CN103406370A - 基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，确定覆盖带钢的喷嘴个数，对可控喷嘴进行顺序编号；建立冷轧机工作辊的乳化液分段冷却系统的模糊推理规则；对模糊推理规则定义广义输入变量，取广义输入变量对应的模糊集合的模糊隶属函数；利用获得的模糊推理规则和广义输入变量及模糊集合的模糊隶属函数，求取第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量，得到可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型，来进行分段冷却可控喷嘴的流量控制阀在线控制。通过建立板形偏差与当前时刻可控喷嘴的乳化液喷射流量调节量之间的物理关系，得到可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型，实现冷轧机工作辊乳化液分段冷却的精确在线控制。

Description

基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法

技术领域

本发明属于冷轧带钢领域，尤其涉及基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法。

背景技术

冷轧带钢轧制过程中会产生大量热量，这些热量能够导致轧机工作辊产生不均匀的热膨胀，造成工作辊辊身热凸度进而改变辊缝分布，最终使得出口板形具有不均匀分布的高次板形缺陷。常规板形控制手段，如轧辊倾斜、工作辊弯辊、中间辊窜辊等，往往难以消除这些不规则的高次板形缺陷。现代板形控制系统中通常采用乳化液喷射装置喷射乳化液来带走轧制过程中产生的热量，释放工作辊内应力以提高轧辊使用寿命，提高出口板形质量。

乳化液分段冷却的原理是轧辊分段冷却系统借助于对轧辊按区分段喷射冷却液，提供了对沿轧辊辊身长度方向上得热凸度的高精度控制，使轧辊各段上得热凸度发生积极变化，来控制带材相应段上在长度方向的延伸率变化，最终达到改善带钢平直度的目的。然而，冷轧带钢轧制过程中轧辊的温升是一个复杂的物理过程，与诸多因素有关，在对轧辊进行分段冷却时，很难建立起该过程的数学模型；与此同时，乳化液分段冷却的作用机理具有高度非线性、长时间滞后性，传统的预设定型乳化液分段冷却方法很难得到理想的板形控制质量。另一方面，人工智能方法作为解决此类复杂控制问题的有效手段而被广泛应用。在冷轧工作辊的乳化液分段冷却控制领域，已有模糊控制方法成功应用于实际乳化液控制的案例，并且在一定程度上减弱了冷轧带钢产品具有高次板形缺陷的程度。在已有的乳化液分段冷却模糊控制技术中，除了考虑各个喷嘴所覆盖带钢区域的板形偏差因素外，还考虑了板形偏差在时间上的变化。这种传统方法存在一个缺陷：除乳化液分段冷却外，轧机通常具有另外多种板形控制手段，如轧辊倾斜、弯辊、窜辊等；于是，板形偏差在时间上的变化的生成原因不仅仅是由于乳化液的喷射，也就是说它是多种板形控制手段共同作用的结果。由于多种板形控制手段的作用结果之间存在相互耦合关系，这种耦合关系也比较难以解耦，因此单纯利用板形偏差在时间上的变化来指导乳化液分段冷却控制调节量的设计是不合理的。此外，已有乳化液分段冷却模糊控制技术中，所使用的模糊模型为简单的T-S模糊模型，该模型只能对复杂工业系统的局部进行线性化，不能完整的刻画出轧机乳化液分段冷却的物理机理，因此得到的控制效果并不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，以解决传统技术不能完整的刻画出轧机乳化液分段冷却的物理机理而不能进行精确控制的技术问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）依据带钢宽度和轧机上下工作辊分段冷却可控喷嘴布置情况确定覆盖带钢的喷嘴个数，并且沿带钢横向从轧机操作侧到传动侧对可控喷嘴进行顺序编号，依次为1号至m号上工作辊可控喷嘴和对应的1号至m号下工作辊可控喷嘴；

2）人为设定序号相同的上工作辊可控喷嘴和下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量保持一致，令u_i表示当前时刻的第i个上工作辊可控喷嘴或者第i个下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量，统称为第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量；i=1,2,…,m；

建立冷轧机工作辊的乳化液分段冷却系统的模糊推理规则：

IF(Δ_i-d₁)is F₁and(Δ_i-d₂)is F₂,and…,and(Δ_i-d_n)is F_n；

THEN u_i=C_F1+C_F2+…+C_Fn；

其中，Δ_i为第i个喷嘴对应的带钢区域的板形偏差，可由板形目标信号与板形仪板形实时测量信号相减做差得到；n为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的个数，d_j为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的第j个线性变换点，且有j=1,2,…,n；F_j为(Δ_i-d_j)对应的模糊子集，包括正P和负N两个语言值，当F_j为正P时，F_j为P_j，当F_j为负N时，F_j为N_j；C_Fj为F_j对应的输出常数；

