热连轧机AGC系统的动态仿真

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.02.015 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 热连轧机AGC系统的动态仿真 罗永军王长松刘江张杰李江洁孙克 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要参照某热轧厂实际情况建立了热连轧AGC系统的动态模型，通过该模型进行动态 仿真，研究了各种参数变化对于轧件出口厚度的影响，结果表明，该模型繁简适度，有利于对 多种因素进行分析. 关键词AGC动态仿真；热连轧；轧制过程 分类号TP272;TG333.71 带钢热连轧过程中，多机架连轧机由于带钢 的联系而形成了一个复杂系统，带钢起着机架间 传递厚度、凸度、温度以及张力的作用. 每一个外扰量产生的后果（厚度波动、温度 波动等)都将成为新的干扰源.各种扰动对前一 机架轧出厚度的影响都将经过一定的时间后，成 为下一个机架的外扰源.因此，热连轧机中一个 机架某个参数发生变化时，除了直接影响本机架 的工作外，还将影响其他机架的工作，而最终都 0 会在成品厚度上反映出来. △S h h'ho ho h 研究各个变量之间的影响规律，特别是它们 图1 GMAGC控制原理图 之间的动态联系，是提高连轧系统的轧制精度所 Fig.1 Schematic diagram of GM AGC 需要的，但对于多机架的复杂系统进行综合研 究，仅依靠理论分析是不够的.因此，建立一种能 用.图1中，ho为入口厚度，mm:h为出口厚度，mm; 够既适度又方便地对热连轧过程进行动态仿真 S为辊缝值，mm:P为轧制力，kN. 的模型，并结合生产现场的实际数据进行仿真， 图2为GM AGC的控制逻辑图. 对热连轧过程的控制优化和产品质量改进具有 GMAGC的控制算法表达式为： 重要意义， AM=AS+号 (1) .h. (2) 1液压厚度计型AGC原理 图2及式中，M为轧机刚度系数，kNmm:2为轧件 国内某热轧厂的七架轧机采用液压厚度计 型AGC(GM AGC)控制方式. 压下系统 AP M什Q 如图1，GM AGC利用位置和轧制力增量信 1+TS 号，依据轧机弹跳方程估计厚度偏差，然后考虑 轧机压下效率补偿，对轧机位置系统进行调节以 MO 消除厚差，GM AGC是轧机弹跳方程的直接应 M+O 收稿日期200306-19 罗永军男，26岁，博士研究生 图2 GM AGC控制逻辑图 *国家“九五”科技攻关项目No.95-527-01-02-04) Fig.2 Logie diagram of GM AGC

第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 4 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e r s iyt o f s e ie n 沈 a n d l t c h n o l o gy B e ij in g V bL 26 N O 一 2 如 .r 20 04 热连轧机 A G C 系统 的动态仿真 罗永军 王 长松 刘 江 张 杰 李江 洁 孙 克 北京科技 大学 机械工 程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 参 照某热 轧厂 实际情 况 建立 了热连 轧 A G C 系统 的动 态模 型 , 通过 该模 型进行 动态 仿 真 , 研 究 了各 种参数 变化对 于轧 件 出 口 厚度 的影 响 . 结果 表 明 , 该模型 繁简适 度 , 有利 于对 多种 因 素进行 分析 . 关 键词 A G ;C 动态仿 真 ;热 连轧 ; 轧制 过程 分 类号 即2 7 2: T G 3 33 . 7 1 ó产J . … 工N口. J… . 儿 月叨尸lr, -l.I-1 ; ù -l . 力 带钢热 连轧 过程 中 , 多机 架连 轧 机 由于带 钢 的联 系而形 成 了一个 复杂 系统 , 带钢 起着 机架 间 传递 厚度 、 凸度 、 温 度 以及 张力 的 作用 . 每 一个 外扰 量产 生 的后果 (厚 度波 动 、 温 度 波动 等 ) 都 将成 为 新 的干 扰 源 . 各 种扰 动对 前 一 机架轧 出厚度 的影响 都将经 过一 定 的时 间后 , 成 为下 一个 机架 的外扰源 . 