CN102029292B - 基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷连轧机板带厚度控制方法。一种基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，首先给出一种检测仪表的配置方法，在第一机架前同时配置带钢测厚仪和机械性能检测仪，由性能检测值和轧制变形条件得到长度方向上相应段带钢的变形抗力值；然后给出厚度前馈控制策略，对带钢进行分段跟踪，将每一机架前得到的每段带钢的厚度波动值和变形抗力波动值依次存贮在移位数据表中，并随着带钢轧制速度向前移位，在该段带钢进入该机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，根据位置内环和轧制力内环不同方式下的前馈控制算法得到每个机架辊缝或轧制力的调节量用于实时前馈控制。本发明能保证整个钢卷长度方向上成品带钢厚度的一致性。

Description

基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法

技术领域

本发明涉及板带冷轧技术领域，尤其涉及冷连轧机组的板带厚度控制方法。

背景技术

现代工业的迅速发展对带钢生产提出了更高的要求，而板厚一直是衡量带钢质量的重要指标之一。随着带钢性能检测技术的不断发展和应用，研究在带钢变形抗力可获取条件下的厚度控制方法不断提高板厚精度，对于提高带钢的市场竞争力具有重要的意义。

来料厚差是冷轧带钢成品产生厚差的重要原因，因此冷连轧机架前配置有测厚仪，用来直接测量来料带钢厚差用于前馈控制。目前大多数冷连轧机组的自动厚度控制AGC(Automatic Gage Control)系统仅对机架入口厚差进行前馈控制，实际上厚度偏差随着各机架压下控制必将逐渐减小，而对成品厚度精度更具威胁的是来料机械性能波动，因为机械性能波动具有重发性，具有性能波动的某段带钢进入每一机架时都将产生新的厚差。

对于五机架冷连轧机组，第三机架一般不进行厚度自动控制，因此现有技术中有的系统利用第三机架的实测轧制力，根据轧制力公式求出各段带钢变形抗力，然后利用变形抗力计算公式推算得到下游各个机架带钢的变形抗力，从而对第四和第五进行前馈控制。但是，冷连轧中大的压下量主要是由上游机架来完成的，而带钢性能波动具有重发性，这种做法仅靠下游各个机架进行厚度前馈控制，并不能完全消除由该性能偏差引起的成品厚差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，该控制方法在机架前同时配置测厚仪和性能检测仪，这样可以综合考虑来料的厚度和变形抗力而对带钢的厚度进行前馈控制，从而保证整个钢卷长度方向上成品带钢厚度的一致性以提高带钢的成材率。

本发明是这样实现的：一种基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，首先给出一种检测仪表的配置方法，在第一机架前同时配置带钢测厚仪和机械性能检测仪，由性能检测值和轧制变形条件得到长度方向上相应段带钢的变形抗力值；然后给出厚度前馈控制策略，对带钢进行分段跟踪，将每一机架前得到的每段带钢的厚度波动值和变形抗力波动值依次存贮在移位数据表中，并随着带钢轧制速度向前移位，在该段带钢进入该机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，根据位置内环和轧制力内环不同方式下的前馈控制算法得到每个机架辊缝或轧制力的调节量用于实时前馈控制。

所述的检测仪表配置方法，是在第一机架轧机前相应的位置安装测厚仪和性能检测仪，用于分别在线测量该轧机入口来料带钢的厚度值和机械性能值；其余机架的入口带钢变形抗力则由带钢的累积变形量推算得到，对于厚度检测是在相应机架前配置测厚仪。

所述的对带钢进行分段跟踪的方法，是指：由性能检测仪和测厚仪到机架的距离和厚度前馈控制间隔长度确定两个移位数据表，分别用于入口厚度波动值和变形抗力波动值的存贮、移位和读取，由装在各个机架传动侧的脉冲计数器信号来获得带钢前进的长度，每当带钢前进的长度大于厚度前馈控制间隔长度时，读取移位数据表入口厚度波动值和变形抗力波动值，计算前馈控制调节量实施厚度前馈控制。

所述的厚度前馈控制策略，是指：将第一机架前在线测量的每段带钢的厚度波动值和由性能测量值得到的变形抗力波动值存贮在移位表中，并随着带钢轧制速度不断向前移位，在该段带钢进入第一机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，根据前馈控制算法得到第一机架辊缝或轧制力的调节量用于实时控制；剩余机架前馈控制的厚度值来自该机架前测厚仪信号，而变形抗力值则需利用第一机架前的性能检测仪的性能测量值和各机架带钢变形条件获取，并同样利用移位数据表进行贮存和移位。

