D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2001.02.012 第23卷第2期 北京科技。大学学报 Vol.23 No.2 2001年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 薄板还连铸连轧中的板带厚度 控制及仿真分析 杨海波)李朋义)杨成》王邦文)孙志辉” 1)H北京科技大学机械工程学院，北京1000832)邯郸钢铁公司，邯郸0560003)邢台钢铁公司，邢台054000 摘要邯钢引进的薄板坯连铸连轧(CSP)中，用长行程液压缸与阶梯垫板结合的热轧板带厚 度自动控制(AGC),提高了快速液压执行机构的稳定性和响应速度.以热轧机组液压AGC系统 为对象，利用Matlab软件对系统进行了分析，并研究了系统各主要因素对系统动态特性的影响. 关键词轧制过程；液压AGC;动态特性：系统仿真 分类号TG335.5 轧机液压AGC系统对产品质量起着决定 胀及设定值误差等的影响.M为轧机纵向刚度 性的作用，是现代高速板带轧机自动化的关键·系数，W为轧件的塑性刚度系数，为实测轧 系统之一1-).邯钢引进的薄板坯连铸连轧(CSP) 件厚度，h为设定轧件厚度. 生产线具有90年代先进水平，在精轧机组F15 此外，如果增加油膜厚度变化补偿、轧辊偏 上分别设有动作灵敏、控制精度高的液压AGC 心补偿、前馈控制及速度张力优化等功能后，可 系统，该系统采用长行程液压缸与阶梯垫板结 使板厚精度得到进一步的提高， 合的热轧板带厚度自动控制形式，这在世界热 轧板带生产上是十分新颖的.本文对此进行了 W Mp 介绍和分析，并利用大型通用分析软件一Mat- lab对系统进行了仿真研究. 1液压AGC系统的构成 板带轧机液压AGC系统通过测厚仪、位移 传感器和压力传感器等对相应参数的连续测 量，连续调整压下缸位移、压力以及张力或轧制 速度等，控制板带的厚度. 如图1所示，一个完整的液压AGC系统应 图1液压厚度控制系统结构框图 完成若干个功能，其中最主要的是： Fig.1 Hydroulic AGC system block diagram (1)压下缸位置闭环1.随轧制条件变化及 时准确地控制压下位移.x,x分别是操作侧和 2 CSP轧机的液压AGC(HGC) 传动侧活塞相对缸体的位移，取其平均值作 为实测位移值.x为给定信号，△x,是测厚仪监 邯钢薄板坯连铸连轧(CSP)生产线的成品 控环的反馈量. 厚度为1.20mm,纵向厚度偏差仅为0.01mm左 (2)轧制压力闭环2.通过控制轧制压力来 右，响应时间要求小于35ms,在轧制过程中它 达到控制厚度的目的.P是轧制压力的实测值， 的操作液压缸行程必须小于60mm,而工作辊 p,为初始给定值，△p为修正值 和支撑辊的辊径分别在80mm和150mm范围 (3)测厚仪监控闭环3.消除轧辊磨损、热膨 内连续变化.为减少伺服阀出口到液压缸的油 体积，在轧机液压缸底与上支撑辊轴承座之间 收精日期200008-29杨海波男，39岁，副教授 放置了可更换垫盘(9组)，在压下活塞杆与轧
第 卷 第 期 加 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 口 钾 勿 触旧 七 却 薄板坯连铸连轧中的板带厚度 控制及仿真分析 杨海波 ” 李朋 义 ” 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 杨 成 ” 王邦文 ” 孙志辉 ” 邯郸钢铁公司 ， 邯郸 邢台钢铁公司 ， 邢台 摘 要 邯钢引进的薄板坯连铸连轧 中 ， 用长行程液压缸与阶梯垫板结合的热轧板带厚 度 自动控制 ， 提高了快速液压执行机构的稳定性和响应速度 以热轧机组液压 系统 为对象 ， 利用 软件对系统进行了分析 ， 并研究了系统各主要因素对系统动态特性的影响 关健词 轧制过程 液压 动态特性 系统仿真 分类号 轧机液压 系统对产 品质量起着决定 性的作用 ， 是现代高速板带轧机 自动化的关键 系统之一 一 邯钢引进的薄板坯连铸连轧 生产线具有 年代先进水平 ， 在精轧机组 上分别设有动作灵敏 、 控制精度高的液压 系统 ， 该系统采用 长行程液压缸 与 阶梯垫 板结 合 的热轧板带厚度 自动控制形式 ， 这在世界热 轧板带生产上是 十分新颖 的 本文对此进行 了 介绍和分析 ， 并利用大型通用分析软件 对系统进行 了仿真研究 — 胀及设定值误差 等的影 响 城 为轧机纵 向刚度 系数 ， 砰 为轧件的塑性刚度 系数 ， 为实测轧 件厚度 ， ， 为设定轧件厚度 此外 ， 如果增加油膜厚度变化补偿 、 轧辊偏 心补偿 、 前馈控制及速度张力优化等功能后 ， 可 使板厚精度得 到进一步的提高 ‘ 液压 系统的构成 板带轧机液压 系统通过测厚仪 、 位移 传感 器 和 压力传感器等对相 应参数 的连续测 量 ， 连续调整压下缸位移 、 压力 以及张力或轧制 速度等 ， 控制板带 的厚度 如 图 所示 ， 一个完整 的液压 系统应 完成若干个功能 ， 其 中最主要 的是 压下缸位置闭环 随轧制条件变化及 时准确地控制压下位移 ‘ ， 孙 分别是操作侧和 传动侧活塞相对缸体的位移 ， 取其平均值 和 作 为实测位移值 耘 为给定信号 ， 公 是测 厚仪监 控环 的反馈量 轧制压力闭环 通过控制轧制压力来 达到控制厚度的 目的 两 是轧制压力的实测值 ， 为初始给定值 ， 如 为修正值 测厚仪监控闭环 消除轧辊磨损 、 热膨 收稿 日期 住刁 屯 杨海波 男 ， 岁 ， 副教授 资 阿 醚厂区 氢卜 ‘ 澳岁 莱 心中少 圈 液压厚度控制 系统结构框圈 血 轧机的液压 似 邯钢薄板坯连铸连轧 生产线 的成 品 厚度为 ， 们以， 纵 向厚度偏差仅为土 口刃 左 右 ， 响应时间要求小 于 ， 在轧制过程 中它 的操作液压缸行程必须小 于 ， 而工作辊 和支撑辊 的辊径分别在 和 范围 内连续变化 为减少伺服 阀出 口 到液压缸 的油 体积 ， 在轧机液压缸底与上支撑辊轴承座之间 放置 了可更换垫盘 组 ， 在压下 活塞杆与轧 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2001．02．012
Vol.23 No.2 杨海波等：薄板坯连铸连轧中的板带厚度控制及仿真分析 ·141 机窗口间，放置了液压抽动的阶梯止推板(4个 352836(S+222.4S+310026.24)] (2) 位置).这种长行程液压缸与上述阶梯止推板的 线性系统的稳定性是系统自身的固有特 配合使用，充分发挥了液压系统的优点，提高了 性，它和系统的输人信号无关.希望得到的阶跃 快速液压执行机构的稳定性和响应速度，在工 响应特征为：(1)无超调量的最快瞬态响应；(2) 作辊弯辊(WRC)系统的配合下，使成品板带在 有20%超调量的瞬态响应.系统的阶跃响应如 全长上得到稳定的厚度与板形. 图2(a),通过分析可以看出，系统的过渡过程为 邯钢CSP轧机的厚度自动控制要对下述因 20%超调量的最快瞬态响应，上升时间= 素进行补偿：(1)轧机的刚度，每次换辊之后都要 0.065s,蜂值时间t0.11s.可见，该系统是稳定 测量并要计算机存储一次延伸曲线，还要考虑 的.稳定是控制系统正常工作的必要条件，除此 不同辊径及板带宽度的影响；(2)运行过程中工 之外，还要求控制系统必须具有适当的相对稳 作辊的磨损；(3)工作辊弯辊(WRC)系统的影响； 定性.控制系统相对稳定性是通过幅值裕量h (4)工作辊CVC辊型横移系统的影响；（⑤）工作 和相位裕量y进行定量计算的.为了使控制系 辊热凸度的影响；(6)支撑辊轴承在不同速度和 统稳定并具有满意的性能，对于轧钢机，一般要 负荷下的影响.液压压下系统是厚度自动控制 求幅值裕量h≥-(8~10)dB,相位裕量y=45°~65° 中一个快速执行动作的机构，在补偿了上述干 之间.通过运行仿真程序（参数为：K,=260,①，= 扰后，其动作响应速度和稳定性是十分重要的 594,w=556.8,K=665,50.2)得图2b)和(c.由 图看出，该系统的幅值裕量h=16.9425dB,相位 3轧机液压AGC的仿真 裕量y=60.5242°.由图2可得系统开环穿越频率 在大型通用分析软件一Matlab平台上对 o。=75Hz,在w.附近响应曲线的斜率为-20 系统进行仿真.根据所建立的液压压下系统的 dB/10倍频程，说明系统具有良好的稳定性. 