CN107321799A - 一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，包括轧制规程优化制定模块、弹性辊径配辊模块、力能参数计算模块和轧机辊系，来料厚度、成品厚度、带材宽度、最大轧制力、最大压下率和工作辊直径输入所述轧制规程优化制定模块后，输出轧制道次、总压下率、各道次压下率、轧制力、前后张力、轧制速度、轧制功率和轧制道次出口厚度；辊径补偿偏心距、压下调整偏心距和所述轧制道次出口厚度输入所述弹性辊径配辊模块后，输出工作辊径、第一中间辊径、第二中间辊径和压下调整角。本发明提供的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，无需积累长期的生产数据就能采用来料厚度、成品厚度等进行轧机控制工艺参数的制定。

Description

一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统

技术领域

本发明涉及金属加工板带轧制技术领域，涉及一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，该控制系统可完成轧制规程优化制定、弹性辊径配辊、力能参数计算等。

背景技术

二十辊轧机是精密轧制的代表性产品。在生产过程中，轧制工艺参数决定了轧制效率和质量。轧制规程主要包括轧制道次、压下率、轧制力、前后张力等的分配。国内钢铁企业主要采用经验法、能耗曲线法进行不同钢种轧制工艺的制定，设备利用效率较低。

随着生产的不断进行，轧辊磨损达到一定限度后不能再继续使用。此时需进行轧辊更换。二十辊轧机设置了辊径补偿、压下调整、辊型调整等控制机构。传统的配辊主要采用经验法，并未考虑辊系接触弹性变形影响。对新投产的企业，往往需要1-2年时间摸索过程。

力能参数是轧机控制的关键。力能参数包括轧机运行工况辊系接触载荷分布、载荷放大系数、驱动扭矩等。其中辊系接触载荷是配辊的输入，载荷放大系数、驱动扭矩等是轧制规程制定的输入。部分文献给出了力能参数估值范围，无法根据轧制规程确定其准确数值。

因此，为科学制定二十辊轧机轧制规程参数，快速完成复杂的配辊操作，准确计算辊系载荷、载荷放大系数、驱动扭矩等参数，充分发挥二十辊轧机的生产能力，开发便捷的工艺系统是本发明的关键。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统。

其采用如下技术方案：一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，包括轧制规程优化制定模块、弹性辊径配辊模块、力能参数计算模块和轧机辊系，

来料厚度、成品厚度、带材宽度、最大轧制力、最大压下率和工作辊直径输入所述轧制规程优化制定模块后，输出轧制道次、总压下率、各道次压下率、轧制力、前后张力、轧制速度、轧制功率和轧制道次出口厚度；

辊径补偿偏心距、压下调整偏心距和所述轧制道次出口厚度输入所述弹性辊径配辊模块后，输出工作辊径、第一中间辊径、第二中间辊径和压下调整角；

所述轧制道次出口厚度、所述压下调整角、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和辊径补偿角输入所述力能参数计算模块后，输出辊系载荷、驱动扭矩、载荷放大系数；

所述轧机辊系包括工作辊、第一中间辊组、第二中间辊组、支承辊组，所述第一中间辊组设置于所述工作辊上方，所述第二中间辊组设置于所述第一中间辊组上方，所述第二中间辊组包括设置于两侧的两个驱动辊和设置于中间的自由辊，所述第二中间辊组上方设置所述支承辊组，所述支承辊组包括设置于所述驱动辊两侧的两个单偏心支承辊和设置于所述自由辊上方的两个双偏心支承辊。

进一步地，在上述技术方案中，所述轧制规程优化模块的运算步骤包括：

S1-1：输入来料厚度、出口厚度、最大压下率、最大轧制力等已知参数；

S1-2：根据如下公式预估算轧制道次n：

式中，h₀为初始厚度，h_t为目标厚度(单位mm)，ε_max为最大压下率；

S1-3：确定等压下率模式，并计算平均压下率；

S1-4：比较平均压下率是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-5：计算入口厚度、出口厚度、轧制力；

S1-6：比较轧制力是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-7：比较轧制道次是否超过6，若超过6则减1；

