引言
河北中钢钢铁有限公司1 250 mm八辊五机架全连续冷连轧机组是我国首条在吸收国外相关先进技术的基础上结合国家重大技术装备研制项目(科技攻关)计划，自主研制开发的冷连轧生产线[1]。该生产线于2004年建成投产，三年的稳定运行证明了该控制系统具有优良的性能。
在生产过程中机组设备状态逐渐变化，课题组在2007年夏至2008年初经过半年多的技术改造与长期跟踪，从控制系统人手进行了相应的调整与优化。经过优化，轧机性能有了很大的提高，实际成品规格范围达到厚度0.23—2.0 mm，宽度600～1 205 mm，二次退火板最小厚度0.19 mm。本文将对本次技术改造中对轧机液压压下控制系统的优化进行介绍，从改造涉及的压下控制系统各个环节人手，介绍优化工作并分析优化效果。
1 压下控制系统的组成
1.1 八辊轧机的压下执行机构
河北中钢1250 mm冷连轧机组八辊轧机的压下装置由齿条、齿轮、偏心支撑环和双支撑辊(组合式背衬轴承)组成，分别位于机架顶部的传动侧和操作侧。液压缸带动齿轮齿条机构使偏心环式支撑辊转动，通过支撑辊背衬轴承带动中间辊和工作辊实现压下动作，整个辊系为2-1-1布置。双支撑辊设计减小了支撑辊辊径，大大降低了由大辊径支撑辊磨辊精度问题带来的轧辊偏心影响[1]。但是，该压下执行机构增大了液压缸的行程，液压缸行程约为相应空载辊缝变化量的l0倍，这对控制系统的动态特性提出了较高要求。
1.2 压下控制系统的硬件组成与功能结构
冷连轧机液压压下控制系统由压下控制器、压下执行机构(液压系统、偏心压下机构及辊系)和压下传感器(位置、压力传感器)等三部分组成。压下控制器包括基础自动化级L1级的西门子高性能控制器TDC(Technologic Driver Controller)与执行控制级L0级的德国博世力士乐公司的HNC液压高性能控制器，分别实现给定值控制与高速闭环调节两大功能，两者通过工业现场总线Profibus DP网进行通信。TDC控制器通过CPU负责对压下控制的各给定值通道进行协调，对五个机架的HNC控制器下达给定值;每机架对应一个HNC控制器，用来进行高速闭环调节[3]。
本次优化后的压下控制系统整体功能结构如图1所示。
由压下控制功能结构图可知，压下闭环控制方式包括位置闭环控制与压力闭环控制，分别以液压缸的实测位置与实测压力作为反馈值进行闭环调节[4]。
两种闭环控制方式的特性对比如下：从厚度控制效果来看，位置闭环抵抗来料厚度、硬度偏差以及机架前后张力偏差对出口厚度干扰的能力大于压力闭环;而压力闭环通过保证轧制力恒定可以自动消除轧辊偏心对出口厚度的影响。从板形控制效果来看，压力闭环比位置闭环具有优势：通过保证轧制力恒定，使来料厚度偏差、硬度偏差以及前后张力的波动对出口凸度影响极小，从而基本实现了凸度对此类偏差的抗干扰。其意义在于在末架采用压力闭环与张力厚调，使板形板厚耦合关系变得简单，特别是不必考虑板厚控制对板形的影响。
在原系统中，压力闭环只是在辊缝零位校验时用到，本次优化对压力闭环进行完善并将其投入稳态轧制过程。但是，压力闭环不能单独使用，启动状态时，必须首先使用位置闭环，这是因为在压下的初始非线性阶段，要先以位置闭环压到一定轧制力使轧辊完全接触并压紧带钢才可以转为压力闭环;另外在建张过程中，用压力闭环会导致带钢厚度不稳定。因此，新系统采用主令速度达到最高速度的3%作为位置闭环转压力闭环的切换点。
由于压下控制器实现两种闭环方式的功能与结构是相似的，因此本文对压下控制器的叙述将以位置闭环为主，从给定值环节与闭环调节器环节两个方面进行展开。
2 给定值环节
2.1 给定值通道
对于位置闭环控制与压力闭环控制，给定值环节是将目标位置或目标压力的手动给定值/自动给定值、AGC调节值、ATC调节值和动态变规格调节值等相加，得到相应状态下的输出给闭环调节器的给定目标值。本系统给定值控制在TDC中实现，根据给定值所在循环周期的不同，给定值环节可分为两个通道：慢速给定通道(32 ms)，用于手动给定值与自动给定值的斜坡给定，其中，自动给定值包括L2级给定值与各种工艺给定值如快抬保护位置调节量等;快速给定通道(16 ms)，用于高速的AGC，ATC以及动态变规格调节值给定。如图2所示为给定值环节的组成。
