CN108546897B - 一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法 - Google Patents

一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法，包括：建立横向镀层厚度设定模型；建立带钢定位中心线模型，包括通过对带钢倾斜位置和带钢扭转位置的设定计算来确定带钢定位中心线位置；设计模型预估单元，在构建离散动态模型基础上预估横向镀层厚度控制模型中时变系数，以及带钢定位中心线模型参数值；设计位置控制单元，计算气刀位置设定值；设计压力控制单元，计算气刀压力设定值。采用了包括横向镀层厚度设定模型、带钢定位中心线模型，在线模型参数预估计算，气刀位置设定计算和气刀压力设定计算等手段，实现热镀锌钢板横向镀层均匀性自动精确控制。解决带钢横向镀层不均匀性问题，提高热镀锌带钢表面质量。

Description

一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法
技术领域
本发明涉及冷轧热镀锌生产线的镀锌过程自动化技术领域，特别涉及一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法。
背景技术
冷轧热镀锌连续生产线上的镀锌带钢经气刀吹刮后表面镀层厚度在纵向和横向上都应该是均匀一致的，然而实际产品镀层质量却并不尽如人意，尤其是钢板的横向镀层均匀性不是很理想，这种现象严重影响镀锌板后续加工及使用，同时还增加锌原料消耗，增加生产成本，大大降低了产品在市场上的竞争力。
专利公开号为CN105568197A提出了一种准确控制连续热镀锌锌层重量的方法，通过建立气刀参数与锌层重量的统计模型，设计了粗调和精调两种模式，粗调一个测量周期结束后进入精调模式，最终达到精确控制锌层重量的目标，该方法克服了传统控制方法精度低的确定，解决了自适应模型不能结合气刀操作经验优化镀锌板表面质量的问题，但是该发明中只涉及到了带钢纵向镀层控制，并没有提及带钢宽度方向即带钢横向镀层的控制。专利公开号为CN103510032A提出了一种冷轧热镀锌镀层均匀度的偏差值控制方法，采用了刀唇开度对镀层厚度的影响模型，引入影响效率函数矩阵，同时增加成本函数和过滤函数项，提高了镀层均匀度计算精度，但该方法涉及到矩阵计算量比较大而且复杂，同时气刀电机对刀唇开度进行在线控制实现起来也比较困难，很容易损坏气刀。李培兴等人(2014年4月第42卷第2期的《钢铁研究》)针对连续热镀锌楔形气刀对镀层均匀性的影响进行了仿真模拟研究，设计了增大边部开口度的楔形刀唇结构气刀，并采用合适的开口度设定，最终有利于改善横向镀层均匀性，但这项研究只对气刀硬件设备进行改造同时没有进行在线实际应用，并且提高了控制成本。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法，采用了包括横向镀层厚度设定模型、定位中心线位置模型，在线模型预估计算，气刀位置设定计算和气刀压力设定计算等手段，实现热镀锌钢板横向镀层均匀性自动精确控制。解决带钢横向镀层不均匀性问题，提高热镀锌带钢表面质量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法，包括以下步骤：
步骤一、建立横向镀层厚度设定模型
选取对横向镀层均匀性影响最大的因素，建立适合实际工艺计算的设定模型为：
M(w)＝kVαD(w)P﹣β+ω(w)
步骤二、建立带钢定位中心线模型
带钢定位中心线是一条由带钢倾斜位置和扭转位置决定的垂直线，带钢定位中心线模型公式定义为：
Z0(w)＝a+bw
进一步地，带钢定位中心线Z0(w)是在最小二乘法则下适合带钢定位线Zs(w)的直线，其中，
步骤三、在线预估模型
设计模型预估单元，在构建离散动态模型基础上预估横向镀层厚度设定模型中时变系数k以及带钢倾斜位置a和带钢扭转位置b。
