破鱗拉矯機控制系統(tǒng)的開發(fā)范文

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《材料與冶金學(xué)報》2016年第一期

摘要:

針對破鱗拉矯機的設(shè)備組成及生產(chǎn)工藝特點，開發(fā)了以插入量和延伸率控制為核心的自動控制系統(tǒng)．建立了插入量的控制模型，解決了因換輥后頻繁標(biāo)定零點位置以及輥子磨損影響插入量控制精度的問題．采用參數(shù)尋優(yōu)的方法，求解以誤差為基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)得出適配參數(shù)，解決了延伸率控制中的參數(shù)設(shè)置合理性受人為因素影響較大的問題．現(xiàn)場實際應(yīng)用效果表明:破鱗效果良好，彎曲輥和矯直輥的標(biāo)定值與計算值的最大偏差均可控制在0.24mm以內(nèi);延伸率控制采用參數(shù)尋優(yōu)前后效果對比明顯，設(shè)定值為0.9%時，偏差控制精度由±8%提高到±5%，設(shè)定值為1.8%時，偏差控制精度由±3%提高到±1%．

關(guān)鍵詞:

破鱗拉矯機;插入量;參數(shù)尋優(yōu);延伸率

拉矯機兼顧了連續(xù)拉伸矯直和輥式矯直兩種工藝的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于板帶材深加工領(lǐng)域［1］．破鱗拉矯機在酸軋機組中起到破鱗和改善板形的作用，破鱗能力直接影響著酸軋機組的酸洗效果和生產(chǎn)效率，板形改善能力關(guān)系著產(chǎn)品的平直度等產(chǎn)品質(zhì)量［2］．破鱗拉矯機的控制核心為插入量和延伸率，二者的精確控制對其應(yīng)用效果有至關(guān)重要的影響［3］．插入量的控制以零點位置標(biāo)定為基礎(chǔ)，以往換輥后需要重新標(biāo)定以及未對輥磨損量進行補償，影響了生產(chǎn)效率和控制精度．延伸率的控制，以往采用傳統(tǒng)PID控制等策略受外界因素影響較大難以取得滿意的控制效果．本文以國內(nèi)某薄板廠1450mm酸軋機組破鱗拉矯機為對象進行研究，通過對帶鋼拉彎矯直機的矯直原理的分析，建立了換輥前后零點位置變化的數(shù)學(xué)模型并對磨損情況進行補償，采用求解以誤差為基礎(chǔ)的目標(biāo)函數(shù)得出適配參數(shù)的延伸率控制策略，開發(fā)了符合生產(chǎn)需要的破鱗拉矯機的控制策略，取得了良好的應(yīng)用效果．

1破鱗區(qū)設(shè)備組成與矯直原理

1.1破鱗區(qū)設(shè)備組成破鱗區(qū)的主要設(shè)備組成如圖1所示，破鱗拉矯機的本體采用“兩彎一矯”的形式，即1#彎曲輥組、2#彎曲輥組和矯直輥組．在其本體前后配備張力輥組，即2#張力輥組和3#張力輥組，并采用靈活的電氣連接方式實現(xiàn)延伸率控制，以達到破鱗的目的．在2#張力輥組前配有焊縫檢測儀，對焊縫位置進行校正，實現(xiàn)精確的帶鋼跟蹤，為拉矯機過焊縫模式提供基礎(chǔ)．在拉矯機本體前后配有兩個張力計，用于測量帶鋼張力，為間接延伸率控制提供張力反饋．

1.2矯直原理在破鱗拉矯過程中，由張力輥組提供拉矯張力將帶鋼拉伸，由彎曲輥組產(chǎn)生彎曲變形，在張力作用下使帶鋼反復(fù)彎曲變形［4］，利用鐵基體及氧化鐵皮覆蓋層材料性能的巨大差異，經(jīng)過對帶鋼的反復(fù)彎曲和拉伸，使其表面氧化鐵皮層產(chǎn)生反復(fù)拉伸與壓縮，而基體材料受力后產(chǎn)生一定程度的彈塑性變形，由于表面的氧化鐵皮不具有塑性且破壞強度較低，同時與基體的附著力差，導(dǎo)致氧化鐵皮的開裂和破落，從而提高了酸洗效率［5，6］．同時帶材一側(cè)的拉伸效果將得到疊加并使中心層出現(xiàn)塑性變形而達到矯直目的，改善板形［7］．用拉彎矯直機進行機械除鱗時，插入量和延伸率控制的應(yīng)用對去除帶鋼表面的氧化鐵皮和消除板形缺陷起到很大的作用［8］．因此高精度的插入量和延伸率控制是破鱗拉矯機控制的核心．

