CN103551395A - 一种多机架轧机的机架间张力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机架轧机的机架间张力的控制方法，其包括A、测量并计算得到张力总和实际值，B、根据带钢定位信号、速度值、轧制力值和张力值确定各阶段控制器的使能信号，C、计算穿带或甩尾模式下张力控制的传动速度调节量，D、计算并选择总的张力控制调节量发送至下游机架。本发明多机架轧机的机架间张力的控制方法将轧制过程细分为多个阶段，并针对每个阶段采用不一样的控制器，可在整个轧制过程中取得很好的张力控制效果，减小机架间的张力波动，使张力稳定在设定值范围内；在张力反馈通道中加入了带阻滤波器，既可减小干扰，还可减小张力控制中的振荡趋势。

Description

一种多机架轧机的机架间张力的控制方法

技术领域

本发明涉及用于冷连轧机或多机架平整机的机架间张力控制方法，特别是一种除了末机架以外的其它机架的机架间张力的控制方法。

背景技术

在冷连轧机或带轧制功能的多机架平整机中，是通过被轧制的带钢将整条生产线连成一个整体，构成张力轧制的工艺过程。因此，轧制张力是轧机生产过程中非常重要而且必须严格控制的参数。它不仅影响轧制工艺条件，影响产品厚度精度与板形质量，甚至能使整个轧制过程变得不稳定。

现代冷连轧机机组一般都在机架间及入口、出口区域内都安装张力辊，以检测带钢实际张力，根据检测到的张力实际值，可以进行反馈闭环控制。目前较先进的引进机组上，采用的张力控制策略主要分为两个部分：1）以保证带钢目标厚度为前提的正常张力控制方法，主要通过调节下游机架的液压辊缝来完成；2）以防止断带保证稳定轧制为前提的安全张力控制，主要通过调节相邻机架间的速度比来完成。如果张力波动的范围超出了正常张力控制的控制范围，则激活安全张力控制。这种方法存在控制死区，当轧制力超出最大或最小轧制力限制范围，则正常张力控制方法不进行调节，此时段内张力将不能维持恒定，而是在一个死区范围内波动，直到轧制力重新回到限制范围内，正常张力控制重新开始起作用。

上述机架间张力控制方法在稳速轧制时能取得较好的控制效果，但在升降速过程和穿带、甩尾过程中张力波动稍大，而且如前所述，存在控制死区。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多机架轧机的机架间张力控制方法，可减小机架间张力的波动，使张力稳定在设定值范围内。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多机架轧机的机架间张力的控制方法，其包括

A、测量并计算得到张力总和实际值，

B、根据带钢定位信号、速度值、轧制力值和张力值确定各阶段控制器的使能信号，

C、计算穿带或甩尾模式下张力控制的传动速度调节量，

D、计算并选择总的张力控制调节量发送至下游机架。

作为优选方案，步骤A包括：

A1、两个机架间的张力辊的传动侧和操作侧各设有一个测力元件，将张力辊传动侧和操作侧的各测力元件的测量值相加得到测量值总和T_sum,measure；

A2、确定张力辊同轧机辊缝之间的水平距离L_hor和张力辊同轧制线的垂直距离L_ver，根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{ver}}}{L_{\mathrm{hor}}}\right)$ 和 $T_{\mathrm{sum},\mathrm{wac}}=T_{\mathrm{sum},\mathrm{measure}}/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$ 计算出经包角θ补偿后的张力总和值T_sum,wac；

A3、使用带阻滤波器过滤掉张力实际值中的前机架工作辊转动频率F_wr信号，根据公式F_wr=S_set/[(D_uwr+D_lwr)×0.5×π]和T_sum,act=BSF(T_sum,wac,F_wr)得到张力总和实际值T_sum,act，

其中，S_set为前机架线速度设定值，D_uwr和D_lwr分别为前机架上工作辊和下工作辊的直径，BSF表示带阻滤波器，共有两个参数，前一个参数为需滤波的信号，后一个参数为带阻滤波器的阻断频率。

作为优选方案，步骤B包括：

B1、带钢穿带模式下，带钢速度设定值为穿带速度，张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1；等带头穿过所有机架并卷在卷取机上以后，带钢速度实际值大于穿带速度，则EN_s,p=0；

