CN102721388B - 一种精确确定带钢卷取机卷径值的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确确定带钢卷取机卷径值的方法及系统。本发明的方法是：累加带钢厚度得到卷径值D_thick；根据转速、角度测量装置和卷径测量装置得到卷径值，并通过有效性校验后得到同步卷径值D_sync；用同步卷径值D_sync同步修正带钢厚度计算卷径值D_thick，得到修正后卷径值D_corr；使用第二斜坡发生器根据修正后卷径值D_corr计算产生连续的卷径实际值D_act。本发明结合了计算卷径和测量卷径各自的优势以获得精确的卷径值，计算卷径稳定性高，受外界环境的影响很小；测量卷径精度高，经过有效性校验后可以很好地修正计算卷径的误差，最终得到高精度的卷取机卷径值。本发明最终得到的卷径值是一个连续平滑变化的量，不会发生阶跃变化。

Description

一种精确确定带钢卷取机卷径值的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种精确确定卷径值的方法及系统，特别是一种用于带钢卷取机上的精确确定卷径值的方法及系统。

背景技术

在带钢生产时，为了保证成品钢卷的质量，卷取机恒定的张力控制是关键，为了精确地控制张力，精确确定卷径值是控制的核心部分。

目前通常采用的卷径计算方法，是根据带钢的线速度、厚度和卷取机芯轴的直径值计算卷径，卷径计算开始后，卷筒每转一圈，则卷径在上一圈卷径基础上按照2倍的带钢平均厚度递增，这种方式计算出来的卷径不受转向辊打滑和卷径偏心的影响，是后继精确计算卷径的基础。但是不能直接将带钢厚度计算的卷径值作为最终的实际卷径，因为它与实际值有较大的偏差，原因包括：初始卷径不精确、带钢厚度不精确、卷取不紧等及其他因素，因此必须对带钢厚度计算的卷径值进行修正。

根据轧线上安装的设备可以使用几种方式得到卷取机卷径值，一是可以通过带钢线速度及卷取机转速的比例关系进行计算，卷取机转速可以通过卷取传动电机上安装的脉冲编码器得到，带钢线速度可以通过激光测速仪或者转向辊的转速进行折算。另外预算充足的机组还可以安装超声波卷径测量装置直接测量卷取机卷径值，这些根据测量装置换算或者直接测量得到的卷径值相比带钢厚度计算的卷径值更为精确，可以用来修正带钢厚度计算的卷径值。但测量卷径容易受到外界因素的干扰，现场环境比较复杂，比如可能出现转向辊打滑、卷取的钢卷重心可能偏心、灰尘水汽可能影响超声波测量的精度等等，另外测量设备也有可能出现故障，所以测量的卷径值必须进行校验。只有通过校验的有效测量卷径值才可以用来对厚度计算卷径值进行同步修正。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可使用多种测量装置对卷径计算值进行同步修正的确定带钢卷取机卷径值的方法及系统，以获得精确的卷取机卷径值。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种精确确定带钢卷取机卷径值的方法，包括：

A、累加带钢厚度得到卷径值D_thick；

B、根据转速、角度测量装置和卷径测量装置得到卷径值，并通过有效性校验后得到同步卷径值D_sync；

C、使用同步卷径值D_sync同步修正带钢厚度计算卷径值D_thick，得到修正后卷径值D_corr；

D、使用第二斜坡发生器根据修正后卷径值D_corr计算产生连续的卷径实际值D_act。

所述步骤A具体包括：

A1、卷取机每旋转一圈产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round；

A2、在两次卷取机定位脉冲之间，采样带钢厚度值并求取其平均值

A3、每收到一个脉冲信号PU_round，累加带钢厚度计算卷径值D_thick：

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{thick}}\left(n\right)=D_{\mathrm{thick}}(n-1)+2\×\stackrel{\‾}{h_s\left(n\right)}& 1\≤n\≤M1\\ D_{\mathrm{thick}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}& \end{array}\right.$

式中，D_thick为累加带钢厚度计算出来的卷径值；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；M1为卷取机旋转的最大圈数；为卷取机旋转第n圈带钢厚度的平均值；D_ini为卷取机没有卷上钢卷时的初始直径。

所述步骤B具体包括：

B1、按照激光测速仪测量的带钢速度计算卷径值D_laser，并求取每一圈的卷径增量ΔD_laser：

$D_{\mathrm{laser}}=\frac{S_s}{\mathrm{\π}\×n_{\mathrm{coiler}}/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_laser(n)＝D_laser(n)-D_laser(n-1)

式中，D_laser为按照带钢速度计算得到的卷径值；S_s为带钢速度，由激光测速仪测量信号经平滑处理后得到；n_coiler为卷取机传动电机转速，由传动电机上安装的脉冲编码器测量得到；i_coiler为传动电机和卷取机之间的齿轮比；ΔD_laser为每圈卷径的增量；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；

