AGC控制原理

WUSTAGC徐光武汉科技大学材料与冶金学院材料成型与控制系2006.5武汉WUST主要内容1.冷轧产生厚差的原因2.弹塑性曲线3.AGC4.HC轧机受力分析5.传动力矩6.轧制压力（变形抗力）WUST1.冷轧产生厚差的原因冷带厚度精度分为：带钢头部厚度命中率和带钢全长厚度偏差。带钢头部厚度命中率取决于厚度设定模型的精度；带钢全长厚度差由AGC根据头部厚度（相对AGC采用头部锁定）或根据设定的厚度（绝对AGC）使全长各点厚度与锁定值或设定值之差小于允许范围。影响头部命中率的因素为：（1）设定模型精度不高（主要是温轧制力模型的精度）；影响带钢全长厚度偏差的因素可分为：（1）由带钢本身工艺参数波动造成，包括来料厚度不均以及化学成分偏析等；（2）由轧机参数波动造成，包括支持辊偏心、轧辊热膨胀、轧辊磨损以及油膜轴承油膜厚度的变化等。1.冷轧产生厚差的原因WUST2.弹塑性曲线2.弹塑性曲线弹跳方程是分折厚度自动控制系统的一个有效工具，通过它不但可以弄清各种因素对厚度的影响，而且还可定量地分析各种厚度控制方案。一种直观简易的分析方法是将变形区中的轧制力作为纵坐标，而把厚度作为横坐标，作成P-h图，在此图上，可以综合地研究变形区中轧件(塑性方程式)和轧辊(弹性方程式)间相互作用又相互联系的力和变形关系，如图1所示。图1P-h图（弹塑性曲线）hPP0SHKMS(h)图2P-h图WUSTP-h图在定性上比较直观，是目前讨论厚差和厚度控制现象的一个有用工具。由于轧出厚度h即为“有载”辊缝值，因此在横坐标h上亦很清楚地表达了“空载”辊缝值So，轧出厚度h和机座弹跳量。这样在P—h图上可以同时表达出轧机弹性变形和轧件塑性变形的情况。h=Sp=S+P/K由图2可以看出：其中：S-空载辊缝；P-轧制压力；K-轧机刚度。实际生产中，辊缝零点（位）很难确定，一般采用轧辊压靠方法确定轧辊的零位（图3）（压靠过程中同时测定轧辊刚度）。h=So+(P-P0)/Kp+O+G(2)式中So----人工零位的辊缝仪指示值，mm；K-----机座刚度系数，kN/mm；(1)WUSTx1x2x3xHSh'0S0S0PPPl'lkn图3轧辊压靠P-----轧制压力，kN；P0----预压靠力，kN；O---油膜厚度，mm；G---辊缝零位，mm。轧辊压靠零位实际上是负辊缝（压扁辊缝）2.弹塑性曲线WUST2.弹塑性曲线各道次厚度分配确定以后，就可以由轧制压力公式计算出各道次压力，然后由式（2）计算出各道次需要的轧辊辊缝值，并送到APC(AutomaticPositionControl)系统进行辊缝设定。So=h–[(P-P0)/Kp+O+G](3)由弹塑性曲线，可以定性的分析各种因素对轧制厚度的影响和控制厚度的方法。(1)轧机方面的原因(见图4)属于这类的有轧辊偏心(使轧辊发生周期变动)和轧辊热胀、轧辊磨损。前者为一变化频率高的外部干扰量，后者则变化缓慢，但产生的现象都是在辊缝指示值So不变的情况下，实际辊缝有所变动。因此，使出口厚度波动。图9偏心影响及偏心控制图4偏心影响及偏心控制WUST(2)轧件方面的原因属于这类的有入口厚度波动边(图5)和轧件硬度波动(图6)。图5来料厚度偏差及控制图6来料硬度影响及控制图11来料硬度影响及控制WUST轧机刚度对厚差的影响图7轧机刚度对轧件厚度的影响当来料出现厚度偏差时，轧机刚度大，则产生的出口厚差小。2.弹塑性曲线WUST轧机的自消差能力2.弹塑性曲线如图8所示，当来料出现厚度偏差时，轧产生的出口厚差。由图中的几何关系可知：hHMPhxhH又：;KhPKhP代入整理：HKMMh经过轧制以后，来料厚差减小了，称为轧机的自纠偏能力。hPP0ΔHKMS(h)ΔhxΔP图8来料厚差和成品厚差的关系WUST2.弹塑性曲线为了消除厚差，可采用各种不同的措施(厚度控制方案)：a)移动压下这常用来消除轧件方面原因造成的厚差。