CN104550258B - 一种淬火钢轨轧制微张力控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种淬火钢轨轧制微张力控制系统和方法，该系统包括感应加热装置，控制单元，以及控制和管理上述控制单元的管理单元，控制单元在管理单元的管理下，在轧件进入一个机架并咬钢稳定时将其上游各机架转换为恒转矩控制状态，控制单元分别包括检测计算模块，感应加热装置对进入到机架的轧件进行温度控制，使进入到机架中的轧件温度均匀，以消除温度差对轧辊力臂长度的影响，当检测计算模块计算实际张力值时，当前轧辊力臂长度即为初始力臂长度。本发明能够在轧件实时温度控制下的轧制方法，同时能够使轧制完成后的钢轨温度均匀，以满足淬火要求，避免淬火机组再次加热钢轨，提高效率。

Description

一种淬火钢轨轧制微张力控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨轧制过程中控制轧件尺寸精度的系统和方法，尤其涉及一种钢轨生产串联式万能轧制过程中提供均匀温度淬火的微张力控制系统和方法。

背景技术

当金属制品在轧机的各机架之间连轧并且预设速度不理想时，啮合在多个连续运转的机架之中的轧件会出现张应力。如果下游机架牵引上游机架，则机架间的轧件会被拉伸，如果上游机架通过轧件推挤下游机架，则机架间的轧件受到压缩。轧件上游机架的速度与相邻的下一个机架的速度之差不匹配时会引起应力。当上游机架的出口速度与相邻的下一个机架的入口速度不平衡时，机架间的金属应力出现改变，使得相邻两个机架的转矩/速度变化而趋向一新的平衡点，在该平衡点上，上游机架的出口速度与相邻的下一个机架的入口速度相同。这种改变会使轧件厚度改变，并影响到机架轧制。轧制会出现自我稳定化的现象，然而这种现象会损害金属制品的尺寸和轮廓。

目前在板带类热轧制方面，采用无活套微张力连轧控制，在轧件存在温差时，仍然忽略轧制力臂长度变化，以此来记忆主传动电机转矩来控制张力，这种“忽略轧制力臂长度变化”是在轧件存在温差的条件下，忽略了温差对轧制力臂长度的影响，仅用于粗轧机组，不适合高精度要求的钢轨万能轧制；在钢轨轧制方面，轧机机架间MTC张力控制中仅采集主电机转矩或电流的“记忆法”，既没有消除温差，也没有设置轧制力检测装置，无法得到轧制力臂长度，机架间张力无法检测，造成张力波动大。

另外，高速钢轨的尺寸精度要求高，现有的串列式万能轧机生产在实际使用中存在不足，其根本原因是有以下几个方面影响了AGC厚度控制和张力控制，也影响了高速钢轨淬火：

(1)坯料温度差异(原始温差)：坯料在加热炉中加热温度的差异，以及轧件到达串列式万能轧机前在BD粗轧过程中温降不同，各轧件的温度不一样，轧出的每个轧件厚度也不相同。

(2)同一块轧件各部位的轧制温度也有很大差异，突出的是沿纵向头尾温差和水印(黑印)温差，其中头尾温差与水印温差的原因也不相同，分别如下：①头尾温差：由于轧件头部先咬入，而尾部在辊道上，需等待较长时间后才进入轧机，因此同一块轧件沿纵向温降明显不同，使变形强度沿轧件纵向逐步增高，引起轧制力逐步加大，轧出的轧件厚度产生影响；②水印温差：坯料在加热炉中加热过程中，支撑轧件的炉子水冷梁的部位出现低温区，轧件也出现低温“水印”，轧件越薄“水印”区温差越明显。“水印”区变形强度增加，引起轧制力增大，轧出的轧件厚度影响大。

(3)温差的“厚差再生”：在轧制过程中，因存在温差产生了厚差，这时即使前一机架将厚差全部纠正，由于轧件温差依然存在，使得轧件的不同部位硬度仍不一样，因此进入下一机架再进行轧制时，厚差又会“再现”，所以为了纠正厚度偏差，各道次轧制都要控制厚度，每一个机架都要纠正因温差而产生的厚差，而不是依靠某一机架道次一次纠正完毕。只要温差不消除，厚差就要随着每一道次逐渐积累，称谓“新生厚差”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在轧件实时温度控制下的轧制方法，同时能够使轧制完成后的钢轨温度均匀，以满足淬火要求，避免淬火机组再次加热钢轨，提高效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种淬火钢轨轧制微张力控制系统，包括设置在E机架上游机架入口处的感应加热装置，分别设置在E机架上游机架、E机架和E机架下游机架上的控制单元，以及控制和管理上述控制单元的管理单元，控制单元在管理单元的管理下，在轧件进入一个机架并咬钢稳定时将其上游各机架转换为恒转矩控制状态，控制单元分别包括对应的检测计算模块，检测计算模块用于在轧件进入本机架并且上游各机架变为恒转矩控制状态时利用采集的数据计算本机架的轧辊力臂初始长度，以及在每次张力闭环控制循环中检测计算本机架的实际张力值，感应加热装置对进入到机架的轧件进行温度控制，使进入到机架中的轧件温度均匀，以消除温度差对轧辊力臂长度的影响，当检测计算模块计算实际张力值时，当前轧辊力臂长度即为初始力臂长度。

作为本发明的进一步优化，感应加热装置包括用于升高钢轨温度的第一加热模块和第二加热模块，以及用于均热钢轨的第三加热模块和第四加热模块，其中第一加热模块以及第三加热模块设置在加热钢轨的上部，第二加热模块以及第四加热模块设置在加热钢轨的下部。

作为本发明的进一步优化，第一加热模块与第三加热模块的加热功率为：

P_H＝C*ρ*V*S_H*(Q_s-Q_inH)

其中：P_H为钢轨上部加热器输出的加热功率，单位kW；C为钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ为钢轨比重，单位kg/m³；V为钢轨速度，单位m/s；S_H为钢轨上部截面积，单位m²；Q_s为钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inH为入口钢轨上部温度，温度测量值，单位℃。

作为本发明的进一步优化，第二加热模块与第四加热模块的加热功率为：

P_F＝C*ρ*V*S_F*(Q_s-Q_inF)

上述，P_F---钢轨下部加热器输出的加热功率，单位kW；C---钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ---钢轨比重，单位kg/m³；V---钢轨速度，单位m/s；S_F---钢轨下部截面积，单位m²；Q_s---钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inF---入口钢轨下部温度，温度测量值，单位℃。

作为本发明的进一步优化，每个加热模块还连接有温度控制模块，温度控制模块包括设置在加热模块之前的温度前馈控制单元、设置在温度前馈控制单元外环上的反馈闭环控制单元、设置在内环上的加热功率控制单元、以及设置在加热功率控制单元输出端的整流逆变单元，其中温度前馈控制单元能为消除温度控制的主干扰量提供前馈补偿；反馈闭环控制单元能排除主干扰以外的温度干扰；加热功率控制单元输出功率。

作为本发明的进一步优化，温度前馈控制单元包括将轧件入口温度与轧件设定温度进行比较的温度比较器、连接到温度比较器输出端的单元乘法器，单元乘法器各数值相乘后得到需要加热补偿的功率；反馈闭环控制单元包括将轧件设定温度与轧件出口温度相比较的温度比较器，比较后，经设置在比较器之后的PI调节器输出加热功率，输出的加热功率与上述加热补偿的功率相加输出到设置在内环上的加热功率控制单元，加热功率控制单元内设置有单元PI调节器，单元PI调节器输入端为将上述输入功率与功率反馈进行比较的数值，单元PI调节器输出端连接PWM调制单元，对输入的功率进行调制，以实现功率控制。

作为本发明的进一步优化，加热功率控制单元的输出端连接整流逆变单元，以将控制后的功率输入到整流逆变单元。

作为本发明的进一步优化，整流逆变单元包括连接整流变压器的整流模型，整流模型的输出端连接逆变模型，整流模型为逆变模型提供直流逆变电压，逆变模型输出加热功率以及加热频率，逆变模型的输出端连接电容模型，电容模型的输出端连接加热模块，从而使逆变模型中输出的加热功率、加热频率经电容模型输出到加热模块中。