B2、带钢甩尾模式下，带钢速度设定值为甩尾速度，张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1；等带尾穿过所有机架，轧制力变为0以后，则EN_s,p=0；

B3、带钢穿带或甩尾模式下，穿带或甩尾时张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1且张力总和实际值大于张力总和设定值的50%时，穿带或甩尾时张力控制的积分控制器使能信号EN_s,i=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_s,i=0；

B4、带钢正常轧制时，带钢速度实际值大于穿带速度且张力测量无故障，则正常轧制时张力控制的比例积分控制器使能信号EN_g,pi=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_g,pi=0。

作为优选方案，步骤C包括：

C1、根据公式A_s,p=(T_sum,set-T_sum,act)×K_s,p/C_s计算比例部分速度调节量A_s,p，其中T_sum,set为张力总和设定值，K_s,p为比例控制器的比例系数，C_s为速度自适应系数；

C2、根据公式 $A_{s,i}\left(n\right)=A_{s,i}(n-1)+\frac{t_a}{t_{s,i}}\×A_{s,p}\left(n\right)\×C_s$ 计算积分部分速度调节量A_s,i，其中，n表示当前采样时刻，n-1表示上一采样时刻，t_a为采样周期，t_s,i为积分控制器的积分时间参数；

C3、根据公式 $A_{s,\mathrm{pi}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,p}+A_{s,i}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=1\\ A_{s,p}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=0\end{array}\right.$ 计算传动速度调节量A_s,pi。

作为优选方案，步骤D包括：

D1、根据以下公式计算比例积分控制器的辊缝调节量A_g,pi，

ΔT_sum(n)=T_sum,set(n)-T_sum,act(n)，

$A_{g,\mathrm{pi}}\left(n\right)=A_{g,\mathrm{pi}}(n-1)+K_{g,p}\×[(1+\frac{t_a}{t_{g,i}})\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}(n-1)],$ 其中，ΔT_sum为张力总和的误差，K_g,p为比例积分控制器的比例参数，t_g,i为比例积分控制器的积分时间参数；

D2、根据公式 $A_{\mathrm{tc}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\\ A_{g,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=1\\ 0.0& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\end{array}\right.,$ 选择总的张力控制调节量A_tc，通往下游机架。

作为优选方案，在穿带或甩尾模式下，辊缝为闭合控制。

作为优选方案，在步骤A2中，张力辊同轧制线的垂直距离L_ver＞0。

作为优选方案，所述穿带速度与所述甩尾速度大小相同。

作为优选方案，速度自适应系数C_s的取值范围为1.0～10.0。

本发明达到的技术效果如下：

1、本发明将轧制过程分为穿带或甩尾阶段以及正常轧制阶段，两个阶段下采用不同的调节量，且将穿带或甩尾阶段进一步细分为无张力阶段和张力初步建立起来的阶段。在无张力阶段仅采用比例控制器以提高响应速度；而在张力初步建立起来以后，再投入积分控制器以保证最终的控制精度。将轧制过程细分为多种阶段并采用不一样的控制方法可确保整个轧制过程中的张力控制性能达到最优。

2、本发明在张力反馈通道中加入了带阻滤波器，可过滤掉工作辊转动对张力测量信号的周期干扰信号，还可避免张力控制的频率接近机械传动的频率造成共振，减小了控制中的振荡趋势。

附图说明

图1为本发明多机架轧机的机架间张力的控制方法的示意图；

图2为本发明多机架轧机的机架间张力的控制方法的流程图。

【符号说明】

1 前机架上工作辊

2 前机架下工作辊

3 带钢

4 张力辊

5 比例控制器

6 积分控制器

7 比例积分控制器

8 选择环节。

具体实施方式

如图1所示为本发明多机架轧机的机架间张力的控制方法的示意图，其中，带钢3在两个机架间轧制，轧制方向从左向右。

如图1和图2所示，本发明多机架轧机的机架间张力控制方法包括如下步骤：

步骤100、测量并计算得到张力总和实际值。

具体包括：

步骤101、两个机架间的张力辊4的传动侧和操作侧各设有一个测力元件，将张力辊传动侧和操作侧的各测力元件的测量值相加得到测量值总和T_sum,measure。

步骤102、确定张力辊同轧机辊缝之间的水平距离L_hor和张力辊同轧制线的垂直距离L_ver，根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{ver}}}{L_{\mathrm{hor}}}\right)$ 和 $T_{\mathrm{sum},\mathrm{wac}}=T_{\mathrm{sum},\mathrm{measure}}/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$ 计算出经包角θ补偿后的张力总和值T_sum,wac。

