zhì)量的重要指標.本文通過對首鋼京唐酸軋機組厚度控制系統(tǒng)進行了深入研究，分析了包括1#機架FF－AGC、BISRA－AGC和GM－Smith AGC以及2#－5#機架MF－AGC的綜合的厚度控制策略.實際應用效果表明，成品厚度偏差小于±1%，達到了較高的厚度控制精度.

冷連軋;厚度控制系統(tǒng);前饋控制;秒流量控制

厚度精度一直是衡量冷連軋產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標［1～2］，如何提高產(chǎn)品的厚度控制精度一直是冷連軋領(lǐng)域的研究熱點［3］.冷連軋厚度控制具有多變量、非線性、多約束、時變性強、強耦合等特點［4～5］，是一個極其復雜的過程.

首鋼京唐的酸軋聯(lián)合機組生產(chǎn)線從日本日立公司引進.該機組采用了當今世界先進的技術(shù).酸洗工藝為日立公司的先進淺槽噴流鹽酸酸洗技術(shù)，軋機為UCM形式，5個機架全部為6輥軋機，其中中間輥具有橫移功能，并且工作輥和中間輥都具有正負彎輥能力，軋機采用壓上方式，可提供最大2 200 t的軋制力.基礎自動化系統(tǒng)采用日立公司的HISEC－04R700系列PLC，軟件為日立公司的MICA系統(tǒng);L2級系統(tǒng)采用HIDIC－RS90過程計算機.

軋機具有出色的厚度調(diào)控能力，全線設有5組測厚儀，分別設置在1#機架前后以及5#機架前后;考慮到軋線出口帶鋼厚度檢測的重要性，在5#機架后設有兩組測厚儀，為一備一用.另外，在3#機架前后以及5#機架前后分別設有激光測速儀，以實現(xiàn)對帶鋼速度的精確測量.

1 厚度控制策略

根據(jù)該機組的特點以及實際的儀表配置情況，本機組設計了一套包括FF－AGC、BISRAAGC、GM－Smith AGC和MF－AGC等綜合的厚度控制策略，如圖1所示.

在1#機架的厚度控制環(huán)節(jié)中，F(xiàn)F－AGC的輸出附加于PUC，進而修正1#機架的輥縫，同樣，GM－Smith AGC經(jīng)過與BISRA－AGC的相關(guān)性處理后，作用于PUC，修正1#機架的輥縫，實現(xiàn)1#機架的厚度控制.

在2#－5#機架的厚度控制環(huán)節(jié)中，每個機架的MF－AGC的輸出均附加于上游機架的ASR，進而修正上游機架的速度，實現(xiàn)厚度控制.

1#機架前的ATR作用于入口S輥的ASR，修正入口S輥的速度保持入口張力的穩(wěn)定控制;1#－5#機架間的ATR作用于下游機架的PUC，修正下游機架的輥縫，保持機架間張力的穩(wěn)定控制.機架間的ATL在實際張力超出限幅值時，通過作用于上游機架的ASR以修正上游機架的速度，將實際張力快速穩(wěn)定至限幅范圍內(nèi).

經(jīng)過以上環(huán)節(jié)的共同作用，構(gòu)成了一套嚴謹且穩(wěn)定的厚度控制系統(tǒng).

圖1 首鋼京唐酸軋機組厚度控制策略Fig.1 Gauge control strategy of Shougang Jing－tang PL－TCM

1.1 1#機架FF AGC

1#機架FF－AGC依據(jù)入口厚度偏差對輥縫進行修正，以消除熱軋原料上尖峰型的厚度規(guī)格突變.機架前測厚儀的檢測信號，經(jīng)過移位寄存器由測厚儀檢測點移至輥縫壓上位置，并綜合考慮測厚儀的響應時間以及壓上系統(tǒng)的響應時間，實現(xiàn)輥縫修正點與測厚儀的監(jiān)測點的一致.FFAGC的最終輸出的輥縫修正量如式(1)所示.

