低溫卷取鋼坯頭部和尾部跟蹤智能控制技術的研究

張 劍，劉惠康，王 燦

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

助卷輥控制的關鍵為軋件的頭部和尾部的跟蹤，特別是頭部的跟蹤。為保證軋件頭尾的卷取質量，并且帶鋼卷取溫度僅有200～300℃，因此需要對助卷輥液壓系統的壓力控制和助卷輥驅動電機的力矩進行重新優化。

熱軋帶鋼卷取溫度是影響成品帶鋼性能指標的重要工藝參數之一。影響卷取溫度的因素多而且復雜，采用傳統的溫度預報模型難以達到較高的溫度要求。文中提出了智能控制方案并用Matlab進行了模擬仿真，仿真結果表明此方法可使最終卷取溫度精度控制在5C之內。

1 熱軋系統的組成

在熱連軋帶鋼生產中，卷取區域的主要任務是把從精軋機出來的帶鋼卷成鋼卷，然后再運送到下一個工序。卷取機能否正常工作以及卷取效果的好壞直接影響到產品的產量和質量。卷取區的主要設備包括經扎輸出輥道、層流冷卻裝置、卷取機開關板、升降導板、上下夾送輥、助卷輥和主卷筒等；此外，還配置有輔助的卸卷小車、運輸鏈等設備。主要設備構成如圖1所示。一般在帶鋼進入卷取區之前，控制系統需要根據精軋出口帶鋼的厚度、寬度及長度，事先設定入口側導板、轉向輥、助卷輥的開口度、卷筒的卷取力矩和電流，以及卷筒、轉向輥、助卷輥的速度超前率和張力等參數。當帶鋼出最后一架軋機經層流冷卻輥道進人人口側導板并開始卷取時，入口側導板通過位置、壓力傳感器對帶鋼進行控制，然后進入轉向輥。帶鋼在轉向輥的作用下沿擋板和斜溜板進人助卷輥和卷筒軸設定的縫隙，通過1#～3#助卷輥與弧形導板卷繞在卷筒上，在卷繞有效圈數后，轉向輥與帶鋼同步，助卷輥逐一全部打開，卷筒與精軋機之間建立穩定張力。當帶鋼尾部離開精軋末機架后，助卷輥再次接觸帶鋼表面并自動轉為力矩控制，轉向輥與卷筒之間建立張力。卷取結束后，卸卷車托輥與卷筒同時制動并且壓住帶鋼尾部，卷筒反轉收縮，成品鋼卷由卸卷小車送打捆機打捆，最后由翻鋼機送到運輸鏈完成整個卷取過程[1]。

2 鋼坯的頭部跟蹤、尾部跟蹤

卷取時，在建立正常卷取張力以前，為保證卷取質量，助卷輥將壓緊在帶鋼表面。這樣，從軋件在卷取機卷筒上繞第2圈起，帶鋼頭部再次通過助卷輥時，就將對助卷輥造成沖擊。卷筒和帶鋼受反力作用，同時也受到相應沖擊。由于帶鋼頭部溫度較低、硬度較高，這種沖擊往往造成鋼卷內表面的損傷及設備的損壞，鋼卷頭幾圈的質量也將下降。因此，現代先進的熱軋卷取機都設計了助卷輥自動踏步控制系統：在帶鋼頭部到達某助卷輥時，助卷輥抬起；頭部通過后助卷輥再壓靠到鋼卷表面，抬起和壓靠動作由伺服閥驅動液壓缸完成，其目的是使助卷輥避讓軋件頭部。助卷輥的另一作用是在前幾圈的卷取過程中輔助建立軋件的恒張力運行環境，以避免鋼卷內層發生錯層，影響鋼卷質量。該系統的作用包括：1）防止帶頭沖擊助卷輥；2）防止帶鋼內表面產生壓痕；3）采用恒張力卷取，保證帶鋼頭幾圈的卷取質量；4）降低卷取時的噪音[2]。

