CN103920746A - 利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法，包括以下步骤：步骤一，在带钢卷筒上安装一套圆形套筒，套筒的表层设有一层橡胶，在套筒涨缩压力作用下，橡胶层发生弹性形变，弹性形变量与压力成比例；步骤二，初始化套筒直径测量值和直径设定值，获取带钢厚度；步骤三，判断要卷曲的带钢厚度是否小于预定值；步骤四，测量套筒直径值的变化；步骤五，采用一次惯性延迟方式对套筒直径值的变化进行过滤；步骤六，根据要卷取带钢的厚度，设定套筒要涨开的直径设定值；步骤七，计算直径偏差量，采用比例积分控制计算液压伺服机构的输出量，输出给伺服阀进行闭环控制；步骤八，判断直径偏差量绝对值的变化。

Description

利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于使用卷取冷轧带钢卷的卷取工序机组的控制方法，更具体地说，涉及一种利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法。

背景技术

以前冷轧生产线卷取机在卷取带钢时，会产生卷筒折痕印，为减少卷取机芯轴产生的套筒折痕印，才有用了两种方法。

其一：同国内其它类似机组一样，常在芯轴上套上橡胶套筒，以缓解套筒扇形块对带钢表面的影响。现有技术对套筒型带钢表面产生的折痕，有显著抑制消除效果，但这类套筒实际应用时，会在较厚（≥1.2mm）的带钢表面，会产生新的带头压痕缺陷，其产生原理如图1所示，虽然使用了橡胶套筒，但因厚带头贴在套筒的外圈上，带头必然与第二圈带钢之间形成高度差，随着带钢一层一层卷取，钢卷直径不断增大，带头承受的压力也不断增大，由此在带头接触部分产生带头压痕，并印在随后卷曲的带钢表面，形成周期性的带头压痕，长度最多长达200～300米，使产品留下瑕疵。

其二：采用特殊带凹槽的套筒和应用带头定位技术。如图2所示“心状”型槽套筒就是其中一种，在使用“心状”型套筒时，进行带头定位前，套筒先涨开等待，通过带头定位技术，使带头落在“心状”型凹槽处，将带头藏于凹槽中，使第2圈与带头重叠时，带头不受过大压力，因此不会产生尖锐的带头压痕。在带头定位命中的情况下，同样还会产生带头压痕，只不过是相对减少一点。

同时，由于“心状”型凹槽宽度和深度有限制，其对抑制带钢压痕的效果，完全由带头定位的精度来决定。由于“不同种类带钢，穿带的弯曲度不同，使带头跟踪的长度计算值与实际带钢行走长度产生同步性误差，导致定位不精准；如带钢涂油，卷取机建立张力时内圈滑动等”都会影响带头定位精度，造成带头定位成功率不足90％。因此带头压痕长度控制效果不稳定（带头印范围控制在15～40米范围内)，有时甚至会出现批量带钢压痕缺陷。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法，来解决现有技术中存在的各种不足。

根据本发明，提供一种利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在带钢卷筒上安装一套圆形套筒，套筒的表层设有一层橡胶，在套筒涨缩压力作用下，橡胶层发生弹性形变，弹性形变量与压力成比例；

步骤二，初始化套筒直径测量值和直径设定值，获取带钢厚度；

步骤三，判断要卷曲的带钢厚度是否小于预定值；

步骤四，测量套筒直径值的变化；

步骤五，采用一次惯性延迟方式对套筒直径值的变化进行过滤；

步骤六，根据要卷取带钢的厚度，设定套筒要涨开的直径设定值；

步骤七，计算直径偏差量，采用比例积分控制计算液压伺服机构的输出量，输出给伺服阀进行闭环控制；

步骤八，判断直径偏差量绝对值的变化。

根据本发明的一实施例，步骤五的惯性延迟的一次惯性环节传递函数为1/（1+Ts）。其中，T为环节的时间常数，s为复变量，取值为复数，其表达形式为s=σ+iω，其中σ，ω为实数，i为虚数单位。

