低温卷取钢坯头部和尾部跟踪智能控制技术的研究

张 剑，刘惠康，王 灿

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

助卷辊控制的关键为轧件的头部和尾部的跟踪，特别是头部的跟踪。为保证轧件头尾的卷取质量，并且带钢卷取温度仅有200～300℃，因此需要对助卷辊液压系统的压力控制和助卷辊驱动电机的力矩进行重新优化。

热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能指标的重要工艺参数之一。影响卷取温度的因素多而且复杂，采用传统的温度预报模型难以达到较高的温度要求。文中提出了智能控制方案并用Matlab进行了模拟仿真，仿真结果表明此方法可使最终卷取温度精度控制在5C之内。

1 热轧系统的组成

在热连轧带钢生产中，卷取区域的主要任务是把从精轧机出来的带钢卷成钢卷，然后再运送到下一个工序。卷取机能否正常工作以及卷取效果的好坏直接影响到产品的产量和质量。卷取区的主要设备包括经扎输出辊道、层流冷却装置、卷取机开关板、升降导板、上下夹送辊、助卷辊和主卷筒等；此外，还配置有辅助的卸卷小车、运输链等设备。主要设备构成如图1所示。一般在带钢进入卷取区之前，控制系统需要根据精轧出口带钢的厚度、宽度及长度，事先设定入口侧导板、转向辊、助卷辊的开口度、卷筒的卷取力矩和电流，以及卷筒、转向辊、助卷辊的速度超前率和张力等参数。当带钢出最后一架轧机经层流冷却辊道进人人口侧导板并开始卷取时，入口侧导板通过位置、压力传感器对带钢进行控制，然后进入转向辊。带钢在转向辊的作用下沿挡板和斜溜板进人助卷辊和卷筒轴设定的缝隙，通过1#～3#助卷辊与弧形导板卷绕在卷筒上，在卷绕有效圈数后，转向辊与带钢同步，助卷辊逐一全部打开，卷筒与精轧机之间建立稳定张力。当带钢尾部离开精轧末机架后，助卷辊再次接触带钢表面并自动转为力矩控制，转向辊与卷筒之间建立张力。卷取结束后，卸卷车托辊与卷筒同时制动并且压住带钢尾部，卷筒反转收缩，成品钢卷由卸卷小车送打捆机打捆，最后由翻钢机送到运输链完成整个卷取过程[1]。

2 钢坯的头部跟踪、尾部跟踪

卷取时，在建立正常卷取张力以前，为保证卷取质量，助卷辊将压紧在带钢表面。这样，从轧件在卷取机卷筒上绕第2圈起，带钢头部再次通过助卷辊时，就将对助卷辊造成冲击。卷筒和带钢受反力作用，同时也受到相应冲击。由于带钢头部温度较低、硬度较高，这种冲击往往造成钢卷内表面的损伤及设备的损坏，钢卷头几圈的质量也将下降。因此，现代先进的热轧卷取机都设计了助卷辊自动踏步控制系统：在带钢头部到达某助卷辊时，助卷辊抬起；头部通过后助卷辊再压靠到钢卷表面，抬起和压靠动作由伺服阀驱动液压缸完成，其目的是使助卷辊避让轧件头部。助卷辊的另一作用是在前几圈的卷取过程中辅助建立轧件的恒张力运行环境，以避免钢卷内层发生错层，影响钢卷质量。该系统的作用包括：1）防止带头冲击助卷辊；2）防止带钢内表面产生压痕；3）采用恒张力卷取，保证带钢头几圈的卷取质量；4）降低卷取时的噪音[2]。

图1 热轧卷取区域设备构成Fig.1 Coiling of regional equipmen

利用TDC CPU模块以完成带钢的头部和尾部位置的准确跟踪，以启动夹送辊速度和位置控制、卷筒的速度控制以及助卷辊的速度、位置/压力控制。头部跟踪功能依据数学模型进行带钢头部角位置的计算，用于自动跳步控制的跳步定时和压力控制定时。

卷取区跟踪过程中，当实际轧件的位置和计算机跟踪的轧件位置产生偏差时，操作人员可以通过HMI终端（PC机）加以校正，这就是跟踪修正。

3 卷取温度控制与动态卷矩补偿

带钢终轧温度（精轧机最后一架带钢出口温度）直接影响到带钢板卷的质量，过低的终扎温度会影响带钢的金相组织和机械性能；过高的终扎温度会影响带钢表面质量。带钢在进入地下卷取机进行塑性卷取前，需要迅速冷却到合适的卷取温度（200～300℃），所以在精轧机组与地下卷取机之间需设置层流冷却装置，控制该装置冷却水喷头的开关调节冷却水量，从而控制卷取温度[3]。

力矩补偿包括转动惯量补偿和钢带的卷取应力补偿，影响力矩补偿有多个参量如钢种、卷径、卷取温度、带宽、带厚、卷取速度等。本文主要考虑温度对转矩的影响。例如：长时间停轧后重新生产时，由于受环境温度的影响，空气和冷却水的温度迅速下降，虽然随着轧制的进行，二者温度有回升，但开轧后的第一卷带钢的头部仍不可避免地沉浸在相对较低的温度中，此时需要重新设置力矩。

3.1 卷径的计算

3.2 力矩补偿

卷取过程中的板材线速度给定V为一常数。现尚需分析卷取过程中给定温度的突然变化（即存在）的情况。此时，卷取电动机需要额外付出一部分转矩，对这一动态转矩必须进行补偿[4]。

3.3 智能控制方案和Matlab模拟仿真

根据卷取温度控制系统的特点，采用二维模糊控制器。模糊控制器的输入信号为卷取温度的偏差e和偏差变化率e˙，输出u为控制电机电压的增量，这样就形成了模糊控制的基本结构。在张力系统中应用了温度补偿，为张力系统的精确控制，卷取系统的平稳卷取提供了保障，如图2所示。

该系统的偏差的实际变化范围为 [200，300]，e的模糊论域为：E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6}， e˙的模糊论域为：EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6}，u 的模糊论域为：U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6，7}。 在论域 E上定义8个模糊子集分别对应8个语言变量：PB（正大），PM（正中），PS（正小），PO（正零），NO（负零），NS（负小），NM（负中），NB（负大）。在论域EC和U上定义7个模糊子集分别对应 7 个语言变量：PB（正大），PM（正中），PS（正小），O（零），NS（负小），NM（负中），NB（负大）。

经过试验，总结出e，e˙和u的模糊集的隶属度和模糊控制规则表[5]。用以上的模糊控制器对卷取系统温度进行实时控制，由Matlab模拟仿真，可得出图3的效果图。由图可知，采用温度补偿后，卷取过程中带钢的速度（曲线2）没有明显的波动，精度大大提高[6]。

图2 温度补偿在张力控制中的应用Fig.2 Temperature compensation in the tension control

图3 带钢速度和响应时间的关系Fig.3 Strip speed and response time

4 结束语

卷取张力控制系统的智能化改造，既解决了松圈、拉窄问题，又使带钢张力无大的波动，从而保证了卷形，使钢卷的合格品率大幅度提高。而且此智能控制系统可以适应相应的环境变化，对不确定的复杂过程进行描述，消除非线性因素对过程控制的影响，从而大大提高了带钢的质量。仿真结果表明，算法能达到高精度的要求，具有很好的在线应用前景。

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