所述的带钢的变形抗力波动值计算方法如下：

第一机架来料变形抗力K_i按下式由性能检测仪测量获取的来料屈服强度计算得到：

                K₁＝K_fσ_s

其中，σ_s---性能检测仪检测得到的第一机架前来料带钢屈服强度，

K_f---变形抗力系数，由轧制变形条件决定，可由实验获取；第二机架到第5机架带钢的变形抗力由变形抗力计算公式来获取：

$K_i=K_1+K_{\mathrm{ei}}\frac{h_0-h_i}{h_0}$ (i＝2，3，4，5)

其中，K₀---来料变形抗力，K_i---第i机架前变形抗力，h₀---来料厚度，

h_i---第i机架轧后厚度，K_ei---不同机架带钢的硬化系数；

由预设定的每一机架形抗力设定值K_i-set，得到不同机架的变形抗力波动值

            δK_i＝K_i-set-K_i  (i＝1，2，3，4，5)。

所述的厚度前馈控制算法，其中之一的厚度外环位置内环方式下厚度外环输入给位置内环的辊缝前馈调节量δS₀为

$\mathrm{\δ}{S}_0=-\frac{\mathrm{Q\δ}{h}_0+Q_K\mathrm{\δK}}{C_P}$

其中，C_P为机架的纵向刚度，即由于机座变形而使辊缝增大单位长度所需的轧制力， $Q=\∂P/\∂h_0,$ $Q_K=\∂P/\∂K,$

和分别为轧制力P对来料厚度h₀和变形抗力K的偏导，δh₀为机架入口带钢的厚度波动值，δK为机架带钢的变形抗力波动值。

所述的厚度前馈控制算法，其中之一的厚度外环轧制力内环方式下厚度外环给轧制力内环的轧制力前馈调节量δP为

            δP＝Qδh₀+Q_KδK

其中， $Q=\∂P/\∂h_0,$ $Q_K=\∂P/\∂K,$

和

分别为轧制力P对来料厚度h₀和变形抗力K的偏导，δh₀为机架入口带钢的厚度波动值，δK为机架带钢的变形抗力波动值。

本发明的厚度前馈控制方法是基于现代检测技术的发展，在线检测带钢的机械性能从而得到相应的变形抗力已成为可能，由于前馈控制中执行机构可以提前动作，在完全去除信号检测和执行机构动作带来滞后的条件下，还可适度提前进行控制使被控信号波动进一步减小，所以本发明在机架前同时配置测厚仪和机械性能检测仪，对来料各段带钢的厚度和性能分别进行测量，由性能测量值和变形条件得到相应的变形抗力，当该段带钢进行轧制时综合考虑来料的厚度和变形抗力而对带钢的进行厚度前馈控制。

本发明提出了一种基于机械性能(是指带钢的抗拉强度σ_b、屈服强度σ_s、硬度T等值)检测的厚度前馈控制方法，在机架前同时配置测厚仪和性能检测仪，这样可以综合考虑来料的厚度和变形抗力而对带钢的厚度进行前馈控制，从而保证整个钢卷长度方向上成品带钢厚度的一致性以提高带钢的成材率。

采用在第一机架前相应的位置安装测厚仪和性能检测仪，分别在线测量来料的厚度值和机械性能值。由于来料性能波动对厚度控制具有重发性，而来料厚度波动没有重发性，所以性能检测仪只在第一机架前配置，其余机架的入口带钢变形抗力则由带钢的累积变形量推得，而对于厚度检测则可根据需求在相应机架前配置测厚仪。

本发明的有益效果是：本发明的厚度前馈控制方法能同时检测来料带钢厚度与机械性能，综合考虑来料厚度和变形抗力等不同因素波动对成品厚度的影响实施厚度前馈控制。对于确保整个钢卷长度方向上成品带钢板厚的一致性，对提高带钢成材率以及保证轧制过程的稳定性和可靠性具有积极意义。

本发明的基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法还可与测厚仪反馈AGC、监控AGC和张力AGC等有机结合，以获得更好的厚度控制效果。

