冷连轧机液压AGC系统油膜补偿控制.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS F e b ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 1 8 冷连轧机液压 A G C系统油膜补偿控制 孙孟辉 ，王益群 1 ．南京工程学院机械工程学院，江苏南京 2 1 1 1 6 7 ；2 ．燕山大学机械工程学院 ，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要由于对冷轧薄板质量要求的提高 ，液压 A G C已经成为提高冷轧带钢成品精度必不可少的手段。然而对于支撑辊 采用油膜轴承的冷连轧机来说 ，其轴承油膜厚度随着轧制力和轧制速度的变化而变化，这将影响轧件的轧出厚度，造成厚 差。尤其对冷连轧机，各机架的累积误差会使成品带的超差更加严重。以某五机架冷连轧机为研究对象，由生产现场实测 数据回归出适合于实际控制的油膜补偿模型 ，提出适合于分布式计算机控制的控制策略，并将其应用于实际轧制过程中对 油膜厚度变化进行补偿。实验结果表明加入油膜补偿控制后，成品带钢厚差带头带尾超差段有较为显著的减少，且超差 值也有所降低。 关键词 冷连轧机 ；液压 A G C ；油膜补偿控制 ；分布式计算机控制 中图分类号 T G 3 3 4 ． 9 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 3 0 6 33 Oi l Fi l m Co mpe n s a t i o n Co n t r o l o f Hy dr a u l i c AGC S y s t e m i n Ta n de m Co l d Ro l l i ng M i l l S UN Me n g h u i ． W ANG Yi q un 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a A b s t r a c t S i n c e t h e r e q u e s t t o t h e q u a l i t y o f c o l d r o l l i n g s h e e t s t r i p s i s h i g h e r ，t h e h y d r a u l i c A G C A u t o m a t i c G a u g e C o n t r o 1 h a s b e c o me t he i n di s pe n s a bl e me a ns wh i c h i mp r o v es t he p r o d uc t pr e c i s i o n o f c o l d r o l l i ng s t r i ps ． Ho we v e r ， t o t he t a n de m c o l d r o l l i n g mi l l wh i c h b a c k u p r o l l a d o p t s t h e o i l fi l m b e a r i n g ， t h e t h i c k n e s s o f o i l fi l m c h a n g e s wi t h d i f f e r e n t r o l l i n g f o r c e a n d r o l l i n g v e l o c i t y ， wh i c h i n flu e n e e s t h e e x i t t h i c k n e s s o f s t ri p s a n d b rin g s t h e t h i c k n e s s d e v i a t i o n ．Es p e c i a l l y f o r t h e t a n d e m c o l d r o l l i n g mi l l 。 t h e a e c u mu l a t i v e d e v i a t i o n o f e v e r y s t a n d e n l a r g e s mo r e t h e d e v i a t i o n o f s t e e l p r o d u c t ．Th e o i l fi l m c o mp e n s a t i o n mo d e 1 ． w h i c h a d a p t e d t o t h e p r a c t i c a l c o n t r o l ，wa s r e g r e s s e d f r o m t h e d a t a me asu r e d f r o m p r o d u c t i o n l o c a l e，a i mi n g a t o n e 5 - s t a n d t a n d e m c o l d r o l l i n g mi l l a s o b j e c t ．T h e c o n t r o l s t r a t e g y w a s b r o u g h t f o r w a r d ，w h i c h a d a p t e d t o t h e d i s t r i b u t e d c o m p u t e r c o n t r o 1 ．