20 仿真模型，编制了动态仿真程序，利用Matlab的 (a) 控制系统工具箱及Simulink辅助环境，通过改 旦 10 变系统参数，比较分析仿真结果，评价影响系统 0 动态性能的各种因素.系统的开环传递函数为： GS-K,(1+K"2z+1 -10 -20 ww 0 100 1000 Ap w/rad.s- KK 辰s+X+) (1) -100 -120 b) 其中：S为拉氏变换因子；K,为比例系数；K,为 -140 积分常数；K为伺服放大器系数；K,为伺服阀 -160 流量增益；为伺服阀阻尼系数；@，为同服阀无 -180 阻尼自振频率；点为阻尼比；心为液压缸固有频 -200 率；A,为液压缸活塞的有效面积；K为流量压 9 100 1000 力系数；K为负载的综合弹簧刚度；K,为位移传 w/rad.s- 感器系数 1.5 将邯钢热连轧机有关参数代人式(1)：K,值 1.0 可调，K,0.06,K2-6.25×10-3,Kv=3.712×10-2,= 0.89,w、=594,5=0.2,=556.8,Ap=0.865,K= 0.5 1.47×10-2,K=2.1×10,K-6.65×102.整理后，邯 钢连铸连轧厂第五机架热连轧机开环传递函数 0 0.1 0.2030.4 表达为： t/s GS)=[K(S+16.67)×6.25×13097.27×0.28× 图2液压AGC系统仿真结桌 556.82×665]/[S242.4S+1)S+1057.32S+ Fig.2 Results of hydraulic AGC system simulation
丫 杨海波等 薄板坯连铸连轧 中的板带厚度控制及仿真分析 一 机窗 口 间 ， 放置 了液压抽动 的阶梯止推板 个 位置 这种长行程液压缸与上述阶梯止推板的 配合使用 ， 充分发挥 了液压系统的优点 ， 提高了 快速液压执行机构的稳定性和 响应速度 ， 在工 作辊弯辊 又 系统 的配合下 ， 使成 品板带在 全长上得 到稳定 的厚度与板形 邯钢 轧机 的厚度 自动控制要对下述 因 素进行补偿 轧机的刚度 ， 每次换辊之后都要 测 量并要计算机存储一次延伸曲线 ， 还要考虑 不 同辊径及板带宽度的影 响 运行过程 中工 作辊的磨损 工作辊弯辊 卫 系统的影响 工作辊 辊型横移系统 的影 响 工作 辊热 凸度 的影 响 支撑辊轴承在不 同速度和 负荷下 的影 响 液压压下 系统是厚度 自动控制 中一个快速执行动作 的机构 ， 在补偿 了上述干 扰后 ， 其动作响应速度和稳定性是十分重要 的 ‘，，二 津划理七、啊山 轧机液压 的仿真 在大型 通用分析软件— 平 台上对 系统进行仿真 根据所建立 的液压压下 系统 的 仿真模型 ， 编制 了动态仿真程序 ， 利用 的 控制系统工具箱及 如 辅助环境 ， 通过改 变系统参数 ， 比较分析仿真结果 ， 评价影响系统 动态性能的各种 因素 系统的开环传递 函数为 夕 千 线 性 系统 的稳定 性是 系 统 自身 的 固有 特 性 ， 它和 系统 的输人信号无关 希望得到的阶跃 响应特征为 无超调量 的最快瞬态响应 有 超调 量 的瞬态响应 系统的阶跃响应如 图 ， 通过分析可 以看 出 ， 系统 的过渡过程为 超 调 量 的 最 快 瞬 态 响 应 ， 上 升 时 间 ， 峰值时间 布司 ， 可见 ， 该系统是稳定 的 稳定是控制系统正常工作的必要条件 ， 除此 之外 ， 还要求控制系统必须具有适 当的相对稳 定性 控制 系统相对稳定性是通过 幅值裕量 和相位裕量 下进行定量计算 的 为了使控制系 统稳定并具有满意的性能 ， 对于轧钢机 ， 一般要 求幅值裕量 一 一 ， 相位裕量 ，叫 。 一“ “ 之间 通过运行仿真程序 参数为 凡粗 ， 。 ， 山卢 ， 瓦 ， 么闭 得 图 和 由 图看 出 ， 该系统的幅值裕量 加 ， 相位 裕量 厂 由图 可得系统开环穿越频率 口 ‘ ， 在 低 附 近 响应 曲线 的 斜率 为 一 八 倍频程 ， 说 明系统具有 良好 的稳定性 。 、 ， ， ， 。 、 ， 。 ， 气 菊 ， ‘ “ ‘ 不琴哀 ‘ 毋奋 田 ‘ 砚 间 。 拍 一 ， 犬 。 ， 落。 