軋機(jī)前饋厚度控制系統(tǒng)優(yōu)化

弓晉霞

(奧科寧克(秦皇島)鋁業(yè)有限公司 河北秦皇島066000)

板材厚度是板帶材的重要質(zhì)量指標(biāo)，厚度控制也是軋制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在板材厚度控制技術(shù)方面，有很多新的進(jìn)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(cè)量時(shí)間滯后，影響了控制精度，特別是當(dāng)來(lái)料厚度波動(dòng)較大時(shí)，帶材的厚度精度會(huì)有更大的影響，前饋控制系統(tǒng)可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。目前，對(duì)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(jī)架鋁軋機(jī)，詳細(xì)分析厚度前饋控制系統(tǒng)，及其對(duì)于帶材厚度的作用，對(duì)于在張緊輥投入運(yùn)行后影響前饋?zhàn)饔脮r(shí)間的兩個(gè)關(guān)鍵因素，入口測(cè)厚儀到輥縫的帶材長(zhǎng)度和入口帶材速度進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的建立，并通過(guò)軋機(jī)驗(yàn)證其有效性。

1前饋控制系統(tǒng)

1.1前饋控制系統(tǒng)原理

前饋控制系統(tǒng)不是根據(jù)軋出的厚度差值來(lái)進(jìn)行厚度控制，而是根據(jù)來(lái)料厚度的偏差進(jìn)行控制。如圖1所示，在帶材進(jìn)入輥縫之前，用測(cè)厚儀預(yù)先測(cè)量出來(lái)了厚度Hin，與給定來(lái)料厚度進(jìn)行比較，得出來(lái)厚度偏差ΔH，然后計(jì)算出可能產(chǎn)生的軋出厚度偏差Δh和為消除偏差需要的壓下位置調(diào)節(jié)量，根據(jù)測(cè)厚儀測(cè)量點(diǎn)進(jìn)入軋機(jī)的時(shí)間以及調(diào)節(jié)壓上系統(tǒng)所需要的時(shí)間，提前進(jìn)行厚度控制，使檢測(cè)點(diǎn)的偏差正好被壓上系統(tǒng)作用。

1.2前饋控制系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)“前饋”這個(gè)目的，軋機(jī)入口需安裝測(cè)厚儀，精確測(cè)量來(lái)料的厚度，我司采用比利時(shí)進(jìn)口的IRM測(cè)厚儀；為了實(shí)現(xiàn)壓上作用在檢測(cè)點(diǎn)，需要安裝測(cè)速儀，我司采用美國(guó)進(jìn)口的Beta激光測(cè)速儀。

2 前饋控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1厚度控制系統(tǒng)

厚度控制系統(tǒng)如圖1所示。圖中外環(huán)為厚度控制系統(tǒng)。由于前饋控制屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，不能作為單獨(dú)的控制系統(tǒng)，因此它需要和反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)共同作用，計(jì)算出達(dá)到設(shè)定厚度所需要的輥縫基準(zhǔn)值。圖中內(nèi)環(huán)為輥縫閉環(huán)控制系統(tǒng)，輥縫設(shè)定值與位置傳感器測(cè)量出的輥縫實(shí)際值之差，經(jīng)過(guò)控制器得出達(dá)到設(shè)定厚度所需要伺服閥的動(dòng)作量。由此構(gòu)成厚度控制系統(tǒng)，以維持出口厚度等于目標(biāo)厚度。

圖1 厚度控制系統(tǒng)

2.2前饋控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[3]

前饋控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 前饋控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(shí)間常數(shù)(s)；

L-入口測(cè)厚儀到輥縫的距離(mm)；

V-入口帶材的速度(mm/s)；

Kh-測(cè)厚儀反饋系數(shù)(V/mm)；

tb-位置閉環(huán)系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù)(s)；

W-帶材塑性變形剛度；

M-軋機(jī)縱向剛度模數(shù)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于前饋控制系統(tǒng)，入口測(cè)厚儀到輥縫的距離和入口帶材的速度是非常關(guān)鍵的參數(shù)。

2.3帶材長(zhǎng)度計(jì)算數(shù)學(xué)模型

為了保持軋機(jī)入口帶材穩(wěn)定，一般在軋機(jī)入口會(huì)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(cè)厚儀到輥縫的距離不再是直線距離，入口帶材與激光測(cè)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(zhǔn)確的時(shí)被輥縫控制，帶材厚點(diǎn)或者薄點(diǎn)進(jìn)入輥縫的時(shí)間非常重要。因此入口測(cè)厚儀與輥縫之間帶材的長(zhǎng)度以及入口帶材的速度必須非常準(zhǔn)確。

2.3.1 軋機(jī)入口設(shè)備概況

我公司軋機(jī)入口側(cè)設(shè)備按照順序主要有夾送輥、入口激光測(cè)速儀、入口測(cè)厚儀和張緊裝置。夾送輥是一對(duì)上下布置的輥，用于保持帶材穩(wěn)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(tǒng)統(tǒng)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(tǒng)一控制在軋制時(shí)保持位置不變。具體如圖3。

圖3 軋機(jī)入口設(shè)備簡(jiǎn)圖

2.3.2 帶材長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型

從圖3得知，測(cè)厚儀到入口帶材總長(zhǎng)度PF=KP+KT+TF。

入口測(cè)厚儀到第一根張緊輥的帶材長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量的數(shù)學(xué)模型

激光測(cè)速儀的準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)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(lái)設(shè)置的。在實(shí)際運(yùn)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(jù)張緊輥的位置調(diào)整激光測(cè)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(dòng)作來(lái)控制激光測(cè)速儀角度的調(diào)整。

如圖3所示，激光測(cè)速儀的角度應(yīng)該是

3 前饋控制系統(tǒng)對(duì)厚度的改善

我公司軋機(jī)把入口測(cè)厚儀與輥縫之間的帶材長(zhǎng)度和激光測(cè)速儀的角度的數(shù)學(xué)模型引起控制，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)其功能并使其參與前饋厚度控制系統(tǒng)。厚度控制系統(tǒng)采用反饋、速度補(bǔ)償和前饋綜合作用。

如圖4在前饋系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化之前，來(lái)料的厚點(diǎn)在出口帶材上會(huì)形成一段超厚一段超薄。

圖4 前饋系統(tǒng)未優(yōu)化前

如圖5所示，來(lái)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(shí)間參與控制。(輕微超薄原因是控制系統(tǒng)比例系數(shù)偏大，需要調(diào)小。因所示曲線為軋機(jī)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)曲線，比例系統(tǒng)調(diào)小后沒(méi)有遇到超厚的來(lái)料，暫時(shí)沒(méi)有最佳曲線以展示前饋控制系統(tǒng)優(yōu)化的效果。)

圖5 前饋系統(tǒng)優(yōu)化后

4 結(jié)論

不帶前饋控制的軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)于來(lái)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(bǔ)這個(gè)缺憾。但多年來(lái)前饋控制系統(tǒng)效果不是很好，根本原因是隨著張緊輥的投入運(yùn)行，影響其作用的關(guān)鍵因素-入口測(cè)厚儀到輥縫的距離和入口帶材的速度，沒(méi)有做到精確的計(jì)算。本文對(duì)這兩個(gè)因素建立了數(shù)據(jù)模型，并用PLC實(shí)現(xiàn)運(yùn)算功能，使其參與前饋厚度控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)前饋控制系統(tǒng)的優(yōu)化，產(chǎn)品的厚度波動(dòng)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。