1. 研究項目的背景，立題依據
隨著我國國民經濟的高速發展，汽車、家用電器以及電子等諸多行業對冷軋板帶材產生了巨大需求的同時也對其質量精度提出了更為嚴格的要求。酸洗冷連軋過程涉及到材料成形、控制理論與控制工程、計算機科學、機械等多個學科領域，是一個典型的多學科綜合交叉的冶金工業流程，具有多變量、強耦合、高響應、非線性、高精度等特點。
從上世紀60年代起，計算機控制繫統開始廣泛應用於鋼鐵軋制過程，德國西門子、日本日立等幾家大電氣公司都已經掌握了冷連軋的核心技術，目前國外能提供成熟高端板帶冷軋自動化繫統的僅有這幾家公司，基本壟斷了世界高端板帶冷軋自動化控制技術的市場。近年來，這些國外大自動化公司提供給我國冷軋廠的核心應用軟件均為黑箱，為企業後期的產品開發和繫統優化設置了障礙。我國從20世紀70年代末開始，從國外引進了多套冷連軋生產線，客觀上提高了我國軋制過程計算機控制技術的水平。國內的科技人員在消化吸收國外技術的基礎上，與國外公司一起進行聯合編程，並逐步開始嘗試獨立開發冷連軋自動化控制繫統。
近年來，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在冷連軋工藝控制繫統方面做了大量的工作，對從國外引進冷連軋機組自動控制繫統進行消化和吸收，與日本三菱合作完成了上海寶鋼益昌薄板有限公司五機架冷連軋機模型設定程序開發及在線應用，與西門子奧鋼聯合作完成了唐鋼1800mm五機架冷連軋工藝控制繫統應用軟件聯合開發，與鞍鋼自動化公司合作完成了鞍鋼福建1450mm冷軋機過程控制數學模型繫統研制、開發與現場調試。通過多年的努力和技術積累，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室已經具備了自主設計、集成和開發冷連軋機組自動化工藝控制繫統的能力。2013年，東北大學完成了遷安市思文科德薄板科技有限公司的1450mm酸洗冷連軋機組自動控制繫統研制與開發工作，該冷連軋生產線是國內條完全依靠自己力量開發全線控制繫統應用軟件並自主調試的酸洗冷連軋機組。
2. 主要研究過程描述。各研究階段的研究進展情況，取得的主要成果，應用與效益等
1450mm酸洗冷連軋機組的產品主要為電鍍錫產品和冷軋產品，整體設計具有國際先進水平。采用淺槽紊流式酸洗，五機架全六輥UCM軋機，軋制速度為1350m/min，成品帶鋼厚度為0.18-0.55mm的鍍錫基板。該酸軋機組為軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（東北大學）三電總包，軋線主傳動采用TMEIC交直交傳動，使用西門子TDC繫統、HP服務器及IBA數據采集繫統，配置IRM測厚儀、BETA激光測速儀、ABB板形儀等高端儀表。
控制繫統是酸洗冷連軋機組的核心，運行良好的控制繫統是工藝質量和生產效率的前提和保障。在該項目實施過程中，采用了具有東北大學自主知識產權的一繫列酸軋控制創新技術，申請了多項發明專利和軟件著作權。
針對酸洗冷連軋機組的工藝控制要求，設計了包含基礎自動化和過程自動化的控制繫統方案，根據數據傳輸要求選擇不同通訊網絡，並配置測厚儀、板形儀等完備的特殊儀表。根據酸洗冷連軋機組的設備構成，對酸洗段張力輥及活套進行分區域的速度張力控制，實現高精度的軋機飛剪控制、卡羅塞爾卷取機控制、焊縫跟蹤、動態變規格控制功能，在酸軋全線跟蹤的基礎上完成設定值處理。
針對伺服閥非線性特性提出了非線性補償策略，給出了顫振補償控制策略，實現液壓壓下繫統中的位置閉環控制和軋制力閉環控制。闡述了彎輥力的確定方法及彎輥力設定模型，根據經驗確定了正、負彎輥力的分配方法，並給出了竄輥繫統控制方法。
結合軋機的儀表配置，設計並建立了冷連軋厚度自動控制繫統。通過在第1和第2機架設置多種類型的AGC，將大部分厚度偏差在前部機架消除。在末機架采用多種AGC控制策略，在不同軋制策略下保證了成品厚度精度。開發了末機架軋制力補償控制，在優化了厚度和張力的控制方式的基礎上保證了末機架軋制力的控制精度。提出了動態負荷平衡控制，防止了某個機架的負荷過大。開發了速度修正控制以保障AGC對機架速度的調節過程得到高效合理的執行。提出了基於動態張力閾值的機架間張力控制策略，完成基於輥縫調節的正常張力控制閉環和基於速比調節的極限張力控制閉環。
