CN103042042A - 一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法。该方法根据计算或检测得到的相位从离散存取矩阵中读取对应的偏心补偿量对位置设定值进行轧辊偏心补偿；并根据控制期望值、实际输出值及原偏心补偿量对厚度的补偿影响量计算出补偿偏差，经辅助闭环控制器计算出修正偏心补偿量，代替离散存取矩阵中对应相位处的原偏心补偿量，实现对偏心补偿量的滚动优化，从而改善补偿效果，进而提高补偿精度。本发明采集信号均为现代轧机须用检测设备，未增加专用设备，根据厚差自动计算轧辊偏心量及补偿量。相较于常规开环偏心补偿方法，幅值闭环的引入使补偿值根据补偿效果自修正，从而提高了补偿精度。

Description

一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法
技术领域
本发明涉及一种板带轧机厚度控制补偿技术领域，特别是涉及一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法，适用于四、六辊板带轧机。
背景技术
轧辊偏心是一个复杂的辊系运动状态，主要由各个轧辊本身的形状缺陷、轧辊几何轴心与旋转轴心不重合及上、下辊安装相位的对应状态产生的。支撑辊、工作辊及六辊轧机的中间辊共同构成轧机轧辊辊系偏心波动。板带材冷轧厚度自动控制系统即液压AGC的基本原理是根据测量的轧制力和辊缝值，通过计算以调节辊缝来保持出口厚度不变。现代轧机设备中，常使用伺服压下油缸缸位移变化量作为辊缝近似变化量时，由于轧辊偏心的存在，以检测压下油缸位移变化表征的辊缝值不能反映轧辊偏心波动情况，使得AGC不能消除轧辊偏心影响。
进行偏心补偿的方法有三类，预防轧辊偏心控制法、被动轧辊偏心控制法及主动轧辊偏心控制法：预防轧辊偏心控制法在轧制前尽可能创造一些条件以便能减小轧辊偏心对轧件厚度的影响，而在轧制中不采用任何矫正措施；被动轧辊偏心控制法目的是使辊缝控制系统对轧辊偏心引起的厚度干扰反应不敏感，防止控制系统误调节，但不补偿偏心影响；主动轧辊偏心控制法通过轧辊偏心分量检测得出补偿信号然后送到辊缝控制调节器中进行补偿，从而达到较好的效果。
比较有代表性的主动轧辊偏心控制法有：
中国专利公开的《基于单辊分解法偏心特征提取的轧机支撑辊偏心补偿方法；申请号：200910301503.1》，通过将轧机的偏心特征按照上、下支撑辊的辊等效偏心空间进行分解，由利用两滚各自偏心特征向量及转动状态参数，采用线性预测方法合成用于对轧机偏心特征进行实时补偿的数据，从而进行补偿实施。该方法需要实时在线监测轧机两只支撑辊转动状态联合参数的测试分析装置来配合使用，即需要专门检测支撑辊转动周期、即时相位和两辊转动相位差信息。
中国专利公开的《一种基于轧辊旋转角度的偏心补偿方法及其设备；申请号：200910104037.8》，通过对上下支撑辊分别的旋转角度与总偏心量，经计算求解每个轧辊旋转角度对应的偏心量，从而进行轧辊偏心信号的补偿。该方法及设备要精确测量轧辊旋转角度，才能计算准确从而进行有效补偿。
中国专利公开的《基于在线递推参数估计的轧辊偏心补偿方法及其设备；申请号：201010261304.5》，通过离线计算轧辊偏心信号主体分量，并使用递推参数估计在线进行估计偏心信号从而进行补偿。该方法建立在轧机匀速工作基础上，事实上，轧机工作速度是实时变化的，应予以考虑。
现有轧辊偏心补偿的方法基本是提取出偏心信号后进行开环补偿，在投入准确时有一定补偿效果，但由于偏心信号的特点，很难保证偏心量计算的准确，故可能出现补偿效果不明显、甚至会恶化产品厚差精度。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法。该方法根据计算或检测得到的相位从离散存取矩阵中读取对应的偏心补偿量对位置设定值进行轧辊偏心补偿；并根据控制期望值、实际输出值及原偏心补偿量对厚度的补偿影响量计算出补偿偏差，经辅助闭环控制器计算出修正偏心补偿量，代替离散存取矩阵中对应相位处的原偏心补偿量，实现对偏心补偿量的滚动优化，从而改善补偿效果，进而提高补偿精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法，其具体步骤如下：