B2、按照超声波卷径测量装置直接测量得到卷径值D_ulsonic，并求取每一圈的卷径增量ΔD_ulsonic：

ΔD_ulsonic(n)＝D_ulsonic(n)-D_ulsonic(n-1)；

B3、按照转向辊所处的角度计算卷径值D_defi，并求取每一圈的卷径增量ΔD_defl：

$D_{\mathrm{defl}}=\frac{(A_{\mathrm{defl}}-A_{\mathrm{defl}}\left(k\right))\×d_{\mathrm{df}}}{(A_{\mathrm{coiler}}-A_{\mathrm{coiler}}\left(k\right))/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_defl(n)＝D_defl(n)-D_defl(n-1)

式中，A_defl为卷取机旋转k～k+1圈之间时，转向辊的角度实际值；A_defl(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的转向辊角度；d_df为转向辊的直径值；A_coiler为卷取机旋转k～k+1圈之间时，卷取电机的角度实际值；A_coiler(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的卷取电机角度值；i_coiler为卷取传动电机和卷取机之间的齿轮比；

B4、统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD：

$A_{\mathrm{\ΔD}}=\frac{1}{a}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ΔD}$

$S_{\mathrm{\ΔD}}=\frac{1}{a-1}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\ΔD}-A_{\mathrm{\ΔD}})}^2$

式中，A_ΔD为a圈卷径增量值的平均值；ΔD为三种方式得到的卷径增量值中的一种；S_ΔD为a圈卷径增量值的方差；

B5、校验三种方式得到的卷径值的有效性，并从中选取一个作为同步卷径D_sync。

所述步骤C具体包括：

C1、每收到三次脉冲PU_round，产生一个采样周期的同步脉冲PU_sync；

C2、每收到一个同步脉冲，计算一次同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差，得到DD_sync，sum：

DD_sync(k)＝D_thick(3k)-D_sync(k)

${\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(i\right)$

式中，DD_sync(k)为收到第k个同步脉冲时计算的同步卷径误差；D_thick(3k)为卷取机旋转第3k圈的厚度计算卷径；D_sync(k)为收到第k个同步脉冲时的同步卷径值；DD_sync，sum(k-1)为收到第k-1个同步脉冲时的同步卷径误差和；

C3、使用第一斜坡发生器平滑同步卷径差，得到第k+1个同步周期内的同步卷径差斜坡值DD_ramp(k+1)：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+\frac{t_{k+1}}{T_{r1}}\&times;{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& 0\&le;t_{k+1}\&le;T_{r1}\\ {\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& T_{r1}<t_{k+1}<T_e(k+1)\end{array}\right.$

式中，t_k+1为第k+1个同步周期内的时刻；T_r1为斜坡发生器时间参数，T_e(k+1)为第k+1个同步周期的时间长度；T_r1＜T_e(k+1)；

C4、计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr：

D_corr(l)＝D_ini+D_thick(l)-DD_ramp(k+1)l＝3k+1，3k+2，3k+3

第k+1个同步周期中卷取机旋转3圈，分别为第3k+1、3k+2和3k+3圈。、

所述步骤D具体包括：

D1、计算卷取机旋转第n圈时第二斜坡发生器的斜坡时间参数T_r2(n)：

$T_{r2}\left(n\right)=\frac{i_{\mathrm{coiler}}}{2h_s\left(n\right)\&times;n_{\mathrm{coiler}}\left(n\right)}$

式中，h_s(n)为卷取机旋转第n圈时的带钢厚度实际值；n_coiler(n)为卷取机旋转第n圈时的卷取传动电机转速实际值；

D2、使用第二斜坡发生器产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{act}}\left(n\right)=D_{\mathrm{corr}}(n-1)+\frac{t_n}{T_{r2}\left(n\right)}\\ D_{\mathrm{act}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}\end{array}\right.$

式中，D_corr(n-1)为卷取机旋转n-1圈时的修正后卷径值；t_n为卷取机旋转第n圈内的时刻。

本发明还提供了一种精确确定带钢卷取机卷径值的系统，包括：

卷取机定位脉冲发生装置，用于在卷取机每旋转一圈时产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round；

平均厚度计算装置，用于计算卷取机旋转一圈内带钢厚度的平均值

带钢厚度计算卷径值装置，与所述卷取机定位脉冲发生装置连接，用于在每接收到一次卷取机定位脉冲时，根据带钢厚度计算一次卷取机卷径值D_thick(n)；

带钢速度计算卷径值装置，用于根据激光测速仪测量的带钢速度计算卷取机卷径值D_laxer；

第一采样求差装置，分别与所述卷取机定位脉冲发生装置和带钢速度计算卷径值装置连接，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_round，采样并保存带钢速度计算卷径值D_laser，并求取相邻两次采样值的差；

第二采样求差装置，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_round，采样并保存超声波卷径测量装置测量的卷径值D_ulsonic，并求取相邻两次采样值的差；

转向辊角度计算卷径值装置，用于根据转向辊所处的角度计算卷径值D_defl；

第三采样求差装置，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_round，采样并保存转向辊角度计算卷径值D_defl，并求取相邻两次采样值的差；

