智能控制在串列轧机TCS系统中的应用研究

摘 要：agc自动厚度控制系统和hgc液压辊缝控制系统是tcs系统的两个重要组成部分，本文重点介绍两种控制原理在串列轧机中的应用。

关键词：tcs；agc；hgc；hapc；apc

一、引言

莱钢大h型钢生产线是目前国内最先进的h型钢生产线之一，串列轧机是该生产线最重要的设备之一。在控制系统方面，串列轧机辊缝自动控制由西马克tcs系统完成，并引入工业以太网和pmfihus-dp现场总线组成二级计算机控制系统。tcs系统是莱钢大h型钢串列轧机自动化控制的核心内容，其中agc系统是该系统的核心，是一种自动的厚度控制检测系统，而hgc系统是一种液压辊缝控制系统。

二、系统功能概述

串列轧机主要分为三个主要部分：ur，e，uf，三大部分基本独立工作，tcs控制系统从程序上主要分为全局控制系统tmac，这一级的控制在级别上为最高，下级又分为ur－stac,e-stac,uf-stac等几个模块。在程序中各个资源控制用各种不同的标志来区别，每个子系统由一个资源代码id进行唯一的标识，产生的每个状态或事故报警均带有资源代码id，这样在信息和产生信息系统之间的分配是唯一的。在在轧制过程中，hgc为静态轧制模式，而agc为动态轧制模式。

tcs的程序控制由分单元组成，宏观单元的控制可以进入到下一层控制。这在原理上与一般控制方式不同。在系统中每个控制单元可以独立运行，从逻辑上受控于tmac，tmac为最高级控制，负责全面的通讯及下级的模式。在结构上主要分为下列几个部分：

——实时处理，一个周期为3毫秒，在这个任务中任何中断不能实现，每个周期的运行都要被严格的执行。各种模拟量信号的读入与输出都在这里被实现。

——eventt: 事件控制器任务

——在这个任务中，各种外部触发因素都会在这里被接收，并提交。

——stat: 状态机器。

主要控制逻辑与技术参数，等价与其它程序中的顺控。

——timert: 时间间隔控制器

——在这里所有的时间同步控制与计算都在这个回路里被执行。

三、控制实现

1.油膜厚度补偿控制原理

大h型钢串列轧机使用的是油膜轴承。当轧辊转速升高时，油膜厚度变厚；转速降低时，油膜厚度变薄。轧辊转速变化将直接影响油膜轴承的油膜厚度，进而引起型钢成材厚度的波动，产生厚度公差，使型钢尺寸的精度降低。为了满足用户的要求，需要进行油膜厚度补偿。

油膜厚度qf与轧辊转速n和轧制力p的关系式为：

qf= （1）

式中， 为轧辊转速与轧制力之比的函数， 为一未知常数。转速可以通过主传动给出的运行反馈速度获得，压力可以通过tcs系统安装在现场的压力传感器获得，这些数据的获取都是比较容易的。但是检测仪器无法进入轴承内部对油膜厚度进行直接测量。所以，油膜厚度只能通过校准（或者称为压靠）的方法间接得出。

受油膜厚度变化影响的型钢厚度h计算公式为：

h=g+f（p）-of （2）

式中，g为辊缝值，f（p）为对应的轧机弹跳。

当校准时，轧机内没有钢，h=0，故由公式（2）得：

g=of-f（p）（3）

在轧制过程中，当轧辊以两种不同的转速转动时，轧制力为p，由公式（3）得：

g1=of1-f（p） （4）

g2=of2- f（p）（5）

由式（4）（5）得，

g1-g2=of1-of2（6）

由以上推导可见，轧制力相同、轧辊转速不同时，轧机弹跳f（p）相同，油膜厚度o的变化等于辊缝值的变化。将零辊缝条件下的油膜厚度值定为相对油膜厚度零点值of0。当式(4)是在零辊缝条件下，式(5)是压力为p0、而转速为任意值时根据式(6)可以求出其相对油膜厚度。又从式(1)可知，只要在n/p=n0／p0条件下，其油膜厚度值必定等于相对油膜厚度的零点值of0。这样就可以确定在其他压力下的相对油膜厚度值的参考零点，从而可以确定不同轧制力、不同转速下的相对油膜厚度值。

2.液压位置自动控制(hapc)和轧制力自动控制(afc)

hapc是指调节伺服阀开口度，以便在最大轧制力允许范围内将液压缸位置保持在某一设定值，使控制后的位置与目标位置之差保持在允许的偏差范围内，在轧钢过程中，液压缸一般工作在apc方式。轧制力自动控制(afc)是指调节伺服阀开口度，以便在液压缸工作行程内将轧制力保持在某一设定值，在轧机调零和刚度测试过程中，液压缸一般工作在afc方式。在apc方式，位置基准、agc调节量、附加补偿和手动辊缝干预量的和与液压缸位置实际值相比较，偏差值与一个和液压缸油压相关的变增益系数相乘后送入位置控制器(pi调节器)，位置控制器的输出值和压力限幅控制器的输出值都送入一个比较器，比较器将二者之中小者作为给定值输出到伺服放大器，进而驱动伺服阀，控制液压缸的动作以消除位置偏差。

