CN101648217B - 一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法及其设备。所述方法包括以下步骤：步骤A：计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b；步骤B：求总偏心量e；步骤C：计算进行偏心补偿后的轧制力f；步骤D：计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*。所述装置包括：计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置；求总偏心量e的装置；计算进行偏心补偿后的轧制力f的装置；计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*的装置。本发明在进行补偿时无需专用的检测设备，可以有效的提高板带厚度控制精度，提高生产效率。

Description

一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种抑制轧辊偏心对通过轧机机架的轧件的输出厚度的影响的方法及其设备，尤其涉及热轧、冷轧、中厚板、铝带等四辊轧机基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法及其设备。

背景技术

轧辊的偏心是由于轧辊和轧辊轴承形状的不规则引起的，这些不规则形状可能产生于设计、制造、修磨、装配、变形、磨损、热膨胀等过程，进而造成轧辊本身的非圆性和辊身的几何轴心与旋转轴心的分离，主要由支承辊本身的椭圆度和辊径的不同轴误差所产生。

在带钢生产中，以轧机弹跳方程为基本数学模型的压力厚度自动控制系统(压力AGC)已得到广泛的应用，但它只能克服轧件类扰动。轧辊偏心引起的高频干扰使压力AGC系统产生相反的调节。为此数十年来世界相关公司对偏心补偿的方法进行了深入研究，主要有以下几种。

轧制力偏心滤波器法：因为轧制偏心信号为一系列高频波，其变化周期与主传动转速成正比，其中起主导作用的基波分量近似为正弦波。因为正弦波一周的平均值为零，可在轧辊旋转一周的过程中均匀地采样若干轧制力并求和，则偏心作用就可被滤掉，这种方法称为轧制力平均值滤波法。

辊缝厚度控制法：辊缝厚度控制法的原理是利用安装在轧机工作辊之间的传感器测出轧制过程中的辊缝偏差。由德国克虏伯(Krupp)提出的辊缝厚度控制(IGC)系统就是由辊缝传感器组成的，它们被安装在机架每侧的工作辊辊颈之间。这样，它们不会受到带钢的损坏，而目也便于换辊时用液压系统把它们从轧辊装置中拆卸下来。

辊缝传感器能够测出工作辊与支撑辊合成偏心造成的辊缝变化。轧机每侧可单独控制。把表示辊缝的变化值c′_e和c″_e与对应的辊身位置基准值c′_r和c″_r代数相加，然后与实际辊身位置反馈信号c′_a和c″_a相比较。

纽曼(Neumann)法：利用随支撑辊同时旋转的凸轮来模拟轧辊偏心。位移传感器测出凸轮的偏心，然后发出电子信号，传送给辊缝位置调节器。因为上、下支撑辊直径通常不相同，所以要把传感器传来的信号求代数和。

阿索普(Alsop)法：轧机每侧的辊缝通过安装在辊身中间的辊缝传感器进行测量，依实测轧力利用弹跳方程可计算实际出口厚度，实际出口厚度与基准厚度进行比较，然后误差信号被传送到辊缝调节器，随之驱动伺服阀调节液压缸进出油量。轧制力信号并行传向通道A和B，在通道A中，经过系数-k₁调节后通过低通滤波器。在通道B中经过系数k₂调节，但不通过滤波器。

轧辊偏心产生的高频率波动分量ΔP_e仅能通过通道B，就这部分来说，载荷回路中会用作负反馈信号，增益大小为k₂。这样，回路会产生信号ΔP/K_S，它被传送到辊缝调节器以补偿轧辊偏心。

这些方法中，需要有凸轮、辊缝仪、电子滤波器等特殊检测设备和仪器，维护检修不便，降低了生产的效率。

其实偏心主要起源于支撑辊且近似为正弦曲线，而且在一个换工作辊周期内不均匀磨损可以忽略。它不需要分别检测上下支撑辊的偏心，上下辊无需单独传动。

如图1所示，图中ω为工作辊角速度，d_b为下工作辊辊径，D_b为下支撑辊辊径，d_t为上工作辊辊径，D_t为上支撑辊辊径，ω_b为下支撑辊角速度，ω_t为上支撑辊角速度。

主流轧机一般由主电机经分齿箱驱动两工作辊，上下工作辊的角速度一致，从图1中可以看出由于辊径的不一样 $(\frac{d_t}{D_t}\≠\frac{d_b}{D_b}),$ 支撑辊角速度一般有一差值，从而产生偏摆现象。

