賀文健，丁文紅

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223）

1 引言

通過對某廠單機架平整機組液壓壓下控制系統(tǒng)的測試和分析，得到單機架平整機常規(guī)配置的液壓壓下伺服系統(tǒng)在軋制力控制精度和穩(wěn)定性方面的性能指標。隨著社會的進步，為了滿足市場和客戶對高精度冷軋板帶材的日益增長需求，我公司針對性地開發(fā)了雙伺服并聯(lián)控制等系列高精度軋制力控制技術(shù)。

2 平整機的控制模式

眾所周知，冷軋平整機能有效改善帶鋼的組織結(jié)構(gòu)、消除帶鋼退火后的屈服平臺以及改善帶鋼的平直度和表面質(zhì)量。針對產(chǎn)品性能和來料狀態(tài)的不同，我們在平整機AGC 控制系統(tǒng)設(shè)計時通常具備三種控制模式：模式1為恒延伸率、張力調(diào)節(jié)控制模式；模式2為恒延伸率、軋制力調(diào)節(jié)控制模式；模式3為恒軋制力、張力調(diào)節(jié)控制模式。冷軋產(chǎn)品通常采用恒延伸率控制方式，再根據(jù)厚薄不同、材質(zhì)不同、對軋制力和張力的不同敏感程度，選擇采用模式1或模式2 進行控制；而對于平直度和表面質(zhì)量要求比較高的產(chǎn)品，通常選擇模式3 來進行控制。

隨著目前市場對冷軋板帶性能要求的不斷提高，尤其是高強鋼和極薄板需求量的增加，對平整機軋制力控制特性提出了更高的要求，也就是說，在滿足常規(guī)平整軋制力穩(wěn)定控制的同時，也要滿足極限軋制力尤其是小軋制力性能控制的要求。

3 常規(guī)平整機液壓壓下控制系統(tǒng)的組成

常規(guī)平整機液壓壓下控制系統(tǒng)的組成如圖1 所示，主要組成元件包括壓下缸1、測壓傳感器2、供油管道3、伺服閥4、蓄能器5、背壓比例閥6 和安全閥7。

圖1 平整機液壓壓下系統(tǒng)控制閥臺簡圖

為了滿足常規(guī)產(chǎn)品的性能要求，一般在設(shè)計中對主要液壓元器件也提出了基本要求，包括：壓下缸1 采用低摩擦伺服缸，固有頻率不低于50Hz；測壓傳感器2 采用鋼廠軋機專用的HDA3800 系列；伺服閥4 采用的是D661 系列高頻響伺服閥；伺服閥入口配置蓄能器5，提高壓下缸補油速率；而連接伺服閥和壓下缸之間的供油管道3 也盡量采用硬管直接連接，減少由于管路帶來的系統(tǒng)頻寬損耗。

4 平整機液壓壓下控制系統(tǒng)性能測試及分析

為了更好地測試軋制力控制的穩(wěn)定性和控制精度，需要在液壓壓下控制系統(tǒng)作用下完成相應(yīng)測試，初步擬定該測試分為不帶載靜態(tài)壓靠和動態(tài)掃頻測試。通過不帶負載靜態(tài)壓靠，逐級降低軋制力的設(shè)定值（具體壓力梯度可根據(jù)軋制工藝確定），保證帶鋼在95%長度上延伸率偏差值在允許范圍內(nèi)，假定系統(tǒng)壓力振蕩不超過到給定值的20%，從而找出軋制力穩(wěn)定控制的最小值。要得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性則需要對系統(tǒng)進行掃頻測試。掃頻測試是依次用不同頻率ωj的正弦信號激勵被測系統(tǒng)的同時測出激勵和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值X0j、Y0j及相位差φj。根據(jù)線性定常系統(tǒng)的頻率保持性，系統(tǒng)在正弦信號X（t）=X0sinωt的激勵下，所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)是正弦信號。此時輸入與輸出雖為同頻率的正弦信號，但兩者的幅值并不一樣。其幅值比A=Y0/X0是頻率ω的函數(shù)，相位差φ 也是頻率ω的函數(shù)。

考慮到現(xiàn)場的設(shè)備安全性和測試材料的成材率要求，只能在實際生產(chǎn)中某些特定的生產(chǎn)工況下完成相應(yīng)測試，因此，所謂的最小穩(wěn)定軋制力和響應(yīng)頻率也只是針對某些具體工況下的測試值。

在最小穩(wěn)定軋制力測試中，通過現(xiàn)場對23 組鋼卷軋制過程PDA 參數(shù)中軋制力給定值和反饋值的對比分析，可以找出鋼卷在平整軋制過程中能夠穩(wěn)定控制的相對最小軋制力約為（6～7）×105N。該鋼卷的軋制力給定與反饋見圖2。

