[宝典]武钢CSP厂热连轧机活套控制系统分析

[宝典]武钢CSP厂热连轧机活套控制系统分析 武钢CSP厂热连轧机活套控制系统分析 【摘 要】本文从了解活套的基本功能和结构、分析活套的自动控制、掌握活套的相关参数与计算入手，来对活套控制系统进行剖析。同时，由于对活套自动控制系统的响应速度和稳态精度要求较高，而目前此套设备由于控制功能不够完善，无法满足新品种轧制的需要，如何对其进行技术改造增加新的控制功能，提高响应性能是一个需要解决的问题。正是基于上述问题出发，文章以活套传统PI调节控制为分析对象，提出改进方向。 【关键词】热连轧机 液压活套 活套控制 活套PI控制 1.引言 液压活套控制装置是将液压缸的压力和活套摆臂的实际角度作为自动调节系统的控制对象，这种控制方式兼有电动活套的稳定性和气动活套转动惯量低的优点，而且工作介质具有润滑、冷却的特点，使得其工作寿命也较长，控制非常灵活，响应速度很高，维护和更换部件也较方便，因此在现代热连轧机组中大量采用，同时配合先进的电子数字控制系统，可以实现高速响应和精确控制的完美闭环控制方式。但是，液压活套在控制上比传统的电动活套更加复杂。目前，国内热连轧中的液压活套控制系统多是引进国外的产品，只有少数液压活套系统的液压配置和控制系统调试是自主完成的。国内有关液压活套的资料和数据[1]相对较少，这些因素造成液压活套控制系统的调试工作要比电动活套难度大。 因此，采用液压活套控制方式是现在和今后的发展趋势，研究液压活套的控制方式对熟悉电控液压系统，推广电控液压控制方式具有积极的帮助作用。 2.液压活套的结构及功能描述 恒定活套量和小张力轧制是现代热连轧精轧机组的一个基本特点，在带钢连轧过程中，精轧机组主要[2-3]靠活套吸收因动态速降而产生的套量和由于设定偏差、辊缝变化、温度波动等因素的套量变化量。因此活套装置是带钢热连轧机的重要设备之一，它的工作状况将直接影响到带钢成品质量和生产的正常进行。 2.1 液压活套的结构组成 活套辊通过液压缸作用于带钢。液压缸的底部连接在轧机传动侧机架上，而有杆腔前端连接到传动侧的活套臂，活套臂离轴旋转点有一定的距离。活套绕轴旋转，其旋转角度受到机械运行停止位置的限制。换辊时，为了给侧导板进出留出空间，活套必须抬高到最上面的位置。在最上和最下两个位置都可以借助于安全销机械锁定。最后一个机架不需要活套。 一个在枢轴点的角度传感器和在油路管线上的压力传感器与控制器一起构成一个闭环控制系统，来控制活套、活套辊位置和油缸驱动力。 2.2 液压活套的功能描述 当轧机中有带钢轧制时，由于活套臂上升顶触带钢，使轧机机架之间带钢形成张力套量，带钢的张力由支撑活套臂的液压缸行程来进行控制。 活套的另一作用是作为检测装置，检测套量和张力，作为控制反馈测量值。活套张力控制的目的是为了保持带钢在恒定的微张力下进行轧制。张力控制给轧制中的带钢提供恒定的张力，可以提高板材质量，保证了正常连轧。同时适当的活套张力不仅可以提高轧制稳定性，还可调节前后轧机主电机的功率分配，而且在带钢宽度控制方面也起着重要作用。套量控制在一定的范周内保证了金属秒流量相等，可以从控制系统中避免拉钢、堆钢现象的产生。主传动的调节又使套量回到设定值，为消除下一个扰动性、调节性和[4-8]手动干扰作准备。 活套控制将速度修正值传递给所有前方(上游)的轧机主传动控制。当金属秒流量不同时，两机架间 的带钢长度将会发生改变，因而导致活套的高度以及活套的真实角度发生改变。通过活套控制，这个角度总是保持在设定值的位置。任何高度的改变都会立刻导致所有前方主传动速度的改变。每个活套的高度通过影响前一个机架旋转的速度来控制。一个机架速度的改变值乘以这个机架相关的减少量，并将速度的改[9-13]变值作为偏移量反馈给前一个主传动速度控制的基准值。