CN112207136A - 一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别涉及一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法。其基于轧机振动测试分析信号解析传动系统扭振状态下的振动特性，对轧机扭转振动状态进行综合描述，将扭振造成板带速度变化描述反馈到轧机活套张力控制系统，以描述板带速度变化引起的张力变化设计活套前馈控制，保证张力在系统扭转振动状态下的稳定，同时综合工艺参数反馈控制技术，保证板带在机架间张力恒定。本发明研究的优点为实现了基于传动系统扭转振动信号数字处理的轧机张力前馈‑反馈综合控制，保证了板带轧机轧制过程中的稳定运行。

Description

一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及轧制过程热连轧机组活套对轧制张力的稳定性控制方法。

背景技术

随着钢铁技术自动化水平的发展，板带轧制过程随系统稳定性要求越来越高。随着传感器技术和动态信号测试技术的研究，轧机动态状态数据可以得到随时监控。轧机扭转振动是影响轧制界面稳定性的关键因素，根据测定的轧机扭振特征可以提取轧机传动系统速度偏差，而轧机转速将影响板带张力，活套对张力的反馈控制一直存在滞后性，造成系统稳定性无法保证。

基于传动系统接轴扭转信号前馈控制轧机活套动作，主要任务就是将轧机传动扭转振动特征信号进行分析，并将信号转化成控制信号作用与活套辊的动作过程中。理想活套张力控制是保证板带张力稳定，而将轧机传动系统扭振信息作为活套动态作用的基础，使活套向稳定区间收敛，降低板带在机架间的“拉拽作用”。

对轧制技术动态工艺参数稳定性控制方法研究是实现轧制稳定性的关键，对于热轧带钢精轧机组高速轧制状态下板带张力控制技术的研究除了综合稳定控制系统不出现结构问题外，还可体通过对活套的精准控制从而实现板带在机架间的稳定状态。在线活套监测和动态控制技术的应用在一定程度上轧辊运行状态失稳造成的板带波动，保证了板带张力能够维持在一定的波动范围内。但另一方面，单纯应用活套反馈控制技术对轧制过程稳定性控制具有滞后性、精度差等缺陷，而基于动态信号测试技术，将轧机扭振造成的转速波动直接应用于轧机活套的前馈控制，建立相关控制模型是一个关键所在。在轧制过程中，监控轧机扭转振动的方法一般是研究轧机接轴扭转应变状态。为了表征传动系统扭振特征对系统稳定性的影响，本发明将轧机运转过程扭振数据转化为板带在机架间运行速度的变化，根据前馈补偿增加到轧机活套角的反馈控制当中，即形成基于动态信号测试的活套恒张力前馈-反馈控制方法。因此，基于轧机扭振信号动态测试的板带恒张力活套控制方法主要分析活套传动系统扭振状态对板带张力的影响，根据测试数据求得扭振对板带速度影响，设计前馈控制方式作用于活套角调整，结合活套张力反馈控制技术，实现机架间板带张力和运动的稳定。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的是针对轧机传动系统扭转振动造成的板带张力动态失稳，通过活套反馈调整存在滞后性，并造成板带在机架间的波动问题，提供了一种基于扭转振动信号测试的板带恒张力控制方法，该方法可以实现在动态轧制过程中板带失稳引发的生产问题。

具体地，本发明提供一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法，其包括以下步骤：

S1、动态采集轧机扭振信息，并提取动态扭振应变数据特征，获得动态参数，将应变片贴在轧机主轴上，根据应变片测量信息实时得到多模态动态应变量，并通过快速傅里叶变换方法提取应变片测得的动态应变量中成分组成ε_d，表示为

其中，t表示时间，t₀表示初始时间，A_i为分解后第i模态应变幅值，f_i为第i模态频率，ε₀为设定的ε_d的初始值；

S2、根据轧制工艺参数设定扭振传动系统状态评价参量α，判断动态扭振应变幅值比A与α的关系，若

则进入步骤S3，如A＜α，则返回步骤S1，继续提取动态扭振应变数据特征，直至动态扭振应变幅值比A大于α，进入步骤S3；

S3、计算由轧机扭振造成的板带出口速度，并输入到现有的活套控制系统中：

轧机扭转振动造成的轧机工作辊转速表示为：

其中，R为轧机工作辊半径；ω₀表示工作辊初始转速，t表示时间；

表示动态扭转角对时间的一阶导数，

表示为：

其中，传动系统输入驱动转矩M_in由现有的活套控制系统获得，l为接轴长度，G为剪切弹性系数，I_p为接轴沿传动系统轴向的转动惯量；非稳态轧制状态下，动态摩擦力矩M_out受轧辊转速影响，根据测试数据将动态摩擦力矩M_out表示为：

