CN110788143A - 一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法，通过轧制力模型计算各速度档下的理论轧制力，并在每卷钢轧制完成后，使用实测数据采用自学习方法对轧制力模型的参数进行修正；在轧机加减速过程中，若带钢出口厚差超过一定范围，则自适应调节增益值；根据实际轧制速度，使用线性插值的方法获取实时的理论轧制力值，在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器依据理论轧制力值，计算出本次加减速补偿的辊缝调节量，附加到辊缝设定值上。本发明采用了带自学习功能的轧制力模型，然后根据理论轧制力值计算出加减速对带钢出口厚度的影响量，并将这种影响换算成需要调节的辊缝量，补偿后可明显提高轧机加减速阶段中带钢的厚度控制精度。

Description

一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法

技术领域

本发明涉及轧机自动厚度控制领域，具体涉及一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法。

背景技术

在单机架可逆轧机轧制带钢的过程中，都需要进行轧制速度的调整。一般典型的速度调整策略是这样的：首先轧机从零速起车，达到穿带速度后保持，等带钢头部穿过轧机卷在卷取机上以后，穿带过程完成。然后轧机开始升速到正常轧制速度，这段过程中由于要投入各种控制功能，一般不是一次性加速到轧制速度，而是分为两次或更多次的加速，逐渐到达轧制速度然后保持。绝大部分带钢以轧制速度进行轧制，直到一卷钢即将轧完，轧机开始降速，同样的，降速过程一般也不是一次性完成的，而是分为两次或更多次，逐渐降速为零。

如上所述，一卷钢的轧制过程中存在多次加减速的过程，而速度对轧出带钢的厚度是有较大影响的。一般来说，如果保持恒定的轧制力，随着速度升高则带钢出口厚度会变薄，直到速度升高到一定程度，出口厚度不再变薄。其内部的机理是随着速度变化带来的摩擦力变化，低速时摩擦力较大，高速时摩擦力减小，等速度升高到一定值，摩擦力就不再减小了。由于力的相互作用，摩擦力的变化影响了轧制力，最终反映到带钢的厚度上，造成了带钢出口厚度发生变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法，补偿轧制速度变化对带钢出口厚度造成的影响，以提高加减速过程中带钢厚度控制的精度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S10、通过轧制力模型计算各速度档下的理论轧制力，并在每卷钢轧制完成后，使用实测数据采用自学习方法对轧制力模型的参数进行修正；

S20、在轧机加减速过程中，若带钢出口厚差超过一定范围，则自适应调节增益值；

S30、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度，使用线性插值的方法获取实时的理论轧制力值，在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器依据理论轧制力值，计算出本次加减速补偿的辊缝调节量，附加到辊缝设定值上。

按上述方案，所述的S10具体包括：

S101、计算带钢平均变形抗力和各速度档下的摩擦系数；

S102、迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到达到迭代终止条件；

S103、每卷钢轧制完成后，使用实测数据对轧制力模型的参数进行自学习。

按上述方案，所述的S101具体为：

首先根据轧制规程获取平均变形率ε_m，计算平均变形抗力k_fm：

其中，k₁，k₂，k₃为预设系数；

将轧制速度分为若干档，其中第i个速度档记为v_i；从生产记录中获取换辊后轧制带钢的卷数N_r，然后计算各速度档下的摩擦系数μ_i：

其中，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆为预设系数。

按上述方案，所述的S102具体为：

根据平均变形抗力k_fm、各速度档下的摩擦系数μ_i、轧辊压扁半径R′_i，采用如下公式计算各速度档下的初始轧制力F_i：

式中，

式中：B表示轧件宽度；R′_i表示各速度档下的压扁半径；H表示轧前带钢厚度；h表示轧后带钢厚度；Δh表示带钢压下量，Δh＝H-h；Q_p，i表示各速度档下的外摩擦影响系数；n_t表示张力影响系数；ε表示带钢压下率，ε＝Δh/H；t_f表示前张应力；t_b表示后张应力；C表示张力加权系数；

