CN101412083B - 一种圆坯连铸软压下控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆坯连铸软压下控制方法，属于连铸技术领域。所述方法是：当液压调节回路的输出压力大于设定压力的偏差范围时，通过控制压力调节阀使输出压力等于设定压力；当设定压力为轻压段或软压段压力时，通过控制不同的电磁阀使输出压力对时间的一阶导数为0。本发明通过对轻压段和软压段压力的不同控制，实现了液压调节回路输出压力的实时调节，从而完成了圆坯连铸软压下控制，克服了该项技术长期依赖进口的不利因素。

Description

一种圆坯连铸软压下控制方法 

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，特别涉及一种圆坯连铸软压下控制方法。 

背景技术

在连铸机控制技术中，软压下控制是直接影响铸坯质量好坏的关键技术之一。长期以来，该项技术被国外几家大公司所拥有，例如奥地利的奥钢联工程技术公司、意大利的达涅利集团等等，这些外国公司通常以“黑匣子”的形式向国内企业提供该项技术，这样国内企业就得支付高额的使用费用，例如天津大无缝钢管厂、衡阳钢管厂、武汉钢铁(集团)公司、鞍钢股份有限公司等连铸机中所使用的均为国外公司的技术。 

圆坯连铸机的软压下控制技术与板坯或方坯的软压下控制技术有较大的不同：板坯或方坯连铸机的软压下控制技术有比较完备的检测手段(例如辊缝检测)，而圆坯连铸机的软压下控制技术相对比较粗放，目前还没有合适的检测手段；圆坯连铸机的拉坯规格(直径)相对于板坯或方坯连铸机的铸坯规格(厚度)多，并且规格幅度变化大(最大变幅约300mm)；如果考虑软技术方面的因素(例如液芯计算模型)，那么圆坯连铸机软压下技术的控制难度会大于板坯或方坯连铸机软压下技术的控制难度。 

圆坯连铸机的软压下控制技术是通过液压控制回路来实现压力调节的。图1示出了圆坯连铸机的软压下控制技术中被广泛采用的拉矫辊压下的液压控制原理图，其中VA控制油缸压下，VB控制油缸上升，VC控制油缸快速压下，VD调节压下的压力。在实际应用中，圆坯连铸液压控制回路的压力调节是通过液压缸的移动来实现的，即只有当液压缸有位移时，外界施加的压力才可以被释放。 

但是，这种圆坯连铸机的软压下控制技术在控制效果方面却不尽人意，尤其是在微压控制方面，其控制效果非常不好。以达涅利集团在衡管加工方面所作的控制系统为例，随着铸坯规格逐渐变小，其压下效果也会逐渐变差，进而导致铸坯严重变形。铸坯变形的主要原因是：1)当外界施加的压力大于设定值时，液压控制回路的压力调节不能将压力完全调低；2)当外界施加的压力小于20Kg时，液压控制回路无法对这样的小压力进行有效地调节。圆形热坯在受压时理论上可以看作拉矫辊的切线对热坯的母线施压，由于其施加的压强相对于板坯或方坯的两个平面所施加的压强大，因此造成了圆坯更容易受压变形。 

发明内容

为了解决圆坯连铸机软压下技术中的圆坯受压变形问题，本发明提供了一种圆坯连铸软压下控制方法，所述方法是： 

当液压调节回路的输出压力超出设定压力的偏差范围时，通过控制压力调节阀使所述输出压力等于所述设定压力；当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0： 

$P=k*{\mathrm{dp}}_I+I*{\&Integral;}_{t_0}^{t_n}\frac{{\mathrm{dp}}_I}{\mathrm{dt}}|\begin{array}{c}>\mathrm{Max}\\ <\mathrm{Min}\end{array}$

其中，k为比例系数、P为设定压力的偏差值、I为液压调节回路输出压力的采样频率、Max为设定压力的上偏差值、Min为设定压力的下偏差值、t为积分时间、P_I为液压调节回路的输出压力。 

当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0的步骤具体为： 

当所述设定压力大于25Kg且小于50Kg时，对所述输出压力进行定时采样，如果采样得到的压力大于所述设定压力，则关闭所述液压调节回路的控制油缸快速压下的电磁阀。 

或者，当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0的步骤具体为： 

当所述设定压力小于等于25Kg时，对所述输出压力进行定时采样，如果采样得到的压力大于所述设定压力，则关闭所述液压调节回路的控制油缸快速压下的电磁阀，并开启所述液压调节回路的控制油缸上升的电磁阀。 