步骤A：离散周期信号
将轧辊旋转引起的偏心波动信号均分为N部分，每个部分各自独立，以便在后续过程通过控制器分别进行辅助闭环调整；离散划分的段数与控制精度要求及信号采样时间                                                相关，当N较小、划分段较稀疏时，离散后的信号误差较大，能实现的控制精度较低；当N较大、划分段较密时，离散后的信号误差较小，但需要较高的采样频率；根据Shannon采样定理，
Figure 656929DEST_PATH_IMAGE002
时才可以不失真的重构原始信号，故有：
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE003
式中：f e 为轧辊偏心频率。
确定N后，以离散后各段偏心量的均值作为此部分对应偏心量，原始的正弦周期信号离散成为一个
Figure 224308DEST_PATH_IMAGE004
的矩阵，分别代表离散后每部分对应的相位及幅值。对轧辊偏心信号进行离散化时，可通过N与轧辊周长确定每部分长度，由轧辊表面线速度积分计算出当前轧辊对应相位，进而计算出对应相位轧制时偏心量。
步骤B：设置死区DZ
在进行信号离散时会产生误差，且轧制过程中信号难免受噪声干扰；为了避免频繁修正，可在控制精度要求范围内，设置死区DZ，当由板厚差
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE005
及偏心补偿量影响厚度
Figure 899003DEST_PATH_IMAGE006
比较产生的偏心误差
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE007
小于死区时，控制器不进行调整，即保持原补偿量不变，即：
Figure 45557DEST_PATH_IMAGE008
步骤C：构建离散存取矩阵DAM
经离散后的周期信号可以用一个N×2的矩阵来表示，矩阵中每行代表离散后信号的一部分，各部分间相互独立，分别表示着离散后信号的相位与幅值。为实现各部分分别进行闭环修正，创建一个
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE009
维离散存取矩阵DAM，为各自的闭环控制提供存取空间，其中由选取的闭环控制器决定。如使用增量式PI进行计算调节时，需要使用到当前计算误差和上时刻计算误差，故构建一个
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE011
维矩阵，分别存储对应离散后信号的相位
Figure 530076DEST_PATH_IMAGE012
、幅值、偏心补偿量
Figure 742883DEST_PATH_IMAGE014
、当前厚差
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE015
及上时刻此部分对应厚差，即：
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE017
步骤D：实现离散辅助闭环控制
离散辅助闭环控制的要点是：
以控制期望值与实际检测值的厚差和辅助闭环中偏心补偿量对厚度的补偿影响量比较得出的补偿偏差作为反馈调节的依据，从而对原偏心补偿量进行优化。
通过构建的离散存取矩阵，把周期信号离散成为相互独立的部分，从中提取输出补偿量及提供闭环计算相关量，从而实现对优化补偿量的滚动输出。
通过对补偿量的滚动优化，将厚差控制在设定死区范围附近。
由于测厚仪与轧制区之间存在时滞τ，故在辅助闭环控制中，同时包含两个相位量：轧制区相位与检测区相位。其中，轧制区相位指当前时刻轧制区域对应轧辊相位，可通过检测或由轧辊表面线速度、轧辊周长及离散分段数计算得出；检测区相位指测厚仪测量厚度位置对应轧制时刻轧辊相位，由轧制区相位根据时滞τ延时计算得出。
