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带钢厚度精度可分为一批同规格带钢的厚度异板差和每一条带钢的厚度同板差。
为此可将厚度精度分解为带钢头部厚度命中率和带钢全长厚度偏差。
从厚差分布特征来看,产生厚差的原因有以下几种:
(1)头尾温差,这主要是由于粗轧末出口速度一般比精轧机入口速度要高,因而造成了带钢头部和尾部在空气中停留时间的不同。
(2)加热炉内导轨在钢胚表面造成的低温段称为水印,由于此段温度变化率大,厚度变动比较“陡”。
(3)活套起套过猛,对带钢产生冲击,使颈部厚度变薄。
(4)咬钢时,由于速度设定不协调加上动态速降造成钢套过大,起套并投入高速控制后由于纠偏过快造成带钢拉钢,这一松一紧使厚度减薄,宽度拉窄。
(5)温度波动造成轧制力以及厚度波动。
(6)油膜轴承的油膜厚度发生变化使实际辊缝变化,从而影响轧件厚度。
(7)轧辊偏心将直接使实际辊缝产生高频周期变化。
为了克服或减轻这些干扰因素对成品厚度的影响,除了改进AGC系统的结构外,还可以将它与各种先进的智能算法相结合,以提高其精度。
1.3液压AGC基本原理
1.3.1液压AGC的设备及其与工作
液压AGC技术是将机械、液压、自动控制以及轧制工艺等专业紧密联系在一起的综合先进技术。
它的主要设备由一套以计算机、检测元件为主的控制装置和以一套液压系统、两个液压缸(每侧一个)为主的执行机构组成。
检测元件主要有:
一个测厚仪、两个测压仪(每侧一个)以及安装在液压缸上的四个位置传感器(每个液压缸两个萨法尔SPH-DS位移传感器)和两个压力传感器(每个液压缸一个萨法尔SPH-PS压力传感器)。
现代化液压压下系统的一般结构和信号流程如图1所示,其一般特性是:
液压压下系统的加速度能达到500mm/s2,加速和减速时间仅为几十毫秒。
加速大约在10ms的空载之后开始,8ms后能使最大速度达到4mm/s.经过17M的匀速调节之后便开始减速,再经8m后压下系统制动。
液压压下调节移动100um总共需要43ms,如果调节距离冉小一些,以匀速移动,其调节时间会更短些。
如果调咕距离小于32um,则其调节时间只需26ms。
液压压下系统出具有伺服阀的定位控制电路组成,伺服阀既是定位器,又是对实际压下位置进行反馈的位置传感器,被加速的物质是液压缸内的油。
500mm/s2以上的加速度是通过液压缸内的工作压力和蓄势器压力之间的压力差来实现的。
压下位置的测量是直接在液压缸上进行,这样,滞后现象便被消除掉了。
为厂防止因液压缸倾斜而出现测量误差,将两个压下位置传感器以180°
错开排列力式进行安装,因此送给位置控制系统的实际位置值,便是两个位置传感器所测结果的平均值。
伺服放大器用于确定实际位置与日标位董(给定位置)的偏差,然后将此偏差信号直接送给伺服阀的功率放大器,经伺服阀去调节流人液压缸的油量,使之增加或减少,以便实现压下位置的改变。
轧机的传动侧和操作侧都装有单独的位置控制回路,如图1所示。
按给定位置的目标值进行控制,保证两边轧辊平行工作。
速度同步一般是由外加的同步控制器来保证。
液压系统的油箱、系统内的和系统与轧机之间的连接管线部用不锈钢制造。
低压区过滤器网眼的尺寸为3um,高压区的挡栅过滤器网眼尺寸为25um,通过它们来保证循环油所必需的纯度。
当采用了这些措施之后,伺服阀工作几年也不需更换一次。
图1液压厚度控制系统
1.3.2压力控制
压力控制是除位置控制以外的液压AGC的第二个基本控制闭环。
其原理如图2所示,
PR为负荷基准,PZ为由测压仪或压力传感器检测到的负荷反馈值△P为PR与
PZ的比较之差,它是伺服阀和液压缸的动作指今。
图2压力控制闭环
1—控制放大器2—伺服阀驱动器3—电液伺服阀4—液压缸
5—位置传感器6—压力传感器7—测压仪
压力控制闭环用于调试液压AGC系统和对轧机自动进行弹性曲线测定,即自动轧机校准。
轧机弹性曲线是通过轧机压靠,向压力控制闭环从小到大输入不同的负荷基准,同时由位置传感器测得对应的液压缸位移量(即轧机的弹跳值)而自动测定的。
2.2.3轧机设定补偿控制
轧机各道次的辊缝设定补偿控制如图3所示。
h为本道次的钢板出口厚度的目标值A为与本道次预测轧制力Py相对应的轧机弹跳值,即
A=(Py-P0)/K
Py由所轧轧件的塑性曲线得出,计算而得S’0为本道次未经前一块钢板成品厚度差修正的辊缝值(调零以后),
