冷带轧机板厚自动控制系统

王益群，杨 阳，陈 刚

(燕山大学机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

1 前言

在钢铁生产中，板带比(板带产品占钢铁总产量的比重)是表征国家钢铁生产水平的重要指标。我国当前的板带比约为50%左右，发达国家达60%～70%甚至更高。板厚精度是板带产品最重要的质量指标之一，是规范产品质量、提高市场竞争力的标识。在国内外激烈的技术市场竞争中，厚控技术有了长足的发展，国产技术已经有了突破性进步，燕山大学机电液综合控制科研团队完成的1450 mm四/六辊五机架冷连轧机液压厚度自动控制(液压AGC)系统，纵向相对板厚差达1%，绝对板厚差达±3 μm，轧制速度达21 m/s。随着国民经济高速发展，对冷轧薄板高端产品的质量与产量要求越来越高，故研发控制精度更高、速度更快、可靠性更强的板厚AGC系统，仍有不少理论与技术问题需要不断努力探索，以满足生产需要。

2 板厚控制发展历程

板带轧机板厚控制的发展历程是随着工业生产对板带尺寸精度要求越来越高的市场推动下发展起来的。从当初的手动压下、电动压下到现在的电液伺服压下，从原来的计算机集中控制到现在分布式计算机网络控制，板厚控制系统大体经过下述几个阶段。

(1)人工操作阶段。在20世纪30年代以前，轧机装机水平较低，板厚控制是以手动压下或简单的电动压下来移动辊缝控制板厚，轧制过程的实时调节依靠操作者的经验完成。

(2)常规模拟式调节的自动控制阶段。20世纪30年代到60年代，随着经典控制理论建立和技术进步(PID控制技术在工业中应用)，轧机板厚控制迈入常规模拟式调节的自动控制阶段。

(3)液压压下计算机集中控制阶段。20世纪60年代后期，在冷带轧机的控制上逐步过渡到计算机设定并进行数字过程控制阶段。从70年代起液压压下逐步取代了电动压下，使板厚控制技术取得重大进步，因液压压下的响应速度远大于电动压下。液压技术和计算机技术的结合，使厚控产品质量和产量得以大幅提升。

(4)计算机网络智能控制阶段。从20世纪90年代至今，板厚自动控制技术依靠计算机技术、测量控制技术、网络通讯技术、图形显示技术和智能控制理论的发展以及高可靠性集散控制系统、现场总线技术和智能仪表应运而生，使板带轧机厚控技术进一步迈向计算机网络智能控制阶段。

3 板厚控制的功能结构和工作原理

轧制设备属单件生产的一类产品，不同产品种类、规格、批量的要求，与之对应的厚控系统的复杂程度有很大差别，以高速、高精度冷连轧机板厚控制系统为例，阐述其基本构成与控制原理。

3.1 功能结构

板厚AGC网络系统按其功能可以分为生产管理级(计划管理、原料库管理、成品库管理、磨辊管理等)、过程控制级(物流跟踪、轧制规范、数学模型设定、运行控制、质量控制等)、基础自动化级(逻辑控制、设备控制等)。板厚AGC的过程控制级和基础自动化级是指AGC以质量控制为主的过程控制级和其基础自动化级，同时AGC系统需要传动系统作为液压AGC的控制平台相配合。

AGC过程控制级又分过程优化级(上位机)和过程控制级(下位机)。AGC上位机负责完成轧制工艺过程的计算机设定计算(来料规格:材质、厚度、宽度、卷重等;成品规格:轧制速度、辊缝、张力、轧制力、弯辊力等相关力能参数)和人机界面、过程跟踪、轧制过程状态显示、产品统计报表等，具有数据库功能。AGC下位机根据其上位机给出的设定值和自动化仪表检测到的实时状态参数，实现高精度多变量闭环控制和对原料质量误差、轧制设备及控制系统本身各种误差的扰动补偿控制。AGC的基础自动化级主要是高速响应的液压伺服系统，藉以实现液压压下、弯辊等高精度控制。

作为AGC控制平台的传动系统亦有其相应的过程控制级(上位机、下位机)、基础自动化级，传动系统的过程控制级控制主传动系统的控制品质和静张控制系统的可靠性与稳定性、根据轧制工艺设定相关工艺过程实施逻辑控制。传动系统的基础自动化级根据过程控制级传来的指令完成上卷、活套充放、对中、送料、剪切、卷取、卸卷、润滑等主传动与辅助传动控制。AGC过程控制的上、下位机间与传动系统的上、下位机间以及相应的基础自动化级间的级间通讯，应根据对数据传输速率的要求不同，选择相应的网络传输系统。

鉴于产品质量定位和投资限制的不同，轧机厚控装机水平相差很大，但高速冷连轧技术始终是该领域的制高点。液压AGC系统是其核心技术，其基本点是控制生产的高精度、高速度和高可靠性。

3.2 工作原理

板厚控制原理指完成板厚质量控制的主要工作方式，板厚控制的基本点是检测到输出板厚，再根据输出板厚与设定板厚之差求得调节偏差，通过闭环控制实现板厚质量控制。根据板厚检测方法的不同，主要有以下三种:

