平整機軋制力特性控制技術的改進

賀文健，丁文紅

（中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223）

1 引言

通過對某廠單機架平整機組液壓壓下控制系統的測試和分析，得到單機架平整機常規配置的液壓壓下伺服系統在軋制力控制精度和穩定性方面的性能指標。隨著社會的進步，為了滿足市場和客戶對高精度冷軋板帶材的日益增長需求，我公司針對性地開發了雙伺服并聯控制等系列高精度軋制力控制技術。

2 平整機的控制模式

眾所周知，冷軋平整機能有效改善帶鋼的組織結構、消除帶鋼退火后的屈服平臺以及改善帶鋼的平直度和表面質量。針對產品性能和來料狀態的不同，我們在平整機AGC 控制系統設計時通常具備三種控制模式：模式1為恒延伸率、張力調節控制模式；模式2為恒延伸率、軋制力調節控制模式；模式3為恒軋制力、張力調節控制模式。冷軋產品通常采用恒延伸率控制方式，再根據厚薄不同、材質不同、對軋制力和張力的不同敏感程度，選擇采用模式1或模式2 進行控制；而對于平直度和表面質量要求比較高的產品，通常選擇模式3 來進行控制。

隨著目前市場對冷軋板帶性能要求的不斷提高，尤其是高強鋼和極薄板需求量的增加，對平整機軋制力控制特性提出了更高的要求，也就是說，在滿足常規平整軋制力穩定控制的同時，也要滿足極限軋制力尤其是小軋制力性能控制的要求。

3 常規平整機液壓壓下控制系統的組成

常規平整機液壓壓下控制系統的組成如圖1 所示，主要組成元件包括壓下缸1、測壓傳感器2、供油管道3、伺服閥4、蓄能器5、背壓比例閥6 和安全閥7。

圖1 平整機液壓壓下系統控制閥臺簡圖

為了滿足常規產品的性能要求，一般在設計中對主要液壓元器件也提出了基本要求，包括：壓下缸1 采用低摩擦伺服缸，固有頻率不低于50Hz；測壓傳感器2 采用鋼廠軋機專用的HDA3800 系列；伺服閥4 采用的是D661 系列高頻響伺服閥；伺服閥入口配置蓄能器5，提高壓下缸補油速率；而連接伺服閥和壓下缸之間的供油管道3 也盡量采用硬管直接連接，減少由于管路帶來的系統頻寬損耗。

4 平整機液壓壓下控制系統性能測試及分析

為了更好地測試軋制力控制的穩定性和控制精度，需要在液壓壓下控制系統作用下完成相應測試，初步擬定該測試分為不帶載靜態壓靠和動態掃頻測試。通過不帶負載靜態壓靠，逐級降低軋制力的設定值（具體壓力梯度可根據軋制工藝確定），保證帶鋼在95%長度上延伸率偏差值在允許范圍內，假定系統壓力振蕩不超過到給定值的20%，從而找出軋制力穩定控制的最小值。要得到系統的頻率響應特性則需要對系統進行掃頻測試。掃頻測試是依次用不同頻率ωj的正弦信號激勵被測系統的同時測出激勵和系統的穩態輸出的幅值X0j、Y0j及相位差φj。根據線性定常系統的頻率保持性，系統在正弦信號X（t）=X0sinωt的激勵下，所產生的穩態輸出也應是正弦信號。此時輸入與輸出雖為同頻率的正弦信號，但兩者的幅值并不一樣。其幅值比A=Y0/X0是頻率ω的函數，相位差φ 也是頻率ω的函數。

考慮到現場的設備安全性和測試材料的成材率要求，只能在實際生產中某些特定的生產工況下完成相應測試，因此，所謂的最小穩定軋制力和響應頻率也只是針對某些具體工況下的測試值。

在最小穩定軋制力測試中，通過現場對23 組鋼卷軋制過程PDA 參數中軋制力給定值和反饋值的對比分析，可以找出鋼卷在平整軋制過程中能夠穩定控制的相對最小軋制力約為（6～7）×105N。該鋼卷的軋制力給定與反饋見圖2。

