CN112439793B - 一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，属控制领域。其包括在往复式轧机的前后分别安装一个镰刀弯测量仪表；利用镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线曲线；根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲方向和弯曲程度；计算辊缝修正量；)根据当期道次宽度和压下量，修正辊缝修正量；L1根据辊缝修正量数据调整水平辊两侧的辊缝差，后续道次在此基础上进行轧制，从而实现镰刀弯的自动反馈式控制。其通过分析板坯轧制之后的中心线偏差数据，自动计算后续道次中水平辊两侧辊缝差设定值，从而实现减少镰刀弯弯曲程度，保证板坯平直，减少粗轧操作人员的劳动强度，提高了粗轧生产的自动化率。可广泛用于板坯在轧制过程中的工艺控制领域。

Description

一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法

技术领域

本发明属于控制领域，尤其涉及一种用于改善板坯轧制过程中的镰刀弯程度，实现粗轧轧制后板坯在长度方向上保证平直的方法。

背景技术

板坯在轧制之后发生镰刀弯的现象，其主要原因是在轧制时发生不对称形变。

造成不对称形变的主要因素包括：板坯宽度方向上温度分布、轧机执行精度、板坯宽度方向上两侧厚度差、板坯实际对中精度等。板坯发生镰刀弯是这些因素综合作用的结果。

控制板坯镰刀弯的难点，主要在于影响因素较多，而且在这些影响因素中有些数据是不可测的或者很难测准。例如：板坯宽度方向上两侧温度分布，轧机的控制精度，板坯两侧厚度等。由于有这些不确定因素，因此通过理论建模来控制板坯的翘曲，并且得到良好的控制效果是比较困难的。

目前，某些专利文献中提出采用粗轧机两侧轧制力的实际值、辊缝的实际计算值和机架两侧的弹跳参数等等作为输入，经过计算后，通过调节轧机单侧或两侧辊缝大小以实现对镰刀弯和楔形的纠正应用。也有专利文献提出通过控制侧导板的位置以及控制侧导板的压力对板坯镰刀弯的情况进行调整等。

经检索，目前与翘扣头相关的专利包括：

(1)授权公告日为2012年7月4日，授权公告号为CN 101934292B的中国发明专利“热轧带钢粗轧机组镰刀弯和楔形自动控制方法”，其中提到了通过将现场粗轧机两侧轧制力的实际值、辊缝的实际计算值和机架两侧的弹跳参数等等作为输入，经过精确的计算后，最终通过调节轧机单侧或两侧辊缝大小以实现对镰刀弯和楔形的纠正应用，本发明所述控制方法，不需要添加任何中间坯的镰刀弯形状检测装置，就能够实现镰刀弯以及楔形控制。

(2)授权公告日为2014年9月17日，授权公告号为CN 102441576B的中国发明专利“热轧带钢粗轧中间坯镰刀弯和楔形自动控制方法”，其公开了一种新型热轧带钢粗轧中间坯镰刀弯和楔形自动控制方法，该方法应用于热轧可逆粗轧机组上。该技术方案主要分2项技术，一是模型控制技术，另外是中间坯中心线偏移量反馈控制技术。模型控制是将现场粗轧机两侧轧制力的实际值、辊缝的实际计算值和机架两侧的弹跳参数等等作为输入，经过精确的计算得出轧杌单侧或两侧辊缝水平调整量；中心线偏移量反馈控制技术是把测宽仪检测到的板坯中心线偏移信号做特殊处理后计算得岀轧机两侧水平调整量。这两个技术合理的结合后能够很好的控制镰刀弯和楔形问题。应用本发明所述控制方法，避免了增设昂贵的、不易维护的中间坯楔形和镰刀弯检测装置。

(3)授权公告日为2009年12月9日，授权公告号为CN 100566866C的中国发明专利“一种粗轧中间坯镰刀弯的控制方法”，该技术方案通过控制侧导板的位置以及控制侧导板的压力对板坯镰刀弯的情况进行调整。

(4)授权公告日为2015年8月26日，授权公告号为CN 103752623B的中国发明专利“改善粗轧中间坯镰刀弯的自动控制方法”，该控制方法分为两部分内容:设定本道次的辊缝倾斜调整值和修正上一道次岀口镰刀弯的辊缝倾斜调整值。前者可以根据本道次的设定轧制力、设定出口厚度、两侧辊缝设定值、零调轧制力和两侧轧机刚度值，由解析模型计算得到；后者通过本道次的板坯塑性变形系数以及上一道次的两侧实测轧制力和板坯塑性变形系数计算得到。本发明的控制方法以现场实际的工艺参数为输入条件，提高自动控制模型有效控制中间坯镰刀弯，既方便操作，又能够很好的改善中间坯镰刀弯问题。