因此 , 热 连轧 机 中一 个 机 架某 个参 数发 生变化 时 , 除 了直接 影响本 机 架 的工 作外 , 还 将 影 响其他 机 架 的工作 , 而最 终 都 会 在 成 品厚度 上 反映 出来 `u . 研 究各个 变量 之 间 的影响规 律 , 特 别是 它们 之间 的动 态 联系 , 是提 高连 轧系 统 的轧制精 度所 需要 的 . 但 对 于 多机 架 的复 杂 系 统进 行 综合 研 究 , 仅依 靠理 论分析 是不够 的 . 因此 , 建立一 种 能 够 既 适度 又 方 便地 对 热连 轧 过 程进 行 动 态仿 真 的模型 , 并结 合生 产现 场 的实 际 数据 进行 仿 真 , 对 热连 轧 过 程 的控 制优 化 和 产 品质 量 改进 具 有 重 要意 义 . 尸: ! _ _ _ _ _ _ 、 _ _ _ _ 二 尸 , l _ …〕…苏 闯 h 图 1 G M A G C 控 制原理 图 F i g · 1 S c h e ln a ict dia g ar m o f G M A G C 用 . 图 1中 , h 。为入 口 厚度 , m 们n ; h为 出 口 厚度 , m m ; S为辊 缝 值 , r n r n ; 尸为 轧制 力 , 咖 . 图 2 为 G M A G C 的控 制 逻辑 图 . G M A GC 的控制 算法 表 达式 为 : 、声产. 1 1 `, 了、. 1 液 压 厚度 计型 A G C 原 理 国 内某 热 轧厂 的七 架 轧机 采 用 液 压 厚 度 计 型 A GC ( G M A G )C 控制 方 式 . 如 图 1 , G M A G C 利用 位 置和 轧制 力增 量 信 号 , 依据 轧机 弹 跳方 程估 计 厚度 偏差 , 然后 考 虑 轧机压 下效 率补偿 , 对 轧机 位置 系统 进行 调节 以 消除 厚差 . G M A G C 是轧 机 弹跳 方 程 的直 接应 收稿 日期 20 03 刁 6 一 1 9 罗永军 男 , 26 岁 , 博 士研究生 * 国家 “ 九 五 ” 科技攻 关项 目(N 。 乡5 一 527 一 01 · 02 一 04 ) △h , 一 snA 篇 、 , 一 、 一 鄂 气 图 2 及式中 , 材为轧机 刚度 系数 , 记甲比m ; Q为 轧件 K 1 l 企全只 凡 M M 1 + 兀 矛 S S _ 卫见 人卜g 图 2 G M A G C 控 制逻 辑图 F ig · 2 L o g ic d is g r a m o f G M A G C DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 015

Vol.26 No.2 罗永军等：热连轧机AGC系统的动态仿真 ·175· 塑性系数，kN/mm;T.为时间常数，0.4s:K,K2为 (1)厚度模型.采用该厂实际使用的能耗分配 系统常数；△h,为n时刻出口厚度差，mm;△Sn为n 法，进行厚度分配. 时刻辊缝调节值，mm;△S,为+1时刻辊缝调节 (2)速度模型.以成品厚度为依据，采用查表 值，mm;△Pn为n时刻轧制力变化值，kN. 确定末架的速度，然后根据秒流量方程，计算各 机架速度. 2模型的建立与仿真分析 (3)轧制力模型.轧制力计算公式采用 P=BLOK (3) 2.1模型建立 基于采用图形化建模的仿真软件包，对动态 式中，B为轧件的平均宽度，mm;'为考虑压扁后 系统进行仿真和分析. 的接触弧长，mm;2,为应力状态系数，采用Sims 模型的建立充分利用了该软件包所提供的 公式：K为平面变形下的变形阻力，MPa. (4)弹跳模型， 子系统方法.对于热连轧中每一架轧机，分别建 立了厚度设定子系统及自动控制子系统，其分别 S=h-(是0+G (4) 对应于所需的各种模型，如图3所示 式中，P为预压靠力，kN:P为轧制力，kN:G为辊 厚度给定 厚度给定 GMAGC GMAGC S 厚度模型 △h e 厚度模型 △H, △H -△h 速度模型 速度模型 △T-l 轧制力模型 温降 轧制力模型 模型 △T+ 弹跳模型 △T 弹跳模型 Fi变形区 F(+1)变形区 图3AGC系统的动态仿真框图 Fig.3 Dynamic simulation diagram of AGC 缝零位，mm:O为油膜厚度，mm. 