破鱗拉矯機控制系統的開發與應用

王　力，朱曉巖，陳樹宗，丁　樺，張殿華

( 1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽110819; 2.東北大學材料與冶金學院，沈陽110819)

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破鱗拉矯機控制系統的開發與應用

王力1，2，朱曉巖1，陳樹宗1，丁樺2，張殿華1

( 1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽110819; 2.東北大學材料與冶金學院，沈陽110819)

摘要:針對破鱗拉矯機的設備組成及生產工藝特點，開發了以插入量和延伸率控制為核心的自動控制系統.建立了插入量的控制模型，解決了因換輥后頻繁標定零點位置以及輥子磨損影響插入量控制精度的問題.采用參數尋優的方法，求解以誤差為基礎的目標函數得出適配參數，解決了延伸率控制中的參數設置合理性受人為因素影響較大的問題.現場實際應用效果表明:破鱗效果良好，彎曲輥和矯直輥的標定值與計算值的最大偏差均可控制在0.24 mm以內;延伸率控制采用參數尋優前后效果對比明顯，設定值為0.9%時，偏差控制精度由±8%提高到±5%，設定值為1.8%時，偏差控制精度由±3%提高到±1%.

關鍵詞:破鱗拉矯機;插入量;參數尋優;延伸率

拉矯機兼顧了連續拉伸矯直和輥式矯直兩種工藝的優點，廣泛應用于板帶材深加工領域［1］.破鱗拉矯機在酸軋機組中起到破鱗和改善板形的作用，破鱗能力直接影響著酸軋機組的酸洗效果和生產效率，板形改善能力關系著產品的平直度等產品質量［2］.破鱗拉矯機的控制核心為插入量和延伸率，二者的精確控制對其應用效果有至關重要的影響［3］.插入量的控制以零點位置標定為基礎，以往換輥后需要重新標定以及未對輥磨損量進行補償，影響了生產效率和控制精度.延伸率的控制，以往采用傳統PID控制等策略受外界因素影響較大難以取得滿意的控制效果.

本文以國內某薄板廠1 450 mm酸軋機組破鱗拉矯機為對象進行研究，通過對帶鋼拉彎矯直機的矯直原理的分析，建立了換輥前后零點位置變化的數學模型并對磨損情況進行補償，采用求解以誤差為基礎的目標函數得出適配參數的延伸率控制策略，開發了符合生產需要的破鱗拉矯機的控制策略，取得了良好的應用效果.

1　破鱗區設備組成與矯直原理

1.1破鱗區設備組成

破鱗區的主要設備組成如圖1所示，破鱗拉矯機的本體采用“兩彎一矯”的形式，即1#彎曲輥組、2#彎曲輥組和矯直輥組.在其本體前后配備張力輥組，即2#張力輥組和3#張力輥組，并采用靈活的電氣連接方式實現延伸率控制，以達到破鱗的目的.在2#張力輥組前配有焊縫檢測儀，對焊縫位置進行校正，實現精確的帶鋼跟蹤，為拉矯機過焊縫模式提供基礎.在拉矯機本體前后配有兩個張力計，用于測量帶鋼張力，為間接延伸率控制提供張力反饋.

圖1　破鱗拉矯機設備簡圖Fig.1 Equipment diagram of tension leveler

1.2矯直原理

在破鱗拉矯過程中，由張力輥組提供拉矯張力將帶鋼拉伸，由彎曲輥組產生彎曲變形，在張力作用下使帶鋼反復彎曲變形［4］，利用鐵基體及氧化鐵皮覆蓋層材料性能的巨大差異，經過對帶鋼的反復彎曲和拉伸，使其表面氧化鐵皮層產生反復拉伸與壓縮，而基體材料受力后產生一定程度的彈塑性變形，由于表面的氧化鐵皮不具有塑性且破壞強度較低，同時與基體的附著力差，導致氧化鐵皮的開裂和破落，從而提高了酸洗效率［5，6］.同時帶材一側的拉伸效果將得到疊加并使中心層出現塑性變形而達到矯直目的，改善板形［7］.

