冷連軋過程中機架間張力控制研究

田敬剛

（山東鋼鐵集團日照有限公司 山東日照 276800）

1 前言

冷軋帶材的生產通常包括退火、酸洗、冷軋和平整軋制等工藝過程。冷軋帶鋼是金屬制造和加工領域中最重要的工序之一。冷連軋機是一種冷軋工藝，通過使用多個不可逆機架實現帶鋼厚度減薄。該工藝的生產產品可應用于食品包裝、汽車制造、家用電器等行業。因此，軋制新技術的改進和發展已成為研究人員、工程師和制造商的重要研究方向。

張力控制是冷連軋最重要的工藝參數之一，改變輥速可以穩定帶間張力，帶間張力應保持在可接受的水平［1］。張力瞬間的變化可能會導致軋機發生劇烈的物理破壞性故障，在這種情況下，帶鋼張力降至零，或者帶鋼撕裂。

現在已經開發出各種先進的方法來分析和控制軋鋼機，有一些關注點集中在冷軋機的張力控制問題上，冷連軋過程模型中存在大量的不確定性和擾動，因此，冷軋控制策略必須具有魯棒性［2］。為提高冷軋機張力控制水平，提出了兩種先進的魯棒控制系統。首先，針對五機架冷連軋張力系統，推導了具有參數不確定性的全機架狀態空間描述。考慮帶材厚度、楊氏模量、前滑差和速度執行器時間常數的變化，建立了結構不確定性模型。并利用H∞控制器方法和綜合法設計了魯棒控制器［3－4］。仿真結果表明，與傳統控制器相比，魯棒控制器具有更好的魯棒性和抗干擾性能。

2 冷連軋張力概述

張力控制是冷連軋中的重要控制參數，張力會影響軋制產品的多個性能指標［5］。由于目前連軋多采用大張力軋制控制模式，合理的張力控制方式，有利于軋制的穩定，也是帶材板型與軋制質量的重要保證［6］。張力的合理控制可以防止帶材的跑偏，也可以降低金屬的變形抗力，還能改善帶材的平直度與調節各電機的負載分配等［7］。

在冷連軋中，帶鋼通過每對工作輥，工作輥由一個大直徑的輔助輥支撐。在現代帶鋼冷連軋機各機架間均設置有張力監測儀，使機架間帶鋼的張力在允許范圍之內保持恒定，為了達到良好的張力控制，采用張力計輥測量張力［8－9］。圖1顯示了傳統的張力和速度控制。輸入到機架1處的帶鋼速度與機架i輸出處的帶鋼速度之間的差異意味著張力的變化［9］。傳統控制器的結構通常是基于單輸入單輸出控制回路，為了提高張力控制的性能，打破了傳統的張力控制方法，提出了基于魯棒帶材張力的先進張力控制策略，采用微調軋輥的方法，圖2為張力控制系統的結構示意圖。

圖1 傳統張力控制原理圖

圖2 最新的張力控制系統的結構示意圖

3 魯棒張力控制器設計

針對1700五機架串聯軋機張力控制系統，為了實現設計的要求，引入了開環和閉環系統互連，設計了魯棒控制器。魯棒張力控制器設計的目的是在存在擾動和不確定性的情況下實現和保持機架之間的張力。閉環控制系統框圖，如圖3所示，包括反饋和控制器，以及反映與性能要求相關的模型不確定性和加權函數。在圖3中，帶虛線的矩形表示張力傳輸矩陣G。矩形內部是張力系統的模型H和不確定性矩陣Δ，d是系統擾動向量，定義輸出加權向量為ep、控制加權向量為eu。

圖3 魯棒控制器的控制框圖

一般來說，加權函數將用于滿足設計，找到合適的加權函數是魯棒控制器設計的關鍵，通常需要反復嘗試和試驗。通常性能加權函數為低通濾波器和控制加權函數是高通濾波器［10］。參考設計經驗，帶入相關參數可得到加權函數如下：

4 仿真分析

比較魯棒控制器的穩定性和時域響應。由于所考慮的不確定性是結構化的，因此需要對魯棒穩定性和性能進行驗證。如果不確定性是非結構化的，則魯棒穩定性和性能不會保持，這表明應該進一步了解不確定性的信息，所以通過對機架3和機架4之間的鋼帶張力進行了仿真，模型示意圖如圖4所示。

圖4 兩機架模型示意圖

以某鋼種的軋制數據作為仿真參數，板寬B設置為1500mm；入口帶鋼厚度h1為1.7mm，出口帶鋼厚度h2為1.2mm，機架間距L為5000mm，摩擦系數設置為0.07，軋機剛性系數為4700kN／mm，機架的彈性模量取2.06×105N／mm2。

在軋制過程中，張力的設定值很重要，張力過小板形得不到保證還可能跑偏；張力大會增加功率損耗還可能使帶寬變窄，有拉斷的危險。因此，根據實際情況，按照下式設定張力值為40kN［12］。

4.1 控制器穩定性

通過仿真得出控制器的頻率響應如圖5所示，可以看出此控制器的具有較好的魯棒穩定性，可以用于實現系統的穩定控制，保證帶材軋制的質量。

圖5 控制器的頻率響應

4.2 張力時域仿真

設定張力值為40kN，在與擾動信號的瞬態響應下，仿真得到實際張力值如圖6所示，可以發現設計的控制器具有很好的的瞬態響應，超調量較小，可以保證張力值的穩定。

圖6 控制器的張力時域響應

5 結論

在冷軋中，應控制帶鋼張力，以提高產品質量。針對五機架冷連軋機，設計了參數不確定性擾動的張力控制器。在存在不確定性和擾動的情況下，利用所提出的魯棒控制器獲得張力控制。為了證明控制器的閉環性能和魯棒性，同時使控制器的實現更可靠，通過仿真進行了驗證，此控制系統實現了張力控制的魯棒穩定性。