因此所有相邻的主传动速度修正值伴随着这 些的减少量的变化而变化。同时，机架间的带钢张力保持恒定。 此外，当带钢在轧制的时候必须使活套辊被带钢压住，以产生一个特殊的张力。这个压力发生在力控制过程中，力控制等同于张力控制。为了达到位置和力控制这两个目的，活套控制必须设计为级联形式。[14-17]力控制必须服从位置控制。 3.液压活套的相关参数与控制 活套的控制模型主要涉及套量控制、张力计算和液压力计算。本章主要从活套与带钢之间受力关系分析的角度来推导出相关的数学计算公式。 3.1 活套的套量计算 套量控制主要是获得连轧机架之间恒定的带钢长度。当轧机中没有带钢而活套抬升或上升加速时，活套是没有负荷的，由于没有力的限制，此时活套主要是要克服自重来进行加速(旋转部分的摩擦力可以忽略不计，因为液压缸本身在制造时由于采用特殊的密封设计可以实现摩擦力忽略不计)。 带钢头部被咬入下游机架的同时，上游机架先加速再减速，这样可以使活套套量增加。该斜坡发生器调整为当活套辊与带钢顶触时，预定的套量就建立起来了。 当下游机架咬钢后，活套迅速抬升，一旦活套辊顶触到带钢就会激活力限幅器。此时由限幅器产生的力参考值为实际活套位置的函数，并且还要考虑上述的三种阻力(即两机架间带钢的重量、活套旋转部分的自重和所要求的带钢张力)。 上游机架相关主传动的速度校正值与该机架相应的压下量相乘，作为一个新的校正值送入上游机架的传动控制器中。实现套量与轧机主传动相关联:如果两机架间的套量过高，那么所有上游主传动都降速;反之，如果套量过低，则所有上游主传动都加速。此时需要考虑活套高度与参考值的偏差会影响带钢的长度。 3.2 活套的张力计算 现代热连轧精轧机组的一个基本特点就是:轧制带钢时会建立必要的张力，且在一个微张力状态下工作。为什么要在一个微张力状态下工作呢,因为张力必须保持在一个很小的值，张力过大会使带钢轧制拉窄影响公差质量还会导致断带事故，过小会造成活套系统不稳定，使活套升降动作频繁，也会影响带钢的质量。因此张力控制的主要任务就是保持张力在规定值，既不能过大也不能过小。 影响张力控制的主要因素:带钢轧制过程中存在轧机咬钢和稳定轧制两个状态，其中在咬钢时由于主传动系统存在动态速降，而在稳定轧制时又会因为主电机电流变化、带钢温度变化、设备震动等各种外部干扰，都会影响连轧机组各机架之间的速度匹配关系，使其受到干扰，原来的稳定状态遭到破坏，同样张力控制也会受到干扰。影响张力控制的主要因素按不同情况可以归纳为下面几种: (1) 连轧机组的金属秒流量控制:一般而言，在带钢连续轧制过程中，各机架之间的速度是严格按照金属秒流量相等的关系式来作控制的，即: bhv,bhv,？,bhv (式1) 111222777 式中:h为轧机出口侧带钢厚度; v为轧机出口侧工作辊的线速度; b为带钢的宽度 由于精轧机组中轧制的带钢宽度无变化，故带钢宽度可以忽略，按照金属秒流量体积V不变的情况，可以将方程简化为: V？hv,hv,,hv, (式2) 112277b 在速度和带钢厚度匹配控制中，外在干扰所引起的微小变化会使控制系统重新调节已达到新的平衡，而这种微小变化可以用公式描述出来，称为秒量调节方程: ,,,,,,,v,h,v,h,v,h,V771122,,,,,,？，,，,,，, (式3) ,,,,,,vhvhvhb112277,,,,,, 上述情况是由控制系统自动进行调节并达到一个新的稳定点，但如果出现较大幅度的波动，则需要通过人工手动调节轧机速度来纠正偏差。 一般由二级管理机处理的轧制预计算模型中会根据预先设定的带钢轧制负荷分配情况，计算出各个机架的出口带钢厚度，并根据最终带钢轧制温度来确定末机架的出口侧线速度v，以及前滑系数，并利用金7 属秒流量方程反向推算出各个机架的速度设定值。