作为本发明的进一步优化，控制单元分别包括对应的主传动调速模块，E机架上游机架或E机架上的检测计算模块以及E机架下游机架上的检测计算模块还用于在每次张力闭环控制循环中根据计算的本机架的实际张力值与张力目标设定值之间的偏差向主传动调速模块输出信号；E机架上游机架上的主传动调速模块用于根据E机架或本机架上的检测计算模块的信号调整本机架的轧制速度设定值，E机架下游机架上的主传动调速模块用于根据本机架上的检测计算模块的信号调整本机架的轧制速度设定值。

作为本发明的进一步优化，E机架上游机架或E机架上的检测计算模块以及E机架下游机架上的检测计算模块分别包括对应的张力PI调节器，张力PI调节器根据实际张力值与对应的张力目标设定值之差向主传动调速模块输出信号。

作为本发明的进一步优化，各个机架上分别设有轧制力检测装置，轧制力检测装置将检测到的轧制力数值发送给本机架的控制单元中的检测计算模块。

作为本发明的进一步优化，E机架上游机架上的检测计算模块包括前张力计算模块，轧件进入当前机架并咬入稳定时，当前机架上游各机架变为恒转矩控制状态，前张力计算模块接收本机架的轧制力、主电机转矩并根据本机架初始力臂长度来计算此时的前张力值。

同时，为了实现上述目的，本发明还提供了一种淬火钢轨轧制微张力控制方法，包括如下步骤：轧件经过设置在机架前后的感应加热器的加热，对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；轧件依次经过各机架连轧的过程中，进入当前机架并咬入稳定时，通过使上游各机架处于恒转矩控制状态得到当前机架的轧辊力臂初始长度，直到轧件进入最后一个机架并且也得到了最后一个机架的轧辊力臂初始长度时，系统投入张力闭环控制，每次闭环控制循环中用E机架及其下游机架轧辊力臂的初始长度作为当前轧辊力臂长度来计算机架间实际张力值，根据机架间实际张力值与张力目标设定值的比较结果来调整E机架上游和下游机架的轧制速度设定值。

作为本发明的进一步优化，该方法进一步包括如下步骤：步骤S1，轧件经过设置在机架前的感应加热器的加热，对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；步骤S2，当轧件进入第一个机架并咬入稳定时，检测当前进入的机架的主电机转矩和轧制力，从而确定当前进入的机架的轧辊力臂初始长度；步骤S3，当轧件进入下一个机架并咬入稳定时，轧件当前进入的机架为速度控制，其上游各机架均由速度控制转为恒转矩闭环控制并且给转矩控制环设定转矩基准值，采集轧件当前进入的机架及其上游各机架的主电机速度、轧制力和主电机转矩，从而确定轧件当前进入的机架的轧辊力臂初始长度和新的连轧速度级联因子，轧件当前进入的机架及其上游各机架按照新的连轧速度级联因子恢复速度控制，重复步骤S3，直至轧件进入最后一个机架并执行完上述步骤S3；步骤S4，投入张力闭环控制：利用上述各个步骤中得到的各机架的轧辊力臂初始长度来构建本道次张力数学模型，连续不间断实时采集E机架及其下游机架的主电机转矩、轧制力和主电机速度，通过已构建的数学模型计算E机架的实际前后张力值之差和E机架下游机架的实际张力值，分别根据各个实际值与对应的目标设定值之差来实时调整上下游机架的轧制速度设定值，E机架的轧制速度设定值保持不变。

作为本发明的进一步优化，该方法进一步包括如下步骤：步骤S1，轧件经过设置在机架前的感应加热器，对轧件进行加热，从而对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；步骤S2，当轧件进入第一个机架并咬入稳定时，检测当前进入的机架的主电机转矩和轧制力，从而确定当前进入的机架的轧辊力臂初始长度；步骤S3，当轧件进入下一个机架并咬入稳定时，轧件当前进入的机架为速度控制，其上游各机架均由速度控制转为恒转矩闭环控制并且给转矩控制环设定转矩基准值，采集轧件当前进入的机架及其上游各机架的主电机速度、轧制力和主电机转矩，从而确定轧件当前进入的机架的轧辊力臂初始长度和新的连轧速度级联因子，轧件当前进入的机架及其上游各机架按照新的连轧速度级联因子恢复速度控制，重复步骤S3，直至轧件进入最后一个机架并执行完上述步骤S3；步骤S4，投入张力闭环控制：利用上述各个步骤中得到的各机架的轧辊力臂初始长度来构建本道次张力数学模型，连续不间断实时采集E机架的上游机架和E机架的下游机架的主电机转矩、轧制力和主电机速度，通过已构建的数学模型计算上下游机架的实际张力值，分别根据各个实际张力值与对应的张力目标设定值之差来实时调整E机架的上下游机架的轧制速度设定值，E机架的轧制速度设定值保持不变。

相较于现有技术，本发明所具有的优势在于，

(1)本发明改变了现有余热淬火钢轨生产串列式万能轧机“TCS工艺控制+张力控制(开环)”控制方式，采用“TCS工艺控制+微张力动态实时闭环控制+钢轨轧件温度实时控制”控制方案，因在万能轧机入口设置了感应加热装置，在轧件实时温度控制下能够使轧制完成后的钢轨温度均匀，可满足淬火要求，避免淬火机组再次加热钢轨，提高效率，同时感应加热装置与万能轧机紧邻，轧件不脱头；

(2)本发明的微张力控制系统和方法采用机架间实时张力控制闭环调节，采用机架间张力模型，实时检测计算张力，每一个道次轧制过程中，构成张力控制闭环调节，保证机架间张力控制精度，保证在每一个道次轧制过程中机架间张力恒定且“微张力”，使轧件头尾几何尺寸超差减少，提高成材率；

(3)本发明在串列式万能轧机的各个机架上设置测压头装置直接检测轧制力，根据测压头检测的轧制力大小，在线实时控制机架间张力，使张力达到“微张”来控制轧件尺寸精度，即“微张”轧制高速钢轨；

(4)本发明在串列式万能轧机的入口处设置感应加热装置，奇数道次轧制过程中，对钢轨轧件温度实时控制，减小了钢轨轧件温差，也就没有了因温差使轧制力波动问题；而且，同一道次钢轨轧件长度方向上厚度差使轧制力的变化，对于轧制力臂长度来说可以忽略不计，因此，在同一道次过程中，可以认为轧制力臂长度基本恒定不变，这样就提高了检测计算张力模型的准确度，需要说明的是，这里的轧件温差指的是同一根钢轨轧件的轨帽、轨腰、轨底温度差，以及长度方向上头尾温差、“黑印”(也称“水印”)温差；同理，在串列式万能轧机的入口处和出口处同时设置感应加热装置，可以实现奇数道次和偶数道次轧制过程中，对钢轨轧件温度实时控制，减小钢轨轧件温差。但是，目前成熟的钢轨串联式万能可逆轧制共计三道次，出口处设置的感应加热装置仅能对第2道次的钢轨轧件温度实时控制。此时，为减少设备费用，也可仅在串列式万能轧机的入口处设置感应加热装置，在奇数道次轧制过程中，对钢轨轧件温度实时控制；

钢轨串列式万能轧机配置有计算机控制系统，该计算机具有过程控制功能，对轧件进行跟踪；在奇数道次和偶数道次轧制时，计算机控制系统给感应加热装置发送“加热”指令。

(5)本发明在每一道次轧制时，轧件在当前机架咬钢稳定后其上游各机架主电机的速度控制转为恒转矩控制，在恒转矩控制状态下采样当前机架主电机转矩和轧制力，来计算轧制力臂长度，提高了张力测量计算模型精度，同时采样各架间主电机实际速度，计算连轧速度级联关系更加准确；

(6)本发明对于串列式万能轧机，采用以E机架速度为基准，E机架轧制速度保持不变而调节其他各机架速度设定值的方式，当各机架间张力出现偏差时，分别调整E机架上游机架的速度设定值和下游机架的速度设定值，且实时控制E机架前后张力之差的动态瞬时值，以保证串列式万能轧制微张力；