假设轧制过程前滑系数值S_h保持不变，则由轧机扭振造成的板带出口速度为：

S4、根据设定的板带生产参数，输入初始活套角对轧机进行动态调整控制，其具体包括以下子步骤：

S41、建立活套角度与机架间板带长度之间的函数关系，即当活套角与水平方向夹角为

时板带在机架之间的板带拉长长度为：

其中，l₁,l₂,l₃分别表示为活套安装位置距板带中心位置的长度、工作辊垂直轴线距离活套安装位置水平距离以及活套臂长，r表示活套辊半径；为了保证轧机扭转振动状态下的张力稳定，必须保证轧制状态下机架间板带单位时间出口速度与拉长量比值恒定，扭转系统不发生扭振时活套角

S42、基于测试参数分析，建立了考虑传动系统扭转振动的机架间板带拉长长度l_sd1表示为：

其中，l_s0表示稳态轧制时机架间板带长度，l_sd1表示传动系统扭振时机架间板带计算长度；

S43、根据调整机架间板带拉长长度与活套角关系公式，逆向求解轧机活套角，以分解得到的第i阶模态扭振为例，根据活套角调整关系，求得第i阶模态前馈动态调整参数

并将第i阶模态前馈动态调整参数

输入现有的活套控制系统中；

S5、基于实时测试动态调整张力偏差，完成恒张力反馈控制，具体过程为：

S51、实时测试张力值T，获得张力偏差值ΔT为：

ΔT＝T-T₀

其中，T₀表示设定张力值；

S52、将张力偏差值ΔT与张力偏差阈值β进行比较，当ΔT大于β时，对活套进行反馈控制调整，此时机架间板带拉伸量为：

l_sd2(t)＝(T/T₀)*l_sd1；

其中，I_sd1为调整前机架间板带拉伸量；I_sd2为调整后机架间板带拉伸量；

S53、根据机架间板带拉长长度公式，求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角动态理论调整值，逆向求解轧机活套角得考虑外界扰动后的活套角计算值

一元方程为：

S54、将轧机活套角反馈动态调整参数

实时输入活套角动态反馈控制，实现基于动态测试信号的活套前馈调控，反馈调整角度为：

其中，

表示系统中测试的实时活套角，反馈过程调整活套角度

实现在轧制过程中恒张力反馈调控。

优选地，步骤S43的具体求解过程如下：

S431、求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角理论最大值

一元方程为：

S432、考虑轧机扭振状态的前馈动态调整角度为：

S433、根据模态分解，第i阶模态前馈控制方程可以表示为基于动态调整角的一次时间函数：

其中，τ_i表示第i阶模态延时常数；

S434、测试获得轧制系统传动接轴振动，对活套角前馈动态调整参数

转换成实时动态调整的控制参数输入到活套控制系统，实时动态调整的控制参数表示为各振动的时间函数方程，具体公式如下：

与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)本发明通过现代监控传感测控技术，掌握轧机传动系统扭转振动特征提取技术，将轧机传动系统动态扭转振动状态特征应用于板带轧制过程控制当中，提出了设备状态驱动工艺控制的新模式，为连轧过程板带运行稳定控制技术提供了新思路。

(2)本发明提出基于轧机传动系统扭振状态带钢张力前馈控制技术，通过轧制过程工艺机理研究，将轧机扭振数据进行分解，提取了系统扭振多模态特征，再转化为轧制过程板带出口速度动态波动。以轧机活套预先动态控制为基础，吸纳因轧机扭振造成的张力变化，实现对轧机传动系统不稳定因素的动态补偿；同时联合活套的反馈控制技术，实现综合传动系统稳定性和板带动态波动的前馈-反馈活套张力稳定控制技术。

(3)本发明通过使用本发明实现基于设备状态监控和工艺参数动态监控技术在板带轧制过程的综合应用，对提高轧制过程轧制变形区稳定性，弥补设备动态不足缺陷，保证板带产品质量和装备稳定性等方面多有益处。

附图说明

图1是本发明实施过程流程图；

图2是本发明求解轧机动态扭振理论模型图；以及

图3为本发明活套动态调整示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

具体地，本发明提供一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法，其包括以下步骤：

S1、按照附图1所示布置接轴测试，动态采集轧机扭振信息。按照图1所示，提取应变片应变量组成ε_d，表示为

其中，t表示时间，t₀表示初始时间，A_i为分解后第i模态应变幅值，f_i为第i模态频率，ε₀为设定的ε_d的初始值；

S2、按照图示1，判断动态扭振应变幅值比A与α关系，若

则进入步骤S3，如A<α，则返回步骤S1，继续提取动态扭振应变数据特征，直至动态扭振应变绝对值与稳态值之比即动态扭振应变幅值比A大于α，进入步骤S3；

S3、计算由轧机扭振造成的板带出口速度，并输入到现有的活套控制系统中：

轧机扭转振动造成的轧机工作辊转速表示为：

其中，R为轧机工作辊半径；ω₀表示工作辊初始转速，t表示时间；

表示动态扭转角对时间的一阶导数，

表示为：

其中，传动系统输入驱动转矩M_in由现有的活套控制系统获得，l为接轴长度，G为剪切弹性系数，I_p为接轴沿传动系统轴向的转动惯量；非稳态轧制状态下，动态摩擦力矩M_out受轧辊转速影响，根据测试数据将动态摩擦力矩M_out表示为：

