軋制過程自動控制系統

宋國忠

（西林鋼鐵集團檢修公司自動化分公司，黑龍江 伊春 153025）

任何動作過程都是一種控制過程。最簡單的生產控制環節是由生產過程和人組成的。現以軋機壓下位置的控制為例進行說明。依據預期的出口厚度，由人調節壓下螺絲將軋輥輥縫移動到比預期的出口厚度小的某一位置后，軋輥軋出來的軋件就接近預期的出口厚度。這里給定的壓下位置代表控制量，軋后軋件的厚度代表輸出量或稱為被控量，經過軋輥的加工作用，軋件厚度變薄，也就是說一定的壓下位置就對應著一定的軋出厚度。但在輥縫不變的條件下，如果來料厚度不均、材質不均或軋制狀態發生變化，也會使軋機（軋輥撓曲、立柱等受力部件）彈性變形不同，引起輥縫發生變化，因而軋出的軋件厚度也就發生變化。在這一軋制過程中，輸出量對軋制量沒有賦予任何控制影響作用。這種輸出量不會返回影響過程的控制系統稱為開環控制系統。

如果在軋機出口安裝有測厚儀，當外界干擾引起被控量發生變化時，人根據觀察到的實測厚度，與目標值比較，發現已偏離了所要求的目標厚度，就通過壓下螺絲去改變控制壓下位置，使得軋出的厚度回到所要達到的目標厚度，幾次調節把它控制在允許的厚度偏差范圍之內。這一過程，人在軋制過程中起到了比較、判斷和操作的作用。由此可知，人工操作過程實質上是通過測厚儀發現差異，由人來糾正差異的過程。這里人的眼睛、大腦、手、軋機和測厚儀等便組成了一個人機閉環控制系統。將輸出量反饋回來影響輸入量的控制系統稱為閉環控制系統，或稱為反饋控制系統。如果是用運算控制器代替人自動完成偏差信號調節和控制信號輸出，再由電動執行器完成具體調節任務，就成為自動控制系統。

控制系統分類的方法很多，按照變量的控制和信息傳遞方式不同，可分為開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統等。控制系統一般用框圖及信號流線表示，這樣控制系統的分析可以從任何具體控制裝置中抽象出來。將控制系統的各環節的相互聯系和流程用動態結構框圖表示，便于比較分析，也便于對系統進行實驗模擬。返回實際問題時，只要將各框圖內數學模型建立準確，即可仿真某種輸入條件下的輸出結果。

開環控制系統為直接控制系統，輸入量即為控制量，發出控制作用給被控制部分，而被控所示為前饋控制，控制部分依據對輸入量的制部分并不將控制結果返回到控制端。如軋制的前饋厚度控制，其方法是檢測來料厚度，按固定算法計算輥縫，輸出給壓下裝置進行輥縫設定，但不涉及軋出厚度到底是多少，即沒有將輸出量反饋到輸入端與給定量進行比較。于是開環控制系統的精度便取決于該系統初始模型精度以及系統各部件的精度。

閉環控制系統是借助于測厚儀測出實際的軋出厚度，并轉換成相應的電壓信號，然后將它與所要求的目標厚度相當的電壓信號進行比較，得到與厚度偏差相當的偏差信號。偏差信號經放大器放大，控制可控硅導通角度，調節電動機通電時間，使壓下螺絲向上或向下移動，從而使輥縫相應改變，得到所要求的軋件厚度值。只要測厚儀精度足夠，調節器、執行器或任何外擾因素影響出口厚度時，都會調節輥縫，自動地使實際軋出厚度保持在允許的厚度偏差范圍內。即無論來料干擾還是調節執行機構本身的緣故，一旦有偏差，出口監測裝置就會報告出來。故反饋系統廣泛地用于自動控制系統之中。

模擬量信號實現控制為模擬自動控制系統。被控對象的輸出量能作用到控制部分的輸入端，信號的傳遞形成一個閉合環路的系統稱為閉環控制系統，又稱為反饋控制系統。輸入量與反饋量之差即為偏差量。偏差量加到控制器上，其作用是使系統的偏差減小或消除，使系統的輸出量接近于給定值或等于給定值。

然而，檢測儀放在軋機后面一定距離,檢測信號已經滯后一段時間，只能對后續部分進行控制，所以反饋控制是有滯后作用的。對短時突變，簡單反饋控制還可能造成多余調節。但是一般原料條件不會驟然突變，所以控制信號對后續部分也是同樣有參考作用的。

把模擬信號數字化，由計算機實現控制，稱為數字式控制。是采用計算機進行壓下位置調整的數字自動控制系統。計算機周期性地根據壓下位置設定值與當時的實際壓下位置值進行比較，按照預定的控制算法進行計算，然后通過壓下電機的轉動去調整壓下位置使之保持在設定值上。由于是用計算機直接進行控制運算，所以此種系統稱為直接數字控制系統（DDC）。數字式控制系統制算法靈活，精度高，是未來控制系統的主要方式。

根據反饋原理可知，實現軋件厚度或壓下位置的控制，基本上要完成3 個步驟：一是對被控量（即實際軋出厚度或壓下位置）的正確測量與及時報告；二是將實際測量的被控量與希望保持的給定值進行比較、計算和控制方向的判斷；三是根據比較計算的結果，發出執行控制的命令，使被控量恢復到所希望保持的數值上。根據上述原理，便可以概括出閉環自動控制系統的典型結構原理。

在復合控制系統中，控制部分與被控制部分之間同時存在開環控制和閉環控制。采用復合控制系統的目的是使系統既具有開環控制系統的穩定性和前瞻性，又具有閉環控制系統的精度。

實現軋制復合控制，需要測量來料厚度、溫度和出口厚度，前兩項提供前饋控制的依據，預設輥縫。后者為反饋調整提供參考，確保產品最終精度。這樣在來料波動的情況下，也能包括頭部在內軋出高精度軋材。