CN108602100B

CN108602100B - 模型预测带位置控制器

Info

Publication number: CN108602100B
Application number: CN201680081042.XA
Authority: CN
Inventors: I.贾福尔; A.加尔基纳; K.施拉舍
Original assignee: Primetals Technologies Germany GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: EP3202502A1; EP3411162A1; WO2017133814A1; KR102551728B1; BR112018014961A8; KR20180110031A; BR112018014961A2; CN108602100A; MX2018009541A; US20190041812A1; US10908566B2

Abstract

当金属带（1）的带头部（7）运行到轧机机架（2a）外时，在位于轧机机架（2a）与布置在轧机机架下游的装置（8）之间的至少一个位置（P）处借助于检测装置（8）来检测带头部（7）的横向位置（y）。带位置控制器（10）被设计为模型预测控制器，其基于带头部（7）的所检测的横向位置（y），确定在工作周期（T）中待一个接一个地被输出的调整命令（u_k）的序列，并且该序列用于调整相应的辊缝楔。控制命令（u_k）的数量与工作周期（T）结合起来限定带位置控制器（10）的预测时域（PH）。带位置控制器（10）至少将被确定为下一个输出的控制命令（u₀）供应到轧机机架（2a）。

Description

模型预测带位置控制器

本发明涉及用于轧机机组的操作方法，其中，金属带被轧制，

- 其中，轧机机组具有至少一个轧机机架和设置在轧机机架下游的装置，

- 其中，当带头部运行到轧机机架外时，在位于轧机机架与设置在其下游的装置之间的至少一个采集位置处借助于采集装置来采集带头部的横向位置。

此外，本发明涉及包括机器代码的计算机程序，该机器代码能够由用于轧机机组的控制装置执行，其中，由控制装置执行机器代码使得控制装置根据这种操作方法操作轧机机组。

此外，本发明涉及用于轧机机组的控制装置，其中，控制装置用这样的计算机程序编程，使得控制装置根据这样的操作方法操作轧机机组。

此外，本发明涉及用于轧制金属带的轧机机组，

- 其中，轧机机组具有控制装置，该控制装置根据这样的操作方法操作轧机机组。

在开头处所阐述的类型的操作方法和控制装置以及对应的轧机机组从例如DE197 04 337 B4、JP S60 148 614 A或DE 10 2005 051 053 A1中已知。在这些操作方法的范围内，存在带位置控制器，其从带头部的所采集的横向位置开始，建立控制命令并将控制命令应用于轧机机架。

在热轧带精轧机组中轧制金属带时，金属带应在可能的情况下以最高可能的运行稳定性和穿过轧机机组的各个轧机机架的理想平面度结果进行引导。为此目的，尤其应该寻求引导金属带居中且直通轧机机组的各个轧机机架。这尤其也适用于金属带的穿入阶段（threading phase），即，当金属带的始端（=带头部）已经从其中一个轧机机架出现并且力争朝向下一轧机机架或另一下游装置（特别是卷取机）时。

如果在穿入阶段期间在轧机机架中存在不对称变形（即，如果金属带具有施加到其上的厚度楔），则金属带不沿着直线运行到下一轧机机架或者通常下游装置，而是替代地沿圆弧运行（这在本领域中也被称为军刀式带）。因此，金属带偏离中心地到达下游装置。

一旦尺寸变得太大，横向移动要么通过在横向引导件处的单侧磨削被限制，要么在两个横向引导件内以蜿蜒方式发展。单侧磨削损坏带边缘。蜿蜒移动导致在随后轧机机架中偏离中心的在先道次（leading pass），并且由此导致由于不受控制的横向带运动导致的平面度缺陷。在极端情况下，带头部可能完全错过下游的下一轧机机架的辊缝或以双倍方式进入下游的下一轧机机架的辊缝。两者都导致负面结果。在极端情况下，当前的金属带可能只能用作废料，或者-例如，由于所谓的隆起部-甚至会损坏轧机机组。

在现有技术中，侧引导件通常紧密设置，以便使金属带仅具有至侧部的很小的移动自由度。结果，带边缘被侧引导件磨掉，并且带由本身支撑。

在实践中，操作者试图通过快速校正工作辊的倾斜位置来立即影响带头部的直线滑出。这项活动要求非常高并且需要很多经验。此外，即使在经验丰富的操作员的情况下，这通常也很少成功，因为从控制平台对金属带的观察处于不合适的角度。此外，蒸汽和灰尘通常会影响观察。此外，只有在轧机机架之间的金属带的部分是可见的。此外，由于高的传输速度，所以在轧机机组的后轧机机架中需要非常快速的反应。

从DE 197 04 337 B4已知的过程从开始就已经产生了良好的结果。然而，从DE197 04 337 B4中已知的过程不是理想的。

在JP S60 148 614 A中，通过比例常数对轧制件的位置相对于中心位置的偏差进行加权。此外，该偏差关于时间求微分。偏差的时间导数乘以与当前轧机速度间接成比例的因子。这个过程也不太理想。