假设轧制过程前滑系数值S_h保持不变，则由轧机扭振造成的板带出口速度为：

S4、根据设定的板带生产参数，计算初始活套角动态调整控制幅值，求解反馈控制函数：

(1)建立了考虑传动系统扭转振动的机架间板带拉长长度l_sd1表示为：

其中，l_s0表示稳态轧制时机架间板带长度，l_sd1表示传动系统扭振时机架间板带计算长度。

(2)根据调整机架间板带拉长长度与活套角关系公式，逆向求解轧机活套角，以分解得到的第i阶模态扭振为例，根据活套角调整关系，求得第i阶模态前馈动态调整参数

具体求解过程如下：

求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角理论最大值

一元方程为：

考虑轧机扭振状态的前馈动态调整角度为：

(3)根据模态分解，第i阶模态前馈控制方程可以表示为基于动态调整角的一次时间函数：

其中，τ_i表示第i阶模态延时常数。

测试获得轧制系统传动接轴振动，对活套角前馈动态调整参数

需转换成实时动态调整输入到系统，实时输入活套角动态前馈控制角幅值二倍，实现基于动态测试信号的活套前馈调控，控制参数表示为：

S5、基于实时测试动态调整张力偏差，完成恒张力反馈控制。具体过程为：

(1)实时测试张力值T，获得张力偏差值ΔT为：

ΔT＝T-T₀

其中，T₀表示设定张力值；

(2)将张力偏差值ΔT与张力偏差阈值β进行比较，当ΔT大于β时，对活套进行反馈控制调整，此时机架间板带拉伸量为：

l_sd2(t)＝(T/T₀)*l_sd1；

(3)根据机架间板带拉长长度公式，求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角动态理论调整值，逆向求解轧机活套角得考虑外界扰动后的活套角计算值

一元方程为：

(4)将轧机活套角反馈动态调整参数

实时输入活套角动态反馈控制，实现基于动态测试信号的活套前馈调控，反馈调整角度为：

其中，

表示系统中测试的实时活套角。反馈过程调整活套角度

实现在轧制过程中恒张力反馈调控。

图2是本发明求解轧机动态扭振理论模型，M_in表示传动系统输入力矩，M_out表示轧制界面摩擦力矩，θ₀表示稳态接轴扭转应变角，θ_d表示接轴扭转状态下扭转应变角；图中A的位置为应变测试点。

图3为本发明活套动态调整示意图，其中R表示工作辊半径，l₁,l₂,l₃分别表示为活套安装位置距板带中心位置长度，工作辊垂直轴线距离活套安装位置水平距离，以及活套臂长，r表示活套辊半径，L表示牌坊间距，

表示活套初始设定角，

表示动态调整角。

具体实施例：

轧机扭转振动完成应变量多模态分解，满足叠加原理，本实施例以某一种应变状态模态说明系统基于测试数据的前馈控制。可以根据轧机结构设计和工艺参数设计直接获得的参数包括：工作辊半径R＝0.42m，活套辊半径r＝0.15m，机架间距离L＝6m，活套臂长l₃＝1.6m，活套安装位置尺寸l₁＝0.8m,l₂＝0.5m，设定机架间张力T₀＝10MPa，实时张力为T＝12MPa，前滑系数设为定制S_h＝0.05，设定轧机扭振状态参数α＝0.3，β＝0.2剪切模量G＝8×10MPa，接轴长度l＝4m。下面为对本轧制系统某机架活套进行控制的具体过程。

(1)检测到某轧制过程状态下系统发生周期性扭振，扭振幅值比为

因此需进入活套前馈控制环节。分解得到传动系统扭转振动频率包括f₁＝18Hz，|ε₀|＝40με扭转应变波动幅值表示为，max|ε_d|-min|ε_d|＝20με。板带轧制过程轧辊转速ω＝15rad/s，延时时间常数τ₁＝0.05s。将上述参数代入方程组，得一元方程：