根据本发明的一实施例，步骤六的要涨开的直径设定值为Dset，套筒涨开直径与带钢厚度间的函数关系的表达式为Dset=f（h）=610-2h。

根据本发明的一实施例，步骤七的直径偏差量△D=直径设定值-直径测量值，液压伺服机构的输出量Vout_ADC=KP_ADC×△D+∑KI_ADC×△D×△T₂。其中，KP_ADC为比例增益、KI_ADC为积分增益、△T₂为循环任务T₂的扫描周期。

根据本发明的一实施例，当直径偏差量△D绝对值的变化大于预设值时，执行步骤四。

根据本发明的一实施例，橡胶层为耐油橡胶，厚度为8mm，最内层橡胶的硬度为邵尔硬度80～60度，表层橡胶硬度为邵尔硬度60～45度，套筒涨开的尺寸为508mm或610mm。

采用了本发明的技术方案，当卷取机处于钢卷切换的待机阶段时，套筒先进行第1次涨开动作，投入ADC控制，进行Dset与Dact间的偏差控制，使控制偏差为“0”，将套筒直径稳定控制在Dset值，不仅能有效改善带钢表面压痕，减少压痕长度，而且不会对套筒产生影响。同时如果与第2次涨缩功能结合，为第2次涨缩留下理想的涨开空间，确保第2次涨开冲击效果的发挥，能进一步改善带钢表面压痕，直至消除。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是现有的普通橡胶套筒带头叠加引起的带钢压痕；

图2是现有的“心状”型橡胶套筒带头叠加引起的带钢压痕；

图3是本发明控制系统的总体框图；

图4是本发明提高冷轧带钢表面质量方法控制流程图；

图5是橡胶套筒分层结构截面图；

图6是本发明自动直径控制器方法的流程图；

图7是本发明自动压力控制器方法的流程图；

图8是KG_AFC增益与张力关系图；

图9是第2次套筒涨开压力控制效果图；

图10是套筒2次涨缩控制后带头压痕控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

鉴于现有带头压痕控制所用套筒“对带头定位精度依赖度大，控制效果不稳定，依赖特殊凹槽”所存在的问题，本发明的技术方案主要分为4个阶段。

设施准备：生产冷轧表面质量要求较高的板时，安装1套标准圆形套筒；

第1次涨缩控制：建立一套直径自动控制器（ADC），设定值Dset为带头厚度的关系函数，进行第1次套筒涨开直径控制；

穿带、绕带跟踪控制：当带头卷取N圈后，投入建张命令，使带钢处于绷紧状态；

第2次涨缩控制：第一步：一次控制阶段：投入套筒压力自动控制器（AFC），设定值Fset为带头厚度、套筒弹性系数、带钢规格和屈服强度的关系函数；第二步工序：进行第2次套筒涨开的压力控制，在超调量作用下，套筒迅速涨开至顶峰压力，冲击使带头挤压微变形向下，而后恢复至设定压力过程中，使橡胶恢复至弹性对应的厚度，最终将带头陷于8mm橡胶层中。

如图3所示，其包括6个部分：3-1选择器，3个信号组合选择投入3-2ADC控制还是3-3AFC控制；3-2ADC控制器，输出Vout_ADC给3-6液压伺服机构，使套筒涨开直径达到第1次涨开设定值Dset；3-3AFC控制器，输出Vout_AFC给3-6液压伺服机构，使套筒压力先经过顶峰压力后稳定至第2次涨开设定值Fset；3-4用于测量套筒直径值Dact的测量；3-5用于测量套筒压力值Fact的测量；3-6液压伺服机构，接收AFC控制器和ADC控制器的控制量，执行套筒油缸涨缩大小和压力控制。

如图4所示，具体来说，本发明的提高冷轧带钢表面质量的方法包括：

Step1：套筒上安装一套非特殊形状的圆形套筒，套筒表层设有1层层厚为Xmm的橡胶，在套筒涨缩压力作用下，该层会发生弹性形变，弹性变形量与压力成比例，比例系数为K。