根据F_j的取值，得出上述模糊推理规则有2ⁿ条；

3）对于步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则，定义广义输入变量x_ij：

x_ij=Δ_i-d_j；

然后取广义输入变量x_ij对应的模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{P_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}-k_j)}^2}\\ {\mathrm{\μ}}_{N_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}+k_j)}^2}\end{array}\right.,$

式中，k_j为大于等于0的常数；

4）利用步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则和步骤3）中定义的广义输入变量及模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

求取第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量u_i，得到如下可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型：

$u_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{P_j}{e}^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+C_{N_j}{e}^{{-k}_j{x}_{\mathrm{ij}}}}{e^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+e^{-k_j{x}_{\mathrm{ij}}}},$

其中

为F_j为P_j时对应的输出常数，为F_j为N_j时对应的输出常数，e为指数函数；

5）按照步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型来进行分段冷却可控喷嘴的流量控制阀在线控制。

按上述方案，所述的步骤5）具体控制方案为：开启冷轧机入上下工作辊分段冷却可控喷嘴，依据步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型计算m个可控喷嘴的在线调节量，进而对对应编号的上下工作辊可控喷嘴进行流量调节。

本发明的有益效果为：

1、通过先进的模糊双曲模型建模方法建立起了板形偏差与当前时刻可控喷嘴的乳化液喷射流量调节量之间的物理关系，得到准确的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型，实现了冷轧机工作辊乳化液分段冷却的精确在线控制，解决了传统技术不能完整的刻画出轧机乳化液分段冷却的物理机理而不能进行精确控制的技术问题。

2、该方法简易可行，完全满足分段冷却控制系统的实时性要求，可以有效消除冷轧带钢的高次板形偏差，提高产品质量。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程图。

图2为本发明控制方法投入前的板形偏差分布图。

图3为本发明控制方法投入后的板形偏差分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的方法流程图，基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）依据带钢宽度和轧机上下工作辊分段冷却可控喷嘴布置情况确定覆盖带钢的喷嘴个数，并且沿带钢横向从轧机操作侧到传动侧对可控喷嘴进行顺序编号，依次为1号至m号上工作辊可控喷嘴和对应的1号至m号下工作辊可控喷嘴；

2）为了保证上下工作辊温度均匀分布，人为设定序号相同的上工作辊可控喷嘴和下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量保持一致，令u_i表示当前时刻的第i个上工作辊可控喷嘴或者第i个下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量，统称为第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量；i=1,2,…,m；

建立冷轧机工作辊的乳化液分段冷却系统的模糊推理规则：

IF(Δ_i-d₁)is F₁and(Δ_i-d₂)is F₂,and…,and(Δ_i-d_n)is F_n；

THEN u_i=C_F1+C_F2+…+C_Fn；

其中，Δ_i为第i个喷嘴对应的带钢区域的板形偏差，可由板形目标信号与板形仪板形实时测量信号相减做差得到；n为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的个数，d_j为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的第j个线性变换点，且有j=1,2,…,n；F_j为(Δ_i-d_j)对应的模糊子集，包括正P和负N两个语言值，当F_j为正P时，F_j为P_j，当F_j为负N时，F_j为N_j；C_Fj为F_j对应的输出常数；IF中输入变量以及THEN中输出常数项都是可选的，但是输出项C_Fj与输入变量F_j是一一对应的，即如果在IF部分包括F_j，则在THEN部分应包括C_Fj项；相反，如果IF部分不包括F_j，则在THEN部分也不包括C_Fj项；

根据F_j的取值，得出上述模糊推理规则有2ⁿ条；

3）对于步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则，定义广义输入变量x_ij：

x_ij=Δ_i-d_j；

然后取广义输入变量x_ij对应的模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{P_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}-k_j)}^2}\\ {\mathrm{\μ}}_{N_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}+k_j)}^2}\end{array}\right.,$

式中，k_j为大于等于0的常数；

4）利用步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则和步骤3）中定义的广义输入变量及模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和求取第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量u_i，得到如下可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型：

$u_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{P_j}{e}^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+C_{N_j}{e}^{{-k}_j{x}_{\mathrm{ij}}}}{e^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+e^{-k_j{x}_{\mathrm{ij}}}},$

