CN100556571C

CN100556571C - 优化带材轧制中的平整度控制的方法及装置

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Publication number: CN100556571C
Application number: CNB2006800203118A
Authority: CN
Inventors: 蓬图斯·贝里斯滕
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2026-06-08
Also published as: WO2006132585A8; JP5265355B2; ATE521426T1; EP1899085A1; SE0501406L; SE529074C2; JP2008543566A; US8050792B2; CN101208161A; EP1899085B1; ES2371268T3; WO2006132585A1; US20100249973A1; PL1899085T3

Abstract

本发明涉及一种对在使用任意数量的轧机机座和传动装置对带材进行轧制的过程中的平整度控制进行优化的方法和装置。本发明通过下列方法来实现：使用由包括每个传动装置的平整度效果信息的轧机矩阵表示的轧机模型；将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系中，该坐标系的维数小于或等于所用传动装置的个数；对整个带材的实际平整度值进行监控/抽样；计算平整度误差/偏差矢量作为被监控/抽样的带材平整度与参考平整度矢量之差；将该平整度误差转换成较小的参数化平整度误差矢量；使用动态控制器来计算最佳的传动装置设置点，以使参数化平整度误差最小；由此实现期望的带材平整度。此外本发明还涉及一种系统，用于对带材轧制中的平整度控制进行优化。

Description

优化带材轧制中的平整度控制的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种对使用任意数量机械的或其它的传动装置产生的被轧制产品进行平整度控制的方法及装置。

通过滚轧机的工作辊的辊隙分布和轧制带材的厚度分布(profile)来确定轧制产品，即带材的平整度。带材平整度于是可受对影响工作辊隙分布的不同控制装置的操纵的影响。这种传动装置可以是机械装置，如工作辊弯辊、中间辊弯辊、倾斜装置、中间辊窜动辊、顶凸传动装置，或诸如工作辊冷却/加热之类的热装置。

本发明涉及一种确定控制装置(或传动装置)的设置点的方法和装置，其中确定控制装置(或传动装置)的设置点是通过下述方法实现的：使用包括任何线性多变量控制器的特殊控制结构，以及对实际测出的平整度和期望的目标平整度之间的偏差进行的特殊的参数化；在参数化中，使用诸如平整度效果和物理约束之类的传动装置特性，以通过最佳方式影响带材平整度从而获得希望的带材平整度。

背景技术

滚轧机中的控制装置或传动装置通过影响工作辊的辊隙分布来以不同方式影响带材的平整度。

用于高性能平整度控制的条件是连续获取整个带材的实际平整度，即平整度分布。利用已知的平整度分布，可以为滚轧机提供平整度控制系统，该平整度控制系统基于测出的平整度分布和给定的目标或参考平整度分布来计算对可用控制装置的设置点，实现闭环平整度控制，参见图1。该平整度控制包括若干执行装置，这就意味着必须进行相对复杂的估计过程，以便由提供最优结果的控制装置来确定各种动作的幅度。

可将测量装置设计成金属测量辊，在具有遍及带材设置的大约16～64个测量点时，该金属测量辊在大多数情况下被置于轧机机座和尾端卷轴之间，而不使用升降辊。这种测量辊是由ABB生产的“Stressometer”。该测量借助于基于如磁致弹性原理的力传感器来执行，并提供带材沿测量辊的应力分布。如果应力大于材料的弯曲应力，则当带材在不受任何拉力影响的条件下被释放时，该薄板会弯曲。该应力分布就是带材沿轧制方向的平整度分布。取决于平整度测量装置的技术和目前的轧制速度，每4ms(毫秒)就可以获得对整个带材的新的完整的平整度分布测量。

当轧制带材时，重要的是总是维持期望的平整度分布。与期望平整度之间的偏差可导致贵重的带材断裂。因此平整度控制系统的任务是使实际的平整度分布与期望的平整度分布尽可能接近，这就对系统在计算速度和准确性方面提出了高要求。

在不同出版物中对平整度控制的技术进行了描述，诸如：

M.J.Grimble，and J.Fotakis，″The Design of Strip ShapeControl Systems for Sendzimir Mills″，IEEE Transactions onAutomatic Control，Vol.AC-27，No.3，1982.

