軋機前饋厚度控制系統優化

弓晉霞

(奧科寧克(秦皇島)鋁業有限公司 河北秦皇島066000)

板材厚度是板帶材的重要質量指標，厚度控制也是軋制領域的關鍵技術。近年來，國內外在板材厚度控制技術方面，有很多新的進展，大大提到了板帶材的厚度精度。大部分厚度控制方式都不同程度的存在測量時間滯后，影響了控制精度，特別是當來料厚度波動較大時，帶材的厚度精度會有更大的影響，前饋控制系統可以有效的解決這個問題。目前，對于前饋的研究主要是基于模型[1]。本文基與奧克寧克四輥單機架鋁軋機，詳細分析厚度前饋控制系統，及其對于帶材厚度的作用，對于在張緊輥投入運行后影響前饋作用時間的兩個關鍵因素，入口測厚儀到輥縫的帶材長度和入口帶材速度進行數學建模的建立，并通過軋機驗證其有效性。

1前饋控制系統

1.1前饋控制系統原理

前饋控制系統不是根據軋出的厚度差值來進行厚度控制，而是根據來料厚度的偏差進行控制。如圖1所示，在帶材進入輥縫之前，用測厚儀預先測量出來了厚度Hin，與給定來料厚度進行比較，得出來厚度偏差ΔH，然后計算出可能產生的軋出厚度偏差Δh和為消除偏差需要的壓下位置調節量，根據測厚儀測量點進入軋機的時間以及調節壓上系統所需要的時間，提前進行厚度控制，使檢測點的偏差正好被壓上系統作用。

1.2前饋控制系統組成

為了實現“前饋”這個目的，軋機入口需安裝測厚儀，精確測量來料的厚度，我司采用比利時進口的IRM測厚儀；為了實現壓上作用在檢測點，需要安裝測速儀，我司采用美國進口的Beta激光測速儀。

2 前饋控制系統數學模型

2.1厚度控制系統

厚度控制系統如圖1所示。圖中外環為厚度控制系統。由于前饋控制屬于開環系統，不能作為單獨的控制系統，因此它需要和反饋閉環控制系統共同作用，計算出達到設定厚度所需要的輥縫基準值。圖中內環為輥縫閉環控制系統，輥縫設定值與位置傳感器測量出的輥縫實際值之差，經過控制器得出達到設定厚度所需要伺服閥的動作量。由此構成厚度控制系統，以維持出口厚度等于目標厚度。

圖1 厚度控制系統

2.2前饋控制系統數學模型[3]

前饋控制動態結構圖如圖2所示。

圖2 前饋控制動態結構圖

由入口厚度變化而不影響出口厚度的條件是

Th-厚儀的慣性時間常數(s)；

L-入口測厚儀到輥縫的距離(mm)；

V-入口帶材的速度(mm/s)；

Kh-測厚儀反饋系數(V/mm)；

tb-位置閉環系統等效慣性時間常數(s)；

W-帶材塑性變形剛度；

M-軋機縱向剛度模數。

由此可見，對于前饋控制系統，入口測厚儀到輥縫的距離和入口帶材的速度是非常關鍵的參數。

2.3帶材長度計算數學模型

為了保持軋機入口帶材穩定，一般在軋機入口會增加張緊裝置。由于張緊裝置的作用，入口帶材不再是平展的，而是隨張緊輥彎曲，所以從入口測厚儀到輥縫的距離不再是直線距離，入口帶材與激光測速儀的角度也不再是固定的。為了能夠使得帶材的厚度能在準確的時被輥縫控制，帶材厚點或者薄點進入輥縫的時間非常重要。因此入口測厚儀與輥縫之間帶材的長度以及入口帶材的速度必須非常準確。

2.3.1 軋機入口設備概況

我公司軋機入口側設備按照順序主要有夾送輥、入口激光測速儀、入口測厚儀和張緊裝置。夾送輥是一對上下布置的輥，用于保持帶材穩定。張緊裝置由4根張緊輥組成，直徑為250mm。其中2根張緊輥位于帶材上方，由液壓系統統一控制，并配有行程傳感器；另外兩根張緊輥位于帶材下方，由千斤頂統一控制在軋制時保持位置不變。具體如圖3。

圖3 軋機入口設備簡圖

2.3.2 帶材長度數學模型

從圖3得知，測厚儀到入口帶材總長度PF=KP+KT+TF。

入口測厚儀到第一根張緊輥的帶材長度為，KP=PO+OM+ML+LK。

PO=

第一根張緊輥到最后一根張緊輥的帶材長度為，KT=6·(HI+IX)。

HI=

式中BL-張緊輥的半徑(mm)；

BS-夾送輥與第一根張緊輥的水平距離(mm)；

AS-夾送輥與第一根張緊輥的垂直距離(mm)；

AQ-夾送輥的半徑(mm)；

BX-入口測厚儀到第一根張緊輥的水平距離(mm)；

BU-張緊輥之間中心的水平距離(mm)；

CU-上下張緊輥中心的垂直距離(mm)；

FG-最后一根張緊輥到輥縫的水平距離(mm)；

GT-下部張緊輥上表面到軋制線的距離(mm)。

2.3.3 速度測量的數學模型

激光測速儀的準確測量的關鍵是要保持光軸與帶材垂直，初始安裝位置一般是按照帶材與軋制線重合來設置的。在實際運行中，隨著張緊輥的投入使用，帶材位置與軋制線不再重合，因此需要根據張緊輥的位置調整激光測速儀使激光與帶材始終保持垂直。我公司采用比例閥控制液壓缸動作來控制激光測速儀角度的調整。

如圖3所示，激光測速儀的角度應該是

3 前饋控制系統對厚度的改善

我公司軋機把入口測厚儀與輥縫之間的帶材長度和激光測速儀的角度的數學模型引起控制，通過PLC實現其功能并使其參與前饋厚度控制系統。厚度控制系統采用反饋、速度補償和前饋綜合作用。

如圖4在前饋系統沒有進行優化之前，來料的厚點在出口帶材上會形成一段超厚一段超薄。

圖4 前饋系統未優化前

如圖5所示，來料的超厚段在出口帶材上完全變成了超薄段，輥縫能夠在最佳的時間參與控制。(輕微超薄原因是控制系統比例系數偏大，需要調小。因所示曲線為軋機生產的實時曲線，比例系統調小后沒有遇到超厚的來料，暫時沒有最佳曲線以展示前饋控制系統優化的效果。)

圖5 前饋系統優化后

4 結論

不帶前饋控制的軋機厚度控制系統是閉環控制系統，對于來料的厚度變化不能夠起到很好的控制作用，前饋厚度控制可以彌補這個缺憾。但多年來前饋控制系統效果不是很好，根本原因是隨著張緊輥的投入運行，影響其作用的關鍵因素-入口測厚儀到輥縫的距離和入口帶材的速度，沒有做到精確的計算。本文對這兩個因素建立了數據模型，并用PLC實現運算功能，使其參與前饋厚度控制系統。經過對前饋控制系統的優化，產品的厚度波動明顯減小，我公司的成品率得到了提高，更贏得了客戶的信賴。