US 2010/0 269 556 A1公开了一种用于在具有多个轧机机架的轧机机组中控制横向带位置的方法，其中，工作辊在轧机机架中的倾斜位置形成矢量。从正方形矩阵和带位置从相应设定点位置的偏差（如在轧机机架的运出侧上采集的）的矢量的乘积确定矢量。因此，US 2010/0 269 556 A1的控制放大器不是标量而是放大矩阵。2007年5月/6月在SteelTimes International上公开的出版物“Steering Control at Arcelor Eko Stahlfinishing HSM”描述了方形矩阵的系数由模型计算、模拟和实际安装中的许多测试确定。此过程非常复杂并且不允许快速调试。

在由Arno Barry Samuel Ferreira于2005年11月发布的推广文件“AdaptiveFuzzy Logic Steering Controller for a Steckel Mill”中，由操作员训练的自适应模糊逻辑控制器被设计用于轧机机架，所述模糊逻辑控制器对带位置与设定点值的偏差作出反应并作用于工作辊的倾斜位置设定点值。通过根据重要的其他变量和辊参数（诸如例如，差动轧制力、材料硬度、进入带厚度、带宽度和轧制速度）询问操作符来建立模糊逻辑的初始规则基础。这个过程需要很多经验，它非常没有重点并且不允许快速调试。

在Hiroaki Kuwano和Norio Takahashi的出版物“Sensor-type AutomaticSteering Control System for Rolling Mill”中，使带位置的偏差作为输入变量并且使倾斜位置设定点值作为输出变量的PD控制器基于简单的机架和带模型进行设计。根据理论的稳定性考虑，PD控制器的控制器参数被设计为常数。这种设计只能在单一工作点处是理想的。

在1996年Y. Okamura和I. Koshino在IFAC上的出版物“State Feedback Controlof the Strip Steering for Aluminum Hot Rolling Mills”中，同样基于简单的机架和带模型，提出了具有用于差动轧制力的状态观察器的状态控制器和用于带位置的偏差的叠加积分作用控制器。工作辊的倾斜位置同样用作操纵变量。

本发明的目的在于开发能够快速且可靠地设置带位置的选择。

该目的通过具有权利要求1的特征的用于轧机机组的操作方法实现。操作方法的有利配置是从属权利要求2至12的主题。

根据本发明，在开头所阐述的类型的操作方法被配置为

- 带位置控制器被实施为模型预测控制器，其基于带头部的所采集的横向位置建立随工作周期待连续输出的控制命令的序列，借助于控制命令相应地设置一个辊缝楔，

- 控制命令的数量与工作周期结合起来限定带位置控制器的预测时域（prediction horizon），并且

- 带位置控制器至少将待输出的下一已建立的控制命令应用于轧机机架。

因为序列被建立的情况，所以控制命令的数量因此至少为2。如果n+1表示控制命令的数量，则n因此是不同于0的自然数。n可以具有1的值或任何其他大于1的值。如果T表示工作周期，则预测时域因此出现为nT。因此，通过根据本发明的过程能够获得优越的控制响应，所述控制响应-在预测时域内-还考虑了未来预期的控制动作。

模型预测控制本身是未知的。能够以纯粹示例性的方式参考2016年8月30日检索的德语维基百科“Model Predictive Control（模型预测控制）”条目。

模型预测控制器的通用属性-即由于其控制器是模型预测的属性-一般来说，包括其不仅基于作为控制基础的采集的实际值来建立（1）用于致动器的控制命令，而且还：

- 为预测时域制定控制命令的（完整）序列，

- 基于模型，在每种情况下，为所制定的序列的控制命令确定所考虑的系统的预期行为，并且

- 然后根据优化标准整体优化所制定的控制命令-不仅是待被输出的下一控制命令。

因此，控制器的这种行为是由于其控制器仅成为模型预测控制器的属性。接下来待被输出的优化控制命令然后用于致动器的致动。

在对每个模型预测控制器有效的这些一般情况的对应应用中，根据本发明的操作方法因此以下述方式被配置，使得为了建立待被输出的控制命令的序列的目的，带位置控制器：

- 首先制定初步控制命令的序列，借助于其在每种情况下设置辊缝楔，

- 在从所述带头部的采集的横向位置开始时基于轧机机组的模型针对制定的控制命令确定在每种情况下在执行所述制定的控制命令时取决于相应考虑的控制命令的预期的所述带头部与所述轧机机架的距离，以及在执行所述制定的控制命令时取决于所述相应考虑的控制命令的预期的所述带头部的横向位置，以及

- 根据优化标准优化制定的控制命令，且从而建立待被输出的控制命令。

这些步骤发生在建立待被输出的控制命令的序列的范围内，并因此也发生特别是在执行优化的控制命令之前。制定的-即尚未优化的-控制命令甚至本身不执行的。执行这些只是在优化控制命令的范围内建模。优化的控制命令对应于待被输出的控制命令。

特别地，可能的是带位置控制器建立控制命令，使得在预测时域内，辊缝楔不超过预定最大辊缝楔，带头部的横向位置与设定点位置的偏差不超过预定最大偏差并且质量函数被最小化，所述质量函数包括至少从控制命令到控制命令的辊缝楔的变化和/或惩罚项（penalty term），该惩罚项惩罚从控制命令到控制命令超过的辊缝楔的预定最大变化。