如果轧件较硬(当轧合金钢或轧件较薄时，轧件塑性变形线较陡)，则移动压下来调厚的效率较低，能消除的值较小，大部分都转成轧机弹性变形了。对于轧机方面的原因造成的厚差，如是热胀等缓慢变化量，则可用相应的压下移动来补偿此实际辊缝值的变化，使轧件厚度不变；对于高频变化的偏心影响，如是液压压下则尚可高速地给予补偿，如是电动压下，则不能用来回移动压下的方法消除。hb)利用张力，改变轧件塑性线来进行厚度控制，但张力变动范围有限，变动过大容易造成宽度不合格，因此控制效果受到限制。图12张力调厚图9张力调厚WUST3.AGC（AutomaticGaugeControl）3.1辊缝传递函数和关系(图10)。由图知，当压下移动时，轧件厚度变化并不是，而仅仅是，它们间的关系可推导如下。图10和的关系ShSShShWUST因此，在Cp和Q一定的情况下，为了消除值，压下需移动值才行。称为辊缝传递函数，或者压下效率系数。ShKMKK=Cp，轧机刚度系数，t/mm;M=Q，轧件塑性系数，t/mm。3.AGCtantanSabhcbKM11()()tantancdcdKMabaccbcdcdKMKMcdcbM()cdhcbKMcdKMSabKMKMKhSKMWUSTbb。3.AGC轧机刚度（系数）和轧件塑性系数的确定。（1）轧机刚度Ka)轧板法将轧机压靠到一定压力后，抬起轧辊，固定辊缝，轧制一定厚度的轧件，测量轧后厚度、轧制压力等，由式（2）可以求出轧机刚度：h=So+(P-P0)/Kp+（O+G）(2)轧制若干铝板，得到几个不同的刚度系数，然后求平均值。b)压靠法轧机慢速转动，将轧辊压靠，得到表1所示的压力和辊缝值。由此可以求出各刚度系数：最后取平均值，求出该轧机的刚度（系数）。iiiSPKWUST轧制压力（t）010030080011001450…辊缝(mm)1212.5131414.515…刚度系数Ki(t/mm)200200500600700平均值600表1压靠法测量轧机刚度（2）轧件塑性系数M采用计算法确定轧件塑性系数M，根据定义：用轧制压力公式计算在一定的hi下的压力Pi，然后，将厚度增加一个增量，计算轧制压力增量，根据M的定义，可以得到轧件塑性系数。iihPMPiihWUST3.2前馈AGCAGC系统一般是根据反馈原理工作的，即利用直接或间接测厚(间接测厚即用实测轧制力和辊缝信号用弹跳方程来测厚)，检测出实际轧出厚度后，与给定值相比，求得实际厚度偏差，并用此偏差信号去控制压下进行厚度控制。但反馈AGC的主要缺点是，实际调厚的点不是所检测之处，存在滞后现象。为了克服这一点，在采用计算机控制基础上，可采用预控原理来调厚，即用人口测厚仪或用上一机架弹跳方程测出出口厚度，亦即延时后将为本架人口厚度，当它和给定值相比有偏差时，可预先估计出将产生的出口厚度偏差值，由此可确定应有的辊缝调节量，然后根据检测点进入轧机的时间，并考虑移动所需的时间，提前进行控制，使控制点即为此检测点。前馈AGC的原理见图11。根据图12的几何关系，可以推导出来料厚度偏差与辊缝调节量之间的关系为：3.AGCHKMSHSWUST关系与SH图12图11前馈和反馈AGC前馈AGC属于开环控制，无法检验控制效果。ΔSΔSΔH=H*-H0H*前馈AGCH0Δh=h*-h0h0反馈AGCWUST3.AGC3.3反馈AGC反馈AGC系统利用轧机后的测厚仪，检测实际轧出厚度，与给定目标厚度相比，得到实际厚度偏差，并用此偏差信号去控制压下进行厚度控制。反馈AGC的原理见图9。反馈AGC的主要缺点是，实际调厚的点不是所检测之处，存在滞后现象。