A l l o f t h e m w e r e a p p l i e d i n t h e p r a c t i c al r o l l i n g p r o c e s s for c o mp e n s a t i o n o f c h a n g e s i n t h i c k n e s s o f o i l fi l m．T h e e x p e r i me n t al r e s u l t i n d i c a t e s t h a t l e n h o f o u t t o l e r a n c e a n d v a l u e o f o u t t o l e r a n c e be t we e n h e a d a nd t a i l o f s t e e l p r o du c t are r e du c e d no t ab l y ． Ke y wo r d s T a n d e m c o l d r o l l i n g mi l l ；Hy d r a u l i c AGC；Oi l fi l m c o mp e n s a t i o n c o n tro l ；Di s t rib u t e d c o mp u t e r c o n t rol 由于计算机技术 、自动控制理论 、轧制理论等学 科 的不断完 善 ，使板 带轧 机 液压板 厚 自动 控 制 液 压 A G C 系 统得 到更加 广泛 的应 用。然 而 ，对 于支 撑辊采用油膜 轴承的轧机来说 ，其轴承油膜厚度 随着 轧制力和轧制速度 的变化而变化 ，这将对带钢 的出口 厚度造成影 响 ，引起厚差 ⋯。因此 ，在轧制过程 中需 要根据轧制力和轧辊转速的实测值，计算出油膜厚度 的变化量 ，然后调节压下 ，对油膜厚度的变化单独进 行补偿 ，消除其对 出口厚度 的影响 。 1 油膜厚度补偿模型 轧机轴承的主要 类型有 滚动轴 承和油膜 轴承。滚 动轴承的刚性大，摩擦因数小，但抗冲击性能差 ，外 形尺寸较大 ，它们 多用在各 种中低速板带轧机和钢坯 连轧机上 。油膜 轴承工作 时 ，在轴 与轴承 的工作 区域 形成一个完整的压力油膜 ，使金属脱离接触 ，形成纯 液体摩擦。其特点是摩擦因数小、工作速度高、刚性 好 ，使用这种轴承的轧机能轧出高精度的带材 。此 类轴承广泛应用于现代轧机的冷、热带钢连轧机及其 他 高速 轧机上 。 采用油膜轴承时 ，轧辊旋转后 ，因存在液体黏附 效应作用 ，油膜厚度将随着轧辊旋转速度和轧制力 的 变化而变化 ，因此油膜厚度是轧制速度和轧制力 的函 数 。尤其是在连轧过程 中的加减速阶段 ，速度和轧制 力变化较大 ，油膜厚度也会随之变化 ，从 而对成 品带 钢的头尾超差段造成很大的影响。油膜厚度变化值可 由雷诺 R e y n o l d s 公式求得 s 0 i 1 。 i 式中 S o i 为油膜厚度 ， m；a 、b为常数 ；X为 S o m m e r f e l d变量 ，可 由式 2 求得 收稿 日期 2 0 1 0 0 4～0 6 作者简介孙孟辉 1 9 8 1 一 ，男 ，博士，讲师 ，研究方向为冷带轧机板厚控制技术。电话1 5 8 9 5 8 2 1 9 3 9，Ema i l s un me ng hu i 1 9 81 y a h o o ． c o rn． e n。 6 4 机床与液压 第 3 9卷 77 詈 2 式 中 为油 的黏度 系数 ，P a s ； c J 为支 承辊转 速 ， r ／ mi n ；P为轧制力 ，k N。 由式 1 和 2 可知 ，在油 及机 械条件 一定 的情况下 ，油膜 厚度 主要决定 于轧辊速度 及轧制力 。 油膜厚度的变化使缸位移值发生变化 ，从而使带钢轧 出厚度变化 ，故在板厚 自动控制系统 中要进行油膜厚 度补偿。油膜厚度不能直接测量 ，因此通过测量缸位 移值 间接测出油膜厚度变化值。为 了利用所得 的油膜 厚度变化值回归 出补偿控制模 型，将式 1 作 如下 变换 5 s 。 一 万弋 3 一 丽 j 式 中x 0 o ／ p 0 。 合并 式 3 中 的 常 数 项 ，并 令 aS ， 一 a b 卢 ，X o b y ，则油膜厚度 变化值最终 可 以用 式 4 来表示 4 式中 常数 O t 、 、 可根据现场数据 回归得到 。 2现场模型回归试验 为了得到式 4 中的各个参 数 ，以某五连轧机 组为对象 ，通过实验测 出在不同轧制力和转速下的油 膜厚度值 ，以此回归出各个参数值。采集实验数据 时，开始时先在支撑辊两侧各加载 1 0 0 0 k N的轧制 力 ，然后逐步升速 ，在此过程 中记 录轧辊 转速和缸位 移值。测完该组数据之后 ，再以 1 0 0 0 k N为步长增 加两侧轧制力 ，重复上述过程 ，得 出不同轧制力和转 速下的油膜厚度值 。 通过实验结果可 以得出结论 当升速时油膜厚度 变厚，而当降速时油膜厚度变薄，这样会造成带钢厚 度在升速时变 薄 ，而 降速 时变 厚 ，造 成头 尾 差。