平均方差计算装置，用于统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD；

同步卷径误差计算装置，用于每当接收到同步脉冲PU_sync时，计算同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差值，得到DD_sync.sum；

第一斜坡发生器，用于平滑同步卷径差，经斜坡处理得到第k+1个同步周期内的同步卷径误差斜坡值DD_ramp(k+1)；

修正后卷径值计算装置，用于计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr；

斜坡时间计算装置，用于计算卷取机旋转第n圈时第二斜坡发生器的斜坡时间参数T_r2(n)；

第二斜坡发生器，用于产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act。

本发明的有益效果为：

1、结合了计算卷径和测量卷径各自的优势以获得精确的卷径值，计算卷径精度不高但稳定性高，受外界环境的影响很小；测量卷径受外界干扰的影响大但测量精度高，经过有效性校验后可以很好地修正计算卷径的误差，最终得到高精度的卷取机卷径值。

2、使用了两个斜坡发生器平滑卷径误差值和卷径实际值，这样最终得到的卷径值是一个连续平滑变化的量，不会发生阶跃变化。

附图说明

图1为卷取机及主要测量装置示意图。

图2为本发明的系统原理图。

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，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的工作原理为：当卷取机卷取带钢的时候，卷取机每旋转一圈，则卷径增大2倍的带钢厚度平均值。带钢厚度计算卷径装置按照这个方式可以得到一个计算卷径值，该卷径值为后继精确计算卷径值的基础。

如果配备了激光测速仪，则带钢的线速度实际值可以精确测量得到；同时卷取机传动电机上安装的脉冲编码器可以得到卷取电机的转速实际值，根据齿轮比可以换算出卷取机转速实际值。按照带钢线速度同卷取机线速度相等的方程则可以求出卷取机卷径值；

如果配备了超声波卷径测量装置，则可以直接测得卷取机卷径值；

如果转向辊上安装了脉冲编码器，则可以得到转向辊的角度实际值；同时卷取机传动电机上安装的脉冲编码器可以得到卷取电机的角度实际值，根据齿轮比可以换算出卷取机角度实际值，又转向辊直径是已知的定值，按照通过转向辊的带钢长度等于卷取机上带钢的长度可以求出卷取机卷径值；

上述三种方式求取卷取机卷径值使用了三种测量装置，求得的卷径值统称为测量卷径，测量卷径精度高但易受现场环境干扰，必须要经过有效性校验。这里校验了测量卷径值是否在有效范围内，若干圈卷径增量的均值和方差是否在有效范围内，只有通过了有效性校验的测量卷径值才可以用来同步计算卷径值。按照测量装置的精度，首选超声波卷径测量卷径值，其次带钢速度计算卷径值，最后转向辊角度计算卷径值，从三种测量卷径值中选取一种作为同步卷径。

卷取机每旋转三圈发出一个同步脉冲，进行一次卷径同步，即使用高精度的测量卷径修正带钢厚度计算卷径值，为了使得修正后卷径值不发生阶跃变化，使用了第一斜坡发生器来平滑同步卷径误差。

本次同步卷径完成后，卷取机继续旋转三圈的过程中，按照每圈卷径值增大2倍带钢厚度的方式计算卷径实际值，为了使得卷径值连续变化，使用了第二斜坡发生器来平滑卷径实际值，其斜坡时间参数需要根据卷取机转速和带钢厚度计算得出，使得卷径实际值正好在卷取机旋转一圈的时间内增大2倍带钢厚度。卷取机旋转三圈后按照同样的方式进行下一次同步卷径，这样循环进行直到本卷钢卷取完毕。

图1为卷取机及主要测量装置示意图，带钢通过转向辊3后由卷取机9进行卷取，转向辊前安装有测厚仪1用来检测带钢的厚度，还安装有激光测速仪2用来检测带钢的实时速度；转向辊为从动辊，如果忽略掉打滑的影响，则其线速度同带钢线速度一致，转向辊上安装有脉冲编码器4，既可以测量出转向辊的实时转速，还可以测得转向辊当前转到的角度；卷取机传动电机7经过齿轮箱8后驱动卷取机转动，卷取电机上也安装有脉冲编码器6，既可以测量出传动电机的实时转速，也可以测得传动电机当前转到的角度；卷取机上安装有超声波卷径测量装置10，可以实时测量出当前的卷径值；所有的实时检测值最终都通入PLC控制器5，由PLC控制器进行处理。

该卷径计算方法包括以下步骤：

1.累加带钢厚度得到卷径值D_thick：

卷取机每转到一个固定的角度发出一个卷取机定位脉冲，表示卷取机旋转了一圈。在两次定位脉冲之间，采样带钢厚度值并求取其平均值；然后每收到一次定位脉冲，在上圈卷径基础上加上2倍带钢厚度平均值得到本圈卷径值，具体为：

(1)卷取机每旋转一圈产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round：

卷取机传动电机上安装有脉冲编码器，根据其读数可以确定卷取机当前旋转的角度，每当卷取机转到一个固定的角度，则产生一个卷取机定位脉冲，脉冲时长为可编程逻辑控制器(PLC)的一个采样周期，例如为4ms。