再以下式计算各速度档下的轧辊弹性压扁量：

式中，

式中：R表示轧辊原始半径；γ_R表示泊松比；E_R表示杨氏模量；C_H表示中间系数；

通过上述公式不断迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到满足迭代终止条件。

按上述方案，所述的迭代终止条件为：相邻两次计算的理论轧制力偏差小于偏差预设值，和/或循环次数大于预设次数。

按上述方案，所述的S103中，所述的实测数据包括入出口厚度、入出口张力、带钢宽度、轧制速度、轧制力；所述的自学习方法采用遗传算法，遗传算法的输入包括所有的实测数据，输出为优化后的模型系数。

按上述方案，所述的S20具体为：

S201、带钢轧制过程中，在轧机加减速时，采样实际出口厚度差值，求取一定次数的出口厚差平均值；

S202、若轧机加减速过程中出现过补偿，则减小增益值；

S203、若加减速过程中出现欠补偿，则增大增益值；

S204、轧机加速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值；

S205、减速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值。

按上述方案，所述的S30具体为：

S301、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度插值计算理论轧制力值，

实际轧制速度位于某档速度时直接取该档对应的理论轧制力值，当实际轧制速度位于设置的两档速度之间时，采用线性插值的方法求取理论轧制力值；

S302、在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器计算出本次加减速补偿的辊缝调节量：

式中，L表示轧机从零速起车后，本次加减速的次数，ΔS_REC(L-1)为上一次加减速后得到的辊缝调节量，其中ΔS_REC(0)＝0.0；K表示本次加减速过程中已经过的采样时间个数，P_F(n)和P_F(n-1)分别为当前时刻与前一时刻的理论轧制力值，C_S为轧机的刚度系数，T_A为PLC控制器的采样时间，T_I为积分控制器的积分时间参数，G_REC为自适应增益值。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用了带自学习功能的轧制力模型，在每卷钢轧制完成后都会依据实际采样数据对模型参数进行修正，经过一段时间的自学习，轧制力计算模型会越来越精确；模型计算出若干档轧制速度下的理论轧制力，实际使用时根据轧制速度在相邻档速度间线性插值获取实时的理论轧制力值，然后根据理论轧制力值计算出加减速对带钢出口厚度的影响量，并将这种影响换算成需要调节的辊缝量，补偿后可明显提高轧机加减速阶段中带钢的厚度控制精度，减小了带钢厚度超差长度，从而提高了整体成材率。

2、本发明在计算辊缝补偿量时使用了自适应增益，可根据实际出口厚差自动调节增益值，避免出现补偿过量或补偿不足的情况，可将加减速阶段中的带钢出口厚度差限制在较小范围内。

附图说明

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。

图2为理论轧制力计算方法的流程图。

图3为本发明一实施例的方法流程图。

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。

一个单机架可逆轧机的厚度控制系统及其主要检测仪表如图1所示，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6从入口卷取机1上启动，通过转向辊2然后在一个六辊轧机7中轧制，液压缸4提供轧制力，再通过转向辊11，最后卷取在出口卷取机12上。机组配置有两个张力计3和10，分别用于测量轧机入口和出口张力，还配置有两个测厚仪5和9，分别测量入口和出口带钢厚度。所有的轧制工艺控制功能通过在PLC控制器8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。加减速阶段的厚度补偿方法首先按照轧制力模型计算出各个速度档下的理论轧制力，然后采用积分控制器依据加减速情况计算出相应的辊缝补偿量，附加到辊缝设定值上去，由液压辊缝控制环节控制液压缸位置，即可实现这种补偿方法。

本发明提供一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法，如图3所示，包括以下步骤：

S10、通过轧制力模型计算各速度档下的理论轧制力，如图2所示，并在每卷钢轧制完成后，使用实测数据采用自学习方法对轧制力模型的参数进行修正。具体包括：

S101、计算带钢平均变形抗力和各速度档下的摩擦系数。

首先根据轧制规程获取平均变形率ε_m，计算平均变形抗力k_fm：

其中，k₁，k₂，k₃为预设系数；

将轧制速度分为若干档，例如在本实施例中，将轧制速度从100m/min～800m/min按100m/min间隔分为8个速度档，其中第i个速度档记为v_i；从生产记录中获取换辊后轧制带钢的卷数N_r，然后计算各速度档下的摩擦系数μ_i：