因 此，在升降速过程中必须对油膜厚度变化引起的带钢 厚度偏差 给予 补偿 。由于升 降速过 程 中油膜 变化相 反，因此需对升降速油膜厚度变化模型分别进行回 归。同时 ，由于操作侧轴承和传动侧轴承不相同，因 此也分开来 回归各 自的油膜厚度变化模型 ，分别进行 补偿 控制 。 将所采集数据进一步处理，以 一 为横坐标， 油膜厚度变化值为纵 坐标 ，利用数据分析软件进行 曲 线拟合 ，并回归 出式 4 中的参数 ，即可得 到油膜 补偿 控 制 模 型。进 行 拟 合 时 ，当支 承辊 转 速 低 于 5 r ／ m i n时 ，由于油膜轴 承处 于刚启 动状态 ，尚未形 成稳定的工作油膜，因此此时所测数据并不可靠 ，图 1 、2为剔出支承辊转速低于5 r ／ ra i n数据前后进行回 归后 的模型值与实 际值 的误差曲线 。根据图 1和 2可 知 ，进行 回归时 ，将支 承辊 转速低 于 5 r ／ ra i n时的数 据剔除后 ，得 到的模型更为精确 。 l i ll p 一 。 图 1 剔出低速数据前 的 回归误差曲线 图 2 剔出低速数据后 的 回归误 差曲线 3 油膜补偿计算机控制 油 膜补 偿 计 算 机控 制 的 原 理 是 在 轧 制 过 程 中，通过测量 轧制力实 际值 和 支承辊 转 速值 ，计 算 出 一 ，再 通过 回归 出的油 膜补偿 模 型得 出油 膜 厚度变化值 。若采 用位置控 制方 式 ，则 直接 将变 化 量加到位置 环跟 踪 值上 ；若 采用 轧 制 力 控制 方式 ， 则 采用下列算法 A p一 M A S 。 。 5 式中△ p为轧制力调节值，k N；M 为轧机纵向刚 度 ，k N ／ m m。 在冷连轧轧制过程中 ，冷连轧机计算机控制系统 需满足下列要求 高速控制 ，需要采用大量 高性能控 制器；高速通信，由于多个控制功能存在较强的功能 耦合，需要相互传递补偿信息。同时，计算机硬件、 控制理论等相关理论和技术也在不断进步，故而冷连 轧机计算机控制系统正朝着分布式计算机控制系统方 向发展 。 冷连轧过程 中的分布式计算机控制系统 ，采用 高 速网将控制冷连轧机组的各控制器 P L C及 H P C 连成一个控制器群以解决各 H P C间的快速数据交换。 系统 由 L 1 一级 基础 自动化级 、L 2 二级 过程 自动化级构成。基础 自动化级采用高速网后分为两 层，上层为用于质量控制的 H P C 例如厚度控制、 板形控制 ，下层为主传动数字控制器和机架控制器 S C 。机架控制 器实际上是该 机架各液 压机构 液 压压下、弯辊、窜辊的液压传动数字控制器 液 压 A P C 。各传动控制器和系统控制器之间通过各 种现场总线来进行通信 。 油膜补偿控制属于基础自动化级，应采用高性能 C P U控制器。同时，要很好地解决油膜补偿控制系 统和基础 自动化级 内部各质量控制系统 、传动控制器 以及过程 自动化级的通信 问题 。油膜 补偿控制系统和 各质量控制器之间的数据交换可通过定义全局变量 G l o b a l V a r i a b l e 来解决；而其与传动控制器之间通 第 3期 孙孟辉 等 冷连轧机液压 A G C系统油膜补偿控制 6 5 过 P R O F I B U S D P网来进行通信 。 4应用研 究 上述油膜补偿控制计算机控制 系统在某五连轧机 组进行 了应用 ，加入油膜补偿控制前后成品带钢厚差 曲线如 图 3 、 4所示 。由图 3 、4可 以看出 ，加入油膜 补偿控制后 ，成品带钢厚差带头带尾超差段有较为显 著 的减少 ，且超差值也有所 降低。 量 荆 卧 Ⅱ 田 0 500 1 000 1 50 0 采样 点， 点 0 5O0 1 000 1 5 00 采样 村 点 图3 加入油膜补偿控制前 图4 加入油膜补偿控制后 带钢出口厚差曲线 带钢出口厚差曲线 5结论 对于支撑辊采用油膜轴承的轧机来 说 ，其 轴承油 膜厚度随着轧制力和轧制速度的变化而变化 ，这将对 带钢的出 口厚度造 成影响 ，引起厚差 。因此 ，在轧制 过程中需要 根据轧制力 和轧辊转速 的实测值 ，对油膜 厚度变化进 行补偿 ，消除其对 出口厚度 的影响 。 由于升降 速过程 中油 膜厚 度 变化 相反 ，因此需 对升降速油膜厚度变化模 型分别给予回归。同时 ， 由于操作侧轴承和传动侧轴承各不相 同，因此也分 开来 回归各 自的油膜 厚度 变化 模 型 ，分 别进 行补 偿 控制 。加入油 膜补偿 控制 后 ，成 品带钢 厚差 带头 带 尾超差段有较为显著 的减少 ，且超差 值也有所降 低。油膜补偿控制属于基础 自动化级 ，应采用高性 能 C P U控制器 ，以满足冷连轧控制系统高速控制的 要求 。 参考文献 【 1 】S u n J i a n l i n ， K a n g Y o u n g l i n ， X i a o T i a n g u o ， e t a 1 ． L u b r i c a t i o n i n s t ri p c o l d r o l l i n g p r o c e s s [ J ] ． J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h 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