J.V.Ringwood，″Shape Control Systems for Sendzimir SteelMills″，IEEE Transaction on Control Systems Technology，Vol.8，No.1，2000.

A.Wolff，F.Gorgels，M.Jelali，R.Lathe，G.Mücke，U.Müller，and W.Ungerer，″State of the Art and Future Trends inMetal Processing Control″，In Proceedings of the 3：rd EuropeanRolling Conference，Düsseldorf，Germany，16-18 June，2003.

M.Jelalu，U.Müller，A.Wolff，and W.Ungerer，″AdvancedControl Strategies for Rolling Mills″，Metallurgical Plant andTechnology International，No.3，2001.

S.R.Duncan，J.M.Allwood，and S.S.Garimella，″TheAnalysis and Design of Spatial Control Systems in Strip MetalRolling″，IEEE Transactions on Control Systems Technology，Vol.6，No.2，1988.

在US 6,721,620中也提出了一种在轧制期间控制平整度的方法。使用正交多项式来对实际的带材平整度分布进行测量及参数化。使用由同一正交多项式参数化的期望的参考平整度分布来产生平整度误差偏差。然后使用组合的模式预测控制/内部模式控制方案来生成受控变量。

本发明与现有技术的不同之处在于使用了一流的控制架构，该控制架构直接产生平整度误差分布(其不以正交多项式来表示)。使用在线轧机模型(轧机矩阵)的奇异值分解(SVD)来对整个带材的当前平整度偏差分布进行参数化，这样使得由以下线性多变量控制器(对其提供有参数化误差)产生的传动装置设置点违反传动装置的物理约束。本发明允许对任何类型传动装置进行控制。

使用基于对用于多传动装置冷轧机的轧机矩阵进行直接转置的传统的平整度控制方法通常会遇到如下的问题：

1.对轧机模型(轧机矩阵)直接转置可引起控制系统对模型误差敏感，这就可能导致若干传动装置的不稳定性或不必要的移动。

2.所有的传动装置被同时使用。然而由于不理想的去耦，这些传动装置并不是被独立控制的，这意味着一个传动装置的小的移动可能引起其它传动装置的大的移动，并且使这些传动装置陷入极限状态。

3.上述问题可能导致轧机操作者倾向于以手动模式使用一些传动装置。

本发明仅利用有效的弯辊模式来对平整度误差分布进行参数化，该弯辊模式是通过使用轧机矩阵的SVD来导出的，这样就获得了更加稳定和强健的控制性能，且解决了上述问题。

发明内容

本发明涉及一种方法及装置，其对任意数量的用于带材平整度控制的控制装置(或传动装置)的动作进行优化，并且本发明包括用于对控制动作的鲁棒性估计的方法以及估计/计算装置，其构成了控制设备的主要部分。

传统的用于多传动装置冷轧机的平整度控制方法经常导致不同的问题。例如，系统对于引起若干传动装置的不稳定性或不必要移动的模型误差可能是敏感的。即使多个传动装置被同时使用，这些传动装置也并不是独立的，这就意味着一个传动装置的小的移动可能引起其它传动装置的大的移动，并且使这些传动装置陷入极限状态。一段时间后，轧机操作者还倾向于以手动模式使用一些传动装置，这是不希望的。

本发明的目的是为了解决上述问题，并创建改进的、稳定的且强健的平整度控制系统，该系统在任何给定的时刻都使用可用传动装置的最优组合。

通过对使用任意数量传动装置轧制带材过程中的平整度控制进行优化的方法来实现本发明的目的。该方法包括：

-使用由包括每个传动装置的平整度效果信息的轧机矩阵所表示的轧机模型；

-将各传动装置的平整度效果转化到坐标系中，该坐标系的维数小于或等于所用传动装置的个数；

-对整个带材的实际平整度值进行监控/抽样；

-计算平整度误差/偏差矢量作为被监控/抽样的带材平整度与参考平整度矢量之差；

-将该平整度误差转换成较小的参数化平整度误差矢量；

-使用动态控制器来计算最佳的传动装置设置点，以使参数化平整度误差最小；

因此实现了期望的带材平整度。

本发明的方法创建了改进的、稳定的且强健的平整度控制系统，该系统在任何给定的时刻都使用可用传动装置的最优组合。

本发明的方法还将控制问题化为这样一个问题，即虽然使用较少控制回路但却同时使用全部传动装置。由传动装置的不同组合可能产生的有效平整度效果的数目来确定控制回路的数目，进而从轧机矩阵的奇异值分布来推导出有效效果的数目。

