CN101602068A - 周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法及控制系统，属于轧制技术领域。包括如下步骤：在轧件上进行分段；设定各区前、后张力值；实现基于最大转矩限幅的张力开环控制及张力闭环控制，并加入了动态转矩补偿环节和机械摩擦转矩补偿环节；控制开卷机、卷取机电动机的转矩及进行速度设定。系统包括轧机，在轧机的两侧分别设置有卷取机，在卷取机与轧机之间设置有测长辊；在轧机的两侧分别设置有测厚仪；在卷取机上设置有卷径测量仪；在轧机上设置有轧制力传感器、液压缸，在测长辊下面设置有张力计；在测长辊上设置有脉冲编码器；所述的测厚仪、卷径测量仪、轧制力传感器、液压缸的位移传感器、张力计及脉冲编码器分别与计算机控制系统相连。

Description

周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法及控制系统

技术领域：

本发明属于轧制技术领域，特别涉及一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法及控制系统。

背景技术：

张力是轧制周期性变厚度带材的一个重要参数，合理设定并有效控制张力值，尽可能减少周期性轧制过程中在各个区段内张力的波动，对轧制过程的稳定性和产品的质量有重要影响。张力具有降低轧制力、加大道次压下量、防止轧件跑偏、改善板形等方面的有利作用。由于变厚度带材的轧制过程中厚区、薄区及过渡区轧件的厚度和轧制条件不同，因此，各区设定的张力值也不相同；在轧制过程中需要周期性地不断改变张力，这就为张力控制增加了难度。周期性变厚度带材轧制过程中的张力控制要求稳态精度高，响应快速，真实性高；而现有的张力控制方法是一种开环控制方式，即通过控制开卷机、卷取机电动机的转矩来间接实现对张力的控制，因此，现有的张力控制方法不能满足周期性变厚度带材轧制过程中对张力的控制要求。

发明内容：

针对现有的张力控制方法不能满足周期性变厚度带材轧制过程中对张力控制要求的问题，本发明提供一种可满足周期性变厚度带材轧制过程中对张力控制要求的张力控制方法及控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在轧件上对周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区进行分段；

步骤二：设定周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区的前、后张力值；

步骤三：通过控制系统的卷径测量仪测量当前的带材卷径，再根据步骤二中设定的张力值确定当前的张力转矩设定值，实现基于最大转矩限幅的张力开环控制；同时，通过张力计检测的张力值与步骤二中设定的张力值相比较，得到张力的偏差，实现张力的闭环控制，确定张力转矩的附加量；并通过电动机加、减速时的动态转矩补偿环节和机械摩擦转矩补偿环节对动态转矩及机械摩擦转矩进行补偿，确定张力转矩的补偿量；最后，通过对开环控制中的当前的张力转矩设定值、闭环控制中的张力转矩的附加量以及补偿环节中的张力转矩的补偿量进行累加，确定最终的张力转矩；

步骤四：将步骤三中确定的最终的张力转矩送入传动控制系统，由传动控制系统通过对开卷机、卷取机电动机的转矩的控制实现对张力的控制；同时，对开卷机、卷取机进行速度设定，并将设定的速度值送入传动控制系统。

步骤二中所述的周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区的前、后张力值依下式设定：

a)轧制薄区时的前张力：T_B1＝τ_B1·b·h_B1，其中，前张应力：τ_B1＝0.15-0.25σs；

b)轧制薄区时的后张力：T_B0＝τ_B0·b·h_B0，其中，后张应力：τ_B0＝0.15-0.30σs；

c)轧制厚区时的前张力：T_H1＝τ_H1·b·h_H1，其中，前张应力：τ_H1＝0.10-0.20σs；

d)轧制厚区时的后张力：T_H0＝τ_H0·b·h_H0，其中，后张应力：τ_H0＝0.05-0.20σs；

e)轧制过渡区时的前张力：

$T_{G1}=T_{B1}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H1}-T_{B1})$

f)轧制过渡区时的后张力：

$T_{G0}=T_{B0}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H0}-T_{B0})$

其中，b为带材的宽度，h_B1、h_B0分别为薄区轧制前、后带材的厚度，h_H1、h_H0分别为厚区轧制前、后带材的厚度，σs为材料变形抗力，l为过渡区的总长度，l_x为已轧制的过渡区的长度，由出口测长辊测得。