而此处前滑系数与带钢速度即工作辊线速度之间的关系为: ，，v,v1，fioii 1h，fon得: (式4)式v,，voio71h，fii 中:f为末机架的前滑量; n f为第i个机架的前滑量; i v及v为第i个机架及末机架的工作辊线速度; oio7 由上式可见，金属秒流量方程的主要关联变量为轧机工作辊的线速度(即轧机转速)和前滑量，而轧机转速主要的干扰源有:电机电流波动、轧制力矩变化、轧制力波动等，前滑量同样也受轧制时的速度、轧制力矩及轧制力波动影响。通过深入的研究可以发现，实际上，轧机线速度与前滑量之间是存在一种非线性的耦合关系。上述的这些对张力控制而言都属于扰动性的影响因素。 (2) 轧机的AGC控制(自动厚度控制):现代热连轧机精轧机架都安装有HGC(液压压下厚度自动控制)，轧机的控制功能中都设有HGC轧制或AGC轧制方式。由于一般在HGC轧制方式下，轧机控制只保持设定工作辊辊缝，不进行实时的反馈闭环控制，因此不存在主传动的速度调节，带钢的厚度完全依靠二级管理机的轧制预计算控制模型的精度来保证，因此系统在轧制过程中只受到各种干扰因素的影响。而当使用AGC轧制模式时，轧机控制系统会通过改变压下量和轧制力自动对带钢厚度做出调节，这就必然会对前滑量和张力产生影响，导致系统调整轧机速度来维持新的金属秒流量关系式，使各机架的速度惯性出现不一致，产生动态过程差异，引起活套套量发生变化，进而影响到张力控制。这属于调节性的影响因素。 (3) 主电机传动部分的速度调节:它分为手动方式调节和自动方式调节两个部分，调节方程包括手动微调，操作工手动干预，活套位置闭环控制，AGC对活套量补偿值，以及下游机架发送过来的速度逐移补偿等，因此速度调节量的表达式为(以i机架为例): ,v,,v，,v，,v，,v，,v (式5) iiRiriAGCiLCiS 式中:?v为手动对连轧机组速度进行微调量; iR ?v为手动对单机架速度进行微调量; ir ?v为AGC对速度的补偿量; iAGC ?v为活套位置闭环调节量; iLC ?v为下游机架发送来的速度逐移补偿量 iS 一般会以连轧机组末机架的速度作为基准，调节时采取向上游机架逐移方式进行，这样做的原因是为了保证轧机出口速度与卷取机匹配便于带钢卷取成型，还可以保证带钢终轧温度控制的稳定性。由于这些影响因素是手动调节时产生的，因此可以归为手动调节性的影响因素。 3.3 活套的力矩计算 活套的力矩分析中要介绍一下关于重力补偿的内容。 3.3.1 活套力矩分析 对于热连轧机当精轧机组中安装有活套时，其各机架间的带钢张力主要是靠联结在活套撑臂上的液压油缸的力矩产生的，活套所承受的力矩T会随着活套的动作过程即状态变化而发生变化，活套的力矩计ref 算按带钢轧制过程分为三种: (1) 下游机架咬钢后，活套快速抬起时:T=活套重力矩+加速力矩+偏差值; ref (2) 活套高度控制开始前:T=活套重力矩+偏差值; ref (3) 活套高度控制开始后:T=活套重力矩+偏差值+带钢张力矩+带钢弯曲力矩+带钢重力矩ref 由此可知，力矩的计算方法为: ,,,,,，，，，，，，，T,fA，f，f，fL3456 MS,,,,,,, (式6) ，，，，,,,Rsin，,sin,A，gRcos，gRMcosGL112 4E3，，，WhRsin,,H，RRcos,11213L 式中:σ为带钢的张力; T为活套的负载力矩; L A为带钢与活套辊的接触面积; f(θ)Aσ为带钢张力矩; 3 f(θ)为带钢重力矩; 4 f(θ)为活套重力矩; 5 f(θ)为带钢弯曲力矩; 6 α为前机架到活套辊间带钢与轧制中心线的夹角; β为活套辊到下游机架间带钢与轧制中心线的夹角; M为机架间带钢的重量; S R为活套撑臂框架摆动支点Q至活套重心间的距离; G M为活套的重量; L L为机架间带钢的长度; W为前机架出口侧的带钢厚度; h为前机架出口侧的带钢宽度 带钢张力的计算:带钢张力是通过安装在活套液压缸活塞侧和杆侧的两个压力传感器的检测信号间接 计算出来的。