冷连轧AGC系统的研究及发展趋势

AGC系统发展概况         厚度是板带钢最主要的尺寸之一，随着技术的进步，厚度自动控制已成为现代化板带钢生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制（AGC-Automation Gauge Control）的基本方式是通过测厚仪或者其他传感器对带钢的实际轧出厚度进行连续测量，根据实测值与给定值相比较得到的偏差信号，借助各种测量装置调整压下量、张力或压下速度，将轧机出口厚度控制在允许的偏差范围内。         20世纪30年代中期，人们开始在电动压下轧机出口安装测厚仪并对电动传动的压下装置进行控制。这种概念被采纳并推广应用后，就暴露出电动机传动机械压下装置的一系列缺点，主要有压下装置响应速度慢；传递时间滞后；压下电动机容量增大等。这就使得人们享用液压缸代替电动机来驱动轧辊。          1940年，保罗•布莱恩在法国建造了第一台采用液压推动轧机位置的轧机。在以后的30年，英国钢铁研究学会利用一种厚度控制原理制造了一台小型液压厚度自动控制实验轧机，后因该轧机存在许多问题且当时普遍赞许电动压下装置，因而这种控制方案被放弃了，但是，这种轧机含有新的控制思想，即后来被人们称为“厚度计原理”的控制方式。         50年代后期，美国人为了改进厚度控制，建造了另一台液压轧机，这就是亨特所建造的“液压预应力轧机”，但是这种轧制因错误的想法而失败。          60年代，美国的特伦伍德公司制造了一套五机架串列式液压厚度自动控制轧机。之后，日本石川岛播磨公司采用上述结构的变形，研制全液压压下轧机厚度自动控制获得了迅速的发展。          70年代，随着轧制理论的深入研究、自动检测与控制技术的不断发展，特别是高性能的电液伺服阀在轧钢工业上的应用及机械、电气自动控制的密切配合下，使液压轧机的发展达到了一个新水平。          近30年来，国外轧机的装备水平发展很快。在冷带轧机上广发利用液压压下、液压弯辊、厚度自动控制、板形控制和计算机控制等技术、在新技术运用方面均已采用液压AGC系统与计算机控制相结合的DCS，装设了测量精度高的三测仪表（测厚、测压、测张），且装设了板形检测装置。而国内轧机设备还比较落后，特别是自动控制系统。即使60年代中期从日本、美国等引进的当时属于较先进的单机架轧机，由于当时技术水平的限制，多数未达到设计目标，面临着改造。在采用新技术方面，部分设备采用了液压压下，少数设备将原有的机液伺服改成了电液伺服系统，并装设了AGC系统，安装了三测仪表，实现了张力闭环控制，但是精度不高。面对国内轧机的这种情况及资金短缺的实情，在吸收国外AGC先进控制的基础上，开发实用性、高精度自控系统装备现有的设备，能使我国钢铁冷轧设备的控制水平进一步提高。 带钢厚度波动的主要原因及采取的措施 1 带钢厚度波动的主要原因         厚度质量直接关系到冷轧带钢产品的质量和经济效益。轧钢自动化的基本任务之一就是设计出较完善的厚度自动控制系统。影响厚度指标的因素很多，归纳起来，主要有以下几种： （1）来料厚度的变化。根据轧制理论可知：△h=Q/（C Q）△H。式中，△h为来料厚度变化在带材上产生的厚差；Q为轧件的塑性系数；C为轧机的刚度系数；△H为来料的厚度变化。来料厚度不均匀造成轧件的塑性曲线不稳定而影响厚度变化，在轧钢高精度产品时，来料厚度波动的影响是很严重的。 （2）来料硬度的变化。来料硬度变化也将引起厚差，在轧制过程中，轧材温度的变化、水印的存在、加工硬化等，均会带来轧件硬度的波动。若C=1.25MN/mm，轧制压力P为600kN，硬度波动引起的压力波动为1%，进而在带材产生的厚差为：△h=△P/C=4.8μm。 （3）轧辊偏心的影响。轧辊的偏心在轧钢时表现为辊缝以一定的幅值和频率的正弦波动形式，在带材上引起厚度周期性变化，△Smax=15�m时会在带材上产生的最大厚差为：△hmax=C/（C Q）△Smax=5.46�m。盘新的存在还可使AGC产生误动作，增加了实现高精度的困难性，必须想办法加以补偿。 （4）轧件工艺参数的变化。轧制过程中张力的波动、速度的调整和波动、材料的变形速率，以及厚度控制系统本身性能不良等，均是影响轧件厚度质量的重要因素。 （5）轧机状态的变化。轧机的自然刚度、支撑辊油膜厚度、轧辊的热膨胀和磨损、压下系统齿轮间隙等参数和因素都回对厚度控制产生不同的影响。 