CN107962076B - 基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值；使用出口测厚仪测量带钢出口厚度实际值修正预计算的带钢出口厚度值；根据计算模型自适应调节比例和积分参数，然后使用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量。本发明实现了优化的秒流量厚度控制，使得在整个轧制过程中秒流量AGC都能保持良好的控制性能。

Description

基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及轧钢控制技术领域，尤其涉及一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法及系统。

背景技术

单机架可逆冷轧机的厚度控制系统一般包含有前馈、秒流量、监视三种厚度控制(Automatic Gauge Control)方式。其中秒流量AGC是反馈控制的主要方式，秒流量AGC基于变形区秒流量恒等法则，该法则的意思是机架前后金属的质量流恒定，又由于机架前后的带钢宽度基本一致，则带钢在机架前后的速度和厚度保持严格的比例关系，即：

V_en×h_en＝V_ex×h_ex

式中V_en－带钢入口速度；V_ex－带钢出口速度；h_en－带钢入口厚度；h_ex－带钢出口厚度。

由于激光测速仪的使用可以高精度地获得变形区入出口速度，再加上前置测厚仪，就可以没有滞后地计算出带钢出口厚度然后进行反馈控制，从而采用秒流量AGC可得到相当高的厚度精度。

由于出口测厚仪距离轧机辊缝有一段距离，从而其测量出口厚度是有滞后的，不宜直接使用该测量出口厚度进行反馈控制，但测厚仪的精度是很高的(一般测量精度可达1μm)，可以考虑使用测量出口厚度对秒流量预计算出口厚度进行修正，以进一步提高秒流量计算出口厚度的精度。

目前工业上实用的秒流量AGC方法一般通过比例积分(PI)控制器计算辊缝的调节量，众所周知，比例积分参数的选取对PI控制器的控制性能影响很大，且轧制过程中工况不断变化，使用固定的比例积分参数是不合适的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法及系统，使得在整个轧制过程中秒流量AGC都能保持良好的控制性能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，在每一道次下，带钢从入口卷取机上启动，通过入口转向辊后在一个六辊轧机中轧制，液压缸提供轧制力，再通过出口转向辊，最后卷取在出口卷取机上；机组配置有入口张力计和出口张力计用于测量轧机的入口和出口张力、入口测厚仪和出口测厚仪用于测量带钢入口和出口厚度、入口激光测速仪和出口激光测速仪用于测量带钢入口和出口速度，所有的轧制工艺控制功能在PLC控制器中编程完成，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值；

S2、使用出口测厚仪测量带钢出口厚度实际值修正预计算的带钢出口厚度值；

S3、根据计算模型自适应调节比例和积分参数，然后使用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量。

按上述方法，所述的S1具体为：

将入口测厚仪测量的带钢入口厚度延时至轧机辊缝处；

根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值。

按上述方法，所述的S2具体为：

将预计算的带钢出口厚度延时至出口测厚仪处；

根据出口测厚仪测量的带钢出口厚度实际值，计算带钢出口厚差并加以平滑处理，得到带钢出口厚度修正值；

计算修正后的带钢出口厚度值。

按上述方法，所述的S3具体为：

根据带钢出口厚差自适应调节比例系数；

根据修正后的带钢出口速度值和控制环节响应时间自适应调节积分时间参数；

采用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量；

最终将计算得到的秒流量厚度控制量通往液压辊缝控制环节，由液压辊缝控制环节控制液压缸压下行程。

一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制系统，其特征在于：它包括存储器，存储器中存有PLC程序供PLC控制器调用，以完成所述的基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法。

本发明的有益效果为：本发明根据秒流量方程预计算出带钢出口厚度，然后根据出口测厚仪测量厚度计算厚度修正值，用于进一步修正秒流量预计算厚度，最后使用自适应PI控制器计算秒流量厚度控制量，其中比例系数根据出口厚差实际值自适应调整，积分时间参数则根据计算模型给出，综合考虑了相关控制环节的时间常数和带钢出口速度等因素的影响。经过上述步骤最终实现了这种优化的秒流量厚度控制方法，使得在整个轧制过程中秒流量AGC都能保持良好的控制性能。