这种配置尤其能够避免辊缝楔的突然变化，并且从而避免轧制带中厚度楔的突然变化。然而，能够可靠地避免或至少限制带头部的横向移动。

优选地，带位置控制器在建立控制命令时考虑下述作为额外边界条件：位于预测时域的端部处的能允许端部偏差内的带头部的横向位置与设定点位置的偏差。这能够确保带头部进入下游装置，其中偏差在能允许端部偏差内（即，几乎在中心或甚至精确地在中心）。特别是在通常情况下，其中下游装置同样是轧机机架，这简化了金属带在该轧机机架中的在先道次。此外，这能够确保金属带几乎居中地或甚至精确地居中地从下游装置中运行出。

作为替代方案或额外于其，带位置控制器在建立控制命令时考虑带头部的横向位置的变化，该变化位于预测时域的端部处的能允许端部变化内。这能够确保带头部在横向运动位于能允许端部变化内的情况下（即，几乎没有横向运动或者甚至精确地没有横向运动）进入下游装置。特别是在通常情况下，其中下游装置同样是轧机机架，这简化了金属带在该轧机机架中的在先道次。此外，这能够确保金属带在至少几乎没有横向运动的情况下从下游装置中运行出。

在许多情况下，在模型预测控制期间，随每个工作周期都会采集新的实际值。在这种情况下，控制命令的序列也分别针对每个工作周期被制定和优化。然而，在本发明的范围内可能发生的是不可能采集另外的实际值。因此，根据本发明的操作方法优选地被配置成使得带位置控制器还随工作周期将待被输出的另外的控制命令连续地应用于轧机机架，直到待被输出的所有控制命令已被输出或直到带位置控制器基于带头部的横向位置的重新采集来再次建立控制命令的序列。

通常，再次建立控制命令的序列优先于输出已经建立的另外的控制命令。因此，通常，如果不可能重新采集带头部的横向位置，则仅输出已建立的另外的控制命令。

优选地，预测时域扩展直至将带头部传送到下游装置。这能够特别可靠地确保有序地进入下游装置中。

在另外的优选配置中，带位置控制器根据以下关系确定带头部的横向位置：

和 (1)

(2)

其中 λ = λ0 + λ1u，其中

- x是带头部与轧机机架的距离，

- y是带头部的横向位置，

- λ0是由金属带本身引起的金属带的曲率，

- λ1是相应控制命令的效率，

- v是金属带运行到轧机机架外的速度，和

- u是相应的控制命令。

该建模产生特别好的结果。

优选地，规定在向轧机机架应用多个控制命令之后，重新采集带头部的横向位置，并且规定基于带头部的新采集的横向位置与带头部的预期横向位置的比较对由金属带本身引起的金属带的曲率以及被应用于轧机机架的控制命令的效率进行跟踪。在此，带头部的预期横向位置是在控制命令最后应用于轧机机架之后在建立控制命令的范围内预期的位置。

由于这种配置，尤其从金属带到金属带，可能存在带位置控制器的调适。在某些情况下，带位置控制器的调适甚至能够在轧制金属带时进行。

优选地，带位置控制器使用卡尔曼滤波器来跟踪由金属带本身引起的金属带的曲率以及应用于轧机机架的控制命令的效率。作为这种配置的结果，尤其可以存在稳健且稳定的跟踪，其几乎不受所采集的横向位置的噪声的影响。

优选地，带位置控制器最初基于以下关系确定相应控制命令的效率：

(3)

或者通过以下关系

(4)

或者通过以下关系

(5)

其中

- L是从用于设置轧机机架的辊缝的操作侧调整装置到用于设置轧机机架的辊缝的驱动侧调整装置的距离，

- s1和s2是操作侧辊缝和驱动侧辊缝，

- h1和h2是金属带的操作侧厚度和驱动侧厚度，

- v'是金属带在轧机机架的进入侧上的速度，

- η是在轧机机架中轧制金属带时出现的道次压下量及

- d是金属带在轧机机架的进入侧上的厚度。

作为这种配置的结果，通过带位置控制器的控制命令的效率已经能够初始设置为正确或至少几乎正确的值。

可能的是带头部的横向位置仅被采集一次（选择性地），并且在构建其时建立待被输出的未来控制命令。在这种情况下，控制命令被建立一次并一个接一个地按顺序输出。然而，带头部的位置优选地被重复采集。在这种情况下，只有最近建立的控制命令才有效。先前建立的控制命令，即基于带头部的早先采集的暂时位置建立的控制命令，失去了它们的有效性。

特别地，如果带头部的位置借助于采集装置在一地区区域中被采集，则重复地采集带头部的位置是可能的。这种采集装置的示例是摄像机。

在传输方向上，如从轧机机架到下游装置看，地区区域应该具有尽可能大的范围。特别地，该范围应该是轧机机架与下游装置的距离的至少20％。作为示例，在下游装置与轧机机架的（典型）距离为约5.5米的情况下，该范围能够是大约1.60米（对应于略低于30％）或更大。

此外，该目的通过具有权利要求13的特征的计算机程序实现。根据本发明，执行计算机程序使得控制装置按照根据本发明的操作方法操作轧机机组。

此外，该目的通过具有权利要求14的特征的用于轧机机组的控制装置来实现。根据本发明，控制装置采用根据本发明的计算机程序编程，使得控制装置按照根据本发明的操作方法来操作轧机机组。

此外，该目的通过具有权利要求15的特征的轧机机组实现。根据本发明，控制装置在每种情况下按照根据本发明的操作方法操作轧机机组。

结合示例性实施例的以下描述，本发明的上述特征、特性和优点以及实现它们的方式将变得更清楚和更容易理解，这些示例性实施例结合附图被更详细地解释。在此，在图中示意性地示出：