(5)授权公告日为2016年8月24日，授权公告号为CN 104162549B的中国发明专利“热连轧粗轧机中间坯镰刀弯的自动控制方法及系统”，该技术方案根据板坯测宽仪测量获得中间坯中心线偏移量；根据所述中心线偏移量通过侧边长度计算公式得到中间坯出口第一侧边的边长L1和第二侧边的边长L2；将所述L1和L2代入转换公式得到中间坯出口两侧的第一厚度偏差△h1和第二厚度偏差△h2；将所述△h1和△h2代入辊缝调平值公式得到辊缝调平值△s；根据所述辊缝调平值△s对轧机工作辊之间的辊缝值进行调整；使得所述轧杌工作辊在对中间坯下一道次的轧制过程中，能对中间坯镰刀弯形状进行有效地控制。

上述技术方案中，专利(1)(2)是根据水平辊两侧轧制力、辊缝、以及轧机弹跳等实际值，计算水平辊单侧或者双侧辊缝调整量；不足之处在于，轧机弹跳计算中要用到轧机刚度，而粗轧通常采用电动压下，无法做刚度测试，因此想要得到非常准确的刚度数据是不太现实的，从而导致计算的弹跳数据也不可能非常准确。专利(3)通过轧机两侧侧导板控制镰刀弯，属于通过机械设备调整镰刀弯。此方法不足之处在于，通过侧导板纠正镰刀弯风险极大，很容易造成卡钢。专利(4)也是根据轧制数据，通过理论模型计算得到镰刀弯调整量。不足之处与专利(1)(2)相同，刚度计算不准确。专利(5)采用计算板坯两侧边长，计算两侧延展不同，通过模型计算得到镰刀弯调整量，此方法计算比较复杂，而且没有考虑板坯压下量与板坯宽度对镰刀弯控制的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法。其通过分析板坯轧制之后的中心线偏差数据，自动计算后续道次中水平辊两侧辊缝差设定值，并将设定值发送到L1基础自动化执行，从而实现减少镰刀弯弯曲程度，保证板坯平直，减少粗轧操作人员的劳动强度，提高粗轧生产的自动化率。

本发明的技术方案是：提供一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，其特征是所述的镰刀弯控制方法包括下列步骤：

1)在往复式轧机的前、后，分别安装一个镰刀弯测量仪表；

2)利用镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线曲线；

3)根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲方向；

4)根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲程度；

5)计算辊缝修正量；

6)根据当期道次宽度和压下量，修正辊缝修正量；

7)将辊缝修正量数据发送到L1基础自动化控制系统，L1控制系统根据收到的辊缝修正量数据调整水平辊两侧的辊缝差，后续道次在此基础上进行轧制，从而实现了镰刀弯的自动反馈式控制。

其中，所述的镰刀弯测量仪表包括测宽仪。

本发明技术方案所述的镰刀弯控制方法，通过分析板坯轧制之后的中心线偏差数据，自动计算后续道次中水平辊两侧辊缝差设定值，并将设定值发送到L1基础自动化执行，从而实现减少镰刀弯弯曲程度，保证板坯平直，减少粗轧操作人员的劳动强度，提高粗轧生产的自动化率。

具体的，在所述的步骤3)中，采用最小二乘法对数据进行拟合，对曲线弯曲方向进行判定。

具体的，在对所述曲线弯曲方向进行判定时，如果2次项系数a大于0，那么曲线开口向上；如果2次项系数a小于0，那么曲线开口向下。

具体的，所述的步骤4)中，首先采用5次多项式对中心线偏差数据进行整体拟合，数据拟合之后，用5次多项式替代原始曲线，定义域为原始曲线x轴所代表的取值范围；在定义域范围内，搜索曲线的最大值P_max(X_max，Y_max)、最小值P_min(X_min，Y_min)所在的位置；