用拉彎矯直機進行機械除鱗時，插入量和延伸率控制的應用對去除帶鋼表面的氧化鐵皮和消除板形缺陷起到很大的作用［8］.因此高精度的插入量和延伸率控制是破鱗拉矯機控制的核心.

2　破鱗拉矯機的控制

破鱗拉矯機在酸洗線的工作周期:正常生產時為延伸率控制，當焊縫到達帶鋼跟蹤系統計算過焊縫的開始位置點時，進入過焊縫模式.當焊縫離開帶鋼跟蹤系統計算過焊縫的結束位置點時，過焊縫模式結束，并觸發新一卷的設定值(插入量、延伸率、張力)，然后重新進入延伸率控制，如圖2所示.

圖2　破鱗拉矯機工作周期Fig.2 Working cycle of tension leveler

其中過焊縫模式根據帶鋼規格和焊縫質量分為4種模式，如表1所示.

2.1位置標定

插入量對破鱗拉矯機的破鱗效果及延伸率控制有重要的影響.而插入量的控制是以位置標定為基礎，一般認為下彎曲輥上表面調至與上彎曲輥下表面同時剛接觸帶鋼，此時的位置為插入量的零點位置.而在換輥后插入量的零點位置就會發生改變，為了避免每次換輥后都重新調零，影響生產效率，根據設備布置的幾何關系及換輥前后零點位置的變化規律并對磨損情況進行補償，建立如下函數關系式:

式中: Di0為調零時各輥的輥徑值、Di為換輥后的各輥的輥徑值、ξ為磨損補償系數(主要與鋼種、帶寬以及帶厚有關) ; n為當前輥已生產的鋼卷數.換輥后，只需在人機界面上輸入新的輥徑值，即可到零點的修正量.

表1　破鱗拉矯機過焊縫模式Table 1 Passing weld mode of tension－leveler

圖3　零點位置計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of zero position calculation

2.2延伸率控制

延伸率的控制模式主要有兩種:速度控制模式和張力控制模式.速度控制模式是利用延伸率設定值與實際測量值之間的差值，產生相應的附加速度，作用于2#張力輥組，調整其速度，從而實現對帶鋼延伸率的控制.張力控制模式是利用延伸率設定值與實際測量值之間的偏差信號，產生相應的附加張力，將其作用在2#張力輥上，從而調整其張力力矩，實現帶鋼延伸率的控制，薄帶材一般采用此種控制模式.

在工程實踐中，延伸率控制器采用PI控制器，其參數往往受人為經驗的影響而難以滿足生產不同規格帶鋼時延時率控制精度的要求.為了獲得優化的PI控制器參數，使控制效果達到最優，可以將最優化理論應用于控制器參數尋優中.

其中t為系統采樣周期，取t = ts(調節時間)，e( t)為瞬態誤差，其中e( 0) =εref，e( ts) = 0.02εref.根據變分法原理，有阿F［t，e( t)，è( t)］由歐拉方程

目標函數是控制器參數尋優的核心，單一指標型的目標函數，如超調量最小，上升時間最快，調節時間最短，往往無法取得滿意的控制效果，而采用誤差型的目標函數，可以對幾個特征值做綜合考慮，因為是超調量大或是調節時間長都會使誤差積分值增大.針對延伸率控制的特點，兼顧系統的穩態性能和暫態性能，建立以誤差和誤差變化率為基礎的多目標函數，并進行加權處理，使評價結果更趨于合理.=0結合初始條件，以及ts為調節時間的最小值，解出ts.具體的實現方法為:過程自動化控制系統根據與延伸率控制相關的鋼種信息(帶鋼寬度、帶鋼厚度、帶鋼彈性模量、帶鋼屈服強度、帶鋼強化模量等)得到系統的傳遞函數，并計算出系統誤差函數e( t)，采用收斂速度較快的單純形法對上述目標函數求解，求出Kp、Ki.在鋼卷上卷后，與其他設定值同時發給基礎自動化系統.