所述定时采样的周期为0.382T，其中T为所述输出压力的采样周期。 

有益效果：本发明通过对轻压段和软压段压力的不同控制，实现了液压调节回路输出压力的实时调节，从而完成了圆坯连铸软压下控制，克服了该项技术长期依赖进口的不利因素。 

附图说明

图1是现有技术中圆坯连铸机软压下的拉矫辊压下的液压控制原理图； 

图2是本发明实施例提供的圆坯连铸软压下控制的控制原理图； 

图3是本发明实施例提供的圆坯连铸软压下控制的流程图； 

图4是本发明实施例提供的液压调节回路的压力调节原理图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

本发明实施例是在不改变现有硬件控制条件的基础上，通过软件来实现能够满足不同规格圆坯的软压下控制。本发明实施例采用以下两个阶段来实现对圆坯连铸软压下的控制： 

1)有条件的压力调节 

当图1中测压点PI处的压力大于设定值时，即使调节阀VD完全关闭，其压力通过液压缸和管路内泄也得不到有效地释放，使得作用于圆坯的压力过大，造成圆坯严重变形；当要求图1中测压点PI处有较小的压力(例如小于20Kg)，以防止圆坯受压变形，但是在具体生产实践中，油路的残存压力还是比较高，达不到有较小压力的要求。针对上述情况，并结合拉矫机的工作压力范围(5-50Kg或大于140Kg)，本发明实施例采用如下控制策略： 

$P=k*d{p}_I+I*{\&Integral;}_{t_0}^{t_n}\frac{d{p}_I}{\mathrm{dt}}{|}_{<\mathrm{Min}}^{>\mathrm{Max}}$

其中，k为比例系数、P为设定压力的偏差值、I为液压调节回路输出压力的采样频率、Max为设定压力的上偏差值、Min为设定压力的下偏差值、t为积分时间、P_I为液压调节回路的输出压力。 

上式是对调节阀VD实施调节的函数，是一个典型比列积分调节器并采用了边界控制，即当PI处的压力在正常误差范围内时，调节阀VD不作任何调节；当PI处的压力超出正常误差范围时，调节阀VD在上述比列积分调节器的作用下进行调节，以减小输出压力。在实际应用中，边界条件的设置可以采用“上小下大”的原则，例如可以设置偏差值为+2～-5Kg之间，从而减小因过压导致圆坯变形的不利因素。比例系数K和积分时间可以根据具体的生产要求来进行设置，例如可以设置K在0.8-1.0之间，积分时间为60秒(t_n-t₀＝60s)，这样可以减小调节步长和放慢调节速度，有效保证系统的稳定性和防止超调。另外，比例积分调节器本身的最大调节范围可以由设定的压力来进行限制。经过实际生产的证明：当压力开始由低向高调节时，需要2个 调节周期，压力开始由高向低调节时，需要3个调节周期就可以进入稳定调节状态，并且压力上限得到了有效的控制。 

2)分段压下控制 

根据压下压力的大小，连铸软压下控制可以分为三大类：大于100Kg(重压/硬压)、大于25Kg且小于50Kg(轻压)和小于等于25Kg(软压)。重压段软压下控制技术由于主要用于穿引锭杆，相对来说控制比较容易，只要保证不打滑和被压设备不下溜即可，因此本发明实施例不考虑重压段下的软压下控制。对于轻压段和软压段的软压下控制，本发明实施例提出如下解决方案： 

a)轻压段的软压下控制 

在轻压段的软压下控制中，目前的控制手段虽然有较好的压力调节效果，但是每次压力超过设定值均会使圆坯发生微小的变形。在没有辊缝控制的前提下，其积累的误差会使圆坯产生较大的变形。如图1所示，假设压下的压力为Pa，上升的压力为Pb，当Pa-Pb＝0时，液压缸能保持在某个位置不变或者以压下辊的自重力对圆坯施压，如果在合适的时间(dt)内，能使Pa-Pb＝0(也即dp/dt→0)，那么圆坯所受压力与测压点PI处所检测的压力无关。通常情况下，轻压段所浇铸的圆坯规格比较大，如果压力过小，特别在静态(暂停浇铸)时，如果有2/3的压下辊同时失压，那么有可能造成圆坯滑脱，因此得选取合适的dt。本发明实施例中，在液压调节回路输出压力采样周期T的黄金分割点时刻(0.382T，T为液压调节回路输出压力的采样周期)对PI进行采样，如果采集到PI大于压力的设定值，那么立即让dp→0，即令电磁阀VC＝1，这样可以有效地保证圆坯不致因长期受过压而变形，且避免了“同步失压”的现象产生。根据实际生产经验，PI处的采样周期可以取值为10-20秒中的某一个数值。 

b)软压段的软压下控制 

在软压段的软压下控制中，现有的液压调节系统很难达到预定的调节效果。通常情况下，软压段所浇铸的圆坯规格都比较小，极容易压变形。本发明实施例在上述轻压段的软压下控制基础上，提出了“微提升”控制思想。所谓“微提升”，是指在软压段，拉矫辊用设定压力压下或设备自重压下后使dp→0，这只需令电磁阀VC＝1，再使用“黄金分割法”对电磁阀VB实施控制(VB＝1)；当压力对圆坯产生连续实质性不良影响时，液压缸会实质性向上提升，然后用设备自重力对圆坯压下。通常情况下，“微提升”只保持一个“上升态势”，使圆坯只受到一个拉矫辊自重压力。 