图2示出四辊轧机的偏摆现象，T_b为偏摆周期，T_a为偏心周期。

偏摆周期T_b为：

$T_b=\frac{2\mathrm{\π}}{\frac{{\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_b}{2}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\frac{d_t}{D_t}\mathrm{\ω}-\frac{d_b}{D_b}\mathrm{\ω}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}\×\frac{D_t{D}_b}{d_t{D}_b-d_b{D}_t}$

偏心周期T_a为：

$T_a=\frac{2\mathrm{\π}}{\frac{{\mathrm{\ω}}_t+{\mathrm{\ω}}_b}{2}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\frac{d_t}{D_t}\mathrm{\ω}+\frac{d_b}{D_b}\mathrm{\ω}}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}\×\frac{D_t{D}_b}{d_t{D}_b+d_b{D}_t}$

当d_tD_b-d_bD_t较小时，偏摆周期很长，可能达数小时或十几小时。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种无需凸轮、辊缝仪、电子滤波器等特殊检测设备和仪器的基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法。另一个目的是提供一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤A：计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b；步骤B：求总偏心量e；步骤C：计算进行偏心补偿后的轧制力f；步骤D：计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*。

为了实现另一目的，本发明采用以下技术方案：一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：该装置包括：

计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置；

求总偏心量e的装置；

计算进行偏心补偿后的轧制力f的装置；

计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*的装置。

有益效果：

本发明认为偏心主要起源于支撑辊且近似为正弦曲线，而且在一个换工作辊周期内不均匀磨损可以忽略。它不需要分别检测上下支撑辊的偏心，上下辊无需单独传动。在进行补偿时无需专用的检测设备，可以有效的提高板带厚度控制精度，提高生产效率。

附图说明

图1为四辊轧机辊径及角速度关系示意图；

图2为出四辊轧机的偏摆现象示意图；

图3为轧辊偏心测量取值方法示意图；

图4本发明中基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细的描述：

实施例1：如图4所示：一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法，所述方法包括下列步骤：

计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b。其中具体的为：

调整调整轧机至偏心测量速度；

调整轧机至偏心测量压力；

轧机零调后在一定压力下以某速度旋转若干圈，轧辊转动过程中定时同时采集i时刻总轧制力p_i和i时刻上支撑辊的角位置α_i、i时刻下支撑辊的角位置β_i。

图3示出轧辊偏心测量取值方法，T_s为采样持续时间，其中包含偏心周期T_a越多、每T_a采样点数越多则偏心测量的计算将越准确。采样持续时间T_S可以大于、等于或小于偏摆周期T_b。并且轧辊偏心测量起止点没有限制，更加方便了实际操作。

轧辊旋转过程中由偏心引起的压力波动δp_i可表示为：

δp_i＝δp_ti+δp_bi+δp_wi

式中：

δp_ti——上支撑辊偏心信号引起的压力波动；

δp_bi——下支撑辊偏心信号引起的压力波动；

δp_wi——工作辊偏心信号引起的压力波动；

上式各分量可按傅里叶级数展开，其基波分量反应了轧辊的主要偏心情况，忽略其它因素造成的压力波动，则：

p_i＝A_tsinα_i+A_bsinβ_i+A_wsinγ_i+P

式中：

A_t——上支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度；

α_i——i时刻上支撑辊的角位置；

A_b——下支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度；

β_i——i时刻下支撑辊的角位置；

A_w——工作辊偏心信号引起的压力波动幅度；

γ_i——i时刻工作辊的角位置；

P——总轧制力直流分量；

p_i——i时刻总轧制力。

主流四辊轧机是单电机通过分齿箱传动工作辊辊系的轧机，工作辊与主电机码盘反馈间不存在打滑，且上下辊角速度相等。

因此上式p_i＝A_tsinα_i+A_bsinβ_i+A_wsinγ_i+P中A_wsinγ_i反映了两个工作辊的偏心情况，随着科学技术的进步，数控机床广泛应用于轧辊磨削，精度得到大大提高，工作辊由于辊径远小于支撑辊，工作方式也不一样，偏心量可以忽略。

求解上支撑辊偏心振幅E_t，下支撑辊偏心振幅E_b；

$\left\{\begin{array}{c}{A}_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\\ A_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\α}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}\sin {\mathrm{\α}}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\sin {\mathrm{\α}}_i\\ A_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\β}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}\sin {\mathrm{\β}}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.$

