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趙 琳（1981-）
男，山東萊蕪人，工程師，學士學位，主要研究方向為自動化控制。
摘 要：本文以萊鋼大型H型鋼TCS自控系統為例，詳細論述了AGC和HGC的控制原理，為類似軋機的高精度力學控制系統的精確控制提供了借鑒的依據。
關鍵詞：TCS；AGC；HGC
Abstract: In this paper, taking the large h-beam TCS conveying control system as an example, we discusse the control principle of AGC and HGC for similar mill high-precision mechanical control system and provide the reference for the precise mechanical control of the mill machine.
Key words: TCS; AGC; HGC
1 前言
萊鋼大型H型鋼生產線是全國最大的三條大H型鋼生產線之一，精軋機組是該生產線上的主要控制設備之一，其計算機控制系統 主要由TCS系統控制完成。
TCS系統為大H型生產線核心系統，是一套高精度力學控制系統。該系統控制功能復雜，故障率居高不下。為了降低系統故障率，提高控制精度， 對TCS系統進行了改造。優化了AGC的油膜補償、軋機剛性補償等的模糊邏輯控制，提高了系統的控制精度。
2 系統功能概述
TCS系統采用分級控制方式，主要分為三個主要部分：UR、E、UF，三大部分基本獨立工作，與產出的成材直接掛鉤，TCS現行的控制系統從程序上主要分為全局控制系統TMAC，這一級的控制在級別上為最高，下級又分為UR-Stac、E-Stac、UF-Stac等幾個模塊。在程序中各個資源控制用各種不同的標志來區別，每個子系統由一個資源代碼ID進行唯一的標識。產生的每個狀態或事故報警均帶有資源代碼ID，這樣在信息和產生信息系統之間的分配是唯一的。
在實際控制中分為HGC控制方式和AGC控制方式，HGC控制方式為靜態軋制模式，AGC控制方式為動態模式。
TCS的程序控制由分單元組成，宏觀單元的控制可以進入到下一層控制。這在原理上與一般控制方式不同。每個控制單元的關系如圖1所示。
圖1 程序功能示意圖
在系統中每個控制單元可以獨立運行，從邏輯上受控于TMAC，TMAC為最高級控制，負責全面的通訊及下級的模式。在結構上主要分為下列幾個部分：
· 實時處理，一個周期為3毫秒，在這個任務中任何中斷不能實現，每個周期的運行都要被嚴格的執行。各種模擬量信號的讀入與輸出都在這里被實現。
· EventT，事件控制器任務。在這個任務中，各種外部觸發因素都會在這里被接收，并提交。
· StaT，狀態機器。主要控制邏輯與技術參數，等價與其它程序中的順控。
· TimerT，時間間隔控制器。在這里所有的時間同步控制與計算都在這個回路里被執行。
3 控制實現
3.1 油膜厚度補償控制原理
大H型鋼精軋機使用的是油膜軸承。當軋輥轉速升高時，油膜厚度變厚；轉速降低時，油膜厚度變薄。軋輥轉速變化將直接影響油膜軸承的油膜厚度，進而引起型鋼成材厚度的波動，產生厚度公差，使型鋼尺寸的精度降低。為了滿足用戶的要求，需要進行油膜厚度補償。
油膜厚度Qf與軋輥轉速n和軋制力P的關系式為： Qf=
式中，
為軋輥轉速與軋制力之比的函數，
為一未知常數。轉速可以通過主傳動給出的運行反饋速度獲得，壓力可以通過TCS系統安裝在現場的壓力傳感器獲得，這些數據的獲取都是比較容易的。但是檢測儀器無法進入軸承內部對油膜厚度進行直接測量。所以，油膜厚度只能通過校準（或者稱為壓靠）的方法間接得出。
受油膜厚度變化影響的型鋼厚度h計算公式為：h=G+f（P）-Of （2）
式中，G為輥縫值，f（P）為對應的軋機彈跳。
當校準時，軋機內沒有鋼，h=0，故由公式（2）得：G= Of - f（P） （3）
在軋制過程中，當軋輥以兩種不同的轉速轉動時，軋制力為P，由公式（3）得：
G1=Of1- f（P） （4）
G2=Of2- f（P） （5）
由式（4）（5）得，G1-G2=Of1-Of2 （6）
由以上推導可見，軋制力相同、軋輥轉速不同時，軋機彈跳f（P）相同，油膜厚度O的變化等于輥縫值的變化。將零輥縫條件下的油膜厚度值定為相對油膜厚度零點值Of0 。當式(4)是在零輥縫條件下，式(5)是壓力為P0、而轉速為任意值時根據式(6)可以求出其相對油膜厚度。又從式(1)可知，只要在n/P=n0／P0 條件下，其油膜厚度值必定等于相對油膜厚度的零點值Of0。這樣就可以確定在其他壓力下的相對油膜厚度值的參考零點，從而可以確定不同軋制力、不同轉速下的相對油膜厚度值。