图1示出了具有多个轧机机架的轧机机组，

图2以透视图示出了轧机机组的两个轧机机架，

图3从上方示出了图2的轧机机组的两个轧机机架，

图4示出了轧机机架，以及

图5示出了具有轧机机架的模型的模型预测控制器。

根据图1，金属带1应在轧机机组中被轧制。金属带1沿输送方向A被传送通过轧机机组。作为示例，金属带1能够是钢带、铝带、紫铜带、黄铜带或由任何其他金属构成的带。轧机机组具有多个轧机机架2。通常，存在四到八个轧机机架2，例如，五个、六个或七个轧机机架。在图1中（以及同样在其他图中）仅示出了轧机机架2的工作辊3。然而，通常，除了工作辊3之外，轧机机架2还具有另外的辊，特别是在四辊式机座的情况下除了工作辊3之外还具有支承辊，和在六辊式机座的情况下除了工作辊3之外还具有支承辊和中间辊。工作辊3、中间辊和/或支承辊可以能轴向移位。但是，这不是强制性的。通常，在最后一个轧机机架2后面存在卷取机（图中未示出）。

轧机机组由控制装置4控制。通常，控制装置4控制整个轧机机组。因此，它仅出现一次用于轧机机组的所有轧机机架2。然而，控制装置4关于各个轧机机架2的参数化能够从轧机机架2到轧机机架2不同。

通常，控制装置4被实施为软件可编程的控制装置4。因此，其通过计算机程序5编程。计算机程序5确定控制装置4的操作模式。计算机程序5包括能由控制装置4执行的机器代码6。执行机器代码6使得控制装置4根据操作方法操作轧机机组，这将在下面结合另外的附图更详细地解释。

此外，下面更详细地解释的根据本发明的过程通常适用于每个轧机机架2。因此，下面结合图2和图3仅考虑单对轧机机架2，并且在另外的附图的情况下也如此。然而，对应的解释适用于在金属带1的传输方向A上彼此直接相继的具有两个轧机机架2的每个这样组。此外，解释也适用于轧机机组的最后一个轧机机架2，即适用于不具有另外的轧机机架2的轧机机架2、而是设置在其下游的不同装置，例如在开头提到的卷取机。

图2和图3的在前轧机机架2，即金属带1从其运行出的轧机机架，是相关的轧机机架2。在后轧机机架2对应于下游装置。对于在后轧机机架2而言，所有重要的是金属带1被引导到在后轧机机架2。也可以存在卷取机或任何其他装置而不是在后轧机机架2。因此，术语“轧机机架”和附图标记2a在下面用于在前轧机机架2。术语“下游装置”和附图标记2b用于在后轧机机架2。

此外重要的是，金属带1的带头部7，即金属带1的始端，已经运行到轧机机架2a外，但还没有到达下游装置2b。这种状态通常和在下面都被称为带头部7从轧机机架2a运行离开。

当带头部7运行到轧机机架2a外时，带头部7的横向位置y借助于采集装置8在至少一个采集位置处被采集。根据图2和图3，采集位置位于轧机机架2a与下游装置2b之间。

可能的是带头部7的横向位置y本身在采集位置处被直接采集。替代地，可能的是带边缘的横向位置例如被采集，并且通过形成所采集的带边缘的位置的平均值来确定带头部7的横向位置y。

在执行（尤其）计算机程序5时，控制装置4实施用于轧机机架2a的带位置控制器10。带位置控制器10被供应横向位置y。此外，带位置控制器10被供应距离x，在该距离x处采集暂时位置y。可能的是控制装置4预先知道距离x，或者控制装置4例如基于路径跟踪确定距离x。替代地，可能的是通过测量技术采集距离x并将其作为测量信号供应给带位置控制器10。

带位置控制器10被实施为模型预测控制器。这种控制器建立控制命令u_k（k=0，...，n）的序列以在预测时域PH内输出。控制命令u_k在带位置控制器10的工作周期T内输出，例如工作周期T为10 ms。n具有至少1的值，并且通常具有大于1的值，例如具有5、8或10的值。其他数值也是可能的。结合工作周期T，n的数值对应于根据关系n x T = PH的预测时域PH。预测时域PH的大小能够根据需要确定。特别地，根据图3中的图示，预测时域PH能够扩展直至将带头部7传送到下游装置2b。

在每种情况下通过控制命令u_k设置辊缝楔。特别地，控制命令u_k能够是用于差动轧制力或差动辊缝的特征。特别地，根据图4中的图示，控制命令u_k能够在操作侧调整装置11和驱动侧调整装置12上以相反的方式起作用。特别地，调整装置11、12用于设置轧机机架2a的辊缝。它们能够直接或间接地（例如经由支承辊）作用在工作辊3上。通常，调整装置11,12被实施为液压缸单元。

根据图5中的图示，带位置控制器10被供应作为变量的采集位置y和作为参数或作为变量的设定点位置y*。此外，在其处位置y被采集的距离x作为参数或变量被供应给带位置控制器10。此外，以下变量作为参数被供应给带位置控制器10：

