CN109772896B - 基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述的平直度控制方法首先根据钢种下发带钢不同位置的平直度目标值，然后在精轧末机架进行弯辊力设定，检测到末机架咬钢后，实时跟踪带钢长度，在平直度仪检测到带钢并延迟一段时间后，投入基于smith预估控制进行变目标平直度反馈控制。本发明通过对精轧带钢进行变目标平直度控制，满足一些特殊钢种对带钢平直度的控制要求，解决现有的控制方法无法满足快速稳定的进行较大平直度目标控制的问题。

Description

基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法

技术领域

本发明涉及带钢的热轧技术领域，具体涉及基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法。

背景技术

如图1所示，传统热连轧精轧区域由七个机架组成，精轧区域的板形控制主要包含凸度控制、平直度控制、边沿降控制等。穿带前，过程机综合考虑实际轧制情况和各个板形指标，在精轧各个机架设定PC交叉角、弯辊窜动量以及弯辊力。穿带后，在前面多个机架进行凸度反馈控制，在中间几个机架进行边沿降反馈控制，在最后一个实际投用机架进行平直度反馈控制。

带钢平直度是热轧产品的一项重要指标，一些直接或者潜在的平直度缺陷，都会影响下游用户的加工使用。对于大多数钢种，主要精轧出口带钢的实测平直度达到或接近0，即可满足要求；但对于一些特殊钢种，在轧制过程中带钢长度或厚度方向可能存在不均匀的塑性变形、相变或者温度分布，但在精轧出口却未能体现出来，经过层流冷却、卷取、再开卷之后，却发现带钢存在比较严重的平直度缺陷，需要进行平整或者矫直，增加了生产成本。

针对这种情况，CN1336853A通过测量带钢宽度边沿和中央的表面温度，控制加热温度，从而使带钢表面温度均匀分布，达到控制带钢平直度的目的；专利JP05124856B2通过控制粗轧和精轧带钢宽度方向上的冷却，改善带钢平直度；专利JP05811046B2通过对带钢温度进行三维建模预测，控制带钢各个方向的温度均匀性，从而达到控制带钢平直度的目的。专利JP2002045908A通过测量精轧出口带钢宽度方向的温度，控制层流冷却喷嘴，控制带钢宽度方向上的温度，从而达到控制带钢平直度的目的；专利CN104942023B通过对层流冷却采用后段冷却模式，并优化冷却模式，结合能够适应产品宽度变化的冷却边部遮蔽方法，改善带钢横向温度均匀性和产品双边浪缺陷。这些专利主要通过控制带钢各个方向温度偏差，改善带钢平直度，主要解决由于温度不均匀造成的平直度缺陷。

专利CN1253261C对带钢头部采用中浪PC设定控制，对其后带钢部分采用动态自动板形中浪控制，用于消除精轧后的带钢在层流冷却过程中所产生的双边浪；专利CN103949481B采用平直度分段控制方法，将热轧带钢全长分为四段，每段采用不同的平坦度目标控制策略，用于解决带钢穿带和抛尾时平直度不良对轧制稳定性的影响，同时预防带钢冷却到常温以后平直度不良。专利CN101372018A通过修改平直度目标控制值，采用微中浪轧制；专利CN102581025A通过附加翘曲度修正精轧平直度控制的目标翘曲度和弯辊力的自学习修正量，以补偿后续过程对平直度的不良影响。这些专利主要是从工艺的角度，调节精轧出口带钢的平直度目标值，并且目标值的变化都不大，控制上比较容易实现。

目前的控制方案既不能快速稳定的进行较大平直度目标的控制，又无法达到控制目标准确跟踪要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，平直度目标值变化范围大，可以满足一些特殊钢种对带钢平直度的控制要求。用以解决现有的控制方法无法满足快速稳定的进行较大平直度目标的控制的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述的平直度控制方法采用基于Smith预估控制的变目标平直度控制，在热连轧机架的精轧末机架对带钢进行平直度控制，其中，若F7机架投用，则选择F7机架为末机架，若F7机架未投用，则选择F6机架为末机架，所述的平直度控制方法具体如下：

