CVC四輥冷軋機板形控制策略探討

侯貴春

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對于有色金屬制品的需求量也是與日俱增。這其中尤其以板件鋁板帶的消耗量為巨，用戶對高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度的熱軋板帶產(chǎn)品的需求量顯著增加，對鋁產(chǎn)品質(zhì)量、品種、性能方面的要求也越來越高；對冷軋鋁材來說，其性能、質(zhì)量及精度要求主要包括厚度精度、板形精度、成形性能及表面質(zhì)量等，而在實際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，對于板帶類鋁材的幾何形狀往往有極為嚴格的要求，因此，在板帶類鋁材的生產(chǎn)過程中，對于板帶類鋁材的板形的控制已經(jīng)成為冷軋鋁板帶生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。板形理論從20世紀60年代發(fā)展至今，經(jīng)歷了四輥軋機軋輥變形分析、三維板材軋制分析、輥系三維有限元分析等階段，在板形控制技術(shù)方面，經(jīng)歷了基于負荷分配的板形控制、各種板形控制軋機(HC、CVC、PC等)、板形和板厚解耦控制、板形和板凸度以及斷面輪廓綜合控制等階段。這些理論和技術(shù)的應(yīng)用和普及對于提高板形控制精度起到了極大的促進作用。在分析帶狀板材的板形控制質(zhì)量時，從板形控制的狀態(tài)方程入手的控制方案，很難進行系統(tǒng)辨識、響應(yīng)速度控制分析以及建模時間控制分析，常見的控制障礙為補償滯后和補償失控，通常是很難達到帶狀板材的板形控制的在線控制質(zhì)量要求。

1 CVC四輥冷軋機的工作原理及模型分析

CVC四輥冷軋機常見的板形控制方式主要有：調(diào)整下壓力和下壓角度、調(diào)整工作輥的彎輥力以及調(diào)整這個冷卻噴射系統(tǒng)的噴射液的噴出角度和劑量。針對板件橫截面為對稱分布的情況，板件形狀控制中的邊浪、中浪控制，可以通過調(diào)整工作輥的彎輥力的變化量Δf來調(diào)整；對于板件橫截面為非對稱分布的情況，板件形狀控制中的邊浪、單側(cè)浪控制，可以通過改變軋輥的傾斜量來進行調(diào)整；對于板件橫截面為復(fù)雜非對稱分布的情況，可以通過改變冷卻液噴射量的改變量Δq來調(diào)整局部的波浪和瓢曲；軋機運行過程中影響板形控制的主要因素有：軋制力、板寬、來料厚度、成品厚度、工作輥直徑、來料凸度、軋輥原始凸度、軋輥熱凸度等，通過軟件仿真模擬輥系的變形量，建立一個彎輥力與有載輥縫凸度的關(guān)系式：

AH、Ah、ACH、ADM分別為考慮來料厚度、成品厚度、來料凸度和工作輥直徑的影響；可變參數(shù)CB的量綱為kN/mm；CA、AFW是受到板件寬度和軋制力綜合影響的變量，單位為mm；四個軋輥的原始凸度CWw以及四個軋輥的熱凸度CWT主要通過實驗結(jié)果和工藝條件來綜合確定；CWg為有載輥縫凸度；F為相應(yīng)的工作輥彎輥力。

CVC四輥軋機主要采用的多為簡化的三次型模擬曲線，帶狀鋁材咬入輥縫之中后，彎輥的軸向位置的實際值WH以及帶載荷彎輥輥縫的凸度變化值ΔCWg之間的關(guān)系式為：

F0、Q是與輥型有關(guān)的常數(shù)，QFW是考慮軋制力、彎輥力及板寬的綜合影響因素。

a1、a2、a3、a4、a5、a6為預(yù)設(shè)常數(shù)，Qw為軋機的預(yù)設(shè)定軋制力；w為板件寬度；F為當前預(yù)設(shè)定彎輥力值。

在實際的板件生產(chǎn)中，鋁帶的凸度值為鋁帶的期望厚度值，稱之為目標凸度值EXP，也就是有載輥縫的目標凸度值，在給定的彎輥力值F下，作用相應(yīng)的初始有載輥縫凸度值CWg，在達到目標凸度值之后，工作狀態(tài)下的彎輥在軸向需要移動預(yù)定的距離，到達指定位置EXD時，產(chǎn)生有載輥縫凸度改變量ΔCWg，ΔCWg=CWg-EXD，對EXD的要求如下：EXD在板件形狀規(guī)定的凸度值許用范圍之內(nèi)；要符合保證板形良好的凸度相似準則；因此，對于實際的鋁帶生產(chǎn)來說目標凸度值的設(shè)定按照如下規(guī)則：

2 自適應(yīng)的在線修正板形控制策略

自適應(yīng)控制策略是繼經(jīng)典控制理論之后，現(xiàn)代控制理論的最新發(fā)展，它的主要技術(shù)特點為：系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先集成的控制策略進行智能修正、智能調(diào)整，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。工業(yè)生產(chǎn)中常見的自適應(yīng)算法主要為—指數(shù)平滑法，它具有操作簡單、工作效率高的特點，通常來說，這是一種單一參數(shù)的控制算法，針對實際工業(yè)生產(chǎn)中對狀態(tài)方程的影響的不可測條件較少、不可測條件集中出現(xiàn)的情況，可以用一個含有可變參數(shù)的系統(tǒng)來代替描述。實際的軋制過程中存在著許多時變參數(shù)情況，如軋輥磨損、軋輥熱凸度、同牌號材料的變形抗力的波動以及目前還沒有條件實現(xiàn)在線連續(xù)測量的來料凸度的波動等。模型以可變參數(shù)描述可以反映這些因素的變化：