- 最大辊缝楔umax，

- 最大偏差ymax和

- 最大变化δumax。

最大辊缝楔umax通过轧机机架2a的控制极限预先确定。作为示例，最大辊缝楔umax能够位于几毫米的范围内。最大偏差ymax通过金属带1的尺寸结合下游装置2b的区域确定，金属带1能够在该区域内运行到下游装置2b中。最大变化δumax能够首先通过调整装置11、12的动力学且其次通过对所生产的金属带1的质量的对应要求来确定。

可选地，此外，能够将能允许端部偏差ynmax和/或能允许端部变化δynmax作为额外参数供应给带位置控制器10。

带位置控制器10建立控制命令u_k。根据图5中的图示，这些以下述方式建立，使得在预测时域PH内：

- 辊缝楔-也就是说，因此，控制命令u_k的量-不超过最大辊缝楔umax，并且

- 带头部7的横向位置y的偏差不超过距设定点位置y*的最大偏差ymax。

此外，带位置控制器使质量函数K最小化。根据图5中的图示，质量函数K能够包括辊缝楔从控制命令u_k到控制命令u_k的变化和惩罚项ε。如从图5中的图示出现的，惩罚项ε惩罚被超过的最大变化δumax。此外，作为示例，带头部7相对于带头部7的采集位置y的移位能够被包括在质量函数K中。作为示例，根据图5的图示，质量函数K能够具有以下形式：

(6)。

α1至α3是加权因子，其每个均具有非负的实值。加权因子α1和α2中的至少一个大于0。加权因子α3能够是零，或者替代地，具有大于零的值。加权因子α1至α3能够固定地确定或能参数化。

因此，基于用于控制命令u_k的序列的受控系统的模型13，带位置控制器10在每种情况下确定带头部7的预期位置y_k。其检查所建立的控制命令u_k通过改变控制命令u_k来观察约束条件并最小化质量函数K。满足约束条件并最小化质量函数K的控制命令u_k的序列是控制命令u_k的有效序列。带位置控制器10将该序列应用于轧机机架2a。根据已建立的控制命令u_k的序列执行应用。因此，首先输出控制命令u₀，接下来是控制命令u₁，然后是控制命令u₂等。

控制命令u_k被应用直到-基于带头部7的横向位置y的新确定，并且可选地，距轧机机架2a的相关距离x的新确定-能够进行新的预测。在理想情况下，不仅是控制命令u_k输出而且是带头部7的横向位置y，并且可选地，距轧机机架2a的相关距离x在每个工作周期T期间再次确定。在这种情况下，带位置控制器10只输出接下来一直被输出的该控制命令u₀。随后的控制命令u₁、u₂等随着控制命令u_k的新建立而变得无效。然而，也可能是如下情况：在某些工作周期T期间可能无法进行采集-例如，由于蒸汽或灰尘。还可能的是带头部7运行到采集区域外，在该采集区域内可以采集带头部7的横向位置y。在这些情况下，在接下来待被输出的控制命令u₀之外的随后的控制命令u₁、u₂等也被输出，直到已经输出所有控制命令u_k或者直到带头部7的横向位置y的新采集变得可能。

如上所述的，为了建立控制命令u_k，带位置控制器10需要实施受控系统的模型13。受控系统的模型13基于以下方法：

假设带头部7在某个时间位于位置P处。位置P具有坐标x、y。x是已经提及的位置P距轧机机架2a的距离；y是已经提及的带头部7的横向位置。进一步假设金属带1以传输速度v运行到轧机机架2a外。在这种情况下，以下关系适用于位置P的变化：

和 (7)

(8)。

在此，u是相应的控制命令。λ0是由金属带1本身引起的金属带1的曲率。这种曲率的原因可以在于，例如，在金属带1中先前存在的厚度楔，或在金属带1中先前存在的温度楔。λ1表示当前控制命令u的效率。

这些微分等式描述了在x方向上具有叠加运动的圆弧，沿着该圆弧引导带头部7的位置P。

为了在带位置控制器10中实施模型13的目的，必须修改等式7和8。特别地，等式7和8被离散化以使得修改的等式出现，例如在欧拉离散化的情况下的以下等式：

和 (9)

(10)。

此外，为了良好近似，等式9能够用下面的等式11代替：

(11)。

相应控制命令u_k的效率λ1以及由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0被表示为取决于等式9至11中的相应输出控制命令u_k。事实上，这种依赖性不存在。然而，相应控制命令u_k的效率λ1以及由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0的值最初是未知的。然而，能够在重复执行该方法的范围内以不断提高的准确度来估计它们。这将在下面更详细地解释。

通常，由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0在开始时被假定为零。只要不存在基于关于当前控制命令u_k的效率λ1的测量的知识，还可以初始地对相应控制命令u_k的效率λ1进行良好估计。特别地，能够基于以下关系确定在开始时当前控制命令u_k的效率λ1：

(3)。

在此（参见图4），L是操作侧调整装置11距驱动侧调整装置12的距离。s1和s2是借助于调整装置11和12设置的相应的辊缝。

替代地，能够基于以下关系最初确定相应控制命令u_k的效率λ1：

(4)。

在此，h1和h2是金属带1的操作侧厚度和驱动侧厚度。

(5)。

在此，参见图2，v'是金属带1在轧机机架2a的进入侧上的速度，η是在轧机机架2a中轧制金属带1时出现的道次压下量，以及d是金属带1在轧机机架2a的进入侧上的厚度。