圖1 熱軋卷取區域設備構成Fig.1 Coiling of regional equipmen

利用TDC CPU模塊以完成帶鋼的頭部和尾部位置的準確跟蹤，以啟動夾送輥速度和位置控制、卷筒的速度控制以及助卷輥的速度、位置/壓力控制。頭部跟蹤功能依據數學模型進行帶鋼頭部角位置的計算，用于自動跳步控制的跳步定時和壓力控制定時。

卷取區跟蹤過程中，當實際軋件的位置和計算機跟蹤的軋件位置產生偏差時，操作人員可以通過HMI終端（PC機）加以校正，這就是跟蹤修正。

3 卷取溫度控制與動態卷矩補償

帶鋼終軋溫度（精軋機最后一架帶鋼出口溫度）直接影響到帶鋼板卷的質量，過低的終扎溫度會影響帶鋼的金相組織和機械性能；過高的終扎溫度會影響帶鋼表面質量。帶鋼在進入地下卷取機進行塑性卷取前，需要迅速冷卻到合適的卷取溫度（200～300℃），所以在精軋機組與地下卷取機之間需設置層流冷卻裝置，控制該裝置冷卻水噴頭的開關調節冷卻水量，從而控制卷取溫度[3]。

力矩補償包括轉動慣量補償和鋼帶的卷取應力補償，影響力矩補償有多個參量如鋼種、卷徑、卷取溫度、帶寬、帶厚、卷取速度等。本文主要考慮溫度對轉矩的影響。例如：長時間停軋后重新生產時，由于受環境溫度的影響，空氣和冷卻水的溫度迅速下降，雖然隨著軋制的進行，二者溫度有回升，但開軋后的第一卷帶鋼的頭部仍不可避免地沉浸在相對較低的溫度中，此時需要重新設置力矩。

3.1 卷徑的計算

3.2 力矩補償

卷取過程中的板材線速度給定V為一常數?，F尚需分析卷取過程中給定溫度的突然變化（即存在）的情況。此時，卷取電動機需要額外付出一部分轉矩，對這一動態轉矩必須進行補償[4]。

3.3 智能控制方案和Matlab模擬仿真

根據卷取溫度控制系統的特點，采用二維模糊控制器。模糊控制器的輸入信號為卷取溫度的偏差e和偏差變化率e˙，輸出u為控制電機電壓的增量，這樣就形成了模糊控制的基本結構。在張力系統中應用了溫度補償，為張力系統的精確控制，卷取系統的平穩卷取提供了保障，如圖2所示。

該系統的偏差的實際變化范圍為 [200，300]，e的模糊論域為：E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6}， e˙的模糊論域為：EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6}，u 的模糊論域為：U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6，7}。 在論域 E上定義8個模糊子集分別對應8個語言變量：PB（正大），PM（正中），PS（正?。?，PO（正零），NO（負零），NS（負?。琋M（負中），NB（負大）。在論域EC和U上定義7個模糊子集分別對應 7 個語言變量：PB（正大），PM（正中），PS（正小），O（零），NS（負?。琋M（負中），NB（負大）。

經過試驗，總結出e，e˙和u的模糊集的隸屬度和模糊控制規則表[5]。用以上的模糊控制器對卷取系統溫度進行實時控制，由Matlab模擬仿真，可得出圖3的效果圖。由圖可知，采用溫度補償后，卷取過程中帶鋼的速度（曲線2）沒有明顯的波動，精度大大提高[6]。

圖2 溫度補償在張力控制中的應用Fig.2 Temperature compensation in the tension control

圖3 帶鋼速度和響應時間的關系Fig.3 Strip speed and response time

4 結束語

卷取張力控制系統的智能化改造，既解決了松圈、拉窄問題，又使帶鋼張力無大的波動，從而保證了卷形，使鋼卷的合格品率大幅度提高。而且此智能控制系統可以適應相應的環境變化，對不確定的復雜過程進行描述，消除非線性因素對過程控制的影響，從而大大提高了帶鋼的質量。仿真結果表明，算法能達到高精度的要求，具有很好的在線應用前景。

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