S’0=h-(Py-P0)/K
B为前一块钢板的成品厚度偏差(由测厚仪测得)分配到本道次的修正量,带有正负性S0为本道次经过前一块钢板成品厚度偏差修正后的辊缝值,即输入到采用自动位置控制(APC)的电动压下装置内的辊缝设定值,
S0=S’0+B
Sg为电动压下装置完成压下后由辊缝仪测得的辊缝值△S为电动压下装置APC的定位偏差,即△S=S0-Sg带有正负性,并且其绝对值应有一个最小值,当小于这个最小值时,则认为△S为零,Sy为液压缸的位置基准(设液压缸完全压缩时的液压缸位置为零),一般设Sy为液压缸行程的一半左右,即液压缸在中间位置,C为轧辊磨损的补偿值,S’y为经△S和C修正后的液压缸位置给定值,
S’y=Sy-△S+C
Sw为液压缸上的两个位置传感器所检测到的液压缸位置的平均值,它是液压缸的位置反馈值D为液压缸的位移量指令,也是伺服阀驱动器6的输入信号E为驱动器6输给电液伺服阀7的电流信号。
图3轧机设定补偿控制
1、2、3、4、5—控制放大器6—伺服阀驱动器7—电液伺服阀∗
8—液压缸9—位置传感器10—压力传感器
图3中的4、5、6、7、8和9组成了液压缸的位置控制闭环,它是液压AGC的基本控制闭环和控制内环。
当液压缸位置给定值S’y与Sw不相等,即D不等于零(实际上,D应有一个最小值,当D小于等于该最小值时,就认为D已等于零)时,电液伺服阀则得到一个电流信号E,开通油路,使液压缸8根据电流信号E的电流方向的不同做压下或抬起的位移,直到位置传感器
监测到的液压缸位置反馈:
Sw与S’y相等,即D等于零为止。
此时E等于零,电液伺服阀处于中位关闭状态。
当h、A、B、Sg、C切断输入,即均等于零时,液压缸8将在液压缸位置基准Sy的指令下,移动并保持在中间位置,也就是,当完成某一道次轧制后,液压缸8将自动保持在中间位置,等待下一道次的辊缝设定。
通过以上说明可知,上一块钢板成品厚度偏差对本块钢板的补偿(补偿量为B)在电动压下装置的辊缝设定中完成,即电动压下的辊缝设定值。
已经过S0修正B对电动压下装置APC定位误差的补偿(补偿量为△S)和对轧辊磨损的补偿(补偿量为C),在液压AGC的位置控制内环中完成,经液压缸补偿后的辊缝值:
辊缝值=Sg+△S-C=S0-C
这些补偿是在辊缝设定时完成的,也可以称作静态补偿。
1.3.3导引(差位)控制
当轧件的变形阻力(与温度和材质等有关)沿宽度方向不相同时,沿轧件宽度(或辊身)方向的轧制力也不相同,这样就会造成轧件沿宽度方向的出口厚度不相同,即轧件在宽度方向上各点的伸延量不相同,则导致轧件出口轨迹跑偏,即镰刀弯。
为了保证轧件出口具有良好的轨迹,液压AGC包含了导引控制,如图4所示。
Sc为液压缸差位基准,带有正负性。
图4导引控制
1、2、3—控制放大器4—逆变器5—伺服阀驱动器6—电液伺服阀
7—操作侧液压缸8—传动侧液压缸9—位置传感器
R为以测压仪或压力传感器测得的操作侧与传动侧的轧制力之差为基础,通过数学模型给出的两侧液压缸的差位调节值,带有正负性,为两侧液压缸的差位给定值:
S’c=Sc+R
Sp为操作侧液压缸位置Sw1与传动侧液压缸位置Sw2之差反馈值:
SP=Sw1-Sw2
正常情况下Sc等于零。
当测压仪或压力传感器检测到两侧轧制力有差值(该差值有一个最小值,当其小于该最小值时,则被视为零)时,导引控制闭环就会得到一个由该差值导出的液压缸差位调节量R,两侧液压缸则以相反方向进行R/2的位置调整,以达到两侧液压缸的位置差为R,保证轧件出口轨迹不跑偏,两侧液压缸的压下或抬起与Κ的正负性有关。
当轧件已经出现镰刀弯时,操作员可通过手动导引控制进行校正,即人工输入一个差位基准Sc,通过液压缸的调整,把已出现镰刀弯的轧件校正为具有良好出口轨迹的轧件。
导引控制独立于其动作时可能正在发生的任何自动厚度控制。
第二章液压AGC的特点
惯性小,响应快:
由于AGC缸等运动部件比电机惯性小,它的加速度可提高到500mm/s2以上,压下速度可达到4mm/s,系统频率可达15Hz,响应时间≤45ms,同时每一缸采用双向伺服阀控制,提高供油速度确保系统能满足25.1m/s的高速轧制。
其与电动压下的比较如图5所示。
图5与电动压下的比较
精度高:
由于F1—F7全部采用液压AGC,所以成品厚度偏差可以达到±
10um(3mm以上成品厚差可控在±
20um),冷轧液压AGC成品厚差精度将是成倍提高。
安全可靠:
