CN103861875B - 冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法，该方法包括：轧制工艺冷却流量计算；板形分段冷却控制流量计算；基本冷却与分段冷却的组合优化控制。本发明提出了冷轧机工艺冷却控制与板形分段冷却控制的各自所需的乳化液流量的计算模型。通过乳化液冷却流量偏差计算出所对应的附加板形偏差量，用于补偿冷轧过程中基本冷却功能与板形控制分段冷却功能二者对不同乳化液流量喷射的工艺要求。进而实现了二种不同工艺功能对冷却流量的优化控制，实现了冷轧过程工艺基本冷却与板形分段冷却之间的组合优化控制，在保证稳定轧制所需的冷却流量前提下，满足了带钢板形质量的良好控制。

Description

冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法

技术领域

本发明属于轧制过程自动化领域，适用于冷轧机工艺冷却控制系统以及带钢板形分段冷却控制系统，特别是冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法。

背景技术

工艺冷却是带钢冷轧过程的一个重要特征，因为轧制过程中将产生大量的摩擦功和变形热。工艺冷却的基本功能是将配有轧制工艺所需浓度的乳化液在一定流量和压力的条件下，喷射到轧辊和带钢上，保证轧制过程中轧辊和带钢的工作温度，同时降低摩擦产生的轧制力能消耗。因此，保证基本的轧制冷却所需的乳化液喷射量是带钢轧制过程正常进行的前提条件。另一方面，随着汽车、家电用户对冷轧带钢板形质量要求的提高，通过乳化液的分段冷却改变轧辊热凸度进行带钢板形控制已成为冷轧机重要的产品质量控制手段。冷轧生产过程中，工艺冷却润滑与板形分段冷却是二种不同目的的控制过程，但使用同样的乳化液和喷射设备。乳化液喷射冷却控制系统具有二方面的功能。一方面是保证轧制过程中不会因为变形功和摩擦热而引起轧辊和带钢温度超出工艺冷却许可要求，以保证轧制过程稳定进行。另一方面通过分段冷却控制保证带钢板形精度达到质量要求。这二方面冷却工艺控制所需的冷却喷射量通过不同的方式计算获得。

在实际生产轧制过程中，有时工艺冷却与分段冷却所需的乳化液喷射量存在矛盾。单独采用分段冷却所需喷射量进行控制时，如果冷却量小于工艺冷却所需的最小冷却量，会发生由于冷却流量过少造成工艺冷却能力不足，引起轧辊和带钢“热划伤”缺陷。反过来，如果工艺冷却流量太大，分段冷却控制效果无法体现，会造成带钢板形高次偏差无法有效控制，引起带钢板形质量缺陷。

查阅现有同类技术，以下公开的技术资料与本发明相关：

（1）王训宏等，发表在《轧钢》200825(3)的“冷轧机组不对称高次浪形的控制”。

本文介绍了冷轧机组不对称高次浪形的控制技术,以及轧辊精细冷却的组成、特点和控制要求。

（2）甄永富等，发表在《天津冶金》2012年2期的“冷轧机轧制生成热对板形的影响及应对策略”。本文分析了冷轧机轧制过程中的热交换过程及其对板形的影响,提出了优化工作机制、倾斜控制、弯辊控制、冷却控制等板形控制方法,有效地改善了冷轧产品的板形质量.针对轧辊产生不对称热膨胀时的板形控制进行了分析,对薄带产品的板形控制具有一定指导意义。

（3）曹忠华等，发表在《鞍钢技术》2010年6期的“冷轧机板形分段冷却控制系统分析”。本文对鞍钢1250mm单机架冷轧机带钢分段冷却控制系统进行了分析,介绍了该分段冷却控制系统设备组成和控制策略,并对边部手动干预时总冷却量补偿方法进行了分析。

（4）专利公开（公告）号：CN103203376，公开了一种冷轧带钢乳液系统压力精确控制方法。该方法涉及轧钢工艺控制技术领域，具体涉及一种冷轧带钢乳液系统压力精确控制方法，冷轧带钢乳液系统的乳液压力控制采用压力旁通阀与主泵变频调节相结合的方式，通过调整变频电机的转速来保持乳液系统的压力恒定；为实现系统精确调压目的，系统针对不同过程采取两种执行方式：1)启动过程，当压力旁通阀压力调节超出工作范围时，通过提高变频电机转速，增大主泵输出系统乳液压力，保证系统压力调节能力；2)正常工作过程，考虑到乳液系统压力检测点距离变频调压执行机构液路较长，系统滞后较大，采用带有Smith预估的PID控制算法。该方法对于冷轧润滑和冷却工艺的乳液系统压力控制精确，大大提高了冷轧带钢的质量，节能降耗，降低了生产成本。

