基于稳定生产的热轧压力AGC控制研究

闫峥嵘

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

钢铁企业想在竞争中立于不败之地，需要具备生产成本低、轧制精度高、产品性能好、成材率高等重要条件。随着市场对钢铁产品质量要求的提高，一般钢铁厂每隔十年左右就会进行设备改造或系统升级。有的钢铁厂因为轧制品种多，带钢强度差别大以及相同钢种带钢温度变化大和机架牌坊设备老化等，造成不同钢种带钢轧制负荷设定和实际负荷相差在20%以上。此外，有的热连轧厂使用长行程液压压下缸以及活套控制为高响应比例伺服阀，在轧制不锈钢等负荷大的带钢时，前段机架出现带钢尾部轧制力波动，两者控制不匹配导致压下和活套动作异常，极易引起废钢，并影响产品质量，振动机架会损坏液压管路和机械设备，后果非常严重。通常情况下AGC分为压力AGC、监控AGC和张力AGC等，其中压力AGC对轧制的稳定控制起着重要作用。因此，本文重点研究解决压力AGC控制问题，在保证带钢厚度精度的情况下，实现压力AGC的优化控制。

1 AGC控制方式的比较分析

AGC控制技术有多种方式，一般有电动AGC、液压AGC、反馈AGC、前馈AGC、监控AGC、张力AGC，各种AGC控制方式都有各自的优缺点。在实际生产中运用不同的AGC控制方式，产品厚度可得到不同的控制精度。

1）电动AGC：主要应用于带钢生产初期的冷轧生产线中。驱动轧辊工作的动力是电力，但电动压下存在系统响应慢、设备效率低、控制精度低等弊端，不适用于大轧制力生产。

2）液压AGC：该控制随着伺服系统的发展而得到了广泛利用，具有响应快速、控制精度高，负载能力强等优点。目前，冶金工业中的大型轧机生产都使用液压控制。

3）反馈AGC：利用轧机出口处的测厚仪，将检测到的带钢的实际厚度与轧制带钢的目标厚度进行比较，计算出厚度偏差，并将此偏差值反馈回设定值，实现闭环控制。这种控制虽然能动态调整设定值，但调整量滞后，只能纠正微变的偏差，对于带钢来料波动产生的厚度差却很难消除。

4）前馈AGC：通过轧机入口处的测厚仪，将检测到的带钢来料的实际厚度与设定厚度进行比较，计算出厚度偏差，提前对目标厚度设定值进行调整。该方式虽然克服了调整控制滞后问题，但不能消除带钢轧制过程中其他因素造成的厚度变化，属于开环控制。

5）监控AGC：在轧制过程中，利用测量厚度的仪器，通过实时测量轧机出口带钢的实际厚度，同时与目标厚度进行比较，得出厚度偏差值，及时修正厚度偏差。监控AGC一般不单独使用，经常与压力AGC同时使用。

6）张力AGC：通过调整轧机的入口张力设定值，从而改变带钢塑性变形曲线的斜率，同时配合压力AGC控制，使穿过轧机的带钢厚度偏差趋于零。张力AGC一般适用于厚度偏差微调，不适用于带钢来料厚度波动大的情况。

AGC控制就是通过测厚仪、张力计、位置传感器和压力传感器等测量设备，在轧制过程中测出相应的实时控制量，然后与设定量进行比较，得出偏差值。再采用多种AGC配合使用，改变压下位置、张力大小、轧制速度等，将成品带钢厚度精度控制在允许的范围之内。由于压力AGC具有速度响应快、滞后率小、设备简单等优点，经常使用在产品规格多、负荷冲击大等连轧生产中。

2 热连轧压下控制理论及方案设计

2.1 理论分析

在带钢穿入轧机的轧制过程中，机架本体及轧辊在压力作用下会发生一定的弹性变形，这会影响轧机轧制的辊缝设定值，使出口带钢的实际厚度达不到目标厚度，最终影响成品的厚度控制精度。一般测厚装置只安装在连轧机的末机架出口处，对其他机架来说，带钢机架出口厚度不容易直接测量，因此采用弹跳方程来计算厚度[1]，弹跳方程如式（1）所示。

式中：h为带钢出口厚度；S为压下设定辊缝；p为机架轧制压力；M为机架刚度系数。

反馈式AGC（GM-AGC）压力控制模型如图1所示。图中，H为带钢入口厚度，其他符号同式（1）。

图1 GM-AGC控制示意图

当来料厚度由H0变为H1，则ΔH为厚度差，辊缝由初始辊缝S0变为S1，在轧制过程中轧制压力和轧出厚度也会发生相应的变化，压力由p0变为p1，那么其轧出带钢厚度偏差Δh正好等于压力差Δp所引起弹跳量，即：

根据压力GM-AGC控制原理，通过调节液压缸油流量大小来补偿因带钢来料厚度变化引起的轧机弹跳变化量，从而实现带钢厚度偏差控制，此时液压缸所产生的压下位置修正量ΔS，应与此弹跳变化量成正比且方向相反[2]：