二 、 ， 夕 乙 。 ， 、 下布六。 十 气下二 十下卜。 十 才、 才、 “ 忆刀 刀 一 ‘ ︵ 。喇琴、寒塑︶ 瞥︸辑日日 其 中 为拉 氏变换 因子 凡 为 比例系数 为 积分常数 凡 为伺服放大器 系数 为伺服 阀 流量增益 吞为伺服 阀阻尼 系数 。 、 为伺服阀无 阻尼 自振频率 二为阻尼 比 断 为液压缸 固有频 率 ， 为液压缸 活塞 的有效 面积 为流量压 力系数 为负载 的综合弹簧刚度 凡 为位移传 感器系数 将邯钢 热连轧机有关参数代人式 凡 值 可 调 ， 戈 ， 凡荀 一 ，， 一 ， 吞 ， 山产 ， 氛 ， 。 、 ， 产 ， 瓜 二 一 ‘，， 犬片 ‘ ， 凡 ， 整理后 ， 邯 钢连铸连轧厂第五机架热连轧机开环传递 函数 表达为 以的 · 】 千 一 一 一 佗 田 厅 一 ， 广 ’ 图 液压 系统仿真 结果 淤， 七 勿 血 ， 吐 肠如
142· 北京科技大学学报 2001年第2期 4影响液压AGC的因素分析 选取不同响应频率的伺服阀对系统进行了仿真 研究.o,=200rad/s时，h=15.8121;w,=800rad/s 41油缸的固有频率 时，h-17.3165.w,=200rad/s时的超调量为32%， 本文通过选取不同的，值对系统进行了仿 当o,=800rads时，超调量为18%.通过分析可 真研究，增大，幅值裕量h也增大，系统的动 知，随着伺服阀频率的增大，系统响应变快.因 态响应速度变快.反之，系统的响应速度变慢. 此应尽量选择响应频率高的伺服阀. 当ω过小时，系统将处于不稳定状态，无法正 常工作.由上面对传递函数的分析可以看出，油 5结论 缸的固有频率是邯钢CSP线轧机液压AGC控 (1)在制定液压AGC系统控制方案时，应使 制系统整个环节中最低的频率.若希望系统的 液压缸无效行程尽量减小，实现增大液压缸的， 响应快，就要加大心.与有效工作面积A,工 进而提高系统的动态性能. 作腔容积V,液体体积弹性模数B。等参数有关. (2)伺服阀的安装位置应尽量接近液压缸. 通过加大有效工作面积4，和液体体积弹性模 条件允许时，可把伺服阀改装固定在油缸上.缩 数B。、减小工作腔容积，就能实现，增大. 短阀至油缸间管道的折算距离，以达到提高液 4.2阻尼比5 压缸固有频率的目的. 由计算分析可见，增大阻尼比可以提高系 (③)随着伺服阀响应频率的降低，系统响应 统的稳定性， 变慢.所以考虑备件时，应选择固有频率较高的 43比例系数K 伺服阀. 比例系数K,应具有适当的值，以保证系统 (4)应尽量减少液压油液中气体的混入，必 的稳定性和其它性能的要求.K,值取得不当将 要时可在油缸工作腔最高位置增设排气孔以加 影响系统的稳定性和响应特性，甚至使系统无 大 法正常工作.针对邯钢薄板坯连铸连轧机组第 五机架液压AGC系统的K,取值进行了反复的 参考文献 研究，K,取为260时，系统具有较快的响应速 1连家创板厚板形控制.北京：国防工业出版社，1986 度，又保证了系统较好的稳定性 2冶金工业部武汉钢铁设计研究院板带车间机械设备 4,4伺服阀的响应频率0， 设计（下）北京：冶金工业出版社，1984 3巩立俊.宝钢热连轧机液压AGC.治金自动化，1991,15 为了研究伺服阀对系统特性的影响，通过 (11):38 Automatic Gauge Control of Plate and Strip and Simulation Analysis on the AGC System in CSP Line YANG Haibo,LI Pengy,YANG Cheng',WENG Bangwen,SUN Zhihu 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Handan Iron Steel Corporation,Handan 056000,China 3)Xingtai Iron Steel Corporation,Xingtai 054000,China ABSTRACT In the thin plate slab continuous-casting and continuous-rolling device imported by