(1)根据钢种，设定带钢长度方向上不同位置处的平直度目标值；

(2)根据钢种，给定弯辊力对平直度的影响系数，从而确定所述末机架的弯辊力附加值；

(3)末机架咬钢后，开始对带钢长度进行实时跟踪计算，并按照步骤(1)的设定，给定带钢长度方向上不同时刻点对应的平直度目标值；

(4)实时检测带钢的平直度实测值，并在投入平直度反馈控制后，采用Smith预估仿真模型计算得到平直度仿真值；

(5)将检测到的所述的平直度实测值减去平直度仿真值，并将相减得到的平直度值进行滤波处理；

(6)将所述滤波处理后得到的平直度值与步骤(3)给定的对应时刻点的平直度目标值进行比较，确定所述末机架的平直度调节值，进而得到末机架的弯辊力调节值，对末机架进行弯辊力调节；

(7)判断对所述末机架的弯辊力调节是否进行了人工干预，同时判断卷取机是否咬钢，若未进行人工干预或者卷取机未咬钢，则返回步骤(4)，若进行了人工干预，或者卷取机咬钢，则进入步骤(8)。

(8)所述末机架的弯辊力调节值保持不变，直到所述末机架抛钢后，平直度控制结束。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(1)中，设定的平直度目标值包括平直度目标初始值、平直度目标终值、平直度目标初始值的持续长度、平直度目标初始值逐渐变化到平直度目标终值的持续长度。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(2)中，弯辊力设定值为：

其中，aim1为平直度目标初始值，

为弯辊力对平直度的影响系数，W_{RBS_add}为末机架的弯辊力设定值，B为弯辊力，F为平直度。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(3)中，带钢长度的跟踪计算方法为：

其中，t为末机架咬钢后的持续时间，V_std为末机架主传动的速度，f为末机架带钢的前滑系数；L_strip为某一时刻跟踪到的带钢长度。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(3)中，平直度目标值为：

其中，aim1为平直度目标初始值；

aim2为平直度目标终值；

aim3为一个轧制过程中，平直度从aim1到aim2随时间变化的值；

L1为平直度目标初始值的持续长度；

L2为平直度目标初始值随时间变化到平直度目标终值的持续长度；

L为末机架出口到卷取机的距离；

L_strip为某一时刻跟踪到的带钢长度。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(4)中，在平直度仪检测到带钢信息，且检测信息有效，并延迟设定时间后，投入平直度反馈控制。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(4)中，Smith预估仿真模型为：

其中，T_m为仿真的末机架弯辊力的响应时间常数，S为拉普拉斯算子，τ₂代表仿真的机架出口到平直度仪之间的时间延迟。

进一步地，根据本发明所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，所述步骤(6)中，弯辊力调节值为：

其中，ΔW_RBS为弯辊力调节值；

U(s)为平直度调节值，U(s)＝K_C·(I_ref-I_filter)，K_C为调节系数，I_ref为平直度目标值，I_filter为滤波处理后得到的平直度值；

为弯辊力对平直度的影响系数，B代表弯辊力，F代表平直度。

本发明达到的有益效果：本发明采用基于smith控制的变目标平直度控制方法，需要在带钢不同长度位置，进行变平直度目标控制，平直度目标值变化范围大，最大可以达到150[I-Unit]以上，可以满足一些特殊钢种对带钢平直度的控制要求。

附图说明

图1是精轧区域平直度控制示意图；

图2是平直度控制流程图；

图3是带钢平直度目标示意图；

图4是基于smith控制的平直度反馈控制原理图；

图5是反馈滤波器实现原理图；

图6是实施例1中的变目标平直度控制实测值变化曲线；

图7是实施例2中的变目标平直度控制实测值变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明是一种热连轧变目标平直度的控制方法，首先过程机根据钢种下发带钢不同位置处的平直度目标值，然后在精轧末机架进行弯辊力设定，平直度控制系统在末机架咬钢后跟踪带钢长度，在平直度仪检测到带钢并延迟一段时间后，采用基于Smith(史密斯)预估控制对带钢进行变目标平直度控制，其中，F7机架投用，选择F7机架作为末机架，否则选择F6机架作为末机架。

如图2所示，本发明控制方法的具体过程如下：

(1)根据钢种工艺要求，设定带钢长度方向上的平直度目标值，如图3所示，设定的平直度目标值信息包括：平直度目标初始值aim1、平直度目标终值aim2、平直度目标初始值的持续长度L1、平直度目标初始值逐渐变化到平直度目标终值的持续长度L2，其中，L为末机架出口到卷取机的距离，则平直度目标终值的持续长度即为：L－L1－L2。

也就是说，从末机架咬钢开始，带钢运行前段的L1长度范围内，平直度值均设定为aim1，带钢运行后段的L－L1－L2长度范围内，平直度值均设定为aim2，而中间段的长度范围内的平直度值的设定是从aim1到aim2随时间持续变化的，设为aim3。