构建离散时间的Kalman滤波器预测k、a或b值，此时设离散时间标记为i，则建立离散动态模型为：
x(i+1)＝αxx(i)+(1-αx)x0+ξx(i)
结合其动态模型，则k、a或b的在线预估模型方程公式如下：
yx(i+id)＝u(i)x(i)+ηx(i+id)
其中，
步骤四、计算气刀位置设定值
设计位置控制单元，计算气刀位置设定值，上气刀位置由如下表达式计算得出：
ZT(w)＝ZT0+wZT1
实际应用中，根据镀层目标厚度给出对应的气刀距带钢的距离期望值，同时为了使气刀位置平行于带钢定位中心线，因此设：
ZT1＝b
同理，下气刀位置计算表达式为：
ZB(w)＝ZB0+wZB1
ZB1＝b
步骤五、计算气刀压力设定值
设计压力控制单元，利用气刀距带钢的距离以及镀厚期望值等参数值，计算出气刀压力设定值；气刀压力设定值计算模型公式如下：
模型中的气刀距带钢的距离计算公式为：
步骤六、将步骤四、步骤五中得出的气刀位置设定值和气刀压力设定值输入钢板镀锌控制系统中，控制气刀距带钢表面之间距离以及气刀压力值，最终控制钢板横向镀层的均匀性。
式中，M(w)为带钢镀层厚度；
α，β为模型常数；
k为时变系数；
V为带钢速度；
D(w)为气刀距带钢的距离；
P为气刀压力；
ω(w)为模型误差；
Z0(w)为带钢定位中心线；
Zs(w)为带钢定位线；
a为带钢倾斜位置；
b为带钢扭转位置；
w为带钢宽度；
2we为带钢宽度实际测量值；
x(i)为当前时刻的k、a或b预估值；
x(i+1)为下一时刻的k、a或b预估值；
x0为k、a或b的初始标定值；
τx为估计时间常数；
Δt为采样时间；
ξx(i)为零均值的高斯噪声；
id为滞后时间，滞后时间变化范围为1-5s；
yx(i+id)为当前时刻滞后id时的镀层厚度实际测量值；
ηx(i+id)为当前时刻滞后id时的测厚仪测量误差；
为当前时刻对k的无偏差预估值；
V(i)当前时刻的带钢速度；
P(i)为当前时刻的气刀压力；
ZT(w)为上气刀位置设定值，ZB(w)为下气刀位置设定值；
ZT0为上气刀倾斜位置，ZT1为上气刀扭转位置；
θT为上气刀倾斜角度，θB为下气刀倾斜角度；
为上气刀距带钢的距离期望值，为下气刀距带钢的距离期望值；
ZB0为下气刀倾斜位置，ZB1为下气刀扭转位置；
PT为上气刀压力设定值，PB为下气刀压力设定值；
为带钢上表面镀厚期望值,为带钢下表面镀厚期望值；
DT(w)为上气刀距带钢的距离，DB(w)为下气刀距带钢的距离；
h为带钢厚度；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、降低热镀锌带钢横向镀层均匀性偏差；
2、不对现有硬件设备进行改动，易于实现；
3、系统成本低，运行稳定；
4、减少了锌原料消耗，提高了经济效益；
附图说明
图1为本发明的系统构成图；
图2为本发明的气刀镀锌过程示意图。
图中：1-上气刀 2-下气刀 3-镀锌带钢 4-锌锅
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本方法的系统构成由四部分组成，分别是压力控制单元、位置控制单元、模型预估单元和测厚仪测量单元。工艺数据输入连同测量单元中测厚仪检测到的实际镀厚值提供给位置控制单元、压力控制单元和模型预估单元；在模型预估单元中利用预估算法对镀层厚度模型时变系数，以及带钢倾斜位置和扭转位置参数值进行预估；通过位置控制单元计算给出气刀位置设定值；通过压力控制单元计算得到气刀压力设定值。
如图1、2所示，一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法，包括以下步骤：
步骤一、建立横向镀层厚度设定模型
选取对横向镀层均匀性影响最大的因素，建立适合实际工艺计算的设定模型为：
M(w)＝kVαD(w)P﹣β+ω(w)