附图说明

图1为单机架可逆轧机的厚度控制系统及其主要检测仪表的结构示意图。

图2为本发明一实施例的方法流程图。

图中：1-入口卷取机，2-入口转向辊，3-入口张力计，4-入口测厚仪，5-液压缸，6-入口激光测速仪，7-带钢，8-六棍轧机，9-出口激光测速仪，10-PLC控制器，11-出口测厚仪，12-出口张力计，13-出口转向辊。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为一个单机架可逆轧机的厚度控制系统及其主要检测仪表的示意图，当前轧制方向为从左往右，下一道次将从右往左，然后再反向这样反复轧制。在当前道次下，带钢7从入口卷取机1上启动，通过入口转向辊2然后在一个六辊轧机8中轧制，液压缸5提供轧制力，再通过出口转向辊13，最后卷取在出口卷取机14上。机组配置有入口张力计3和出口张力计12可测量轧机的入口和出口张力，还配置有入口测厚仪4和出口测厚仪11，分别测量带钢入口和出口厚度，为实现秒流量厚度控制还配置有入口激光测速仪6和出口激光测速仪9，分别可高精度地测量入口和出口带钢速度。所有的轧制工艺控制功能通过在PLC控制器10中编程完成，具体的控制功能主要包含有厚度控制、液压辊缝控制、张力控制、传动控制、弯辊窜辊控制、板形控制等。厚度控制系统计算出轧机辊缝的调节量，通过液压辊缝控制系统调节液压缸的压下行程实现。

本发明提供一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值。

S1具体为：

S101，将入口测厚仪测量的带钢入口厚度延时至轧机辊缝处。

将入口测厚仪处测得的带钢入口厚度延时至轧机的辊缝处，延时时间为延时后得到的入口厚度设为H_en,del。

S102，根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值。

根据带钢入出口速度和延时后的带钢入口厚度按照秒流量方程计算出带钢出口厚度：

式中，h_MF,calc为秒流量方程预计算的带钢出口厚度；V_en为带钢入口速度实际值，V_ex为带钢出口速度实际值，分别通过入出口激光测速仪测量得到。

S2、使用出口测厚仪测量带钢出口厚度实际值修正预计算的带钢出口厚度值。

S2具体为：

S201，将预计算的带钢出口厚度延时至出口测厚仪处。

将预计算的带钢出口厚度延时至出口测厚仪处，延时时间为延时后得到的出口厚度设为h_ex,del。

S202，根据出口测厚仪测量的带钢出口厚度实际值，计算带钢出口厚差并加以平滑处理，得到带钢出口厚度修正值。

计算出口测厚仪测量厚度与预计算出口厚度之间的误差，然后使用一阶滞后环节PT1加以平滑处理，得到出口厚度修正值，即：

Δh_thg＝PT1(h_thg-h_ex,del)

式中，h_thg为出口测厚仪当前时刻的出口厚度测量值，h_ex,del为延时后的预计算出口厚度值，PT1为一阶滞后环节，离散的PT1环节算法为：

式中，Y_pt1(n)为PT1环节当前时刻的输出值；Y_pt1(n-1)为PT1环节上一时刻的输出值；T_S为PLC控制器的采样时间；T_PT1为PT1环节时间常数，取值为：L_ex为轧机辊缝至出口测厚仪之间的距离；X_n为当前时刻输入值，在这里是当前时刻测厚仪测量厚度与延时后的预计算出口厚度之间的差值；X_n-1为该差值上一时刻的值。

S203，计算修正后的带钢出口厚度值。

根据出口厚度修正值计算修正后的秒流量出口厚度为：

h_MF＝h_MF,calc+Δh_thg。

S3、根据计算模型自适应调节比例和积分参数，然后使用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量。

S3具体为：

S301，根据带钢出口厚差自适应调节比例系数。

比例环节在PI控制器中主要起快速消除干扰影响的作用，比例参数增大则系统稳定性增强，被调量变化平稳，但是残差随之增大；比例参数减小则系统稳定性变差，被调量的振荡趋势变强，严重的时候会造成轧机发生断带和机械设备损伤事故。为取得良好的控制性能，应在保证稳定的前提下选择尽可能大的比例参数，依照此原则开发了根据出口厚差自适应调节比例系数的算法：

K_P＝a₁×G_a

式中，a₁为可调系数，需根据机组实际情况设置，G_a为自适应因子，根据出口厚差的大小确定，出口厚差越大则自适应因子越大。

具体来说，根据产品要求厚度设置一个出口厚差上限值，例如当本轧机的产品要求厚度在0.4mm时，设置出口厚差上限值为5μm，或者当产品要求厚度在0.8mm时，设置出口厚差上限值为6μm，以此类推，按照工艺要求分别设置所有产品的出口厚差上限值。实际使用时，当出口厚差实际值的绝对值在上限值范围内则G_a＝0.8；当出口厚差实际值的绝对值超过上限值但在2倍上限值范围内则G_a＝1.0；当出口厚差实际值的绝对值超过2倍上限值但在4倍上限值范围内则G_a＝1.5；当出口厚差实际值的绝对值超过4倍上限值则G_a＝10.0。

S302，根据修正后的带钢出口速度值和控制环节响应时间自适应调节积分时间参数。

积分器在PI控制器主要起消除残差的作用，其积分时间参数的选取非常重要，选取过小则控制系统振荡加剧，严重时会不稳定，选取过大则残差需要很长时间才能消除，直接影响产品的成材率。