S1-8：确定不同道次轧制载荷的比例；

S1-9：根据等压下率计算的各道次道次厚度为区间初始化优化种群；

S1-10：通过隐式Bland-Ford-Hill模型计算轧制力；

S1-11：检查所计算的压下率、轧制力等是否满足约束条件，若满足则转向下一步骤，否则转向S1-9；

S1-12：计算轧制力成比例目标函数以及种群中各个个体适应度函数值，找出最大适应度值，计算平均适应度值。

S1-13：对染色体进行评价，按照轮盘赌法对染色体进行选择；

S1-14：若在所给定的限制条件下，循环次数满足种群的最大遗传代数，则输出最优解，终止整个算法，否则转向下一步骤；

S1-15：按照自适应遗传算法的交叉概率和变异概率公式计算交叉概率和变异概率，并对染色体进单切点交叉和变异操作，然后转向S1-9，生成新种群；

S1-16：若无法满足要求，则转向S1-7，道次数加1；若满足则输出结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述弹性辊径配辊模块的运算步骤包括：

S2-1：输入出口厚度、轧辊测量后的直径等已知参数；

S2-2：输入辊径补偿角为-15°，压下调整角为-30°；

S2-3：选择弹性配辊类型(弹性配辊模块可分为第一中间辊求解、第二中间辊求解、工作辊求解)；

S2-4：根据轧制道次的辊系载荷求解轧辊弹性压扁值，修改辊径；

S2-5：输入该道次的出口厚度；

S2-6：输入所求辊径的初始值，进行辊缝求解；

S2-7：若所计算的辊缝值与输入的辊缝值之差的绝对值小于规定的误差，则返回步骤S2-6，修改辊径值；若小于规定的误差则输出结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述力能参数计算模块的运算步骤包括：

S3-1：所述轧制规程优化模块输出出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和接触弧长数据；

S3-2：所述弹性配辊工艺模块输出的辊径和辊缝数据输入所述力能参数计算模块；

S3-3：进行求解初始压下调整角；

S3-4：迭代求解α_A、α_C、α_D、α_G、P_I、P_J、α_I等力能参数；

S3-5：求解放大系数，传递扭矩等参数，输出计算结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S1-5所述的各道次轧制力满足如下公式：

S.t ε_i≤ε_max，P_i≤P_max，M_i≤M_max 公式(3)

式中，Pi为道次轧制载荷，ai为轧制力比例值，轧制力按成比例分配策略的优化目标函数为obj，εi为道次压下率，Pi为轧制载荷，Mi为道次驱动扭矩。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S2-4所述辊径满足如下公式：

r′_i＝r_i+δ_i 公式(5)

式中，δ_i为塔型辊系的辊子之间的辊径在接触载荷作用下的变化量，ξ为泊松比，E为弹性模量，l为辊面接触长，根据Hertz接触理论仅考虑弹性压扁的影响，r′_i为实际需要的辊径，r_i为弹性压扁前的辊径。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S3-1所述辊径满足如下公式：

式中，F_8t、F_9t分别为AGC两侧齿轮齿条机构的切向载荷。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S3-5所述辊径满足如下公式：

F_AGC＝((F_8t+F_9t)²+(F_8r-F_9r)²)^0.5 公式(8)

K_F＝F_np/F_AGC 公式(9)

式中，GC液压缸的作用力为F_AGC,K_F为轧机载荷放大系数，即轧制载荷和液压缸处载荷的比值P_np为轧制载荷，K_F为放大系数，F_np为轧制载荷，F_AGC为液压缸载荷。

进一步地，在上述技术方案中，所述轧制规程优化模块先采用等压下率法进行轧制道次、入口厚度和出口厚度的计算，然后采用遗传算法进行轧制规程优化，使轧机在最大压下率、最大载荷和电机功率的约束条件下，控制各道次轧制力的分配及最优分配各道次的入口厚度和出口厚度；

所述弹性辊径配辊模块先计算弹性压扁后的辊径值，然后输入辊径值，按照求解辊缝的函数关系式求解辊缝，如果辊缝的相对误差大于求解精度，则返回重新输入工作辊径，再次进行求解，如果辊缝的相对误差小于求解精度时，则停止迭代，输出辊径；