(2)在两次卷取机定位脉冲之间，采样带钢厚度值并求取其平均值

在卷取机旋转第n圈的时间内，求和所有采样的带钢厚度值h_s，并求和采样的厚度值个数，相除就得到卷取机旋转第n圈带钢厚度的平均值

(3)每收到一个脉冲信号PU_round，累加带钢厚度计算卷径值D_thick：

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{thick}}\left(n\right)=D_{\mathrm{thick}}(n-1)+2\&times;\stackrel{\&OverBar;}{h_s\left(n\right)}& 1\&le;n\&le;M1\\ D_{\mathrm{thick}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}& \end{array}\right.$

式中，D_thick为累加带钢厚度计算出来的卷径值；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；M1为卷取机旋转的最大圈数；D_ini为卷取机没有卷上钢卷时的初始直径；

2.根据转速、角度测量装置和卷径测量装置得到卷径值，并通过有效性校验后得到同步卷径值D_sync：

按照激光测速仪测量的带钢速度、超声波卷径测量装置测量的卷径值、转向辊脉冲编码器测得的角度和卷取传动电机脉冲编码器测得的角度值可以分别得到三种卷径值，统称为测量卷径，三种卷径值都要通过有效性校验，然后选取其中一种作为同步卷径，具体为：

(1)按照激光测速仪测量的带钢速度计算卷径值D_laser，并求取每一圈的卷径增量ΔD_laser；

$D_{\mathrm{laser}}=\frac{S_s}{\mathrm{\&pi;}\&times;n_{\mathrm{coiler}}/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_laser(n)＝D_laser(n)-D_laser(n-1)

式中，D_laser为按照带钢速度计算得到的卷径值；S_s为带钢速度，由激光测速仪测量信号经平滑处理后得到；n_coiler为卷取机传动电机转速，由传动电机上安装的脉冲编码器测量得到；i_coiler为传动电机和卷取机之间的齿轮比；ΔD_laser为每圈卷径的增量；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；

(2)按照超声波卷径测量装置直接测量得到卷径值D_ulsonic，并求取每一圈的卷径增量ΔD_ulsonic：

ΔD_ulsonic(n)＝D_ulsonic(n)-D_ulsonic(n-1)；

(3)按照转向辊所处的角度计算卷径值D_defl，并求取每一圈的卷径增量ΔD_defl：

$D_{\mathrm{defl}}=\frac{(A_{\mathrm{defl}}-A_{\mathrm{defl}}\left(k\right))\&times;d_{\mathrm{df}}}{(A_{\mathrm{coiler}}-A_{\mathrm{coiler}}\left(k\right))/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_defl(n)＝D_defl(n)-D_defl(n-1)

式中，A_defl为卷取机旋转k～k+1圈之间时，转向辊的角度实际值；A_defl(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的转向辊角度；d_df为转向辊的直径值；A_coiler为卷取机旋转k～k+1圈之间时，卷取电机的角度实际值；A_coiler(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的卷取电机角度值；i_coiler为卷取传动电机和卷取机之间的齿轮比；

(4)统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD；

$A_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;D}$

$S_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a-1}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\mathrm{\&Delta;D}-A_{\mathrm{\&Delta;D}})}^2$

式中，A_ΔD为a圈卷径增量值的平均值；ΔD为三种方式得到的卷径增量值中的一种；S_ΔD为a圈卷径增量值的方差；

(5)校验三种方式得到的卷径值的有效性，并从中选取一个作为同步卷径D_sync：

首先分别判断三种方式的卷径值是否在有效范围内，然后判断三种方式的若干圈卷径增量均值和方差是否在有效范围内，如果某种方式得到的卷径值超出了有效范围，则选取其它方式得到的卷径值。按照测量设备的精度，首选超声波卷径测量装置测得的卷径值D_ulsonic；其次采用激光测速仪测量信号计算的卷径值D_laser；最后采用转向辊转速计算的卷径值D_defl；最终按照上述优先级从三种方式得到的卷径值中选一个作为用于同步的卷径值D_sync；如果三种方式得到的卷径值经检验都是无效的，那么无法进行同步修正，卷取机卷径值由带钢厚度计算值D_thick决定；

3.使用同步卷径值D_sync同步修正带钢厚度计算卷径值D_thick，得到修正后卷径值D_corr：

每收到三次卷取机定位脉冲，产生一个同步脉冲PU_sync，进行一次卷径同步；卷径同步时保存下测量卷径同厚度计算卷径之间的误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差DD_sync，sum；为了使修正后卷径值不发生阶跃变化，使用了斜坡发生器1平滑同步卷径误差DD_ramp(k+1)，最后将平滑后同步卷径误差附加到厚度计算卷径上去得到修正后卷径值D_corr，具体为：

(1)每收到三次脉冲PU_round，产生一个采样周期的同步脉冲PU_sync：

每收到三次卷取机定位脉冲，产生一个同步脉冲，脉冲时长为PLC的一个采样周期，例如为4ms；

(2)每收到一个同步脉冲，计算一次同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差，得到DD_sync，sum：