此外，本发明可使操作者能完全使用自动模式，这会在保持相同质量的情况下提高轧机产量，产生较少的废料以及具有较高的轧制速度来。

附图说明

为了更好地理解本发明，请参考下列附图。

图1示出了滚轧机的略图，该滚轧机包括一个其中放置有可用控制装置、传动装置的轧机机座、平整度测量装置，以及计算针对传动装置的设置点的平整度控制系统。

图2示出本发明的控制架构及该控制架构与滚轧机中其它组件之间的关系。

图3示出本发明的平整度控制系统中不同方法步骤的基本流程图。

具体实施方式

如图1所示，平整度控制系统1被集成在包括具有若干传动装置3和轧辊4的轧机机座2的系统中。开卷机5向轧机机座2提供带材6，以及使该带材6通过轧机机座2，借此，该带材6经过平整度测量装置7或张力检测装置，如“Stressometer”，并在缠卷机8上被卷起。该轧机机座可控制轧辊4的倾斜、弯曲和/或移位。该轧制过程的最终产品是具有期望平整度的轧制带材6。

在图2中可看出，该平整度控制系统1被设计为在具有所需要的全部功能的许多前置的组成块周围。

在比较器10中将参考平整度9与测出的带材平整度进行比较。将作为结果的平整度误差e提供给平整度误差参数化单元11，并将来自第一单元12的表示当前传动装置约束的信号和来自第二单元13的代表该传动装置带材信息模型(即轧机矩阵G_M)的信号也提供给平整度误差参数化单元11。将作为结果的参数化平整度误差矢量e^p提供给多变量/动态控制器14，该多变量/动态控制器14将该信息转换为传动装置空间和传动装置约束饱和度。同时，将来自第三单元15的、传动装置带材传送和平整度传感器的动态模型G提供给多变量控制器14。将作为结果的坐标系u提供给轧机机座2和传动装置3。

不同的轧制条件要求不同的控制策略，并且必须根据所轧制的带材，如其宽度、厚度以及材料，进行补偿处理。重要的是处理所有传动装置所具有的物理约束，这些物理约束可以是冲程、最小/最大、旋转速率限制(速度)以及相对冲程限制，如多辊轧机的步长限制。所有这些约束也可以是变化的。

图3公开了平整度控制系统的功能流程图，该方法包括：

A.使用由包括每个传动装置的平整度效果信息的轧机矩阵所表示的轧机模型；

B.将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系中，该坐标系的维数小于或等于所用传动装置的数目；

C.对整个带材的实际平整度值进行监控/抽样；

D.计算平整度误差/偏差矢量作为被监控/抽样的带材平整度与参考平整度矢量之差；

E.将该平整度误差转换为较小的参数化平整度误差矢量；

F.使用动态控制器来计算最佳的传动装置设置点，以使参数化平整度误差最小；

G.将控制信号提供给所述传动装置，由此实现期望的带材平整度。

本发明使用先进的平整度误差参数化方法来处理不同的传动装置约束。文献中基于基本的平整度控制系统结构的现有方法(包括由动态控制器监视的平整度误差的参数化步骤)，并没有在平整度误差参数化步骤中明确考虑传动装置约束。