(7)本发明的微张力控制系统和方法针对余热淬火钢轨生产串列式万能轧制时，在轧机入口处设置感应加热装置，进行动态实时控制轧件温度，消除轧件温差，在消灭温差的前提下，轧制力臂长度不变，从而提高了张力检测计算的准确度；特别是轧件出现“黑印”时，仍能很好地控制张力；同理，也可以在串列式万能轧机入口处和出口处均设置感应加热装置，使控制效果更好。

附图说明

图1a是根据本发明实施例1所述的用于轧制高速钢轨的串列式万能轧机上的微张力控制系统示意图；

图1b是根据本发明的实施例2所述的用于轧制高速钢轨的串列式万能轧机上的微张力控制系统示意图；

图2是根据本发明实施例1和实施例2所述的串列式万能轧机轧制高速钢轨过程中的微张力控制流程图；

图3是根据本发明一个实施例所述测压头在万能轧机上的安装示意图；

图4是轧制力矩示意图；

图5是本发明实施例所述钢轨轧件感应加热温度动态实时控制系统示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

本发明的微张力控制系统和方法主要针对型钢生产串列式万能轧制，特别是高速钢轨的轧制。串列式万能轧机一般由按照轧件先后进入的顺序排列的多个机架构成，轧件先通过的机架称为其后通过的机架的上游机架，反之，后通过的机架称为先通过的机架的下游机架。如图1a和1b所示，这些机架分为U机架和E机架，由于串列式万能轧机是可逆式连轧生产线，正向轧制时E机架的上游U机架在反向轧制时就变成了E机架的下游U机架。其中，U机架包括一对水平轧辊1和一对立辊，水平轧辊1由主电机驱动，立辊为从动轧辊，E机架是指轧边机架，仅有一对水平轧辊1，没有立辊。E机架的主要作用是限制轨头宽度和轨底宽度，因该机架减面率较小(由万能轧制工艺决定的)，在连轧过程中E机架承受前后张力之差，造成E机架轧辊易打滑振荡，张力控制不够稳定，所以避免E机架前后张力差值出现较大波动是解决目前张力控制的关键所在。

本发明钢轨轧制微张力控制系统包括设置在E机架上游机架入口处的感应加热装置5，分别设置在E机架上游机架、E机架和E机架下游机架上的控制单元2a、2b和2c，以及控制和管理上述控制单元2a、2b和2c的管理单元3，控制单元2a、2b、2c在管理单元3的管理下，在轧件进入一个机架并咬钢稳定时将其上游各机架转换为恒转矩控制状态，所进入的机架保持为速度控制状态，需要的数据采集完成后将其上游各机架恢复为速度控制状态。控制单元2a、2b以及2c分别包括对应的检测计算模块21a、21b以及21c和对应的主传动调速模块22a、22b以及22c，检测计算模块21a、21b和21c用于在轧件进入本机架并且上游各机架变为恒转矩控制状态时利用采集的数据计算本机架的轧辊力臂初始长度，以及在每次张力闭环控制循环中检测计算本机架的实际张力值，感应加热装置5对进入到机架的轧件进行温度控制，使进入到机架中的轧件温度均匀，以消除温度差对轧辊力臂长度的影响，当检测计算模块计算实际张力值时，当前轧辊力臂长度即为初始力臂长度。

参见图5，是本发明中钢轨轧件感应加热温度动态实时控制系统示意图。如图5所示，上述感应加热装置5设置在串列式万能轧机入口处，包括用于升高钢轨温度的第一加热模块和第二加热模块，以及用于均热钢轨的第三加热模块和第四加热模块，其中第一加热模块以及第三加热模块设置在加热钢轨的上部，第二加热模块以及第四加热模块设置在加热钢轨的下部，因第一加热模块与第三加热模块的加热部位相同，因此其加热功率模型也相同，具体如下：

P_H＝C*ρ*V*S_H*(Q_s-Q_inH)-------(1)

其中：

P_H为钢轨上部加热器输出的加热功率，单位kW；

C为钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；

ρ为钢轨比重，单位kg/m³

V为钢轨速度，单位m/s；

S_H为钢轨上部截面积，单位m²；

Q_s为钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；

Q_inH为入口钢轨上部温度，温度测量值，单位℃；

同时，因第二加热模块与第四加热模块的加热部位相同，其具体的模型如下：

P_F＝C*ρ*V*S_F*(Q_s-Q_inF)-------(2)

其中，上述式中各字母所代表的含义如下：

P_F---钢轨下部加热器输出的加热功率，单位kW；

C---钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；

ρ---钢轨比重，单位kg/m³

V---钢轨速度，单位m/s；

S_F---钢轨下部截面积，单位m²；

Q_s---钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；

Q_inF---入口钢轨下部温度，温度测量值，单位℃。

为了实现上述模块，本发明中在上述加热模块之前设置有温度前馈控制单元6a，设置在温度前馈控制单元6a外环上的反馈闭环控制单元5a，设置在内环上的加热功率控制单元4a，以及设置在加热功率控制单元4a输出端的整流逆变单元7a，其中温度前馈控制单元6a包括连接钢轨入口温度感应器与钢轨设定温度相比较的温度比较器，温度比较器将入口温度与钢轨设定温度进行比较后输入到温度比较器后的单元乘法器61a、62a，单元乘法器将公式(1)中的各数值相乘后得到需要加热补偿的功率P。通过温度前馈控制单元的作用，能为消除温度控制的主干扰量(即水印温差和头尾温差)提供前馈补偿。

反馈闭环控制单元5a设置在温度前馈补偿单元6a的外环上，反馈控制单元5a包括将轧件设定温度与轧件出口温度相比较的比较器，比较后，经设置在比较器之后的PI调节器51a输出加热功率，输出的加热功率与上述加热补偿的功率相加作为内环上的加热功率控制单元4a给定，加热功率控制单元4a内设置有单元PI调节器41a，单元PI调节器41a之前先将上述输入功率与功率反馈进行比较，单元PI调节器41a之后连接PWM调制单元，对输入的功率进行调制，以实现功率控制。

经过上述加热功率控制单元4a控制后的功率输入到整流逆变单元7a，整流逆变单元7a将经过处理后的数据输入到第一加热模块，下面以整流逆变单元7a为例进行说明。

整流逆变单元7a包括连接整流变压器1a(整流逆变单元7c以及整流逆变单元7d连接整流变压器1b)的整流模型71a，整流模型71a的输出端连接逆变模型72a，整流模型71a为逆变模型72a提供直流逆变电压，逆变模型72a输出加热功率以及加热频率，逆变模型72a的输出端连接电容模型73a，电容模型73a的输出端连接加热模块，从而使逆变模型72a中输出的加热功率、加热频率经电容模型输出到第一加热模块，实现加热功能。

上述感应加热装置5采用电磁感应“交-直-交”的变换，整流模块采用可控管功率器件组成，逆变模块采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的功率元件，感应线圈采用平面感应加热方式；另外还配备有输出电抗器、电容器、水冷电缆。

图5中，单元8a包括加热功率控制单元4a、反馈闭环控制单元5a、温度前馈补偿单元6a、整流逆变单元7a。由于单元8b、8c、8d均与单元8a同理，上述仅以单元8a为例。

按照工艺轧制规程来确定感应加热装置技术规格参数，需要如下工艺数据：(1)轧制速度和温降、每小时轧制根数：用于确定加热能力；(2)轧件温差及加热时间：包括水印温差及变化速度，用于确定加热装置温度“纠偏”能力，既加热装置必须有重复短时过载能力；(3)轧件头尾温差：用于确定加热功率；(3)钢轨加热深度；用于确定加热最高频率；

作为上述感应加热方式的一种实施例，其具体如下：以轧制60kg/m钢轨为例，按照如下技术规格制造感应加热装置：

(1)确定工艺数据：产能150t/h，速度1m/s，加热轨长度100m；轨头与尾温差100～150℃，轨帽与轨底的温差底50℃，水印温差50℃，水印温差速率25℃/秒；

(2)确定加热功率：加热功率合计5000kW，其中第一加热模块和第二加热模块供电的整流变压器2*2700kVA，第三加热模块和第四加热模块供电的整流变压器2*1000kVA。

