CN102581030B - 冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法，其步骤包括：（1）确定轧机出口到板形仪的距离L；（2）确定板形控制系统最长单次计算时间T1；（3）确定最大轧制速度V；（4）确定执行机构最长单次动作时间T2；（5）计算板形控制周期；经过上述步骤，实现对冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定。本发明克服了传统固定时间长度控制周期方法的固有局限的缺陷，可以有效解决带钢生产过程中由于板形控制周期选取不当造成出口带钢板形控制效果变差的技术问题，能够显著提高冷轧带钢的板形控制质量，增加冷轧企业的市场竞争能力。

Description

冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法

技术领域

本发明涉及冷轧带钢板形控制技术领域，尤其涉及一种冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法。

背景技术

随着国内外带钢产品制造业的迅猛发展，下游用户对冷轧带钢产品的板形质量要求也日益增高，特别是对于高档汽车和高端IT产品制造等行业。于是，冷轧带钢板形的质量已成为考核带钢产品的主要技术指标之一。在冷轧带钢轧制过程中，带钢会发生明显的纵向延伸和横向流动。当带钢横向流动较大时，会导致带钢横向各条元的纵向延伸不一致，相邻条元间产生伸长差，使得相邻条元间发生拉伸或者压缩变形而导致板形缺陷。

为了及时获取冷轧带钢产品的出口板形，冷轧企业通常在轧机出口处配置板形仪。需要注意到，轧机出口处到板形仪之间的距离是客观存在的，这也导致了出口板形与板形仪测量信号之间必然存在一定量的传送时间。此外，板形控制系统通过板形仪获取板形信号后也需要一定时间来计算板形调控机构的在线调节量，且在线调节量计算后仍需要一定时间来调整板形调控机构以完成板形闭环控制功能。可以看出，板形闭环控制系统是一类典型的时滞系统。如果板形控制周期设置过长，则失去了自动控制系统快速消除板形偏差的优势；如果板形控制周期设置过短，则可能会出现当前板形调控机构调节量由上一控制周期板形调控机构动作前的出口板形决定的情况，不能获得良好的控制效果，容易引起超调甚至断带等事故发生，严重影响了冷轧带钢产品的成材率。

为了克服上述技术问题，就需要对带材轧制过程机理进行分析，理清各个过程控制变量间的时序关系，设计出符合实际生产情况的板形闭环控制周期的确定方法，保证板形闭环控制系统的稳定运行，为生产出高品质的冷轧带钢产品奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法，以解决冷轧带钢板生产过程中由于板形控制周期选取不当造成出口带钢板形控制效果变差的技术问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：                           

本发明提供的冷轧带钢板形控制周期的确定方法，其步骤包括：

（1）确定轧机出口到板形仪的距离L：

在轧机设备设计时，考虑包括设备安装工艺条件限制的基础上，L值应该尽可能的小，L值的单位为mm，以减少出口板形信号与板形仪板形信号之间的时滞量；

（2）板形控制系统最长单次计算时间T1：

根据控制系统硬件和控制算法，来确定设备调试阶段现场测试出板形控制系统最长单次计算时间T1，T1单位为 ms；

（3）确定最大轧制速度V：

每一带卷的最大轧制速度V由计算机二级控制系统给出，V的大小决定了板形控制系统计算在线调节量时出口带钢运行的距离大小；

（4）确定执行机构最长单次动作时间T2：

板形控制系统计算出各板形控制执行机构在线调节量后，应该依据轧辊倾斜执行机构和工作辊弯辊执行机构、中间辊弯辊执行机构、中间辊窜辊执行机构的响应速度的顺序依次将执行机构调整到给定位置，在设备调试阶段现场测试出它们的最长单次动作时间T2，T2 单位为ms；

（5）计算板形控制周期：

在确定板形控制周期时，采用一种时变时间长度的控制周期确定方法，改变控制周期的度量方式，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，其计算公式归结为以下约束求解板形控制周期：