圖2 鋼卷軋制力控制

在軋制力響應(yīng)頻率的測試中，現(xiàn)場由于無法對軋制力添加外部激勵測試信號，因此只能采用系統(tǒng)辨識的方法對軋制力閉環(huán)頻率特性進行分析。根據(jù)經(jīng)驗，現(xiàn)場預(yù)估多種模型，通過選取實際平整過程中多個有典型軋制力波動的代表數(shù)據(jù)，在相同輸入的前提下對模型仿真輸出和實際輸出進行多組數(shù)據(jù)對比，同時，利用MATLAB 辨識工具箱進行模型辨識，確定模型階次，從估計出的模型結(jié)構(gòu)中選取適合該平整機實際且具有合適精度的結(jié)構(gòu)。

平整機軋制過程包括牌坊、輥系、壓下缸、帶鋼、軋制力、彎輥力、摩擦力等，是一個復(fù)雜的分布質(zhì)量系統(tǒng)，即為無窮自由度系統(tǒng)。為了簡化分析，將其簡化為一個單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 單自由度平整機機負載模型

忽略摩擦非線性對平整機動態(tài)的影響，平整機負載方程為：

測壓傳感器可視為比例環(huán)節(jié)，假設(shè)伺服閥為理想零開口四通滑閥、連接管路采用硬管連接、油液的溫度和體積彈性模數(shù)為常數(shù)，則上述液壓壓下系統(tǒng)主要組成部分的數(shù)學模型可用圖4 所示的方塊圖表示。

方塊圖中：Ksv代表伺服閥的增益，m/A；Kq代表伺服閥的流量增益；Kc代表伺服閥的流量-壓力增益系數(shù)；Kf代表壓力反饋系數(shù)。

圖4 軋制力控制系統(tǒng)方塊圖

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可簡化為：

式中，K＝（KaKsvKsAp/Kce）。

在建立液壓壓下系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)正常平整軋制過程中的數(shù)據(jù)來對系統(tǒng)進行辨識。給出了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性Bode 圖，辨識結(jié)果顯示系統(tǒng)的頻寬在10Hz 以內(nèi)。

5 提高平整機軋制力控制精度和穩(wěn)定性的技術(shù)開發(fā)

要保證極薄板產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，就必須要求軋制系統(tǒng)有較高的控制精度和較快的系統(tǒng)響應(yīng)，實現(xiàn)軋制力、張力的快速準確調(diào)整，保證延伸率的穩(wěn)定性。但是，一般產(chǎn)品方案中性能區(qū)間跨度會非常大，傳統(tǒng)的控制方式對軟鋼性能的穩(wěn)定性控制非常困難。

壓下系統(tǒng)的電液伺服閥選取原則兼顧極限軋制情況下的最大流量需求和動態(tài)特性要求。一般來說，電液伺服閥的規(guī)格越小分辨率就越高；規(guī)格越小的電液伺服閥，控制系統(tǒng)的電氣增益就可以更大些，從而系統(tǒng)的精度就高些。

為了兼顧常規(guī)軋制需求和滿足小軋制力時高精度軋制的需要，我們開發(fā)了雙伺服閥控制技術(shù)及預(yù)減壓/大背壓控制技術(shù)等。雙伺服閥控制技術(shù)通過利用不同伺服閥在閥口特性、頻寬特性以及壓力-流量特性等方面的不同，根據(jù)不同的工況綜合使用兩伺服閥（如圖5，雙伺服閥控制系統(tǒng)）。由于在用小軋制力進行軋制時，難于進行流量補償，使得壓下系統(tǒng)加載和卸載的調(diào)速特性不同。這時可考慮采用預(yù)減壓/大背壓控制技術(shù)，即對供油壓力進行預(yù)減壓，使得伺服閥的供油壓力近似等于小軋制力對應(yīng)的壓下缸控制腔壓力的2 倍，這時就滿足了伺服閥和系統(tǒng)的雙向特性一致的先決條件。同時，可以增大背壓力以提高減壓閥的設(shè)定值，以使得大背壓下小軋制力時所需控制壓力增大至便于控制的范圍。伺服閥前設(shè)置減壓閥，一定程度上增加了能耗；但伺服閥前設(shè)置減壓閥比未設(shè)置減壓閥時所需要的峰值流量卻減少了，如圖6 所示。

圖5 雙伺服閥控制系統(tǒng)

圖6 泵流量峰值輸出曲線對比

6 結(jié)論

通過測試和分析可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的平整機液壓壓下系統(tǒng)在普通帶材軋制時是基本可以滿足要求的，但對于產(chǎn)品性能要求越來越高的高強鋼和深沖鋼來說，我們需要更高性能的AGC 控制系統(tǒng)。該系列專利技術(shù)目前已經(jīng)在我公司多個項目上進行了實際使用，大大提高了軋制力控制的精度和穩(wěn)定性，對提高產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量起到了關(guān)鍵性作用。

［1］趙吉風.冷軋帶鋼的精整［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

［2］羅伯茨W L.冷軋帶鋼生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

［3］丁文紅.平整機的板形改善機制及其應(yīng)用［J］.軋鋼，2012，29（1）：26-28.

［4］宋祖峰，丁文紅，陳利，等.武鋼集團鄂鋼1500mm 四輥平整機設(shè)計實踐［J］.武鋼技術(shù)，2008，46（6）：46-49.