針對板形輥的物理特性和實際生產條件制定了板形測量環節的數學模型，並在生產實踐中給出了板形測量繫統中的各種補償策略。為了解決板形調節機構調節超限的問題，建立了多變量化的板形反饋控制模型，基於板形執行機構的板形調控功效繫數建立了板形控制的目標函數，並制定了板形調控功效繫數的自學習模型。
開發了一套適於在線應用的過程控制繫統，實現了繫統管理、數據通訊、運行信息管理、標簽信息管理、過程跟蹤等輔助功能，並通過模型計算實現核心的設定計算功能。為了保證模型設定的精度以及解決傳統方法難以求解的問題，采用了簡法對軋制參數進行計算。為了提高輥縫預設定的精度，采用了一種新型的冷連軋機彈跳模型。綜合考慮了冷連軋過程中的重要因素，開發了一種基於成本函數的多目標軋制規程優化模型。
將該控制繫統方案和控制策略成功應用於思文科德1450mm酸洗冷連軋生產線，實現了軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在板帶冷連軋自動控制領域的跨越式發展。該項目的實施有力推動了大型高端酸洗冷連軋機組的自主創新和國產化進程，使我國擁有了酸洗冷連軋自動控制繫統的自主知識產權，打破了國外技術壟斷，巨額技術引進費用，將大大增強我國在軋制控制繫統方面的核心競爭力。
3. 研究發表（論文與專利）
該項目實施過程中，在國內外學術期刊發表論文20餘篇，申請國家專利10餘項，出版專著1部。
專利
[1] 孫傑，張浩宇，李旭，張殿華. 廣義預測控制在監控AGC繫統中的應用研究, 中南大學學報（自然科學版）， 第43卷，第10期, 3852-3856頁，2012
[2] ZHANG Haoyu, SUN Jie，ZHANG Dianhua，CHEN Shuzong, ZHANG Xin. Improved Smith Prediction Monitoring AGC System Based on Feedback-assisted Iterative Learning Control，Journal of Central South University of Technology，Accepted
[3] 張浩宇，孫傑，張殿華，曹劍釗. 基於流量預估的直拉式冷軋機液壓張力控制策略, 材料與冶金學報，第12卷，第4期, 283-288頁，2013
[4] 陳樹宗，彭文，姬亞鋒，張殿華. 基於目標函數的冷連軋軋制力模型參數自適應，東北大學學報（自然科學版），第34卷，第8期, 1128-1131頁，2013
[5] 張欣，張殿華，李旭，孫傑. 五機架帶鋼冷連軋機張力控制繫統研究，軋鋼，第30卷，第4期,47-50頁，2013
[6] SUN Jie，ZHANG Dianhua，LI Xu，ZHANG Jin，DU Deshun. Smith prediction monitor AGC system based on fuzzy self-tuning PID control，Journal of Iron and Steel Research，V17，N2，P22-26，2010
[7] 孫傑，李旭，谷德昊，王國力，張殿華. 高精度鋁箔張力控制策略的研究與應用，電機與控制學報，第15卷，第12期, 73-77頁，2011
[8] 王鵬飛，張殿華，劉佳偉，王軍生，俞小峰. 冷軋板形測量值計算模型的研究與應用，機械工程學報，第47卷，第4期, 58-65頁，2011
[9] ZHANG Xin, ZHANG Dianhua, CHEN Shuzong, ZHANG Haoyu, LI Xu, SUN Jie. Modeling and Analysis for Interstand Tension Control in 6-high Tandem Cold Rolling Mill，Journal of Central South University of Technology，Accepted
[10] 孫傑，胡雲建，李炳奇，張殿華. 鋁箔厚度控制繫統及厚度優化策略，東北大學學報（自然科學版），錄用待發表
[11] 張殿華，劉佳偉，王軍生，王鵬飛. 帶鋼冷連軋板形功效繫數自學習計算模型，鋼鐵，第45卷，第3期, 52-56頁，2010
[12] 孫傑，張殿華，李旭，張澤瑞. 厚度計AGC應用中存在的問題及對策，東北大學學報（自然科學版），第30卷，第11期, 1621-1623頁，2009