离散辅助闭环控制实现过程包括： 
步骤D1：补偿量输出
根据当前轧制区相位
Figure 549218DEST_PATH_IMAGE018
，从离散存取矩阵中读取此相位
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE019
对应偏心补偿量作为输出量，输出到位置内环输入中，对位置设定值进行补偿修正，从而调节伺服阀阀芯开口，调节伺服缸压下位移变化量，以进行在线轧辊偏心补偿；
步骤D2：补偿量修正
子步骤D2-1：由轧制区相位
Figure 215823DEST_PATH_IMAGE018
及时滞τ，计算出当前检测位置对应轧制时刻轧辊相位
Figure 232320DEST_PATH_IMAGE020
，即检测区相位；
子步骤D2-2：使用检测区相位从离散存取矩阵中读取出其对应的原偏心补偿量
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE021
并计算其对厚度的补偿影响量
Figure 314994DEST_PATH_IMAGE022
；
子步骤D2-3：由实际输出值即测厚仪检测厚度与控制期望值即设定板厚计算出当前的厚差；
子步骤D2-4：将厚差
Figure 20574DEST_PATH_IMAGE005
与补偿影响量比较，得到补偿偏差
Figure 253289DEST_PATH_IMAGE007
，作为闭环调节依据；
子步骤D2-5：根据补偿偏差
Figure 628907DEST_PATH_IMAGE007
，经死区后，由辅助闭环控制器计算出修正偏心补偿量
Figure 2013100380326100002DEST_PATH_IMAGE023
，代替离散存取矩阵中原偏心补偿量
Figure 987207DEST_PATH_IMAGE021
，实现对补偿量的优化；
步骤D1（补偿值输出）和步骤D2（补偿量修正）同时进行，通过调节量修正部分对偏心补偿量进行修正，从而实现对补偿输出量的滚动优化。
离散辅助闭环控制流程如图1所示。将其加入到厚控系统后厚控系统的控制原理图如图2所示。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明采集信号均为现代轧机须用检测设备，未增加专用设备，根据厚差自动计算轧辊偏心量及补偿量；相较于常规开环偏心补偿方法，幅值闭环的引入使补偿值根据补偿效果自修正，从而提高补偿精度。
附图说明
图1为离散辅助闭环控制流程图；
图2为加入离散辅助闭环控制的厚控系统原理图；
图3为轧机及主要元件示意图；
图4为轧制板厚0.87mm的板厚差采样曲线；
图5为轧制板厚0.97mm的板厚差采样曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
实施例
在某1450五机架四/六辊冷连轧机第五机架上进行，该机架为六辊轧机，其结构如图3所示。使用缸位移闭环作为控制内环对辊缝进行调节，使用厚度闭环作为外环保证轧机出口厚度。由于支撑辊直径大，其偏心影响占辊系偏心主要部分，忽略中间辊和工作辊的影响。轧机上、下支撑辊测量直径为1261mm，以计算上支撑辊相位作为辊系偏心相位。轧机最高出口速度可达1260m/min，为偏心补偿实验，轧机出口速度调为360m/min，计算得支撑辊偏心频率约为1.51Hz，系统采样频率为8ms，分别采用常规轧辊偏心补偿与离散辅助闭环进行轧辊偏心补偿。
步骤A：离散周期信号。 
由公式
Figure 397460DEST_PATH_IMAGE003
计算出N最大为41，选取N=40。
步骤B：设置死区。
设置死区为±2μm。
步骤C：构建离散存取矩阵。
控制器选用增量式PI控制器，建立40×5的离散存取矩阵分别存储计算轧辊偏心相位、幅值、偏心补偿量、当前厚差、上时刻厚差，为闭环计算存取数据提供空间，初始偏心补偿量均为零。 
步骤D：实现离散辅助闭环控制。