(3)确定加热频率及电压：800～3000Hz，800V

(4)确定加热深度：约5～25mm

(5)加热速度：加热时间12秒；

(6)加热过载能力：短时重复过载能力1.5倍；

(7)加热供电电源：第一加热模块、整流变压器2*2400kVA，第三加热模块、整流变压器2*900kVA。

进入轧机的钢轨预先进行上述感应加热装置进行加热后，对预进入轧机的轧件实时控制温度，消除了轧件的温差。

同时，参见图1a和1b，上述轧件进入到轧机后，依次经过E机架上游机架、E机架以及E机架下游机架，其中，E机架上游机架、E机架以及E机架下游机架上的检测计算模块21a、21b以及21c用于在轧件进入本机架并且上游各机架变为恒转矩控制状态时利用采集的数据计算本机架的轧辊力臂初始长度，

E机架上游机架或E机架上的检测计算模块21a或21b以及E机架下游机架上的检测计算模块21c还用于在每次张力闭环控制循环中检测计算本机架的实际张力值，并根据检测计算结果与张力目标设定值之间的偏差向主传动调速模块输出信号；

E机架上游机架的主传动调速模块22a用于根据E机架上的检测计算模块21b或本机架的检测计算模块21a的信号调整本机架的轧制速度设定值，E机架下游机架上的主传动调速模块22c用于根据本机架上的检测计算模块21c的信号调整本机架的轧制速度设定值。

E机架上游机架或E机架上的检测计算模块21a或21b以及E机架下游机架上的检测计算模块21c分别包括对应的张力PI调节器211a或211b以及211c，E机架上游机架上的主传动调速模块22a根据E机架上的张力PI调节器211b或本机架上的张力PI调节器211a发来的信号调整本机架的轧制速度设定值，E机架下游机架上的主传动调速模块22c根据本机架上的张力PI调节器211c发来的信号调整本机架的轧制速度设定值。

E机架上游机架上的检测计算模块21a包括前张力计算模块212，轧件进入当前机架并咬钢稳定时，当前机架的上游各机架变为恒转矩控制状态，前张力计算模块212接收本机架的轧制力、主电机转矩并根据本机架初始力臂长度来计算此时的前张力值，该张力值用于E机架及其下游机架计算初始力臂长度时使用，具体计算方法将在后面说明。

优选地，每个机架上都设有轧制力检测装置，用于直接检测轧制力，轧制力检测装置将检测到的轧制力数值发送给本机架的控制单元2a、2b或2c中的检测计算模块21a、21b或21c，轧制力检测装置可以采用测压头4。目前在型钢类轧制方面，轧机机架间MTC微张力控制中采集轧制力数值是采用主电机转矩或电流“记忆法”，没有设置轧制力检测装置，无法得到轧制力臂长度，机架间张力无法检测，造成张力波动大。

基于上述系统，本发明的微张力控制方法主要过程如下：轧件经过感应加热器对轧件进行加热，加热后的轧件依次经过各机架连轧的过程中，进入当前机架并咬入稳定时，通过使上游各机架处于恒转矩控制状态得到当前机架的轧辊力臂初始长度，直到轧件进入最后一个机架并且也得到了最后一个机架的轧辊力臂初始长度时，系统投入张力闭环控制，每次闭环控制循环中分别检测E机架及其下游机架轧辊的轧制力得到轧辊力臂长度的变化量来计算机架间实际张力值，根据机架间实际张力值与张力目标设定值的比较结果来调整E机架上游和下游机架的轧制速度设定值。

优选地，轧制力的检测是通过轧制力检测装置直接检测。在上述方法启动之前，由轧机主传动张力模型构建主传动调速特性和能够实现的最小张力控制值。

如图2所示，本发明的微张力控制方法具体包括如下步骤：

步骤S1，轧件经过设置在机架前或后的感应加热器，对轧件进行加热，从而对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；

步骤S2，当加热后的轧件进入第一个机架并咬入稳定时，检测当前进入的机架的主电机转矩和轧制力，从而确定当前进入的机架的轧辊力臂初始长度；

步骤S3，当轧件进入下一个机架并咬入稳定时，轧件当前进入的机架为速度控制，其上游各机架均由速度控制转为恒转矩闭环控制并且给转矩控制环设定转矩基准值，采集轧件当前进入的机架及其上游各机架的主电机速度、轧制力和主电机转矩，从而确定轧件当前进入的机架的轧辊力臂初始长度和新的连轧速度级联因子，轧件当前进入的机架及其上游各机架按照新的连轧速度级联因子恢复速度控制，重复步骤S3，直至轧件进入最后一个机架并执行完上述步骤S3；

步骤S4，投入张力闭环控制：利用上述各个步骤中得到的各机架的轧辊力臂初始长度来构建本道次张力数学模型，连续不间断实时采集E机架及其上下游机架的主电机转矩、轧制力和主电机速度通过已构建的数学模型计算对应机架的实际张力值，分别根据各个实际值与对应的设定值之差来实时调整E机架上下游机架的轧制速度设定值，E机架的轧制速度设定值保持不变。

目前在板带类轧制方面，具有无活套张力连轧控制，在轧件存在“黑印”温差情况下，仍采用轧制力臂长度不变原则，即每一个道次轧制过程中，轧制力臂长度保持恒定不变，以此来检测计算张力。而本发明的微张力控制系统和方法针对型钢生产串列式万能轧制，特别是高速钢轨万能轧制，因此考虑了轧制力臂长度受轧制力大小的影响而变化，轧制力臂长度并非恒定不变，为此，设置轧件感应加热装置，从而提高了张力检测计算的准确度。特别是轧件出现“黑印”温差时，仍能很好地控制张力。

此外，本发明的微张力控制系统和方法在轧件进入的机架咬钢稳定后，其上游各机架的主电机的速度控制转为恒转矩控制，轧件进入的当前机架作为所有其上游机架的速度控制机架，在这种状态下采样主电机转矩和轧制力，来计算轧制力臂长度初始值，进一步提高张力测量计算的精度。同时，采样各机架间主电机实际速度，计算连轧速度级联关系也更加准确。

在串列式万能轧机中，以中间的E机架作为基准机架。而现有的串列式万能轧机MTC微张力控制系统忽略了E机架对张力的影响，并且现有的多机架连轧张力控制一般将末机架作为基准机架，对于可逆式串列式万能轧机来说不合理。本发明的微张力控制系统和方法将E机架也参与张力控制，未忽略E机架对张力的影响，以E机架轧制速度为基准，将E机架轧制速度保持不变的方式来调节各机架速度设定值，当各机架间张力出现偏差时分别调整E机架的上游机架速度设定值和下游机架速度设定值，以保证串列式万能轧制的微张力。

以E机架轧制速度为基准，调整E机架的上、下游机架速度设定值的过程可以通过以下两种方式完成：一种是检测E机架前张力T₂与后张力T₁之差ΔT，将该张力差反馈与给定张力差ΔT_*比较，经E机架的张力PI调节器211b输出来改变E机架上游机架的主传动转速，实现在线上游机架间微张力闭环控制，如图1a所示，其优点是能够避免E机架前后张力差ΔT_*波动较大造成的E轧机轧辊打滑振荡；另一种是检测E机架上游机架与E机架间张力，通过E机架上游机架的张力PI调节器211a改变本机架主传动速度，以保持E机架上游机架与E机架间微张力，同时检测E机架与E机架下游机架间张力，通过E机架下游机架的张力PI调节器211c改变本机架的主传动速度，以保持E机架与E机架下游机架间微张力，如图1b所示。由于在连轧过程中E机架承受前后张力之差，造成E机架轧辊易打滑振荡，张力控制不够稳定，所以避免E机架前后张力差值出现较大波动是解决目前张力控制的关键所在，所以本发明的优选方案是图1a所示的实施例1。

为了实现本发明的微张力控制，轧机的主传动调速模块22a、22b和22c必须具备实现微张力控制的能力，具体来说就是必须根据想要达到的最小张力水平来确定主传动调速模块22a、22b和22c的调速静差率S_e。

下面，以轧制高速钢轨的三机架UR/E/UF万能轧机为例进一步说明本发明的微张力控制系统和方法。因为UR/E/UF万能轧机是可逆式串列式轧机，所以轧件既可以经UF至UR轧制，又可以经UR至UF轧制，下面是以经UR至UF的轧制顺序为例。