[13] Sun Jie, Zhang Haoyu, Qin Dawei, Gu Dehao, Zhang Dianhua. Simulation Research of Integral Controller in Monitor AGC System, Proceedings of the 2012 24th Chinese Control and Decision Conference, P3292-3294, Taiyuan, 2012
[14] Zhang Haoyu, Sun Jie, Zhang Dianhua, Li Xu. Compensation method to improve dynamics of hydraulic gap control system, Proceedings of the 2012 24th Chinese Control and Decision Conference, P1536-1541, Taiyuan, 2012
[15] CHEN Shuzong，ZHANG Dianhua，SUN Jie, PENG Lianggui, ZHANG Xin, LIU Yinzhong. Multi-objective optimization of rolling schedule based on cost function for tandem cold mill， Journal of Central South University of Technology，Accepted
[16] JI Yafeng，ZHANG Dianhua，SUN Jie, LI Xu, CHEN Shuzong, DI Hongshuang. Algorithm Design and Application of Novel GM-AGC Based on Mill Stretch Characteristic Curve， Journal of Central South University of Technology，Accepted
[17] Zhang Xin, Zhang Dianhua, Sun Jie, Li Xu, Cheng Pingwen. On quality control strategy in last stand of tandem cold rolling mill, 2012 31st Chinese Control Conference, P7562-7564, Taiyuan, 2012
[18] Chen Shuzong, Zhang Dianhua, Sun Jie, Wang Junsheng, Song Jun. Online Calculation Model of Rolling Force for Cold Rolling Mill Based on Numerical Integration, Proceedings of the 2012 24th Chinese Control and Decision Conference, P3951-3955, Taiyuan, 2012
[19] Wang Pengfei，ZHANG Dianhua，LI Xu，ZHANG Wenxue. Research and Application of Dynamic Substitution Control of Actuators in Flatness Control of Cold Rolling Mill， Steel Research，V82，N4，P379-387，2011
[20] 張殿華，張欣，李旭，孫傑，谷德昊. 基於Smith預估控制器的監控AGC在冷連軋機上的應用，鋼鐵研究學報，第23卷，第12期, 60-63頁，2012
[21] 陳樹宗，張殿華，劉印忠，李旭，彭良貴. 唐鋼1800mm5機架冷連軋機過程控制模型設定繫統，中國冶金，第22卷，第10期, 13-18頁，2013
[22] 張殿華，陳樹宗，孫傑，宋君，王軍生. 基於實測值置信度的冷連軋軋制力模型自適應，鋼鐵研究學報，第25卷，第11期, 30-33頁，2013
[23] 陳樹宗，張殿華，孫傑，李旭. 液壓彎輥控制繫統的建模及辨識，東北大學學報（自然科學版），第33卷，第2期, 208-212頁，2012
[24] 李旭，張殿華，何立平，張浩，李一棟. 冷軋監控AGC智能Smith預估器的算法設計，繫統仿真學報，第21卷，第14期, 4405-4408頁，2009