轧机出口测厚仪距第五机架辊缝距离为1770mm，可根据计算得到的轧制区相位及机架出口速度计算对应检测区相位。通过计算轧制区相位从离散存取矩阵中读取对应补偿量进行补偿，通过计算延时得到的检测区相位及厚差对离散存取矩阵中偏心补偿量进行修正，从而实现对偏心补偿量的滚动优化。
图4为轧制板厚0.87mm的带材（原料带板宽1250mm，板厚3.7mm）在无偏心补偿和有离散辅助闭环偏心补偿轧制时的板厚差采样曲线，图中虚线为投入离散辅助闭环偏心补偿的切换点，每部分选取360m长度上（采样时间60s）采集的数据进行对比，结果见表1。
表1  板厚0.87mm产品厚差分布比率
厚差 无偏心补偿 离散辅助闭环偏心补偿
≤±6μm 98.88% 99.46%
≤±5.5μm 97.94% 99.08%
≤±5μm 97.24% 97.62%
若以98%采样点比率界定产品厚差，则未投入偏心补偿时，产品厚差为±6μm，投入离散辅助闭环偏心补偿时，产品厚差为±5.5μm，产品厚差精度提高0.5μm。
图5为轧制板厚0.97mm的带材（原料带板宽1250mm，板厚3.7mm）在无偏心补偿和有离散辅助闭环偏心补偿轧制时的板厚差采样曲线，图中虚线为去除离散辅助闭环偏心补偿的切换点，每部分选取360m长度上（采样时间60s）采集的数据进行对比，结果见表2。
表2  板厚0.97mm产品厚差分布比率
厚差 无偏心补偿 离散辅助闭环偏心补偿
≤±7.5μm 98.00% 99.44%
≤±7μm 96.37% 99.20%
≤±6.5μm 94.71% 98.61%
≤±6μm 92.83% 97.93%
若以98%采样点比率界定产品厚差，则未投入偏心补偿时，产品厚差为±7.5μm，投入离散辅助闭环偏心补偿时，产品厚差为±6.5μm，产品厚差精度提高约1μm。
实验验证了基于离散辅助闭环的偏心补偿法的有效性。相较于常规开环偏心补偿法，离散辅助闭环可根据厚差与补偿影响量修正离散存取矩阵中对应的原偏心补偿量，实现对补偿量的滚动优化，从而提高补偿的精度，使轧辊偏心补偿的有效性得以保证和提高。

Claims (1)

1.一种基于离散辅助闭环的轧辊偏心补偿方法，其特征是：所述方法具体步骤如下：
步骤A：离散周期信号
将轧辊旋转引起的偏心波动信号均分为N部分，每个部分各自独立，以便在后续过程通过控制器分别进行辅助闭环调整；离散划分的段数与控制精度要求及信号采样时间                                                
Figure 2013100380326100001DEST_PATH_IMAGE001
相关，当N较小、划分段较稀疏时，离散后的信号误差较大，能实现的控制精度较低；当N较大、划分段较密时，离散后的信号误差较小，但需要较高的采样频率；根据Shannon采样定理，
Figure 970499DEST_PATH_IMAGE002
时才可以不失真的重构原始信号，故有：
Figure 2013100380326100001DEST_PATH_IMAGE003
式中：f e ——轧辊偏心频率；
确定N后，以离散后各段偏心量的均值作为此部分对应偏心量，原始的正弦周期信号离散成为一个
Figure 482252DEST_PATH_IMAGE004
的矩阵，分别代表离散后每部分对应的相位及幅值；对轧辊偏心信号进行离散化时，可通过N与轧辊周长确定每部分长度，由轧辊表面线速度积分计算出当前轧辊对应相位，进而计算出对应相位轧制时偏心量；
步骤B：设置死区DZ
在进行信号离散时会产生误差，且轧制过程中信号难免受噪声干扰；为了避免频繁修正，可在控制精度要求范围内，设置死区DZ，当由板厚差
Figure 2013100380326100001DEST_PATH_IMAGE005
及偏心补偿量影响厚度
Figure 914370DEST_PATH_IMAGE006
比较产生的偏心误差
Figure 2013100380326100001DEST_PATH_IMAGE007
小于死区时，控制器不进行调整，即保持原补偿量不变，即：
Figure 867283DEST_PATH_IMAGE008
步骤C：构建离散存取矩阵DAM