其中，张力辊同轧制线的垂直距离L_ver＞0，那么带钢的前进方向同水平方向就会有一个夹角，这个角度称为带钢同张力辊之间的包角θ。机架间张力的方向是平行于带钢前进方向的，而张力辊4的测力元件测得的力是张力在垂直方向上的分力，因此需要按照下述公式转换得到经包角补偿后的张力总和值T_sum,wac：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{ver}}}{L_{\mathrm{hor}}}\right),$

T_sum,wac=T_sum,measure/sin(θ)。

步骤103、使用带阻滤波器过滤掉张力实际值中的前机架工作辊转动频率F_wr信号，根据公式F_wr=S_set/[(D_uwr+D_lwr)×0.5×π]和T_sum,act=BSF(T_sum,wac,F_wr)得到张力总和实际值T_sum,act。

其中，S_set为前机架线速度设定值，D_uwr和D_lwr分别为前机架上工作辊1和下工作辊2的直径，BSF表示带阻滤波器，共有两个参数，前一个参数为需滤波的信号，后一个参数为带阻滤波器的阻断频率。

张力实际值信号中包含有前机架工作辊转动造成的周期扰动信号，需要使用带阻滤波器过滤掉这部分干扰信号，阻断频率为工作辊转动频率F_wr，可根据工作辊直径和线速度设定值计算得到。

本发明在张力反馈通道中加入带阻滤波器，可过滤掉工作辊转动对张力测量信号的周期干扰信号，从而可避免张力控制的频率接近机械传动的频率造成共振，减小控制中的振荡趋势。

步骤200、根据带钢定位信号、速度值、轧制力值和张力值确定各阶段控制器的使能信号。

一卷带钢轧制过程可分为几个阶段，首先是穿带阶段（从带头到达第一个机架前直到带头通过所有机架并卷在卷取机上的这一段过程），带钢头部低速穿过轧机或平整机机架，带头通过机架时辊缝下压提供一定的轧制力，穿带张力也建立起来；然后开始升速直至稳定轧制速度，进入稳定轧制阶段，正常轧制的张力建立起来；最后是甩尾阶段（从带尾到达第一个机架前直到带尾通过所有机架后的这一段过程），需要降速至甩尾速度，带尾低速穿过轧机或平整机机架。在不同的阶段需要采用不同的张力控制器，使用使能信号来控制这些控制器的动作，具体包括：

步骤201、带钢穿带模式下，带钢速度设定值为穿带速度，张力控制的比例控制器5使能信号EN_s,p=1；等带头穿过所有机架并卷在卷取机上以后，带钢开始升速直到速度实际值大于了穿带速度，则EN_s,p=0。

步骤202、带钢甩尾模式下，带钢速度设定值为甩尾速度，张力控制的比例控制器5使能信号EN_s,p=1；等带尾穿过所有机架，轧制力变为0以后，则EN_s,p=0。

一般情况下，所述穿带速度与所述甩尾速度大小相同。

步骤203、带钢穿带或甩尾模式下，穿带或甩尾时张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1且张力总和实际值大于张力总和设定值的50%时，穿带或甩尾时张力控制的积分控制器6使能信号EN_s,i=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_s,i=0。

步骤204、带钢正常轧制时，带钢速度实际值大于穿带速度且张力测量无故障，则正常轧制时张力控制的比例积分控制器7使能信号EN_g,pi=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_g,pi=0。

步骤300、计算穿带或甩尾模式下张力控制的传动速度调节量。

将张力总和误差值分别通入比例控制器5和积分控制器6，计算出比例部分速度调节量A_s,p和积分部分速度调节量A_s,i，然后根据使能信号取值情况通过选择环节8选择得到传动速度调节量A_s,pi，具体为：

