一、研究背景與問題

冷軋帶鋼屬于高端精品鋼材，主要用于高檔汽車家電、電工電子、軌道交通等行業(yè)，板形（平直度）是其重要質(zhì)量指標(biāo)。板形在線檢測與控制是大型帶鋼冷軋機的核心關(guān)鍵技術(shù)難題，是生產(chǎn)高級冷軋帶鋼的必然選擇，是我國鋼鐵制造工藝裝備智能化的重大需求。長期以來，板形測控技術(shù)被瑞士ABB、德國西門子、日本三菱日立等國際大公司所壟斷。我國從上世紀(jì)八十年代開展板形測控技術(shù)研究，形成工業(yè)級技術(shù)裝備一直是我們追求的目標(biāo)。

我國現(xiàn)有上千套帶鋼冷軋機，其中不到10%依靠進(jìn)口裝備了板形測控系統(tǒng)。進(jìn)口系統(tǒng)價格昂貴，核心關(guān)鍵技術(shù)保密，維修服務(wù)周期長、費用高。大多數(shù)冷軋機依靠工人目測和棍棒敲擊感覺板形，手動調(diào)整控制，板形質(zhì)量低，不能用于高端領(lǐng)域。這些問題一直是我們的痛點。

冷軋帶鋼具有高速重載、寬厚比大、多參數(shù)強耦合、非線性時變性的特點。板形測控技術(shù)的難度在于，在微米級和毫秒級的水平上，通過一系列復(fù)雜精密的機電系統(tǒng)和高精度高速度數(shù)學(xué)模型，動態(tài)檢測與控制帶鋼長度沿寬度方向的精細(xì)分布。幾十年來，板形檢測與控制一直成為國際性的研究難題。

冷軋帶鋼板形測控技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題有：（1）研制檢測精度高、輥面質(zhì)量高、可靠耐用的板形儀。（2）研制多種板形控制手段協(xié)同、功能完備強大的板形控制系統(tǒng)。（3）研發(fā)高精度、高速度的板形控制數(shù)學(xué)模型。

多年來，國際流行的冷軋帶鋼板形測控系統(tǒng)存在的主要問題是：（1）板形儀輥面質(zhì)量和檢測精度不夠高。分段壓磁式板形儀輥面有縫，可能會壓傷和劃傷帶鋼表面。整輥壓電式板形儀的傳感器分散螺旋布置，不能對橫向板形實現(xiàn)同步測量。（2）碳刷滑環(huán)式板形信號傳輸裝置，易受摩擦磨損振動和電磁溫度等干擾，運行維護(hù)困難。（3）整輥式板形儀存在通道耦合問題，影響檢測精度。（4）板形分析計算和控制器設(shè)計模型都是靜態(tài)的，不能實現(xiàn)動態(tài)預(yù)報和解耦。（5）板形控制建模的智能程度和計算精度低，影響控制系統(tǒng)性能。

為打破國外壟斷，實現(xiàn)用自主國產(chǎn)板形測控系統(tǒng)裝備帶鋼冷軋機，生產(chǎn)高級冷軋帶鋼，在國家科技支撐計劃、863計劃、國家自然科學(xué)基金和校企合作的支持下，燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心劉宏民教授團隊針對上述科技問題，歷時10余年自主創(chuàng)新研制了整輥無線式板形儀和智能板形控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于鞍鋼1780mm五機架冷連軋機和馬鋼1720、河鋼1550等12套鋼帶、銅帶、鋁帶冷軋機組，替代進(jìn)口，實現(xiàn)了大型帶鋼冷連軋機板形測控系統(tǒng)的首臺套國產(chǎn)化和冷帶軋機板形測控系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

為了克服國際流行的分段壓磁式板形儀（輥面有縫）可能會壓傷和劃傷帶鋼表面，整輥壓電式板形儀（傳感器分散螺旋布置）不能同步檢測橫向板形，碳刷滑環(huán)式板形信號傳輸裝置易受摩擦磨損、振動電磁等干擾的缺點，該項目采用整輥無縫密排壓電傳感器，板形信號無線傳輸?shù)募夹g(shù)思路，實現(xiàn)橫向板形的同步測量和板形信號的精準(zhǔn)傳輸。為了解決整輥式板形儀通道耦合的問題，提出了通道耦合與信號解耦的機理模型，再通過檢測誤差的多種消除方法，實現(xiàn)板形信號的精確處理。