经离散后的周期信号可以用一个N×2的矩阵来表示，矩阵中每行代表离散后信号的一部分，各部分间相互独立，分别表示着离散后信号的相位与幅值；为实现各部分分别进行闭环修正，创建一个
Figure 2013100380326100001DEST_PATH_IMAGE009
维离散存取矩阵DAM，为各自的闭环控制提供存取空间，其中
Figure 780182DEST_PATH_IMAGE010
由选取的闭环控制器决定；如使用增量式PI进行计算调节时，需要使用到当前计算误差和上时刻计算误差，故构建一个
Figure DEST_PATH_IMAGE011
维矩阵，分别存储对应离散后信号的相位
Figure 451335DEST_PATH_IMAGE012
、幅值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、偏心补偿量
Figure 749461DEST_PATH_IMAGE014
、当前厚差
Figure DEST_PATH_IMAGE015
及上时刻此部分对应厚差
Figure 822459DEST_PATH_IMAGE016
，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤D：实现离散辅助闭环控制
由于测厚仪与轧制区之间存在时滞
Figure 915049DEST_PATH_IMAGE018
，故在辅助闭环控制中，同时包含两个相位量：轧制区相位
Figure DEST_PATH_IMAGE019
与检测区相位
Figure 138745DEST_PATH_IMAGE020
。其中，轧制区相位指当前时刻轧制区域对应轧辊相位，可通过检测或由轧辊表面线速度、轧辊周长及离散分段数计算得出；检测区相位指测厚仪测量厚度位置对应轧制时刻轧辊相位，由轧制区相位根据时滞
Figure 850349DEST_PATH_IMAGE018
延时计算得出。
离散辅助闭环控制实现过程包括： 
步骤D1：补偿量输出
根据当前轧制区相位
Figure 777853DEST_PATH_IMAGE019
，从离散存取矩阵中读取此相位对应偏心补偿量作为输出量，输出到位置内环输入中，对位置设定值进行补偿修正，从而调节伺服阀阀芯开口，调节伺服缸压下位移变化量，以进行在线轧辊偏心补偿；
步骤D2：补偿量修正
子步骤D2-1：由轧制区相位及时滞
Figure 624773DEST_PATH_IMAGE018
，计算出当前检测位置对应轧制时刻轧辊相位
Figure 936805DEST_PATH_IMAGE020
，即检测区相位；
子步骤D2-2：使用检测区相位
Figure 922079DEST_PATH_IMAGE020
从离散存取矩阵中读取出其对应的原偏心补偿量
Figure 294154DEST_PATH_IMAGE022
并计算其对厚度的补偿影响量
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
子步骤D2-3：由实际输出值即测厚仪检测厚度与控制期望值即设定板厚计算出当前的厚差；
子步骤D2-4：将厚差
Figure 542919DEST_PATH_IMAGE005
与补偿影响量
Figure 447946DEST_PATH_IMAGE023
比较，得到补偿偏差
Figure 990922DEST_PATH_IMAGE007
，作为闭环调节依据；
子步骤D2-5：根据补偿偏差
Figure 345680DEST_PATH_IMAGE007
，经死区后，由辅助闭环控制器计算出修正偏心补偿量
Figure 265095DEST_PATH_IMAGE024
，代替离散存取矩阵中原偏心补偿量
Figure 959381DEST_PATH_IMAGE022
，实现对补偿量的优化；
步骤D1和步骤D2同时进行，通过调节量修正部分对偏心补偿量进行修正，从而实现对补偿输出量的滚动优化。
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