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1、2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 286 冷轧平整机延伸率控制系统应用与研究 孙 杰 1，张殿华1，李 旭1，李文田2，孟德霞2 ，刘相华 1 （1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110004； 2唐山钢铁股份有限公司冷轧薄板厂，河北 唐山 063016) 摘摘 要要：简单介绍了冷轧平整的目的和意义，说明了延伸率的定义和测量方法。描述了应用于唐钢冷板厂平整机组 的延伸率控制系统，对该延伸率控制系统中的速度前馈控制和延伸率反馈控制做了重点阐述。针对在加减速或出现 其他扰动时的延伸率波动问题，提出了在反馈控制中增加比例控制的解决方案。实际结
2、果表明：延伸率控制系统动 态响应明显加快，98.7%的带钢延伸率偏差都控制在了 0.1%以内。 关键词关键词：平整机，延伸率，控制系统 Application and Research on Elongation Control System of Cold Rolling Skin Pass Mill SUN Jie1, ZHANG Dianhua1, LI Xu 1, LI Wentian2, MENG Dexia2, LIU Xianghua1 (1The State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation，Northeas
3、tern University，Shenyang 110004，China；2Cold Mill Plant，Tangshan Iron and Steel Co ，Ltd ，Tangshan 063016，China) Abstract: The objective and significance of cold skin pass rolling were simply introduced; the definition and measuring method were explained. The elongation control system of cold rolling
4、skin pass mill was described; the speed feedforward control and feedback control in the control system were detailed explicated. Aimed the fluctuation problem of elongation when acceleration, deceleration and other disturbances appear, a scheme that adding a proportional controller was brought forwa
5、rd. The result indicates that the dynamic response of elongation control was obviously accelerated; ninety-eight point seven percent of strip elongation deviation was controlled less than 0.1%. Key words: skin pass mill, elongation, control system 1 前言前言 冷轧平整是一个小压下率的冷轧变形过程，是冷轧工艺上具有重要意义的一道生产工序。带钢 经过平
6、整后，可以消除带钢退火过程中产生的屈服平台，防止冲压成形时产生滑移线，同时也可以 改善带钢的平直度，调整并给出带钢表面的光洁度和粗糙度。 唐钢冷轧薄板厂1780平整机组的工艺及设备由德国西马克公司提供，为单机架四辊平整机，机 架前装配有一对大直径的张力辊，机架后是一个导向辊。电气及传动供货商为ABB公司，电气装备 采用ABB公司基础自动化控制系统，其中恒延伸率控制系统是国际上先进和成熟的技术。本文以该 套平整机组为例，对平整恒延伸率控制系统进行分析。 2 延伸率定义和测量 由于平整轧制压缩比很小，检测起来比较困难，因此用与压缩比成正比的带钢长度变化，即延 伸率来表示带钢的变形程度。 以延伸率定
7、义： 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 287 100% exen en ll l = （1） 式中：为带钢延伸率， ex l、 en l分别为出、入口带钢长度。 该平整机组采用激光测速仪检测轧机出、入口的带钢速度实际值，并根据该速度计算实际延伸 率。即实际延伸率为： 100% exen en vv v = （2） 式中： ex v、 en v分别为激光测速系统测得的出、入口带钢速度。 出、入口激光测速仪的输出连接到脉冲计数器板（DSDP170）的两个通道，根据脉冲计数器板 单位时间发出的脉冲数和已知每个脉冲代表的带钢行走长度，就可以计算得到带钢速度，从而得到
8、 带钢实际延伸率为： 100% exexenen enen NN N = （3） 式中：N为单位时间的脉冲数，为每个脉冲代表的带钢行走长度。 3 延伸率控制 延伸率是平整轧制过程中最重要的工艺参数，一般是在小变形量范围内对退火带钢进行平整， 将屈服极限降低到最小值，同时使屈服平台消失。但随着延伸率的增加，带钢又会发生加工硬化， 使上屈服极限升高。因此，延伸率应控制在既能消除屈服平台，又不产生加工硬化的范围之内，稳 定的延伸率控制是保证带钢质量的重要条件。对于单机架平整其主要控制手段有轧制力控制和带钢 张力控制等，该延伸率控制系统采用恒张力变轧制力的控制方式，如何合理的控制轧制力，使带钢 保持稳
9、定的延伸率，以保证带钢的加工性能和表面质量就变的尤其重要。该平整机延伸率控制系统 如图1所示。 图1 延伸率控制系统 Fig 1 Elongation control system /dv dt ff G c G r ff F r F 0 G c F F 图2 延伸率控制系统模型结构 Fig 2 Model structure of elongation control system 延伸率控制系统包括前馈控制和反馈控制，前馈控制用来预补偿轧线速度变化对延伸率控制系 统的影响，反馈控制根据延伸率实际检测值确保延伸率恒定。该延伸率控制系统模型结构如图2。 图中， r 为延伸率设定值， c 为延伸
10、率实际值，为延伸率偏差值， r F为轧制力设定值，F 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 288 为根据延伸率偏差计算得到的轧制力修正值， ff F为速度前馈轧制力修正值，F为轧制力实际值， /dv dt为轧机加速度， c G为延伸率偏差轧制力修正传递函数， ff G为速度前馈轧制力传递函数， 0 G为轧制力延伸率传递函数。 3.1 延伸率反馈控制系统 延伸率反馈控制系统为典型的双环控制系统，其中轧制力控制为内环控制系统，延伸率控制为 外环控制系统。 在带钢穿带之前， 输入轧制力预设值作为轧制力控制的初始值。 在带钢穿带时为恒轧制力控制， 延伸率控制为开环控制。
11、随着轧机的升速到40m/min后，自动切换为延伸率控制，通过激光测速仪测 得的轧机出入口带钢速度，计算出实际延伸率并与设定值比较得出延伸率偏差，经过延伸率偏差到 反馈轧制力修正值的计算，得到轧制力修正值F，再经积分后附加到最终轧制力基准。 延伸率偏差与反馈控制轧制力修正值的关系为： 10 /dF dC FC d=+ （4） 式中：F为轧制力实际值(KN)，d为带钢宽度(mm)， 0 C 、 1 C为常数。对于该平整机组 0 10.1C=， 1 19.5C=。 从而得到反馈控制轧制力修正值为： /FK dF d= （5） 式中：K为轧制力修正积分控制系数，为延伸率偏差值(%)。对于该平整机组0.