其中，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆为预设系数。

S102、迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到达到迭代终止条件。

根据平均变形抗力k_fm、各速度档下的摩擦系数μ_i、轧辊压扁半径R′_i，采用如下公式计算各速度档下的初始轧制力F_i：

式中，

式中：B表示轧件宽度；R′_i表示各速度档下的压扁半径；H表示轧前带钢厚度；h表示轧后带钢厚度；Δh表示带钢压下量，Δh＝H-h；Q_p，i表示各速度档下的外摩擦影响系数；n_t表示张力影响系数；ε表示带钢压下率，ε＝Δh/H；t_f表示前张应力；t_b表示后张应力；C表示张力加权系数；

再以下式计算各速度档下的轧辊弹性压扁量：

式中，

式中：R表示轧辊原始半径；γ_R表示泊松比；E_R表示杨氏模量；C_H表示中间系数；

通过上述公式不断迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到满足迭代终止条件。具体来说，在本实施例中，迭代终止条件为：相邻两次计算的理论轧制力偏差小于预设的值，优选地，预设值为前一次计算轧制力的1％。且当循环次数大于预设次数时，也将退出迭代。优选地，预设次数为10。

S103、每次卷钢轧制完成后，使用实测数据对轧制力模型的参数进行自学习。所述的实测数据包括入出口厚度、入出口张力、带钢宽度、轧制速度、轧制力；所述的自学习方法采用遗传算法，遗传算法的输入包括所有的实测数据，输出为优化后的模型系数，即k₁、k₂、k₃、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆。其中k₁、k₂、k₃供接下来生产的同钢种钢卷使用。b₁、b₂、b₃、b₄、b₅、b₆供后继生产的所有钢卷使用。

S20、在轧机加减速过程中，若带钢出口厚差超过一定范围，则自适应调节增益值。由于补偿量不可能100％精确，观察出口厚差实际值，若超出一定范围则表示出现补偿过量或补偿不足的情况，此时自动调节增益值，确保补偿量适中。具体包括：

S201、带钢轧制过程中，在轧机加减速时，采样实际出口厚度差值，求取一定次数的出口厚差平均值。

带钢轧制过程中，在轧机加减速时，采样实际出口厚度差值Δh_act(定义为出口厚度实际值减去出口厚度设定值)，并求取M次出口厚差的平均值

在本实施例中，取M＝5。

S202、若轧机加减速过程中出现过补偿，则减小增益值。

自适应增益值初始值为1.0，加速过程中，若

大于0.003mm，或者在减速过程中，小于-0.003mm，则自适应增益值调整为G_REC＝0.8。

上述情况表示增益为1.0时补偿量太大，反而造成出口厚差进一步增大，该状态称为补偿过量，需调小增益值。

S203、若加减速过程中出现欠补偿，则增大增益值。

自适应增益值初始值为1.0，加速过程中，若

小于-0.003mm，或者在减速过程中，

大于0.003mm，则自适应增益值调整为G_REC＝1.2。

上述情况表示增益为1.0时补偿量太小，出口厚差逐渐累积增大，该状态称为补偿不足，需增大增益值。

S204、轧机加速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值。

加速过程中，若G_REC＝0.8且

逐渐减小到小于0.0mm，则自适应增益值调整为G_REC＝1.0；若G_REC＝1.2且

逐渐增大到大于0.0mm，则自适应增益值调整为G_REC＝1.0。

前一种情况表示由于出现补偿过量，增益调整为0.8后，补偿量变小，则出口厚差平均值也开始逐渐变小，等出口厚度平均值小于0.0mm时，则表明这时补偿量太小了，开始出现补偿不足的趋势了，因此这时将增益值调回1.0；