(2)根据钢种，给定弯辊力对平直度的影响系数

其中，B代表弯辊力，F代表平直度，从而根据平直度目标初始值aim1，计算得到末机架的弯辊力设定值W_{RBS_add}，即：

钢板的平直度主要通过调节机架工作辊的弯辊力来实现，轧制带钢之前，要预先设定能够获得良好板形或横向厚度精度所应具有的弯辊力值，为获得良好的板形，在轧制过程中，要合理分配使用弯辊力，并根据实际板形，对弯辊力进行修正。

(3)末机架咬钢后，开始进行带钢长度L_strip的实时跟踪计算，从而根据步骤步骤(1)设定的不同位置处的平直度目标值，可以确定各个控制时刻点的平直度目标值I_ref。

其中，带钢长度L_strip的实时跟踪计算如下：

式中：t为末机架咬钢后的持续时间，V_std为末机架主传动的速度，f为末机架带钢的前滑系数。

各个控制时刻点的平直度目标值I_ref计算如下：

式中，aim3为一个轧制过程中，从aim1到aim2随时间变化的值，

(4)平直度仪检测到带钢，且确定检测数据有效后，开始进行基于smith预估控制的平直度反馈控制，如图4所示。

为对象模型，其中T_P为末机架弯辊力真实的响应时间常数，τ₁代表真实的的机架出口到平直度仪之间的时间延迟。

为smith预估仿真模型，其中，T_m为仿真的末机架弯辊力的响应时间常数，S为拉普拉斯算子，τ₂代表仿真的机架出口到平直度仪之间的时间延迟。

具体的平直度反馈控制过程如下：

平直度仪检测到带钢，且检测数据有效果后，需要延迟一段时间T_delay后再投入平直度反馈控制，这样可以避免带钢头部跳动导致的平直度检测值失真。

G_f(s)为反馈滤波器，G_f(s)的输入为平直度实测值减去smith预估仿真模型输出值I_a′_ct，G_f(s)的输出为I_filter，I_filter是通过对I_a′_ct进行线性插值得到，实现原理如图5所示。其中L_len为末机架到平直度仪的距离，L_filter为滤波器长度。

经过反馈滤波器G_f(s)处理后平直度值I_filter与平直度目标值I_ref进行比较，乘以调节系数K_C，得到平直度调节值U(s)，计算如下：

U(s)＝K_C·(I_ref-I_filter)

进而得到弯辊力调节值ΔW_RBS为：

为了保证轧制稳定性和末机架的最大调节能力，需要对ΔW_RBS进行限幅处理，得到ΔW_R′_BS。弯辊力调节值的上限取LIM_up，ΔW_RBS的下限需要考虑平衡弯辊力，即在调节过程中，实时判断实际弯辊力W_{RBS_act}与平衡弯辊力W_{RBS_bal}的大小，当W_{RBS_act}-W_{RBS_bal}＜LIM_down时，弯辊力调节值ΔW_RBS保持。

将得到的弯辊力调节值附加到弯辊力设定值上，对机架的工作辊弯辊力进行调节，改善钢板的板形。

(5)在实际轧制过程中，由于需要综合平直度、轧制稳定性等多个因素，操作人员有时要对弯辊力进行干预调节。如果确定采用了人工干预调节，则控制输出保持，即保持原有的弯辊力调节值。当卷取咬钢后，一般情况下平直度仪难以检测到带钢的实际平直度，则控制输出保持不变，即保持原有的弯辊力调节值。当末机架抛钢时，则不再进行平直度的调节控制，弯辊力调节值清零。

下面以在某热连轧产线的变目标平直度控制的实施例来进一步说明上述方法。

实施例一

(1)对某类特殊钢种，为保证冷却开卷后带钢的平直，平直度目标初始值aim1取120[I-Unit]，平直度目标终值aim2取60[I-Unit]，初始值持续长度L1取60m、目标值变化的持续长度L2取10m，末机架到卷取机长度为160m。

(2)选择F7机架作为末机架，对应于该钢种的弯辊力到平直度的影响系数

取1955N/[I-Unit]，则弯辊力附加设定值W_{RBS_add}为293.25kN；

(3)F7机架咬钢后，机架以7.57m/s的速度开始升速，根据过程机计算的前滑值f＝`0.032，跟踪带钢长度，从而实时给出带钢长度方向上各点的平直度设定值；

(4)末机架弯辊力的响应时间常数T_m取200ms，延迟时间

其中L_len取4.34m，L_fllter取6.51m。延迟时间T_delay取1s，调节系数K_C取0.8。弯辊力调节值的上限取LIM_up取1000kN，下限判断值LIM_down取100kN。