附图说明

图1为本发明中检测仪表与轧机的安装示意图；

图2为带钢信息存贮、移动和读取示意图；

图3为本发明基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法的控制流程图。

图中：1性能检测仪，2测厚仪，3第一机架，4第五机架，5来料(带钢)；图1中的箭头表示轧制方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但是应该理解的是，这里具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

本发明的一种基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法是，给出一种检测仪表配置的方法，在第一机架前同时配置带钢测厚仪和机械性能检测仪，将每一机架前得到的每段带钢的厚度波动值和变形抗力波动值分别存贮在两个移位数据表中，并随着带钢轧制速度不断向前移位，在该段带钢进入该机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，根据前馈控制算法得到每个机架辊缝或轧制力的调节量用于实时前馈控制。

本发明的基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法的控制流程如图3所示，可分为如下几个主要过程：

(1)在第一机架前适当位置安装性能检测仪和测厚仪。

(2)确定带钢厚度前馈控制间隔长度L₀(如针对来料的前馈控制间隔长度为20mm)，由性能检测仪和测厚仪到第一机架的距离L₁和L₂分别确定移位数据表的容量。

(3)在每个厚度控制周期，对由脉冲计数器返回信号得到的带钢传输长度L进行累加。

(4)当带钢传输长度L大于L₀时，根据性能检测值及带钢变形条件得到相应段带钢的变形抗力值。

(5)考虑带钢传输带钢轧制速度进行厚度与变形抗力两个移位数据表的存贮、移动和读取。

(6)根据从移位数据表中读取的来料的厚度和变形抗力信息，利用前馈控制算法，得到辊缝或轧制力的调节变化量，再与相应设定值相加，得到控制给定值。

(7)由相应的执行机构动作，将控制量调节至给定值，完成周期控制任务。

(8)对于第二到第五机架的厚度前馈控制，其相应的带钢厚度控制的长度可由对来料的控制长度L₀与相对压下率来确定，而每个机构入口带钢的变形抗力可由变形抗力公式来得到，而前馈控制算法与第一机架相同。

本实施例针对五机架六辊轧机厚控系统对厚度前馈控制方法进行说明。

(一)检测仪表配置与安装

图1为本发明中检测仪表与轧机的安装示意图，图中性能检测仪1和测厚仪2安装在第一机架3前面，分别用于实时测量来料5的机械性能和厚度。设性能检测仪1和测厚仪2到第一机架3的距离分别为L₁和L₂。

(二)带钢的跟踪

为了从移位数据表中准确获得相应段带钢的厚度值与变形抗力值，需要对带钢5进行实时分段跟踪，可以由装在各个机架传动侧的脉冲计数器来完成，当某个机架的脉冲计数器增加一定数量，则表示带钢前进了一段固定的距离。

(三)检测数据的存贮、移位与读取

通常厚度控制是按定周期控制来进行的，如每20微秒进行一次控制。设距离L₁和L₂分别为3000毫米和2500毫米，而带钢的分段控制长度L₀为20毫米，则根据厚度控制周期、带钢轧制速度和由脉冲计数器返回信号得到的带钢传输长度，可由两个容量最小分别为150和125的移位数据表来完成检测数据的存贮、移位与读取，参见图2示意图。

(四)变形抗力的获取

第一机架3来料变形抗力K₁可按下式由性能检测仪1测量获取的来料5屈服强度计算得到。

                K₁＝K_fσ_s

其中，σ_s---一机架前来料屈服强度，

K_f---变形抗力系数，由轧制变形条件决定，可由实验获取。

第二机架到第五机架4带钢5的变形抗力可由变形抗力计算公式来获取

$K_i=K_1+K_{\mathrm{ei}}\frac{h_0-h_i}{h_0}$ (i＝2，3，4，5)

其中，K₀---来料变形抗力，K_i---第i机架前变形抗力，h₀---来料厚度，

h_i---第i机架轧后厚度，K_ei---不同机架带钢的硬化系数，可由实验获取。

对于某一钢卷，由预设定可得每一机架有一变形抗力设定值K_i-set，所以不同机架的变形抗力波动值，可由下式得到

            δK_i＝K_i-set-K_i  (i＝1，2，3，4，5)