（5）专利公开（公告）号：CN2799111，公开了一种冷轧机乳化液分段控制装置，该装置由板型仪(1)、程序控制器(2)、控制阀组、空气压缩机(3)、多条气动管线(4)、多个喷嘴(5)构成，板型仪(1)位于轧机出口处，控制阀组由多个控制阀(6)组成，每个控制阀(6)一端与空气压缩机(3)相连，其特征在于：每个控制阀(6)另一端通过气动管线(4)连接2n个喷嘴(5)，其中：n＝1，2。本实用新型减少了乳化液喷嘴控制阀的数量，从而减少了故障次数，降低维修费用；通过改变乳化液喷嘴控制阀的控制方式，即单阀体控制对称性的喷嘴，达到系统冷却的均匀性，从而保证板材质量。

上述技术文献说明了各自生产线所使用的冷轧带钢板形控制功能方法，以及分段冷却机械设备的组成。没有提及本专利系统阐述的冷轧机工艺冷却控制与板形分段冷却控制二者之间的组合优化控制方法，没有将二种不同工艺冷却控制要求乳液流量的耦合关系给出明确的控制使用方法模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法。

本发明提供的冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法包括以下内容：

a.轧制工艺冷却流量计算

现代化的冷轧机控制系统通常采用在线控制模型确定乳化液工艺冷却最小喷射量。这里定义在轧制过程中,由实际轧制力和实际带钢速度为主要因素计算的“辊缝功率”，用于方便轧制过程冷却流量的在线控制计算，计算公式（1）：

$P_{\mathrm{gap}}=\frac{K_p\×F_{\mathrm{act}}\×V_{\mathrm{act}}}{W}---\left(1\right)$

式中，P_gap辊缝功率；F_act实际轧制力；V_act实际带钢速度；K_p模型系数；W实际带钢宽度。通过实际生产测试，可以得到辊缝功率和单位时间最小冷却流量Q_min的关系；

b.板形分段冷却控制流量计算

乳化液分段冷却是带钢板形控制的重要手段，分段冷却可以针对带钢高次板形缺陷进行有效控制，计算公式（2）：

$\mathrm{dev}\_c=\mathrm{ref}-\mathrm{mes}-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j{\mathrm{eff}}_j---\left(2\right)$

式中，dev_c板形缺陷高次残差；ref带钢目标板形；mes带钢实测板形；α_j为第j个板形控制器控制增益；eff_j为第j个板形控制器的单位调节量；j=1～m,为板形控制器数量，由轧机机型确定；

由式（2）获得残余板形缺陷后，将残余板形缺陷从板形测量段转化到工作辊冷却段，然后将转换后的各区段剩余板形通过数学处理后，得到带钢对应的分段冷却各区段的残余板形偏差，同时为了消除分段冷却控制时，板形缺陷值瞬变时对乳化液喷嘴开闭的冲击影响，需要对板形残余偏差时进行平滑滤波处理。经过一系列数学处理后获得残余偏差e(t)，使用PID控制器对各个喷嘴的冷却流量进行控制；

PID控制器中y(t)和r(t)分别表示带钢板形的实测值与目标值，e(t)表示带钢的板形偏差，其中e(t)=r(t)-y(t)，u(t)则表示与分段冷却相关的PI控制器输出，可直接转换为分段冷却乳化液喷射流量，计算公式（3）：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]---\left(3\right)$

式中，K_p比例环节系数；T_I积分时间常数；

实际轧制生产控制时，分段冷却采用PLC计算机控制。PLC只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式3中的积分项不能直接使用，需要进行离散化处理来代替连续的积分过程。因此在控制系统中采用式（4）来构建PI控制器：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)---\left(4\right)$

式中，k为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的PI控制器输出值；K_P与板形缺陷绝对值相关的比例增益系数；k_I与轧制速度有关的积分增益系数，式（4）的u(k)所对应的经过PI控制器计算得到的输出值PI_out，将其代入由生产实际确定的控制器输出量与分段冷却乳化液喷射量对应关系中，可以得到用于控制板形缺陷高次残差的乳化液分段冷却单位时间喷射量Q_PI；

c.基本冷却与分段冷却的组合优化控制

为了实现基本冷却与分段冷却的组合优化控制，采用通过冷却量偏差计算出附加板形缺陷，将该计算出的板形偏差附加到板形控制系统中测量得到的带钢实际板形偏差中，形成分段冷却控制器需要通过分段冷却控制的总板形偏差，通过板形分段冷却控制系统和工艺冷却控制系统形成迭代计算流程，直到在满足工艺冷却最小冷却量条件的同时，实现板形分段冷却控制所需的板形控制效果，在实际轧制控制系统程序中，设定如果分段冷却量小于工艺冷却最小冷却量，则系统判定二者存在偏差，由式（5）给出由偏差冷却量计算出来的附加板形偏差com_c，附加到带钢板形缺陷高次残差dev_c中，见式2，用于板形分段冷却控制消除该迭加后的板形偏差，最终得到符合工艺冷却和分段冷却二个功能要求的单位时间内轧制总冷却量：