步骤三中所述的实现基于最大转矩限幅的张力开环控制中，当前的张力转矩设定值依下式确定：

$M_T=T\·\frac{D}{2}\·\frac{1}{i}$

其中，M_T为张力转矩设定值，单位：N.m；T为带材张力，单位：kN；D为带材直径，单位：m；i为卷取机的电动机减速比。

步骤三中所述的电动机加、减速时的动态转矩补偿环节中，电动机加、减速时张力转矩的补偿量依下式确定：

$M_d=a[J_0+B\·\frac{\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·(D^4-D_0^4)}{32\·i}]$

其中，M_d为加、减速时张力转矩的补偿量，单位：N.m；a为加速度，单位：rad/s²；D为带材直径，单位：m；D₀为带材最小直径，单位：m；J₀为折算到电动机轴上的电动机固定转动惯量，单位：kg·m²；B为带材宽度，单位：m；ρ为带材密度，单位：kg/m³；i为卷取机电动机减速比。

步骤三中所述的机械摩擦转矩补偿环节中，机械摩擦张力转矩的补偿量依下式确定：

$M_f=C_0+C_1\sqrt{v}+C_{2}v+C_3{v}^2+C_4{v}^3+C_5{v}^4$

其中，M_f为机械摩擦张力转矩的补偿量，单位：N.m；C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为多项式的拟合系数，v为卷取机电动机的转速。

步骤四中所述的对开卷机、卷取机进行速度设定的具体过程如下：

A、根据不同厚度下的超前率和滞后率的层别表，利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率，所述的不同厚度下的超前率和滞后率的层别表如下：

表1不同厚度下的超前率、滞后率层别表

厚度层别(mm)	0.3	0.6	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0
								超前率(％)	0.15	0.17	0.18	0.20	0.22	0.24	0.26
滞后率(％)	0.14	0.16	0.17	0.19	0.19	0.20	0.21

所述的利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率的公式如下：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_0)$

其中，α为超前率，β为滞后率，H_x为轧制过渡区的当前厚度值，H₀、H₁为两个相邻层别的厚度值，α₀、α₁为两个相邻层别的超前率，β₀、β₁为两个相邻层别的滞后率；

B、根据步骤A中确定的过渡区的超前率和滞后率设定开卷机和卷取机的速度，其速度依下式确定：

V_{Pay_off_reel}＝V_M(1-f0)(1-α)-V₀

V_{Tension_reel}＝V_M(1+f1)(1+β)+V₀

其中，V_{Pay_off_reel}为开卷机设定的线速度，V_{Tension_reel}为卷取机设定的线速度，V_M为轧机设定的线速度，f0为后滑率，f1为前滑率，α为超前率，β为滞后率，V₀为静态建张速度附加量。

所述的周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法所采用的控制系统，包括轧机，在轧机的两侧分别设置有左卷取机、右卷取机，在左卷取机与轧机之间设置有左测长辊，在右卷取机与轧机之间设置有右测长辊；在轧机的左、右两侧分别设置有用于测量带材厚度的左测厚仪、右测厚仪；在左卷取机、右卷取机上分别设置有用于测量轧制过程中卷取机上带卷直径的卷径测量仪；在轧机上设置有用于测量周期轧制时轧制力的轧制力传感器、内置位移传感器的液压缸，所述的液压缸的位移传感器用于测量轧机的辊缝；在左测长辊、右测长辊的下面分别设置有用于检测轧制过程中带材实际张力的张力计；在左测长辊、右测长辊的轴头上分别设置有用于测量测长辊转数的脉冲编码器；所述的左测厚仪、右测厚仪、卷径测量仪、轧制力传感器、液压缸的位移传感器、张力计及脉冲编码器分别与计算机控制系统相连。