(1)直接测厚AGC(h-AGC)。采用高精度测厚仪检测轧机出口板厚，反馈调节，实施板厚闭环控制。该方式简单可靠，但存在出口测厚仪检测滞后，控制精度受制约。

(2)厚度计式AGC(GM-AGC)。利用轧机弹跳方程，计算出轧机辊缝的实际值，在忽略轧件弹性恢复的条件下，认为辊缝值即为实时输出板厚，将轧机看作测量板厚的厚度计，以此为准求得调节量，实施闭环控制。该方法消除了测厚仪检测滞后，并且可根据轧制工艺的不同(轧制或平整)要求，通过对轧制力补偿量的调节实现变刚度控制，但此方法依靠的是弹跳方程计算，精度差，故控制精度难有较大提高。

(3)流量AGC。根据带钢在轧制变形区和连轧过程中皆遵循连续介质秒流量相等的准则，若能精确测出任一时刻轧机入口和出口的带材厚度和速度，就可精确算出轧机辊缝处的辊缝值，以此为准实施闭环控制。这种以精确检测为基础的控制方法可以有效提高板厚控制精度，但该方法受检测水平的制约，随着激光测速技术的日渐成熟，流量AGC日益推广开来。

为求得厚控的高精度，通常采用复合控制方式。即采用以厚度计AGC或流量AGC为内环、以测厚仪外环监控，再辅之以各种干扰量(来料质量误差、轧制设备和控制系统状态变化造成的偏差)的补偿控制构成复合控制策略。

4 板厚自动控制系统

4.1 复杂的机电液综合控制大系统

轧机板厚控制是典型的机电液综合控制大系统，其理论基础是轧制理论、控制论、液压伺服理论、自动化、计算机及网络技术、智能仪表等多个学科的融合，有众多子系统同时作用在同一受载体(轧制带材)上，控制系统的不确定性、时滞性影响较大，其中任一子系统不能正常工作，都会导致整个系统不能和谐有序的进行，甚至故障停车。

4.2 控制要求高

(1)高速控制。为达到系统高速控制，计算机CPU的控制周期要求为1～10 ms之内。

(2)高速通信。控制强耦合的多个子系统，需要相互传递互补信息，数据更新速度要求为1～2 ms之内。

(3)带钢纵向相对厚差可达1%以内，绝对厚差可达1 ～3 μm。

(4)稳定轧制速度可达20 m/min以上，甚至高达40 m/min以上。

5 板厚控制研究的热点问题

为推进厚控AGC高精度控制、高速度轧制、高可靠性生产，可从相关学科的技术创新成果中加以推进。在前述板厚复合控制系统中，当前集中于下述几个方面进行探索。

5.1 智能控制策略的应用

在控制论已发展到智能控制阶段的今天，在大量生产设备上仍然采用PID经典控制方法，主要是它的简单、稳定、可靠，但适应性差，这为把智能控制技术应用到板厚自动控制中提供了空间，如模糊控制、神经网络控制、遗传控制、多变量鲁棒控制、预测控制等众多算法，当前主要探索其实时性与可靠性得以保证。

5.2 干扰量的扰动补偿控制

干扰量主要来自于来料的质量误差，如厚度不均、硬度不均等和轧制设备及控制系统状态变化，如辊系偏心、设备摩擦、磨损、温度变化、润滑状态、轧辊轴承状态等，探索相应的扰动补偿控制可增强厚控的有效性。

5.3 高精度虚拟轧制系统的研发

由于冷轧工艺的复杂性及在线实验的高成本，研发高精度可实用的虚拟系统作为研发平台就成为研发新控制策略和试验轧制新工艺的重要手段。

虚拟仿真的关键技术是构建设备级精确模型，建立轧制设备级模型有两种方法，其一是建立轧制设备的机理模型，即根据物理系统相关学科的数理方程建立数学模型，进而建立仿真系统的机理仿真模型，这种方法具有普适性，可以直接预测物理参数对输出的影响，但模型精度难于做高。其二是辨识模型，即根据现有设备的实测输入、输出参数序列，应用辨识理论，辨识出轧制设备的辨识模型，这种模型精度高，但无普适性，不能直接预测物理系统某一物理参数对输出的影响。

利用虚拟轧制系统可大大提高新设备、新工艺的研发效率和节省开发成本。

6 结束语

(1)随着网络技术的发展，板厚AGC系统必然借助网络技术不断扩展、充实其智能控制的内容，从有限通讯向无线化过渡，进一步提高网速，实现异地远程故障诊断、调试和维护。

(2)控制系统是为实施工艺过程服务的。随着新的轧制工艺出现，为适应各具特色的轧制工艺需要，板厚AGC系统将会有进一步发展。例如怎样适应用钢水直接轧制板带的新工艺问题。

(3)当前的液压AGC普遍采用液压阀控系统。该系统虽然响应快，精度高，但它效率低，环保性差。研制高效率，低噪声，无泄漏的液压AGC将是其发展的一个方向。

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