為了解決板形分析計算和控制器設(shè)計靜態(tài)模型不能實現(xiàn)動態(tài)預(yù)報和解耦，板形控制建模的智能程度和計算精度不高的問題，該項目將軋輥帶鋼變形調(diào)節(jié)與液壓系統(tǒng)控制過程結(jié)合起來，并運用相對增益理論，建立板形調(diào)節(jié)的動態(tài)模擬預(yù)報模型和控制設(shè)計的動態(tài)解耦模型；采用機理模擬與實測數(shù)據(jù)協(xié)同驅(qū)動的方法，建立高精度智能控制模型。

該項目針對工業(yè)常用的六輥帶鋼冷軋機，研制的板形測控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1板形測控系統(tǒng)組成

由板形儀和板形控制系統(tǒng)組成。板形儀由板形檢測輥、板形信號傳輸裝置、板形信號處理計算機組成，板形控制系統(tǒng)由控制計算機、可編程控制器、板形調(diào)控裝置組成，板形調(diào)控裝置或手段有傾斜軋輥、工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥橫移、工作輥分段冷卻等系統(tǒng)。

該項目按照技術(shù)實施的時空順序，設(shè)計的板形測控技術(shù)方案包括板形設(shè)定控制技術(shù)、板形在線檢測技術(shù)、板形閉環(huán)控制技術(shù)。板形設(shè)定控制是在軋制之前設(shè)計制定板形控制方案，為板形閉環(huán)控制奠定良好基礎(chǔ)。板形在線檢測是在軋制過程中使用板形儀實時檢測板形，為板形閉環(huán)控制提供條件和依據(jù)。板形閉環(huán)控制是在實測板形之后，根據(jù)實測板形與目標(biāo)板形的偏差進(jìn)行反饋控制，進(jìn)一步提高板形質(zhì)量。

根據(jù)板形橫向分布的表示方法，板形控制模型的研究方法有多點法和分量法。多點法通過控制帶鋼橫向很多點的板形達(dá)到控制整體板形的目的，分量法通過控制1次、2次、3次、4次等板形分量達(dá)到控制整體板形的目的。板形各次分量可用模式識別方法得到。多點法不需要模式識別，但目標(biāo)參數(shù)很多，控制模型復(fù)雜，計算量大。分量法目標(biāo)參數(shù)少，控制模型簡練，計算量小，通過控制各次板形分量達(dá)到控制多點板形的目的。該項目采用分量控制法研究傾斜軋輥、工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥橫移等聯(lián)合控制1次、2次、3次、4次等板形分量的模型，采用多點控制法研究工作輥分段冷卻控制局部板形的模型。

三、主要科技創(chuàng)新成果

1、研制整輥無縫壓電式板形檢測輥，提高輥面質(zhì)量，實現(xiàn)寬度方向板形同步測量；優(yōu)化設(shè)計板形輥結(jié)構(gòu)尺寸，提高檢測精度和安全性能，擴大對軋制材料和工藝設(shè)備的適用范圍。如圖2所示，板形檢測輥由輥體和壓電傳感器組成。在輥體內(nèi)部靠近輥面處，加工4個沿周向均布的軸向精密通孔。在每個孔中，依次布置一系列傳感器。檢測輥中部每個傳感器的寬度為52mm，兩端傳感器寬度為26mm，以細(xì)化帶鋼邊部檢測。具有一定包角的帶鋼張力對檢測輥形成壓力，通過傳感器測量出壓力的軸向分布，再換算為張力的軸向分布，即可進(jìn)而計算得到板形（帶鋼長度分布）。輥體淬火后表面硬度達(dá)到60HRC以上，耐磨耐沖擊。輥面無縫高硬度，避免對帶鋼造成壓傷或色差，保持帶鋼表面質(zhì)量。輥內(nèi)軸向密排傳感器，實現(xiàn)同步測量。高靈敏度壓電傳感器和細(xì)化邊部檢測單元，保證高精度檢測。

圖2整輥無縫壓電式板形檢測輥及優(yōu)化設(shè)計

為使傳感器在線性段穩(wěn)定工作，需要過盈裝配給其施加一定預(yù)壓力。在冷軋過程中，由于塑性變形和接觸摩擦，帶鋼溫度可達(dá)200°C，檢測輥外表面與內(nèi)部傳感器存在一定溫度差和熱變形差，使傳感器的過盈量和預(yù)壓力減弱或消失，造成檢測信號失真。因此，裝配傳感器必須具有足夠的過盈量和預(yù)壓力。根據(jù)實際軋制工況，應(yīng)用傳熱學(xué)、彈性力學(xué)方法，對檢測輥和傳感器進(jìn)行了熱力耦合模擬，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計了傳感器的裝配過盈量和輥面壁厚（圖2）。輥面壁厚既要有利于壓力的傳遞，又要保證有一定的磨輥量。