Min   N，

满足：                                                

，N为自然数，

式中：N为控制周期必须包含的板形信号接收次数；R为板形辊的半径，R单位mm；n为板形辊每转一圈发出有效板形信号次数，单位为次/转；

经过上述步骤，实现对冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定。

所述板形辊的半径R和板形辊每转一圈发出有效板形信号次数n为冷轧带钢板形控制周期的确定方法中的两个关键变量，其由轧机出口处配置的板形仪型号决定。

所述控制算法可以采用西门子TDC控制器来实现。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

（1）提出了一种时变时间长度的控制周期确定方法，改变控制周期的度量方式，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，从根本上克服了传统固定时间长度控制周期方法的固有局限；

（2）控制周期确定过程中充分考虑了设备实际安装尺寸、轧制速度、控制器计算时间等影响因素，同时本方法实现简单、反应速度快，完全满足板形自动控制系统的实时性要求。

总之，本发明方法有效解决带钢生产过程中由于板形控制周期选取不当造成出口带钢板形控制效果变差的技术问题，可以显著提高冷轧带钢的板形控制质量，增加冷轧企业的市场竞争能力。

附图说明

图1为本发明提供的冷轧带钢板形闭环控制周期的在线确定方法流程图。

图2为本发明一个实施例的轧制设备装置布置示意图。

图3为本发明一个实施例中未采用本发明方法时的板形控制效果图。

图4为本发明一个实施例中采用本发明方法时的板形控制效果图。

具体实施方式

本发明提供的冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法，其步骤包括：

（1）确定轧机出口处配置的板形仪型号：

板形仪型号决定了冷轧带钢板形控制周期的确定方法中的两个关键变量：板形辊的半径R(单位为mm)和板形辊每转一圈发出有效板形信号次数n(单位为次/转)。

（2）确定轧机出口到板形仪的距离L(单位为mm)：

轧机出口到板形仪的距离直接影响了带钢从轧机出口到板形仪的传送时间, L越大，系统的时间滞后量也越大。在轧机设备设计时，考虑设备安装等工艺条件限制的基础上，L值应该尽可能的小，这样也就从客观上减少了出口板形信号与板形仪板形信号之间的时滞量。

（3）确定板形控制系统最长单次计算时间T1(单位为 ms)：

板形控制系统是一种对实时性要求很高的控制系统，其核心控制算法通常采用诸如西门子TDC或者其它高性能控制器来实现。控制系统硬件和控制算法一旦选定，就可以在设备调试阶段现场测试出板形控制系统最长单次计算时间T1。

（4）确定最大轧制速度V：

每一带卷的最大轧制速度V可由计算机二级控制系统给出。V的大小决定了板形控制系统计算在线调节量时出口带钢运行的距离大小。

（5）确定执行机构最长单次动作时间T2(单位为 ms)：

板形控制系统计算出在线调节量后，执行机构由于物理约束并不能立刻调整到指定位置。不同执行机构的响应速度是不一样的，通常情况下，轧辊倾斜执行机构的响应速度最快，其次为工作辊弯辊执行机构、中间辊弯辊执行机构、中间辊窜辊执行机构等。轧机各执行机构安装完毕后，就可以在设备调试阶段现场测试出执行机构最长单次动作时间T2。

（6）计算板形控制周期：

带钢轧制过程中的轧制速度通常情况下是不断变化的，而在不同的轧制速度下板形辊旋转一周所用的时间周期也是不同的：当轧制速度较慢时其需要的时间长，轧制速度较快时其需要的时间短。因此，在确定板形控制周期时，选用固定时间长度的控制周期(例如统一设定各控制周期均为200ms)容易导致两个结果：

1）若固定控制周期过短则轧制速度较慢时不符合技术要求；

2）若固定控制周期过长则人为引入了多余的时间滞后量，使得控制效果保守性过大。为了克服上述技术问题，本发明提出了一种时变时间长度的控制周期确定方法，改变控制周期的度量方式，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，其计算公式可以归结为如下约束求解问题：