表1仿真参数表 (5)温降模型. Tablel Parameters of simulation L 来料厚出口厚 入口温出口温 -=ex对-K) 宽度/mm 辊径/mm ·(5) 度/mm度mm 度/℃度/℃ Trn-T. 32 2.0 1200989 888.5 380 式中，T为机架温度，℃：T为水温度，℃：Tm为测 38 7.0 12001017909.0 380 温仪处精轧入口温度，℃：K为综合对流冷却系 数：L为精轧入口测温点到F1的距离，m:L为i-1 表2结果比较表 机架到i机架的距离(i=2~7),m;h与v为末机架 Table 2 Comparison of results 出口厚度(mm)和出口速度(m/s). 机 轧制力规格1 轧制力规格2 (6)延时模型. 架实测N计算kN误差%实测kN计算N误差% ts4 F126690248337.514070132106.5 (6) F224720231486.81510014158 6.7 式中，t为延时时间，s:l为机架之间的距离，m:% F323280221325.21389013323 4.3 为带钢的速度，m/s. F418410174525.51223011566 5.7 22模型的验证与仿真分析 F512870121705.8863082344.8 根据现场采集的参数（表1）对模型进行验 F611940115943.0835080074.3 证.以两种规格的轧制力计算值与实测值为例， F7891086113.5604058633.0 其误差在8%以内（表2），证明该模型较为实用， 造成的轧件变形抗力波动.表3和表4分别为当 对热连轧过程中AGC控制进行仿真.造成轧 △H=1mm和△T:=-20℃时所对应的出口厚度变 件厚差的主要原因是入口厚度波动和温度变化 化△h最大值、轧制力变化△P最大值和将出口厚

V匕1 . 2 6 N o . 2 罗永军 等 : 热 连轧 机 A G C 系统 的 动态仿 真 一 1 7 5 . 塑性 系数 , k N / n u n ; 几为 时 间常 数 , .0 4 5 ; 凡 , 凡 为 系统 常 数 ; 劫 月 为 n 时刻 出 口 厚度 差 , m 们n ; △况 为 n 时刻 辊 缝调节 值 , ~ ; △酥 : 为 n +1 时 刻辊 缝 调节 值 , m m ; △尸 月 为 n 时刻 轧制力 变 化值 , 咖 . 2 模型 的建立 与 仿真 分析 .2 1 模型 建立 基 于采 用 图形 化建 模的仿 真软 件包 , 对动 态 系 统进 行 仿 真和 分 析 . 模 型 的 建 立 充分 利 用 了该 软 件 包 所 提 供 的 子 系 统方 法 . 对 于热 连 轧 中每 一架 轧机 , 分别 建 立 了厚度 设 定子 系统 及 自动控 制子 系 统 , 其 分 别 对 应于 所 需 的各 种模 型 , 如 图 3 所 示 . ( l) 厚度 模 型 . 采 用 该厂 实 际使 用 的能耗 分配 法 , 进 行 厚度 分 配 . (2 )速 度 模型 . 以成 品厚度 为 依 据 , 采 用 查表 确 定末 架 的速 度 , 然后 根 据秒 流 量 方程 , 计 算各 机 架速 度 . (3 ) 轧制 力模型 . 轧 制 力计 算 公 式采 用 尸 = B lc , Q不 (3 ) 式 中 , B 为 轧件 的平均 宽度 , ~ ; lc’ 为考 虑 压扁 后 的接 触 弧长 , ~ ; 必 为应 力 状态 系 数 , 采 用 S im s 公式 ; K 为平 面变 形 下 的变 形 阻力 , M P a . (4 )弹 跳 模型 . : 一 * - 气黔* )G 式 中 , 0P 为 预压 靠 力 , k N ; 尸为 轧制 力 , ( 4 ) k N ; G 为 辊 厚度给定 呱mAT G M A G C G M A G C e 厚度模型 一` 厚度模型 速度模型 速度模型 轧制力模里 温降 轧制 力模型 弹跳模型 模型 ’ 弹姆卜模塑 曳△叭刃 iF 变形 区 (F +i l) 变 形 区 图 3 A G C 系统 的 动态仿 真框 图 F i g · 3 D y n a m i e s im u l a iot n d i a g r a m o f A G C 缝零 位 , m 川 ; 口为 油膜 厚度 , r o r O . ( 5) 温 降模型 . 表 1 仿 真参 数表 1知b l e l P a r a m e t e此 o f s i m U肠 it 0 l 不一 wT 界 : 一 兀 ` _ _ 里jL 、 = e xP I 一 aK 份万 , 气 , , n F . 