目前，串列式万能轧机在轧制钢轨时，每一道次轧件的头部、尾部和中部因温度等原因受到的轧制力是不断变化的，使辊缝、辊速等变化，造成机架间张力也在变化，对轧件尺寸产生影响。因此，MTC微张力控制应采用“在线机架间实时张力计算”控制模式。该模式将轧制力参与张力控制，通过张力模型实时测量计算实际张力值，采用张力PI调节器对机架间张力形成闭环控制，调节各个机架的主电机转速，实现高精度张力控制。

本发明的微张力控制系统和方法需要如下几个关键数据和模型：轧件感应温度控制、轧制力检测、轧制力臂长度、轧制力矩动态模型、张力测量计算模型和主传动调速模块张力计算模型。

感应加热温度控制

为了消除轧件的温差问题，设置的感应加热温度控制模块，具体如下：感应加热装置中设置在钢轨轧件上部的第一加热模块和第三加热模块，其计算模型具体如下：

P_H＝C*ρ*V*S_H*(Q_s-Q_inH)-------(1)

其中：

P_H为钢轨上部加热器输出的加热功率，单位kW；

C为钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；

ρ为钢轨比重，单位kg/m³

V为钢轨速度，单位m/s；

S_H为钢轨上部截面积，单位m²；

Q_s为钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；

Q_inH为入口钢轨上部温度，温度测量值，单位℃；

同时，而设置在钢轨下部的第二加热模块与第四加热模块，其具体的模型如下：

P_F＝C*ρ*V*S_F*(Q_s-Q_inF)-------(2)

其中，上述式中各字母所代表的含义如下：

P_F---钢轨下部加热器输出的加热功率，单位kW；

C---钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；

ρ---钢轨比重，单位kg/m³

V---钢轨速度，单位m/s；

S_F---钢轨下部截面积，单位m²；

Q_s---钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；

Q_inF---入口钢轨下部温度，温度测量值，单位℃。

为了实现上述模块，继续参见图5，本发明中在上述加热模块之前设置有温度前馈控制单元6a，设置在温度前馈控制单元6a外环上的反馈闭环控制单元5a，设置在内环上的加热功率控制单元4a，以及设置在加热功率控制单元4a输出端的整流逆变单元7a，其中温度前馈控制单元6a包括连接钢轨入口温度感应器与钢轨设定温度相比较的温度比较器，温度比较器将入口温度与钢轨设定温度进行比较后输入到温度比较器后的单元乘法器61a、62a，单元乘法器将公式(1)中的各数值相乘后得到需要加热补偿的功率P。通过温度前馈控制单元的作用，能为消除温度控制的主干扰量(即水印温差和头尾温差)提供前馈补偿。

反馈闭环控制单元5a设置在温度前馈补偿单元6a的外环上，反馈控制单元5a包括将轧件设定温度与轧件出口温度相比较的比较器，比较后，经设置在比较器之后的PI调节器51a输出加热功率，输出的加热功率与上述加热补偿的功率相加输出作为内环上的加热功率控制单元4a给定，加热功率控制单元4a内设置有单元PI调节器41a，单元PI调节器41a之前先将上述输入功率与功率反馈进行比较，单元PI调节器41a之后连接PWM调制单元，对输入的功率进行调制，以实现功率控制。

经过上述加热功率控制单元4a控制后的功率输入到整流逆变单元7a，该整流逆变单元7a包括连接整流变压器1a的整流模型71a，整流模型71a的输出端连接逆变模型72a，整流模型71a为逆变模型72a提供直流逆变电压，逆变模型72a输出加热功率以及加热频率，逆变模型72a的输出端连接电容模型73a，电容模型73a的输出端连接加热模块，从而使逆变模型72a中输出的加热功率、加热频率经电容模型输出到加热模块，实现加热功能。

参见图1a、1b，上述感应加热装置5采用电磁感应“交-直-交”的变换，整流模块采用可控管功率器件组成，逆变模块采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的功率元件，感应线圈采用平面感应加热方式；另外还配备有输出电抗器、电容器、水冷电缆。

轧制力检测

实现机架间实时MTC微张力控制，首先需要解决轧制力检测问题。目前，钢轨生产万能轧制方面，TCS工艺控制所需的轧制力是通过轧辊油缸压力传感器检测油压力，从油压力转换成轧制力，需要进行计算处理得到轧制力。对张力闭环控制来说，经过计算处理得到的轧制力，其实时性较差，对张力闭环调节控制不适合。

因此，本发明提出另外一种获得轧制力的方式，参见图3，在钢轨生产万能轧制过程中，采用轧制力检测装置比如测压头直接检测轧辊1的轧制力。获得串列式万能轧机MTC微张力闭环控制所需的轧制力之后，根据此轧制力来计算机架间张力，实现微张力闭环控制。

如图3所示，轧机的每个机架安装一套测压头4，优选包含两个测压头4，分别安装在上轧辊1两侧的液压HGC(Hydraulic Gap control，液压辊缝控制)油缸12与轴承座11之间。优选地，通常测压头4标称压力Fnom为10MN,最大承受尖峰压力27MN。

轧制力臂长度

轧制力矩如图4所示，轧机在轧制时，人字齿轮机座传动比1:1，动态方程为：

$M=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}+2*L*P-R*T_f+R*T_b+M_s---\left(3\right)$

式中：M–电机电磁转矩，单位：N·m，通过主传动调速模块22a、22b和22c可以实时检测；

L-轧制力臂，单位：m；

P–水平轧辊轧制力，单位：N，通过测压头4检测；

R-轧辊半径r的2倍，即R＝2*r；单位：m，已知数据；

T_f–前轧件张力，单位：N；

T_b–后轧件张力，单位：N；

ω–电机角速度，单位：弧度/s，ω＝(2π/60)*n，通过测速装置检测；

J–电机轴上总转动惯量，单位：kg/m²，已知数据；

Ms–摩擦磁转矩，单位：N·m；已知数据，可以忽略不计。

上式中，根据轧制理论，轧制力臂长度L如下式：

$L=\mathrm{\λ}\sqrt{R(H-h+\frac{c}{b}*P)}---\left(4\right)$

式中：λ–力臂系数，约为0.4；

c–常数0.00024；

b–轧件平均厚度，单位mm；

H–入口轧件厚度，单位mm；

h–出口轧件厚度，单位mm；

设某时刻轧制力臂基准值为L₀，则由式(4)得：

$L_0=\mathrm{\λ}\sqrt{R(H_0-h_0+\frac{c}{b}*P_0)}---\left(5\right)$

设轧制力臂变化为ΔL，得：

L＝L₀+ΔL --------(6)

根据式(4)、(5)和(6)得出：

$L=L_0+\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\λ}\sqrt{R\[(H_0+\mathrm{\Δ}H)-(h_0+\mathrm{\Δ}h)+\frac{c}{b}*(P_0+\mathrm{\Δ}P)}\]$

即： $\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\λ}\sqrt{{\left(\frac{L_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+R*(\mathrm{\Δ}H-\mathrm{\Δ}h+\frac{c}{b}*\mathrm{\Δ}P)}-L_0---\left(7\right)$

因为串列式万能轧机配置有液压AGC自动厚度控制功能，所以在之前的道次使用了AGC控制，使得同一根钢轨的尺寸的波动较小，对式(7)中的变化量ΔH和Δh(轧件在机架入口的厚度和在机架出口的厚度沿长度方向上的变化)几乎可以忽略不计，所以式(7)简化为：

$\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\λ}\sqrt{{\left(\frac{L_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^2+R*\frac{c}{b}*\mathrm{\Δ}P}-L_0---\left(8\right)$

从式(8)可见，根据轧制力P的变化量，可以计算出轧制力臂变化量。

同时，因在轧机出入口处设置了感应加热装置，对轧件进行动态实时温度控制，消除轧件温差，所以，因温差使(8)式中轧制力变化而导致轧制力臂变化可以不计；另外，由于轧机采用了HAGC液压辊缝厚度控制，同一道次钢轨轧件长度方向上厚度差使轧制力的变化，对于(8)式轧制力臂长度变化量ΔL来说，可以忽略不计。因此，在同一道次过程中，可以认为轧制力臂长度变化量ΔL＝0，轧制力臂长度基本恒定不变。