在根据本发明的过程的范围内，通常通过测量技术采集金属带1运行到轧机机架2a外的传输速度v。采集能够是直接的或间接的。作为示例，间接采集在于采集轧机机架2a的工作辊3的周向速度，同时考虑向前滑动。替代地，传输速度v的预期值本身也能够用于考虑后者。

关于金属带1的厚度h1、h2，可以存在不同的过程。因此，可能的是例如通过测量技术采集厚度h1、h2。

替代地，可能的是控制装置4出于不同的原因知晓这些值，例如通过设定点规定或道次序列（pass sequence）。而且，可能的是使用各个厚度h1、h2的平均值而不是其各个值。

上面解释的方法已经很好地工作了。然而，其能够进一步被改进。特别地，根据图5中的表示，可能的是带位置控制器10在建立控制命令u_k时考虑下述作为额外边界条件：位于预测时域PH的端部处的能允许端部偏差ynmax内的带头部7的横向位置y与设定点位置y*的偏差。能允许端部偏差ynmax能够被选择得非常小。特别是，其能够几乎为零。

同样，对应于图5中的表示，可能的是带位置控制器10在建立控制命令u_k时考虑下述作为额外边界条件：位于预测时域PH的端部处的能允许端部变化δynmax内的带头部7的横向位置y的变化。

原则上，一旦当带头部7运行到轧机机架2a外时，操作方法仅执行一次就足够了，即，带头部7的位置y仅被选择性地采集一次。这尤其适用于预测时域PH扩展直至带头部7运行到下游装置2b中的情况。然而，也可以替代地重复执行该方法。

优选地，带头部7的位置y能够借助于采集装置8在地区区域14中采集。作为示例，如果采集装置8被实施为摄像机，则这种采集是可能的。地区区域14在从轧机机架2a到下游装置2b的传输方向A上具有范围。该范围优选地为轧机机架2a距下游装置2b的距离的至少20％。作为示例，多机架轧机机组的轧机机架2（更精确地：其辊缝）彼此之间的距离通常在5米到9米之间，例如大约5.5米。借助于其在相对于轧机机架2a适当定位的情况下能采集大约1.60米×2.40米的采集区域的摄像机是已知的。这种摄像机在传输方向A上的空间分辨率通常位于几毫米的区域内，例如大约1毫米至大约5毫米。横向于传输方向A的空间分辨率通常位于毫米范围内。取决于摄像机的定向，在假定轧机机架2彼此间隔5.5米的情况下，采集轧机机架2彼此之间的距离的约29％至不足44％是可能的。如果需要，多个摄像机也能够彼此相邻和/或彼此前后布置。因此，地区区域14能够甚至更大。

在这种情况下，首先，只要带头部7位于地区区域14内，就能够重复执行该方法。然而，先前建立的控制命令u_k随着每次新的执行而变得无效。只有最后建立的控制命令u_k才有效。

因此，只要带头部7位于地区区域14内，就在每种情况下（至少通常）仅输出在紧接的后续时间建立的控制命令u₀。然而，以下情况是例外-例如由于灰尘或蒸汽-带头部7的横向位置y的采集在个别情况下不能可靠地进行，即使在地区区域14内。然而，在这种情况下，尽管在采集带头部7的位置y时存在这种干扰，但是带位置控制器10能够进行可靠的控制。特别地，带位置控制器10在这种情况下也输出随后的控制命令u1、u2等。

此外，基于带头部7的新采集的横向位置y与带头部7的预期横向位置y_k的比较，带头部7的位置y的重复采集能够用来跟踪由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0以及应用于轧机机架2a的控制命令u_k的效率λ1。在此，带头部7的预期横向位置y_k是在最后应用于轧机机架2a的控制命令u_k之后在建立控制命令u_k的范围内期望的位置。

优选地，带位置控制器10使用卡尔曼滤波器来跟踪由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0和控制命令u_k的效率λ1。这在下面更详细地解释。

首先制定矢量X_k，所述矢量包括值λ0_k、λ1_k和y_k：

(12)。

然后，以下关系适用：

(13)。

在此，D_k是转换矩阵，通过该转换矩阵将状态X_k映射到状态X_k+1。以下等式适用于矩阵D_k：

(14)。

此外，制定矢量c，借助于该矢量c，能够根据以下关系从矢量X_k提取分量y_k：

(15)。

因此，矢量c具有以下形式：

(16)。

由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0和控制命令u_k的效率λ1不能被直接观察到。然而，为了能够确定由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0和控制命令u_k的效率λ1，卡尔曼滤波器被制定。卡尔曼滤波器的滤波等式如下：

(17)

(18)

(19)。

在此（忽略索引k和k + 1）：

- V是限定卡尔曼增益的矢量，

- M是3 x 3协方差矩阵，

- r是真实的正数，

- α是真实的正数，

- I是单位矩阵。

用于卡尔曼增益V的初始值V₀能够通过例如在首先求解等式17至19时在等式18和19之前求解等式17来确定，并且从中得出的值用作初始值V₀。作为示例，用于协方差矩阵P的初始值P₀能够是单位矩阵。r具有测量噪声的意义。r由轧机机组的操作者的根据一定经验的估计提供并且针对控制装置4被预定。通常，r的数值位于0.1毫米和3毫米之间的值。α具有遗忘因子的意义。α的数值通常略高于1，例如为在1.00和1.01之间的值。