解上述方程，可求出A_t、A_b、P，则： $E_t=\frac{A_t}{C}$ $E_b=\frac{A_b}{C}$

式中：

C——P轧制力时轧机自然刚度系数；

E_t——上支撑辊偏心振幅；

E_b——下支撑辊偏心振幅；

P——总轧制力直流分量。

求总偏心量e，其中具体的包括：

实时计算轧辊角位置α、β，采集检测到的轧制力采样值f_s；

将α、β代入偏心计算公式求当前总偏心量e；

其中公式为e＝E_tsinα+E_bsinβ。

计算进行偏心补偿后的轧制力f；

在压力AGC系统中，直接的检测量是轧制力和空载辊缝，尽管轧辊偏心使实际辊缝发生变化，但它却只反映在被检测的轧制力中，进而影响由弹跳方程计算出的轧出厚度，因此，克服轧辊偏心对压力AGC系统的影响，实际上就是从检测到的轧制力中分离出并去掉因偏心所造成的轧制力变化，其算法为：

C′＝kC

$\mathrm{\Δf}=e\frac{C^{\′}Q}{C^{\′}+Q}$

f＝f_s-Δf

式中：

Δf——压力偏心补偿量；

Q——为轧件的塑性系数；

f——补偿后的轧制力；

f_s——轧制力采样值；

k——轧机刚度调节系数；

C′——轧机等效刚度系数。

计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*。

轧制力偏心滤波器只能抑制轧辊偏心对压力AGC系统的负作用，而不能克服轧辊偏心对轧件的“自然影响”，因此，在实施轧制力偏心滤波的基础上还要对辊缝进行补偿。

其中的算法为：

Δs＝k_ee

s^*＝s-Δs

式中：

k_e——辊缝偏心补偿增益；

Δs——辊缝偏心补偿量；

s——辊缝给定值；

s^*——补偿后的辊缝给定值。

这里，辊缝偏心补偿值适当提前δT时间输出，上式中Δs为某时刻t的偏心补偿值，可提前到t’＝t-δT时刻输出，从而更好的进行辊缝偏心补偿。

实施例2：一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，所述装置包括：

计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置。具体的包括：

调整调整轧机至偏心测量速度的装置；

调整轧机至偏心测量压力的装置；

旋转轧辊到预定圈数的装置；

定时进行数据采样α_i、β_i、p_i的装置，这里的可以将数据存储在工业现场智能控制器的内存中，其中

α_i——i时刻上支撑辊的角位置；

β_i——i时刻下支撑辊的角位置；

p_i——i时刻总轧制力；

1≤i≤n；

求解上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置，这里的装置可以为工业现场智能控制器。其中的算法具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\\ A_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\α}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}\sin {\mathrm{\α}}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\sin {\mathrm{\α}}_i\\ A_t\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\β}}_i+A_b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\β}}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P}\sin {\mathrm{\β}}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\end{array}\right.$

求解，可求出A_t、A_b、P，则： $E_t=\frac{A_t}{C}$ $E_b=\frac{A_b}{C}$

式中：

C——P轧制力时轧机自然刚度系数；

E_t——上支撑辊偏心振幅；

E_b——下支撑辊偏心振幅；

P——总轧制力直流分量。

求总偏心量e的装置；具体的包括：

实时计算轧辊角位置α、β的装置，这里可以为接近开关和编码器。

将α、β代入偏心计算公式求当前总偏心量e的装置；

其中公式为e＝E_tsinα+E_bsinβ。

计算进行偏心补偿后的轧制力f的装置；其使用的算法为

C′＝kC

$\mathrm{\Δf}=e\frac{C^{\′}Q}{C^{\′}+Q}$

f＝f_s-Δf

式中：

Δf——压力偏心补偿量；

Q——为轧件的塑性系数；

f——补偿后的轧制力；

f_s——轧制力采样值；

k——轧机刚度调节系数；

C′——轧机等效刚度系数。

计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*的装置，其中使用的算法为：

Δs＝k_ee

s^*＝s-Δs

式中：

k_e——辊缝偏心补偿增益；

Δs——辊缝偏心补偿量；

s——辊缝给定值；

s^*——补偿后的辊缝给定值。

以上结合实施例对本发明做了具体的描述，但不作为本发明的限定，一切在本发明权利要求范围内的所有修改和变化，都落在受到本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