为了在卷径测量仪出现故障不能正常工作时，仍能保证系统的正常运行，在本发明的系统中还设置有两个卷取机编码器，两个卷取机编码器分别设置在卷取机的电机端，用于参与卷取机的卷径计算。

本发明的有益效果：

1、常规轧制时通常采用层数累加的方式计算卷径，其计算公式如下：

$D=D_0+\∫\frac{2\mathrm{kh}{N}_m}{i}$

其中，D₀为初始卷径，单位：mm，D为当前卷径，单位：mm，h为带材厚度，单位：mm，Nm为卷取机电动机转速，单位：r/s，i为卷取机电动机的减速比，k为带材的卷紧系数。

但在周期性变厚度轧制时厚区、薄区及过渡区的带材厚度变化较大，即每圈所累积的卷径增量不一致，而且厚区、薄区及过渡区的带材圈数并不是单位圈数的整数倍。另外，当带材厚度周期薄厚变化时卷紧系数难以选取。因此，采用层数累加方式计算带材卷径误差较大，这将会影响张力的控制精度。而本发明采用了上置式卷径测量仪，由卷径测量仪直接对带材的卷径进行测量，这就避免了现有的层数累加的方式计算卷径对张力控制精度的影响。

2、本发明为了有效防止轧制时总张力不至于导致薄区发生塑性变形，采用了基于张力计检测的张力闭环控制。除此之外，在基于最大转矩限幅的张力开环控制时，还考虑了电动机加、减速时的动态转矩补偿和机械摩擦转矩补偿，提高了张力控制的精度，使张力控制精度达到：恒速时张力偏差值波动在设定值的±1.2％，加、减速过程中张力偏差值波动在设定值的±2.4％。

附图说明：

图1是本发明的张力控制方法的程序流程图；

图2是本发明的张力控制系统的结构示意图；

图3是对轧件进行分段的示意图；

图4是变厚度轧制过程中各区张力设定值的示意图；

图5是卷径测量仪测量卷径的示意图；

其中，图2中，1-过程控制计算机，2-人机界面计算机，3-计算机控制系统，4-液压缸，5-卷径测量仪，6-右卷取机，7-脉冲编码器，8-右测长辊，9-右测厚仪，10-左测厚仪，11-张力计，12-轧机，13-轧制力传感器，14-左测长辊，15-卷取机编码器，16-左卷取机。

具体实施方式：

如图1所示，一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在轧件上对周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区进行分段；

如图3所示，其中，B1、B2、B3表示薄区段，H1、H2、H3表示厚区段，G1～G5表示过渡区段；L_d1为左测厚仪与轧机中心线的距离，L_d2为右测厚仪与轧机中心线的距离。

变厚度轧制时张力的作用范围总是会包含有薄区、厚区、过渡区，在同样的总张力条件下，薄区的张应力要比厚区大得多，因而张力的最大值应不至于导致薄区发生塑性变形。

步骤二：设定周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区的前、后张力值；

在轧件上同时存在厚区、薄区和过渡区，各区的前、后张力的设定值构成了变厚度轧制的张力制度，各区的前、后张力的设定值随时间的变化如图4所示；其中，角标B表示薄区段，角标H表示厚区段，角标G表示过渡区段，角标0表示轧机入口侧，角标1表示轧机出口侧。