为了通过应用卡尔曼滤波器来跟踪矢量X_k，最初通过针对索引k的值重复应用等式13来确定矢量X_k，该索引k对应的操纵变量u_k在带头部7的横向位置y被采集之前立即最后应用于轧机机架2a。然后，计算等式17至19一次。在此，使用对于转换矩阵D_k、矢量X_k和带头部7的采集位置y当前有效的值。因此，对于卡尔曼增益V和协方差矩阵P的最后有效值V_k、P₀以及矢量X_k被跟踪。因此，能够连续地改进由金属带1本身引起的金属带1的曲率λ0和控制命令u_k的效率λ1的初始估计。

即使在重复执行该方法的情况下，可能的是预测时域PH扩展直至带头部7运行到下游装置2b中。在这种情况下，预测时域PH在必要的程度上每次被调节，该方法被执行使得，尽管所述预测时域扩展直至带头部7运行到下游装置2b中，但是它不扩展超过其。

总之，本发明因此涉及以下情况。

在金属带1的带头部7运行到轧机机架2a外时，在位于轧机机架2a与下游装置8之间的至少一个位置P处借助于采集装置8来采集金属带1的带头部7的横向位置y。带位置控制器10被实施为模型预测控制器，其基于带头部7的所采集的横向位置y建立随工作周期T连续地被输出的控制命令u_k的序列，借助于控制命令u_k分别设置一个辊缝楔。控制命令u_k的数量结合工作周期T限定带位置控制器10的预测时域PH。带位置控制器10至少将待被输出的接下来建立的控制命令u₀应用到轧机机架2a。

本发明具有许多优点。因此，例如，操作者没有负担。此外，带头部7以及因此整个金属带1被更精确地引导。通常，甚至穿入到设置在轧机机架2a下游的轧机机架2中也能够以全自动的方式进行。带位置控制器10能够以简单的方式最佳地设计。当将根据本发明的操作模式应用于轧机机组的所有轧机机架2时，带头部7穿过整个轧机机组的最佳引导是可能的。根据本发明的过程在封闭式（housed）轧机机组的情况下也容易使用，如在将来会发现更多的使用。操作者没有负担；质量和输出都得以增加。能够限制金属带1中存在的厚度楔的变化速度。能够可靠地避免不允许的操作状态，特别是可能导致隆起部的操作状态。特别是在封闭式轧机机组（其将在未来变得越来越重要）的情况下，本发明能够确保带头部7的可靠引导。

尽管通过优选的示例性实施例更详细地示出和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员能够在不脱离本发明的保护范围的情况下从中得出其他变型。

附图标记清单

1 金属带

2、2a 轧机机架

2b 下游装置

3 工作辊

4 控制装置

5 计算机程序

6 机器代码

7 带头部

8 采集装置

9 （未被分配）

10 带位置控制器

11、12 调整装置

13 模型

14 地区区域

A 传输方向

c、X_k 矢量

d 金属带的入口侧厚度

D_k 转换矩阵

h1、h2 厚度

I 单位矩阵

K 质量函数

k 索引

L 调整装置彼此间隔的距离

M 协方差矩阵

n 数值

P 位置

PH 预测时域

P₀、V₀ 初始值

r 实数

s1、s2 辊缝

T 工作周期

T0 时间

u、u_k 控制命令

umax 最大辊缝楔

V 卡尔曼增益

v 传输速度

v' 金属带的进入侧速度

x 距离

y 横向位置

y_k预期位置

ymax 最大偏差

ynmax 能允许最小偏差

y* 设定点位置

α 实数

α1到α3 加权因子

δumax 最大变化

δynmax 能允许最小变化

ε 惩罚项

η 道次压下量

λ0、λ0_k 由金属带1引起的曲率

λ1、λ1_k 控制命令的效率。

Claims

1.一种用于轧机机组的操作方法，金属带（1）在所述轧机机组中被轧制，

- 其中，所述轧机机组具有至少一个轧机机架（2a）和设置在所述轧机机架（2a）下游的装置（2b），

- 其中，当带头部（7）运行到所述轧机机架（2a）外时，在位于所述轧机机架（2a）与设置在其下游的所述装置（2b）之间的至少一个位置（P）处借助于采集装置（8）来采集所述带头部（7）的横向位置（y），

其特征在于，

- 带位置控制器（10）被实施为模型预测控制器，其基于所述带头部（7）的采集的横向位置（y）建立随工作周期（T）连续地被输出的控制命令（u_k）的序列，借助于所述控制命令（u_k）相应地设置一个辊缝楔，

- 所述控制命令（u_k）的数量结合所述工作周期（T）限定所述带位置控制器（10）的预测时域（PH），并且

- 所述带位置控制器（10）将至少待被输出的下一控制命令（u_k+1）应用到所述轧机机架（2a），

其中，在所述预测时域（PH）内，所述辊缝楔不超过预定最大辊缝楔（umax），所述带头部（7）的所述横向位置（y）与设定点位置（y*）的偏差不超过预定最大偏差（ymax）。