在具体生产实践中，可以使用PLC可编程控制器来实现上述两个阶段的控制，具体包括如下步骤，参见图2和图3： 

步骤101：设定液压调节回路的压力； 

步骤102：检查液压调节回路的输出压力是否超出设定压力的偏差范围，如果是，则执行步骤104，否则执行步骤103； 

步骤103：调节阀VD保持当前状态； 

步骤104：检查液压调节回路的输出压力是否超出PI积分调节器的调节范围，如果是，则执行步骤106，否则执行步骤105； 

步骤105：PI积分调节器根据输入的压力偏差值，进行PI积分调节，并作用于调节阀VD，直到液压调节回路的输出压力达到设定的压力值； 

图4示出了液压调节回路的压力调节原理图；图4中比例积分调节器与液压调节回路的输出压力PI形成闭环控制，当压力超出允许偏差时，调节阀VD进行连续的动态调节，直到液压调节回路的输出压力PI达到设定的压力值； 

步骤106：检查液压调节回路是否正在浇铸圆坯，如果是，则执行步骤108，否则执行步骤107； 

步骤107：液压调节回路保持当前状态； 

步骤108：检查液压调节回路的设定压力是否属于轻压力段，如果是，则执行步骤109，否则执行步骤113； 

步骤109：检查液压调节回路的输出压力是否在轻压下范围内，如果是，则执行步骤110，否则执行步骤111； 

步骤110：电磁阀VC在轻压下指令C1控制下，执行开启动作； 

轻压下指令C1可以使(Pa-Pb)→0，即dp/dt→0； 

步骤111：检查液压调节回路的输出压力是否大于最大轻压力，如果是，则执行步骤112，否则执行步骤106； 

步骤112：电磁阀VC在微提升指令B2控制下，执行关闭动作；电磁阀VB在微提升指令B2控制下，执行开启动作； 

微提升指令B2可以使dp/dt→0； 

步骤113：检查液压调节回路的设定压力是否属于软压力段，如果是，则执行步骤114，否则执行步骤107； 

步骤114：检查液压调节回路的输出压力是否大于最大软压力，如果是，则执行步骤115，否则执行步骤116； 

步骤115：电磁阀VC在微提升指令B1控制下，执行开启动作；电磁阀VB在微提升指令B1控制下，执行开启动作； 

微提升指令B1可以使dp/dt→0； 

步骤116：检查液压调节回路的输出压力是否小于最小软压力，如果是，则执行步骤117，否则执行步骤118； 

步骤117：电磁阀VC在软压下指令C2控制下，执行开启动作； 

软压下指令C2可以使(Pa-Pb)→0，即dp/dt→0； 

步骤118：检查液压调节回路的输出压力是否在软压力范围内，如果是，则执行步骤119，否则执行步骤107； 

步骤119：电磁阀VA在关闭压下指令A控制下，执行关闭动作。 

在实际应用中，轻压下指令C1或软压下指令C2，可以在“黄金分割”周期内(0.382T，T为液压调节回路输出压力的采样周期)使(Pa-Pb)→0，即dp/dt→0；微提升指令B1或B2，可以在“黄金分割”周期内使(Pa-Pb)→0，即dp/dt→0；dp/dt→0的程度取决于(Pa-Pb)及液压调节回路输出压力的采样周期T；当没有任何新的控制指令的时候，液压调节回路系统保持上次的运行状态不变。 

本发明通过对轻压段和软压段压力的不同控制，实现了液压调节回路输出压力的实时调节，从而完成了圆坯连铸软压下控制，克服了该项技术长期依赖进口的不利因素。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种圆坯连铸软压下控制方法，其特征在于，当液压调节回路的输出压力超出设定压力的偏差范围时，通过控制压力调节阀使所述输出压力等于所述设定压力；当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0：

$P=k*{\mathrm{dp}}_I+I*{\&Integral;}_{t_0}^{t_n}\frac{{\mathrm{dp}}_I}{\mathrm{dt}}|\begin{array}{c}>\mathrm{Max}\\ <\mathrm{Min}\end{array}$

其中，k为比例系数、P为设定压力的偏差值、I为液压调节回路输出压力的采样频率、Max为设定压力的上偏差值、Min为设定压力的下偏差值、t为积分时间、P_I为液压调节回路的输出压力。

2.如权利要求1所述的圆坯连铸软压下控制方法，其特征在于，当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0的步骤具体为：

当所述设定压力大于25Kg且小于50Kg时，对所述输出压力进行定时采样，如果采样得到的压力大于所述设定压力，则关闭所述液压调节回路的控制油缸快速压下的电磁阀。

3.如权利要求1所述的圆坯连铸软压下控制方法，其特征在于，当所述设定压力小于50Kg时，通过如下控制策略控制不同的电磁阀使所述输出压力对时间的一阶导数为0的步骤具体为：

当所述设定压力小于等于25Kg时，对所述输出压力进行定时采样，如果采样得到的压力大于所述设定压力，则关闭所述液压调节回路的控制油缸快速压下的电磁阀，并开启所述液压调节回路的控制油缸上升的电磁阀。

4.如权利要求2或3所述的圆坯连铸软压下控制方法，其特征在于，所述定时采样的周期为0.382T，其中T为所述输出压力的采样周期。

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