式中，ΔSFF為FF－AGC輸出的輥縫調(diào)節(jié)量;ΔH為入口側(cè)測厚儀檢測的厚度偏差信號;M為材料塑性系數(shù);K為軋機剛度系數(shù);αFF為FF AGC控制增益;K'為理想狀態(tài)下軋機剛度.

1.2 1#機架BISRA AGC

因為FF AGC為開環(huán)控制，其無法通過控制效果的反饋而全部完成厚度的修正，所以1#機架設置了BISRA－AGC.BISRA AGC通過如式(2)所示的彈跳方程，控制1#機架出口帶鋼厚度.

式中，h為出口帶鋼厚度;P為軋制力;S為當前輥縫.

設在AGC投入的初始狀態(tài)時，如式(3)所示.

式中，P0為初始軋制力;S0為初始輥縫.

于是，為了使出口厚度偏差為零，輥縫S將如式(4)進行控制

由于BISRA－AGC幾乎不存在控制上的滯后，其響應時間要優(yōu)于基于出口測厚儀的反饋式AGC.所以，1#機架設置的BISRA－AGC可以有效、快速地改變厚度偏差.

1.3 1#機架GM－Smith AGC

由于BISRA－AGC只是對出口厚度進行估算繼而進行控制，為了確保在1#機架獲得良好的厚度控制效果，系統(tǒng)設置了基于1#機架后測厚儀檢測的實際帶鋼厚度作為反饋的 GM－Smith AGC.由于出口測厚儀離機架有一段距離，于是在GM－Smith AGC的控制閉環(huán)中，存在一個軋機至測厚儀的延遲環(huán)節(jié);由于這個延遲，直接將測厚儀檢測信號作為控制閉環(huán)的反饋將很難得到穩(wěn)定及高響應的控制效果［6］.于是設置了如圖2所示的GM－Smith AGC控制算法.

圖2 1#機架GM－Smith AGC原理圖Fig.2 Principle diagrams of GM－Smith AGC in stand No.1

首先通過1#機架軋制力與輥縫反饋，通過厚度計公式，如式(5)所示，計算1#機架出口厚度.

式中，Sh1為軋機彈跳量;Sact1為實際輥縫;Δεcom1為厚度補償量.

將此厚度計算量通過移位寄存器跟蹤至出口測厚儀，并綜合考慮測厚儀的響應時間后，與測厚儀檢測的實際厚度進行比較計算厚度補償量Δεcom1，如式(6)所示.

式中，Kε1為補償值積分增益;h1x為1#機架測厚儀檢測實際出口厚度;hGMC1(x)為跟蹤至測厚儀檢測點的厚度計算值.

GM－Smith AGC主要用于消除剩余的帶鋼厚度偏差量，于是將控制器設計為PI控制器的形式.最終GM－Smith AGC輸出的輥縫修正量如式(7)所示.

1.4 2#－5#機架MF－AGC

2#－5#機架的MF－AGC是應用秒流量恒定原理對出口帶鋼厚度進行計算，繼而對上游機架速度進行修正以實現(xiàn)厚度控制.

即使秒流量計算存在非常高的準確性，由于它并不是對出口帶鋼厚度進行直接測量，出口帶鋼厚度的計算精度仍可能存在一定偏差.所以在4#機架和5#機架后設有測厚儀的情況下，在4#和5#MF－AGC設置有厚度自適應修正環(huán)節(jié)，通過測厚儀檢測的實際帶鋼厚度信號對秒流量計算值進行修正，以實現(xiàn)高精度的厚度控制，保證末機架出口帶鋼厚度指標.MF－AGC的原理圖如圖3所示.

圖3 MF－AGC原理圖Fig.3 Principle diagrams of MF－AGC

根據(jù)秒流量恒定原理，MF AGC的出口厚度計算值如式(8)所示.