式中：C为比例系数。

AGC压下伺服阀比例控制器计算方程为：

式中：Y为单位时间液压缸油流量；KP为位置偏差比例放大器倍数；ΔS为压下位置修正量。

液压压下速度控制特性可通过式（4）体现出来，AGC压下伺服阀比例控制的实质为通过改变压下特性实现厚度控制[3]，为了实现对弹跳变化量的补偿，需要根据轧制力变化值不断调节压下伺服阀动作，从而造成机架压下辊缝不断发生变化，致使机架间的带钢快速发生变化[4]。由于某厂活套控制采用了高响应比例伺服阀，这种频繁动作就会进一步表现出机架间活套控制的不稳定，严重时甚至发生机架间废钢。

2.2 变压力AGC模型设计

变压力AGC模型设计思路：考虑到位置偏差比例放大器倍数在式（4）中是常量，对液压系统来说，比例放大器倍数的大小意味着响应速度的快慢，比例放大器倍数过大会导致压下控制系统高频振荡，不但会严重危害机械设备，还不利于轧制稳定。比例放大器倍数过小会使压下系统响应迟钝，使成品带钢厚度的均匀性变差[5]。为此，在比例系数一定的情况下，结合某厂活套控制实际情况，基于钢种规格识别和每个机架带钢轧制压力偏差，按照带钢头部、中部、尾部三个阶段实时调整压力AGC控制，确保机架压下辊缝平稳调整，避免轧制力振动，从而使活套控制稳定，确保顺利穿带、稳定轧制、正常抛钢。在保证轧制稳定的情况下，可最大程度提高厚度控制精度，保证带钢厚度质量。

具体的控制实施过程为二级计算机根据轧制计划和设定模型完成下送特殊钢钢种的标志，一级计算机根据特殊钢钢种规格，确定对带钢头部、中部和尾部使用不同的压力AGC系数来满足要求。带钢头部部分根据轧制压力偏差值大小采用头部相对/绝对压力控制；基于钢种规格，带钢尾部在前段机架采用尾部压力系数，没有特殊钢标志的钢种或规格不采用分段压力控制。

设计模型控制中的带钢头部、中部、尾部分别是指：带钢头部部分定义为机架咬钢带钢长度1～2 m；带钢尾部为该机架前两个机架尾部抛钢；其余部分则为带钢中部。特殊钢钢种主要包括镍不锈钢类、高强钢类等。带钢规格主要指厚度在3.0 mm以下、宽度在1 200 mm以上的镍不锈钢以及厚度在2.0 mm以下、宽度在1 100 mm以上的高强钢类。

由于带钢来料的特殊性质，特殊钢带钢头部实际轧制力并不能真实反映轧辊作用在带钢头部的轧制压力，又因为轧机牌坊间隙变化等设备原因，特殊钢带钢尾部实际轧制力也不能真实反映轧辊作用在带钢尾部的轧制压力，而且前段机架轧制压力远远大于后段机架，为了避免这些原因带来的轧制压力异常变化对活套控制的影响，采取了压力AGC分段控制的方法。

根据钢种材质分类，对满足特殊钢的带钢来料采取分头、中、尾三段控制：本块带钢头部采用压力AGC控制法，即如果带钢头部压力偏差的平均值大于一定值时，投入相对AGC（相对AGC是以头部厚度为厚度控制目标，把带钢头部实际厚度偏差平均值作为相对设定值；绝对AGC是以成品厚度为厚度控制目标的绝对设定值），文中轧制压力偏差值Δp为轧制压力偏差绝对值：Δp=|设定轧制压力-实际轧制压力|，轧制压力单位为t，取值原则如下页表1所示。本块带钢中部采用AGC压力控制法，则保持常规压力系数，分段系数K1取值为1。本块带钢尾部采用压力AGC控制法，由于前段机架轧制力大于后段机架，为了保证轧制稳定兼顾带钢尾部厚度精度，前段机架尾部实施变系数控制，后段机架带钢尾部不实施变化，根据钢种规格对机架尾部压力系数K1取值如下页表2所示。根据钢种材质分类，针对带钢来料不满足特殊钢及规格的钢种，其头、中、尾三段控制压力AGC系数K1均设置为1，即不执行分段控制程序。

表1 带钢头部压力GM-AGC方式

表2 基于钢种规格的带钢尾部压力GM-AGC系数

3 结语

通过对精轧压力AGC控制软件进行改进和创新，消除了精轧压下头部和尾部振动，有效保证了活套稳定受控，从而既确保了带钢轧制稳定性，又体现了液压压下的快速性，实现了正常轧制，实际应用效果良好，AGC控制改进达到国内一流水平。通过实现变压力GM-AGC控制，确保了成品带钢控制精度，带钢厚度命中率达97.2%以上，达到国内热轧先进水平。