[25] 張殿華，孫傑，李旭，李文田，孟德霞，付韶武. 冷軋平整機延伸率控制繫統的應用及研究，鋼鐵研究學報，第20卷，第5期, 56-58頁，2008
[26] 李旭，張殿華，張浩，韓繼征，王晶，劉翠紅. 唐鋼1700mm五機架冷連軋計算機控制繫統，材料與冶金學報，第7卷，第2期, 151-155頁，2008
[27] 張殿華，李旭，張浩，韓繼征. 輥縫型監控AGC純滯後補償控制器的算法設計及應用，鋼鐵，第43卷，第6期, 52-55頁，2008
[28] 李旭，張殿華，張浩，韓繼征. 基於CORUM模型與多閉環的冷連軋自動控制繫統，東北大學學報（自然科學版），第29卷，第4期, 533-536頁，2008
專利
[1] 李旭，孫傑，趙況，張欣，張浩宇，谷德昊，張殿華. 一種測量傳動繫統轉動慣量的方法，2013，中國，ZL201110374048.5
[2] 孫傑，姬亞鋒，彭文，劉恩洋，曹劍釗，李旭，張殿華. 一種基於測溫儀的板帶熱連軋卷取溫度控制方法，審查中，中國，ZL201110375430.8
[3] 張殿華，李旭，孫傑，古德昊，李建平，劉相華. 一種板帶軋制中卷徑測量裝置及卷取張力控制方法，2010，中國，ZL2008100134636.6
[4] 李旭，劉相華，張殿華，孫傑，支穎，胡賢磊，矯志傑，吳志強，孫濤. 周期性變厚度帶材軋制過程中張力的控制方法及控制繫統，2011，中國，ZL200910012396.0
[5] 王貴橋，張福波. 一種斜刃剪切機液壓傳動回路，2011，中國，ZL201010010117.X
[6] 李旭，劉相華，張殿華，孫傑，支穎，胡賢磊，矯志傑，吳志強，孫濤. 周期性變厚度帶材軋制過程中張力的控制方法及控制繫統，2011，中國，ZL200910012396.0
[7] 張殿華，牛樹林，張 浩， 李旭，孫傑，孫濤，劉相華. 一種基於測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法，2011，中國，ZL2009100126992.2
[8] 張殿華，劉相華，盧超， 李建平，李旭，孫濤. 一種中厚板液壓滾切剪的控制方法和裝置，2011，中國，ZL200810012268.1
[9] 張殿華，李旭，王鵬飛，孫傑. 一種冷軋機工作輥彎輥超限的動態替代調節方法，2012，中國，ZL201010616810.1
[10] 張殿華，李旭，古德昊，孫傑，李建平，劉相華. 一種板帶軋制中測量料卷卷徑、帶寬的裝置及其方法，2010，中國，ZL200810013465.5
[11] 孫濤，張殿華，王君. 一種動態補償液壓伺服閥零漂的方法，2009，中國，ZL 200710157853.6
[12] 張殿華，劉相華，孫濤，吳志強，王國棟. 一種快速高精度板帶軋制過程自動控制厚度的方法，2008，中國，ZL 200610045735.1
專著
[1] 丁修堃，張殿華，王貞祥. 高精度厚度控制理論與實踐, 冶金工業出版社，61.5萬字，2009
4. 報告完成人員和單位介紹（表格形式介紹）
序號 姓名 工作內容 單位
1 張殿華 項目負責人 東北大學
2 李旭 項目負責人 東北大學
3 孫傑 項目負責人，現場經理 東北大學
4 彭良貴 酸軋過程控制繫統 東北大學
5 陳樹宗 冷連軋過程控制繫統 東北大學
6 張欣 冷連軋主令及張力控制繫統 東北大學
7 張浩宇 冷連軋HGC及AGC控制繫統 東北大學
8 王力 酸洗主令及張力控制繫統 東北大學
9 朱曉岩 酸洗過程控制繫統 東北大學
10 胡雲建 酸洗介質及輔助輔助控制繫統 東北大學
11 孟令江 酸洗輔助控制繫統 東北大學
12 李炳奇 冷連軋介質及換輥控制繫統 東北大學
13 王國力 冷連軋出入口及急停控制繫統 東北大學
14 陳華昕 冷連軋輔助控制繫統 東北大學
15 王世偉 冷連軋輔助控制繫統 東北大學
16 闫注文 冷連軋板形控制繫統 東北大學
17 甄立東 冷連軋人機界面繫統 東北大學
18 陳秋捷 酸軋人機界面繫統 東北大學
19 吳春玲 酸軋人機界面繫統 東北大學
20 卜赫男 冷連軋過程控制繫統 東北大學
5. 報告執筆人
孫傑，陳樹宗，張浩宇，張欣，王力，闫注文
6. 致謝
感謝實驗室領導的關心、指導和幫助，為項目組提供了一個良好的工作平臺。感謝思文科德公司領導和專家的的信任和大力支持，以及調試過程中的理解與配合。感謝項目組全體人員所付出的心血和汗水，感謝所有人為自主創新的酸軋控制繫統開發所作出的貢獻。