2破鱗拉矯機的控制

破鱗拉矯機在酸洗線的工作周期:正常生產(chǎn)時為延伸率控制，當(dāng)焊縫到達帶鋼跟蹤系統(tǒng)計算過焊縫的開始位置點時，進入過焊縫模式．當(dāng)焊縫離開帶鋼跟蹤系統(tǒng)計算過焊縫的結(jié)束位置點時，過焊縫模式結(jié)束，并觸發(fā)新一卷的設(shè)定值(插入量、延伸率、張力)，然后重新進入延伸率控制，如圖2所示。其中過焊縫模式根據(jù)帶鋼規(guī)格和焊縫質(zhì)量分為4種模式，如表1所示．

2.1位置標(biāo)定插入量對破鱗拉矯機的破鱗效果及延伸率控制有重要的影響．而插入量的控制是以位置標(biāo)定為基礎(chǔ)，一般認(rèn)為下彎曲輥上表面調(diào)至與上彎曲輥下表面同時剛接觸帶鋼，此時的位置為插入量的零點位置．而在換輥后插入量的零點位置就會發(fā)生改變，為了避免每次換輥后都重新調(diào)零，影響生產(chǎn)效率，根據(jù)設(shè)備布置的幾何關(guān)系及換輥前后零點位置的變化規(guī)律并對磨損情況進行補償，建立如下函數(shù)關(guān)系式。

2.2延伸率控制延伸率的控制模式主要有兩種:速度控制模式和張力控制模式．速度控制模式是利用延伸率設(shè)定值與實際測量值之間的差值，產(chǎn)生相應(yīng)的附加速度，作用于2#張力輥組，調(diào)整其速度，從而實現(xiàn)對帶鋼延伸率的控制．張力控制模式是利用延伸率設(shè)定值與實際測量值之間的偏差信號，產(chǎn)生相應(yīng)的附加張力，將其作用在2#張力輥上，從而調(diào)整其張力力矩，實現(xiàn)帶鋼延伸率的控制，薄帶材一般采用此種控制模式．在工程實踐中，延伸率控制器采用PI控制器，其參數(shù)往往受人為經(jīng)驗的影響而難以滿足生產(chǎn)不同規(guī)格帶鋼時延時率控制精度的要求．為了獲得優(yōu)化的PI控制器參數(shù)，使控制效果達到最優(yōu)，可以將最優(yōu)化理論應(yīng)用于控制器參數(shù)尋優(yōu)中。目標(biāo)函數(shù)是控制器參數(shù)尋優(yōu)的核心，單一指標(biāo)型的目標(biāo)函數(shù)，如超調(diào)量最小，上升時間最快，調(diào)節(jié)時間最短，往往無法取得滿意的控制效果，而采用誤差型的目標(biāo)函數(shù)，可以對幾個特征值做綜合考慮，因為是超調(diào)量大或是調(diào)節(jié)時間長都會使誤差積分值增大．針對延伸率控制的特點，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能，建立以誤差和誤差變化率為基礎(chǔ)的多目標(biāo)函數(shù)，并進行加權(quán)處理，使評價結(jié)果更趨于合理．

3現(xiàn)場應(yīng)用

基于本文開發(fā)的破鱗拉矯機控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)某薄板廠1450mm酸軋機組生產(chǎn)線．現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，生產(chǎn)節(jié)奏連貫，插入量補償準(zhǔn)確，破鱗效果良好．通過現(xiàn)場實際生產(chǎn)，驗證了零點位置計算法的有效性，分別換輥前后8卷帶鋼做了零點標(biāo)定，對比表2、表3、表4的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)1#彎曲輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.19mm，2#彎曲輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.23mm，矯直輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.24mm.如圖6所示，延伸率設(shè)定值為1.8%時，優(yōu)化前偏差為±3%且偏差集中在－0.5%，優(yōu)化后偏差為±1%且偏差集中在0%，優(yōu)化效果明顯．此參數(shù)尋優(yōu)的方法具有普遍的應(yīng)用價值．

4結(jié)論

(1)根據(jù)設(shè)備布置的幾何關(guān)系，建立了零點位置與換輥前后輥徑的函數(shù)關(guān)系式．對比數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)1#彎曲輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.19mm，2#彎曲輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.23mm，矯直輥的標(biāo)定值和計算值的最大偏差為0.24mm，誤差很小，滿足現(xiàn)場要求，加快了生產(chǎn)節(jié)奏．(2)建立以誤差和誤差變化率為基礎(chǔ)的多目標(biāo)函數(shù)，通過參數(shù)尋優(yōu)，獲得了適配參數(shù)Kp、Ki．應(yīng)用結(jié)果表明，延伸率設(shè)定值為0.9%時，優(yōu)化前偏差為±8%，優(yōu)化后偏差為±5%，延伸率設(shè)定值為1.8%時，優(yōu)化前偏差為±3%，優(yōu)化后偏差為±1%．(3)該破鱗拉矯機控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某薄板廠1450mm酸洗冷連軋生產(chǎn)線，運行穩(wěn)定高效．

作者：王力 朱曉巖 陳樹宗 丁樺 張殿華 單位：東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院