所述力能参数计算模块输入轧制规程优化制定模块求解的各道次出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角、辊径补偿角和所述弹性辊径配辊模块输出的所述辊径，所述力能参数计算模块输出压下调整角、辊系载荷、驱动扭矩和载荷放大系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，无需积累长期的生产数据就能采用来料厚度、成品厚度等进行轧机控制工艺参数的制定；

(2)本发明的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，延长辊系的使用寿命，优化轧机的工艺参数，创造可观的经济效益；

(3)本发明的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，能够提高辊系的轧制精度和效果，提高生产率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统流程图；

图2为本发明所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统流程图的二十辊轧机整体辊系几何关系简化图；

图3为本发明所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统流程图的二十辊轧机轧制过程载荷示意图；

图4为本发明所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统流程图的二十辊轧机Bland-Ford-Hill隐式轧制力计算流程；

图5为本发明所述的轧制规程优化模块流程图；

图6为本发明所述的弹性配辊模块流程图；

图7为本发明所述的力能参数计算模块流程图。

图中：1、工作辊，2、中间辊Ⅰ，3、中间辊Ⅱ，4、驱动辊Ⅰ，5、自由辊，6、驱动辊Ⅱ，7、单偏心支承辊Ⅰ，8、双偏心支承辊Ⅰ，9、双偏心支承辊Ⅱ，10、单偏心支承辊Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

实施例1

如图1至图7所示，一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，包括轧制规程优化制定模块、弹性辊径配辊模块、力能参数计算模块和轧机辊系，

来料厚度、成品厚度、带材宽度、最大轧制力、最大压下率和工作辊直径输入所述轧制规程优化制定模块后，输出轧制道次、总压下率、各道次压下率、轧制力、前后张力、轧制速度、轧制功率和轧制道次出口厚度；

辊径补偿偏心距、压下调整偏心距和所述轧制道次出口厚度输入所述弹性辊径配辊模块后，输出工作辊径、第一中间辊径、第二中间辊径和压下调整角；

所述轧制道次出口厚度、所述压下调整角、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和辊径补偿角输入所述力能参数计算模块后，输出辊系载荷、驱动扭矩、载荷放大系数；

所述轧机辊系包括工作辊、第一中间辊组、第二中间辊组、支承辊组，所述第一中间辊组设置于所述工作辊上方，所述第二中间辊组设置于所述第一中间辊组上方，所述第二中间辊组包括设置于两侧的两个驱动辊和设置于中间的自由辊，所述第二中间辊组上方设置所述支承辊组，所述支承辊组包括设置于所述驱动辊两侧的两个单偏心支承辊和设置于所述自由辊上方的两个双偏心支承辊。

进一步地，在上述技术方案中，所述轧制规程优化模块的运算步骤包括：

S1-1：输入来料厚度、出口厚度、最大压下率、最大轧制力等已知参数；

S1-2：根据如下公式预估算轧制道次n：

式中，h₀为初始厚度，h_t为目标厚度(单位mm)，ε_max为最大压下率；

S1-3：确定等压下率模式，并计算平均压下率；

S1-4：比较平均压下率是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-5：计算入口厚度、出口厚度、轧制力；

S1-6：比较轧制力是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-7：比较轧制道次是否超过6，若超过6则减1；

S1-8：确定不同道次轧制载荷的比例；

S1-9：根据等压下率计算的各道次道次厚度为区间初始化优化种群；

S1-10：通过隐式Bland-Ford-Hill模型计算轧制力；

S1-11：检查所计算的压下率、轧制力等是否满足约束条件，若满足则转向下一步骤，否则转向S1-9；

S1-12：计算轧制力成比例目标函数以及种群中各个个体适应度函数值，找出最大适应度值，计算平均适应度值。

S1-13：对染色体进行评价，按照轮盘赌法对染色体进行选择；

S1-14：若在所给定的限制条件下，循环次数满足种群的最大遗传代数，则输出最优解，终止整个算法，否则转向下一步骤；

S1-15：按照自适应遗传算法的交叉概率和变异概率公式计算交叉概率和变异概率，并对染色体进单切点交叉和变异操作，然后转向S1-9，生成新种群；

S1-16：若无法满足要求，则转向S1-7，道次数加1；若满足则输出结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述弹性辊径配辊模块的运算步骤包括：

