冷軋平整機液壓AGC系統控制研究

郭志杰

（廣西鋼鐵集團有限公司冷軋廠 廣西防城港 538000）

1 前言

冷軋帶材的質量包括帶材的橫向、縱向厚差和形狀精度。帶材軋制厚度控制系統的控制原理是通過測量傳感器對冷軋帶材出口的實際厚度進行連續地測量，通過控制器計算出測量值與設定值之間的偏差值并控制壓下液壓缸或軋制速度，保證帶材的出口厚度控制在允許范圍之內，可以實現厚度自動控制的系統稱為AGC系統［1］。

平整是冷軋帶材生產線的重要工序，主要是提高冷軋板材的表面質量和形狀精度，其壓下量較小。平整主要目標是改善帶材力學性能，提高精軋帶材的表面質量和平直度，消除板型誤差［2］。

2 平整機板厚控制分析

平整工藝的壓下變形量很小，主要目的是提高產品的力學性能、表面精度和板型精度。由于平整過程的帶材厚度變化很小，所以平整機一般是采用恒壓力控制改善帶材板型，并能消除軋輥偏心和彈性變形原因產生的厚度偏差。

2.1 厚度控制基本方法

軋制是通過軋輥和帶材之間的軋制力實現的，材料軋制時發生塑性變形，厚度變薄，但是同時被軋帶材制會產生反作用力使軋機軋輥發生彈性變形，使軋輥間隙變大，導致帶材的實際壓下量減小了，這種現象稱為彈跳。軋輥受力產生彈性變形是不可避免的，由于軋機的彈跳，軋制后的帶材厚度主要取決于空載輥縫、軋制壓力、軋機的縱向剛度模數和軸承油膜厚度。其中，影響軋制帶材出口厚度的最重要參數是空載輥縫和帶材的前、后張力，所以控制板厚的方式主要為輥縫控制和張力控制［3－4］。

2.2 壓下缸位置閉環控制

為了使帶材達到設定厚度，首先必須保證輥縫空載時的正確設定值。其次，在軋制過程中還必須隨著軋制條件的變化及時地調整空載輥縫的大小以保證使軋件厚度均勻一致，可以通過合理地設定和控制液壓缸位移來實現。液壓缸位置閉環的作用就是準確地控制液壓缸位移，達到設定和控制空載輥縫的目的，是整個厚度控制的基礎［5］。

位置閉環控制原理如圖1所示，在液壓缸位置閉環控制系統中，位移傳感器可以實時檢測液壓缸活塞相對與缸體的位移。為了消除測量誤差，通常在缸體的兩側對稱位置安裝兩個位移傳感器，取其平均值作為實測位移值［6］。位移傳感器檢測出來的是電壓信號，負反饋到信號輸入端，與設定的電壓信號比較，通過調節器及功率放大器處理偏差并轉換為相應的電流信號送給電液伺服閥，伺服閥獲得電流信號后，轉換成液壓油的流量進入壓下液壓缸，一直到測量的反饋值與設定值相等。

圖1 位置閉環控制原理

2.3 軋制力閉環控制

軋制力閉環控制也是軋機液壓AGC系統的基本控制方式。當軋制過程中液壓缸壓力在允許范圍內時，液壓AGC系統采用位置閉環控制方式。當液壓缸壓力超過允許值時，為了防止液壓缸過載，控制器將切換到軋制力閉環控制系統，確保壓下液壓缸在軋制過程中壓力不超標［7］?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 軋制力閉環控制原理

軋制壓力的波動將造成軋件出口厚度的波動，軋制力閉環控制是通過連續地測量板帶材軋制過程中的軋制壓力波動，經過調節器運算和功率放大后轉換為電流信號，控制電液伺服閥，改變液壓缸流量，使液壓缸活塞運動，保持軋制過程中軋制壓力的恒定。

2.4 測厚儀閉環控制

軋制過程中軋輥磨損或受熱變形以及位置與壓力檢測元件本身的誤差等因素所造成的輥縫偏差，使給定的輥縫與軋制標準產品所需的實際輥縫產生了偏差，影響了成品帶材的厚度，上述位置反饋和壓力反饋都不能消除初始給定量的誤差，因而在軋機出口要增加測厚儀，測出出口帶材的厚度值與要求值之間的偏差，反饋至控制器和初始設定量相疊加，提高輥縫精度，進一步提高帶材軋制精度［8］。

3 液壓AGC系統控制系統模型

液壓AGC是冷軋機的關鍵系統，其功能是造成板厚偏差的各種因素無論如何變化，AGC都可以自動調節壓下液壓缸位置，也就是使軋機保持正確的的工作輥縫，使出口板厚保持恒定值，保證帶材的精度和質量要求。完整的液壓AGC系統是有許多自動控制閉環系統組成，主要由電液伺服閥、放大器、控制器、壓下液壓缸、傳感器等幾部分組成。