尹 宽度 /m m ( 5) 来 料厚 出 口 厚 度 m/ m 度 m/ m 入 口 温 度 /℃ 辊 径 /m m 式中 , 厂为 i机 架温 度 , ℃ ; 兀 为 水温 度 , ℃ ; 界, 为测 温 仪 处精 轧 入 口 温 度 , ℃ ; aK 为综 合对 流 冷却 系 数 ; L : 为精 轧入 口 测温 点 到 lF 的距 离 , m ; L `为 i 一 1 机 架 到 i 机架 的距 离 (=1 2一 7) , m ; h 。 与 vn 为末 机 架 出 口 厚度 (~ ) 和 出 口 速 度 (耐5) . (6 )延 时 模 型 . 3 2 2 . 0 3 8 7 . 0 1 2 0 0 1 2 00 9 8 9 1 0 17 出 口 温 度 /℃ 8 88 . 5 9 09 . 0 38 0 38 0 : 一 左 v0 (6 ) 式 中 , : 为延 时时 间 , s ; lc为 机架 之 间 的距 离 , m ; v0 为带钢 的速 度 , 耐 5 . .2 2 模 型 的验 证 与仿真分 析 根 据现 场采 集 的参数 ( 表 l) 对 模 型进 行 验 证 . 以两种 规 格 的轧 制力 计算 值 与 实测 值为 例 , 其 误差 在 8 % 以内 ( 表 2) , 证 明 该模 型较为 实用 . 对 热连 轧过程 中 A G C 控 制进 行仿 真 . 造成 轧 件 厚 差 的主 要 原 因 是入 口 厚 度 波 动和 温 度 变化 表 2 结 果 比较表 aT b l e 2 C o m P a r is o n o f er s u lst 机 轧 制力 规格 1 轧制 力规 格 2 架 实测瓜N 计算 /kN 误 差o/ 实 测瓜N 计 算瓜 N 误 差%/ F 1 2 6 6 9 0 2 4 8 33 7 . 5 1 4 0 7 0 13 2 1 0 6 . 5 F Z 2 4 7 20 2 3 1 4 8 6 . 8 15 10 0 14 15 8 6 . 7 F 3 2 3 2 8 0 2 2 1 32 5 . 2 13 890 13 32 3 4 . 3 F 4 1 8 4 1 0 1 7 4 5 2 5 . 5 1 2 2 3 0 1 1 5 6 6 5 . 7 F S 1 2 8 7 0 12 1 7 0 5 . 8 8 6 30 8 23 4 4 . 8 F 6 1 1 94 0 1 1 5 94 3 . 0 8 3 5 0 8 0 0 7 4 . 3 F 7 8 9 1 0 8 6 1 1 3 . 5 6 0 4 0 5 8 6 3 3 . 0 造成 的轧件 变形抗 力 波 动 . 表 3 和 表 4 分 别 为 当 八厅, = 1 ~ 和△不二 一 2 0℃ 时所对 应 的 出 口 厚度 变 化△h最 大 值 、 轧制 力变 化 △尸最 大值 和 将 出 口 厚

176 北京科技大学学报 2004年第2期 差调整到<0.001mm时的辊缝调整时间△1仿真结 为带钢从进入机架F1起，到达该机架时所经过 果 的时间.在经过各机架AGC调节之后，能够把出 表3仿真结果1(AH=1mm) 口厚差减小到容许范围内，所以来料厚度波动对 Table 3 Result 1 of simulation 成品精度的影响并不显著。 机架 △h/mm △PkN △ts (2)在AGC调节过程中，除第一机架外，其余 0.1872 1374.7 4.64 机架的轧制力变化范围不大，这是因为第一机架 F2 0.0477 274.1 6.50 消除了大部分的厚度误差 F3 0.0158 91.3 5.68 (3)AGC对厚度波动的调节效果比对温度波 F4 0.0065 36.7 4.47 动的调节效果好， F5 0.0032 16.5 5.81 F6 0.0014 8.0 7.64 3结论 F7 0.0009 4.0 7.14 建立了热连轧机液压AGC系统的动态仿真 表4仿真结果2(T,=-20℃) Table 4 Result 2 of simulation 模型，能够全面、方便地分析轧制过程中各种因 AP/kN 素对最后轧制精度的影响.基于该模型所进行的 机架 △h/mm △rs Fl 0.2280 1749.7 5.43 仿真结果与理论及实验相当接近.经过进一步深 F2 0.1013 582.3 6.80 入研究和细化之后，能够对整个热连轧过程进行 F3 0.5920 342.4 8.39 动态仿真，以获得最佳控制效果，对于实际生产 F4 0.0416 235.2 9.49 具有指导意义， F5 0.0314 178.5 10.94 F6 0.0243 219.5 10.91 参考文献 F7 0.0200 242.3 11.85 1孙一康.