反馈AGC的控制量为：hKMKS3.4GM-AGC为了减小反馈AGC的滞后，可以利用机架作为“侧厚仪”测量轧出厚度，根据实测的轧制压力、辊缝等值，用弹跳方程求出轧后厚度：*PS*GOKPPSh0***WUSTΔSΔh=h*-h0h0h*P*,S*图13GM-AGC将“实测”的厚度与目标厚度相比，得到厚度偏差，然后换算成辊缝调节量进行压下调节，消除厚差。GM-AGC的优点是减小了测厚仪反馈AGC的滞后，但错点是用弹跳方程测厚，精度不高。WUST3.5X-射线测厚仪监控AGC间接测厚的厚度控制系统虽然考虑了各种补偿因素(如油膜厚度、辊缝零位常数等)，其精度总是低于X射线测厚仪直接测出的厚度值。因此，在本卷钢厚度控制系统投入后，仍需以X射线测厚仪所测得的成品厚度实测值为基准，对AGC系统进行监视。当成品厚度和设定值有偏差时，将此偏差值积分后反馈到每个机架的ACC系统(积分控制)中。X射线测厚仪监控和辊缝零位常数G自学习的区别在于，G是不断递推，由n根钢测得后递推到n+1根钢时应用，而监控仅用于本卷钢，当尾部一离开第一机架即停止工作，并将累积的监控值清零。X-射线测厚仪监控AGC属于大滞后系统。WUST3.6张力AGC上述几种AGC均为压下AGC，但轧制薄而硬的带材时（M很大），压下调节效率不高，这时需采用张力AGC进行厚度控制。当轧件出口厚度增大时，增加张力，降低轧制压力，减小轧辊弹跳，使轧件出口厚度变小，回到目标值。张力调节量和轧件厚差的关系可通过弹跳方程和压力方程的联解得到。hKMKS3.AGCKPShTTPhhPPWUST图14软硬金属对轧辊调节量的影响(a)厚软金属；(b)薄硬金属WUST式中，K-轧机刚度；-厚度偏差；-张力调节量；-厚度对轧制压力的影响系数；-张力对轧制压力的影响系数由上两式可以解出：hTPhPKT当辊缝不动时：STPKhTPhPKThThPTP通过速度的调节来改变张力。WUST3.7流量AGC上述几种AGC，前馈是开环控制；反馈有滞后；GM-AGC厚度”测量”精度不高；张力AGC调节范围有限。因此，随着激光测速仪的出现，提出了流量AGC。流量AGC是在机架前设置测厚仪、激光测速仪，在机架后设置激光测速仪。其基本原理为：在任一瞬间，进入和离开轧机的带钢体积保持不变，即：张力AGC调节范围有限，一般调节量不超过张力设定值的15%。它适用于冷轧，尤其是冷轧后面的道次，由于轧件加工硬化，压下效率很低，这时宜采用张力AGC进行厚控。111000vbhvbh在冷轧过程中，带钢宽度几乎不变。即：1100vhvh3.AGCWUST3.AGC如果考虑厚度偏差，则有：)()(111000hhvhhv因此，出口厚度偏差为：100101)(hhhvvh得到出口厚度偏差后，对辊缝进行调节：hKMKS由于激光测速仪能够精确测量带钢入、出口速度，因此流量AGC即根据入口厚度、入口速度和出口速度准确地计算出出口厚差并进行控制，同时，厚度测量点就是轧件出口速度，没有延时。ΔSΔh=h*-h1h1h1*H*V0*V1*图15流量AGCWUST3.8位置内环-厚度外环/轧制力内环-厚度外环控制方式现代冷轧机普遍采用全液压压下，其自动厚度控制系统可以采用常规的位置内环、厚度外环方式，亦可采用轧制力内环、厚度外环方式，单独的恒轧制力环可以消除偏心影响，但单纯恒轧制力环将放大带钢带来的外扰(来料厚差及硬度变动)，因此，一般很少单纯采用轧制力环，而是采用轧制力内环、厚度外环方式(见图17)。轧制力内环用来消除偏心，而在轧制力环外再加上厚度环以消除轧件带来的外扰。位置内环、厚度外环和轧制力内环、厚度外环的控制算法不同，将在下面分别叙述。位置内环、厚度外环是根据厚差控制轧辊的位置到一定的目标值；而轧制力内环、厚度外环是根据厚差控制轧制压力到一定的目标值。WUST3.AGC图16位置内环图17压力内环WUST3.8.1反馈输出量的计算消除厚差的最终动作是移动压下，但输出量的计算对于位置内环和轧制力内环是不同的。(1)对于位置内环，厚度外环方式方式由于内环本身是位置环，厚度环只需给