DD_sync(k)＝D_thick(3k)-D_sync(k)

${\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(i\right)$

式中，DD_sync(k)为收到第k个同步脉冲时计算的同步卷径误差；D_thick(3k)为卷取机旋转第3k圈的厚度计算卷径；D_sync(k)为收到第k个同步脉冲时的同步卷径值；DD_sync，sum(k-1)为收到第k-1个同步脉冲时的同步卷径误差和；

(3)使用第一斜坡发生器平滑同步卷径差，得到第k+1个同步周期内的同步卷径差斜坡值DD_ramp(k+1)：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+\frac{t_{k+1}}{T_{r1}}\&times;{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& 0\&le;t_{k+1}\&le;T_{r1}\\ {\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& T_{r1}<t_{k+1}<T_e(k+1)\end{array}\right.$

式中，t_k+1为第k+1个同步周期内的时刻，卷取机每转三圈所需的时间为一个同步周期，随着卷径越来越大，同步周期也越来越长；T_r1为斜坡发生器时间参数，该参数决定斜坡变化的快慢程度，斜坡时间越长则斜坡变化越慢，反之斜坡变化越快；T_e(k+1)为第k+1个同步周期的时间长度；T_r1＜T_e(k+1)。

第一斜坡发生器的作用就是使得同步卷径误差值从上一同步周期的取值斜坡变化到本同步周期的取值，达到新的取值后保持不变，这样使得卷径误差值平滑变化，避免发生阶跃变化。

(4)计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr：

D_corr(l)＝D_ini+D_thick(l)-DD_ramp(k+1)l＝3k+1，3k+2，3k+3

第k+1个同步周期中卷取机旋转3圈，分别为第3k+1、3k+2和3k+3圈，每一圈的修正后卷径值根据上式计算。

4.使用第二斜坡发生器产生连续的卷径实际值D_act：

根据带钢厚度和卷取机转速计算斜坡发生器2的斜坡时间参数T_r2(n)，然后使用斜坡发生器2产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act，具体为：

4.1、计算卷取机旋转第n圈时斜坡发生器2的斜坡时间参数T_r2(n)：

$T_{r2}\left(n\right)=\frac{i_{\mathrm{coiler}}}{2h_s\left(n\right)\&times;n_{\mathrm{coiler}}\left(n\right)}$

式中，h_s(n)为卷取机旋转第n圈时的带钢厚度实际值，由测厚仪测量得到；n_coiler(n)为卷取机旋转第n圈时的卷取传动电机转速实际值，由卷取电机上的脉冲编码器测量得到；

4.2、使用斜坡发生器2产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{act}}\left(n\right)=D_{\mathrm{corr}}(n-1)+\frac{t_n}{T_{r2}\left(n\right)}\\ D_{\mathrm{act}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}\end{array}\right.$

式中，D_corr(n-1)为卷取机旋转n-1圈时的修正后卷径值；t_n为卷取机旋转第n圈内的时刻；斜坡发生器2使得卷径实际值D_act从n-1圈时的值连续平滑地过渡到第n圈时的值，避免了发生阶跃变化。

经过上述步骤，最终得到连续的卷取机卷径实际值D_act，精确确定的卷径值为高精度卷取机恒张力控制提供了基础。

本发明的精确确定卷取机卷径值的系统如图2所示，在PLC上编程实现，它包括：

卷取机定位脉冲发生装置11，用于在卷取机每旋转到一个固定角度的时侯产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round；采样周期是指PLC控制器的采样周期，例如为4ms；

平均厚度计算机装置12，用于计算卷取机旋转一圈内带钢厚度的平均值

当卷取机旋转一圈的时间内，采样并求和带钢厚度值h_s，同时求和采样的次数，两者相除即得到本圈带钢厚度的平均值

带钢厚度计算卷径值装置13，用于在每接收到一次卷取机定位脉冲时，根据带钢厚度计算一次卷取机卷径值D_thick：

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{thick}}\left(n\right)=D_{\mathrm{thick}}(n-1)+2\&times;\stackrel{\&OverBar;}{h_s\left(n\right)}& 1\&le;n\&le;M1\\ D_{\mathrm{thick}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}& \end{array}\right.$

式中，D_thick为累加带钢厚度计算出来的卷径值；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；M1为卷取机旋转的最大圈数；

为卷取机旋转第n圈带钢厚度的平均值；D_ini为卷取机没有卷上钢卷时的初始直径。

带钢速度计算卷径值装置14，用于根据激光测速仪测量的带钢速度计算卷取机卷径值D_laser：

$D_{\mathrm{laser}}=\frac{S_s}{\mathrm{\&pi;}\&times;n_{\mathrm{coiler}}/i_{\mathrm{coiler}}}$

式中，D_laser为按照带钢速度计算得到的卷径值；S_s为带钢速度，由激光测速仪测量信号经平滑处理后得到；n_coiler为卷取机传动电机转速，由传动电机上安装的脉冲编码器测量得到；i_coiler为传动电机和卷取机之间的齿轮比；