为不失一般性，假设多道次变厚度轧制，来料也存在厚区、薄区和过渡区。假设轧制前、后带材的宽度b不变，按照以下方法设定各区的前、后张力值：

前张力：T₁＝τ₁·b·h₁

后张力：T₀＝τ₀·b·h₀

其中，τ₁、τ₀分别为前、后张应力，h₁、h₀分别为轧制前、后带材的厚度，考虑张力与材料变形抗力σs之间的关系，各区的张应力和张力取值如下：

a)轧制薄区时的前张力：T_B1＝τ_B1·b·h_B1，其中，前张应力：τ_B1＝0.15-0.25σs；

b)轧制薄区时的后张力：T_B0＝τ_B0·b·h_B0，其中，后张应力：τ_B0＝0.15-0.30σs；

c)轧制厚区时的前张力：T_H1＝τ_H1·b·h_H1，其中，前张应力：τ_H1＝0.10-0.20σs；

d)轧制厚区时的后张力：T_H0＝τ_H0·b·h_H0，其中，后张应力：τ_H0＝0.05-0.20σs；

过渡区的张应力和张力都是变化的，其设定的方法是在厚区张力和薄区张力之间按照线性插值确定，保证张力平稳变化，插值方法如下：

e)轧制过渡区时的前张力：

$T_{G1}=T_{B1}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H1}-T_{B1})$

f)轧制过渡区时的后张力：

$T_{G0}=T_{B0}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H0}-T_{B0})$

其中，b为带材的宽度，h_B1、h_B0分别为薄区轧制前、后带材的厚度，h_H1、h_H0分别为厚区轧制前、后带材的厚度，σs为材料变形抗力，l为过渡区的总长度，l_x为已轧制的过渡区的长度，由出口测长辊测得。

步骤三：通过控制系统的卷径测量仪测量当前的带材卷径，再根据步骤二中设定的张力值确定当前的张力转矩设定值，实现基于最大转矩限幅的张力开环控制；同时，通过张力计检测的张力值与步骤二中设定的张力值相比较，得到张力的偏差，实现张力的闭环控制，确定张力转矩的附加量；并通过电动机加、减速时的动态转矩补偿环节和机械摩擦转矩补偿环节对动态转矩及机械摩擦转矩进行补偿，确定张力转矩的补偿量；最后，通过对开环控制中的当前的张力转矩设定值、闭环控制中的张力转矩的附加量以及补偿环节中的张力转矩的补偿量进行累加，确定最终的张力转矩；

A、基于最大转矩限幅的张力开环控制：

根据力学原理，力矩M等于力T与力的作用线到回转中心垂直距离R之积，即：

M＝T·R

其中，T为作用在轧件上的张力，R为带材的半径；带材的半径在轧制过程中是变化的，其值由卷径测量仪测得，如图5所示，其中，带材直径D＝2(L-L₀)。为了使张力按照图4所示的张力制度得到控制，随着卷径的增大，为了保持相同的张力，张力转矩要成比例增大。

张力转矩为带材提供张力，是张力开环控制最重要的一部分。将公式M＝T·R转化为电动机力矩公式，即张力转矩设定值求取公式，如下：

$M_T=T\·\frac{D}{2}\·\frac{1}{i}$

其中，M_T为张力转矩设定值，单位：N.m；T为带材张力，单位：kN；D为带材直径，单位：m；i为卷取机的电动机减速比。

张力开环控制实质上是一种对张力的前馈控制。

B、电动机加、减速时的动态转矩补偿环节：

在电力拖动系统启动和制动过程中，都需要克服负载力矩和加速转矩来实现。为了保持作用到带材上的张力不变，必须消除轧线加、减速过程中对张力的影响。因此，加、减速过程所需的额外转矩要作为总力矩给定的一部分，以便实现张力恒定。

以加速过程为例，对于卷取机来讲，其动态转矩补偿量为正值，而对于开卷机来讲，其动态转矩补偿量为负值。若动态转矩补偿不到位，带材张力就会产生相应波动，严重时带材出现过松或过紧现象，从而层间产生相对运动。

加、减速力矩M_d的计算公式，即张力转矩补偿量的计算公式，如下：

$M_d=a[J_0+B\·\frac{\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·(D^4-D_0^4)}{32\·i}]$

其中，M_d为加、减速时张力转矩的补偿量，单位：N.m；a为加速度，单位：rad/s²；D为带材直径，单位：m；D₀为带材最小直径，单位：m；J₀为折算到电动机轴上的电动机固定转动惯量，单位：kg·m²；B为带材宽度，单位：m；ρ为带材密度，单位：kg/m³；i为卷取机电动机减速比；

C、机械摩擦转矩补偿环节：

机械空转、摩擦等是张力控制时需要克服的另一部分额外转矩，通常是速度的函数。通过在各个转速段现场实测数据拟合出机械摩擦转矩M_f与卷取机速度v之间的关系多项式为：

$M_f=C_0+C_1\sqrt{v}+C_{2}v+C_3{v}^2+C_4{v}^3+C_5{v}^4$

其中，M_f为机械摩擦转矩，即机械摩擦张力转矩的补偿量，单位：N.m；C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为多项式的拟合系数，v为卷取机电动机的转速。