$\mathrm{com}\_c=K_{\mathrm{COM}}\×\frac{Q_{\min }-Q_{\mathrm{PI}}}{{\mathrm{Cool}}_{\mathrm{num}}-{\mathrm{Cool}}_{\min i}}---\left(5\right)$

式中，com_c附加偏差板形；Q_min工艺最小冷却量；Q_PI板形控制分段冷却量；Cool_num喷射状态的喷嘴总数量；Cool_mini小于工艺最小冷却量的喷嘴数量；K_com计算附加板形偏差的增益系数。

本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在：

提出了冷轧机工艺冷却控制与板形分段冷却控制的各自所需的乳化液流量的计算模型。通过乳化液冷却流量偏差计算出所对应的附加板形偏差量，用于补偿冷轧过程中基本冷却功能与板形控制分段冷却功能二者对不同乳化液流量喷射的工艺要求。进而实现了二种不同工艺功能对冷却流量的优化控制，实现了冷轧过程工艺基本冷却与板形分段冷却之间的组合优化控制，在保证稳定轧制所需的冷却流量前提下，满足了带钢板形质量的良好控制。

附图说明

图1是辊缝功率与最小冷却量关系曲线图。

图2是乳化液喷射分段冷却控制分段冷却喷射梁示意图。

图3是分段冷却PID控制器输出与喷射量关系曲线图。

图4是基本冷却与分段冷却组合优化控制原理示意图。

图5是工作辊温度分布曲线图。

图6是带钢板形偏差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例更详细的描述本发明。

冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法，工艺冷却与分段冷却组合优化控制应用于某五机架1450冷连轧生产线的第5机架乳化液冷却控制系统，工艺参数见表1：

表1轧制工艺参数

轧机入口带钢厚度为0.43mm，出口带钢目标厚度为0.35mm，带钢钢种为SPCC。将上述工艺与设备参数代入公式后，计算得到辊缝率为1814KW，通过辊缝功率与最小冷却量关系曲线图1，得到满足轧制工艺冷却条件的最小乳化液喷射量为3.977m³。乳化液喷射过程中，乳化液喷射分段冷却控制分段冷却喷射梁如图2所示。

在带钢轧制板形控制系统中，通过板形仪测出的带钢板形值、带钢目标板形控制值以及工作辊倾斜、工作辊弯辊、中间辊弯辊、中间辊窜辊等板形控制执行器参数代入公式 $\mathrm{dev}\_c=\mathrm{ref}-\mathrm{mes}-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j{\mathrm{eff}}_j---\left(2\right)$ 后，得到带钢板形高次残差平均值为2.31。将其代入分段冷却PI控制器模型公式 $u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]---\left(3\right),$ 公式 $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)---\left(4\right)$ 中得到控制器输出值为9.92，将其代入分段冷却PID控制器输出与喷射量关系曲线图3中，得到分段冷却板形控制所需的乳化液喷射量为3.441m³。

因为用于板形分段冷却控制所需的乳化液流量小于轧制工艺所需的最小乳化液流量，因此将二种工艺控制所需的乳液流量值代入式 $\mathrm{com}\_c=K_{\mathrm{COM}}\×\frac{Q_{\min }-Q_{\mathrm{PI}}}{{\mathrm{Cool}}_{\mathrm{num}}-{\mathrm{Cool}}_{\min i}}---\left(5\right)$ 中，其中喷嘴总数量为48个，小于工艺最小冷却量的喷嘴数量12个。通过模型计算得到附加板形偏差后代入图4所示的迭代计算过程中，最终得到轧机乳化液喷射量为4.322m³。

冷却控制系统采用西门子PLC作为硬件，采用PROFIBUS现场总线进行数据通讯，本专利提出的优化控制方法采用STEP7结构化编程语言实现。轧制过程中，工艺冷却与分段冷却组合优化冷却控制在某一时刻的实际效果如图5、图6所示。在该1450冷连轧机组长时间生产过程中，应用本专利提出的优化冷却控制系统，无论是轧辊温度还是带钢板形质量均达到较好的控制效果。

