内容简介

本书主要介绍新一代全连续热连轧带钢质量智能精准控制系统研究与应用。本书对冶金企业、科研院所从事钢铁材料研究和开发的科技人员、工业开发人员具有重要的参考价值，也可供中、高等院校中的钢铁冶金、材料学、材料加工、热处理和焊接等专业的从教人员及研究生阅读、参考。

前言概述

为了适应经济新常态下高质量、低成本、绿色化的高标准要求，常规热连轧带钢的制造过程已渐由半连续热轧工艺布置向全连续热轧工艺布置变革，且呈现出全连轧窄带、全连轧中宽带逐步过渡到全连轧宽带的趋势。伴随着全连轧机型的逐步推广和应用，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）开发了一套面向全连轧工艺的智能两级自动化控制系统，适应了全连轧快节奏、全自动、高质量、低成本的工艺要求。目前，由我单位所开发的全连轧自动化系统已推广应用至唐山国丰、唐山德龙、山西建龙、天津荣程、唐山东海钢铁、河北东海特钢、河北天柱等近20余条热轧带钢生产线。2018年8月，我单位中标天津荣程1100mm全连续热连轧生产线自动化系统，该条生产线是国际首条1000mm宽度以上轧机采用全连轧工艺的常规热轧机组。该生产线粗轧区配置有3立5平八架轧机，在中间辊道配置有转鼓式飞剪飞剪，精轧机由1立8平九架轧机组成，轧后冷却区配有超快冷层冷冷却，卷取区配有2台全液压伺服地下卷取机。基础自动化系统采用SIEMENS
PLCTDC控制器，过程自动化系统采用PC服务器，特殊仪表配置有多功能仪、测宽仪、测温仪、激光测速仪及扫描式热检等，主要生产厚度为1.5~12.7mm的带钢。新一代全连续全连轧自动化系统的主要控制功能如下：(1)多机架微张力模糊控制。针对全连续粗轧机组机架的无活套微张力控制，通过分析机架间秒流量变化的影响因素，给出了一套基于模糊智能控制策略的系统化的方法，建立了一套针对粗轧全连续条件下无活套张力控制的完整解决方案，最终开发了变温度变辊缝条件下的多机架微张力协调优化控制模型。(2)活套高度-张力智能解耦控制。活套控制系统是一个双输入双输出的耦合系统，从活套支持器的基本运动关系出发，推导出其在工作基准点附近的线性化数学模型，针对某热连轧厂的热连轧机系统，给出了活套高度-张力多变量控制系统的传递函数矩阵。采用适合工业过程控制的特征轨迹解耦方法，并利用国际通用软件包MATLAB作为辅助设计工具，提出了一套适合活套控制系统的解耦过程与方法。进而通过附加PID补偿控制器分别对解耦后的活套高度和张力系统进行控制。
(3)热连轧厚度控制策略优化。结合轧制过程基本方程，建立了用于轧制过程特性分析的增量模型。逐个计算轧制力和前滑对轧机入、出口厚度、温度以及前后张力的偏微分系数，得出了轧制工艺参数间的影响系数。根据影响系数分析得出各轧制参数对带钢成品厚度偏的影响，获得热连轧厚度最优控制策略，即采用厚度计AGC或前馈AGC消除由变形抗力波动造成的厚度偏差，对热连轧机组后四架轧机投入监控AGC以保证带钢成品厚度精度的厚度控制策略。(4)新型厚度计AGC开发。以轧制理论为基础，针对计算刚度系数和实际刚度系数之间存在偏差和弹跳曲线的非线性问题，从两个方面揭示利用基于刚度系数的弹跳方程计算厚度基准存在误差的根本原因。为解决刚度系数对厚度基准计算的影响，提出基于由牌坊弹跳特性曲线和机架轧机辊系挠曲特性曲线组成的弹跳特性曲线的机架间厚度计算策略，以此为基础建立新型厚度计AGC，解决了厚度计AGC厚度基准的问题，提高厚度计AGC工作稳定性和控制精度。
(5)全连续粗轧强迫宽展模型与数值模拟分析。开发全连续粗轧过程强制宽展数学模型，该模型采用分区法计算宽度，将轧件沿宽度方向分为五个区，传动侧和操作侧的两个对称孔型轧制的坯料定为Ⅰ区；孔型轧辊内径槽顶区轧制的坯料定为Ⅲ区；Ⅰ区和Ⅲ区相连的两个过渡区定为Ⅱ区，分别计算每一个区的强迫宽展量、自由宽展量和轧制力。通过数值模拟方法，分析不同强迫宽展辊辊型参数对强迫宽展量的影响规律以及不同摩擦系数对出口宽度的影响规律，归纳出宽展与各因素的关系，从而得到强迫宽展辊型最优参数值。(6)全连续热连轧过程控制系统开发。系统开发平台和开发软件采用通用Windows系列的系统和软件。软件使用多进程多线程、模块化结构设计，以事件信号驱动机制建立模块间联系。系统架构具有很强的通用性和适应性，可以按照不同轧线的特点自主选择合适的模块。分析了全连续热连轧轧线长、速度快的特点，开发了实现全线精细化跟踪策略，并应用于现场生产线，性能稳定，有效地提高了轧制节奏，进而提高产能。
(7)建立全连续粗轧机组、精轧机组模型设定系统与参数优化方法。建立适用于全连续热连轧过程控制系统的负荷分配、温度计算、秒流量控制、自动宽度控制、板形设定控制框架体系。为提高换规格后的首块钢的轧制力和厚度的命中率，开发基于PSO神经元网络的轧制力纠偏方法，基于具有完备自学习功能的数学模型预报平台，采用神经元网络和数学模型组合建模的方法，将神经元网络的输出项和数学模型的计算结果进行组合。利用数学模型预报轧制力，同时充分利用神经元网络的计算速度快，容错能力强、信息存贮方便、学习功能强等特点，纠正各种工艺条件下预报值与实测值的偏差，大幅度提高了轧制力的设定精度。
(8)卷取温度高精度控制。深入研究和分析了层流冷却的冷却机理，建立了空冷温降模型和水冷温降模型；设计了层流冷却控制系统结构，具备预设定、修正设定和模型自学习功能；开发了基于Smith预估器的反馈控制控制策略，结合高精度设定模型，实现了带钢全长温度的高精度控制。现场实际应用效果表明，该控制系统能够适应不同钢种和不同规格带钢的不同冷却工艺的要求，针对生产过程中不同规格带钢卷取温度均实现了高精度的控制。东北大学所开发的新一代全连续热连轧自动化系统，实现了多机架无活套微张力协调控制、基于轧制特性分析的多AGC综合控制、热连轧活套高度和张力的智能解耦控制、高精度轧制过程数学模型、轧后冷却速度与冷却路径数学模型等。由于这一系列独有先进控制技术的采用，可以使轧制力预报精度达到95%以上，保证换辊或换规格的第一块钢的厚度、宽度及温度命中率达到98%，第2块钢的厚度、宽度和温度精度100%命中，成品带钢宽度偏差控制在0~3mm之内，厚度为2mm的带钢厚度偏差控制在±15µm内，成品带钢温度偏差控制控制在±18℃。