D、基于张力计检测的张力闭环控制：

为了保证带材实际张力尽可能接近张力的设定值，除了张力开环控制外，还需要配置张力闭环控制。张力的设定值与张力计反馈回来的实际张力按同一单位标定后相比较，所得的张力偏差信号经过PID控制器后的输出量附加到开环张力转矩设定值给定上，从而提高张力控制精度。

步骤四：将步骤三中确定的最终的张力转矩送入传动控制系统，由传动控制系统通过对开卷机、卷取机电动机的转矩的控制实现对张力的控制；同时，对开卷机、卷取机进行速度设定，并将设定的速度值送入传动控制系统。

所述的对开卷机、卷取机进行速度设定的具体过程如下：

A、根据不同厚度下的超前率和滞后率的层别表，利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率，所述的不同厚度下的超前率和滞后率的层别表如下：

表1不同厚度下的超前率、滞后率层别表

厚度层别(mm)	0.3	0.6	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0
								超前率(％)	0.15	0.17	0.18	0.20	0.22	0.24	0.26
滞后率(％)	0.14	0.16	0.17	0.19	0.19	0.20	0.21

所述的利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率的公式如下：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_0)$

其中，α为超前率，β为滞后率，H_x为轧制过渡区的当前厚度值，H₀、H₁为两个相邻层别的厚度值，α₀、α₁为两个相邻层别的超前率，β₀、β₁为两个相邻层别的滞后率；

B、根据步骤A中确定的过渡区的超前率和滞后率设定开卷机和卷取机的速度，其速度依下式确定：

V_{Pay_off_reel}＝V_M(1-f0)(1-α)-V₀

V_{Tension_reel}＝V_M(1+f1)(1+β)+V₀

其中，V_{Pay_off_reel}为开卷机设定的线速度，V_{Tension_reel}为卷取机设定的线速度，V_M为轧机设定的线速度，f0为后滑率，f1为前滑率，α为超前率，β为滞后率，V₀为静态建张速度附加量。

在对开卷机和卷取机进行速度设定的过程中，提出动态变超前率或滞后率的方法是为了防止周期性变厚度带材轧制时的失张现象。开卷机和卷取机在张力未建立时，传动电机工作在速度环下；为了实现张力控制，开卷机和卷取机在带材咬入后应迅速切换到转矩限幅控制。因此，开卷机和卷取机的速度设定滞后或超前带材速度。这样，开卷或卷取传动的速度环就会很快饱和，并切换到转矩限幅控制，此时带材张力建立。

下面举例说明根据不同厚度下的超前率和滞后率的层别表，利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率的过程：

例如：轧制过渡区的当前厚度值H_x为0.5mm，则根据不同厚度下的超前率和滞后率的层别表有：H₀＝0.3mm，H₁＝0.6mm，α₀＝0.15，α₁＝0.17，β₀＝0.14，β₁＝0.16，则：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)=0.15+\frac{0.5-0.3}{0.6-0.3}\×(0.17-0.15)=0.16$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_0)=0.14+\frac{0.5-0.3}{0.6-0.3}\×(0.16-0.14)=0.15$

如图2所示，所述的周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法所采用的控制系统，包括轧机12，在轧机12的两侧分别设置有左卷取机16、右卷取机6，在左卷取机16与轧机12之间设置有左测长辊14，在右卷取机6与轧机12之间设置有右测长辊8；在轧机12的左、右两侧分别设置有用于测量带材厚度的左测厚仪10、右测厚仪9；在左卷取机16、右卷取机6上分别设置有用于测量轧制过程中卷取机上带卷直径的卷径测量仪5；在轧机12上设置有用于测量周期轧制时轧制力的轧制力传感器13、内置位移传感器的液压缸4，所述的液压缸4的位移传感器用于测量轧机12的辊缝；在左测长辊14、右测长辊8的下面分别设置有用于检测轧制过程中带材实际张力的张力计11；在左测长辊14、右测长辊8的轴头上分别设置有用于测量测长辊转数的脉冲编码器7；所述的左测厚仪10、右测厚仪9、卷径测量仪5、轧制力传感器13、液压缸4的位移传感器、张力计11及脉冲编码器7分别与计算机控制系统3相连。