Claims (1)

1.一种冷轧机工艺冷却系统的优化控制方法，其特征是该方法包括以下内容：

a.轧制工艺冷却流量计算

现代化的冷轧机控制系统通常采用在线控制模型确定乳化液工艺冷却最小喷射量，这里定义在轧制过程中,由实际轧制力和实际带钢速度为主要因素计算的“辊缝功率”，用于方便轧制过程冷却流量的在线控制计算，计算公式(1)：

$P_{gap}=\frac{K_p\×F_{act}\×V_{act}}{W}---\left(1\right)$

式中，P_gap辊缝功率；F_act实际轧制力；V_act实际带钢速度；K_p模型系数；W实际带钢宽度，通过实际生产测试，可以得到辊缝功率和单位时间最小冷却流量Q_min的关系；

b.板形分段冷却控制流量计算

乳化液分段冷却是带钢板形控制的重要手段，分段冷却可以针对带钢高次板形缺陷进行有效控制，计算公式(2)：

$dev\_c=ref-mes-\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_j{\mathrm{eff}}_j---\left(2\right)$

式中，dev_c板形缺陷高次残差；ref带钢目标板形；mes带钢实测板形；α_j为第j个板形控制器控制增益；eff_j为第j个板形控制器的单位调节量；j＝1～m,为板形控制器数量，由轧机机型确定；

由式(2)获得残余板形缺陷后，将残余板形缺陷从板形测量段转化到工作辊冷却段，然后将转换后的各区段剩余板形通过数学处理后，得到带钢对应的分段冷却各区段的残余板形偏差，同时为了消除分段冷却控制时，板形缺陷值瞬变时对乳化液喷嘴开闭的冲击影响，需要对板形残余偏差时进行平滑滤波处理，经过一系列数学处理后获得残余偏差e(t)，使用PID控制器对各个喷嘴的冷却流量进行控制；

PID控制器中y(t)和r(t)分别表示带钢板形的实测值与目标值，e(t)表示带钢的板形偏差，其中e(t)＝r(t)-y(t)，u(t)则表示与分段冷却相关的PI控制器输出，可直接转换为分段冷却乳化液喷射流量，计算公式(3)：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt\]---\left(3\right)$

式中，K_p比例环节系数；T_I积分时间常数；

实际轧制生产控制时，分段冷却采用PLC计算机控制，PLC只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(3)中的积分项不能直接使用，需要进行离散化处理来代替连续的积分过程，因此在控制系统中采用式(4)来构建PI控制器：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(k\right)---\left(4\right)$

式中，k为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的PI控制器输出值；e(k)为第k次采样时刻的带钢板形偏差；K_P与板形缺陷绝对值相关的比例增益系数；K_I与轧制速度有关的积分增益系数，式(4)的u(k)所对应的经过PI控制器计算得到的输出值PI_out，将其代入由生产实际确定的控制器输出量与分段冷却乳化液喷射量对应关系中，可以得到用于控制板形缺陷高次残差的乳化液分段冷却单位时间喷射量Q_PI；

c.基本冷却与分段冷却的组合优化控制

为了实现基本冷却与分段冷却的组合优化控制，采用通过冷却量偏差计算出附加板形缺陷，将该计算出的板形偏差附加到板形控制系统中测量得到的带钢实际板形偏差中，形成分段冷却控制器需要通过分段冷却控制的总板形偏差，通过板形分段冷却控制系统和工艺冷却控制系统形成迭代计算流程，直到在满足工艺冷却最小冷却量条件的同时，实现板形分段冷却控制所需的板形控制效果，在实际轧制控制系统程序中，设定如果分段冷却量小于工艺冷却最小冷却量，则系统判定二者存在偏差，由式(5)给出由偏差冷却量计算出来的附加板形偏差com_c，附加到带钢板形缺陷高次残差dev_c中，见式(2)，用于板形分段冷却控制消除该迭加后的板形偏差，最终得到符合工艺冷却和分段冷却二个功能要求的单位时间内轧制总冷却量：

$com\_c=K_{COM}\×\frac{Q_{min}-Q_{PI}}{{\mathrm{Cool}}_{num}-{\mathrm{Cool}}_{\min i}}---\left(5\right)$

式中，com_c附加偏差板形；Q_min工艺最小冷却量；Q_PI板形控制分段冷却量；Cool_num喷射状态的喷嘴总数量；Cool_mini小于工艺最小冷却量的喷嘴数量；K_com计算附加板形偏差的增益系数。