S2-1：输入出口厚度、轧辊测量后的直径等已知参数；

S2-2：输入辊径补偿角为-15°，压下调整角为-30°；

S2-3：选择弹性配辊类型(弹性配辊模块可分为第一中间辊求解、第二中间辊求解、工作辊求解)；

S2-4：根据轧制道次的辊系载荷求解轧辊弹性压扁值，修改辊径；

S2-5：输入该道次的出口厚度；

S2-6：输入所求辊径的初始值，进行辊缝求解；

S2-7：若所计算的辊缝值与输入的辊缝值之差的绝对值小于规定的误差，则返回步骤S2-6，修改辊径值；若小于规定的误差则输出结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述力能参数计算模块的运算步骤包括：

S3-1：所述轧制规程优化模块输出出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和接触弧长数据；

S3-2：所述弹性配辊工艺模块输出的辊径和辊缝数据输入所述力能参数计算模块；

S3-3：进行求解初始压下调整角；

S3-4：迭代求解α_A、α_C、α_D、α_G、P_I、P_J、α_I等力能参数；

S3-5：求解放大系数，传递扭矩等参数，输出计算结果。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S1-5所述的各道次轧制力满足如下公式：

S.t ε_i≤ε_max，P_i≤P_max，M_i≤M_max 公式(3)

式中，Pi为道次轧制载荷，ai为轧制力比例值，轧制力按成比例分配策略的优化目标函数为obj，εi为道次压下率，Pi为轧制载荷，Mi为道次驱动扭矩。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S2-4所述辊径满足如下公式：

r′_i＝r_i+δ_i 公式(5)

式中，δ_i为塔型辊系的辊子之间的辊径在接触载荷作用下的变化量，ξ为泊松比，E为弹性模量，l为辊面接触长，根据Hertz接触理论仅考虑弹性压扁的影响，r′_i为实际需要的辊径，r_i为弹性压扁前的辊径。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S3-1所述辊径满足如下公式：

式中，F_8t、F_9t分别为AGC两侧齿轮齿条机构的切向载荷。

进一步地，在上述技术方案中，所述步骤S3-5所述辊径满足如下公式：

F_AGC＝((F_8t+F_9t)²+(F_8r-F_9r)²)^0.5 公式(8)

K_F＝F_np/F_AGC 公式(9)

式中，GC液压缸的作用力为F_AGC,K_F为轧机载荷放大系数，即轧制载荷和液压缸处载荷的比值P_np为轧制载荷，K_F为放大系数，F_np为轧制载荷，F_AGC为液压缸载荷。

进一步地，在上述技术方案中，所述轧制规程优化模块先采用等压下率法进行轧制道次、入口厚度和出口厚度的计算，然后采用遗传算法进行轧制规程优化，使轧机在最大压下率、最大载荷和电机功率的约束条件下，控制各道次轧制力的分配及最优分配各道次的入口厚度和出口厚度；

所述弹性辊径配辊模块先计算弹性压扁后的辊径值，然后输入辊径值，按照求解辊缝的函数关系式求解辊缝，如果辊缝的相对误差大于求解精度，则返回重新输入工作辊径，再次进行求解，如果辊缝的相对误差小于求解精度时，则停止迭代，输出辊径；

所述力能参数计算模块输入轧制规程优化制定模块求解的各道次出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角、辊径补偿角和所述弹性辊径配辊模块输出的所述辊径，所述力能参数计算模块输出压下调整角、辊系载荷、驱动扭矩和载荷放大系数。

进一步的，在上述技术方案中，所述Bland-Ford-Hill模型为冷轧轧制力模型，轧制力P通过如下公式计算：

式中，P为轧制力，b为来料宽度，K_P为平均变形抗力常量，其取值1.15σ_s，k为张力影响系数，D_p为摩擦影响系数，R′为工作辊压扁半径，h_in为来料入口厚度，h_out为来料出口厚度，Z_p为轧制力自适应系数。