所涉及的橡胶套筒使用耐油橡胶，最内层橡胶的硬度为邵尔硬度80～60度，厚度为8mm表层橡胶硬度为邵尔硬度60～45度，套筒为分层结构如图5所示，表面层橡胶较软，内层橡胶较硬，起支撑作用，橡胶套筒涨开的名义尺寸为508mm或610mm。该橡胶套筒用于冷轧卷取0.3～2.3mm厚带钢，能较好消除或减少带头压痕。

这种结构对生产中带头的定位要求精度较低，不必进行带头定位，一般控制就能满足要求。

Step2：建立一套自动直径控制器，简称ADC，穿带准备阶段，选择器3-1选择投入ADC控制，第1次将套筒涨开至预定直径，其控制流程参见图6，主要包括以下8个步骤，各步骤工作关系如下：

2.1初始化套筒直径测量值Dact和直径设定值Dset，获取带钢参数h，执行步骤2.2；

2.2判断要卷取带钢厚度h，如果小于某确定值，执行步骤2.3，否则控制结束；

2.3选择器3-1判断是否投入ADC控制，如果条件成立，执行步骤2.4，否则控制结束；

2.4采用磁尺式位置传感器测量套筒直径值Dact的变化，执行步骤2.5；

2.5对套筒直径值Dact的变化进行过滤，采用一次惯性延迟方式，其一次惯性环节传递函数为1/（1+Ts）（其中T为环节的时间常数，s为复变量，取值为复数，其表达形式为s=σ+iω，其中σ，ω为实数，i为虚数单位，i²=-1），执行步骤2.6；

2.6根据要卷取带钢的厚度，设定套筒要涨开的直径值Dset，建立套筒涨开直径与带钢厚度间的函数关系，其表达式为Dset=f（h）=610-2h，执行步骤2.7；

2.7计算直径偏差量△D公式为△D=Dset-Dact，运行自动直径控制器（ADC），采用比例积分控制计算液压伺服机构3-6输出量Vout_ADC，其计算公式为Vout_ADC=KP_ADC×△D+∑KI_ADC×△D×△T2，输出给伺服阀进行闭环控制，执行步骤2.8；

其中：

KP_ADC为比例增益；

KI_ADC为积分增益；

△D直径偏差量；

T₂为循环任务T₂的扫描周期；

2.8判断直径偏差量△D绝对值的变化，如果大于某确定值，执行步骤2.4，否则控制结束。

本发明由于采用了上述技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

当卷取机处于钢卷切换的待机阶段时，套筒先进行第1次涨开动作，投入ADC控制，进行Dset与Dact间的偏差控制，使控制偏差为“0”，将套筒直径稳定控制在Dset值，不仅能有效改善带钢表面压痕，减少压痕长度，而且不会对套筒产生影响。同时如果与第2次涨缩功能结合，为第2次涨缩留下理想的涨开空间，确保第2次涨开冲击效果的发挥，能进一步改善带钢表面压痕，直至消除。

Step3：穿带阶段，计算带头卷取圈数，当带头卷取N圈后，投入建张命令，使带钢处于绷紧状态。

Step4：建立一套自动压力控制器，称为AFC，张力稳定后，选择器3-1选择投入AFC控制，第2次涨开套筒，在超调量作用下，套筒迅速涨开产生冲击压力，冲击使带头挤压微变形向下而隐藏至橡胶层中，其控制流程参见图7，主要包括以下8个步骤，各步骤工作关系如下：

4.1初始化套筒直径测量值Fact和直径设定值Fset，获取带钢参数h，执行步骤4.2；

4.2判断要卷取带钢厚度h，如果小于某确定值，执行步骤4.3，否则控制结束；

4.3选择器3-1判断是否投入AFC控制，如果条件成立，执行步骤4.4，否则控制结束；

4.4采用压力传感器测量套筒压力值Fact的变化，执行步骤4.5；

4.5对套筒压力值Fact的变化进行过滤，采用一次惯性延迟方式，其一次惯性环节传递函数为1/（1+Ts）（其中T为环节的时间常数，s为复变量，取值为复数，其表达形式为s=σ+iω，其中σ，ω为实数，i为虚数单位，i²=-1），执行步骤4.6；

