轧制过程自动控制系统

宋国忠

（西林钢铁集团检修公司自动化分公司，黑龙江 伊春 153025）

任何动作过程都是一种控制过程。最简单的生产控制环节是由生产过程和人组成的。现以轧机压下位置的控制为例进行说明。依据预期的出口厚度，由人调节压下螺丝将轧辊辊缝移动到比预期的出口厚度小的某一位置后，轧辊轧出来的轧件就接近预期的出口厚度。这里给定的压下位置代表控制量，轧后轧件的厚度代表输出量或称为被控量，经过轧辊的加工作用，轧件厚度变薄，也就是说一定的压下位置就对应着一定的轧出厚度。但在辊缝不变的条件下，如果来料厚度不均、材质不均或轧制状态发生变化，也会使轧机（轧辊挠曲、立柱等受力部件）弹性变形不同，引起辊缝发生变化，因而轧出的轧件厚度也就发生变化。在这一轧制过程中，输出量对轧制量没有赋予任何控制影响作用。这种输出量不会返回影响过程的控制系统称为开环控制系统。

如果在轧机出口安装有测厚仪，当外界干扰引起被控量发生变化时，人根据观察到的实测厚度，与目标值比较，发现已偏离了所要求的目标厚度，就通过压下螺丝去改变控制压下位置，使得轧出的厚度回到所要达到的目标厚度，几次调节把它控制在允许的厚度偏差范围之内。这一过程，人在轧制过程中起到了比较、判断和操作的作用。由此可知，人工操作过程实质上是通过测厚仪发现差异，由人来纠正差异的过程。这里人的眼睛、大脑、手、轧机和测厚仪等便组成了一个人机闭环控制系统。将输出量反馈回来影响输入量的控制系统称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统。如果是用运算控制器代替人自动完成偏差信号调节和控制信号输出，再由电动执行器完成具体调节任务，就成为自动控制系统。

控制系统分类的方法很多，按照变量的控制和信息传递方式不同，可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统等。控制系统一般用框图及信号流线表示，这样控制系统的分析可以从任何具体控制装置中抽象出来。将控制系统的各环节的相互联系和流程用动态结构框图表示，便于比较分析，也便于对系统进行实验模拟。返回实际问题时，只要将各框图内数学模型建立准确，即可仿真某种输入条件下的输出结果。

开环控制系统为直接控制系统，输入量即为控制量，发出控制作用给被控制部分，而被控所示为前馈控制，控制部分依据对输入量的制部分并不将控制结果返回到控制端。如轧制的前馈厚度控制，其方法是检测来料厚度，按固定算法计算辊缝，输出给压下装置进行辊缝设定，但不涉及轧出厚度到底是多少，即没有将输出量反馈到输入端与给定量进行比较。于是开环控制系统的精度便取决于该系统初始模型精度以及系统各部件的精度。

闭环控制系统是借助于测厚仪测出实际的轧出厚度，并转换成相应的电压信号，然后将它与所要求的目标厚度相当的电压信号进行比较，得到与厚度偏差相当的偏差信号。偏差信号经放大器放大，控制可控硅导通角度，调节电动机通电时间，使压下螺丝向上或向下移动，从而使辊缝相应改变，得到所要求的轧件厚度值。只要测厚仪精度足够，调节器、执行器或任何外扰因素影响出口厚度时，都会调节辊缝，自动地使实际轧出厚度保持在允许的厚度偏差范围内。即无论来料干扰还是调节执行机构本身的缘故，一旦有偏差，出口监测装置就会报告出来。故反馈系统广泛地用于自动控制系统之中。

模拟量信号实现控制为模拟自动控制系统。被控对象的输出量能作用到控制部分的输入端，信号的传递形成一个闭合环路的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。输入量与反馈量之差即为偏差量。偏差量加到控制器上，其作用是使系统的偏差减小或消除，使系统的输出量接近于给定值或等于给定值。

然而，检测仪放在轧机后面一定距离,检测信号已经滞后一段时间，只能对后续部分进行控制，所以反馈控制是有滞后作用的。对短时突变，简单反馈控制还可能造成多余调节。但是一般原料条件不会骤然突变，所以控制信号对后续部分也是同样有参考作用的。

把模拟信号数字化，由计算机实现控制，称为数字式控制。是采用计算机进行压下位置调整的数字自动控制系统。计算机周期性地根据压下位置设定值与当时的实际压下位置值进行比较，按照预定的控制算法进行计算，然后通过压下电机的转动去调整压下位置使之保持在设定值上。由于是用计算机直接进行控制运算，所以此种系统称为直接数字控制系统（DDC）。数字式控制系统制算法灵活，精度高，是未来控制系统的主要方式。

根据反馈原理可知，实现轧件厚度或压下位置的控制，基本上要完成3 个步骤：一是对被控量（即实际轧出厚度或压下位置）的正确测量与及时报告；二是将实际测量的被控量与希望保持的给定值进行比较、计算和控制方向的判断；三是根据比较计算的结果，发出执行控制的命令，使被控量恢复到所希望保持的数值上。根据上述原理，便可以概括出闭环自动控制系统的典型结构原理。

在复合控制系统中，控制部分与被控制部分之间同时存在开环控制和闭环控制。采用复合控制系统的目的是使系统既具有开环控制系统的稳定性和前瞻性，又具有闭环控制系统的精度。

实现轧制复合控制，需要测量来料厚度、温度和出口厚度，前两项提供前馈控制的依据，预设辊缝。后者为反馈调整提供参考，确保产品最终精度。这样在来料波动的情况下，也能包括头部在内轧出高精度轧材。