热连轧自动板形控制系统的研究与应用

[摘  要]鞍钢2150ASP热连轧生产线自动板形控制系统是自主开发和设计的板形控制系统，包括板形预设定、弯辊力前馈、凸度反馈、平坦度反馈和板形板厚解耦等功能。本文详细阐述了弯辊力前馈、凸度反馈和平坦度反馈三个模型在现场的具体实现。系统自2006年初投入使用至今一直稳定运行，从大量的生产数据来看，投入板形控制系统后，板形质量有了大幅度提高，具有推广应用的前景。    随着现代工业的发展，板形已成为热轧板带材越来越重要的一个质量指标和决定其市场竞争力的主要因素。板形控制系统对于提高板形质量具有无可替代的作用。事实上，现代化的热连轧机也都配备了板形控制系统。目前，国内热连轧机的板形控制系统（包括设备、工艺、模型和控制）基本依赖进口。结合鞍钢2150ASP热连轧生产线的建设项目，我们设计了一套完整的板形控制系统。 1  板形控制系统的组成及控制策略    带钢热连轧板形质量控制的区域主要是在精轧区，鞍钢2150ASP生产线的精轧机组为四辊六机架连轧机组，每个机架都具有正弯辊和窜辊功能，最大的弯辊力为2000kN，F1～F3的最大窜辊量为150mm，F4～F6的最大窜辊量为200mm。在精轧出口分别安装了德国IMS公司的X-ray凸度仪和TopPlan平坦度仪，为板形控制提供了必要的板形检测手段。弯辊控制是该套设备最有效的动态板形调控手段。    鞍钢2150ASP热连轧生产线的板形控制系统结构如图1所示。该系统包括板形预设定、弯辊力前馈控制、凸度反馈控制、平坦度闭环反馈控制和板形板厚解耦控制等功能。板形预设定是在带钢进入轧制过程前，依据板形理论的相关数学模型计算，设定精轧机组每个机架的弯辊力和轧辊窜辊量，从而达到保证带钢头部板形质量的目的。弯辊力前馈控制主要是利用弯辊力补偿轧制过程中轧制力的波动对板形的影响；凸度反馈控制和平坦度闭环反馈控制分别保证带钢全长的凸度和平坦度达到设定的目标值；板形板厚解耦控制主要是消除在轧制过程中厚度控制对板形质量的影响。将精轧出口的板形仪表测得的实际板形数据输入到板形预设定功能的自学习模块，进行模型参数的自学习，能进一步提高板形的设定精度。图1表明了各个功能在板形控制系统中的相互关系。

   凸度和平坦度是板形质量的主要参数，而凸度控制与平坦度控制的实质，都是辊缝控制，其与厚度控制的不同在于厚度控制只需控制辊缝中点处的开度精度，而凸度与平坦度控制必须对带钢宽度跨距内的全辊缝形状进行控制。凸度与平坦度之间是相互耦合的关系，带钢凸度既是板形控制的直接目标，同时又是平坦度控制的决定因素。根据精轧机组的实际情况，采用的凸度与平坦度解耦控制基本策略是：在精轧机组上游机架F1和F2对带钢进行凸度控制，在下游机架F5和F6对带钢进行平坦度控制，在中间机架F3和F4同时进行凸度控制和平坦度控制。 2  自动板形控制系统    板形预设定和厚度设定一样，只能保证带钢穿过精轧机组后的头部质量，而带钢全长的厚度由于各种因素而发生变动，需要采用自动厚度控制系统（AGC）来保持带钢全长的厚度品质；同样，带钢全长的板形质量（凸度和平坦度）也需有相应的自动板形控制系统（ASC）来控制。在鞍钢2150ASP热连轧的自动板形控制系统中，主要采用了弯辊力前馈控制、凸度反馈控制和平坦度反馈控制三个模型来保证带钢全长的板形质量。 2.1  弯辊力前馈控制    弯辊力前馈控制一般包括对轧辊热凸度及磨损凸度的补偿和轧制力变化的补偿。热凸度是一个缓慢的变化过程，在轧制节奏稳定的情况下，换辊半小时后热凸度趋于稳定，而对于每一块带钢来说，磨损凸度在头部和尾部之间的差别不大。而从大量的生产数据可以看到，由于各种因素的影响，特别是投入自动厚度控制时，轧制力的变化量很大，达到3 000～4000kN左右。根据弹塑性理论分析，此时轧制力的变化量引起了轧辊辊系变形，从而引起所轧带钢的板形变化是不能忽略的。所以，引入弯辊力前馈控制十分必要，目前各热轧生产线也大多采用此方法。     在实际中，热凸度及磨损凸度在板形预设定模型中进行了补偿，而弯辊力前馈控制中弯辊力变化引起的轧制力变化量很小，可以忽略。弯辊力前馈控制模型为：