其弯曲程度S用极差表示，即：

S＝Y_max-Y_min。

具体的，在所述的步骤5)中，辊缝修正量与弯曲程度之间的对应关系采用查表的方式获得。

具体的，在所述的步骤6)中，需要对不同的来料宽度和压下量进行修正，所述的修正方法按照下列公式进行：

ΔV'＝ΔV*α*β

其中：

ΔV'：修正后的辊缝修正量；

α：宽度修正系数；

β：压下量修正系数。

进一步的，所述的宽度修正系数按照下列公式进行计算：

以宽度为

的板坯为标准坯，其它宽度大于或者小于

的板坯，所述的调整系数为：

其中，

为标准坯的宽度或同批次板坯的平均宽度，W_slb为当前轧制板坯的实际宽度。

进一步的，所述的压下量修正系数按照下列公式进行计算：

其中，

为同批次板坯的平均压下量，D_slb为当前轧制板坯的实际压下量。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本技术方案通过分析板坯中心线偏差数据，得到板坯的翘曲程度，从而通过控制轧机水平辊两侧的辊缝差来改善轧制过程中的镰刀弯程度，实现粗轧轧制后板坯在长度方向上保证平直，减少了镰刀弯对生产轧制带来的不利影响；

2.本技术方案不采用机理模型计算，而是采用对中心线偏差曲线进行分析，判断出板坯的弯曲方向，以及弯曲程度，结合经验模型将弯曲程度转换成调节量，用反馈调节的思想逐步消除板坯镰刀弯现象，简单实用，易于实现；

3.本技术方案的实施，可以有效避免镰刀弯过大对辊道两侧护板的损伤；通过自动控制可以减少人工干预，降低劳动强度，同时控制粗轧板坯平直，对精轧生产稳定顺行提供了有力的保障。

附图说明

图1a是本发明镰刀弯测控系统架构示意图；

图1b是本发明镰刀弯测控系统工作流程方框图；

图2a至图2d是典型镰刀弯曲线示意图；

图3是板坯宽度对镰刀弯调整的影响示意图；

图4是不同压下量对镰刀弯调整的影响示意图；

图5是本发明实施例测量出来的中心线偏差数据示意图。

图中A为轧机，B为镰刀弯测量仪表，C为过程控制计算机，D为L1现场基础自动化控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明技术方案中的镰刀弯控制测量值，采用测宽仪或专用的镰刀弯测量仪表所测量的中心线偏差曲线。

本发明技术方案所述的镰刀弯控制系统架构如图1a中所示，其中A为轧机，B为镰刀弯测量仪表，C为过程控制计算机，D为L1现场基础自动化控制系统(亦称PLC)。

控制过程如图1b中所示，当前板坯(或称当前轧制板坯，简称板坯，下同)在经过轧机轧制之后，板坯中心线偏差曲线被位于轧机后的测量仪表捕获，并将测量的中心线偏差曲线数据通过网络传输给过程控制计算机，过程控制计算机根据当前板坯中心线偏差曲线的特征数据，计算当前板坯的弯曲方向和弯曲程度，并根据弯曲方向和程度计算水平辊调节量。并将水平辊调节量设定值发送到L1，L1根据新的设定值，在进钢前调整到位，为后续轧制做准备。

此步骤中，需要对当前板坯中心线偏差数据进行分析处理，判定当前板坯的弯曲方向，是弯向传动侧还是弯向操作侧，以及其弯曲程度。然后将弯曲程度与水平“辊缝差”关联起来，实现根据中心线偏差数据改变水平辊两侧辊缝差，从而自动控制镰刀弯的目的。

与现有技术相比，本发明的技术方案，不采用机理模型计算，而是采用对中心线偏差曲线进行分析，判断出当前板坯的弯曲方向，以及弯曲程度，结合经验模型将弯曲程度转换成调节量，用反馈调节的思想逐步消除板坯镰刀弯现象。

具体的，本发明的技术方案，提供了一种基于中心线偏差的镰刀弯控制方法，其具体实现步骤如下：

步骤一、利用镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线曲线：

板坯在轧制时，如果在往复式轧机前后安装了测宽仪或者专用的镰刀弯测量仪表，那么在板坯轧制之后，测量仪表可以检测到每道次板坯的中心线偏差数据，中心线偏差数据代表了板坯轧制过程中的板坯镰刀弯弯曲情况。

镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线偏差曲线是N个离散点，用P_i(X_i，Y_i)(i∈[1，N])表示。其中X_i为曲线的横坐标，表示板坯长度，单位用毫米(mm)表示，Y_i为曲线的纵坐标，表示板坯中心线的弯曲程度，单位用毫米(mm)表示。

