2018 年第 5 期2018 年 11 月
马红俊1 张 瑜2 缪应凯1
（1.武钢集团昆明钢铁股份有限公司搬迁组；2.昆钢控股技术中心）
摘 要 昆钢双机架炉卷板带热轧机组配置了机架间活套装置，采用先进的闭环伺服控制系统来调节两台轧机之间的张力，以满足轧制过程中高稳定性的要求。文中主要介绍了双机架炉卷轧机活套控制系统的结构和控制原理，分析轧制过程活套运行状态及控制特点，通过对伺服阀零偏补偿优化，确保伺服阀精准运行，对PID调节器的参数优化，减小系统振荡，优化控制程序使轧制过程中活套振动显著减小。 关键词 活套控制 PID调节器 张力闭环控制 伺服阀零偏补偿
1 概述
昆钢1 725 mm 双机架串列紧凑式炉卷板带热轧机组从美国TIPPINS 公司引进，采用了液压自
动厚度控制系统（HAGC ）、自动宽度控制系统（HAWC ）、液压弯辊控制技术、活套张力闭环控制、二级计算机数学模型等多种先进控制手段，年设计产能60
万吨。
图 1 昆钢1725 mm双机架炉卷轧机
立磨衬板双机架炉卷轧机工艺布置紧凑，轧件在两个机架间往复轧制7～9道次，粗、精轧工序全都在两个机架上往返轧制完成，卷轧道次需进入/出口卷取炉进行保温等工艺特性及设备特点，致使各道次压下量、
轧制力、轧制速度、轧件温度和张力控制变化大。热轧带钢在轧制过程中，原则是相邻两个机架的金属秒流量相等，否则就会出现
拱钢或拉钢现象，直至堆钢、拉断等轧废[1]。热轧机组通常采用活套装置来调节相邻两个机架之间的秒流量差，轧机的秒流量受很多因素的影响，如带钢温度、带钢浪形、轧机辊缝、轧机速度变化等，活套装置能在各种外来偏差的干扰下，通过其缓冲作用保持恒定的张力轧制[2]。
昆钢双机架炉卷轧机活套辊位于立轧机和在2#
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机架入口侧之间，见图1。活套辊由两个行程为630 mm的液压油缸来完成上升或下降动作，采用液压伺服系统驱动油缸，配置了两个油压力传感器。
2 活套控制系统
2.1 活套控制系统结构：
活套控制系统由一个单独的2 ms扫描周期的高速控制处理器、一个角度解调分析仪作为角度及位置反馈、两个LOADCELL力传感器（ABB公司设计、生产，检测范围0～40 KN）作为张力反馈、液压伺服系统及通讯组件组成，硬件配置如下图2所示：
活套装置采用了MOOG公司先进的液压伺服系统，配置了液压先导控制的三级伺服阀、阀心反馈、带内置PID调节器控制的伺服阀放大器，相对其它动力驱动如电机，具有更高的响应性和调节精准性[1]，以满足活套装置的工艺和控制需求。
图 2 硬件配置图
混合辅助肢体2.2 活套控制方式：
活套控制具有二种不同的闭环控制的方式：位置闭环控制和张力闭环控制，且能实现全自动切换。
在位置闭环控制时，根据活套的位置反馈值及位置参考值来比较判断活套是要提升还是下降，活套的上升与下降控制依据偏差值、采用程序控制的不同的PID参数组（不同工况时用不同的增益，如进行零偏补偿时采用较低的增益来控制）的调节器来控制。
在张力闭环控制时，控制系统根据活套的张力计即LOADCELL的测量值，经计算后得出带钢张力反馈，与设定的参考值来比较判断活套是要提升还是下降，并采用程序控制的不同的PID参数的调节器
来控制。
在轧制过程中，主要采用张力闭环控制。热轧工艺上要求双机架之间要有合适的、恒定的带钢张力，以保证轧制稳定性，同时也是热轧带钢宽度控制的手段。张力、速度、厚度这三个关键工艺参数在热连轧过程中相互关联、影响，具有耦合效应，因此活套张力闭环控制是热连轧中重要的解耦手段[3]。
2.3 活套控制逻辑顺序
轧制过程中活套逻辑顺序控制包含5个步骤
1）活套控制先期缺省采用位置闭环控制，将活套辊限制在一个固定位（空闲位）上并进行零偏补偿；
2）在带钢轧制厚度小于70 mm时，启用活套装置满足活套启用逻辑条件时，采用位置闭环控制，将活套辊提升到预起套埋伏位55 mm位置，液压伺服系统处于低增益PID调节器控制；
3）当双机架轧机有MIS咬钢信号，满足活套逻辑上起套条件时，位置闭环控制给出一个起套高度参考值，液压伺服系统进入高增益PID调节器
昆钢1725m m双机架炉卷板带热轧机组活套控制技术及优化· 25 ·2018年第 5 期