2 采取的措施 为了减轻以上因素造成的影响，所采取的措施较为典型的有： （1）测厚仪反馈AGC。根据出口侧测厚仪测得的带钢厚度偏差δh，经反馈压下效应系数修正后，送给辊缝控制信号调节辊缝输出，达到消除偏差的目的。其有点是δh比较准确，但有一定的延迟。一般也称为监控AGC。 （2）压力AGC，为消除测厚系统的之后作用，利用弹跳方程可简介计算带钢厚度h，立刻得到δh进行反馈控制。压力AGC由于设备简单、反应速度快、滞后小等特点应用比较广泛。但系统的压力仪表、辊缝仪应齐全，轧机的刚度要稳定。 （3）前馈AGC。在带钢入口侧用测厚仪监视带钢来料厚度，将实测厚度和设定厚度之差δh作为要调节的量，经过相应的延迟后，送给压下系统控制使用。其中，带钢线速度不仅和轧辊线速度有关，也和后滑有关，故延迟时间难以控制。前馈控制不需要延迟，但是必须准确掌握模型的精确性和实时性，否则效果就不好。 （4）张力AGC。在冷轧生产的后几个道次，由于加工硬化严重，轧件较薄，压下系统作用效果变差，宜采用张力来调厚。根据出口测厚仪读出的偏差值δh反馈到开卷机的张力给定，使其按照一定关系随δh变化，达到厚度调节的作用。使用PI调节器可使张力AGC系统成为无差调节系统。 （5）变刚度控制。变刚度实际上是通过改变辊缝和压力使之等效于刚度变化。当超刚度控制时，称之为恒辊缝控制，出口厚度几乎等于辊缝值，与压力AGC相一致；对于超软钢的控制，可以认为是恒压力控制，主要用于消除轧辊偏心，对于来料等各种波动在精度范围之内时作用效果明显。 （6）油膜厚度变化补偿。对于支撑辊采用液体磨擦轴承的轧机，其轴承油膜厚度随着轧制压力和轧制速度的变化而变化，这将对轧件的轧后厚度造成影响。因此，再轧制过程中需要根据实际轧制压力和轧辊转速，计算出油膜厚度的变化量，、然后调节压下对油膜厚度的变化进行补偿，消除其对轧出厚度的影响。 （7）动态设定型AGC。动态设定型AGC自钢铁研究总院张进之先生发明以来，在AGC控制领域得到了广泛的应用，取得了很好的控制效果。其基本控制思想是：先从轧制力增量中减掉辊缝调节造成的轧制力增量，得到轧件扰动轧制力增量，然后再计算出辊缝调节量。这种AGC的技术特点是通过APC实现AGC功能，利用厚度不变条件和压力AGC参数方程，引进轧件塑性系数W，进一步发展了BISRA-AGC方法。轧机实测表明，其响应速度比BISRA-AGC快2--3倍，与其它厚控方法共用时稳定性好，无相互干扰。 （8）不同AGC的调节原理不同，在不同条件下，产生的控制效果也不同，AGC措施的合理综合运用，可以大大提高控制进度。另外，在多种AGC控制均要投入使用时，还要注意它们的协调关系，以取得最优的控制效果。 冷连轧工艺中对AGC系统的要求 （1）厚度控制系统要具有较强的鲁棒性。所谓鲁棒性就是指系统的稳定性及其性能指标对结构和参数变化的不敏感性，也就是当内部和外部条件变化时，系统本身能保持良好运行的“鲁棒”程度。鲁棒性可分为“稳定鲁棒性”和“性能鲁棒性”两种。稳定鲁棒性说明实际系统偏离设计所用数学模型时，系统保持闭环稳定性的能力。性能鲁棒性是表示实际系统偏离设计所用的数学模型时，系统保持满意性能的能力。从可逆冷轧机系统分析看，其数学模型有多种可变参数，且有些参数的变化具有随机性，加之轧制过程中工况的模糊性及现场情况的复杂性，因此，鲁棒性的要求是保证厚控系统在轧制过程中安全、灵敏。精确运行的首要保证条件。 （2）依据工艺对厚差的要求，在系统稳定的前提下，且在对现场工况细致调研的情况下，采用相关的控制技术、测量技术，尽可能提高系统的频率特性及动态品质且无静差，保证带材纵向厚度差在规定的范围内。 （3）带材厚度较大时，采用调压下的方法来控制带材的出口厚度；带材厚度较小时，采用调前后张力的方法来控制带材的出口厚度。众所周知，弹性体受力会发生形变，位于两工作辊之间的带材较薄时，由于在轧制开始时采用了辊缝调零的工艺方法，此时，两工作辊已几乎紧密地接触在一起，由于弹性形变的存在，调辊缝已不能使带材发生形变，而张力的变化可以显著改变轧制力，所以，当带材厚度小到一定程度后，要采用张力AGC轧制带材的出口厚度。 （4）换辊后及开始轧制前要求能实现手动压靠及自动预压靠。预压靠的工艺要求是为消除轧机弹性曲线的非线性段，获得辊缝准确零位而提出的，它是保证带材厚度精度的前提。          可逆冷轧机的厚度控制是一个位置随