求解得在上述状态下前馈调整幅值角度

反馈控制设计函数：

(2)根据实施例，ΔT＝4MPa，可计算ΔT/T₀＝0.4＞β，需要进行动态反馈调整。同理，将上述参数代入一元方程，求得反馈调整幅值

将反馈动态调整角度输入到活套控制作用。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、动态采集轧机扭振信息，并提取动态扭振应变数据特征，获得动态参数，将应变片贴在轧机主轴上，根据应变片测量信息实时得到多模态动态应变量，并通过快速傅里叶变换方法提取应变片测得的动态应变量中成分组成ε_d，表示为

其中，n为自然数取值(i＝1,2,......n)，t表示时间，t₀表示初始时间，A_i为分解后第i模态应变幅值，f_i为第i模态频率，ε₀为设定的ε_d的初始值；

S2、根据轧制工艺参数设定扭振传动系统状态评价参量α，判断动态扭振应变幅值比A与α的关系，若

则进入步骤S3，如A＜α，则返回步骤S1，继续提取动态扭振应变数据特征，直至动态扭振应变幅值比A大于α，进入步骤S3；

S3、计算由轧机扭振造成的板带出口速度，并输入到现有的活套控制系统中：

轧机扭转振动造成的轧机工作辊转速表示为：

其中，R为轧机工作辊半径；ω₀表示工作辊初始转速，t表示时间；

表示动态扭转角对时间的一阶导数，

表示为：

其中，传动系统输入驱动转矩M_in由现有的活套控制系统获得，l为接轴长度，G为剪切弹性系数，I_p为接轴沿传动系统轴向的转动惯量；非稳态轧制状态下，动态摩擦力矩M_out受轧辊转速影响，根据测试数据将动态摩擦力矩M_out表示为：

假设轧制过程前滑系数值S_h保持不变，则由轧机扭振造成的板带出口速度为：

S4、根据设定的板带生产参数，得到前馈动态调整参数，输入活套控制系统中对轧机进行动态调整控制，其具体包括以下子步骤：

S41、建立活套角度与机架间板带长度之间的函数关系，即当活套角与水平方向夹角为

时板带在机架之间的板带拉长长度为：

其中，L表示机架间距离，l₁,l₂,l₃分别表示为活套安装位置距板带中心位置的长度、工作辊垂直轴线距离活套安装位置水平距离以及活套臂长，r表示活套辊半径；为了保证轧机扭转振动状态下的张力稳定，必须保证轧制状态下机架间板带单位时间出口速度与拉长量比值恒定，扭转系统不发生扭振时活套角

S42、基于测试参数分析，建立了考虑传动系统扭转振动的机架间板带拉长长度l_sd1表示为：

其中，l_s0表示稳态轧制时机架间板带长度，l_sd1表示传动系统扭振时机架间板带计算长度；

S43、根据调整机架间板带拉长长度与活套角关系公式，逆向求解轧机活套角，以分解得到的第i阶模态扭振为例，根据活套角调整关系，求得第i阶模态前馈动态调整参数

并将第i阶模态前馈动态调整参数

输入现有的活套控制系统中；

S5、基于实时测试动态调整张力偏差，完成恒张力反馈控制，具体过程为：

S51、实时测试张力值T，获得张力偏差值ΔT为：

ΔT＝T-T₀

其中，T₀表示设定张力值；

S52、将张力偏差值ΔT与张力偏差阈值β进行比较，当ΔT大于β时，对活套进行反馈控制调整，此时机架间板带拉伸量为：

l_sd2(t)＝(T/T₀)*l_sd1；

其中，I_sd1为调整前机架间板带拉伸量；I_sd2为调整后机架间板带拉伸量；

S53、根据机架间板带拉长长度公式，求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角动态理论调整值，逆向求解轧机活套角得考虑外界扰动后的活套角计算值

一元方程为：

S54、将轧机活套角反馈动态调整参数

实时输入活套角动态反馈控制，实现基于动态测试信号的活套前馈调控，反馈调整角度为：

其中，

表示系统中测试的实时活套角，反馈过程调整活套角度

实现在轧制过程中恒张力反馈调控。

2.根据权利要求1所述的基于轧机扭振测试分析的板带恒张力活套控制方法，其特征在于：步骤S43的具体求解过程如下：

S431、求解一元方程的解，求得考虑扭振状态下的活套角理论最大值

一元方程为：

S432、考虑轧机扭振状态的前馈动态调整角度为：

S433、根据模态分解，第i阶模态前馈控制方程表示为基于动态调整角的一次时间函数：

其中，τ_i表示第i阶模态延时常数；

S434、测试获得轧制系统传动接轴振动，对活套角前馈动态调整参数

转换成实时动态调整的控制参数输入到活套控制系统，实时动态调整的控制参数表示为各振动的时间函数方程，具体公式如下：

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