第一采样求差装置15，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_round，采样并保存带钢速度计算卷径值D_laser，并求取相邻两次采样值的差：

ΔD_laser(n)＝D_laser(n)-D_laser(n-1)

式中，n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；

第二采样求差装置16，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_round，采样并保存超声波卷径测量装置测量的卷径值D_ulsonic，并求取相邻两次采样值的差：

ΔD_ulsonic(n)＝D_ulsonic(n)-D_ulsonic(n-1)

转向辊角度计算卷径值装置17，用于根据转向辊所处的角度计算卷径值D_defl：

$D_{\mathrm{defl}}=\frac{(A_{\mathrm{defl}}-A_{\mathrm{defl}}\left(k\right))\&times;d_{\mathrm{df}}}{(A_{\mathrm{coiler}}-A_{\mathrm{coiler}}\left(k\right))/i_{\mathrm{coiler}}}$

式中，A_defl为卷取机旋转k～k+1圈之间时，转向辊的角度实际值；A_defl(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的转向辊角度；d_df为转向辊的直径值；A_coiler为卷取机旋转k～k+1圈之间时，卷取电机的角度实际值；A_coiler(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的卷取电机角度值；e_coiler为卷取传动电机和卷取机之间的齿轮比；

第三采样求差装置18，用于每当接收到一次卷取机定位脉冲PU_rounc，采样并保存转向辊角度计算卷径值D_defl，并求取相邻两次采样值的差：

ΔD_defl(n)＝D_defl(n)-D_defl(n-1)

平均方差计算装置19，用于统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD：

$A_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;D}$

$S_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a-1}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\mathrm{\&Delta;D}-A_{\mathrm{\&Delta;D}})}^2$

式中，A_ΔD为a圈卷径增量值的平均值；ΔD为三种方式得到的卷径增量值中的一种；S_ΔD为a圈卷径增量值的方差；

同步卷径校验选择装置20，用于校验三种方式得到的卷径值并选择其中一种作为同步卷径值D_sync。首先分别判断三种方式的卷径值是否在有效范围内，然后判断三种方式的卷径增量均值和方差是否在有效范围内，如果某种方式得到的卷径值超出了有效范围，则选取其它方式得到的卷径值。按照测量设备的精度，首选超声波卷径测量装置测得的卷径值D_ulsonic；其次采用激光测速仪测量信号计算的卷径值D_laser；最后采用转向辊转速计算的卷径值D_defl；最终按照上述优先级从三种方式得到的卷径值中选一个作为用于同步的卷径值D_sync；如果三种方式得到的卷径值经检验都是无效的，那么无法进行同步修正，卷取机卷径值由带钢厚度计算值D_thick决定；

同步脉冲发生装置21，用于产生同步脉冲PU_sync，每收到三次卷取机定位脉冲PU_round，产生一个采样周期的同步脉冲PU_sync；采样周期是指PLC控制器的采样周期，例如为4ms；

同步卷径误差计算装置22，用于每当接收到同步脉冲PU_sync时，计算同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差值，得到DD_sync，sum：

DD_sync(k)＝D_thick(3k)-D_sync(k)

${\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(i\right)$

式中，DD_sync(k)为收到第k个同步脉冲时计算的同步卷径误差；D_thick(3k)为卷取机旋转第3k圈的厚度计算卷径，由于每转3圈才进行一次卷径同步，所以收到第k个同步脉冲时已经旋转了3k圈；D_sync(k)为收到第k个同步脉冲时的同步卷径值；DD_sync，sum(k-1)为收到第k-1个同步脉冲时的同步卷径误差和。

第一斜坡发生器23，用于平滑同步卷径差，经斜坡处理得到第k+1个同步周期内的同步卷径误差斜坡值DD_ramp(k+1)：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+\frac{t_{k+1}}{T_{r1}}\&times;{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& 0\&le;t_{k+1}\&le;T_{r1}\\ {\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& T_{r1}<t_{k+1}<T_e(k+1)\end{array}\right.$

式中，t_k+1为第k+1个同步周期内的时刻，卷取机每转三圈所需的时间为一个同步周期，随着卷径越来越大，同步周期也越来越长；T_r1为斜坡发生器时间参数，该参数决定斜坡变化的快慢程度，斜坡时间越长则斜坡变化越慢，反之斜坡变化越快；T_e(k+1)为第k+1个同步周期的时间长度；T_r1＜T_e(k+1)。

第一斜坡发生器的作用就是使得同步卷径误差值从上一同步周期的取值斜坡变化到本同步周期的取值，达到新的取值后保持不变，这样使得卷径误差值平滑变化，避免发生阶跃变化。

修正后卷径值计算装置24，用于计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr：

D_corr(l)＝D_ini+D_thick(l)-DD_ramp(k+1)l＝3k+1，3k+2，3k+3

第k+1个同步周期中卷取机旋转3圈，分别为第3k+1、3k+2和3k+3圈，每一圈的修正后卷径值根据上式计算。

斜坡时间计算装置25，用于计算卷取机旋转第n圈时第二斜坡发生器的斜坡时间参数T_r2(n)：

$T_{r2}\left(n\right)=\frac{i_{\mathrm{coiler}}}{2h_s\left(n\right)\&times;n_{\mathrm{coiler}}\left(n\right)}$