带钢热连轧的模型与控制[M).北京：冶金 工业出版社，2002 本仿真模型还可以很方便地对多个机架、同 2 Takahashi R.State of the art in hot rolling process control 时具有温度和厚度变化的情况进行仿真，并且方 [J].Control Eng Pract,2001(9):987 便的进行显示.可以看出： 3 Konno Y.Development of hot rolling process simulator (1)带钢F1入口厚度变化和温度变化均对带 using GUI based simulation tool [A].Steel Rolling 98 [C]. 钢的出口厚度产生影响.表3和表4中F7出口厚 Chiba,1998 度差最大值分别为0.0009mm和0.02mm,说明 4王君，各种压力AGC模型的分析与评价J].轧钢， 在经过前面机架的调节之后，到机架F7时，厚度 2001,185):51 误差已经小于0.001mm,从而辊缝调整时间△r即 Dynamic Simulation for the AGC of Hot Strip Mills LUO Yongjun,WANG Changsong,LIU Jiang,ZHANG Jie,LI Jiangjie,SUN Ke Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT According to the fact of hot strip mills,a dynamic simulation model was put forward,and the dy- namic simulation for the AGC of hot strip mills was implemented.The effects of some factor on the products was researched.The results show that the model is simple and appropriate and is suitable for analysis of multiple factors. KEY WORDS AGC;dynamic simulation;hot strip mill;rolling process

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 4 年 第 2 期 差 调 整到 < 0. 0 01 m m 时 的辊缝 调 整 时间 tA 仿真 结 果 . 表 3 仿真 结 果 1 ( A厅 l ” l m m ) Ta b l e 3 R e s u lt 1 o f s im u妞 t i o n 机架 △入/ m m 0 . 18 7 2 0 . 0 4 7 7 0 0 1 5 8 0 . 0 0 6 5 0 . 0 0 3 2 0 . 0 0 14 0 . 0 0 0 9 1 3 7 4 . 7 2 7 4 . 1 9 1 . 3 3 6 . 7 16 5 8 0 4 . 0 △t/ s 4 . 6 4 6 . 50 5 . 6 8 4 . 4 7 5 8 1 7 . 6 4 7 . 14 为带 钢从 进 入机 架 Fl 起 , 到达 该机 架 时所经 过 的 时 间 . 在 经过 各 机架 A G C 调 节 之后 , 能够把 出 口 厚 差减 小到 容许 范 围内 , 所 以来 料 厚度波 动对 成 品精度 的影 响并 不显 著 . (2 )在 A G C 调 节 过程 中 , 除第 一机 架外 , 其 余 机架 的轧 制力变 化 范 围不 大 . 这 是因 为第一机 架 消 除 了大部 分 的厚度 误 差 . (3) A G C 对 厚度 波动 的调节 效果 比对 温度 波 动 的调 节效 果 好 , , . , ù ,冲`石j月JUtz FF 表 4 仿真 结 果 2 (△兀 = 一 2 。℃ ) 1’a b l e 4 R e S川 t 2 o f s im u l a it o n 一st/4380394 …94 机架 A h △一.690158[ /m m 0 2 2 8 0 0 . 10 1 3 0 . 5 9 2 0 0 . 0 4 1 6 0 . 0 3 1 4 0 0 2 4 3 0 . 0 2 0 0 1 7 4 9 . 7 5 8 2 . 3 3 4 2 . 4 2 3 5 . 