3.1 閥控缸模型

AGC液壓系統采用的對稱閥控非對稱液壓缸系統，為了使閥控非對稱缸的模型簡單直觀，在建立系統數學模型時假設液壓油相關參數為理想狀態［9］。

閥控缸的原理如圖3所示，q1為進入伺服閥流量，ps為伺服閥進口壓力，p1為液壓缸無桿腔壓力，p2為液壓缸有桿腔壓力，K為負載等效剛度，Bp為負載粘性阻尼系數，FL為外負載，當閥芯向右移動位移量xv時，液壓缸的活塞桿伸出行程為y。進入伺服閥的流量方程可以表示如下［10］。

圖3 閥控缸模型

式中：Cd—為伺服閥流量系數；

W—節流口面積梯度；

ρ—液壓油密度。

進入液壓缸的流量，除了推動活塞，還有各種泄漏以及受壓收縮，進入無桿腔的流量方程為：

式中：qL—進入液壓缸的流量；

Cip—液壓缸內泄漏系數；

Cep—液壓缸外泄漏系數；

V1—液壓缸無桿腔有效容積；

βe—體積彈性模量。

當活塞桿向外伸出時，液壓缸的輸出力與負載力的平衡方程為：

式中：mt—活塞及負載折算的總質量。

對以上三式進行拉氏變換得：

將三式去掉中間變量，并忽略粘彈性和阻尼系數，可得液壓缸輸出位移關于方向閥芯輸入位移和負載力的關系如下：

伺服放大器因為其動態響應和轉折頻率都很高，所以可以近似地看作為一個比例環節，所以伺服放大器的傳遞函數表示如下：

式中：Ka—伺服放大器增益；

I—輸出電流；

U—輸入電壓。

壓力和位移傳感器的作用是將液壓缸的信號轉換成相應的電壓信號，其頻寬較高，因此也可簡化成比例環節，傳遞函數可以表示為：

式中：Kf—傳感器增益；

U—反饋的電壓信號；

Y—傳感器的反饋量。

3.2 軋機AGC系統仿真模型

測厚儀檢測出的電壓信號反饋到軋制力設定值的輸入端，與輸入的設定值相比較，得出的電壓偏差信號通過控制器進行調節，然后經過伺服放大器放大并轉換成電流信號送給電液伺服閥，系統中的電液伺服閥直接安裝在壓下缸上，伺服閥獲得電流信號后輸出負載流量給壓下缸，壓下缸就輸出一定的位移，直到測厚儀的實測值與設定值相等為止，這就是液壓AGC系統閉環控制的過程［11］。建立AGC系統的Simulink模型如圖4所示。

圖4 軋機液壓AGC系統仿真模型

4 仿真與結果分析

在軋制過程中軋件的入口厚度、軋機的縱向剛度、軋件的塑性剛度等參數對軋制過程中的厚度精度控制有不同的影響［12］。為了得出各參數對板材軋制精度的影響，通過仿真得到如下結果：

（1）軋制材料的塑性剛度的影響

設定帶材進入軋機厚度為1.05mm，帶材出口厚度為1.00mm，入口厚度波動為0.2mm，軋制材料的塑形剛度Q分別為2.9×109N／m、3.0×109N／m和3.1×109N／m。得到仿真結果如圖5所示，從仿真結果可以看出，三種情況下帶材出口板厚偏差分別約為4.9×10－6m、5.0×10－6m和5.1×10－6m，這表明了軋制材料的塑性剛度越大，出口帶材的板厚偏差越大，所以要得到高質量的軋制產品，就需要減小軋件材料的塑性剛度。

圖5 材料的塑性剛度的影響

（2）板材入口厚度的影響

當輸入幅值為0.2mm，頻率為2π的正弦入口板厚波動時，出口板厚度也是正弦波動，如圖6所示?？梢钥闯鲕埣肟诤穸鹊淖兓瘜堉坪穸鹊挠绊戄^大，為獲得高的板厚精度必須控制帶材的厚度誤差，也就是控制和提高上道工序的板厚精度。

圖6 板材入口厚度影響

（3）軋機縱向剛度的影響

設定帶材進入軋機厚度為1.05mm，帶材出口厚度為1.00mm，入口板厚波動為0.2mm，而令軋機的縱向剛度分別為2×109N／m、3×109N／m和4×109N／m進行仿真，結果如圖7所示。

圖7 軋機剛度影響

從仿真結果可以看出，當板材入口厚度波動相同時，軋機的縱向剛度對出口厚差有明顯的影響，剛度越大出口厚差越小，板厚控制調節越容易。所以適當提高軋機的縱向剛度可以提高板厚的控制精度。

5 結論

在分析冷連軋機自動厚度控制的基礎上，通過仿真分析，得出結論：帶材在軋制過程中的軋件材料的塑性剛度、板材入口厚度和軋機的縱向剛度等參數的變化對軋制產品質量有很大影響，合理選擇這些參數可以提高軋制過程中的精度控制。研究結果可為軋機液壓AGC系統的優化設計及軋制過程的參數選擇提供參考。