基于動態負荷速度調節的拉矯機張力控制方法

徐長安, 程軍周, 孫亞波, 趙流韻

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

拉伸彎曲矯直單元主要由拉伸彎曲矯直機(簡稱“拉矯機”)和張力輥組組成,拉矯機是一種帶材平直度矯直設備，在張力輥拉伸和拉矯機連續交替反復彎曲的聯合作用下使帶材產生塑性延伸而獲得平直度矯直，能消除帶材的瓢曲、邊緣浪形和鐮刀彎等三元形狀缺陷，明顯提高板形質量[1-6]。張力輥組是拉伸彎曲矯直單元的重要組成部分,可保證拉矯張力[7，8]，同時控制入口和出口張力輥組之間的速度差，得到帶材拉伸所需要的延伸率[9]。

控制系統必須盡快響應加減速過程中帶材、張力輥組和拉矯機的慣量變化，否則帶材和輥子之間會打滑，產生質量缺陷[10]。本文提出的基于動態負荷速度調節的拉伸彎曲矯直機張力控制方法，有效地提高了延伸率控制的動態響應速度和穩態響應精度，保證了帶材表面質量，提高了輥子壽命。

1 拉伸彎曲矯直原理

連續拉伸彎曲矯直綜合了連續張力矯直與輥式矯直的特點，是一種在張力輥組的拉伸和彎曲輥連續交替反復彎曲的聯合作用下使帶材產生塑性延伸而獲得矯直的工藝過程[11]。處于張力作用下的帶材，經過彎曲輥劇烈彎曲時，由于彎曲應力和拉伸應力的聯合作用產生彈塑性延伸變形，從而使三元形狀缺陷得以消除，隨后再經矯直輥將殘余曲率矯平[12]。

2 張力輥組及其控制

張力輥組一般由拉矯機入口和出口呈S形分布的張力輥組成，作用是使帶材產生一定的張力，后張力輥組的線速度高于前張力輥組，帶鋼的張力是由線速度差產生的。入口張力輥組的作用是提高入口段張力，使帶鋼達到所需的拉矯張力；出口張力輥組的作用是使帶鋼張力降低到拉矯后序工藝所需張力。常見的張力輥組一般有前二后二和前四后四兩種結構形式[13,14]。張力輥的數目及布置形式決定于帶材矯直所需的最大拉矯張力和拉矯前后工序段帶鋼張力。張力輥的包角和輥面摩擦系數直接影響了張力輥前后的張力放大。為了更好的指導動態負荷速度控制器輸出，對帶鋼拉矯張力進行控制和調整，需要準確計算根據包角關系計算得到的力矩負荷百分比。

張力輥張力和包角的關系如圖1所示。

圖1 張力輥張力和包角關系

式中，T1為入口張力；T2為出口張力；θ為張力測試點的包角；θ1為帶材包角。

兩輥式張力輥組張力分配關系如圖2所示。

式中，θ1為入口輥包角；θ2為出口輥包角。

圖2 兩輥式張力輥組張力分配關系

兩輥張力輥負荷及負荷率計算如下：

入口輥負荷

出口輥負荷

入口輥負荷率

入口輥負荷率

3 動態負荷速度調節的張力輥張力分配

基于動態負荷速度調節的拉伸彎曲矯直機張力控制方法應用于某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機組，該機組速度設計500 m/min，帶材厚度為0.1～1.25 mm，拉矯機采用2彎2矯形式，其結構圖如圖3所示，張力輥采用入口四輥和出口四輥的形式，其布置圖如圖4所示。

圖3 2彎2矯形式高速拉伸彎曲矯直機結構圖

張力輥負荷指的是每個單輥傳動電機輸出扭矩占該電機理論最大扭矩的百分比。帶材在拉彎和矯直過程中，由于加減速和帶材晃動產生的負荷變化，最終導致變頻器扭矩反饋值的變化稱為動態負荷。按照帶材經過張力輥組的順序如圖4所示，將8個張力輥分別命名為1#BR、2# BR、3# BR、4# BR、5# BR、6# BR、7# BR和8# BR[15]。其中，4# BR是入口張力輥組的速度基準，是嚴格的速度閉環控制。5# BR是出口張力輥組的速度基準，也是嚴格的速度閉環控制。在控制上，1#、2#、3# BR定義為4# BR的扭矩伺服軸，該伺服軸以各張力輥電機的動態負荷為反饋，經過非線性的控制調節器疊加速度調節量給定速度控制器輸入值。出口張力輥組和入口張力輥組原理相同。動態負荷速度調節量算法如圖5所示。

圖4 張力輥組布置圖

圖5 動態負荷速度調節量算法

在上述動態負荷平衡控制要點得到成功應用的某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機組中，1#BR功率采用75 kW、2# BR功率采用110 kW、3# BR功率采用160 kW、4# BR功率采用250 kW、5# BR功率采用250 kW、6# BR功率采用160 kW、7# BR功率采用110 kW、8# BR功率采用75 kW。入口張力輥組只有一個速度基準，就是作為入口主輥的功率最大的4# BR；同樣出口張力輥組也只有一個速度基準，即作為出口主輥的功率最大的5# BR，其余張力輥均處于從動配合模式，實際生產中機組一直以500 m/min的輥面線速度長期穩定運行。

動態負荷平衡控制原理圖如圖6所示，利用非線性的動態負荷速度控制器輸出來控制每個張力輥的速度給定，使得每個張力輥能夠實現嚴格的速度控制，而根據包角關系計算得到的力矩負荷百分比能夠指導動態負荷速度控制器輸出，調整每個張力輥在加減速過程中克服帶材、張力輥和矯直機帶來的慣量變化，該方法能夠及時地把每個張力輥的力矩反饋信息補償進速度控制器，利用速度環的高動態響應速度、高靜態響應精度和魯棒性，使得整個控制系統表現出比傳統張力控制和速度PI調節方式更加優秀的效果。

經過現場實際測試，給出了基于動態負荷速度調節方法和恒張力控制方法控制延伸率的效果比較。帶材厚度0.1 mm，寬度1 200 mm，延伸率設定值1.0%，升速加速度0.33 m/s2，機組速度從0 m/min升速至500 m/min時的延伸率實際監控PDA曲線，如圖7所示。由圖可知，機組速度達到15 m/min時候，基于動態負荷速度調節方法控制的延伸率實際值在3 s左右快速達到延伸率的設定值1.0%，而恒張力方法需要6 s左右。整個延伸率閉環控制達到穩態的時間，基于動態負荷速度調節方法控制延伸率達到穩態僅需要5 s，而恒張力方法需要15 s左右。另外，在動態過程中，基于動態負荷速度調節方法控制延伸率超調遠遠低于傳統張力控制方法。同時，基于動態負荷速度調節方法的穩態誤差控制精度也高于恒張力方法。

圖6 張力輥負荷平衡控制原理圖

圖7 動態負荷速度調節方法和恒張力控制方法比較

4 結束語

本文提出了基于動態負荷速度調節的拉伸彎曲矯直機張力控制方法，相比傳統的恒張力控制方法，使得延伸率動態控制精度從0.5%提高到0.1%，動態過程從15 s縮短至5 s，實現了加速過程延伸率穩態控制。同時降低延伸率控制門檻至機組速度15 m/min。該方法已經應用在某鍍錫板公司高速拉伸彎曲矯直機組上，其響應速度和魯棒性得到了很好的驗證。并且帶材表面質量得到很好保證，有效地提高了帶鋼打滑的臨界點。