所述步骤S1-10通过隐式Bland-Ford-Hill模型计算轧制力的流程如图4所示，工作辊压扁半径与轧制力之间为耦合关系，即求解轧制力需要已知工作辊压扁半径，而计算压扁半径又需已知轧制力，包括如下步骤：

S1-10-1：开始运算，初始化轧制力P；

S1-10-2：输入压扁半径R’；

S1-10-3：输入平局变形抗力K_p、摩擦影响系数D_p和张力影响系数k，计算轧制力P’；

S1-10-4：判断轧制力P’是否超限，如果不超限，输出轧制力F，计算结束，如果超限，重新定义F＝(F’-F)/n，并将重新定义后的轧制力F输入步骤S1-10-1。

实施例2

如图1所示，一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，包括轧制规程优化制定模块a、弹性辊径配辊模块b和力能参数计算模块c。轧制规程优化制定模块a、弹性配辊模块b和力能参数计算模块c之间进行数据的交换。

如图2所示，所述新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统的轧机辊系包括：工作辊1、第一中间辊组、第二中间辊组、支承辊组，所述第一中间辊组包括对称设置于所述工作辊1上方的中间辊Ⅰ2和中间辊Ⅱ3，所述第二中间辊组设置于所述第一中间辊组上方，所述第二中间辊组包括设置于两侧的驱动辊Ⅰ4、驱动辊Ⅱ6和设置于中间的自由辊5，所述第二中间辊组上方设置所述支承辊组，所述支承辊组包括设置于所述第二中间辊组两侧的单偏心支承辊Ⅰ7和单偏心支承辊Ⅱ10及设置于所述自由辊5上方的双偏心支承辊Ⅰ8和双偏心支承辊Ⅱ9。

所述双偏心支承辊Ⅰ8的几何圆心为O₈，所述双偏心支承辊Ⅱ9的几何圆心为O₉，辊径补偿的圆心为(O₁₁、O₁₄)，压下调整的圆心为(O_8'、O_9')，凸度调整的圆心为(O₁₂、O₁₃)。将辊系运动简化为杆系连接，辊间接触载荷简化为圆心连线方向，连接杆长则为所连接的两轧辊半径之和。φ角为连杆的几何夹角，通过运动几何学可以建立辊缝大小和辊径补偿、压下调整和辊型调整之间的映射关系。

如图3所示，轧辊之间各接触点以字母A～L表示，各接触点上的作用载荷分别以PA～PL表示。m1～m5为辊系之间滚动摩擦力臂，ρ为支承辊背衬轴承的摩擦圆半径，α为辊间接触作用载荷与相切两辊中心连线之间的夹角，F_AGC为AGC液压缸的压下载荷，P_np为轧制载荷。

如图5所示，轧制规程优化模块先采用等压下率法进行轧制道次、入口厚度和出口厚度的计算，然后采用遗传算法进行轧制规程优化，使轧机在一定的约束条件下(最大压下率、最大载荷、电机功率等)，控制各道次轧制力的分配，最优分配各道次的入口厚度和出口厚度。具体实施步骤为：