式中，hMFC，i為MF－AGC厚度計算值;VS，i－1為入口帶鋼速度;VS，i為出口帶鋼速度;Hi為入口帶鋼厚度;ηi為厚度自適應修正值，只應用于4#機架和5#機架.

厚度自適應修正環(huán)節(jié)中，修正值ηi算法如式(9)所示.

式中，Kη為自適應修正積分系數(shù);hx，i為出口側(cè)測厚儀檢測到的實際厚度;hMFC，i(x)為經(jīng)移位寄存器跟蹤至出口測厚儀的秒流量厚度計算值;ΔT為跟蹤時間.

MF－AGC中包括兩部分控制，分別是MFFF和MF－FB，即秒流量前饋控制與反饋控制.秒流量前饋控制通過跟蹤上游機架的秒流量計算值，并估算此入口厚度可能引起的出口厚度偏差，繼而修正上游機架的速度消除此偏差.秒流量反饋控制依據(jù)本機架的秒流量計算值，修正上游機架的速度，消除出口厚度偏差.MF－FF與MFFB控制閉環(huán)的反饋分別如式(10)與式(11)所示.

式中，為MF－FF控制閉環(huán)的厚度反饋;為MF－FB控制閉環(huán)的厚度反饋;為考慮上游機架速度調(diào)節(jié)響應時間的本機架入口厚度跟蹤值.

MF－FF主要用于消除本機架入口厚度尖峰型厚度突變引起的出口厚度偏差，MF－FB則主要負責消除趨勢性的出口厚度偏差.針對以上特點，控制器設計為比例積分控制器，即MF－FF采用比例控制器，MF－FB采用積分控制器.于是MF－AGC的最終輸出的速度調(diào)節(jié)量如式(12)所示.

式中，ΔVMF為 MF－AGC輸出的速度修正量;KMF，i為控制器積分增益;KMF，p為控制器比例增益;href，i為本機架出口厚度設定;ΔTS為AGC控制周期的積分.

2 應用效果

圖4為在穩(wěn)態(tài)軋制過程中，軋制不同厚度規(guī)格產(chǎn)品時，取得的末機架出口測厚儀檢測的帶鋼成品厚度偏差曲線，其中包括厚度為0.3 mm、0.4 mm、0.7 mm以及1.0 mm的成品厚度偏差.由圖中可以看出，產(chǎn)品的厚度精度均在±1%之內(nèi).

圖4 末機架出口厚度偏差曲線Fig.4 Curve of last stand exit gauge deviation

3 結(jié)語

經(jīng)過1#機架FF－AGC、BISRA－AGC和GM－Smith AGC以及2#－5#機架MF－AGC的共同作用，并輔以各機架ATR提供的穩(wěn)定的張力控制，構(gòu)成一套綜合的冷連軋厚度控制策略.該機組自投產(chǎn)以來，其厚度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)軋制過程中帶鋼厚度偏差小于±1%，帶鋼厚度控制精度達到國內(nèi)先進水平.

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Analysis and application of gauge control strategy of shougang Jing－Tang PL－TCM

GUO Jian-fei1，LIU Cui-hong1，ZHANG Hao1，SUN Jie2，ZHANG Hao-yu2

(1.Tang Gang Weier Automation Limited Cooperation，Tangshan 063000，China;2.The State
Key Laboratory of Rolling Technology and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Thickness accuracy is an important index of strip quality.Based on the research of shougang Jing－Tang PL－TCM gauge control system，the gauge control strategy was analyzed，which included FF－AGC，BISRA－AGC，GM－Smith AGC in stand No.1 and MF－AGC in stand No.2－No.5.The application result indicated that the gauge error of product is within±1%，and a high gauge control accuracy has been achieved.

tandem cold rolling;gauge control system;feed forward control;mass flow control

TP 273

A

1671-6620(2012)02-0141-05

2011-10-18.

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助 (N110307001).

郭劍飛 (1979—)，男，唐山微爾自動化有限公司工程師，E－mail:guojianfei_1979@163.com.