Handan Iron Steel Corporation,the stability and responding speed of fast hydraulic actuating mechanism are raised with automatic gauge control(AGC)using long distance hydraulic cylinder combined with step backup plate for hot-rolling plate and strip production.The method of digital simulation was used to investi- gate the dynamic characteristic of hydraulic AGC system of hot rolling mill in CSP line of Handan Iron and Steel Corporation.On the basis of the math model,the effects of main parameters impact on the dynamic char- acteristic of system by using the newest software Matlab were studied. KEY WORDS rolling process;hydraulic AGC;dynamic characteristic;computer simulation
北 京 科 技 影响液压 的因素分析 油缸的固有频率 甄 本文通过选取不 同的 。 、值对系统进行 了仿 真研究 ， 增大 。 、 ， 幅值裕量 也增大 ， 系统 的动 态响应速度变快 反之 ， 系统 的响应速度变慢 当 。 、过小 时 ， 系统将处于不稳定状态 ， 无法正 常工作 由上面对传递 函数的分析可 以看 出 ， 油 缸 的 固有频率是邯钢 线轧机液压 控 制系统整个环节 中最低 的频率 若希望系统的 响应快 ， 就要加大 叭 叭与有效工作面积 ， ， 工 作腔容积 ， 液体体积弹性模数几等参数有关 通 过加大有效工作 面 积 汉 ， 和 液体体积 弹性模 数 八 、 减小工作腔容积 ， 就能实现 。 、增大 阻尼 比 氛 由计算分析可 见 ， 增 大阻尼 比可 以提高系 统的稳定性 比例 系数 凡 比例系数 应具有适 当的值 ， 以保证系统 的稳定性和其它性能 的要求 凡 值取得不 当将 影 响系统 的稳定性和 响应特性 ， 甚至使系统无 法正 常工作 针对邯钢薄板坯连铸连轧机组第 五机架液压 系统 的 凡 取值进行 了反复的 研究 ， 凡 取为 时 ， 系统具有较快的响应速 度 ， 又保证 了系统较好的稳定性 伺服阀的响应频率 以 为了研究伺服阀对系统特性 的影 响 ， 通过 大 学 学 报 年 第 期 选取不 同响应频率的伺服阀对系统进行 了仿真 研究 。 行 时 ， “ 。 时 ， 。 丫 时 的超调量为 ， 当 。 时 ， 超调量为 通过分析可 知 ， 随着伺服阀频率的增 大 ， 系统响应变快 因 此应尽量选择 响应频率高的伺服 阀 结论 在制定液压 系统控制方案时 ， 应使 液压缸无效行程尽量减小 ， 实现增大液压缸 的 ， 进而提高系统 的动态性能 伺服阀的安装位置应尽量接近液压缸 条件允许时 ， 可把伺服阀改装 固定在油缸上 缩 短 阀至油缸间管道 的折算距离 ， 以 达到提高液 压缸 固有频率的 目的 随着伺服阀响应频率的降低 ， 系统响应 变慢 所以考虑备件时 ， 应选择固有频率较高的 伺服 阀 应尽量减少液压油液 中气体的混人 ， 必 要时可在油缸工作腔最高位置增设排气孔 以加 大 参 考 文 献 连家创 板厚板形控制 北京 国防工业 出版社 ， 冶金工业部武汉钢铁设计研究院 板带车间机械设备 设计 下 北京 冶金工业 出版社 ， 巩立俊 宝钢热连轧机液压 冶金 自动化 ， ，巧 ， 舒尹 ， 别刃 心 ， 牙百 越卿 ， 画 ， ， ， 山拍 ℃。 双 ， 山 ， 泊 】 ， 川址 ， 一 一 ， 坤由 一 飞 加 】 ， 们。 如 吨 一 夕 勿由 由爪姗 五