为了在卷径测量仪5出现故障不能正常工作时，仍能保证系统的正常运行，在本发明的系统中还设置有两个卷取机编码器15，两个卷取机编码器15分别设置在卷取机的电机端，用于参与卷取机的卷径计算。

所述的轧机12采用四辊可逆轧机，它由机架、辊系、传动轴、齿轮机座、电机及减速机等部分组成。为了减少轧制力，增加道次压下量，本发明使用较小的工作辊直径，根据轧机宽度的不同，工作辊直径可取为120～300mm。

所述的卷取机由电机、减速机、卷筒等部分组成，在实施可逆轧制时，轧机入口一侧的卷取机作为开卷机，出口一侧的作为卷取机。

为了提高压上速度，本发明采用快速响应液压缸4，液压缸4的响应频率大于20Hz，以保证轧制过程中轧件运行速度与压上速度有合理的匹配关系。液压缸4内置位移传感器，用来测量轧机的辊缝，其分辨率优于0.002mm。

所述的轧制力传感器13用于测量周期轧制时的轧制力，通过实测轧制力计算轧机的弹性变形。由于厚区、薄区、过渡区的轧制力相差很大，可根据轧制力传感器13发出的轧制力信号判定各个区域的范围。根据轧机12工作辊宽度的不同，轧制力传感器13的最大测量值可在3～30MN之间选择。

所述的测厚仪可选用X射线测厚仪或γ放射性测厚仪；其测量范围为0.1-5.0mm，分辨率优于0.002mm。当轧制方向为从左到右时，左测厚仪10用于前馈控制，右测厚仪9用于反馈控制。当轧制方向为从右到左时，左测厚仪10用于反馈控制，右测厚仪9用于前馈控制。

所述的卷径测量仪5的测量范围为500～2000mm，分辨率优于0.2mm。

所述的用于测量测长辊转数的脉冲编码器7为高分辨率的脉冲编码器，用于测量轧件的速度以实现对带材的微跟踪。通过记录测长辊的转数来计算轧机12入口和出口带材轧过的长度，用作带材各段区起点和长度的跟踪。

所述的卷取机编码器15用于当卷径测量仪5出现故障时，结合脉冲编码器7进行卷径计算，并对直接卷径检测进行在线监控。

所述的计算机控制系统3由过程控制计算机1、人机界面计算机2和PLC控制系统组成。过程控制计算机1用于模型和轧制参数的设定；人机界面计算机2用于轧制过程监控及原始数据的输入；PLC控制系统根据过程控制计算机1的设定值和以及人机界面计算机2的操作指令，对液压缸4等执行机构进行控制，同时对各传感器的反馈信号进行读取和计算，完成相应的闭环和开环控制功能。

实施例1：

本发明的系统的相关参数如下：

采用650mm四辊可逆轧机，两个张力计与轧机中心线的距离均为2000mm；卷径测量仪的测量范围为500～1600mm，分辨率为0.1mm；张力计的测量范围为0～300kN，测量精度指标如下：

响应时间：         小于0.01ms；

非重复性：         小于额定输出的±0.05％；

滞后：             小于额定输出的±0.10％；

非线性：           小于额定输出的±0.25％；

温度零偏：         小于满量程的±0.005％/℃；

温度：             温度补偿到100℃，最大工作温度为150℃。

来料状况：均一厚度，钢种为IF，宽度500mm，厚度1.3mm；

产品尺寸：厚区厚度1.2mm，长300mm；过渡区长50mm；薄区厚度0.8mm，长300mm；

轧制要求：1道次完成；

轧制速度设定：厚度均一区段轧制速度1.0m/s；厚度过渡区段轧制速度0.35m/s；

张力控制精度：恒速时张力偏差值波动在设定值的±1.2％，加、减速过程中张力偏差值波动在设定值的±2.4％。

实施例2：

本发明的系统的相关参数如下：

采用650mm四辊可逆轧机，两个张力计与轧机中心线的距离均为2000mm；卷径测量仪的测量范围为500～1600mm，分辨率为0.1mm；张力计的测量范围为0～300kN，测量精度指标如下：