2.2 斜坡发生器与斜率控制器
慢速通道手动给定值与自动给定值属于静态给定值，信号幅值大，为防止对系统产生冲击引起系统自激，必须使用斜坡发生器使给定值输出以一定斜率连续变化到给定目标值，即规定压下或者上抬过程的液压缸运动速度。本系统优化考虑启动压下过程的特点，在轧制力小于1 000 kN时斜坡发生器压下速度设为2 mm/s，大于1 000 kN时设为1 mm/s。
本系统优化在使用斜坡发生器使给定值以斜坡输出的同时，考虑到执行机构的惯性，使用了斜率控制器，给定启动阶段的加速度与停止阶段的减速度，使压下过程经过加速、匀速、减速三个阶段最终实现目标值。斜坡发生器与斜率控制器如图2所示。
在本系统中，运动过程中每一时刻的速度，除了以位置斜坡发生器斜率的形式确定以外，还直接作为给定值用于压下速度偏差补偿，使动态调节过程的速度跟随给定速度。
2.3 位置同步控制与辊缝倾斜(双摆)控制
由于两侧位置传感器(磁尺)的安装很难做到完全水平，因此，在两侧实际辊缝相等时，实测位置值是有差距的。必须采用一定的方式，以这个差值对两侧位置给定值进行修正，使两侧实测位置始终保持这个差值，即位置同步控制。本次系统优化完善了记忆位置差模式与同步跟随模式两种位置同步控制方式，如图1所示。
在完成辊缝零位校验的一刻，记录操作侧与传动侧的位置反馈值之差△s，即为磁尺安装位置差。记忆位置差模式下，操作侧与传动侧的位置给定值是在TDC发出的唯一给定值的基础上分别加上和减去0.5△s，使两侧给定值之差始终保持△s。同步跟随模式下，操作侧控制方式不变，以实时操作侧与传动侧的位置反馈值之差再减去△s作为传动侧的给定值，通过同步跟随控制器(为PI控制器)完成闭环控制，实现传动侧同步跟随操作侧反馈值。同步控制器执行频率比单侧闭环调节器(后文将详细介绍)更快，其周期设置为2 ms。这种方式的优点在于更好地消除了高速调节过程中由于两侧机械特性不同带来的动态偏差。
这样，辊缝倾斜(双摆)控制可以在△s上加一个增量，通过改变在不改变带钢中点厚度的基础上改变两侧的厚度差。
压力闭环的给定结构相对简单，不存在位置闭环下由磁尺安装精度问题造成的两侧给定值不同，TDC直接输出两侧压力给定值，辊缝倾斜调节只需在两侧给定值上分别加上与减去相同的压力调整量。
3 位置闭环调节器以及各补偿环节
图三
本系统闭环调节功能均在HNC中完成，分为位置、压力闭环调节器与位置同步跟随控制器，除同步跟随控制器外，闭环调节器循环周期均设为4 ms。
下面仍以位置闭环为例对闭环调节器进行介绍。在位置闭环控制方式下，位置给定与磁尺测量得到的位置反馈相减得到偏差值，用于位置闭环单侧闭环调节器调节，操作侧单侧闭环调节器的输出即为给伺服阀的调节电压;对于传动侧，在记忆位置差模式下单侧闭环调节器的输出为伺服阀调节电压，在同步跟随模式下同步控制器的输出为伺服阀调节电压。位置闭环单侧闭环调节器由PID控制器与各补偿环节组成，见图3。
3.1 PIDT控制器
本系统的微分环节带有延时滤波环节，因此控制器实际为PIDT控制器。本次系统优化对P，I，DT各环节均进行了不同程度的优化调整。
3.1.1 滤波微分环节(DT环节)
微分控制针对位置偏差信号的变化趋势，在偏差变得较大之前引入一个早期修正信号，从而对偏差起到预控作用。通过试验证明，引入微分控制对于系统动态特性的优化效果明显，特别是在大行程压下过程对速度控制提出更高要求的情况下。但是，微分控制容易受到噪声等高频干扰信号的影响，因此，本系统还引入了具有滤波功能的延时环节，这使得微分环节可以较好地应用于实际控制。微分环节是原系统就存在的，本次优化通过多次调试确定微分系数D=100 ms，延时环节系数T=100 ms。
3.1.2 变增益比例控制