(五)前馈控制算法

以下分位置内环方式和轧制力内环方式给出前馈控制算法。由于各个机架前馈控制算法是相同的，所以以下算法对各个机架都是适用的。

冷轧过程的厚度方程(弹性方程)和轧制力方程(塑性方程)分别为

$\left\{\begin{array}{c}{h}_1=S_0+\frac{P-P_0}{C_P}+S_F+G\\ P=f(h_0,h_1,{\mathrm{\τ}}_b,{\mathrm{\τ}}_f,K,\mathrm{\μ})\end{array}\right.$

其中：

P---轧制力，S_F---弯辊力造成辊缝变化，C_P---机架的纵向刚度，

P₀---预压靠力，S₀---辊缝设定值(在预压靠力下清零)，

G---辊缝零位，τ_f---前张应力，τ_b---后张应力，

h₀---来料厚度，h₁---轧后厚度，K---带钢变形抗力，μ---摩擦系数，

轧制力方程可根据实际情况选用Bland-ford公式、Stone公式或其它适用公式。其相应的增量方程为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{h}_1=\mathrm{\δ}{S}_0+\frac{\mathrm{\δP}}{C_P}+\mathrm{\δ}{S}_F\\ \mathrm{\δP}=\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂h_1}\mathrm{\δ}{h}_1+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_b}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_b+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_f}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_f+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}+\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\μ}}\mathrm{\δ\μ}\end{array}\right.$

(1)厚度外环位置内环方式

将增量方程中轧制力方程代入厚度方程，整理得

$\mathrm{\δ}{h}_1=\frac{\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}+\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\μ}}\mathrm{\δ\μ}+C_P\mathrm{\δ}{S}_0+C_P\mathrm{\δ}{S}_F+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_b}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_b+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_f}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_f}{C_P-\frac{\∂P}{\∂h_1}}$

不考虑δμ，δS₀，δS_F，δτ_b和δτ_f，令轧后带钢厚差δh₁＝0，得

$\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}+C_P\mathrm{\δ}{S}_0=0$

令 $\∂P/\∂h_0=Q,$ $\∂P/\∂K=Q_K,$ 则得到厚度外环给位置内环的前馈调节量δS₀为

$\mathrm{\δ}{S}_0=-\frac{\mathrm{Q\δ}{h}_0+Q_K\mathrm{\δK}}{C_P}$

(2)厚度外环轧制力内环方式

A.来料厚度偏差δh₀与变形抗力偏差δK所产生的轧制力偏差δP₁

将增量方程中厚度方程代入轧制力方程，整理得

$\mathrm{\δP}=\left(\frac{C_P}{C_P+Q}\right)(\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂h_1}\mathrm{\δ}{S}_0+\frac{\∂P}{\∂h_1}\mathrm{\δ}{S}_F+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_b}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_b+\frac{\∂P}{\∂{\mathrm{\τ}}_f}\mathrm{\δ}{\mathrm{\τ}}_f+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}+\frac{\∂P}{\∂\mathrm{\μ}}\mathrm{\δ\μ})$

不考虑δμ，δS₀，δS_F，δτ_b和δτ_f，可得由入口厚度偏差δh₀与变形抗力偏差δK所产生的轧制力偏差δP₁为

$\mathrm{\δ}{P}_1=\left(\frac{C_P}{C_P+Q}\right)(\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK})$

B.由来料厚度偏差δh₀与变形抗力偏差δK所产生轧后厚差δh₁为

$\mathrm{\δ}{h}_1=\frac{\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}}{C_P+Q}$

为使该厚差为零，需提前进行辊缝调整

$\mathrm{\δ}{S}_0=-\frac{C_P+Q}{C_P}\mathrm{\δ}{h}_1=-\frac{\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}}{C_P}$

C.由此辊缝调整将进一步引起新的轧制力偏差δP₂

$\mathrm{\δ}{P}_2=-\frac{C_{P}Q}{C_P+Q}\mathrm{\δ}{S}_0=\frac{Q}{C_P+Q}(\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK})$

D.厚度外环给轧制力内环的总的轧制力调节量δP为

$\mathrm{\δP}=\mathrm{\δ}{P}_1+\mathrm{\δ}{P}_2=\frac{\∂P}{\∂h_0}\mathrm{\δ}{h}_0+\frac{\∂P}{\∂K}\mathrm{\δK}$