图6为带钢长度方向上平直度的目标值I_ref与实测值I_act，从图中可以看出，平直度实际值除了在头部有一些波动外，在卷取咬钢前，基本可以较好的跟踪平直度目标值，达到了较好的控制效果。

实施例二

对某类特殊钢种，为保证冷却开卷后带钢的平直，平直度目标初始值aim1取130[I-Unit]，平直度目标终值aim2取80[I-Unit]，初始值持续长度L1取50m、目标值变化的持续长度L2取10m，末机架到卷取机长度为160m，其他与实施例一类似。如图7所示，平直度实际值也可以较好的跟踪平直度目标值。

Claims (8)

1.一种基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于：所述的平直度控制方法采用基于Smith预估控制的变目标平直度控制，在热连轧机架的精轧末机架对带钢进行平直度控制，其中，若F7机架投用，则选择F7机架为末机架，若F7机架未投用，则选择F6机架为末机架，所述的平直度控制方法具体如下：

(1)根据钢种，设定带钢长度方向上不同位置处的平直度目标值；

(2)根据钢种，确定弯辊力对平直度的影响系数，从而计算所述末机架的弯辊力设定值；

(3)末机架咬钢后，开始对带钢长度进行实时跟踪计算，并按照步骤(1)的设定，给定带钢长度方向上不同时刻点对应的平直度目标值；

(4)实时检测带钢的平直度实测值，并在投入平直度反馈控制后，采用Smith预估仿真模型计算得到平直度仿真值；

(5)将检测到的所述的平直度实测值减去平直度仿真值，并将相减得到的平直度值进行滤波处理；

(6)将所述滤波处理后得到的平直度值与步骤(3)给定的对应时刻点的平直度目标值进行比较，确定所述末机架的平直度调节值，进而得到末机架的弯辊力调节值，对末机架进行弯辊力调节；

(7)判断对所述末机架的弯辊力调节是否进行了人工干预，同时判断卷取机是否咬钢，若未进行人工干预或者卷取机未咬钢，则返回步骤(4)，若进行了人工干预，或者卷取机咬钢，则进入步骤(8) ；

(8)所述末机架的弯辊力调节值保持不变，继续进行平直度控制，直到所述末机架抛钢后，平直度控制结束。

2.根据权利要求1所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设定的平直度目标值包括平直度目标初始值、平直度目标终值、平直度目标初始值的持续长度、平直度目标初始值逐渐变化到平直度目标终值的持续长度。

3.根据权利要求2所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，弯辊力设定值为：

其中，aim1为平直度目标初始值，W_{RBS_add}为末机架的弯辊力设定值，

为弯辊力对平直度的影响系数，B代表弯辊力，F代表平直度。

4.根据权利要求1所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，带钢长度的跟踪计算方法为：

其中，t为末机架咬钢后的持续时间，V_std为末机架主传动的速度，f为末机架带钢的前滑系数，L_strip为某一时刻跟踪到的带钢长度。

5.根据权利要求2所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，平直度目标值为：

其中，aim1为平直度目标初始值；

aim2为平直度目标终值；

aim3为一个轧制过程中，平直度从aim1到aim2随时间变化的值；

L1为平直度目标初始值的持续长度；

L2为平直度目标初始值随时间变化到平直度目标终值的持续长度；

L为末机架出口到卷取机的距离；

L_strip为某一时刻跟踪到的带钢长度。

6.根据权利要求1所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在平直度仪检测到带钢信息，且检测信息有效，并延迟设定时间后，投入平直度反馈控制。

7.根据权利要求1所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，Smith预估仿真模型为：

其中，T_m为仿真的末机架弯辊力的响应时间常数，S为拉普拉斯算子，τ₂代表仿真的机架出口到平直度仪之间的时间延迟。

8.根据权利要求1所述的基于Smith预估控制的热连轧变目标平直度控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，弯辊力调节值为：

其中，ΔW_RBS为弯辊力调节值；

U(s)为平直度调节值，U(s)＝K_C·(I_ref-I_filter)，K_C为调节系数，I_ref为平直度目标值，I_filter为滤波处理后得到的平直度值；

为弯辊力对平直度的影响系数，B代表弯辊力，F代表平直度。

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