3.2 高精度力學控制系統基于油膜厚度補償的輥縫調節量計算
軋機校準完成以后，在軋制過程中，TCS系統可以從操作人員設定的軋制程序表得到每個道次的輥縫設定值。然后根據輥縫設定值和校準得出的油膜厚度補償值進行實際輥縫的設定。受油膜厚度變化影響的型鋼厚度計算公式可以表示為：
h=G+
- Of （7）式中，MP為軋機剛度系數。
對式（7）兩邊取增量式得到，
Of （8）
又由于W=-
，則 
（9）
式中，W為軋件塑性系數。將式（9）代入式（8）中得到： 
Of （10）
欲使
h=0，可得到油膜厚度變化所需要的輥縫調節量為：G Of=Of （11）
為了提高補償精度的可靠性，TCS系統中按照下式修正輥縫補償量：G Of=A?Of （12）
式中，A為加權系數，在0.5~1之間取值。
根據式（12）和操作人員設定的每個道次的輥縫值，通過校準過程中計算出的油膜厚度補償量，TCS系統可以精確控制型鋼各尺寸的厚度變化，保證高精度的產品尺寸和質量控制。
3.3 加減速厚度補償控制
當軋制速度變化時，軋輥和型鋼之間的摩擦系數、變形抗力和軸承油膜厚度都會發生變化，從而影響軋制力和壓下量。為了減小速度變化對產品尺寸的影響，當速度大于低速基準V 時，在設定速度增減時對輥縫做出相應調節。
（13）
式中，
為速度變化（v）對軋制力（F）的影響系數。
3.4 AGC和HGC的功能原理
TCS系統是一個高精度力學控制系統。首先由獲得的軋輥數據（如輥徑、輥寬、墊片厚度等）進行校準；得出整個機架（包括軋輥形變、墊片等）的拉伸曲線；再由AGC（Automatic Gauge Control）自動厚度控制系統根據軋制表中的輥縫值和軋制力，結合拉伸曲線，自動計算出新的輥縫值；最后由HGC（Hydraulic Gap Control）液壓輥縫控制系統根據得出的新輥縫數值，通過液壓缸行程來完成新輥縫設置。
TCS控制的核心為AGC控制，是在HGC的基礎上完善而來的。AGC是一種閉環控制，HGC是一種普通的控制方式，沒有動態補償，是一種靜態的軋鋼模式，對于精度要求較高的系統來說，這種模式達不到要求。AGC模式是一種動態補償模式。
AGC系統被廣泛地應用于熱軋生產線中。主要原因是在熱軋過程中，軋件非常容易發生形變。形變量的不同因不同的鋼種與不同的軋機而不同。所以要真正達到設定值的要求必須要用到AGC系統。要想達到精確控制，TCS系統在軋鋼之前要先校準軋機。TCS的校準比較復雜。每一步都要依靠事先做好的狀態表來轉換，如mac的狀態表。
校準的過程主要也是記錄彈性形變的過程，可以設定10個不同的記錄點來記錄機架的形變量。
在實際軋鋼過程中，溫度與現場軋制力均要考慮在內，溫度與型鋼的腹板寬度有關，并可以用一個指數公式來表達：
d=(delta_max-D)(1-e*TW/delta1) （14）
D 為一個初始值，由公式（14）得出： D＝d1(d1-delta_min)(1-e*TW/delta1)
在HGC中的輥縫設定主要有下列公式：
C_diff=HSOLL|HIST+MON|
C_diff=控制偏差
HSOLL=設定值
HIST＝機架間距離值
MONI＝設定偏差補償量。
在這個控制模式中控制偏差提前被計算出來，并在實際調整過程中被應用到實際的輥縫中去。
這種模式的缺點就是沒有辦法能夠使產口保證到一定的尺寸，誤差不能控制，所以采用MMC方式，即AGC模式。
MMC（MILL MODULUS CONTROL）機架系數控制，即機架彈性形變控制。在MMC方式中程序控制原理如下公式：
Delta_H=delta_S+a*F/M
Delta_S2=delta_S－（G*（M＋Q）/M）*Delta_H
其中，Delta_S為輥縫變化量；Delta_F為軋制力變化量；a為系數；Delta_H為定尺偏差；Delta_S為位置設定；M為機架彈性；Q為鋼的彈性。
通過上述公式，可以計算出由校準得出的機架形變量在實際軋制過程中的應用，所以可以控制現場伺服的輸出，以實現精確控制。
4 結論
該項目自投入使用以來，控制精度大大提高，故障時間明顯降低，取得了良好的效果，為公司帶來了可觀的經濟效益和社會效益。
參考文獻：
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[4] 趙元國．軋鋼生產機械設備操作與自動化控制技術實用手冊[M]．北京：中國科技文化出版社，2005．
轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號