作者介绍

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（简称RAL）是我国轧制技术领域唯一的国家重点实验室，多年来取得了非常丰富的科研成果。本简报是该实验室2013年各项工作的总结，全面反映了实验室2013年取得的各方面的科研成果。

目录

摘要
1 常规热连轧线的全连轧工艺
1．1 概况
1．2 常规热轧粗轧机组的布置形式
1．3 半连续热轧工艺
1．3．1 半连续工艺概述
1．3．2 粗轧半连续工艺现存的问题
1．4 全连续热轧生产工艺
1．4．1 全连续工艺概述
1．4．2 全连续工艺典型粗轧机组规程
1．5 全连续热轧生产工艺
1．6 本章小结

2 全连续热连轧自动化系统
2．1 自动化系统概述
2．2 系统配置要求
2．3 基础自动化设备
2．4 网络设备
2．4．1 Profibus-DP网络系统
2．4．2 工业以太网络系统
2．5 过程自动化设备
2．6 人机交互设备
2．7 PDA数据记录设备
2．8 检测仪表

3 热连轧过程微张力控制
3．1 无活套微张力控制
3．1．1 热连轧无活套微张力控制思想
3．1．2 控制效果
3．2 活套微张力控制
3．2．1 活套高度控制系统
3．2．2 活套张力控制系统
3．3 活套高度一张力解耦控制系统
3．3．1 活套多变量控制系统
3．3．2 特征轨迹法（CLM法）
3．3．3 活套多变量解耦控制器的设计
3．4 活套多变量解耦控制系统仿真
3．4．1 未解耦前活套角度变化对张力的影响
3．4．2 未解耦前带钢张应力变化对活套高度的影响
3．4．3 解耦后活套角度变化对张力的影响
3．4．4 解耦后带钢张应力变化对活套高度的影响
3．5 活套高度-张力控制系统实际应用

4 热连轧厚度控制策略
4．1 热连轧轧制特性分析
4．1．1 数学模型及其线性化
4．1．2 影响系数计算
4．1．3 热连轧静态分析实例
4．1．4 厚度控制策略分析
4．1．5 小结
4．2 热连轧过程的厚度控制策略研究
4．2．1 热连轧厚度控制系统概述
4．2．2 厚度计AGC系统
……