2、采用無線數(shù)字通訊技術(shù)，研制無線式數(shù)字化集成化板形信號傳輸裝置，抗干擾性強，信號傳輸精準(zhǔn)，服役壽命長。如圖3所示，板形信號傳輸裝置由旋轉(zhuǎn)頭和固定外罩兩部分組成。旋轉(zhuǎn)頭與板形檢測輥聯(lián)接并同步旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)頭上裝有信號處理芯片、無線發(fā)送芯片和內(nèi)磁環(huán)。固定外罩上裝有無線接收芯片和外磁環(huán)。工作原理是，檢測輥中的傳感器在旋轉(zhuǎn)過程中檢測到的板形信號，通過旋轉(zhuǎn)頭上的信號處理芯片完成放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、編碼打包等處理后，再轉(zhuǎn)換為高頻數(shù)字信號，通過無線發(fā)送芯片輸出；外罩上的無線接收芯片實時接收數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換為有線數(shù)字信號，遠(yuǎn)距離傳送給板形信號處理計算機；相對轉(zhuǎn)動的內(nèi)、外磁環(huán)，通過無線感應(yīng)方式為旋轉(zhuǎn)頭上的信號處理、發(fā)送芯片和檢測輥中的傳感器供電。這種板形信號傳輸裝置，集成實現(xiàn)了模擬信號采集、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字無線傳輸、無線感應(yīng)供電等多功能一體化，抗干擾性強，穩(wěn)定可靠性高，服役壽命長，基本“免維護(hù)”。

圖3無線式板形信號傳輸裝置

3、提出通道解耦機理模型、多種檢測誤差消除方法和板形分量識別方法，研發(fā)板形信號精確智能處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對板形的精準(zhǔn)測量和深度感知。如圖4所示，整輥無縫式板形檢測輥某一通道檢測的壓力信號Ni不僅受該通道表面壓力Fi的影響，而且受其它通道特別是鄰近通道表面壓力Fj的影響，即存在通道耦合。應(yīng)用力學(xué)計算和實驗標(biāo)定兩種方法，確定通道耦合影響系數(shù)Aij，建立耦合矩陣方程{N}=[A]{F}。對耦合矩陣方程進(jìn)行逆運算，形成解耦矩陣方程{F}=[C]{N}，[C]=[A]-1，即可求解表面壓力Fi，消除通道相互影響。

在通道解耦的基礎(chǔ)上，應(yīng)用彈性力學(xué)模型，對檢測輥受力變形和安裝誤差影響、帶鋼寬向溫差和卷取變形影響等進(jìn)行全面精準(zhǔn)補償，提高板形檢測精度。采用勒讓德多項式模型和優(yōu)化方法，對板形信號識別出1、2、3、4次板形分量和高次局部板形，實現(xiàn)深度感知。

圖4檢測通道耦合與信號解耦

4、提出板形控制動態(tài)解耦方法與模型，研制傾斜軋輥、非對稱彎輥、對稱彎輥、橫移軋輥、分段冷卻等多手段協(xié)同并解耦的板形控制系統(tǒng)，保證了控制功能的完備性。對于如圖5所示的六輥軋機，根據(jù)軋制理論計算和軋制過程實測，并運用相對增益理論分析證明：傾斜軋輥、工作輥非對稱彎輥的主要作用是控制1次和3次非對稱板形，對其它板形分量的作用很??；工作輥和中間輥對稱彎輥、中間輥橫移的主要作用是控制2次和4次對稱板形，對其它板形分量的作用很??；工作輥分段冷卻適用于靈活控制高次局部板形。因此，將復(fù)雜的板形控制系統(tǒng)分解為3個獨立的子系統(tǒng)：（1）傾斜軋輥、工作輥非對稱彎輥控制1次和3次板形的非對稱控制系統(tǒng)，（2）工作輥和中間輥對稱彎輥、中間輥橫移控制2次和4次板形的對稱控制系統(tǒng)，（3）工作輥分段冷卻控制高次局部板形的局部控制系統(tǒng)。對3個子系統(tǒng)分別建立控制矩陣方程，大大簡化了控制器設(shè)計。 