S1-1：输入来料厚度、出口厚度、最大压下率、最大轧制力等已知参数；

S1-2：根据公式(1)预估算轧制道次；

S1-3：确定等压下率模式，并计算平均压下率；

S1-4：比较平均压下率是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤B；

S1-5：计算入口厚度、出口厚度、轧制力；

S1-6：比较轧制力是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤B；

S1-7：比较轧制道次是否超过6，若超过6则减1；

S1-8：确定不同道次轧制载荷的比例；

S1-9：根据等压下率计算的各道次道次厚度为区间初始化优化种群；

S1-10：通过隐式Bland-Ford-Hill模型计算轧制力；

S1-11：检查所计算的压下率、轧制力等是否满足约束条件，若满足则转向步骤L，否则转向步骤S1-9；

S1-12：计算轧制力成比例目标函数以及种群中各个个体适应度函数值，找出最大适应度值，计算平均适应度值。

S1-13：对染色体进行评价，按照轮盘赌法对染色体进行选择；

S1-14：若在所给定的限制条件下，循环次数满足种群的最大遗传代数，则输出最优解，终止整个算法，否则转向下一步骤；

S1-15：按照自适应遗传算法的交叉概率和变异概率公式计算交叉概率和变异概率，并对染色体进单切点交叉和变异操作，然后转向步骤S1-9，生成新种群；

S1-16：若无法满足要求，则转向步骤S1-7，道次数加1；若满足则输出结果。

如图6所示，弹性配辊需先计算弹性压扁后的辊径值，然后输入一个较大的辊径，按照求解辊缝的函数关系式求解辊缝，如果辊缝的相对误差大于求解精度，则返回重新输入工作辊径，再次进行求解。当辊缝的相对误差小于求解精度时，则停止迭代，此时辊径即为符合要求的辊径。具体实施步骤为：

S2-1：输入出口厚度、轧辊测量后的直径等已知参数；

S2-2：输入辊径补偿角为-15°，压下调整角为-30°；

S2-3：选择弹性配辊类型(弹性配辊模块可分为第一中间辊求解、第二中间辊求解、工作辊求解)；

S2-4：根据轧制道次的辊系载荷求解轧辊弹性压扁值，修改辊径；

S2-5：输入该道次的出口厚度；

S2-6：输入所求辊径的初始值，进行辊缝求解；若所计算的辊缝值与输入的辊缝值之差的绝对值小于规定的误差，则返回步骤S2-6，修改辊径值；若小于规定的误差则输出结果。

如图7所示，力能参数计算模块首先调用弹性配辊模块进行压下调整角、辊系几何角度的计算，辊系载荷求解过程中摩擦角与载荷关联耦合，需要进行反复迭代求解相关参数。具体实施步骤为：

S3-1：输入由“轧制规程优化模块”计算的出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角、接触弧长等数据；

S3-2：输入由“弹性配辊工艺模块”输入的辊径、辊缝等数据；

S3-3：进行求解初始压下调整角；

S3-4：迭代求解α_A、α_C、α_D、α_G、P_I、P_J、α_I等力能参数；

S3-5：求解放大系数，传递扭矩等参数，输出计算结果。

提出一种新型二十辊轧机及其控制工艺集成系统，所述轧制规程优化制定模块采用等压下率、轧制力成比例相结合的策略，通过智能优化算法进行轧制参数的优化制定；所述弹性辊径配辊模块通过基于接触刚度的辊系运动模型，准确计算接触载荷作用下的轧辊直径；所述力能参数计算模块进行运行工况的驱动扭矩、辊系接触载荷、载荷放大系数等参数的计算。不需要根据经验进行轧机工艺参数的制定，从而充分发挥二十辊轧机的生产能力。

所述轧制规程优化制定模块的输入为来料厚度、成品厚度、带材宽度、最大轧制力、最大压下率、工作辊直径等，输出为轧制道次、总压下率、各道次压下率、轧制力、前后张力、轧制速度、轧制功率。在进行轧制规程制定时，需要已知总的轧制道次n，根据二十辊轧机轧制过程的特点，采用最大压下率法进行初始预估轧制道次的计算，根据公式：

轧制过程中第一道次带钢塑性较好增大压下率，但由于酸洗工序后来料厚度波动限制了压下量不能最大。后续道次随着加工硬化的加剧，压下率受到最大轧制力的限制而降低。考虑终轧带钢的粗糙度，末道次用于带材平整。因此设定各道次轧制力呈比例a分配。令轧制力和轧制力比值的总和比为λ，则

轧制力按成比例分配策略的优化目标函数为

根据以上优化目标函数obj，采用智能优化算法进行轧制规程优化，使轧机在一定的约束条件下，控制各道次轧制力的分配，最优分配各道次的入口厚度和出口厚度，使其满足工艺及设备限制条件。

所述弹性辊径配辊模块的输入为辊径补偿偏心距、压下调整偏心距、轧制道次的出口厚度，其中出口厚度由轧制规程制定模块求解。根据的运动几何学可完成工作辊径计算、第一中间辊径计算、第二中间辊径计算。传统的方法将辊系看作刚体，无法考虑在运行工况下辊系的辊缝变化，如工作辊和工件的弹性压扁、辊系之间的弹性压扁。本模块考虑工作辊和工件的弹性压扁、辊系之间的弹性压扁，其中辊系之间的弹性压扁δ_i为