步骤301、根据以下公式计算比例部分速度调节量A_s,p。

A_s,p=(T_sum,set-T_sum,act)×K_s,p/C_s，

其中，T_sum,set为张力总和设定值，K_s,p为比例控制器的比例系数，C_s为速度自适应系数，该系数跟随后机架线速度设定值变化而变化，后机架线速度设定值变大时该系数也随之增大，取值范围在1.0～10.0之间。

步骤302、根据以下公式计算积分部分速度调节量A_s,i。

$A_{s,i}\left(n\right)=A_{s,i}(n-1)+\frac{t_a}{t_{s,i}}\×A_{s,p}\left(n\right)\×C_s,$

其中，n表示当前采样时刻，n-1表示上一采样时刻，t_s,i为积分控制器的积分时间参数，t_a为采样周期，根据PLC控制器设置而定，在本实施例中t_a=4ms。

步骤303、根据以下公式及使能信号计算传动速度调节量A_s,pi。

$A_{s,\mathrm{pi}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,p}+A_{s,i}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=1\\ A_{s,p}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=0\end{array}\right..$

在穿带初期，张力还未建立起来，此时EN_s,p=1,EN_s,i=0，仅使用比例控制器5，以提高张力控制的响应速度；而当带头穿过机架，张力实际值达到设定值50%以上，则表示张力基本建立起来，此时EN_s,p=1,EN_s,i=1，再投入积分控制器6以确保张力控制没有静差。

步骤400、计算并选择总的张力控制调节量发送至下游机架。

在正常轧制时，使用比例积分控制器7计算出张力控制的辊缝调节量A_g,pi，最后由选择环节8根据使能信号的取值选择总的张力控制调节量A_tc，具体为：

步骤401、根据以下公式计算比例积分控制器的辊缝调节量A_g,pi。

ΔT_sum(n)=T_sum,set(n)-T_sum,act(n)，

$A_{g,\mathrm{pi}}\left(n\right)=A_{g,\mathrm{pi}}(n-1)+K_{g,p}\×[(1+\frac{t_a}{t_{g,i}})\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}(n-1)],$

其中，ΔT_sum为张力总和的误差，K_g,p为比例积分控制器的比例参数，t_g,i为比例积分控制器的积分时间参数。

此外，在穿带或甩尾模式下，辊缝为闭合控制，可以提高带钢的成材率。

步骤402、根据以下公式及使能信号选择总的张力控制调节量A_tc，通往下游机架：

$A_{\mathrm{tc}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\\ A_{g,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=1\\ 0.0& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\end{array}\right.$

总的来说，在机组刚刚启动或即将轧制完一卷钢的时候，带头还没有到达机架前或带尾已经穿过了机架后，此时EN_s,p=0,EN_g,pi=0，张力控制不投入，速度调节量为0；等带头到达机架前或带尾到达机架前，进入穿带或甩尾模式，此时EN_s,p=1,EN_g,pi=0，将计算出来的传动速度调节量A_s,pi作为附加的速度设定值通往两个机架中后一机架的传动控制程序；穿带完成后且还未开始甩尾，进入正常轧制模式，此时EN_s,p=0,EN_g,pi=1，将计算出来的辊缝调节量A_g,pi作为附加的辊缝设定值通往两个机架中后一机架的液压辊缝控制程序，这样即可完成机架间的张力控制。

本发明将轧制过程分为穿带或甩尾阶段以及正常轧制阶段，两个阶段下采用不同的调节量，且将穿带或甩尾阶段进一步细分为无张力阶段和张力初步建立起来的阶段。在无张力阶段仅采用比例控制器以提高响应速度；而在张力初步建立起来以后，再投入积分控制器以保证最终的控制精度。将轧制过程细分为多种阶段并采用不一样的控制方法可确保整个轧制过程中的张力控制性能达到最优。从而可减小在升降速过程中以及穿带、甩尾过程中机架间的张力波动，使张力稳定在设定值范围内。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，其包括：

A、测量并计算得到张力总和实际值，

B、根据带钢定位信号、速度值、轧制力值和张力值确定各阶段控制器的使能信号，

C、计算穿带或甩尾模式下张力控制的传动速度调节量，

D、计算并选择总的张力控制调节量发送至下游机架。

2.根据权利要求1所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，步骤A包括：

A1、两个机架间的张力辊的传动侧和操作侧各设有一个测力元件，将张力辊传动侧和操作侧的各测力元件的测量值相加得到测量值总和T_sum,measure；

A2、确定张力辊同轧机辊缝之间的水平距离L_hor和张力辊同轧制线的垂直距离L_ver，根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{ver}}}{L_{\mathrm{hor}}}\right)$ 和 $T_{\mathrm{sum},\mathrm{wac}}=T_{\mathrm{sum},\mathrm{measure}}/\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$ 计算出经包角θ补偿后的张力总和值T_sum,wac；