4.6根据要卷取带钢的厚度h、带钢参数M和W、套筒参数K，设定套筒第2次要涨开压力值Fset，建立套筒涨开压力与带钢厚度h和带钢参数M、W间的函数关系，其表达式为：Fset=2h×K+ε(M，W)，执行步骤4.7；

其中：

h为带钢厚度；

K为套筒弹性变形系数；

M为带钢屈服强度；

W为带钢宽度；

ε(M，W)压力补偿函数，通过查表法获得。

4.7计算压力偏差量△F公式为△F=Fset-Fact，运行自动压力控制器（AFC），采用比例、积分、微分控制方式，其输入参数为△F，输出参数为液压伺服机构3-6比例控制阀的电流输出Vout_AFC，其计算公式为：

Vout_AFC=∑KG_AFC[△F(k)-△F(k-1)]+KP_AFC×△F(k)+∑KI_AFC×△F(k)×△T₂

△F（k）=Fset（k）-Fact（k）；

其中：

KG_AFC为超调增益，决定着第2次套筒涨开顶峰压力，因第2次涨缩是在有张力且带钢运行状态下投入的，为获取更好的响应速度，此增益与带钢张力设定成正比关系，增益设定与张力大小关系见图8；

KP_AFC为比例增益；

KI_AFC为积分增益；

△T₂为循环任务T₂的扫描周期时间；

K为T₂任务第k次执行周期；

4.8判断压力偏差量△F的绝对值变化，如果大于某确定值，执行步骤4.4，否则控制结束。

本发明由于采用了上述技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

选择器确定投入AFC控制器，根据带钢h、W和M参数计算给定Fset，周期获取压力反馈Fact，计算K周期给定与反馈的偏差△F（k）和K周期与K-1周期△F的偏差，输入到AFC控制器中，进行偏差控制，输出调节速度即控制响应由KG_AFC、KP_AFC和KI_AFC参数确定，首先由KG_AFC参数调节使套筒迅速涨开至顶峰压力，带头在外圈带钢有张力状态下，经过顶峰压力的冲击，使带头挤压微变形，然后在KP_AFC和KI_AFC参数调节使套筒涨开压力恢复至设定Fset,使外层橡胶恢复弹性对应的厚度，将带头陷于其中，压力控制效果见图9。同时在套筒的弹性吸收缓冲下，采用AFC控制方式，对套筒寿命未产生不良影响。

在第1次ADC控制及第2次AFC控制的组合控制下，通过对套筒实施2次涨缩控制后，带头控制效果见图10，压痕得到有效控制，缩短甚至消除带头压痕。

本发明的有益效果

本发明提供了“一种消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法”，特别适用于表面要求极高的冷轧带钢生产质量改善，具有以下明显特点和效果：

1、所使用的套筒非特殊凹槽结构，为普通圆形设计，加工容易，因此，造价较低，能为企业节省成本；

2、控制方法新颖，采用独特的2次涨缩控制技术，且2次涨缩ADC控制技术和AFC控制技术可灵活独立或组合使用，使控制效果更佳。原套筒更换周期为3个月，基于橡胶套筒弹性作用，采用该涨缩技术后，经实绩验证，套筒更换周期与原套筒更换周期接近，对套筒寿命不会产生不良影响；