其中

为F_j为P_j时对应的输出常数，

为F_j为N_j时对应的输出常数，e为指数函数；

5）按照步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型来进行分段冷却可控喷嘴的流量控制阀在线控制。本实施例中具体控制方案为：开启冷轧机入上下工作辊分段冷却可控喷嘴，依据步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型计算m个可控喷嘴的在线调节量，进而对对应编号的上下工作辊可控喷嘴进行流量调节。

基于本发明用于单机架可逆冷轧轧机的带钢生产。本发明已在某单机架六辊轧机上成功试验应用。该六辊轧机可轧产品包括普通板、高强钢、部分不锈钢和硅钢等。以其轧制中高牌号硅钢为例该机组的主要技术性能指标和设备参数为：

原料钢卷：高牌号无取向HNGO；

原料厚度：1.8～2.5mm；

产品规格(厚度×宽度)：0.35mm×1250mm；

其它主要技术参数：轧制速度：Max900m/min；轧制压力：Max18000KN；

卷取张力：Max220KN；主电机功率：5500KW；

带钢弹性模量：2.06×10⁵；泊松比：0.3；

本实施例单机架六辊轧机板形调控手段主要有倾辊、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊和中间辊窜辊和乳化液分段冷却。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，因而在线调节的板形控制执行器主要有倾辊、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊三种，剩余高次板形偏差由本发明提出的乳化液分段冷却控制方法来消除。

本实例乳化液分段冷却装置的组成为：在轧机入口和出口处分别设置上下工作辊的冷却梁，冷却梁沿辊身方向分成多段，包括位于轧制线上方入口处的入口上工作辊冷却和清洁喷射梁、入口上工作辊辊缝润滑喷射梁、出口处的出口上工作辊冷却和清洁喷射梁、出口上工作辊辊缝润滑喷射梁；位于轧制线下方入口处的入口下工作辊冷却和清洁喷射梁、入口下工作辊辊缝润滑喷射梁、出口处的出口下工作辊冷却和清洁喷射梁、出口下工作辊辊缝润滑喷射梁。其中所有工作辊冷却和清洁喷射梁靠近工作辊外侧，所有的工作辊辊缝润滑喷射梁靠近工作辊的辊缝处。其中工作辊辊缝润滑喷射梁为基础冷却，工作辊冷却和清洁喷射梁为可控冷却部分。工作梁的每段设置多个喷嘴，喷嘴通过输送乳化液的输送管路接至调节乳化液流量的流量调节阀。

基于上述方法，本实施例的具体实施步骤为：

1）依据带钢宽度和轧机上下工作辊分段冷却可控喷嘴布置情况确定覆盖带钢的喷嘴个数，并且沿带钢横向从轧机操作侧到传动侧对可控喷嘴进行顺序编号，依次为上工作辊对应的1号至20号可控喷嘴和下工作辊对应的1号至20号可控喷嘴。

2）为了保证上下工作辊温度均匀分布，人为设定序号相同的上工作辊可控喷嘴和下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量保持一致，令u_i表示当前时刻的上工作辊第i个可控喷嘴或者下工作辊第i个可控喷嘴的喷射流量调节量，统称为第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量；i=1,…,20；

由此建立冷轧机工作辊的乳化液分段冷却系统的模糊推理规则：

IF(Δ_i-d₁)is F₁and(Δ_i-d₂)is F₂,and…,and(Δ_i-d₈)is F_n；

THEN u_i=C_F1+C_F2+…+C_F8；

其中Δ_i为第i个喷嘴对应的带钢区域的板形偏差，可由板形目标信号与板形仪板形实时测量信号相减做差得到；本实施例模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的个数为8个，d_j为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的第j个线性变换点，且有j=1,2,…,8；F_j为(Δ_i-d_j)对应的模糊子集，包括正P和负N两个语言值，当F_j为正P时，F_j为P_j,当F_j为负N时，F_j为N_j；C_Fj为F_j对应的输出常数，IF中输入变量以及THEN中输出常数项都是可选的，但是输出项C_Fj与输入变量F_j是一一对应的，即如果在IF部分包括F_j，则在THEN部分应包括C_Fj项；相反，如果IF部分不包括F_j，则在THEN部分也不包括C_Fj项。

3）对于步骤2）中获得的2⁸条模糊推理规则，定义广义输入变量：

x_ij=Δ_i-d_j；

然后取广义输入变量x_ij对应的模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{P_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}-k_j)}^2}\\ {\mathrm{\μ}}_{N_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}+k_j)}^2}\end{array}\right.$

式中，k_j为大于等于0的常数。

4）利用步骤2）中获得的2⁸条模糊推理规则和步骤3）中定义的广义输入变量及模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和求取第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量u_i，得到如下可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型：