A3、使用带阻滤波器过滤掉张力实际值中的前机架工作辊转动频率F_wr信号，根据公式F_wr=S_set/[(D_uwr+D_lwr)×0.5×π]和T_sum,act=BSF(T_sum,wac,F_wr)得到张力总和实际值T_sum,act，

其中，S_set为前机架线速度设定值，D_uwr和D_lwr分别为前机架上工作辊和下工作辊的直径，BSF表示带阻滤波器，共有两个参数，前一个参数为需滤波的信号，后一个参数为带阻滤波器的阻断频率。

3.根据权利要求1所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，步骤B包括：

B1、带钢穿带模式下，带钢速度设定值为穿带速度，张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1；等带头穿过所有机架并卷在卷取机上以后，带钢速度实际值大于穿带速度，则EN_s,p=0；

B2、带钢甩尾模式下，带钢速度设定值为甩尾速度，张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1；等带尾穿过所有机架，轧制力变为0以后，则EN_s,p=0；

B3、带钢穿带或甩尾模式下，穿带或甩尾时张力控制的比例控制器使能信号EN_s,p=1且张力总和实际值大于张力总和设定值的50%时，穿带或甩尾时张力控制的积分控制器使能信号EN_s,i=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_s,i=0；

B4、带钢正常轧制时，带钢速度实际值大于穿带速度且张力测量无故障，则正常轧制时张力控制的比例积分控制器使能信号EN_g,pi=1；若前述两个条件中任一为0，则EN_g,pi=0。

4.根据权利要求3所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，步骤C包括：

C1、根据公式A_s,p=(T_sum,set-T_sum,act)×K_s,p/C_s计算比例部分速度调节量A_s,p，其中T_sum,set为张力总和设定值，K_s,p为比例控制器的比例系数，C_s为速度自适应系数；

C2、根据公式 $A_{s,i}\left(n\right)=A_{s,i}(n-1)+\frac{t_a}{t_{s,i}}\×A_{s,p}\left(n\right)\×C_s$ 计算积分部分速度调节量A_s,i，其中，n表示当前采样时刻，n-1表示上一采样时刻，t_a为采样周期，t_s,i为积分控制器的积分时间参数；

C3、根据公式 $A_{s,\mathrm{pi}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,p}+A_{s,i}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=1\\ A_{s,p}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{s,i}=0\end{array}\right.$ 计算传动速度调节量A_s,pi。

5.根据权利要求4所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，步骤D包括：

D1、根据以下公式计算比例积分控制器的辊缝调节量A_g,pi，

ΔT_sum(n)=T_sum,set(n)-T_sum,act(n)，

$A_{g,\mathrm{pi}}\left(n\right)=A_{g,\mathrm{pi}}(n-1)+K_{g,p}\×[(1+\frac{t_a}{t_{g,i}})\×\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sum}}(n-1)],$ 其中，ΔT_sum为张力总和的误差，K_g,p为比例积分控制器的比例参数，t_g,i为比例积分控制器的积分时间参数；

D2、根据公式 $A_{\mathrm{tc}}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{s,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=1,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\\ A_{g,\mathrm{pi}}& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=1\\ 0.0& {\mathrm{EN}}_{s,p}=0,{\mathrm{EN}}_{g,\mathrm{pi}}=0\end{array}\right.,$ 选择总的张力控制调节量A_tc，通往下游机架。

6.根据权利要求5所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，在穿带或甩尾模式下，辊缝为闭合控制。

7.根据权利要求2所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，在步骤A2中，张力辊同轧制线的垂直距离L_ver＞0。

8.根据权利要求3所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，所述穿带速度与所述甩尾速度大小相同。

9.根据权利要求4所述的多机架轧机的机架间张力的控制方法，其特征在于，速度自适应系数C_s的取值范围为1.0～10.0。

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