3、带头压痕控制效果稳定性高，原有技术对套筒定位精度高度依赖，在定位不准时带头压痕长达200米以上，控制效果稳定性不高，而本发明无需进行带头定位；

4、可为企业带来可观效益，本发明可带头压痕控制在2圈以内，仅有轻微，即10米以内，能大大减少因带头压痕长而使钢卷降级价差。

下面以一个实施例来说明上述的方法：

带钢厚度h=0.7mm、宽度W=1200mm、屈服强度M=100pa条件下带头压痕控制实施过程：

1、在套筒上安装图4所述套筒，该套筒外层橡胶层的弹性变形量与压力成比例系数为K，先在该套筒外圈安装钢圈，然后再增加套筒的涨开压力，通过实验，以此方法确定系数K为1mm/30pa；

2、消除压痕提高冷轧带钢质量的控制技术，转化为程序予以实现，其主要过程为：在双卷取机生产机组，一卷取机运行，一卷取机待机准备，在待机位置的卷取机执行该控制方法，首先执行套筒第1次涨缩ADC控制，涨开位置由Dset确定，即在本例中套筒直径第1次涨开至608.6mm，在ADC控制器的控制下，套筒直径控制在608.6±0.5mm偏差范围内，然后跟踪下一卷带头位置，待带头至该卷取机时，开始记录卷取圈数N，本例N为2圈，开始建立张力，并在张力稳定后，迅速投入AFC控制，压力设定为2×0.7×30+ε(M，W)=42Mpa+ε(M，W)，ε(M，W)由查表法确定，超调量由KG_AFC参数确定，在超调量作用下，带头在第2圈有张力状态下被挤压而发生形变，并向下弯曲，在KP_AFC和KI_AFC参数调节下使套筒涨开压力恢复至设定Fset,将带头陷于其中。

2、参数的选取：

ε(M，W)对应的表格

ADC控制重在套筒直径的控制精度，对控制响应要求不高，因此通过实验筛选选取KP_ADC为0.9，KI_ADC为0.95。

AFC控制重在对带头的冲击后挤压变形和带头陷于外层5mm橡胶中，对超调量和响应要求高，通过实验赛选选取KG_AFC设定曲线见图5，KP_AFC为1.05，KI_AFC为0.95。

3、带头压痕控制效果：

通过以上控制逻辑和参数的选取，带钢厚度h=0.7mm、宽度W=1200mm、屈服强度M=100pa带钢外板带头压痕长度控制在7米以内，且稳定性高。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种利用自动直径控制消除压痕提高冷轧带钢质量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在带钢卷筒上安装一套圆形套筒，所述套筒的表层设有一层橡胶，在所述套筒涨缩压力作用下，所述橡胶层发生弹性形变，所述弹性形变量与所述压力成比例；

步骤二，初始化套筒直径测量值和直径设定值，获取带钢厚度；

步骤三，判断要卷曲的带钢厚度是否小于预定值；

步骤四，测量套筒直径值的变化；

步骤五，采用一次惯性延迟方式对所述套筒直径值的变化进行过滤；

步骤六，根据要卷取带钢的厚度，设定套筒要涨开的直径设定值；

步骤七，计算直径偏差量，采用比例积分控制计算液压伺服机构的输出量，输出给伺服阀进行闭环控制；

步骤八，判断直径偏差量绝对值的变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤五的惯性延迟的一次惯性环节传递函数为1/（1+Ts）；

其中，T为环节的时间常数，s为复变量，取值为复数，其表达形式为s=σ+iω，其中σ，ω为实数，i为虚数单位。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤六的要涨开的直径设定值为Dset，所述套筒涨开直径与带钢厚度间的函数关系的表达式为Dset=f（h）=610-2h。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤七的直径偏差量△D=直径设定值-直径测量值，所述液压伺服机构的输出量Vout_ADC=KP_ADC×△D+∑KI_ADC×△D×△T₂；

其中，KP_ADC为比例增益、KI_ADC为积分增益、△T₂为循环任务T₂的扫描周期。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

当所述直径偏差量△D绝对值的变化大于预设值时，执行步骤四。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述橡胶层为耐油橡胶，厚度为8mm，最内层橡胶的硬度为邵尔硬度80～60度，表层橡胶硬度为邵尔硬度60～45度；

所述套筒涨开的尺寸为508mm或610mm。