在活套控制系统中液压缸的力矩与活套的力矩相等，即: ,d ,,TTJLRdt ，，T,T,l,Fcos,，,,, (式7) RL2L ,,，，,l，lcos,,112,其中 ,tan，，H,lsin,,,22 式中T为活套液压缸产生的力矩; R J为活套的惯量; ω为活套的角速度 如果不考虑偏差值，则由上述可得张力的计算方法: ,,,,,，，，，，，,，，TfffL456 (式8) ,,，，f,A3 3.3.2 活套的重力补偿分析 活套自重对角度存在影响，因此在每次进行活套辊的更换后，必须对活套自重进行标定，重新测定活 套辊的重力补偿。在带钢的轧制过程中，一般活套的设定转矩为: ，，M,M，M，MF，K (式 9) EBZrr 式中:M为设定转矩; M为活套撑臂框架自重力矩; E M为带钢重力矩; B M为带钢张力矩; Z F为摩擦系数; r K为平衡摩擦部分的力矩(空载力矩) r Looper Weight Compensation (活套辊重力补偿)活套辊的重力补偿一般是把测量的数据值通过一 个解析函数来近似成控制系统的补偿量) 活套辊重力补偿方法采取由下面的函数根据活套旋转角度来解析活套重力转矩:，，M,lw (式 10) ，，，，M,,m，mcos,，,LW01s 这个非线性的三角函数由三个参数m，m，,确定。参数可以从一个合适的解析函数测量(实验)数据01S 的最小二乘方计算得出。通常油缸驱动力的计算来自油缸压力的测量并且活套的位置角度,是有效的。确定油缸驱动力有效作用活套臂的重力转矩必须计算附加参数，这视位置而定。 如果将活套视为一个纯粹的旋转体，参数m和,将取决于活套的质量和重心位置。根据这个假设参数1S m1由下面的方程式表示。 (式 11) m,mgI1LBS l表示从活套根部支撑点(B点)到重心(S点)的距离，m表示活套的质量，g是重力(引力)常数。BSL 如果活套位置,等于零(即活套臂与活套辊的中心线为水平)则参数,定义了从B到S的角度位置矢量。S 值得注意的是在实际情况中，只有参数m1能被确定，活套质量参数m和距离参数l都不能确定，还包LBS括一般的干扰值，例如油缸压力传感器的补偿量也不能确定;因此，转矩补偿参数m提高了重力扭矩函数0的实验数据分析。 另外一个原因是从一个纯余弦函数得到的活套重力扭矩偏差，会受到油缸活塞杆重量的影响。由于油缸活塞杆与活套主体的相对位置取决于活套位置，并不遵循一个简单的正弦或余弦关系的影响，但是将与扭矩补偿参数近似。 附加的数字序列通过一个EXCEL电子表格对合适的解析函数测量(实验)数据的最小二乘方的计算，证明了活套滞后测试的分析。 Influence of cooling water (冷却水的影响)。活套辊中的冷却水能影响重力扭矩功能的测量，在这种情况下，冷却水对重力的影响将通过函数Mcw(,)来描述。 (式 12) ，，，，M,,mgIcos,CWCW m表示活套辊里面冷却水质(重)量的估计值，I是活套主支撑臂的长度(即从B点到活套辊中心线Dcw 点的距离)，g表示重力(引力)常数。 被活套辊冷却水质(重)量估计值影响的活套重力转矩Ml可以被定义为: w1 ，， (式 13) M,,M,MLW1LWCW 根据方程式右边两个参数之间的运算符号可以得出是加入冷却水的参数(+号)还是从实测数据中消除冷却水的影响(,号)，解析表达式类似上面介绍的函数 ，，，，M,,m，mcos,，, (式 14) LW1011S1 补偿参数m保持不变，参数m和,分别被m和,取代，并按照下式计算: 01S111S 22(式 15) ，，，，，，，，,,m,mcos,,mgI，msin,SCWS1111 mcos,,mgI，，1SCW，，cos, (式 16) ,1Sm11 msin,，，1S，，,sin (式 17) ,1Sm11 ，，，，，，,,atan2sin,,cos, (式 18) S1S1S1 图1 活套运动学结构 4.