而后一种情况正好相反，表示由于出现补偿不足，增益调整为1.2后，补偿量变大，出口厚差平均值开始逐渐变大，等出口厚度平均值大于0.0mm时，则表明这时补偿量太大了，开始出现补偿过量的趋势了，因此这时将增益值调回1.0。

S205、减速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值。

减速过程中，若G_REC＝0.8且

逐渐增大到大于0.0mm，则自适应增益值调整为G_REC＝1.0；若G_REC＝1.2且

逐渐减小到小于0.0mm，则自适应增益值调整为G_REC＝1.0。

减速过程跟加速过程原理类似，都是在出现补偿过量或补偿不足的趋势时调节自适应增益值。

S30、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度，使用线性插值的方法获取实时的理论轧制力值，在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器依据理论轧制力值，计算出本次加减速补偿的辊缝调节量，附加到辊缝设定值上。由液压辊缝控制环节控制液压缸位置达到设定值，即可补偿速度变化对带钢出口厚度的不利影响，提高加减速阶段的厚度控制精度。

S301、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度插值计算理论轧制力值。

实际轧制速度位于某档速度时直接取该档对应的理论轧制力值，当实际轧制速度位于设置的两档速度之间时，采用线性插值的方法求取理论轧制力值。

例如，若轧制速度V_act位于两个速度档V₂和V₃之间，那么当前时刻的理论轧制力值为：

式中，PF(2)和PF(3)分别为第二档速度和第三档速度时对应的理论轧制力值。

S302、在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器计算出本次加减速补偿的辊缝调节量：

式中，L表示轧机从零速起车后，本次加减速的次数，ΔS_REC(L-1)为上一次加减速后得到的辊缝调节量，其中ΔS_REC(0)＝0.0；K表示本次加减速过程中已经过的采样时间个数，P_F(n)和P_F(n-1)分别为当前时刻与前一时刻的理论轧制力值，C_S为轧机的刚度系数，T_A为PLC控制器的采样时间，在本实施例中设置为4ms；T_I为积分控制器的积分时间参数，可根据实际情况做调整；G_REC为自适应增益值。

举例来说，轧机从零速起车后，目前进入第二次加速过程，而第一次加速后计算的辊缝调节量为0.07mm，本次加速共经过了85个采样周期，那么这次加速过程完成后，所得到的辊缝调节量为：

本次加速过程完成后，假设计算出来的辊缝调节量为0.23mm，那么该补偿量保持不变，附加到辊缝位置设定值上，直到下一次加减速的时候才会变化。由液压辊缝环节调节液压缸位置达到设定值，即可实现这种对带钢出口厚度的补偿方法。

注意本道次轧制完成后，加减速阶段的辊缝补偿量重置为0.0。

本发明的工作原理为：首先根据轧制力模型计算出若干档轧制速度下的理论轧制力，并在本卷钢轧制完成后，采用自学习方法对轧制力模型参数进行修正。若出口厚差超过一定的范围则依据规则自适应地调节增益值，然后根据实际轧制速度使用线性差值的方法获取实时的理论轧制力值，并采用积分控制器依据理论轧制力计算出辊缝补偿量，补偿后可较大程度地提高单机架可逆轧机加减速阶段带钢的厚度控制精度。注意该辊缝补偿量在本道次厚度控制投入的整个过程中都是有效的，只是在稳速阶段该值保持不变，而加减速阶段会发生改变。

本实施例提出的一种单机架可逆轧机加减速阶段的厚度补偿方法，首先根据轧制力模型计算出若干档轧制速度下的理论轧制力，并在本卷钢轧制完成后，采用自学习方法对轧制力模型参数进行修正。若出口厚差超过一定范围则根据实际出口厚差不断调节自适应增益，然后根据实际轧制速度使用线性差值的方法获取实时的理论轧制力值，并采用积分控制器依据理论轧制力计算出辊缝补偿量，补偿后可明显提高轧机加减速阶段中带钢的厚度控制精度。注意该辊缝补偿量在本道次厚度控制投入的整个过程中都是有效的，只是在稳速阶段该值保持不变，而加减速阶段会发生改变。