令 $\∂P/\∂h_0=Q,$ $\∂P/\∂K=Q_K,$ 则得到总的轧制力前馈调节量δP为

        δP＝Qδh₀+Q_KδK

本发明同时检测来料厚度与性能，综合考虑来料厚度和变形抗力不同因素波动对成品厚度的影响实施厚度前馈控制。对于确保整个钢卷长度方向上成品带钢板厚的一致性，对提高带钢成材率以及保证轧制过程的稳定性和可靠性具有积极意义。

Claims (4)

1.一种基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，其特征是：首先给出一种检测仪表的配置方法，在第一机架前同时配置带钢测厚仪和机械性能检测仪，分别检测得到带钢厚度检测值和机械性能检测值，计算得到每一机架前长度方向上相应段带钢的变形抗力值；然后给出厚度前馈控制策略，对带钢进行分段跟踪，将每一机架前带钢的厚度设定值减去每段带钢的厚度值得到每段带钢的厚度波动值，将每一机架前带钢的变形抗力设定值减去每段带钢的变形抗力值得到每段带钢的变形抗力波动值，并将厚度波动值和变形抗力波动值依次存贮在移位数据表中，并随着带钢轧制速度向前移位，在该段带钢进入该机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，由位置内环和轧制力内环不同方式下相应的前馈控制算法，分别计算得到每个机架辊缝或轧制力的调节量，用于实时前馈控制；

所述的带钢的变形抗力波动值计算方法如下：

第一机架来料变形抗力K ₁ 按下式由机械性能检测仪测量获取的来料屈服强度计算得到：

其中，

---机械性能检测仪检测得到的第一机架前来料带钢屈服强度，

---变形抗力系数，由轧制变形条件决定，由实验获取；

第二机架到第5机架带钢的变形抗力由变形抗力计算公式来获取：

（

）

其中，K ₁---第1机架来料变形抗力，

---第

机架前变形抗力，---来料厚度，---第

机架轧后厚度，

---不同机架带钢的硬化系数；

由预设定的每一机架变形抗力设定值

，得到不同机架的变形抗力波动值

（

）；

所述的厚度前馈控制算法，其中之一的厚度外环位置内环方式下厚度外环输入给位置内环的辊缝前馈调节量δS ₀为

其中，为机架的纵向刚度，即由于机座变形而使辊缝增大单位长度所需的轧制力，，

，

和

分别为轧制力P对来料厚度h ₀和变形抗力K的偏导，

为机架入口带钢的厚度波动值，为机架带钢的变形抗力波动值；

所述的厚度前馈控制算法，其中之一的厚度外环轧制力内环方式下厚度外环给轧制力内环的轧制力前馈调节量δP为

其中，

，

，

和

分别为轧制力P对来料厚度h ₀和变形抗力K的偏导，

为机架入口带钢的厚度波动值，

为机架带钢的变形抗力波动值。

2.根据权利要求1所述的基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，其特征是：所述的检测仪表配置方法，是在第一机架轧机前相应的位置安装测厚仪和机械性能检测仪，用于分别在线测量该轧机入口来料带钢的厚度值和机械性能检测值；其余机架的入口带钢变形抗力则由带钢的累积变形量推算得到，对于厚度检测是在相应机架前配置测厚仪。

3.根据权利要求1所述的基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，其特征是：所述的对带钢进行分段跟踪的方法，是指：由机械性能检测仪和测厚仪到机架的距离和厚度前馈控制间隔长度确定两个移位数据表，分别用于入口厚度波动值和变形抗力波动值的存贮、移位和读取，由装在各个机架传动侧的脉冲计数器信号来获得带钢前进的长度，每当带钢前进的长度大于厚度前馈控制间隔长度时，读取移位数据表入口厚度波动值和变形抗力波动值，计算前馈控制调节量实施厚度前馈控制。

4.根据权利要求1所述的基于机械性能检测的带钢厚度前馈控制方法，其特征是：所述的厚度前馈控制策略，是指：将第一机架前在线测量的每段带钢的厚度波动值和由机械性能检测值得到的变形抗力波动值存贮在移位表中，并随着带钢轧制速度不断向前移位，在该段带钢进入第一机架前，取出与该段带钢相应的厚度波动值和变形抗力波动值，根据前馈控制算法得到第一机架辊缝或轧制力的调节量用于实时控制；剩余机架前馈控制的厚度值来自该机架前测厚仪信号，而变形抗力值则需利用第一机架前的机械性能检测仪的机械性能检测值和各机架带钢变形条件获取，并同样利用移位数据表进行贮存和移位。

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