轧制力限幅环节是在apc方式下，限制轧制力、保护液压缸和其他设备的一个环节。

图1轧机液压apc与afc原理图

当轧制力小于轧制力限幅值时，液压缸工作在位置闭环方式，输出到伺服放大器的值为位置控制器的输出值;当轧制力超过限幅值时，输出到伺服放大器的给定值为轧制力限幅控制器的输出值。这样，既能防止轧制力超限，又能保证轧制过程的正常进行。另外，当轧制力超过最大保护限幅值时，液压缸快速泄油，防止设备损坏。

为了控制腹板偏心，需要进行轧机两侧辊缝倾斜调节，两侧液压缸在运行时需要保持同步，所以设置了双侧辊缝倾斜和同步控制器。tcs系统采用pid控制器进行控制，pid控制器是一种应用广泛，参数调整比较方便的控制方式。

由于伺服阀的开口度与伺服阀线圈驱动电流成正比，因此，液压油通过伺服阀的流量q(正比于柱塞移动速度)与伺服阀开口度和阀口压力差的关系可以表达为：

q=ki （1）

式中，k为伺服阀流量系数，i为伺服阀驱动电流，p为伺服阀两侧压力差。

从式(1)可以看出，伺服阀的流量要受控制电流和阀两侧压力差的共同影响，具有变增益特性，不利于参数整定，为此，加入非线性补偿环节，以改善系统性能。流量非线性补偿分上下运动两种情形，设ps为油源压力，pl为液压缸内油压，那么

下行时，液压缸进油p=ps-pl

上行时，液压缸出油p = pl

实际使用时，变增益系数k整定为比例增益系数。这样，在乘以变增益系数后，伺服阀流最公式(1)可写成:

q=i/in*qn

则伺服阀流k与伺服阀电流成线性关系，可以通过程序对其进行精确控制。

3.agc和hgc的功能原理

tcs系统是一个高精度力学控制系统。首先由获得的轧辊数据（如辊径、辊宽、垫片厚度等）进行校准；得出整个机架（包括轧辊形变、垫片等）的拉伸曲线；再次由agc（automatic gauge control）自动厚度控制系统根据轧制表中的辊缝值和轧制力，结合拉伸曲线，自动计算出新的辊缝值；最后由hgc（hydraulic gap control）液压辊缝控制系统根据得出的新辊缝数值，通过液压缸行程来完成新辊缝设置。

tcs控制的核心为agc控制，是在hgc的基础上完善而来的。agc是一种闭环控制，hgc是一种普通的控制方式，没有动态补偿，是一种静态的轧钢模式，对于精度要求较高的系统来说，这种模式达不到要求。agc模式是一种动态补偿模式。agc系统被广泛地应用地热轧生产线中。主要原因是在热轧过程中，轧件非常容易发生形变。形变量的不同因不同的钢种与不同的轧机而不同。所以要真正达到设定值的要求必须要用到agc系统。要想达到精确控制，tcs系统在轧钢之前要先校准轧机。

tcs的校准比较复杂。每一步都要依靠事先做好的状态表来转换，比如mac的状态表：

校准的过程主要也是记录弹性形变的过程，可以设定10个不同的记录点来记录机架的形变量。

在实际轧钢过程中，温度与现场轧制力均要考虑在内，温度与型钢的腹板宽度有关，并可以用一个指数公式来表达

d=(delta_max-d)(1-e*tw/delta1)

d为一个初始值，由下列公式得出：

d＝d1(d1-delta_min)(1-e*tw/delta1)

在hgc中的辊缝设定主要有下列公式：

c_diff=hsoll|hist+mon|

c_diff=控制偏差

hsoll=设定值

hist＝机架间距离值

moni＝设定偏差补偿量。

在这个控制模式中控制偏差提前被计算出来，并在实际调整过程中被应用到实际的辊缝中去。

这种模式的缺点就是没有办法能够使产口保证到一定的尺寸，误差不能控制，所以我们采用mmc方式，即agc模式。

mmc（mill modulus control）机架系数控制，即机架弹性形变控制。在mmc方式中程序控制原理如下公式：

delta_h=delta_s+a*f/m

delta_s2=delta_s－（g*（m＋q）/m）*delta_h

delta_s:辊缝变化量

delta_f：轧制力变化量

其中a为系数

delta_h:定尺偏差

delta_s:位置设定

m：机架弹性

q：钢的弹性

通过上述公式，可以计算出由校准得出的机架形变量在实际轧制过程中的应用，所以可以控制现场伺服的输出，以来精确控制。

四、结论

莱钢大型钢agc厚度自动控制系统和hgc液压辊缝控制系统是一套非常成熟、先进的控制系统，自投入运行以来，该生产线十分稳定，为莱钢创造了可观的经济效益。 编辑

参考文献：

[1]卢秉林．轧辊非对称交叉轧制交叉角控制模型〔j〕．钢铁，1996,31(2):30～33.

[2]赵元国．轧钢生产机械设备操作与自动化控制技术实用手册[m]．北京：