式中，

为第i机架的弯辊力调节量；i＝1，2，…，6，为机架号；k_a1i为第i机架的弯辊力前馈控制模型调整系数；

为第i机架的轧制力变化量；K_FF为弯辊力-轧制力前馈控制模型系数。    在控制过程中，当带钢通过每个机架时，控制程序接收到咬钢信号延时1s后锁定轧制力和弯辊力，然后执行弯辊力前馈控制，对弯辊力进行调整。 2.2  凸度反馈控制    在自动板形控制系统中，为了在控制凸度的同时不影响带钢的平坦度，就必须保持机架间的比例凸度相等。凸度仪在正常工作时，能够周期性地给出精轧出口带钢的凸度值，从而可以计算得到实际凸度值与目标凸度值的偏差。    根据上游机架主要控制带钢凸度、下游机架控制平坦度的策略，在精轧机组的F2～F6都实行凸度反馈控制，其中F2～F4的凸度反馈控制主要是将带钢凸度调节到目标比例凸度；而F5和F6凸度反馈控制主要是在等比例凸度相等的原则下，使带钢在凸度反馈时保证平坦度不受影响。    根据精轧出口带钢的凸度偏差，通过计算可以得到各个机架出口的凸度偏差：

式中，e_i（k）为第k控制周期第i（i=2，3，…，6）机架出口带钢凸度偏差；h_i为第i机架带钢出口厚度；h₆为带钢精轧出口厚度。    每个机架采用的都是典型的PI控制，控制模型为：

式中，

第k控制周期第i机架的凸度反馈调整的弯辊力；k_a2i为凸度反馈控制模型调整系数；K_pi为第i机架的凸度反馈比例系数；K_Ii为第i机架的凸度反馈积分系数；K_C为弯辊力对凸度的影响系数。    在实现凸度反馈控制过程中，各机架的弯辊力调整量需要考虑设备的极限条件。凸度反馈控制在凸度仪正常工作并检测到带钢通过信号后启动，控制周期和凸度仪的检测凸度信号的周期均为2s。 2.3  平坦度反馈控制    从现场的生产数据和理论分析来看，精轧机组末机架的弯辊力变化对平坦度的影响最大。在该系统的平坦度闭环反馈控制中，主要是在F6进行反馈控制，而当F6的调控能力达到设备极限但还不能消除平坦度缺陷时，F5也投入平坦度的反馈控制。当轧制过程中有空过机架时，参与轧制的最后两个机架实行平坦度反馈控制。    目前平坦度控制系统的执行机构主要是正液压弯辊系统，弯辊力对对称浪形能起到很好的控制作用，而对不对称浪形的调节能力有限。但在带钢轧制过程中往往会出现较严重的不对称浪形，因此在平坦度反馈控制中必须考虑不对称浪形的影响，因此引入不对称浪形调节系数。    平坦度反馈控制中的平坦度偏差：

式中，e（k）为第k控制周期的平坦度偏差；r（k）为目标平坦度；y_act（k）为第k控制周期的实际平坦度值；ξ为不对称浪形调节系数。    平坦度反馈控制也是采用PI控制，控制模型为：

式中，△F_F（k）为第k控制周期平坦度反馈末机架调整的弯辊力；k_a3i为平坦度反馈控制模型调整系数；K_PF为平坦度反馈比例系数；K_IF为平坦度反馈积分系数；K_BF为弯辊力对平坦度的影响系数。    在平坦度反馈控制中，平坦度仪的检测周期为80ms，控制周期为200ms。 2.4  模型系数的计算    在自动平坦度控制系统中，模型参数弯辊力前馈影响系数K_FF，弯辊力对凸度的影响系数K_C以及弯辊力对平坦度的影响系数K_BF，是与轧机设备等相关的重要参数，对控制模型精度有很大的影响，但很难通过简单的计算获得。目前，主要通过有限元方法根据辊系弹性变形分析模型离线计算得到不同工况下的影响系数，并存储在过程控制计算机中，这些参数随板形预设定值、模型参数、PI参数等在带钢进入精轧机组前一同传给基础自动化级。采用离线计算板形控制模型的重要参数、在线进行控制的方法是目前较好的控制方法。凸度反馈和平坦度反馈的比例系数和积分系数是根据带钢的规格不同分别调试，得到合适的参数后存储在过程计算机中供控制程序使用。 3  应用效果    鞍钢2150ASP热连轧自动板形控制系统是在基础自动化级（L1）GE系列的PLC中实现的。通过编程和调试，自动板形控制系统自2006年初投入使用以来一直稳定运行。生产实绩表明，投入自动板形控制系统后，操作工的干预量减少，带钢全长的板形质量精度高。    图2～4是从数据记录仪表PDA上取得的不同规格的带钢自动板形控制的相关曲线。