2 17 8 . 5 2 19 . 5 2 4 2 . 3 本 仿真模 型 还可 以很 方便 地对 多个 机 架 、 同 时具 有温度 和厚度 变化 的情 况进 行仿 真 , 并且 方 便 的进行 显示 . 可 以看 出 : ( 1) 带钢 1F 入 口 厚 度变 化 和温 度变 化 均对 带 钢 的 出口 厚度 产 生影 响 . 表 3 和 表 4 中 F 7 出 口 厚 度差 最大 值分 别 为 .0 00 9 ~ 和 .0 02 r n r 。 , 说 明 在经 过前 面机 架 的调 节之 后 , 到 机架 F 7 时 , 厚 度 误 差 己经 小于 .0 0 01 m m , 从 而辊 缝调 整 时 间△t即 3 结 论 建 立 了热 连 轧机 液压 A G〔 ! 系统 的动 态仿 真 模 型 , 能够 全 面 、 方 便地 分析 轧制 过程 中各种 因 素对 最后 轧制 精度 的影 响 . 基 于 该模 型所进 行 的 仿真 结果 与理 论及 实验相 当接近 . 经过 进一 步深 入研 究和 细化 之后 , 能够对 整个热 连 轧过程 进行 动态 仿 真 , 以获得 最佳 控 制效 果 , 对 于 实际 生产 具 有指 导意 义 . 参 考 文 献 1 孙 一康 . 带钢热 连 轧的模 型与 控制 [M ] . 北京 : 冶金 工业 出版 社 , 20 02 2 T a k a h as h i R . S t aet o f het art in h o t or 1l i n g P or e e s s e o n t r o 1 [J ] . C o n t r o 1 E n g P r a e t , 2 0 0 1 ( 9 ) : 98 7 3 K o un o Y . D e v e l o Pm e in o f h o t or l li n g P or e e s s s im u lat o r u s i n g G U I bas e d s加u lat i o n t o o l [A ] . S t e e l oR ll ing 9 8 IC ] . C h ib a , 1 9 9 8 4 王 君 . 各 种压 力 A G C 模型的分 析与评 价 [J] . 轧钢 , 2 0 0 1 , 1 8 ( 5 ) : 5 1 1 ` `, ,J J 斗ó亡、 6了1 FF D yn am i c S im u l a t i o n fo r t h e A G C o f H o t S tr iP M ill s L U口 oY 月 g 翻 n , 恻刃G hC 口刀g ,口 gn, IL U沂 a gn, Z凡 4N G iJ e l L I iJ a儿 g ie, S U N eK M e Ch an i e a 1 E n g in e ienr g S e h o o l , U in v e sr iyt o f s e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij in g , B e ij 雌 10 0 0 8 3 , Ch in a A B S T RA C T A e c o r d i n g t o t h e fac t o f h o t s itr P m ill s , a dy n am i e s i m u lat i o n m o d e l w as P ut fo , ar d , an d ht e dy - amn i e s un lat i o n fo r th e A GC o f h o t s t r i P m i l l s w as lm P l e m e ent d . T h e e fe e t s o f s o me fac otr o n ht e Pr o d u c t s w a s er s e ar e h e d . hT e er s u l t s s h o w t h at ht e m o d e l 1 5 s im Pl e an d ap P r o Pir at e an d 15 s u it ab l e fo r an aly s i s o f m u lt iP l e fac t o sr . K E Y W O R D S A G C ; dy n am i e s如 u lat i o n : h o t s t ir P m ill: or l l i n g P r o e e s s