本发明通过进行平整度误差的参数化以使得不违反传动装置约束而解决了上述问题。为了使用于平整度控制的传动装置发挥最大功效，该特性是至关重要的。

实际上，在任何时候都可以将不同的传动装置设置成自动或人工模式，因此平整度控制系统必须能够应付上述情况。本发明在参数化步骤中明确而直接地考虑了模式处理。

本发明通过下述方式进行平整度误差参数化而解决了该问题，以这种方式使得即使一个或多个传动装置被设置成人工模式且不能为平整度控制所用时，该平整度控制也是最优的。

本发明使用下述假设解决了平整度控制问题：

1.该控制系统可以由事件来驱动，即平整度抽样以基于事件的方式或循环驱动来获得，也就是说，平整度抽样以循环方式来获得。

2.该平整度误差的参数化可以是任何类型的线性投影。因此，允许任何参数化矩阵G_p，其中可使用奇异值分解(SVD)来获得一类这种矩阵。

3.动态控制器可以是任何类型的具有直接项的离散时间线性控制器。任何这种控制器可以以状态空间的形式表示：

x_c(k+1)＝A(k)x_c(k)+B(k)y_c(k)

u(k)＝C(k)x_c(k)+D(k)y_c(k)

其中：

x_c(k)是内部控制器状态矢量；

y_c(k)是控制器输入矢量，该矢量可以是参数化平整度误差e^p和任何其它的轧机变量的结合，并且

A(k)、B(k)、C(k)、D(k)是控制器矩阵，其可根据抽样而改变。为了应付变化的系统动态特性，如变化的传动装置动态特性以及辊隙和平整度测量装置之间的带材传送时延，这是必要的。

在每个新的平整度抽样y(k)处执行下面两步：

1.平整度误差参数化使用任一参数化矩阵G_p及约束最小二乘法来计算平整度误差参数e^p，使得不会违反传动装置限制，以及

2.利用算出的e^p来执行动态控制器，以得到要被应用于机械传动装置的控制信号u。

本发明最重要的特征是：构造了参数化矩阵G_p，以及在使用基于SVD的平整度误差参数化的情况下进行从控制器输出到传动装置输入的相关映射，并用公式表示约束凸优化问题，该公式能实时计算参数化的平整度误差e^p，使得不会违反传动装置约束。

本发明构造了平整度误差参数化问题的约束优化公式。给定下列离散时间多变量控制器：

x_c(k+1)＝A(k)x_c(k)+B(k)y_c(k)

u(k)＝C(k)x_c(k)+D(k)y_c(k)′

其中

y_{c} (k) = [\begin{matrix} e^{p} (k) \\ y_{m} (k) \end{matrix}]

并且y_m(k)是任一轧机过程变量，根据本发明，所述平整度参数化问题可公式化表示为：

\min_{e^{p}} {| | G_{p} (k) e^{p} (k) - e (k) | |}^{2}

使得

C_ieq(k)e^p(k)≤d_ieq(k)

C_eq(k)e^p(k)＝0

其中使用控制器参数C(k)、D(k)和x_c(k)来构建C_ieq(k)和d_ieq(k)，使得控制信号u(k)不违反传动装置幅度、旋转速率以及限制。还可指定不同传动装置之间的相对限制。构建矩阵C_eq(k)使得如果不该将传动装置i用于自动控制时，通过直接项D(k)传至传动装置i的参数化平整度误差e^p(k)的量为0。

以下示出了对参数化及针对基于SVD的平整度误差参数化的映射矩阵的公式表示。给定轧机矩阵G_M(k)及其奇异值分解U(k)·∑(k)·V^T(k)，通过在U(k)中与∑(k)的前N_p个对角线元素相对应的的前N_p列来给出参数化矩阵，其中∑(k)中的前N_p个对角线元素均远大于0，因此：

G_p(k)＝U(:，1:N_p).

如果选择动态控制器来对平整度误差参数空间进行控制，例如，对每个平整度误差参数选择一个PI控制器，则必须将该控制器的输出映射为到传动装置空间。映射M的形成如下：

M＝V(:，1:N_p)(∑(1:N_p，1:N_p))^-1.

所以被映射的控制器输出为：

u_m(k)＝M(k)u(k)＝M(k)C(k)x_c(k)+M(k)D(k)y_c(k).