圖2 鋼卷軋制力控制

在軋制力響應頻率的測試中，現場由于無法對軋制力添加外部激勵測試信號，因此只能采用系統辨識的方法對軋制力閉環頻率特性進行分析。根據經驗，現場預估多種模型，通過選取實際平整過程中多個有典型軋制力波動的代表數據，在相同輸入的前提下對模型仿真輸出和實際輸出進行多組數據對比，同時，利用MATLAB 辨識工具箱進行模型辨識，確定模型階次，從估計出的模型結構中選取適合該平整機實際且具有合適精度的結構。

平整機軋制過程包括牌坊、輥系、壓下缸、帶鋼、軋制力、彎輥力、摩擦力等，是一個復雜的分布質量系統，即為無窮自由度系統。為了簡化分析，將其簡化為一個單自由度彈簧質量系統，如圖3 所示。

圖3 單自由度平整機機負載模型

忽略摩擦非線性對平整機動態的影響，平整機負載方程為：

測壓傳感器可視為比例環節，假設伺服閥為理想零開口四通滑閥、連接管路采用硬管連接、油液的溫度和體積彈性模數為常數，則上述液壓壓下系統主要組成部分的數學模型可用圖4 所示的方塊圖表示。

方塊圖中：Ksv代表伺服閥的增益，m/A；Kq代表伺服閥的流量增益；Kc代表伺服閥的流量-壓力增益系數；Kf代表壓力反饋系數。

圖4 軋制力控制系統方塊圖

系統的開環傳遞函數可簡化為：

式中，K＝（KaKsvKsAp/Kce）。

在建立液壓壓下系統模型的基礎上，根據正常平整軋制過程中的數據來對系統進行辨識。給出了系統的頻率響應特性Bode 圖，辨識結果顯示系統的頻寬在10Hz 以內。

5 提高平整機軋制力控制精度和穩定性的技術開發

要保證極薄板產品性能的穩定性，就必須要求軋制系統有較高的控制精度和較快的系統響應，實現軋制力、張力的快速準確調整，保證延伸率的穩定性。但是，一般產品方案中性能區間跨度會非常大，傳統的控制方式對軟鋼性能的穩定性控制非常困難。

壓下系統的電液伺服閥選取原則兼顧極限軋制情況下的最大流量需求和動態特性要求。一般來說，電液伺服閥的規格越小分辨率就越高；規格越小的電液伺服閥，控制系統的電氣增益就可以更大些，從而系統的精度就高些。

為了兼顧常規軋制需求和滿足小軋制力時高精度軋制的需要，我們開發了雙伺服閥控制技術及預減壓/大背壓控制技術等。雙伺服閥控制技術通過利用不同伺服閥在閥口特性、頻寬特性以及壓力-流量特性等方面的不同，根據不同的工況綜合使用兩伺服閥（如圖5，雙伺服閥控制系統）。由于在用小軋制力進行軋制時，難于進行流量補償，使得壓下系統加載和卸載的調速特性不同。這時可考慮采用預減壓/大背壓控制技術，即對供油壓力進行預減壓，使得伺服閥的供油壓力近似等于小軋制力對應的壓下缸控制腔壓力的2 倍，這時就滿足了伺服閥和系統的雙向特性一致的先決條件。同時，可以增大背壓力以提高減壓閥的設定值，以使得大背壓下小軋制力時所需控制壓力增大至便于控制的范圍。伺服閥前設置減壓閥，一定程度上增加了能耗；但伺服閥前設置減壓閥比未設置減壓閥時所需要的峰值流量卻減少了，如圖6 所示。

圖5 雙伺服閥控制系統

圖6 泵流量峰值輸出曲線對比

6 結論

通過測試和分析可以發現，常規的平整機液壓壓下系統在普通帶材軋制時是基本可以滿足要求的，但對于產品性能要求越來越高的高強鋼和深沖鋼來說，我們需要更高性能的AGC 控制系統。該系列專利技術目前已經在我公司多個項目上進行了實際使用，大大提高了軋制力控制的精度和穩定性，對提高產品性能和產品質量起到了關鍵性作用。

［1］趙吉風.冷軋帶鋼的精整［M］.北京：冶金工業出版社，1985.

［2］羅伯茨W L.冷軋帶鋼生產［M］.北京：冶金工業出版社，1985.

［3］丁文紅.平整機的板形改善機制及其應用［J］.軋鋼，2012，29（1）：26-28.

［4］宋祖峰，丁文紅，陳利，等.武鋼集團鄂鋼1500mm 四輥平整機設計實踐［J］.武鋼技術，2008，46（6）：46-49.