$u_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{P_j}{e}^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+C_{N_j}{e}^{{-k}_j{x}_{\mathrm{ij}}}}{e^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+e^{-k_j{x}_{\mathrm{ij}}}};$

其中

为F_j为P_j时对应的输出常数，根据经验取值；

为F_j为N_j时对应的输出常数，通常根据经验取值；e为指数函数。

5）按照步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型来进行分段冷却可控喷嘴的流量控制阀在线控制，具体实施步骤为：开启冷轧机入上下工作辊分段冷却可控喷嘴，依据步骤4）中得到的喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型计算20个可控喷嘴的在线调节量，进而对冷轧机入上下工作辊分段冷却可控喷嘴进行流量调节。

图2给出了本发明控制方法投入运行前的冷轧带钢产品出口板形偏差分布情况，此时采用传统方法进行工作辊乳化液分段冷却控制。由图2可以看出，沿带钢横向存在非对称的不规则带钢缺陷，影响了产品的美观和质量；这也说明了传统方法没有很好的解决由于乳化液喷射冷却作用机理存在较长时间滞后现象而不能精确控制的技术问题。图3给出了本发明控制方法投入运行后的冷轧带钢产品出口板形偏差分布情况。由图3可以看出，本发明所述方法有效消除了高次板形偏差，大大改善了带钢产品出口板形，提高了带材的板形质量。

以上实施例仅用于说明本发明的技术思想和特点，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。本发明的专利范围不限于上述实施例，凡依据本发明所揭示的原理、设计思想所做的等同变化或修饰，均在本发明的专利范围之内。

Claims (2)

1.基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）依据带钢宽度和轧机上下工作辊分段冷却可控喷嘴布置情况确定覆盖带钢的喷嘴个数，并且沿带钢横向从轧机操作侧到传动侧对可控喷嘴进行顺序编号，依次为1号至m号上工作辊可控喷嘴和对应的1号至m号下工作辊可控喷嘴；

2）人为设定序号相同的上工作辊可控喷嘴和下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量保持一致，令u_i表示当前时刻的第i个上工作辊可控喷嘴或者第i个下工作辊可控喷嘴的喷射流量调节量，统称为第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量；i=1,2,…,m；

建立冷轧机工作辊的乳化液分段冷却系统的模糊推理规则：

IF(Δ_i-d₁)is F₁and(Δ_i-d₂)is F₂,and…,and(Δ_i-d_n)is F_n；

THEN u_i=C_F1+C_F2+…+C_Fn；

其中，Δ_i为第i个喷嘴对应的带钢区域的板形偏差，可由板形目标信号与板形仪板形实时测量信号相减做差得到；n为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的个数，d_j为模糊推理规则中对Δ_i进行线性变换的第j个线性变换点，且有j=1,2,…,n；F_j为(Δ_i-d_j)对应的模糊子集，包括正P和负N两个语言值，当F_j为正P时，F_j为P_j，当F_j为负N时，F_j为N_j；C_Fj为F_j对应的输出常数；

根据F_j的取值，得出上述模糊推理规则有2ⁿ条；

3）对于步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则，定义广义输入变量x_ij：

x_ij=Δ_i-d_j；

然后取广义输入变量x_ij对应的模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{P_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}-k_j)}^2}\\ {\mathrm{\μ}}_{N_j}\left(x_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-\frac{1}{2}{(x_{\mathrm{ij}}+k_j)}^2}\end{array}\right.,$

式中，k_j为大于等于0的常数；

4）利用步骤2）中获得的2ⁿ条模糊推理规则和步骤3）中定义的广义输入变量及模糊集合P_j和N_j的模糊隶属函数分别为

和

求取第i个喷嘴在当前时刻的喷射流量调节量u_i，得到如下可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型：

$u_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{P_j}{e}^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+C_{N_j}{e}^{{-k}_j{x}_{\mathrm{ij}}}}{e^{k_j{x}_{\mathrm{ij}}}+e^{-k_j{x}_{\mathrm{ij}}}},$

其中

为F_j为P_j时对应的输出常数，为F_j为N_j时对应的输出常数，e为指数函数；

5）按照步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型来进行分段冷却可控喷嘴的流量控制阀在线控制。

2.根据权利要求1所述的基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，其特征在于：所述的步骤5）具体控制方案为：开启冷轧机入上下工作辊分段冷却可控喷嘴，依据步骤4）中得到的可控喷嘴乳化液喷射流量调节量计算模型计算m个可控喷嘴的在线调节量，进而对对应编号的上下工作辊可控喷嘴进行流量调节。

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