本发明的优点是对凸优化问题进行一般的公式表示，这便于使用既简单又先进的平整度误差参数化方法，只要可以通过参数化矩阵G_p和线性多变量控制器来描述这些平整度误差参数化方法即可，这样就可以顾及到传动装置约束以及模式处理。

本发明实际上在任何给定时刻都使用可用传动装置的最优组合。从数学上来说，这意味着将SVD增强版用于平整度误差的参数化。该增强包括在参数化中使用传动装置特性。所考虑的传动装置特性为例如速度、平整度效果及工作范围。

本发明将控制问题化为这样一个问题，即虽然使用较少控制回路但却同时使用全部传动装置。由使用的SVD值的数目来确定控制回路的数目。此外，本发明使操作者能完全使用自动模式，这就会提高轧机产量。

应当注意到，虽然以上描述了本发明的示例性实施例，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范围的条件下可对所公开的方案进行若干变化或改动。

Claims

1.一种对在使用任意数量的轧机机座和传动装置轧制带材的过程中的平整度控制进行优化的方法，其特征在于：

-使用由轧机矩阵表示的轧机模型，该矩阵包括每个传动装置的平整度效果的信息；

-将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系中，该坐标系的维数小于或等于所用传动装置的数目；

-对整个带材的实际平整度值进行监控/抽样；

-计算平整度误差矢量作为被监控/抽样的带材平整度与参考平整度矢量之间的差；

-将所述平整度误差转换为较小的参数化平整度误差矢量；

由此实现期望的带材平整度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

-所使用的动态控制器是线性多变量控制器。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

-使用包括速度、不同传动装置之间的相对位置限制、绝对位置限制和传动装置平整度效果的不同的传动装置特性来计算参数化平整度误差。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

-利用对所述线性多变量控制器的状态和/或参数的认识以及不同的传动装置特性来计算参数化平整度误差。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

-如果多变量控制器在不同于传动装置数目的另一维数的空间中产生控制信号，则使用返回原传动装置坐标系的转化。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

-在将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系中时，使用奇异值分解(SVD)。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

-在将平整度误差转换成较小的参数化平整度误差矢量时，将该平整度误差投影到用于描述传动装置的平整度效果的坐标系中的基本矢量所跨越的空间。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

-在计算参数化平整度误差时进行实时工作。

9.一种对在使用任意数量的轧机机座(2)和传动装置(3)轧制带材的过程中的平整度控制进行优化的系统，其特征在于包括：

-用于使用由轧机矩阵表示的轧机模型(G_M)的装置，该轧机矩阵包括每个传动装置(3)的平整度效果的信息；

-用于将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系(u)中的装置，该坐标系的维数小于或等于所用传动装置(3)的数目；

-用于对整个带材(6)的实际平整度值(15)进行监控/抽样的装置；

-用于计算平整度误差(e)的矢量(e^p)作为被监控/抽样的带材平整度与参考平整度矢量(9)之差的装置；

-用于将所述平整度误差(e)转换为较小的参数化平整度误差矢量(e^p)的装置；

-用于使用动态控制器(14)来计算最佳的传动装置设置点以使参数化平整度误差(e^p)最小的装置；

-由此实现期望的带材平整度。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

-所述动态控制器是线性多变量控制器。

11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于：

-用于使用包括速度、不同传动装置之间的相对位置限制、绝对位置限制和传动装置平整度效果的不同的传动装置特性来计算参数化平整度误差(e)的装置。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于：

-用于利用对所述线性多变量控制器的状态和/或参数的认识以及不同的传动装置特性来计算参数化平整度误差(e)的装置。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于：

-用于如果多变量控制器在不同于传动装置数目的另一维数的空间中产生控制信号时进行返回原传动装置坐标系的转化的装置。

14.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

-用于在将每个传动装置的平整度效果转化到坐标系中时使用奇异值分解(SVD)的装置。

15.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

-用于在将平整度误差(e)转换成较小的参数化平整度误差矢量(e^p)时，将该平整度误差投影到用于描述传动装置的平整度效果的坐标系中的基本矢量所跨越的空间的装置。

16.如上述权利要求9或10所述的系统，其特征在于：

-用于在计算参数化平整度误差(e^p)时进行实时工作的装置。