FB、FC分別為兩個模型的自適應(yīng)變化系數(shù)，又稱之為可調(diào)參數(shù)；PREB、PREC為經(jīng)過自適應(yīng)后的彎輥力和CVC輥位置值。由于單一參數(shù)很難對軋制過程中的復(fù)雜變化過程進行精確的描述，可以嘗試將兩個模型的自適應(yīng)變化系數(shù)進行變量化，把它看作軋件規(guī)格（材質(zhì)為STMK，板寬為W，來料厚度為H0，成品厚度為H5）和支承輥服役時間CT（反映支承輥磨損、工作輥的磨損）的綜合函數(shù)，綜合函數(shù)的方程式為：

此時的FB、FC為中間狀態(tài)參數(shù)，在FB、FC采用離散函數(shù)點表示具體參數(shù)的函數(shù)值。

3 基于模糊控制的板形控制策略分析

以CVC四輥冷軋機為分析對象，可以大致說明模糊邏輯理論在軋制過程中的主要應(yīng)用。傳統(tǒng)的PID控制的解決對象主要為灰箱問題，而CVC四輥冷軋機主要是針對有鋁材料板件的軋制，系統(tǒng)的液壓彎輥和冷卻液噴射模塊通?？梢钥醋魇且粋€黑箱問題，液壓彎輥系統(tǒng)與軋輥分段冷卻系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng)，從參數(shù)的變化特性上來看，這是一個典型的參數(shù)時變的控制系統(tǒng)，因此很難用數(shù)學(xué)模型進行精確描述。模糊控制技術(shù)在解決黑箱系統(tǒng)的響應(yīng)求解時具有較好的適應(yīng)性，它對于系統(tǒng)的過程參數(shù)的變化不敏感，因此，控制系統(tǒng)將具有較好的整體魯棒性，可以一定程度上消除非線性參數(shù)對系統(tǒng)求解的影響。

對于彎輥的控制策略，主要技術(shù)內(nèi)容如下：選取鋁帶的橫截面板形對稱部分的板形變形參數(shù)W1、W2為輸入量，工作輥彎輥力的變化量ΔF為輸出量，對兩個變形參數(shù)和工作輥彎輥力的變化量進行模糊語言描述，將它們的定義域具體分為七個級別；對于冷卻液的控制策略，取鋁帶橫斷面板形非對稱部分的板形變形參數(shù)W3、W4為輸入量，取冷卻液流量的變化量Δq為輸出量，也對冷卻液鋁帶橫斷面板形非對稱部分的板形變形參數(shù)和冷卻液流量的變化量進行相應(yīng)的模糊語言描述，定義域分為七個級別。模糊語言的取值介于0-1之間，“0”表示該種狀態(tài)完全不屬于預(yù)定的狀態(tài)，“1”表示該種狀態(tài)完全屬于預(yù)定的狀態(tài)，通過隸屬度函數(shù)可以詳細的確定不同狀態(tài)下的模糊隸屬度的取值。

4 基于板形預(yù)測控制的策略分析

預(yù)測控制在工業(yè)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用驗證，并且表現(xiàn)出了較好的適應(yīng)能力。這種控制方法對于模型構(gòu)造精度不高且需要實現(xiàn)高質(zhì)量控制的情況同樣適用。通過采用具有狀態(tài)監(jiān)測器的動態(tài)矩陣控制算法，可以實現(xiàn)較好的板形控制效果。傳統(tǒng)的PID控制對于參數(shù)時變尤其是非線性時變的控制能力較差，因此，針對這一點，開發(fā)出具有自適應(yīng)和自我學(xué)習(xí)能力的新型控制策略尤為重要，動態(tài)矩陣控制作為具有約束性質(zhì)的預(yù)測控制算法，不僅具有傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論中優(yōu)化處理能力，也能通過在線滾動優(yōu)化取代傳統(tǒng)的最優(yōu)控制，在實際的優(yōu)化過程中通過系統(tǒng)的實測參數(shù)信息進行快速的反饋校正，在一定的程度上可以克服非線性參數(shù)變化帶來的動蕩影響。在保障了系統(tǒng)整體魯棒性的前提下，大幅度的提高了控制系統(tǒng)的智能化，更適合在高精度要求的CVC四輥冷軋機板形控制中的板形預(yù)測中得到應(yīng)用。

5 總結(jié)

本文討論了CVC四輥冷軋機板形控制的相關(guān)情況，分析了CVC四輥冷軋機板形控制的模型建立過程，著重分析了在CVC四輥冷軋機板形控制中引入自適應(yīng)的在線修正板形控制策略、基于模糊控制的板形控制策略和基于板形預(yù)測控制的策略，針對每一種控制策略，從控制理論到具體控制系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了簡要分析，為進一步提高CVC四輥冷軋機板形控制的整體效果提供了研究思路。

[1]張清東，CVC四輥冷軋機板形預(yù)設(shè)定控制研究[J]，鋼鐵，1997（12）

[2]張樹存，四輥冷軋機板形控制系統(tǒng)的研究[J]，上海金屬，2003（1）