2.根据权利要求1所述的操作方法，其特征在于，

为了建立待被输出的控制命令（u_k）的所述序列，所述带位置控制器（10）

- 首先制定初步控制命令（u_k）的序列，借助于其在每种情况下设置辊缝楔，

- 在从所述带头部（7）的所述采集的横向位置（y）开始时，基于所述轧机机组的模型针对制定的控制命令（u_k），确定在执行所述制定的控制命令（u_k）直至相应考虑的控制命令（u_k）时预期的所述带头部（7）与所述轧机机架（2a）的距离（x_k），以及在执行所述制定的控制命令（u_k）直至所述相应考虑的控制命令（u_k）时预期的所述带头部（7）的横向位置（y_k），以及

- 根据优化标准优化所述制定的控制命令（u_k），并且从而建立待被输出的所述控制命令（u_k）。

3.根据权利要求2所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）以下述方式建立所述控制命令（u_k），使得质量函数（K）被最小化，所述质量函数包括至少从控制命令（u_k）到下一控制命令（u_k+1）的所述辊缝楔的变化和/或惩罚项（ε），所述惩罚项（ε）惩罚从控制命令（u_k）到下一控制命令（u_k+1）被超过的辊缝楔的预定最大变化（δumax）。

4.根据权利要求3所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）在建立所述控制命令（u_k）时考虑下述作为额外边界条件：位于所述预测时域（PH）的端部处的能允许端部偏差（ynmax）内的所述带头部（7）的所述横向位置（y）与所述设定点位置（y*）的偏差。

5.根据权利要求3或4所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）在建立所述控制命令（u_k）时考虑下述作为额外边界条件：位于所述预测时域（PH）的端部处的能允许端部变化（δynmax）内的所述带头部（7）的所述横向位置（y）的变化。

6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）还随所述工作周期（T）将待被输出的另外的控制命令（u_k）连续地应用于所述轧机机架（2a），直到待被输出的所有控制命令（u_k）已被输出或直到所述带位置控制器（10）基于所述带头部（7）的所述横向位置（y）的重新采集再次建立控制命令（u_k）的序列。

7.根据前述权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于，

所述预测时域（PH）扩展直至将所述带头部（7）传送到下游装置（2b）。

8.根据前述权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）根据以下关系确定所述带头部（7）的所述横向位置（y）

和 (1)

(2)

其中λ=λ0+λ1u，其中

- x是所述带头部（7）与所述轧机机架（2a）的距离，

- y是所述带头部（7）的所述横向位置，

-

是坐标x相对于时间的一阶导数，

-

是坐标y相对于时间的一阶导数，

- λ0是由所述金属带（1）本身引起的所述金属带（1）的曲率，

- λ1是相应的控制命令（u_k）的效率，

- v是所述金属带（1）运行到所述轧机机架（2a）外的速度，和

- u是所述相应的控制命令（u_k）。

9.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于，

在向所述轧机机架（2a）应用多个控制命令（u_k）之后，重新采集所述带头部（7）的所述横向位置（y），并且基于所述带头部（7）的新采集的横向位置（y）与所述带头部（7）的预期横向位置（y_k）的比较跟踪由所述金属带（1）本身引起的所述金属带（1）的曲率（λ0）以及被应用于所述轧机机架（2a）的所述控制命令（u_k）的效率（λ1），其中，所述带头部（7）的所述预期横向位置（y_k）是在所述控制命令（u_k）最后应用于所述轧机机架（2a）之后在建立所述控制命令（u_k）的范围内预期的位置。

10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征在于，

所述带位置控制器（10）使用卡尔曼滤波器来跟踪由所述金属带（1）本身引起的所述金属带（1）的所述曲率（λ0）以及应用于所述轧机机架（2a）的所述控制命令（u_k）的所述效率（λ1）。

11.根据权利要求8所述的操作方法，其特征在于

所述带位置控制器（10）最初基于以下关系确定相应的控制命令（u_k）的效率（λ1）：

(3)

或通过以下关系

(4)

或通过以下关系

, (5)

其中

- L是从用于设置所述轧机机架（2a）的辊缝的操作侧调整装置（11）到用于设置所述轧机机架（2a）的辊缝的驱动侧调整装置（12）的距离，

- s1和s2是操作侧辊缝和驱动侧辊缝，

- h1和h2是所述金属带（1）的操作侧厚度和驱动侧厚度，

- v'是所述金属带（1）在所述轧机机架（2a）的进入侧上的速度，

- η是在所述轧机机架（2a）中轧制所述金属带（1）时出现的道次压下量，以及

- d是所述金属带（1）在所述轧机机架（2a）的进入侧上的厚度。

12.根据前述权利要求1-4中任一项所述的操作方法，其特征在于

所述方法在所述带头部（7）运行到所述轧机机架（2a）外时重复执行，并且只有最近建立的控制命令（u_k）是有效的。

13.一种包括机器代码（6）的计算机程序，所述机器代码能由用于轧机机组的控制装置（4）执行，其中，由所述控制装置（4）执行所述机器代码（6）使得所述控制装置（4）根据如在前述权利要求中任一项所述的操作方法操作所述轧机机组。

14.一种用于轧机机组的控制装置，其中，所述控制装置采用如权利要求13所述的计算机程序（5）进行编程。

15.一种用于轧制金属带（1）的轧机机组，

- 其中，所述轧机机组具有控制装置（4），所述控制装置（4）根据如权利要求1至12中任一项所述的操作方法操作所述轧机机组。