控制活套上升；
4）当活套辊上升顶起带钢时，活套的张力计即LOADCELL的测量值达到80 %工艺设定张力时，此时系统自动切换到张力闭环控制，进入到活套动态张力控制环，当轧机HAGC厚控或速度波动时，活套辊将跟随张力计反馈值快速响应，调节两个机架之间的秒流量差，实现恒定张力轧制；
5）当轧制完成后，活套自动转换成位置闭环控制，并下降到轧制线以下，自动完成零偏补偿计算，进入到下个工作周期的准备位置。
3 活套控制流程图及关键参数
3.1 活套控制流程图
活套控制流程图，见图3。图中活套高度设定、PID位置调节器、张力调节器、零偏补偿、动态惯量补偿为控制关键环节。
图 3 活套控制流程图
3.2 关键参数计算
3.2.1 活套的张力计反馈张力的计算：
根据活套的角度反馈值计算角度θ、张力计LOADCELL的测量值垂直力Fv、带钢实时轧制的截面积S（根据轧制的厚度h和宽度B），转化为活套反馈张力P（单位：MPa）。
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· 26 ·2018年第 5 期P=Fv×tg（θ）/S （1）
3.2.2 工艺张力的设定：
工艺张力是指轧制程序表中给定的带钢张
力，合适的张力设定才能保证控制带钢轧制时的
宽展和稳定性，由二级数学模型计算和自学习功
能来优化，当然也可在轧制程序表中人工设定、
在操作台上手动调节。在程序控制中，通过转换
计算把工艺设定张力转换成需求力矩M_tens。
3.2.3 活套静态瞬时力矩计算：
Ms=(M
辊重+M
框架重
+M
弯曲力矩
) × K
计算因子
（2）
式中：Ms为活套静态瞬时力矩
K
计算因子
为与活套角度/高度相关的插值计算因子
黄油嘴
3.2.4 弯曲力矩计算：
M弯曲力矩=0.987×Ơs×B×h2/4 （3）
式中：Ơs为带钢屈服强度，单位：MPa，由二级计算机根据钢种给出
B为带钢宽度
h为带钢厚度
3.2.5 活套动态瞬时力矩的计算：
Mdyn= M_i_d+M_mass_d （4）式中：M_i_d为惯量补偿力矩
M_mass_d为提升力矩
活套动态瞬时力矩指实时变化的活套辊角度下的动态提升力矩与加减速时的惯量补偿力矩的总和。
3.2.6 活套提升力矩的计算：
M_mass_d= h×B×Stands_dist×dens× g×R_ looper×cos(angle) （5）式中：Stands_dist为常量(两机架之间距离)
B为带钢宽度
h为带钢厚度
g为重力加速度
R_looper为力臂机械常量
cos(angle)为活套辊实时角度的三角函数
在活套下降动作时，此项式被限制为0。
3.2.7 惯量补偿的计算：
环保染料
M_i_d=I_LOOP×ACCEL_LOOP （6）
式中：I_LOOP为已计算出的惯量常量
ACCEL_LOOP为活套运动的角度加速度
当活套运动速度无变化时，此项式为0。
3.2.8 张力总参考值计算：
M ref= M_tens + Ms+ Mdyn （7）式中：Mref为活套实际需求的总力矩控制量，它综合了预设定张力、设备重量、带钢重量、带钢折弯力矩、动态变化等控制因素。
4 活套控制优化内容
活套控制优化包括伺服阀零偏补偿优化、PID 调节器的参数优化两个关键技术。
4.1 伺服阀零偏补偿优化，确保伺服阀求精准运行
为了保证稳定轧制，活套必须在最短时间内快速建立稳定的张力，要求伺服阀在快速冲击负荷下长期保持高频响应的状态工作。伺服阀长周期运行后，其阀心产生磨损、偏移，导致伺服阀零偏量随之变化。如果没有零偏补偿，将导致活套辊的响应速度明显放慢。在实际运行中，如果零偏补偿值过大，超过阀心开度的±20 %，将造成活套辊运行时快速抖动、套量波动大或直接造成轧制故障。
控制系统中通过零偏补偿程序计算出伺服阀阀心开度上的零偏，程序自动判断在活套进入位置控制的稳态后，对伺服阀的输出参考值进行积分运算，并将计算出的数值存入到保持寄存器中。此值经限幅
器后将与控制调节器输出到伺服阀的计算参考值叠加，送给伺服阀放大器。确保在实时工况中，当伺服阀零偏值相对较大时，调节器系统也能控制伺服阀快速达到精准的开度。