圖4　基于參數尋優的延伸率控制框圖Fig.4 Diagram of elongation control based on parameters optimization

圖4中，εref為延伸率設定值;εact為延伸率實際值;Δε為延伸率偏差值;延伸率控制采用PI控制，ΔTε為延伸率偏差根據延伸率控制器調節得到的張力修正值; Tref為張力設定值.

3　現場應用

基于本文開發的破鱗拉矯機控制系統已經成功應用于國內某薄板廠1 450 mm酸軋機組生產線.現場應用實踐表明，生產節奏連貫，插入量補償準確，破鱗效果良好.通過現場實際生產，驗證了零點位置計算法的有效性，分別換輥前后8卷帶鋼做了零點標定，對比表2、表3、表4的數據，可以發現1#彎曲輥的標定值和計算值的最大偏差為0.19 mm，2#彎曲輥的標定值和計算值的最大偏差為0.23 mm，矯直輥的標定值和計算值的最大偏差為0.24 mm.

表2　1#彎曲輥的標定值和計算值Table 2 Calibration value and calculated value of 1# bending roll　mm

表3　2#彎曲輥的標定值和計算值Table 3 Calibration value and calculated value of 2# bending roll　mm

表4　矯直輥的標定值和計算值Table 4 Calibration value and calculated value of leveler roll　mm

如圖5所示，延伸率設定值為0.9%時，優化前偏差為±8%且偏差集中在－3%，優化后偏差為±5%且偏差多集中在0%.

圖5　延伸率設定值為0.9%的控制效果Fig.5 The control result of elongation with set value 0.9%

如圖6所示，延伸率設定值為1.8%時，優化前偏差為±3%且偏差集中在－0.5%，優化后偏差為±1%且偏差集中在0%，優化效果明顯.此參數尋優的方法具有普遍的應用價值.

圖6　延伸率設定值為1.8%的控制效果Fig.6 The control result of elongation with set value 1.8%

4　結論

( 1)根據設備布置的幾何關系，建立了零點位置與換輥前后輥徑的函數關系式.對比數據，可以發現1#彎曲輥的標定值和計算值的最大偏差為0.19 mm，2#彎曲輥的標定值和計算值的最大偏差為0.23 mm，矯直輥的標定值和計算值的最大偏差為0.24 mm，誤差很小，滿足現場要求，加快了生產節奏.

( 2)建立以誤差和誤差變化率為基礎的多目標函數，通過參數尋優，獲得了適配參數Kp、Ki.應用結果表明，延伸率設定值為0.9%時，優化前偏差為±8%，優化后偏差為±5%，延伸率設定值為1.8%時，優化前偏差為±3%，優化后偏差為±1%.

( 3)該破鱗拉矯機控制系統已成功應用在某薄板廠1450 mm酸洗冷連軋生產線，運行穩定高效.

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Development and application on control system of tension－leveler

Wang Li1，2，Zhu Xiaoyan1，Chen Shuzong1，Ding Hua2，Zhang Dianhua1
( 1.State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819; 2.College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819)

Abstract:According to the equipment components and the production technological characteristics of tensionleveler，the automatic control system was developed based on the insertion quantity and the elongation control as the core.The control model for the amount of insertion was established，which solves the insert control precision problem after exchanging and frequent calibration zero position and roll wear.Using the method of parameter optimization，the fitness parameter is obtained by solving the objective function based on the error，solving the problem of setting reasonable parameters greatly influenced by human factors in the extension rate control process.Field application results show that breaking scale effect is good，and the maximum deviation between the calibration values and the calculated ones of bending roll or straightening roll is 0.24 mm.When the set value of elongation percentage is 0.9%，the deviation before optimization is±8%，while it is±5% after optimization; when the set value of extending rate is 1.8%，the deviation before optimization is±3%，while it is±1% after optimization.

Key words:tension leveler; intermesh; parameters optimization; elongation

作者簡介:王力( 1986—)，男，博士研究生，E－mail: wanglixsqk@ 126.com;丁樺( 1958—)，女，教授，博士生導師;張殿華( 1963—)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金資助項目( 51074051) ;遼寧省博士啟動基金( 20131033).

收稿日期:2015-06-26.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.014

中圖分類號:TG 155.4

文獻標識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0071-05