响应时间：      小于0.01ms；

非重复性：      小于额定输出的±0.05％；

滞后：          小于额定输出的±0.10％；

非线性：        小于额定输出的±0.25％；

温度零偏：      小于满量程的±0.005％/℃；

温度：          温度补偿到100℃，最大工作温度为150℃。

来料状况：均一厚度，钢种为ST12，宽度450mm，厚度2mm；

产品尺寸：厚区厚度1.5mm，长200mm；过渡区长100mm；薄区厚度0.8mm，长200mm；

轧制要求：2道次完成；

轧制速度设定：厚度均一区段轧制速度1.0m/s；厚度过渡区段轧制速度0.5m/s；

张力控制精度：恒速时张力偏差值波动在设定值的±1.5％，加、减速过程中张力偏差值波动在设定值的±3％。

Claims (8)

1、一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在轧件上对周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区进行分段；

步骤二：设定周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区的前、后张力值；

步骤三：通过控制系统的卷径测量仪测量当前的带材卷径，再根据步骤二中设定的张力值确定当前的张力转矩设定值，实现基于最大转矩限幅的张力开环控制；同时，通过张力计检测的张力值与步骤二中设定的张力值相比较，得到张力的偏差，实现张力的闭环控制，确定张力转矩的附加量；并通过电动机加、减速时的动态转矩补偿环节和机械摩擦转矩补偿环节对动态转矩及机械摩擦转矩进行补偿，确定张力转矩的补偿量；最后，通过对开环控制中的当前的张力转矩设定值、闭环控制中的张力转矩的附加量以及补偿环节中的张力转矩的补偿量进行累加，确定最终的张力转矩；

步骤四：将步骤三中确定的最终的张力转矩送入传动控制系统，由传动控制系统通过对开卷机、卷取机电动机的转矩的控制实现对张力的控制；同时，对开卷机、卷取机进行速度设定，并将设定的速度值送入传动控制系统。

2、根据权利要求1所述的一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于步骤二中所述的周期性变厚度带材的厚区、薄区和过渡区的前、后张力值依下式设定：

a)轧制薄区时的前张力：T_B1＝τ_B1·b·h_B1，其中，前张应力：τ_B1＝0.15-0.25σs；

b)轧制薄区时的后张力：T_B0＝τ_B0·b·h_B0，其中，后张应力：τ_B0＝0.15-0.30σs；

c)轧制厚区时的前张力：T_H1＝τ_H1·b·h_H1，其中，前张应力：τ_H1＝0.10-0.20σs；

d)轧制厚区时的后张力：T_H0＝τ_H0·b·h_H0，其中，后张应力：τ_H0＝0.05-0.20σs；

e)轧制过渡区时的前张力：

$T_{G1}=T_{B1}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H1}-T_{B1})$

f)轧制过渡区时的后张力：

$T_{G0}=T_{B0}+\frac{l_x}{l}\×(T_{H0}-T_{B0})$

其中，b为带材的宽度，h_B1、h_B0分别为薄区轧制前、后带材的厚度，h_H1、h_H0分别为厚区轧制前、后带材的厚度，σs为材料变形抗力，l为过渡区的总长度，l_x为已轧制的过渡区的长度，由出口测长辊测得。

3、根据权利要求1所述的一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于步骤三中所述的实现基于最大转矩限幅的张力开环控制中，当前的张力转矩设定值依下式确定：

$M_T=T\·\frac{D}{2}\·\frac{1}{i}$

其中，M_T为张力转矩设定值，单位：N.m；T为带材张力，单位：kN；D为带材直径，单位：m；i为卷取机的电动机减速比。

4、根据权利要求1所述的一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于步骤三中所述的电动机加、减速时的动态转矩补偿环节中，电动机加、减速时张力转矩的补偿量依下式确定：

