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冷轧板形控制技术的研究现状及展望
李旭1，金树仁1，王鹏飞2，李晓华1，曹雷1，陈方升1，张殿华1
(1. 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室， 辽宁 沈阳 110819；2. 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心， 河北 秦皇岛 066004)
冷轧板形控制是一个复杂的系统工程，涉及轧制工艺、控制理论、应用数学、计算机通信及人工智能等多个学科领域。冷轧板形控制技术是钢铁工业的核心技术之一，是实现精品板带钢稳定生产的关键技术环节，代表一个国家在钢铁技术领域的最高水平，其相关技术一直是冷轧领域技术研究的难点和热点。分别对板形表征及检测技术、板形预设定控制技术、板形前馈控制技术、板形闭环反馈控制技术以及核心板形控制模型等方面的研究进展进行了概述，分析了各种控制技术的现状及特点。在此基础上，结合作者团队在冷轧板形控制领域多年耕耘积累的研究成果，提出了以数字孪生及信息物理系统(CPS)为技术架构的研究路线和发展方向。通过持续聚焦冷轧板形控制领域的关键技术问题，结合数据处理技术及人工智能等学科前沿知识，融合轧制机理及优化控制理论，提出冷轧板形控制技术的数字化研究方法，以提升薄带材冷轧生产的技术水平和产品质量，推动轧制行业从工艺技术到产品质量获得全面提升，促进钢铁行业向高精产品方向发展。
“中国制造2025”、德国“工业4.0战略计划”、美国“先进制造业伙伴计划”、以及英国“工业2050战略”均将智能制造发展作为提升本国制造业核心竞争力的关键举措。中国作为世界上最大的冷轧产品生产国和消费国，冷轧带钢产量连续20多年超过1亿t，占钢铁总产量的38.5%，其中薄带钢产品占钢铁总产量的13.9%。随着中国基础建设的快速发展，市场对高端化冷轧带材产品的需求日益增加，因此需要形成完整的全流程、一体化控制及各层级控制间的协调优化。冷轧板带轧制控制系统是世界上最复杂的控制系统之一，主要包含主令控制、厚度控制、张力控制及板形控制4大部分。其中，板形控制是确保获得高质量带材产品的关键环节，其控制精度直接影响了尺寸精度、质量稳定性及产品核心竞争力。板形控制主要包含工艺手段和设备手段两种。工艺手段包括轧制规程和策略的调整，而设备手段则涉及板形调控机构，如轧辊横移、压下倾斜、液压弯辊及轧辊分段冷却。板形控制中涉及的技术，如板形表征、板形检测和板形控制系统均是围绕工艺环节和设备手段开展的。板形控制包含预设定控制、前馈控制和反馈控制3个子部分。本研究将深入探讨板形表征方法、板形测量前沿技术、板形控制系统中各子部分的结构及其控制方法与策略，以及关键工艺参数的设定方法和研究历程，并结合先进的智能分析技术提出对未来研究的展望，以推动冷轧带材质量控制领域的发展。1)经历数十年的研究和生产实践，中国成功突破了冷轧带材板形控制领域的技术壁垒，厘清了板形控制系统功能内涵及调控机理，明晰了各个子系统的控制策略和控制方法，攻克了各项板形控制核心技术，并将机理模型与数据驱动相结合，提高了板形调控功效和板形目标曲线等核心控制模型的设定精度。通过高度整合理论研究成果和实践经验，开发出了具有自主知识产权的冷轧板带板形控制系统，实现了板形控制技术的国产化，为高质量带材轧制的持续发展提供了有力的技术支持与保障。2)冷轧板形CPS系统解决了大规模生产数据未能充分挖掘和模型化表述、全过程各工序间非线性动态关联难以量化描述的难题，构建了数据、机理和仿真融合的冷连轧建模过程，实现了工艺制度动态优化设定及多机架协调控制，突破了传统静态建模与单机基础自动化控制方式，将当前缺乏感知、使用静态机理模型、以单变量闭环为主的自动化系统升级成为以数字孪生和信息物理系统为核心的数字化控制系统，形成了基于数据自动流动的实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，为推动定制化、柔性化、绿色化生产，提升产品质量适用度和板带轧制生产线运行水平提供了研究基础和解决方案。3)在板形控制的未来发展中，以信息物理系统和超级计算机作为开发平台，以工业互联网作为传输载体，以期建立起冷轧板形信息世界与物理世界间更高速的互联互通。
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