AGC工作时缸行程范围为-5—+25mm,它的可调范围大,同时设有快速卸压装置可以防止轧辊及其轴承的过载和损坏。
消耗功率小:
由于惯性小同样所需的功率也小,效率高。
操作方便灵活:
由于采用16位多微机(MMC—216)数学系统控制操作灵活方便,同时运行周期快,采样时间仅为5ms。
降低建设费用:
液压AGC比电动压下的轧机高度低1.5—2m,可使厂房降低,从而节省总的建设费用。
从投资报价比较液压AGC比电动压下可节约5%的费用。
同时液压AGC设备比较复杂,制造精度高,故障排除也较困难,同时对油的污染也很敏感。
这在维护过程中要格外注意。
第三章AGC模型及在莱钢1500热轧厂的应用。
莱钢1500热连轧包括加热炉、粗轧、热卷箱、精轧和卷取五部分,计算机控制系统两级控制L2级和L1完成的控制功能。
精轧机的控制是轧线上最重要的控制部分。
精轧控制主要包括以下几方面的控制:
主速度控制、活套控制、厚度控制和板型控制。
自动厚度控制包括前馈、反馈、偏心补偿及监控AGC。
当自动厚度控制系统调整压下,控制厚度时,必将使轧制力发生变化,从而改变轧辊辊系弯曲变形而影响辊缝形状,最终影响出口断面形状和带钢平直度(板形),而当自动板形控制系统调整弯辊控制断面形状及平直度时,必将改变辊缝形状而影响出口厚度。
又如,当终轧温度控制改变机架间喷水或加速度时,必将使各机架轧制温度变化,最终又将会影响到出口厚度和板形。
因此功能间要相互协调,相互传递补偿信号。
从而给液压AGC的实现增加了相当的难度。
AGC系统是热连轧精轧机组自动控制中一个极为重要的组成部分,是提高热轧带钢全长厚度精度的主要手段。
针对AGC的控制难度,我们主要采用了测厚仪反馈控制加监控AGC的方法。
GM-AGC(测厚仪方式)的实际厚度是利用弹跳方程计算出来的。
基本弹跳方程的公式如下:
上式中,
:
弯辊力造成的厚度变化
油膜轴承的油膜厚度变化
辊缝零位(热膨胀及磨损)
轧机的刚性系数,牛顿/毫米
轧辊辊缝值,毫米
GM方式的基本原理是:
利用弹跳方程,根据测压仪和辊缝仪分别测得轧制压力偏差信号δP,辊缝位置的变动量△S,然后把这两个变量叠加起来,得到带钢轧出厚度的偏差值δh,将该δh反馈给厚度自动控制装置进行调节。
第四章液压AGC的发展
板厚控制技术及其理论的发展经历了由粗到细、由低到高的发展过程。
20世纪30年代以前,近代轧制理论处于孕育萌生期。
20世纪30~60年代,是轧机的常规自动调整阶段。
该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础。
同时随着自动调节理论和技术的发展,并逐步应用于轧制过程,使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。
20世纪60~80年代,进入计算机控制阶段;
60年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期;
60年代后期,逐步过渡到以计算机设定和微机进行DDC过程控制阶段,并将这种控制方式大量应用于冷连轧机;
70年代起,液压厚控技术的应用使板厚控制技术发生了重大变革。
20世纪80年代到现在,液压板厚控制向着大型化、高速化、连续化的方向发展,成为板厚技术发展的新阶段。
这一阶段已将液压板厚控制的全过程溶入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。
对于AGC这样一个多变量、强耦合、非线性的实时控制过程,一方面采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等最新控制理论,以追求控制性能的最高水平;
另一方面采用神经网络、模糊控制、遗传算法等智能算法,以追求系统的灵活性和多样性。
以上两方面的追求融合在一起,开发出高精度的厚度自动控制系统是AGC控制技术发展的大趋势。
各种控制理论和智能算法的不同组合也在这一领域提供了广阔的探索空间。
结束语:
液压AGC理论的应用,从根本上解决了传统理论的延迟时间过久,检测数据不够准确的弊端。
通过各种修正功能的实现,使得实际与理论完美的结合,达到了预期的最佳效果。
这为液压AGC的控制工作提供了坚实的理论基础。
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