Min   N，

满足： 

，N为自然数，

式中，N为控制周期必须包含的板形信号接收次数。

下面结合具体应用实例对上述本发明方法做进一步说明，但不限定本发明。

基于本发明的冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法可用于四辊、六辊单机架或多机架冷连轧机组。下面以一台单机架六辊轧机为例，六辊轧机可轧制的产品包括普通板、高强钢、部分不锈钢和硅钢等。本实施例轧制的是中高牌号硅钢，机型为UCM轧机，板形控制手段包括轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊、中间辊窜辊以及乳化液分段冷却等。其中中间辊窜辊是根据带钢宽度进行预设定，调整原则是将中间辊辊身边缘与带钢边部对齐，亦可由操作方考虑添加一个修正量，调到位后保持位置不变；乳化液分段冷却具有较大的时间滞后特性。因而在线调节的板形控制手段主要有轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种。该机组的主要技术性能指标和设备参数为：

轧制速度：Max 900m/min，轧制压力：Max 18000KN，最大轧制力矩：140.3KN×m，卷取张力：Max 220KN，主电机功率：5500KW；

来料厚度范围：1.8~2.5mm，来料宽度范围：850~1280mm，轧后厚度范围：0.3mm~1.0mm；

工作辊直径：290~340mm，工作辊身长：1400mm，中间辊直径：440~500mm，中间辊身长：1640mm，支撑辊直径：1150~1250mm，支撑辊身长：1400mm；

每侧工作辊弯辊力：-280~350KN，每侧中间辊弯辊力：0~500KN，中间辊轴向横移量：-120~120mm，辅助液压系统压力：14MPa， 平衡弯辊系统压力：28MPa，压下系统压力：28MPa。

板形仪采用瑞典的ABB公司板形辊，该板形辊辊径313mm，由实心钢轴组成，沿宽度方向每隔52mm或26mm被分成一个测量区域，每个测量区域内沿轴向在测量辊的四周均匀分布着四个沟槽以放置磁弹性力传感器，传感器的外面被钢环所包裹。板形辊每旋转一周，可以对带材板形测量四次，板形辊信号处理系统将这四次测量值求均值后发送给板形控制系统，也就是说，板形辊每转一圈发出有效板形信号次数n=1(单位为 次/转)。

本实施例控制系统硬件选用西门子SIMATIC TDC工艺控制器，它擅长解决处理复杂的驱动、控制和通讯任务，在单一平台上拥有最大数量的框架和最短的循环周期。

如图1所示，利用本实施例方法进行冷轧带钢板形前馈控制的具体工作过程为：

（1）确定轧机出口处配置的板形仪型号：

本实施例中板形仪采用瑞典的ABB公司板形辊，该板形辊辊径313mm(亦即板形辊的半径R=313/2mm)，板形辊每转一圈发出有效板形信号次数n=1(单位为 次/转)。

（2）确定轧机出口到板形仪的距离L(单位为mm)：

本实施例中板形仪与轧机之间的位置关系由如图2给出。这里，轧机出口到板形仪的距离L=2000mm。

（3）确定板形控制系统最长单次计算时间T1(单位为 ms)：

本实施例采用西门子SIMATIC TDC工艺控制器作为板形控制核心控制算法的实现平台，板形控制算法采用先进的多变量优化控制算法。在设备调试阶段现场测试出板形控制系统最长单次计算时间T1=30ms。

（4）确定最大轧制速度V：

本实例轧机最大轧制速度为V=900m/min=15 m/s。

（5）确定执行机构最长单次动作时间T2(单位为 ms)：

本实施例中在线调节的板形控制手段有轧辊倾斜、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊共三种执行机构。在设备调试阶段现场测试出三种执行机构最长单次动作时间T2=20ms。

（6）计算板形控制周期：

带钢轧制过程中的轧制速度通常情况下是不断变化的，而在不同的轧制速度下板形辊旋转一周所用的时间周期也是不同的：当轧制速度较慢时其需要的时间长，轧制速度较快时其需要的时间短。因此，在确定板形控制周期时，选用固定时间长度的控制周期(例如统一设定各控制周期均为200ms)容易导致两个结果：