塔型辊系的辊子之间的辊径在接触载荷作用下的变化量为δ_i，根据Hertz接触理论仅考虑弹性压扁的影响，则变化后的辊径r′_i变为

弹性辊径配辊的基本原则为压下调整和辊径补偿保持在最大开口度状态，以确保轧辊具有足够的控制余量。通过该方法可改善产品的辊径选择精度，延长轧辊的使用寿命，提高经济效益。

所述力能参数计算模块的输入为轧制规程优化制定模块求解的各道次出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角、辊径补偿角等，该模块需要借助辊径配辊模块确定压下调整角。该模块的输出为辊系载荷、驱动扭矩、载荷放大系数等。辊系载荷可通过力系平衡条件进行求解。其中，压下齿轮齿条机构上作用的载荷F_8t和F_9t分别为：

AGC液压缸的作用力F_AGC为

FAGC＝((F8t+F9t)2+(F8r-F9r)2)0.5

(8)

轧机载荷放大系数K_F，指轧制载荷P_np和液压缸处载荷的比值，放大系数K_F是多个参数的函数，具体公式如下。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，无需积累长期的生产数据就能采用来料厚度、成品厚度等进行轧机控制工艺参数的制定，延长辊系的使用寿命，优化轧机的工艺参数，创造可观的经济效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：包括轧制规程优化制定模块、弹性辊径配辊模块、力能参数计算模块和轧机辊系，

来料厚度、成品厚度、带材宽度、最大轧制力、最大压下率和工作辊直径输入所述轧制规程优化制定模块后，输出轧制道次、总压下率、各道次压下率、轧制力、前后张力、轧制速度、轧制功率和轧制道次出口厚度；

辊径补偿偏心距、压下调整偏心距和所述轧制道次出口厚度输入所述弹性辊径配辊模块后，输出工作辊径、第一中间辊径、第二中间辊径和压下调整角；

所述轧制道次出口厚度、所述压下调整角、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和辊径补偿角输入所述力能参数计算模块后，输出辊系载荷、驱动扭矩、载荷放大系数；

所述轧机辊系包括工作辊、第一中间辊组、第二中间辊组、支承辊组，所述第一中间辊组设置于所述工作辊上方，所述第二中间辊组设置于所述第一中间辊组上方，所述第二中间辊组包括设置于两侧的两个驱动辊和设置于中间的自由辊，所述第二中间辊组上方设置所述支承辊组，所述支承辊组包括设置于所述驱动辊两侧的两个单偏心支承辊和设置于所述自由辊上方的两个双偏心支承辊。

2.根据权利要求1所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述轧制规程优化模块的运算步骤包括：

S1-1：输入来料厚度、出口厚度、最大压下率、最大轧制力等已知参数；

S1-2：根据如下公式预估算轧制道次n：

式中，h₀为初始厚度，h_t为目标厚度(单位mm)，ε_max为最大压下率；

S1-3：确定等压下率模式，并计算平均压下率；

S1-4：比较平均压下率是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-5：计算入口厚度、出口厚度、轧制力；