圖5六輥軋機板形控制系統(tǒng)解耦策略和控制矩陣方程

研究發(fā)現(xiàn)，不包含液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的靜態(tài)控制矩陣[C]，在調(diào)控過程結(jié)束時才能實現(xiàn)解耦，調(diào)控時間長，超調(diào)量大。為此，根據(jù)解耦控制理論，建立包含液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的動態(tài)解耦控制矩陣模型[D(s)]，實現(xiàn)調(diào)控過程中每時每刻解耦，縮短調(diào)控時間，減小超調(diào)量。圖6和圖7分別示出傾斜軋輥、非對稱彎輥協(xié)同控制非對稱板形和對稱彎輥、橫移軋輥協(xié)同控制對稱板形的動態(tài)解耦控制系統(tǒng)。

圖6傾斜軋輥、非對稱彎輥協(xié)同控制非對稱板形的動態(tài)解耦控制系統(tǒng) 

圖7對稱彎輥、橫移軋輥協(xié)同控制對稱板形的動態(tài)解耦控制系統(tǒng)

5、提出板形控制機理智能協(xié)同建模方法，以條元法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特色的機理智能模型，研發(fā)包括設(shè)定控制、預(yù)測控制和板形儀反饋控制的板形控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度板形控制。如圖8所示，根據(jù)軋輥帶鋼變形機理和軋制過程實測數(shù)據(jù)，分別建立條元法機理模型控制方案和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能模型控制方案，然后加權(quán)結(jié)合，制定協(xié)同控制方案。隨著軋制數(shù)據(jù)的積累和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，不斷提高智能模型的計算精度和泛化能力，加大智能控制方案的權(quán)重，提高控制精度。

圖8機理智能模型協(xié)同板形控制系統(tǒng)

為補償板形檢測時間滯后大的缺陷，如圖9所示，在設(shè)定控制和板形儀反饋控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用機理智能板形模擬預(yù)報模型，在實測板形之前，進(jìn)行預(yù)測控制，提高控制精度和速度。

圖9板形預(yù)測控制系統(tǒng)

該項目上述5項創(chuàng)新成果，形成了先進(jìn)完善的板形檢測與控制技術(shù)體系。

四、應(yīng)用效果

該技術(shù)從2011年至今已應(yīng)用于鞍鋼1780mm五機架冷連軋機（圖10）、1780mm平整機、2130mm光整機，河鋼1050、1550mm可逆冷軋機，馬鋼1720mm平整機，山東冠洲1500mm、江蘇九天光電公司750mm、燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心650mm、太原科技大學(xué)教育部工程研究中心600mm等可逆冷軋機，安徽楚江銅業(yè)800mm銅帶冷軋機，河南明泰鋁業(yè)公司1650mm鋁箔冷軋機，對軋制材料和工藝設(shè)備的適用范圍寬廣。板形檢測分辨力達(dá)到0.2I,板形控制精度達(dá)到4-6I，主要技術(shù)指標(biāo)好于國外先進(jìn)水平（0.5I、8-10I）。

該技術(shù)應(yīng)用于上述12套冷軋帶鋼（材）軋機后，板形質(zhì)量從普通精度提升到高級精度。冷軋帶鋼（材）產(chǎn)品用于紅旗、奔馳、奧迪、格力、海爾等汽車家電板，北京大興國際機場、上海虹橋高鐵站等建筑裝飾板，華為手機、5G通訊設(shè)備等電工電子板，中糧、華特等食品包裝板，頂替進(jìn)口，出口美國、歐洲、日本、韓國等。

該成果獲得授權(quán)發(fā)明專利20項、計算機軟件著作權(quán)10項，主持制定國家標(biāo)準(zhǔn)2項，發(fā)表論文80篇。2021年12月，由中國金屬學(xué)會組織的科技成果評價專家委員會的評價意見為：“該項成果整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其中板形檢測通道解耦模型和板形控制動態(tài)智能方法達(dá)到國際領(lǐng)先水平?！?/span>

該技術(shù)打破國外壟斷，具有技術(shù)優(yōu)勢、價格優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢，提升了我國冷軋帶鋼板形測控技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量的國際競爭力。

圖10鞍鋼1780五機架冷連軋機和生產(chǎn)的冷軋帶鋼卷