1）若固定控制周期过短则轧制速度较慢时不符合技术要求；

2）若固定控制周期过长则人为引入了多余的时间滞后量，使得控制效果保守性过大。为了克服上述技术问题，本实施例采用一种时变时间长度的控制周期确定方法，改变控制周期的度量方式，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，其计算公式可以归结为如下约束求解问题：

Min   N，

满足： 

，N为自然数，

式中，N 为控制周期必须包含的板形信号接收次数。

将步骤（1）— 步骤（5）中确定的控制变量代入到上述约束问题，可以得到N=4，也就是说在控制系统上线后，按照每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为4次作为控制周期的确定原则，完成各个控制周期的板形闭环控制功能。

为了验证本发明方法的优越性，选取两卷相同规格的带钢产品进行工业试验比较。图3给出的是未采用本发明方法时的带卷板形控制效果图，此时板形控制周期选用的为固定时间周期200ms,由于轧机出口到板形仪之间的时间滞后，由图3可以看出板形控制情况并不是很理想，尤其是在300m段左右出现较大板形偏差，严重影响了冷轧带钢产品板形质量。图4给出的是采用本发明方法时的带卷板形控制效果图。通过使用本发明方法，理清了板形控制量和板形信号间的时序关系，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，从根本上克服了传统固定时间长度控制周期方法的固有局限。与此同时，在控制周期确定过程中充分考虑了设备实际安装尺寸、轧制速度、控制器计算时间等影响因素，并且本发明方法实现简单、反应速度快，完全满足板形自动控制系统的实时性要求。

由图3和图4间的比较可以看出，图3中轧机出口板形变动频繁，在长度方向300米附近最大板形偏差超过了12I, 而图4中的带卷出口板形控制质量比较理想，轧机出口板形控制在4I以内且板形变动平缓，轧制过程中宽度方向最大板形偏差均控制在理想范围内，完全满足当前先进冷轧企业对板形的技术考核指标，大大提高了板形控制质量。

以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。例如：中间辊弯辊方向不限于优选实施例中的正弯辊，不同工程中亦可选择中间辊正负弯辊方式等。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）确定轧机出口到板形仪的距离L：

在轧机设备设计时，考虑包括设备安装工艺条件限制的基础上，L值应该尽可能的小，L值的单位为mm，以减少出口板形信号与板形仪板形信号之间的时滞量；

（2）确定板形控制系统最长单次计算时间T1：

根据控制系统硬件和控制算法，来确定设备调试阶段现场测试出板形控制系统最长单次计算时间T1，T1单位为ms；

（3）确定最大轧制速度V：

每一带卷的最大轧制速度V由计算机二级控制系统给出，V的大小决定了板形控制系统计算在线调节量时出口带钢运行的距离大小；

（4）确定执行机构最长单次动作时间T2：

板形控制系统计算出各板形控制执行机构在线调节量后，应该依据轧辊倾斜执行机构和工作辊弯辊执行机构、中间辊弯辊执行机构、中间辊窜辊执行机构的响应速度的顺序依次将执行机构调整到给定位置，在设备调试阶段现场测试出它们的最长单次动作时间T2，T2单位为ms；

（5）计算板形控制周期：

在确定板形控制周期时，采用一种时变时间长度的控制周期确定方法，改变控制周期的度量方式，以每个控制周期必须包含的板形信号接收次数为原则，让每个控制周期的时间长度跟其对应的轧制速度紧密相关，其计算公式归结为以下约束求解板形控制周期：

Min N，

满足： $N\×\frac{2\mathrm{\πR}}{n}\≥L+V\×(T1+T2),$ N为自然数，

式中：N为控制周期必须包含的板形信号接收次数；R为板形辊的半径，R单位mm；n为板形辊每转一圈发出有效板形信号次数，单位为次/转；

经过上述步骤，实现对冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定。

2.根据权利要求1所述的冷轧带钢板板形闭环控制周期的确定方法，其特征是所述板形辊的半径R和板形辊每转一圈发出有效板形信号次数n为冷轧带钢板形控制周期的确定方法中的两个关键变量，其由轧机出口处配置的板形仪型号决定。

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