S1-6：比较轧制力是否超限，若超限则道次数加1，并转向步骤S12；

S1-7：比较轧制道次是否超过6，若超过6则减1；

S1-8：确定不同道次轧制载荷的比例；

S1-9：根据等压下率计算的各道次道次厚度为区间初始化优化种群；

S1-10：通过隐式Bland-Ford-Hill模型计算轧制力；

S1-11：检查所计算的压下率、轧制力等是否满足约束条件，若满足则转向下一步骤，否则转向S1-9；

S1-12：计算轧制力成比例目标函数以及种群中各个个体适应度函数值，找出最大适应度值，计算平均适应度值。

S1-13：对染色体进行评价，按照轮盘赌法对染色体进行选择；

S1-14：若在所给定的限制条件下，循环次数满足种群的最大遗传代数，则输出最优解，终止整个算法，否则转向下一步骤；

S1-15：按照自适应遗传算法的交叉概率和变异概率公式计算交叉概率和变异概率，并对染色体进单切点交叉和变异操作，然后转向S1-9，生成新种群；

S1-16：若无法满足要求，则转向S1-7，道次数加1；若满足则输出结果。

3.根据权利要求2所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述弹性辊径配辊模块的运算步骤包括：

S2-1：输入出口厚度、轧辊测量后的直径等已知参数；

S2-2：输入辊径补偿角为-15°，压下调整角为-30°；

S2-3：选择弹性配辊类型(弹性配辊模块可分为第一中间辊求解、第二中间辊求解、工作辊求解)；

S2-4：根据轧制道次的辊系载荷求解轧辊弹性压扁值，修改辊径；

S2-5：输入该道次的出口厚度；

S2-6：输入所求辊径的初始值，进行辊缝求解；

S2-7：若所计算的辊缝值与输入的辊缝值之差的绝对值小于规定的误差，则返回步骤S2-6，修改辊径值；若小于规定的误差则输出结果。

4.根据权利要求3所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述力能参数计算模块的运算步骤包括：

S3-1：所述轧制规程优化模块输出出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角和接触弧长数据；

S3-2：所述弹性配辊工艺模块输出的辊径和辊缝数据输入所述力能参数计算模块；

S3-3：进行求解初始压下调整角；

S3-4：迭代求解α_A、α_C、α_D、α_G、P_I、P_J、α_I等力能参数；

S3-5：求解放大系数，传递扭矩等参数，输出计算结果。

5.根据权利要求2所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述步骤S1-5所述的各道次轧制力满足如下公式：

<mrow> <mi>M</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi> </mi> <mi>o</mi> <mi>b</mi> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mfrac> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>n</mi> </mrow>

S.t ε_i≤ε_max，P_i≤P_max，M_i≤M_max 公式(3)

式中，Pi为道次轧制载荷，ai为轧制力比例值，轧制力按成比例分配策略的优化目标函数为obj，εi为道次压下率，Pi为轧制载荷，Mi为道次驱动扭矩。

6.根据权利要求2所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述步骤S2-4所述辊径满足如下公式：

r′_i＝ri+δ_i 公式(5)

式中，δ_i为塔型辊系的辊子之间的辊径在接触载荷作用下的变化量，ξ为泊松比，E为弹性模量，l为辊面接触长，根据Hertz接触理论仅考虑弹性压扁的影响，r′_i为实际需要的辊径，r_i为弹性压扁前的辊径。

7.根据权利要求1所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述步骤S3-1所述辊径满足如下公式：

式中，F_8t、F_9t分别为AGC两侧齿轮齿条机构的切向载荷。

8.根据权利要求1所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：所述步骤S3-5所述辊径满足如下公式：

F_AGC＝((F_8t+F_9t)²+(F_8r-F_9r)²)^0.5 公式(8)

K_F＝F_np/F_AGC 公式(9)

式中，GC液压缸的作用力为F_AGC,K_F为轧机载荷放大系数，即轧制载荷和液压缸处载荷的比值P_np为轧制载荷，K_F为放大系数，F_np为轧制载荷，F_AGC为液压缸载荷。

9.根据权利要求1所述的新型二十辊轧机控制工艺的参数制定集成系统，其特征在于：

所述轧制规程优化模块先采用等压下率法进行轧制道次、入口厚度和出口厚度的计算，然后采用遗传算法进行轧制规程优化，使轧机在最大压下率、最大载荷和电机功率的约束条件下，控制各道次轧制力的分配及最优分配各道次的入口厚度和出口厚度；

所述弹性辊径配辊模块先计算弹性压扁后的辊径值，然后输入辊径值，按照求解辊缝的函数关系式求解辊缝，如果辊缝的相对误差大于求解精度，则返回重新输入工作辊径，再次进行求解，如果辊缝的相对误差小于求解精度时，则停止迭代，输出辊径；

所述力能参数计算模块输入轧制规程优化制定模块求解的各道次出口厚度、轧制载荷、轧制力臂、轧制方向角、辊径补偿角和所述弹性辊径配辊模块输出的所述辊径，所述力能参数计算模块输出压下调整角、辊系载荷、驱动扭矩和载荷放大系数。