当ΔL＝0时，由(7)式得：

L＝L₀ --------(9)

轧机出入口处的感应加热装置可使钢轨轧件的轨帽、轨腰、轨底温度差，以及长度方向上头尾温差、“黑印”(也称“水印”)温差消除，这样使张力模型的轧制力臂计算更加简单有效。

轧制力矩动态模型

由式(3)和(6)，忽略Ms摩擦转矩之后，整理为：

$M=J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}+2*(L_0+\mathrm{\Δ}L)*P-R*T_f+R*T_b---\left(10\right)$

上式为张力控制基本模型。

张力测量计算模型

根据式(9)和(10)，UR机架张力公式如下：

$T_1={\frac{1}{R}}_R(J\frac{{\mathrm{d\ω}}_R}{dt}+2*L_{R0}*P_R-M_R)------\left(11\right)$

根据式(9)和(10)，UF机架张力公式如下：

$T_2={\frac{1}{R}}_F(M_F-J\frac{{\mathrm{d\ω}}_F}{dt}-2*L_{F0}*P_F)----\left(12\right)$

根据式(9)和(10)，E机架间张力公式如下：

$T_1-T_2={\frac{1}{R}}_E(M_E-J\frac{{\mathrm{d\ω}}_E}{dt}-2*L_{E0}*P_E)----\left(13\right)$

因设置了感应加热装置消除轧件温差，使得当前的轧辊力臂长度为初始力臂长度，即式(11)、(12)、(13)中已经没有了轧制力臂长度变化量ΔL，因此，在同一道次过程中，张力计算更加简单实用有效。特别是钢轨长度方向上的头尾张力变化减小，张力更加稳定。

如果轧机出口钢轨轧件截面积为S(单位：mm²)，则钢轨单位面积承受的张力为T₁/S或者T₂/S(kg/mm²)，即单位张应力。

在图1a所示的实施例1中，采集E机架主电机转矩M_E、轧制力P_E、以及主电机实际速度值ω_E输入给本机架的检测计算模块21b，检测计算模块21b实时计算E机架前后张力差值，将算出的E机架前后张力差值与张力差目标设定值比较得到UR机架的前张力调节值，输入给张力PI调节器211b，张力PI调节器211b的输出作为UR机架的主传动调速模块22a的输入，UR机架的主传动调速模块22a根据E机架上的张力PI调节器211b发来的信号调整本机架的轧制速度设定值。同时，采集UF机架主电机转矩M_F、轧制力P_F、以及主电机实际速度值ω_F输入给本机架的检测计算模块21c，检测计算模块21c实时计算UF机架的后张力值，将算出的UF机架的后张力值与后张力目标设定值比较得到UF机架的后张力调节值，输入给本机架的张力PI调节器211c，张力PI调节器211c的输出作为本机架上主传动调速模块22c的输入，UF机架的主传动调速模块22c根据PI调节器211c发来的信号调整本机架的轧制速度设定值。

这样就实现了瞬时动态情况下，E机架前张力和后张力之差的实时控制，同时也控制了E机架与UR机架之间和与UF机架之间的张力。在张力闭环控制过程中，因E机架减面率较小(与相邻万能U机架相比较轧制功率相差一倍)，必须保持E机架速度恒定不变，以E轧机速度为基准调节其他机架速度，这是串列式万能轧制微张力控制需要遵循的原则。

主传动调速模块张力计算模型

张应力控制水平约小于10％高温变形强度，随着钢轨轧制道次增加，张应力水平是可以逐步增加的，一般控制在0.15kg/mm²以内即可。

一方面，通过建立主传动调速模块张力计算模型，对主传动调速模块22a和22c的特性参数进行计算，确定能够实现微张控制的主传动特性参数，从而可建立适应微张力控制的主传动调速模块22a和22c。

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Δ}N}{2S_e}=\frac{M_T}{M_e}---\left(13\right)$

式中：---稳态调速精度，单位％，定义：转速给定值n^*与转速实际值n之差，基于与额定转速的百分比；

S_e---调速静差率，单位％，定义：在某一定设定速度下，负载转矩变化由空载到额定负载转矩时，空载转速n₀与额定负载转矩下的转速n之差，基于与额定转速的百分比；

M_T---张力力矩，单位N·m，M_T＝T*R，T为张力、R为轧辊半径；

Me---电机额定转矩，单位N·m。

由式(13)得调速静差率S_e：

$S_e=\frac{\mathrm{\Δ}N*M_e}{2*T*R}---\left(14\right)$

ΔN值实质上就是相邻机架轧件速差，速差与张力大小成正比，为实现“微”张力，控制速差ΔN越小越好，但速差ΔN最小值受主传动调速模块22a和22c的稳态调速精度所限。如果调速模块22a和22c的稳态调速精度能达到±0.01％，则相邻机架轧件速差ΔN最小值为ΔN＝2*0.01％＝0.02％。

公式(14)中，张力T与静差率S_e成反比，静差率S_e越小，主传动调速模块22a和22c的特性越硬，在同样的速差ΔN下张力T越大。张力控制过程中，总是因某种原因先出现速差ΔN，造成张力变化，通过张力检测，让主传动调速模块22a和22c再去纠正和抵消这个偏差，此时若静差率S_e太小，主传动调速模块22a和22c特性硬，张力波动就大，在主传动调速模块22a和22c还没有纠偏前，原希望的微张力值就已经遭到破坏。所以必须通过公式(14)来计算静差率S_e，让主传动调速模块22a和22c的调速特性在张力控制投入之后，具有希望的静差率S_e，以实现微张控制。需要指出的是，主传动调速模块22a和22c能够设置参数，能够设置用户所需要的静差率S_e。

或者由式(13)得最小张力水平T：

$T=\frac{\mathrm{\Δ}N*M_e}{2*S_e*R}---\left(15\right)$

另一方面，在实际应用中，综合考虑各种因素(如轧件温降、轧制速度及产量等因素)，可以事先人为确定一个静差率S_e，并根据主传动调速模块22a和22c的稳态调速精度ΔN(稳态调速精度ΔN与主传动调速模块22a和22c有关，由主传动调速模块22a和22c保证的精度，是预先确定的常数)，通过公式(15)计算张力T，计算出来的张力T^*就是系统能够达到的张力最小值，用该值结合对轧件高温变形强度的考虑，最后确定机架间张力目标设定值T_1*。计算出来的张力T^*作为张力最小目标值，其对应的张应力(kg/mm²)是否在高温变形强度允许范围内，这与轧件钢种有关，例如，根据有关热轧资料，张应力可达到0.7kg/mm²。

基于上述数据检测方法和计算模型，如图1a、图1b和图2所示，本发明的微张力控制方法的详细过程如下：

步骤S1，轧件进入到感应加热装置中的加热模块，以消除温差；

步骤S2，轧件咬入UR机架进入稳态并接近E机架时，计算UR机架的轧制力臂初始长度L_R0

由式(9)得：

M_R0＝2*L_R0*P_R0 --------(16)

由式(16)得：

$L_{R0}=\frac{M_{R0}}{2P_{R0}}---\left(17\right)$

上式中：M_R0–UR机架主电机电磁转矩，即：E机架未咬钢时的UR机架主电机稳态转矩，稳态转矩可以由主传动调速模块22a实时测量得到，单位：N·m；

P_R0–轧制力，E机架未咬钢时的UR机架的轧制力，通过测压头4检测得到万能模式下轧辊的轧制力，单位：N；

L_R0–轧制力臂初始长度，UR机架的轧制力臂，该值在每道次轧制时均可通过M₀/P₀计算得到，并保存在计算机存储介质中，单位：m。

步骤S3，钢轨经由UR机架进入E机架咬入稳定后，UR机架的主电机由速度控制改为恒转矩闭环控制，转矩设定基准值M_R*计算如下：

M_R*＝M_R0-M_RT*＝M_R0-R_R*T_1* ------(18)

