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《材料與冶金學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要:

針對(duì)破鱗拉矯機(jī)的設(shè)備組成及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了以插入量和延伸率控制為核心的自動(dòng)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(diǎn)位置以及輥?zhàn)幽p影響插入量控制精度的問(wèn)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(wèn)題．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)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(duì)比明顯，設(shè)定值為0.9%時(shí)，偏差控制精度由±8%提高到±5%，設(shè)定值為1.8%時(shí)，偏差控制精度由±3%提高到±1%．

關(guān)鍵詞:

破鱗拉矯機(jī);插入量;參數(shù)尋優(yōu);延伸率

拉矯機(jī)兼顧了連續(xù)拉伸矯直和輥式矯直兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于板帶材深加工領(lǐng)域［1］．破鱗拉矯機(jī)在酸軋機(jī)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(jī)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(jī)的控制核心為插入量和延伸率，二者的精確控制對(duì)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(diǎn)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(duì)輥磨損量進(jìn)行補(bǔ)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(guó)內(nèi)某薄板廠1450mm酸軋機(jī)組破鱗拉矯機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)帶鋼拉彎矯直機(jī)的矯直原理的分析，建立了換輥前后零點(diǎn)位置變化的數(shù)學(xué)模型并對(duì)磨損情況進(jìn)行補(bǔ)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(kāi)發(fā)了符合生產(chǎn)需要的破鱗拉矯機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)延伸率控制，以達(dá)到破鱗的目的．在2#張力輥組前配有焊縫檢測(cè)儀，對(duì)焊縫位置進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)精確的帶鋼跟蹤，為拉矯機(jī)過(guò)焊縫模式提供基礎(chǔ)．在拉矯機(jī)本體前后配有兩個(gè)張力計(jì)，用于測(cè)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(guò)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(guò)對(duì)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(qiáng)度較低，同時(shí)與基體的附著力差，導(dǎo)致氧化鐵皮的開(kāi)裂和破落，從而提高了酸洗效率［5，6］．同時(shí)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(dá)到矯直目的，改善板形［7］．用拉彎矯直機(jī)進(jìn)行機(jī)械除鱗時(shí)，插入量和延伸率控制的應(yīng)用對(duì)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(jī)控制的核心．

2破鱗拉矯機(jī)的控制

破鱗拉矯機(jī)在酸洗線的工作周期:正常生產(chǎn)時(shí)為延伸率控制，當(dāng)焊縫到達(dá)帶鋼跟蹤系統(tǒng)計(jì)算過(guò)焊縫的開(kāi)始位置點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入過(guò)焊縫模式．當(dāng)焊縫離開(kāi)帶鋼跟蹤系統(tǒng)計(jì)算過(guò)焊縫的結(jié)束位置點(diǎn)時(shí)，過(guò)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(jìn)入延伸率控制，如圖2所示。其中過(guò)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(duì)破鱗拉矯機(jī)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(shí)剛接觸帶鋼，此時(shí)的位置為插入量的零點(diǎn)位置．而在換輥后插入量的零點(diǎn)位置就會(huì)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(diǎn)位置的變化規(guī)律并對(duì)磨損情況進(jìn)行補(bǔ)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(shí)際測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際測(cè)量值之間的偏差信號(hào)，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(shí)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(shí)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(yàn)的影響而難以滿足生產(chǎn)不同規(guī)格帶鋼時(shí)延時(shí)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(dá)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(shí)間最快，調(diào)節(jié)時(shí)間最短，往往無(wú)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(duì)幾個(gè)特征值做綜合考慮，因?yàn)槭浅{(diào)量大或是調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)都會(huì)使誤差積分值增大．針對(duì)延伸率控制的特點(diǎn)，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(jìn)行加權(quán)處理，使評(píng)價(jià)結(jié)果更趨于合理．

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于本文開(kāi)發(fā)的破鱗拉矯機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某薄板廠1450mm酸軋機(jī)組生產(chǎn)線．現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，生產(chǎn)節(jié)奏連貫，插入量補(bǔ)償準(zhǔn)確，破鱗效果良好．通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，驗(yàn)證了零點(diǎn)位置計(jì)算法的有效性，分別換輥前后8卷帶鋼做了零點(diǎn)標(biāo)定，對(duì)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(jì)算值的最大偏差為0.19mm，2#彎曲輥的標(biāo)定值和計(jì)算值的最大偏差為0.23mm，矯直輥的標(biāo)定值和計(jì)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(shí)，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(jià)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(diǎn)位置與換輥前后輥徑的函數(shù)關(guān)系式．對(duì)比數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)1#彎曲輥的標(biāo)定值和計(jì)算值的最大偏差為0.19mm，2#彎曲輥的標(biāo)定值和計(jì)算值的最大偏差為0.23mm，矯直輥的標(biāo)定值和計(jì)算值的最大偏差為0.24mm，誤差很小，滿足現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(shí)，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(shí)，優(yōu)化前偏差為±3%，優(yōu)化后偏差為±1%．(3)該破鱗拉矯機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定高效．

作者：王力 朱曉巖 陳樹(shù)宗 丁樺 張殿華 單位：東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院