由于在实际控制中，需要在位置偏差很大的时候加快调节速度，而在偏差变小的时候进行微调，因此本次系统优化采用一条人工设定的偏差一电压曲线代替原来单一的比例系数，设置不同的坐标点来确定多段直线的斜率，通过合理的参数设置对系统的动态特性进行优化，并在一定程度上对伺服阀的非线性加以补偿。对应偏差范围区间(0，0.01]，(0.01，0.1]，(0.1，1]的比例增益分别为0.5，1，2。
3.1.3 具有零偏补偿自学习功能的积分控制
积分控制可以通过提高系统阶次来减少或消除系统稳态误差，本次系统优化采取的方法是在控制器里引入积分环节，使系统的稳态误差为0。通过多次调试，最终确定积分系数为30 ms。由于积分控制是微量调节，偏差较大时会产生超调与不稳定，因此将控制器设置为在位置偏差较小并且给定速度为0时，才打开积分环节，偏差切换位置设置为0.01 mm。
引入积分控制后，在稳态时PIDT控制器将始终输出一个比较稳定的伺服阀调节电压(也就是积分环节的输出)，这个调节电压实际上是对伺服阀-液压缸系统各种泄漏的补偿。由于系统处于理想的无泄漏状态时该电压为0，因此该电压也被称为零偏电压。这时，如果将该电压记录下来作为补偿量加入PIDT控制器的输出中，则稳态下控制器的实际调节输出为0，这一补偿方式即为零偏补偿方式(ZPC)。
零偏补偿的意义在于：对于每次大于0.01 mm的位置偏差，PIDT控制器都要首先关闭积分环节，进行比例微分控制，偏差达到0.01 mm以内时，再打开积分环节，直至偏差为0。在这个过程中如果保证稳定的零偏电压输出，则避免了在位置调节的同时又重新实现一次泄漏补偿，减少了每一次闭环调节的调节量、调节时间。实际上，调节电压相对零偏电压可能很小。
在以往的液压系统中，这个零偏电压是在工程调试期人为补偿的，但是，由于生产过程中液压系统的状态会不断发生变化，为此本次系统优化为积分控制加入了零偏补偿自学习功能。其基本原理是在系统进入稳态时记录积分环节的输出作为零偏补偿电压，这样积分环节具有了随着液压系统状态改变自动调节零偏电压的功能。
控制器引入积分控制并加入零偏补偿后，伺服阀调节电压明显趋于稳定。图4为稳态轧制过程的伺服阀调节电压，其中上图为具有零偏补偿自学习功能的积分环节加入前的电压，下图为加入后的。
3.2 补偿环节
3.2.1 流量补偿
理想零开口伺服阀压力一流量方程为(本系统中三位四通伺服阀对液压缸两腔都进行控制)：
压下过程QL=Cdwxv√[2(PS一P1 )/ρ] (1)
上抬过程QL=Cdwxv√[2(PS+P1)/ρ] (2)
式中，QL为负载流量，m3/s;Cd为流量系数，无因次;w为阀口沿圆周方向的宽度，m;xv为阀位移，m;Ps为高压供油压强，MPa;P1为负载压强，MPa;ρ为轧制油密度，kg/m。。
伺服阀的负载流量与伺服阀阀芯开口和负载压强有关，这样，即使阀芯控制电流(由伺服阀调节电压得到，控制阀芯开口大小)一定，伺服阀输出的负载流量仍然随负载压强的变化而变化，而且是非线性关系，特别是其影响规律对于上抬与下压两个方向是不同的[5]。
伺服阀输出的负载流量对应于液压缸的运动速度，所以负载压强的变化将对位置控制系统的跟踪特性产生直接影响。因此，需要通过在控制器中对伺服阀调节电压进行补偿来使液压缸的运动速度保持恒定，即速度补偿或流量补偿。
本次系统优化应用了较为常用的压力流量补偿方式，将控制器的输出电压乘以压强影响系数(对于压下过程为√[2(PS一P1 )/ρ]，对于上抬过程为√[2(PS+P1)/ρ]的倒数，从而使液压缸运动速度不再受到负载压强的影响，同时，使相同阀芯调节电流下，上抬与下压两个方向具有相同的速度。
3.2.2 速度偏差补偿
本次系统优化为使由八辊轧机辊系结构造成的大行程压下过程很好地实现加速一匀速一减速到0的运动过程，在位置闭环控制中引入了速度偏差补偿。
将经过滤波处理的位置实测值做一次微分得到速度实际值，并由位置斜坡发生器、斜率控制器得到速度给定信号，取二者偏差进行PI调节，将其输出电压作为补偿值加到伺服阀调节电压中，即为速度偏差补偿。速度偏差补偿是对压下动态过程的优化，只有速度给定值发生变化时才打开。现场调试效果证明，速度偏差补偿的引入改善了系统的动态性能，很好地满足了大行程压下过程对系统动态跟随特性的较高要求。