小结 液压活套的控制系统是一个输入变量为位置、压力，输出变量为角度和张力的双入双出多变量系统，角度和张力之间存在着较强的耦合，相互之间的牵连关系十分明显，极大的增加了液压活套系统控制的难度，特别是在轧制薄带钢时由于板坯存在温差分布以及有夹杂或气泡等缺陷，若用传统的PI控制模式，存在调节时间过长，系统超调量大等缺点，使得活套上下大幅摆动，严重的影响了带钢产品头部的宽度和厚度尺寸精度及板型质量。又由于传统的活套控制是通过人为对其进行强制解耦，将其视为两个单变量系统分开独立控制，忽略角度和张力之间的耦合，且活套的套量控制并不由活套装置本身来完成，因此张力与角度控制性能会有所变差。因此需要采用一种可以将活套的张力和套量控制闭环，且将张力和套量进行结耦，使得在生产轧制过程中在保持活套套量不变的情况下只对活套张力进行调节的控制方式才能解决这些问题，这也是我们下一步需要进行技术攻关的方向。 参考文献 [1] 童朝南、武延坤、刘磊明～等～液压活套多变量系统的建模及积分变结构控制,J,～自动化学报～2008～34,10,:1305。 [2] 马 净、宁 伟、刘春庆～等～莱钢宽带热连轧活套控制技术的设计与应用,J,～国外电子测量技术～2006～25,4,:70-72。 [3] 何 斌、李 斌、郭 勇～等～1750mm热轧精轧活套控制高度技术研究,J,～新疆钢铁～2009～110,2,:1-2。 [4] 孙 平～珠钢CSP热连轧机张力控制系统分析,J,～冶金丛刊～2000～3:7-11。 [5] 傅 剑、杨卫东、刘 彤～等～活套张力矩实时计算的多项式逼近算法,J,～控制过程～2004～11,3,:226。 [6] 吕长宝～热连轧活套张力异常的分析与解决,J,～轧钢～2009～26,2,:48-50。 [7] 林 刚、许 劼～武钢三热轧1580热连轧机活套控制系统研究及应用,J,～轧钢～2009～33,4,:30-32。 [8] 高 阳、陈 凤～包钢CSP生产线中的液压活套自动控制,J,～包钢科技～2001～27,4,:45-47。 [9] 孙晶新、黄维学～带钢轧制过程中活套的控制,J,～一重技术～2005～106,4,:1-2。 [10] 赖新涛～带钢轧制中活套的控制,J,～江西冶金～2003～23,2,:12。 [11] 曾昭胜～两种类型活套的张力控制模型,J,～轧钢～2005～22,5,:45-46。 [12] 贾大朋、张殿华、丁 桦～热连轧过程中活套辊与带钢“软接触”定位控制,J,～轧钢～2005～22,3,:45-46。 [13] 高 海、王 京、童朝南～热连轧活套智能化闭环控制,J,～北京科技大学学报～1999～21,5,:505。 [14] 刘 玠、孙一康～带钢热连轧计算机控制,M,～北京:机械工业出版社～1997。 [15] 彭开香、董 洁、童朝南～带钢热连轧机活套的综合控制研究,J,～冶金设备～2005～150,2,:11-12。 [16] 邹 俊、傅 新、杨华勇～精轧活套控制系统研究,J,～浙江大学学报,工学版,～2007～41,12,:2052。 [17] 杨 广、史延红、王宇生～热连轧机中的活套控制,J,～一重技术～2001～88,2,:63-64。 [18] Dr. M. 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