步骤二、根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲方向：

获得中心线偏差曲线之后，要对曲线弯曲方向进行判定，采用最小二乘法对数据进行拟合。在判定方向这个问题上二次曲线为判定提供了便利条件。

y＝ax²+bx+c

二次多项式拟合后，虽然不能完美和原始曲线数据向匹配，但是对于曲线的弯曲方向判断非常有利，如果2次项系数a大于0，那么曲线开口向上；如果2次项系数a小于0，那么曲线开口向下，通过2次曲线开口的方向，很容易判断板坯的弯曲方向。

板坯头部弯向哪个方向，那么这个方向在下道次就要通过调整辊缝多压一些，假设二次曲线判定的开口向上，表示头部弯向驱动侧，那么驱动侧就要多压一些，压多少根据弯曲程度调整。

步骤三、根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲程度：

镰刀弯测量仪表测到的中心线偏差数据，形态各异，如图2a至图2d中所示。判断弯曲程度，首先采用5次多项式对中心线偏差数据进行整体拟合，从图5中可知拟合效果可以满足控制要求，同时对于原始数据中的异常点也有很好的过滤作用。

数据拟合之后，用5次多项式替代原始曲线，定义域为原始曲线x轴所代表的取值范围。在定义域范围内，搜索曲线的最大值P_max(X_max，Y_max)、最小值P_min(X_min，Y_min)所在的位置。弯曲程度S用极差表示，即：

S＝Y_max-Y_min

步骤四、计算辊缝修正量：

辊缝修正量与弯曲程度之间的对应关系采用查表的方式获得，如下表格所示：

表：辊缝修正量表

表格定义如下：

弯曲量：根据步骤三中计算的弯曲量S，从0开始，按20mm一档划分成若干档；

道次：按实际生产中的最大道次划分。

ΔV：表示在当前道次平均压下量

和平均宽度

下的辊缝修正量。

这个表格中的数据是经验数据，模型调试过程中如果调整量过大或者过小，需要人工调整。

步骤五、根据当期道次宽度和压下量修正ΔV：

表格中取出的ΔV是平均压下量

和平均宽度

下的辊缝修正量，但是实际轧制过程中的板坯规格多种多样，因此需要对不同的来料宽度和压下量进行修正，修正方法如下：

ΔV'＝ΔV*α*β

其中：

ΔV'：修正后的辊缝修正量。

α：宽度修正系数。

β：压下量修正系数。

1、宽度修正系数计算方法：

如图3中所示，相同压下量的情况下，宽板坯发生形变的区域更大，调整镰刀弯的效果越明显。

因此，在相同弯曲程度的情况下，宽板坯调整的幅度要小于窄板坯；同理，窄板坯的调整幅度要更大才能达到相应的效果。如果以宽度为

的板坯为标准坯，那么其它宽度大于或者小于

的板坯，调整系数为：

2、压下量修正系数计算方法：

如图4中所示，不同的压下量，对镰刀弯的影响效果也不一样，压下量越大，参与形变的金属也越，因此对镰刀弯调整的影响也越大。

模型中的调整量可以根据平均压下量进行修正，各道次实际压下量的修正计算如下：

计算后得到的ΔV'为辊缝修正量，在实际辊缝设定的时候在原有水平辊两侧辊缝差的基础上加上ΔV'即可。

通过网络将计算的ΔV'辊缝修正量发送到L1基础自动化控制系统，L1控制系统根据收到的辊缝修正量数据调整水平辊两侧的辊缝差，后续道次在此基础上进行轧制，从而实现了针对板坯镰刀弯的反馈式自动控制。

实施例：

假设根据步骤1)和步骤2)所测量出来的中心线偏差数据如图5中所示，将所有数据用二次多项式进行拟合，拟合的数据结果为：

y＝-0.0012752x²+0.65984x-79.7912

由于其二次项系数-0.0012752小于0，故抛物线开口向下。

假设开口向上表示头部弯向驱动侧，开口向下表示头部弯向操作侧。那么这块板坯开口向下，表示头部弯向操作侧，所以操作侧要相应多压一些。实际压多少，需要根据弯曲程度计算。

用5次多项式拟合曲线，拟合后的曲线可以有效过滤异常数据，如图中“+”曲线所表示的拟合后曲线，5次多项式拟合后的方程如下：

y＝-1.93336*10^-10 x⁵+1.7867*10^-7 x⁴-5.6135*10^-5 x³+0.005494 x²+0.420409x-79.9054

然后将原始曲线中横坐标的数据代入5次多项式，通过遍历计算出曲线的最大值和最小值所代表的数据点P_max(X_max，Y_max)和P_min(X_min，Y_min)，本实施例中计算出的最大值坐标为P_max(313，2.68)，最小值坐标为：P_min(4，-78.1394)，弯曲程度S用极差表示：