12、005K =。 3.2 速度前馈控制系统 如果延伸率只采用反馈控制，由于反馈控制的滞后，在轧机加速时带钢延伸率随着速度的增加 而减小，在轧机减速时带钢延伸率随着速度的减小而增大，实际延伸率在长时间内偏差较大。为了 保持延伸率的恒定，在轧机加减速信号给出时就给出轧制力增减的修正值，从而通过改变轧制力基 准来减小速度变化对带钢延伸率的影响。 速度前馈轧制力修正值为： 1/ / ff FKv dv dt= （6） 式中： 1 K为速度前馈轧制力修正系数，v为轧机速度(m/s)，/dv dt为轧机加速度(m/s2)。对于 该平整机组 1 75.0K =。 由反馈控制的轧制力修正值F、前馈控制的轧制力修
13、正值 ff F以及轧制力的预设值相加，得 到延伸率闭环所需要的轧制力设定值，通过改变轧制力实现了延伸率闭环控制。 4 存在问题与优化方法 该平整机控制系统采用前馈控制加反馈控制的延伸率控制方式，在没有扰动的情况下，对延伸 率的控制取得了较好的效果。但是，在带钢加减速或出现其他扰动时，延伸率经常出现较大波动。 从式（6）可以看出，速度前馈控制只是速度和加速度的函数，对于不同钢种和其他扰动均没 有考虑。而且反馈控制也只是进行了积分控制，不利于快速减少超调，需要较大轧制力修正时，延 伸率在长时间内偏差较大。针对这种情况，将延伸率反馈控制进行优化，在原来积分控制的基础上， 再增加比例控制，即反馈控制轧
14、制力修正值F如下计算： 2 /FK dF dK= + （7） 式中：K为轧制力修正积分控制系数， 2 K为轧制力修正比例控制系数。 运用这种改进的反馈控制方式后，在延伸率偏差较大时，比例控制起主导作用，快速的调节轧 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 289 制力以减小延伸率偏差；在延伸率偏差较小时，积分控制来消除系统静态误差，使延伸率在很小的 范围内波动。但是，比例控制系数 2 K太小就起不到快速调节轧制力的作用，太大又容易使控制系统 稳定性变差，甚至产生延伸率波动。因此， 2 K的选择对延伸率控制是很重要的。经过反复实验，对 比在不同比例控制系数下的延伸率控
15、制曲线， 2 K取3/K dF d最为合适，对延伸率的控制取得了 非常理想的效果。 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 率 伸 延 度 速 制 轧 率 伸 延 度 速 制 轧 ( m / m i n ) ( % ) 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 (a) 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 率 伸 延 度 速 制 轧 度 速 制 轧 ( m / m i n ) 率 伸 延 ( % ) 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8
16、0 . 9 1 . 0 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 图 3 反馈控制系统中加比例控制前(a)后(b)延伸率控制曲线比较 Fig 3 Contrast of elongation control curves before (a) and after(b) adding proportional controller in feedback control system 图 3 为两卷钢种和规格完全相同的带钢，设定延伸率为 1.2%，从图中可以看出，增加比例控制 来优化系统之前，带头带尾以及加减速时延伸率偏差较大，并且调节时间过长。优化后延伸率控制 效果明显改进，
17、调节时间大幅度减小，带头带尾以及加减速时延伸率控制也非常平稳，波动范围基 本不超过 0.1%。 5 结语 本文重点分析了唐钢 1780 冷轧平整机组延伸率控制系统，对其中的速度前馈控制和延伸率反 馈控制进行了分析研究，找到了在加减速等扰动情况下带钢延伸率出现较大波动的原因，并通过在 反馈控制中增加比例控制的方法优化了延伸率控制系统，有效抑制了延伸率波动，使 98.7%带钢长 度上的延伸率偏差都控制在了 0.1%以内。 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 290 参考文献 1 丁修堃. 轧制过程自动化（第2版）M . 北京:冶金工业出版社,2005. 2 陈 萍，李东亭，路凤智. 2030mm冷轧平整机轧制力模型研究J. 钢铁研究，2004，32（6） ：47-49. 3 Ryoichi Takahashi. State of the art in hot rolling process control J. Control Engineering Practice, 2001, 9(9):987-993. 4 于 强，李刚夫. 八钢冷轧平整恒延伸率控制及其影响因素分析J. 新疆钢铁，2006（1） ：3-5.