其中，M(w)为横向镀层厚度，带钢宽度方向为w方向，α，β为模型常数，通过对模型进行对数空间转化的线性化方程组计算求解获取，k为时变系数，在热镀锌过程中主要与带钢速度的变化范围、镀层厚度相关，可以通过系统的模型预估单元进行预估计算得到，V为带钢速度，D(w)为气刀距带钢的距离，P为气刀压力。ω(w)为模型误差。
步骤二、建立带钢定位中心线模型
气刀与带钢之间距离的微小变化对镀层均匀性的精度控制有着很大影响，当带钢板厚和锌锅沉没辊系的改变时，气刀与带钢之间位置会发生倾斜现象，使带钢偏离生产线的中心线；当带钢板形不好或来料厚度不均而使带钢不再平行于生产线的中心线时，气刀与带钢之间位置会发生扭转现象，这些现象均会造成气刀与带钢之间距离的不均匀，因此，必须在线动态地调整气刀位置，使带钢处于气刀的中心线。测厚仪扫描期间的带钢平均倾斜和扭转位置可以被估计。因此，建立带钢定位中心线模型，包括通过对带钢倾斜位置和带钢扭转位置的设定计算来确定带钢定位中心线位置。
带钢定位中心线是一条由带钢倾斜位置和扭转位置决定的垂直线，带钢定位中心线模型公式定义为：
Z0(w)＝a+bw
式中，a是带钢倾斜位置；b是带钢扭转位置，w为带钢宽度；
进一步地，带钢定位中心线Z0(w)是在最小二乘法则下适合带钢定位线Zs(w)的直线，其中，
式中，2we是带钢宽度实际测量值；
步骤三、在线预估模型
设计模型预估单元，在构建离散动态模型基础上预估横向镀层厚度设定模型中时变系数k以及带钢定位中心线模型参数a和b。
构建离散时间的Kalman滤波器预估k、a或b值，此时设离散时间标记为i，则建立k、a或b的离散动态模型为：
x(i+1)＝αxx(i)+(1-αx)x0+ξx(i)
式中，x(i)为当前时刻的k、a或b预估值；x(i+1)为下一时刻的k、a或b预估值；x0为k、a或b的初始标定值，k的初始标定值取为2.25，a的初始标定值取为0，b的初始标定值取为0；τx为估计时间常数；Δt为采样时间；ξx(i)为零均值的高斯噪声；
结合其动态模型，则k、a或b的在线预估模型方程公式如下：
yx(i+id)＝u(i)x(i)+ηx(i+id)
其中，
式中，yx(i+id)为当前时刻滞后id时的镀层厚度实际测量值；ηx(i+id)为当前时刻滞后id时的测厚仪测量误差；id为滞后时间，滞后时间变化范围为1-5s，为当前时刻对k的无偏差预估值；
步骤四、计算气刀位置设定值
目前，并没有确实可行的方法来精确预测带钢倾斜和扭曲程度，即使能够精确测量带钢位置，气刀仍然不能处理由于板形问题带来的镀层厚度不一致，而测厚仪扫描期间的带钢平均倾斜和扭转位置则可以被估计。因此可以设计位置控制单元，计算气刀位置设定值，使气刀喷嘴平行于带钢定位中心线，同时确保气刀距带钢之间距离在合适的位置。
首先，上气刀位置由如下表达式计算得出：
ZT(w)＝ZT0+wZT1
式中，ZT0为上气刀倾斜位置，ZT1为上气刀扭转位置；
实际应用中，根据镀层目标厚度给出对应的刀距值，同时为了使气刀位置平行于带钢定位中心线，因此设：
ZT1＝b
式中，为上气刀距带钢的距离期望值，θT为上气刀倾斜角度；
同理，下气刀位置计算表达式为：
ZB(w)＝ZB0+wZB1
ZB1＝b
式中，ZB0为下气刀倾斜位置，ZB1为下气刀扭转位置，为下气刀距带钢的距离期望值，θB为下气刀倾斜角度；
步骤五、计算气刀压力设定值
镀锌过程扰动的影响，如带速变化、气刀移动改变，常常需要瞬时通过气刀压力的频繁调节表现出来，因此设计压力控制单元，利用气刀距带钢的距离以及镀厚期望值等参数值，计算出气刀压力设定值。气刀压力设定值计算模型公式如下：
式中，分别为带钢上下表面镀厚期望值；
模型中的气刀距带钢的距离计算公式为：
式中，DT(w)为上气刀距带钢的距离，DB(w)为下气刀距带钢的距离，ZT(w)为上气刀位置设定值，ZB(w)为下气刀位置设定值；，Zs(w)为带钢位置，θT为上气刀倾斜角度，θB为下气刀倾斜角度，h为带钢厚度；
步骤六、将步骤四、步骤五中得出的气刀位置设定值和气刀压力设定值输入钢板镀锌控制系统中，控制气刀距带钢表面之间距离以及气刀压力值，最终控制钢板横向镀层的均匀性。