考虑到激光测速仪时间常数、厚度控制相关的控制环节的响应时间(包括液压辊缝控制、张力控制、卷取机传动控制等)和带钢出口速度都对积分器的性能有一定影响，为获取良好的控制性能，特开发了积分时间参数计算模型：

式中，a₂、a₃为可调系数，需根据机组实际情况设置，T_laser为激光测速仪时间常数，T_coiler为卷取机传动控制响应时间，T_HGC为液压辊缝控制响应时间，T_tension为张力控制响应时间，L_thg为入出口两个测厚仪之间的距离，V_ex为带钢出口速度。

S303，采用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量。

采用比例积分控制器根据出口厚差计算秒流量厚度控制的辊缝调节量，即：

式中，PI表示比例积分控制器，h_set为出口厚度设定值，C_S为轧机刚度系数，轧机试车时通过测试得到，C_M为带钢塑性系数。

其中离散的PI控制器算法为：

式中，Y_n和Y_n-1分别为当前时刻和上一时刻PI控制器的输出值；T_I为积分时间参数，K_P为比例系数，X_n为PI控制器的输入值，在这里为当前时刻的值。

最终将计算得到的秒流量厚度控制量通往液压辊缝控制环节，由液压辊缝控制环节控制液压缸压下行程即可实现这种优化的秒流量厚度控制方法。

经过上述方法，秒流量预计算厚度得到进一步地修正，PI控制器的参数也可跟随工况变化而自适应地变化，从而使得整个轧制过程中秒流量AGC都能保持良好的控制性能。

本实施例提出的冷轧机秒流量厚度控制方法，首先根据秒流量方程预计算出带钢出口厚度，然后根据出口测厚仪测量厚度计算厚度修正值，用于进一步修正秒流量预计算厚度，最后使用自适应PI控制器计算秒流量厚度控制量，其中比例系数根据出口厚差实际值自适应调整，积分时间参数则根据计算模型给出，综合考虑了相关控制环节的时间常数和带钢出口速度等因素的影响。经过上述步骤最终实现了这种优化的秒流量厚度控制方法，使得在整个轧制过程中秒流量AGC都能保持良好的控制性能。

一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制系统，包括存储器，存储器中存有PLC程序供PLC控制器调用，以完成所述的基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法。

要理解本文所述的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任意组合来实现。对于硬件实现方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微处理器、微控制器、被设计以执行本文所述功能的其它电子单元、或其组合内实现。当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，可以将它们存储在诸如存储组件的机器可读介质中。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，在每一道次下，带钢从入口卷取机上启动，通过入口转向辊后在一个六辊轧机中轧制，液压缸提供轧制力，再通过出口转向辊，最后卷取在出口卷取机上；机组配置有入口张力计和出口张力计用于测量轧机的入口和出口张力、入口测厚仪和出口测厚仪用于测量带钢入口和出口厚度、入口激光测速仪和出口激光测速仪用于测量带钢入口和出口速度，所有的轧制工艺控制功能在PLC控制器中编程完成，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值；

S2、使用出口测厚仪测量带钢出口厚度实际值修正预计算的带钢出口厚度值；

S3、根据计算模型自适应调节比例和积分参数，然后使用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量；

所述的S3具体为：

S301、根据带钢出口厚差自适应调节比例系数；

根据出口厚差自适应调节比例系数K_P的算法：

K_P＝a₁×G_a

式中，a₁为可调系数，需根据机组实际情况设置，G_a为自适应因子，根据出口厚差的大小确定，出口厚差越大则自适应因子越大；

S302、根据修正后的带钢出口速度值和控制环节响应时间自适应调节积分时间参数；

积分时间参数计算模型：

式中，T_I为积分时间，a₂、a₃为可调系数，需根据机组实际情况设置，T_laser为激光测速仪时间常数，T_coiler为卷取机传动控制响应时间，T_HGC为液压辊缝控制响应时间，T_tension为张力控制响应时间，L_thg为入出口两个测厚仪之间的距离，V_ex为带钢出口速度；

S303、采用优化参数的PI控制器计算秒流量厚度控制量；

最终将计算得到的秒流量厚度控制量通往液压辊缝控制环节，由液压辊缝控制环节控制液压缸压下行程。

2.根据权利要求1所述的基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，其特征在于：所述的S1具体为：

将入口测厚仪测量的带钢入口厚度延时至轧机辊缝处；

根据秒流量方程预计算带钢出口厚度值。

3.根据权利要求1所述的基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法，其特征在于：所述的S2具体为：

将预计算的带钢出口厚度延时至出口测厚仪处；

根据出口测厚仪测量的带钢出口厚度实际值，计算带钢出口厚差并加以平滑处理，得到带钢出口厚度修正值；

计算修正后的带钢出口厚度值。

4.一种基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制系统，其特征在于：它包括存储器，存储器中存有PLC程序供PLC控制器调用，以完成权利要求1至3中任意一项所述的基于自适应控制器的冷轧机秒流量厚度控制方法。