式中，T_1*为UR/E机架间张力目标设定值，单位N，为已知数据，可以事先通过公式(15)计算得到；

R_R为UR机架轧辊半径r的2倍，单位m；

M_R0为UR机架电机电磁转矩，即E机架未咬钢时的UR轧机主电机稳态转矩，稳态转矩可以由主传动调速模块22a实时测量得到，单位：N·m。

由于轧件温度不会突变，故轧制力也不会突然变化，这样就可以在短时间内维持UR机架恒转矩闭环控制、E机架闭环速度控制的状态。当轧件穿过E机架时，UR机架的速度自动地调整配合以维持在转矩设定基准值M_R*。

此时，完成如下的UR/E机架连轧速度级联因子和E机架轧制力臂计算：

在UR机架恒转矩控制状态下，采样UR、E各机架主电机实际速度值，计算UR和E机架连轧速度级联因子。

采集UR机架上轧辊的轧制力P_R1和主电机转矩M_R1给前张力计算模块212，前张力计算模块212根据步骤S1中得到的UR机架轧辊力臂初始长度L_R0计算此时UR机架的前张力；采集E机架上轧辊的轧制力P_E0和主电机转矩M_E0，然后计算此时E机架的后张力，由式(9)得：

M_R1＝2*(L_R0+ΔL_R)*P_R1-R_R*T_Rf --------(19)

式中：ΔL_R≈0

M_{E 0}＝2*L_E0*P_E0+R_E*T_Eb --------(20)

式中：前张力T_Rf后张力T_Eb

由式(19)和(20)组合，可求解E机架轧制力臂初始长度L_E0和UR/E机架间张力T_Rf(或T_Eb)。

钢轨咬入E机架并按照上述公式计算UR/E机架连轧速度级联因子和E机架轧制力臂初始长度之后，UR机架主电机与E机架按照新的连轧速度级联因子恢复原速度控制。

这里，连轧速度级联因子是指给定机架的轧件入口断面面积与出口断面面积之商，也可以认为是就某个机架来说出口轧件的速度与入口轧件的速度之商。

钢轨进入UF机架，UF机架咬入稳定后，UR和E机架主电机由速度控制改为恒转矩闭环控制。UR机架间转矩设定基准值与式(18)相同，E机架间转矩设定基准值M_E*等于转矩M_E0减去“UR/E机架间张力控制目标值T_1*”与“E/UF机架间张力控制目标值T_2*”之差乘R_E的积。

此时，采集UR机架上轧辊的轧制力P_R2和主电机转矩M_R2给前张力计算模块212，前张力计算模块212根据步骤S2中得到的UR机架轧辊力臂初始长度L_R0计算此时UR机架的前张力；采集E机架上轧辊的轧制力P_E1和主电机转矩M_E1，然后计算此时E机架的前后张力之差；采样UF机架上轧辊的轧制力P_F0和主电机转矩M_F0，然后计算此时UF机架的后张力，计算方法参考式(21)、式(22)，从而计算出UF机架轧制力臂初始长度L_F0。另外，采样UR、E、UF各机架实际速度，计算这三个机架之间的连轧速度级联因子。

UF机架咬钢稳定并且采样计算完成后，UR/E机架主电机由转矩控制恢复速度控制，UR/E/UF各机架速度按照新的连轧速度级联因子设置。在此，如果采用实施例1的微张力实时控制方式，则流程进行到步骤S4，如果采用实施例2的微张力实时控制方式，则流程进行到步骤S4。

步骤S4，按照如下过程投入张力闭环控制：

对应如图1a所示的实施例1，E机架张力闭环控制投入，将步骤S3中得到的L_E0、测压头4检测到的轧制力P_E、主传动调速模块22b检测到的E机架主电机转矩M_E和通过检测装置检测到的E机架主电机实际速度带入式(12)中计算得到E机架前张力T₂与后张力T₁之差ΔT，根据张力差目标设定值ΔT_*与实际张力差ΔT之差，E机架张力PI调节器211b向UR机架主传动调速模块22a输出信号，UR机架主传动调速模块22a收到信号后调整UR机架速度设定值。

UF机架张力闭环控制投入，将步骤S3中得到的L_F0、测压头4检测到的轧制力P_F、主传动调速模块22c检测到的UF机架主电机转矩M_F和通过检测装置检测到的UF机架主电机实际速度入式(11)中计算得到实际张力T₂，根据张力目标设定值T_2*与实际张力T₂之差，张力PI调节器211c向主传动调速模块22c输出信号，主传动调速模块22c收到信号后调整UF机架速度设定值。

步骤S4，按照如下过程投入张力闭环控制：

对应如图1b所示的实施例2，UR机架张力闭环控制投入，将步骤S2中得到的L_R0、测压头4检测到的轧制力P_R、主传动调速模块22a检测到的UR机架主电机转矩M_R和通过检测装置检测到的UR机架主电机实际速度带入式(10)中计算得到UR机架实际张力T₁，根据张力目标设定值T_1*与实际张力T₁之差，UR机架张力PI调节器211a向主传动调速模块22a输出信号，UR机架主传动调速模块22a收到信号后调整UR机架速度设定值。

UF轧机张力闭环控制投入，将步骤S3中得到的L_F0、测压头4检测到的轧制力P_F、主传动调速模块22c检测到的UF机架主电机转矩M_F和通过检测装置检测到的UF机架主电机实际速度入式(11)中计算得到实际张力T₂，根据张力目标设定值T_2*与实际张力T₂之差，张力PI调节器211c向主传动调速模块22c输出信号，主传动调速模块22c收到信号后调整UF机架速度设定值。

在张力闭环控制过程中，以E机架的轧制速度为基准，E机架速度设定值保持不变。

由于机架主传动电机速度采用闭环控制，完成数据采集、模型计算、数据输出的循环周期优选小于1ms，主传动电机实际速度将实时跟随“速度设定值”。

经UF至UR轧制与UR至UF轧制类似。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (12)

1.一种淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，包括设置在E机架上游机架入口处的感应加热装置(5)，分别设置在E机架上游机架、E机架和E机架下游机架上的控制单元(2a、2b、2c)，以及控制和管理上述控制单元(2a、2b、2c)的管理单元(3)，控制单元(2a、2b、2c)在管理单元(3)的管理下，在轧件进入一个机架并咬钢稳定时将其上游各机架转换为恒转矩控制状态，控制单元(2a、2b、2c)分别包括对应的检测计算模块(21a、21b、21c)，检测计算模块(21a、21b和21c)用于在轧件进入本机架并且上游各机架变为恒转矩控制状态时利用采集的数据计算本机架的轧辊力臂初始长度，以及在每次张力闭环控制循环中检测计算本机架的实际张力值，感应加热装置(5)对进入到机架的轧件进行温度控制，使进入到机架中的轧件温度均匀，以消除温度差对轧辊力臂长度的影响，当检测计算模块计算实际张力值时，当前轧辊力臂长度即为初始力臂长度；

感应加热装置(5)包括用于升高钢轨温度的第一加热模块和第二加热模块，以及用于均热钢轨的第三加热模块和第四加热模块，其中第一加热模块以及第三加热模块设置在加热钢轨的上部，第二加热模块以及第四加热模块设置在加热钢轨的下部；

第一加热模块与第三加热模块的加热功率为：

P_H＝C*ρ*V*S_H*(Q_s-Q_inH)

其中：P_H为钢轨上部加热器输出的加热功率，单位kW；C为钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ为钢轨比重，单位kg/m³；V为钢轨速度，单位m/s；S_H为钢轨上部截面积，单位m²；Q_s为钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inH为入口钢轨上部温度，温度测量值，单位℃；

第二加热模块与第四加热模块的加热功率为：

P_F＝C*ρ*V*S_F*(Q_s-Q_inF)

上述，P_F---钢轨下部加热器输出的加热功率，单位kW；C---钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ---钢轨比重，单位kg/m³；V---钢轨速度，单位m/s；S_F---钢轨下部截面积，单位m²；Q_s---钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inF---入口钢轨下部温度，温度测量值，单位℃。

2.根据权利要求1所述淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，每个加热模块还连接有温度控制模块，温度控制模块包括设置在加热模块之前的温度前馈控制单元(6a)、设置在温度前馈控制单元(6a)外环上的反馈闭环控制单元(5a)、设置在内环上的加热功率控制单元(4a)、以及设置在加热功率控制单元(4a)输出端的整流逆变单元(7a)，其中温度前馈控制单元(6a)能为消除温度控制的主干扰量提供前馈补偿；反馈闭环控制单元(5a)能排除主干扰以外的温度干扰；加热功率控制单元(4a)输出功率。