3.2.3速度反馈、加速度反馈与压力反馈
速度反馈具有减小主回路的开环增益提高稳定裕度、减少回路内的伺服阀增益变化等干扰因素影响以及减小回路内死区、间隙和滞环等非线性影响的作用;压力反馈可以提高系统的阻尼，减弱系统振动;加速度反馈相当于压力反馈。由于调试效果已经很好地满足现场需要，因此这部分环节未在实际生产中投入。
由于空载压下、建张启动等大行程压下过程均在位置闭环下进行，因此，除了没有速度偏差补偿，压力闭环调节器与位置闭环具有相似的结构，限于篇幅不进行详述。
4 现场应用效果分析
图5为系统时域特性测试的采样曲线。在位置闭环下，无带钢连续大行程压下，左右两部分分别为控制器优化前后的采样曲线，每～部分的上图为实测位置，下图为实测压力。对比优化前后的采样曲线，可以看出，系统的稳态特性与动态跟随特性均得到很大程度的改善，能够很好地满足现场实际生产的需要。
5 总结
本次压下系统优化在原有位置闭环方式的基础上，完善压力闭环控制方式，并在生产过程中投入到后三个机架中，使产品板形质量有了明显改善。控制器设计与优化方面，对给定值环节的斜率控制器与位置同步控制器进行设计，并分别在位置闭环、压力闭环两种方式下，对闭环调节器环节的PIDT控制器进行优化，特别是设计并投入了具有零偏补偿自学习功能的积分环节，同时将速度偏差补偿与流量补偿等多个补偿环节投入系统，成功解决了现场长期存在的双侧压力差报警、动态调节过程压力波动过大及液压缸泄漏造成的伺服阀调节电压波动过大等问题，使压下控制系统的控制效能得到大幅度改善，为产品质量的提高奠定了良好基础。
参考文献：
[1]郭立伟，杨荃.全连续冷连轧机自动控制系统的设计与实现[J].冶金自动化，2006，30(2)：56-60.
GUO Li—wei，YANG Quan.Design and realization of automatic control system for continuous cold tandem rollingmill[J].Metallurgical Industry Automation，2006，30
(2)：56-60.
[2]刘华强，唐荻，杨荃，等.多目标遗传算法在八辊五机架全连续冷连轧机轧制策略优化中的应用[J].冶金自动化，2006，30(4)：49_53.
LIU Hua—qiang，TANG Di，YANG Quan，et a1.Applieation of multi—objective genetic algorithm in rolling strategyoptimization of 8-high 5.stand continuous tandem cold mill[J].Metallurgical Industry Automation，2006，30(4)：49—53.
[3]彭鹏，杨荃，王伟.一种八辊轧机的压下控制系统[J].重型机械，2006(1)：46_50.
PENG Peng，YANG Quan，WANG Wei.The screw down system of 8-roll cold mill[J].Heavy Machinery，2006(1)：46-50.
[4]孙一康.带钢冷连轧计算机控制[M].北京：冶金工业出版社，2002.
[5]李光胜，肖凯鸣，白志大.影响液压压下系统动态性能的因素研究[J].液压气动与密封，2001，12(6)：4-7.
LI Guang—sheng，XIAO Kai—ming，BAI Zhi—da.Research on effect factors of the dynamic characteristic of HAGC system[J].Hydraulics Pneumatics& Seals，2001，12(6)：4—7.