式中，h_s(n)为卷取机旋转第n圈时的带钢厚度实际值，由测厚仪测量得到；n_coiler(n)为卷取机旋转第n圈时的卷取传动电机转速实际值，由卷取电机上的脉冲编码器测量得到；

第二斜坡发生器26，用于产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{act}}\left(n\right)=D_{\mathrm{corr}}(n-1)+\frac{t_n}{T_{r2}\left(n\right)}\\ D_{\mathrm{act}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}\end{array}\right.$

式中，D_corr(n-1)为卷取机旋转n-1圈时的修正后卷径值；t_n为卷取机旋转第n圈内的时刻；第二斜坡发生器使得卷径实际值D_act从n-1圈时的值连续平滑地过渡到第n圈时的值，避免了发生阶跃变化。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种精确确定带钢卷取机卷径值的方法，其特征在于，包括：

A、累加带钢厚度得到卷径值D_thick；

B、根据转速、角度测量装置和卷径测量装置得到卷径值，并通过有效性校验后得到同步卷径值D_sync；

C、使用同步卷径值D_sync同步修正带钢厚度计算卷径值D_thick，得到修正后卷径值D_corr；

D、使用第二斜坡发生器根据修正后卷径值D_corr计算产生连续的卷径实际值D_act；

所述步骤A具体包括：

A1、卷取机每旋转一圈产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round；

A2、在两次卷取机定位脉冲之间，采样带钢厚度值并求取其平均值

A3、每收到一个脉冲信号PU_round，累加带钢厚度计算卷径值D_thick：

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_{\mathrm{thick}}\left(n\right)=D_{\mathrm{thick}}(n-1)+2\&times;\stackrel{\&OverBar;}{h_s\left(n\right)}& 1\&le;n\&le;M1\\ D_{\mathrm{thick}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}& \end{array}\right.$

式中，D_thick为累加带钢厚度计算出来的卷径值；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；M1为卷取机旋转的最大圈数；为卷取机旋转第n圈带钢厚度的平均值；D_ini为卷取机没有卷上钢卷时的初始直径。

2.根据权利要求1所述的精确确定带钢卷取机卷径值的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、按照激光测速仪测量的带钢速度计算卷径值D_laser，并求取每一圈的卷径增量ΔD_laser：

$D_{\mathrm{laser}}=\frac{S_s}{\mathrm{\&pi;}\&times;n_{\mathrm{coiler}}/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_laser(n)＝D_laser(n)-D_laser(n-1)

式中，D_laser为按照带钢速度计算得到的卷径值；S_s为带钢速度，由激光测速仪测量信号经平滑处理后得到；n_coiler为卷取机传动电机转速，由传动电机上安装的脉冲编码器测量得到；i_coiler为传动电机和卷取机之间的齿轮比；ΔD_laser为每圈卷径的增量；n表示当前收到的卷取机定位脉冲个数；

B2、按照超声波卷径测量装置直接测量得到卷径值D_ulsonic，并求取每一圈的卷径增量ΔD_ulsonic：

ΔD_ulsonic(n)＝D_ulsonic(n)-D_ulsonic(n-1)；

B3、按照转向辊所处的角度计算卷径值D_defl，并求取每一圈的卷径增量ΔD_defl：

$D_{\mathrm{defl}}=\frac{(A_{\mathrm{defl}}-A_{\mathrm{defl}}\left(k\right))\&times;d_{\mathrm{df}}}{(A_{\mathrm{coiler}}-A_{\mathrm{coiler}}\left(k\right))/i_{\mathrm{coiler}}}$

ΔD_defl(n)＝D_defl(n)-D_defl(n-1)

式中，A_defl为卷取机旋转k～k+1圈之间时，转向辊的角度实际值；A_defl(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的转向辊角度；d_df为转向辊的直径值；A_coiler为卷取机旋转k～k+1圈之间时，卷取电机的角度实际值；A_coiler(k)为收到第k个卷取机定位脉冲时保存的卷取电机角度值；i_coiler为卷取传动电机和卷取机之间的齿轮比；

B4、统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD：

$A_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;D}$

$S_{\mathrm{\&Delta;D}}=\frac{1}{a-1}\underset{i=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\mathrm{\&Delta;D}-A_{\mathrm{\&Delta;D}})}^2$

式中，A_ΔD为a圈卷径增量值的平均值；ΔD为三种方式得到的卷径增量值中的一种；S_ΔD为a圈卷径增量值的方差；

B5、校验三种方式得到的卷径值的有效性，并从中选取一个作为同步卷径D_sync。

3.根据权利要求2所述的精确确定带钢卷取机卷径值的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

C1、每收到三次脉冲PU_round，产生一个采样周期的同步脉冲PU_sync；

C2、每收到一个同步脉冲，计算一次同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差，得到DD_sync,sum：