步骤A：计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b；

步骤B：求总偏心量e；

步骤C：计算进行偏心补偿后的轧制力f；

步骤D：计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*；

所述步骤A具体包括以下步骤：

步骤A₁：调整轧机至偏心测量速度；

步骤A₂：调整轧机至偏心测量压力；

步骤A₃：旋转轧辊到预定圈数，期间定时进行α_i、β_i、p_i的数据采样，其中：

α_i——i时刻上支撑辊的角位置；

β_i——i时刻下支撑辊的角位置；

p_i——i时刻总轧制力；

1≤i≤n；

n——旋转轧辊到预定圈数，期间定时进行α_i、β_i、p_i的数据采样的总点数；

步骤A₄：求解上支撑辊偏心振幅E_t，下支撑辊偏心振幅E_b；

解上述方程，可求出A_t、A_b、 

则： 

式中：

C—— 

轧制力时轧机自然刚度系数；

E_t——上支撑辊偏心振幅； 

E_b——下支撑辊偏心振幅；

——总轧制力直流分量；

A_t——上支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度；

A_b——下支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度。

2.根据权利要求1所述的偏心补偿方法，其特征在于：所述步骤B具体包括以下步骤：

步骤B₁：实时计算轧辊角位置α、β，采集检测到的轧制力采样值f_s；

步骤B₂：将α、β代入偏心计算公式求当前总偏心量e；

其中公式为e＝E_tsinα+E_bsinβ。

3.根据权利要求1所述的偏心补偿方法，其特征在于：所述步骤C中的算法具体为：

C′＝kC；

f＝f_s-Δf；

式中：

Δf——压力偏心补偿量；

Q——为轧件的塑性系数；

f——补偿后的轧制力；

f_s——轧制力采样值；

k——轧机刚度调节系数；

C′——轧机等效刚度系数。

4.根据权利要求1所述的偏心补偿方法，其特征在于：所述步骤D中的算法为：

Δs＝k_ee；

s^*＝s-Δs；

式中：

k_e——辊缝偏心补偿增益；

e——总偏心量； 

Δs——辊缝偏心补偿量；

s——辊缝给定值；

s^*——补偿后的辊缝给定值。

5.根据权利要求1所述的偏心补偿方法，其特征在于：所述步骤A₃中的数据采样周期大于、等于或小于偏摆周期T_b。

6.一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述装置包括：

计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置；

求总偏心量e的装置；

计算进行偏心补偿后的轧制力f的装置；

计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*的装置；

所述计算上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置具体包括：

调整轧机至偏心测量速度的装置；

调整轧机至偏心测量压力的装置；

旋转轧辊到预定圈数的装置；

定时进行数据采样α_i、β_i、p_i的装置，其中

α_i——i时刻上支撑辊的角位置；

β_i——i时刻下支撑辊的角位置；

p_i——i时刻总轧制力；

1≤i≤n；

n——旋转轧辊到预定圈数，期间定时进行α_i、β_i、p_i的数据采样的总点数；

求解上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置；

其中的算法具体为： 

求解，可求出A_t、A_b、 

则： 

式中：

C—— 

轧制力时轧机自然刚度系数；

E_t——上支撑辊偏心振幅；

E_b——下支撑辊偏心振幅；

——总轧制力直流分量；

A_t——上支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度；

A_b——下支撑辊偏心信号引起的压力波动幅度。

7.根据权利要求6所述的基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述求总偏心量e的装置具体包括：

实时计算轧辊角位置α、β的装置，采集检测到的轧制力采样值f_s的装置；

将α、β代入偏心计算公式求当前总偏心量e的装置；

其中公式为e＝E_tsinα+E_bsinβ。

8.根据权利要求6所述的基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述计算进行偏心补偿后的轧制力f的装置中所使用的算法为：

C′＝kC；

f＝f_s-Δf；

式中：

Δf——压力偏心补偿量；

Q——为轧件的塑性系数； 

f——补偿后的轧制力；

f_s——轧制力采样值；

k——轧机刚度调节系数；

C′——轧机等效刚度系数。

9.根据权利要求6所述的基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述计算偏心补偿后的辊缝给定值s^*的装置中使用的算法为：

Δs＝k_ee；

s^*＝s-Δs；

式中：

k_e——辊缝偏心补偿增益；

Δs——辊缝偏心补偿量；

s——辊缝给定值；

s^*——补偿后的辊缝给定值。

10.根据权利要求7所述的基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述实时计算轧辊角位置α、β的装置为接近开关和编码器。

11.根据权利要求6所述的基于轧辊旋转角度的偏心补偿装置，其特征在于：所述求解上支撑辊偏心振幅E_t、下支撑辊偏心振幅E_b的装置为工业现场智能控制器。 

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