3.根据权利要求2所述淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，温度前馈控制单元(6a)包括将轧件入口温度与轧件设定温度进行比较的温度比较器、连接到温度比较器输出端的单元乘法器(61a、62a)，单元乘法器各数值相乘后得到需要加热补偿的功率；反馈闭环控制单元(5a)包括将轧件设定温度与轧件出口温度相比较的温度比较器，比较后，经设置在比较器之后的PI调节器(51a)输出加热功率，输出的加热功率与上述加热补偿的功率相加输出到设置在内环上的加热功率控制单元(4a)，加热功率控制单元(4a)内设置有单元PI调节器(41a)，单元PI调节器(41a)输入端为将输入功率与功率反馈进行比较的数值，单元PI调节器(41a)输出端连接PWM调制单元，对输入的功率进行调制，以实现功率控制。

4.根据权利要求3所述淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，加热功率控制单元(4a)的输出端连接整流逆变单元(7a)，以将控制后的功率输入到整流逆变单元(7a)。

5.根据权利要求4所述淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，整流逆变单元(7a)包括连接整流变压器(1a)的整流模型(71a)，整流模型(71a)的输出端连接逆变模型(72a)，整流模型(71a)为逆变模型(72a)提供直流逆变电压，逆变模型(72a)输出加热功率以及加热频率，逆变模型(72a)的输出端连接电容模型(73a)，电容模型(73a)的输出端连接加热模块，从而使逆变模型(72a)中输出的加热功率、加热频率经电容模型输出到加热模块中。

6.根据权利要求1所述淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，控制单元(2a、2b和2c)分别包括对应的主传动调速模块(22a、22b和22c)，

E机架上游机架或E机架上的检测计算模块(21a或21b)以及E机架下游机架上的检测计算模块(21c)还用于在每次张力闭环控制循环中根据计算的本机架的实际张力值与张力目标设定值之间的偏差向主传动调速模块输出信号；

E机架上游机架上的主传动调速模块(22a)用于根据E机架或本机架上的检测计算模块(21b或21a)的信号调整本机架的轧制速度设定值，E机架下游机架上的主传动调速模块(22c)用于根据本机架上的检测计算模块(21c)的信号调整本机架的轧制速度设定值。

7.如权利要求6所述的淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，E机架上游机架或E机架上的检测计算模块(21a或21b)以及E机架下游机架上的检测计算模块(21c)分别包括对应的张力PI调节器(211a或211b以及211c)，张力PI调节器(211a或211b和211c)根据实际张力值与对应的张力目标设定值之差向主传动调速模块(22a和22c)输出信号。

8.如权利要求6所述的淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，各个机架上分别设有轧制力检测装置，轧制力检测装置将检测到的轧制力数值发送给本机架的控制单元(2a、2b或2c)中的检测计算模块(21a、21b或21c)。

9.如权利要求6所述的淬火钢轨轧制微张力控制系统，其特征在于，E机架上游机架上的检测计算模块(21a)包括前张力计算模块(212)，轧件进入当前机架并咬入稳定时，当前机架上游各机架变为恒转矩控制状态，前张力计算模块(212)接收本机架的轧制力、主电机转矩并根据本机架初始力臂长度来计算此时的前张力值。

10.一种淬火钢轨轧制微张力控制方法，其特征在于，包括如下步骤：轧件经过设置在机架前后的感应加热装置的加热，对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；轧件依次经过各机架连轧的过程中，进入当前机架并咬入稳定时，通过使上游各机架处于恒转矩控制状态得到当前机架的轧辊力臂初始长度，直到轧件进入最后一个机架并且也得到了最后一个机架的轧辊力臂初始长度时，系统投入张力闭环控制，每次闭环控制循环中用E机架及其下游机架轧辊力臂的初始长度作为当前轧辊力臂长度来计算机架间实际张力值，根据机架间实际张力值与张力目标设定值的比较结果来调整E机架上游和下游机架的轧制速度设定值；

感应加热装置包括用于升高钢轨温度的第一加热模块和第二加热模块，以及用于均热钢轨的第三加热模块和第四加热模块，其中第一加热模块以及第三加热模块设置在加热钢轨的上部，第二加热模块以及第四加热模块设置在加热钢轨的下部；

第一加热模块与第三加热模块的加热功率为：

P_H＝C*ρ*V*S_H*(Q_s-Q_inH)

其中：P_H为钢轨上部加热器输出的加热功率，单位kW；C为钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ为钢轨比重，单位kg/m³；V为钢轨速度，单位m/s；S_H为钢轨上部截面积，单位m²；Q_s为钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inH为入口钢轨上部温度，温度测量值，单位℃；

第二加热模块与第四加热模块的加热功率为：

P_F＝C*ρ*V*S_F*(Q_s-Q_inF)

上述，P_F---钢轨下部加热器输出的加热功率，单位kW；C---钢轨轧件比热容，单位J/kg*℃；ρ---钢轨比重，单位kg/m³；V---钢轨速度，单位m/s；S_F---钢轨下部截面积，单位m²；Q_s---钢轨设定温度，控制目标值，单位℃；Q_inF---入口钢轨下部温度，温度测量值，单位℃。

11.如权利要求10所述的淬火钢轨轧制微张力控制方法，其特征在于，该方法进一步包括如下步骤：

步骤S1，轧件经过设置在机架前的感应加热装置的加热，对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；

步骤S2，当轧件进入第一个机架并咬入稳定时，检测当前进入的机架的主电机转矩和轧制力，从而确定当前进入的机架的轧辊力臂初始长度；

步骤S3，当轧件进入下一个机架并咬入稳定时，轧件当前进入的机架为速度控制，其上游各机架均由速度控制转为恒转矩闭环控制并且给转矩控制环设定转矩基准值，采集轧件当前进入的机架及其上游各机架的主电机速度、轧制力和主电机转矩，从而确定轧件当前进入的机架的轧辊力臂初始长度和新的连轧速度级联因子，轧件当前进入的机架及其上游各机架按照新的连轧速度级联因子恢复速度控制，重复步骤S3，直至轧件进入最后一个机架并执行完上述步骤S3；

步骤S4，投入张力闭环控制：利用上述各个步骤中得到的各机架的轧辊力臂初始长度来构建本道次张力数学模型，连续不间断实时采集E机架及其下游机架的主电机转矩、轧制力和主电机速度，通过已构建的数学模型计算E机架的实际前后张力值之差和E机架下游机架的实际张力值，分别根据各个实际值与对应的目标设定值之差来实时调整上下游机架的轧制速度设定值，E机架的轧制速度设定值保持不变。

12.如权利要求10所述的淬火钢轨轧制微张力控制方法，其特征在于，该方法进一步包括如下步骤：

步骤S1，轧件经过设置在机架前的感应加热装置，对轧件进行加热，从而对轧件温度实时控制，以减小轧件温差；

步骤S2，当轧件进入第一个机架并咬入稳定时，检测当前进入的机架的主电机转矩和轧制力，从而确定当前进入的机架的轧辊力臂初始长度；

步骤S3，当轧件进入下一个机架并咬入稳定时，轧件当前进入的机架为速度控制，其上游各机架均由速度控制转为恒转矩闭环控制并且给转矩控制环设定转矩基准值，采集轧件当前进入的机架及其上游各机架的主电机速度、轧制力和主电机转矩，从而确定轧件当前进入的机架的轧辊力臂初始长度和新的连轧速度级联因子，轧件当前进入的机架及其上游各机架按照新的连轧速度级联因子恢复速度控制，重复步骤S3，直至轧件进入最后一个机架并执行完上述步骤S3；

步骤S4，投入张力闭环控制：利用上述各个步骤中得到的各机架的轧辊力臂初始长度来构建本道次张力数学模型，连续不间断实时采集E机架的上游机架和E机架的下游机架的主电机转矩、轧制力和主电机速度，通过已构建的数学模型计算上下游机架的实际张力值，分别根据各个实际张力值与对应的张力目标设定值之差来实时调整E机架的上下游机架的轧制速度设定值，E机架的轧制速度设定值保持不变。