$M_d=a[J_0+B\·\frac{\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·(D^4-D_0^4)}{32\·i}]$

其中，M_d为加、减速时张力转矩的补偿量，单位：N.m；a为加速度，单位：rad/s²；D为带材直径，单位：m；D₀为带材最小直径，单位：m；J₀为折算到电动机轴上的电动机固定转动惯量，单位：kg·m²；B为带材宽度，单位：m；ρ为带材密度，单位：kg/m³；i为卷取机电动机减速比。

5、根据权利要求1所述的一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于步骤三中所述的机械摩擦转矩补偿环节中，机械摩擦张力转矩的补偿量依下式确定：

$M_f=C_0+C_1\sqrt{v}+C_{2}v+C_3{v}^2+C_4{v}^3+C_5{v}^4$

其中，M_f为机械摩擦张力转矩的补偿量，单位：N.m；C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为多项式的拟合系数，v为卷取机电动机的转速。

6、根据权利要求1所述的一种周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法，其特征在于步骤四中所述的对开卷机、卷取机进行速度设定的具体过程如下：

A、根据不同厚度下的超前率和滞后率的层别表，利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率，所述的不同厚度下的超前率和滞后率的层别表如下：

表1不同厚度下的超前率、滞后率层别表

  厚度层别(mm)   0.3   0.6   1.0   2.0   3.0   4.0   5.0   超前率(％)   0.15   0.17   0.18   0.20   0.22   0.24   0.26   滞后率(％)   0.14   0.16   0.17   0.19   0.19   0.20   0.21

所述的利用线性插值法确定过渡区的超前率和滞后率的公式如下：

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_0)$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0+\frac{H_x-H_0}{H_1-H_0}\×({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_0)$

其中，α为超前率，β为滞后率，H_x为轧制过渡区的当前厚度值，H₀、H₁为两个相邻层别的厚度值，α₀、α₁为两个相邻层别的超前率，β₀、β₁为两个相邻层别的滞后率；

B、根据步骤A中确定的过渡区的超前率和滞后率设定开卷机和卷取机的速度，其速度依下式确定：

V_{Pay_off_reel}＝V_M(1-f0)(1-α)-V₀

V_{Tension_reel}＝V_M(1+f1)(1+β)+V₀

其中，V_{Pay_off_reel}为开卷机设定的线速度，V_{Tension_reel}为卷取机设定的线速度，V_M为轧机设定的线速度，f0为后滑率，f1为前滑率，α为超前率，β为滞后率，V₀为静态建张速度附加量。

7、权利要求1所述的周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法的系统，包括轧机(12)，其特征在于在轧机(12)的两侧分别设置有左卷取机(16)、右卷取机(6)，在左卷取机(16)与轧机(12)之间设置有左测长辊(14)，在右卷取机(6)与轧机(12)之间设置有右测长辊(8)；在轧机(12)的左、右两侧分别设置有用于测量带材厚度的左测厚仪(10)、右测厚仪(9)；在左卷取机(16)、右卷取机(6)上分别设置有用于测量轧制过程中卷取机上带卷直径的卷径测量仪(5)；在轧机(12)上设置有用于测量周期轧制时轧制力的轧制力传感器(13)、内置位移传感器的液压缸(4)，所述的液压缸(4)的位移传感器用于测量轧机(12)的辊缝；在左测长辊(14)、右测长辊(8)的下面分别设置有用于检测轧制过程中带材实际张力的张力计(11)；在左测长辊(14)、右测长辊(8)的轴头上分别设置有用于测量测长辊转数的脉冲编码器(7)；所述的左测厚仪(10)、右测厚仪(9)、卷径测量仪(5)、轧制力传感器(13)、液压缸(4)的位移传感器、张力计(11)及脉冲编码器(7)分别与计算机控制系统(3)相连。

8、根据权利要求7所述的周期性变厚度带材轧制过程中张力的控制方法的系统，其特征在于在卷取机的电机端设置有卷取机编码器(15)，用于在卷径测量仪(5)出现故障不能正常工作时，参与卷取机的卷径计算。

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