在活套进入位置控制的稳态后，活套油缸有杆腔与无杆腔的压力传感器反馈的“差值”处于相对恒定时，将活套油缸有杆腔与无杆腔的压力反馈差值恒定作为稳态的基础条件，进行求零偏补偿的计算可对油缸微内泄起到补偿作用。另外优化、调整了“一定范围内的位置参考值”和“一定范围内的调节器输出值”两个参数的到位
昆钢1725m m双机架炉卷板带热轧机组活套控制技术及优化· 27 ·2018年第 5 期
范围的临界值，使伺服阀求零偏补偿的计算更精准。
4.2 PID调节器的参数优化及调整，减小系统振荡
为满足轧制时快速响应的要求，并减小系统振荡，在活套闭环控制系统中，调试PID调节器的参数尤其重要。采样周期和Kp、Ki、Kd调节参数取决于执行器总的响应时间，包括命令发出、传输、执行器动作时间，反馈信号传递等。在本系统中所有调节参数均为程序控制变增益，需要对设备反复地进行精调，并结合各种特殊工况，均衡性取值，以满足工艺上的响应要求。
在活套控制中，要求起套快速、运行平稳；在实际运行中，活套辊在轧制过程中间阶段偶尔会快速抖
动，分析是因调节器微分环节变化量较大。对此做了程序优化，当PID调节器一旦进入偏差死区时（在程序中设定死区范围±10 %），即达到90 %的参考值时就切除微分环节，仅使用PI 调节器控制，在尾部落套时，再投入微分环节，从而减少了活套辊在轧制过程中系统振荡。
5 轧制过程活套控制的优化及效果
5.1 轧制过程中活套稳定性的优化
在轧机升降速时和轧制稳定轧制时，活套的上升与下降控制将依据动态张力参考与张力计反馈的偏差值进行调节，而轧机在升降速时，轧机秒流量、轧机辊缝等工艺参数都在快速变化，而张力控制参考值全部是动态计算值，因此活套辊张力变化处于高频次调节，活套辊套量波动大，轧机稳定性下降。轧制过程活套稳定性优化措施见表1。
表 1 轧制过程活套稳定性优化
轧制过程问题问题产生原因优化控制措施
起套过程大幅抖动冲击负荷状态下，张力传感器能瞬间检测到过
大、过小快速变化的张力，导致调节器不断发出
下降、增加输出信号。其间张力闭环控制系统一夺刀器
直跟随输入变化而变化
1.降低位置环设定的起套的高度；
2.张力闭环控制启动后500 ms以内，反馈张力超
过设定的张力参考值时，调节器限制下降输出，
以保证活套起套过程的稳定性。
引线器轧机升降速时，活套辊快速抖动活套的上升与下降控制依据动态张力参考与张力
计反馈的偏差值，轧机在升降速时，秒流量、轧
机辊缝等工艺参数都在快速变化，引起张力反馈
波动，其间张力闭环控制系统一直跟随输入变化
而调节，活套辊在轧机升降速时也高频次调节，
导致活套辊套量波动大，轧机稳定性下降。
1. 升降速时将引起张力反馈波动，张力闭环控制
系统一直跟随输入变化而调节。当活套辊有下降
需求控制时，张力计算模型发出的参考值需要去
除活套附加提升力矩，张力计算模型发出的参考
值需要去除活套附加提升力矩，并进行反向惯量
补偿，调节器输出呈反极性调节，增加了张力参
考值斜坡发生器功能，限制PID调节器输入端变
化，使调节系统趋于平滑，但仅限于在轧机升降
速时使能。
2.尾部落套时，适当比例缩小张力参考值，减小
活套量，利于带尾顺利通过。
轧制薄规格活套辊抖动在轧制薄规格活套辊小范围上下调节频次高，反
复叠加或切除活套动态提升力矩将引起活套辊发
生快速抖动，轧制品种越薄反应越剧烈。
起套动作完成后，活套进入小范围调节区，活套
位置小于260 mm时，重起活套调节。活套位置高
于260 mm时，去除活套附加提升力矩的叠加量，
使调节系统在轧制较薄产品过程中的波动更小。
5.2 活套控制优化效果
以双机架炉卷轧机7个道次轧制1270 mm×2.5 mm规格钢带为例，第5道次轧制时，入口厚度为25.42 mm，出口厚度为14.28 mm，入口机架穿带速度1.63米/秒，出口机架穿带速度2米/秒，入口机架轧制速度5.7米/秒，出口机架轧制速度7米/秒，张力设定为22 MPa。当活套起套时，第二机架轧制处于咬
钢冲击速降补偿区，带钢有堆钢起拱趋势，位置环设定的起套的高度不宜设定过高，只需要接近实际的工作位，满足活套辊能顶到带钢、张力传感器LoadCell检测到张力，从而能快速投入张力闭环控制，就能保证轧制所需要的张力
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