所述步骤三中的预估单元中不但能预估出步骤1中的模型系数k，同时还可以预估出步骤2中带钢定位中心线模型的a和b值；
所述步骤四中经由位置控制单元给出最佳的气刀位置设定值可以使气刀喷嘴平行于带钢定位中心线，同时确保气刀距带钢之间距离在合适的位置，从而提高带钢横向镀层均匀度，改善镀锌钢板表面质量。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.一种冷轧热镀锌钢板横向镀层均匀性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立横向镀层厚度设定模型
选取对横向镀层均匀性影响最大的因素，建立适合实际工艺计算的设定模型为：
M(w)＝kVαD(w)P﹣β+ω(w)
步骤二、建立带钢定位中心线模型
带钢定位中心线是一条由带钢倾斜位置和带钢扭转位置决定的垂直线，带钢定位中心线模型公式定义为：
Z0(w)＝a+bw
带钢定位中心线Z0(w)是在最小二乘法则下适合带钢定位线Zs(w)的直线，其中，
步骤三、在线预估模型
设计模型预估单元，在构建离散动态模型基础上预估横向镀层厚度设定模型中时变系数k以及带钢倾斜位置a和带钢扭转位置b；
构建离散时间的Kalman滤波器预估k、a或b值，此时设离散时间标记为i，则建立离散动态模型为：
x(i+1)＝αxx(i)+(1-αx)x0+ξx(i)
结合其动态模型，则k、a或b的在线预估模型方程公式如下：
yx(i+id)＝u(i)x(i)+ηx(i+id)
其中，
步骤四、计算气刀位置设定值
设计位置控制单元，计算气刀位置设定值，上气刀位置由如下表达式计算得出：
ZT(w)＝ZT0+wZT1
实际应用中，根据镀层目标厚度给出对应的气刀距带钢的距离期望值，同时为了使气刀位置平行于带钢定位中心线，因此设：
ZT1＝b
同理，下气刀位置计算表达式为：
ZB(w)＝ZB0+wZB1
ZB1＝b
步骤五、计算气刀压力设定值
设计压力控制单元，利用气刀距带钢的距离以及镀厚期望值的参数值，计算出气刀压力设定值，气刀压力设定值计算模型公式如下：
模型中的气刀距带钢的距离计算公式为：
步骤六、将步骤四、步骤五中得出的气刀位置设定值和气刀压力设定值输入钢板镀锌控制系统中，控制气刀距带钢表面之间距离以及气刀压力值，最终控制钢板横向镀层的均匀性；
以上各式中：
M(w)为带钢镀层厚度；
α，β为模型常数；
k为时变系数；
V为带钢速度；
D(w)为气刀距带钢的距离；
P为气刀压力；
ω(w)为模型误差；
Z0(w)为带钢定位中心线；
Zs(w)为带钢定位线；
a为带钢倾斜位置；
b为带钢扭转位置；
w为带钢宽度；
2we为带钢宽度实际测量值；
x(i)为当前时刻的k、a或b预估值；
x(i+1)为下一时刻的k、a或b预估值；
x0为k、a或b的初始标定值；
τx为估计时间常数；
Δt为采样时间；
ξx(i)为零均值的高斯噪声；
id为滞后时间，滞后时间变化范围为1-5s；
yx(i+id)为当前时刻滞后id时的镀层厚度实际测量值；
ηx(i+id)为当前时刻滞后id时的测厚仪测量误差；
为当前时刻对k的无偏差预估值；
V(i)当前时刻的带钢速度；
P(i)为当前时刻的气刀压力；
ZT(w)为上气刀位置设定值，ZB(w)为下气刀位置设定值；
ZT0为上气刀倾斜位置，ZT1为上气刀扭转位置；
θT为上气刀倾斜角度，θB为下气刀倾斜角度；
为上气刀距带钢的距离期望值，为下气刀距带钢的距离期望值；
ZB0为下气刀倾斜位置，ZB1为下气刀扭转位置；
PT为上气刀压力设定值，PB为下气刀压力设定值；
为带钢上表面镀厚期望值,为带钢下表面镀厚期望值；
DT(w)为上气刀距带钢的距离，DB(w)为下气刀距带钢的距离；
h为带钢厚度。
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