DD_sync(k)＝D_thick(3k)-D_sync(k)

${\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)=\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(i\right)$

式中，DD_sync(k)为收到第k个同步脉冲时计算的同步卷径误差；D_thick(3k)为卷取机旋转第3k圈的厚度计算卷径；D_sync(k)为收到第k个同步脉冲时的同步卷径值；DD_sync,sum(k-1)为收到第k-1个同步脉冲时的同步卷径误差和；

C3、使用第一斜坡发生器平滑同步卷径差，得到第k+1个同步周期内的同步卷径差斜坡值DD_ramp(k+1)：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+\frac{t_{k+1}}{T_{r1}}\&times;{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& 0\&le;t_{k+1}\&le;T_{r1}\\ {\mathrm{DD}}_{\mathrm{ramp}}(k+1)={\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync},\mathrm{sum}}(k-1)+{\mathrm{DD}}_{\mathrm{sync}}\left(k\right)& T_{r1}<t_{k+1}<T_e(k+1)\end{array}\right.$

式中，t_k+1为第k+1个同步周期内的时刻；T_r1为斜坡发生器时间参数，T_e(k+1)为第k+1个同步周期的时间长度；T_r1＜T_e(k+1)；

C4、计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr：

D_corr(l)＝D_ini+D_thick(l)-DD_ramp(k+1)

其中，l＝3k+1,3k+2,3k+3

第k+1个同步周期中卷取机旋转3圈，分别为第3k+1、3k+2和3k+3圈。

4.根据权利要求3所述的精确确定带钢卷取机卷径值的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

D1、计算卷取机旋转第n圈时第二斜坡发生器的斜坡时间参数T_r2(n)：

$T_{r2}\left(n\right)=\frac{i_{\mathrm{coiler}}}{{2h}_s\left(n\right)\&times;n_{\mathrm{coiler}}\left(n\right)}$

式中，h_s(n)为卷取机旋转第n圈时的带钢厚度实际值；n_coiler(n)为卷取机旋转第n圈时的卷取传动电机转速实际值；

D2、使用第二斜坡发生器产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{act}}\left(n\right)=D_{\mathrm{corr}}(n-1)+\frac{t_n}{T_{r2}\left(n\right)}\\ D_{\mathrm{act}}\left(0\right)=D_{\mathrm{ini}}\end{array}\right.$

式中，D_corr(n-1)为卷取机旋转n-1圈时的修正后卷径值；t_n为卷取机旋转第n圈内的时刻。

5.一种精确确定带钢卷取机卷径值的系统，其特征在于，包括：

卷取机定位脉冲发生装置，用于在卷取机每旋转一圈时产生一个采样周期的卷取机定位脉冲PU_round；

平均厚度计算装置，用于计算卷取机旋转一圈内带钢厚度的平均值

带钢厚度计算卷径值装置，与所述卷取机定位脉冲发生装置连接，用于在每接收到一次卷取机定位脉冲时，根据带钢厚度计算一次卷取机卷径值D_thick(n)；

带钢速度计算卷径值装置，用于根据激光测速仪测量的带钢速度计算卷取机卷径值D_laser；

第一采样求差装置，分别与所述卷取机定位脉冲发生装置和带钢速度计算卷径值装置连接，用于在接收到一次卷取机定位脉冲PU_round时，采样并保存带钢速度计算卷径值D_laser，并求取相邻两次采样值的差；

第二采样求差装置，用于在接收到一次卷取机定位脉冲PU_round时，采样并保存超声波卷径测量装置测量的卷径值D_ulsonic，并求取相邻两次采样值的差；

转向辊角度计算卷径值装置，用于根据转向辊所处的角度计算卷径值D_defl；

第三采样求差装置，用于在接收到一次卷取机定位脉冲PU_round时，采样并保存转向辊角度计算卷径值D_defl，并求取相邻两次采样值的差；

平均方差计算装置，用于统计三种方式得到的卷径增量值的平均值A_ΔD和方差S_ΔD；

同步卷径校验选择装置，用于校验三种方式得到的卷径值并选择其中一种作为同步卷径值D_sync；

同步脉冲发生装置，用于产生同步脉冲PU_sync，每收到三次卷取机定位脉冲PU_round，产生一个采样周期的同步脉冲PU_sync；

同步卷径误差计算装置，用于每当接收到同步脉冲PU_sync时，计算同步卷径误差DD_sync(k)，并求和前面所有的同步卷径误差值，得到DD_sync.sum；

第一斜坡发生器，用于平滑同步卷径差，经斜坡处理得到第k+1个同步周期内的同步卷径误差斜坡值DD_ramp(k+1)；

修正后卷径值计算装置，用于计算第k+1个同步周期内每一圈的修正后卷径值D_corr；

斜坡时间计算装置，用于计算卷取机旋转第n圈时第二斜坡发生器的斜坡时间参数T_r2(n)；

第二斜坡发生器，用于产生卷取机旋转第n圈时的卷径实际值D_act。

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