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)、可编程逻辑控制器(PLC)、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 (8)

1.一种轧机加减速阶段的厚度补偿方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S10、通过轧制力模型计算各速度档下的理论轧制力，并在每卷钢轧制完成后，使用实测数据采用自学习方法对轧制力模型的参数进行修正；

步骤S20、在轧机加减速过程中，若带钢出口厚差超过一定范围，则自适应调节增益值；

步骤S30、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度，使用线性插值的方法获取实时的理论轧制力值，在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器依据理论轧制力值，计算出本次加减速补偿的辊缝调节量，附加到辊缝设定值上。

2.根据权利要求1所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S10具体包括：

S101、计算带钢平均变形抗力和各速度档下的摩擦系数；

S102、迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到达到迭代终止条件；

S103、每次卷钢轧制完成后，使用实测数据对轧制力模型的参数进行自学习。

3.根据权利要求2所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S101具体为：

首先根据轧制规程获取平均变形率ε_m，计算平均变形抗力k_fm：

其中，k₁，k₂，k₃为预设系数；

将轧制速度分为若干档，其中第i个速度档记为v_i；从生产记录中获取换辊后轧制带钢的卷数N_r，然后计算各速度档下的摩擦系数μ_i：

其中，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆为预设系数。

4.根据权利要求2所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S102具体为：

根据平均变形抗力k_fm、各速度档下的摩擦系数μ_i、轧辊压扁半径R′_i，采用如下公式计算各速度档下的初始轧制力F_i：

式中，

式中：B表示轧件宽度；R′_i表示各速度档下的压扁半径；H表示轧前带钢厚度；h表示轧后带钢厚度；Δh表示带钢压下量，Δh＝H-h；Q_p，i表示各速度档下的外摩擦影响系数；n_t表示张力影响系数；ε表示带钢压下率，ε＝Δh/H；t_f表示前张应力；t_b表示后张应力；C表示张力加权系数；

再以下式计算各速度档下的轧辊弹性压扁量：

式中，

式中：R表示轧辊原始半径；γ_R表示泊松比；E_R表示杨氏模量；C_H表示中间系数；

通过上述公式不断迭代计算各速度档下的理论轧制力和轧辊压扁半径，直到满足迭代终止条件。

5.根据权利要求4所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的迭代终止条件为：相邻两次计算的理论轧制力偏差小于偏差预设值，和/或循环次数大于预设次数。

6.根据权利要求2所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S103中，所述的实测数据包括入出口厚度、入出口张力、带钢宽度、轧制速度、轧制力；所述的自学习方法采用遗传算法，遗传算法的输入包括所有的实测数据，输出为优化后的模型系数。

7.根据权利要求1所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S20具体为：

S201、带钢轧制过程中，在轧机加减速时，采样实际出口厚度差值，求取一定次数的出口厚差平均值；

S202、若轧机加减速过程中出现过补偿，则减小增益值；

S203、若加减速过程中出现欠补偿，则增大增益值；

S204、轧机加速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值；

S205、减速过程中，若调节增益后又出现过补偿或欠补偿，则改回初值。

8.根据权利要求1所述的厚度补偿方法，其特征在于：所述的S30具体为：

S301、利用自学习后的轧制力模型，根据实际轧制速度插值计算理论轧制力值，

实际轧制速度位于某档速度时直接取该档对应的理论轧制力值，当实际轧制速度位于设置的两档速度之间时，采用线性插值的方法求取理论轧制力值；

S302、在轧机的一次加减速阶段，采用积分控制器计算出本次加减速补偿的辊缝调节量：

式中，L表示轧机从零速起车后，本次加减速的次数，ΔS_REC(L-1)为上一次加减速后得到的辊缝调节量，其中ΔS_REC(0)＝0.0；K表示本次加减速过程中已经过的采样时间个数，P_F(n)和P_F(n-1)分别为当前时刻与前一时刻的理论轧制力值，C_S为轧机的刚度系数，T_A为PLC控制器的采样时间，T_I为积分控制器的积分时间参数，G_REC为自适应增益值。

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