S＝Y_max-Y_min＝2.68-(-78.1394)＝80.82

根据弯曲量S到辊缝修正量表中提取对应的辊缝调整数据，本实施例中由于S＝80.82，所以要取出S<＝80和S<＝100中的两个数据，然后通过差值计算，计算出辊缝修正量。

例如：S<＝80的辊缝修正量为0.6，S<＝100的辊缝修正量为0.85，那么S＝80.82的辊缝修正量ΔV，如下通过线性差值计算。

表格中取出的ΔV是典型规格的平均压下量

和平均宽度

下的辊缝修正量，假设定义

而当前轧制的板坯压下量D_slb＝29(mm)，入口宽度W_slb＝1350(mm)，则宽度修正量：

最后，根据宽度和压下量修正后的辊缝修正量为：

ΔV'＝ΔV*α*β＝0.6125*0.8148*0.8621＝0.4302

所以最终调整量为在当前辊缝基础上，操作侧多压0.4302毫米。

通过网络将计算的ΔV'，即0.4302毫米的辊缝修正量，发送到L1(现场基础自动化控制系统)，L1控制系统根据收到的辊缝修正量数据调整水平辊两侧的辊缝差，后续道次在此基础上进行轧制，从而实现镰刀弯反馈控制。

通过将近半年多的调试，镰刀弯自动化控制率从0％(全人工)，到目前平均80％以上，取得了比较大的进步，人工劳动强度大幅下降。

本发明的技术方案，通过测宽仪测量的板坯中心线偏差，计算板坯弯曲方向以及弯曲程度，通过模型计算动态调整轧机水平辊两侧不同的辊缝，可以有效的控制板坯在轧制过程中的镰刀弯弯曲程度，使热轧粗轧生产过程稳定顺行。

该技术方案采用基于图像测量技术得到板坯的中心线偏差数据，采用最小二乘法以及求解拟合曲线的极值点来判定板坯镰刀弯的弯曲方向和弯曲程度，通过反馈控制的方法实现了镰刀弯自动控制。

本发明可广泛用于板坯在轧制过程中的工艺控制领域。

Claims (4)

1.一种基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，其特征是所述的镰刀弯控制方法包括下列步骤：

1)在往复式轧机的前、后，分别安装一个镰刀弯测量仪表；

2)利用镰刀弯测量仪表检测出板坯中心线曲线；

3)根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲方向；

4)根据中心线偏差数据曲线，判断弯曲程度；

5)计算辊缝修正量；

6)根据当期道次宽度和压下量，修正辊缝修正量；

7)将辊缝修正量数据发送到L1基础自动化控制系统，L1基础自动化控制系统根据收到的辊缝修正量数据调整水平辊两侧的辊缝差，后续道次在此基础上进行轧制，从而实现了镰刀弯的自动反馈式控制；

其中，在步骤3)中，采用最小二乘法对数据进行拟合，对曲线弯曲方向进行判定；

在步骤4)中，首先采用5次多项式对中心线偏差数据进行整体拟合，数据拟合之后，用5次多项式替代原始曲线，定义域为原始曲线x轴所代表的取值范围；在定义域范围内，搜索曲线的最大值P_max(X_max，Y_max)、最小值P_min(X_min，Y_min)所在的位置；

其弯曲程度S用极差表示，即：

S＝Y_max-Y_min；

在步骤6)中，对不同的来料宽度和压下量进行修正，修正方法按照下列公式进行：

ΔV'＝ΔV*α*β

其中：ΔV'：修正后的辊缝修正量；α：宽度修正系数；β：压下量修正系数；

所述的宽度修正系数按照下列公式进行计算：

以宽度为

的板坯为标准坯，其它宽度大于或者小于

的板坯，调整系数为：

其中，

为标准坯的宽度或同批次板坯的平均宽度，W_slb为当前轧制板坯的实际宽度；

所述的压下量修正系数按照下列公式进行计算：

其中，

为同批次板坯的平均压下量，D_slb为当前轧制板坯的实际压下量；

所述基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，通过分析板坯轧制之后的中心线偏差数据，判断出板坯的弯曲方向，以及弯曲程度，结合经验模型，将弯曲程度转换成调节量，自动计算后续道次中水平辊两侧辊缝差设定值，并将设定值发送到L1基础自动化控制系统执行，用反馈调节的方式，逐步消除板坯镰刀弯现象，从而实现减少镰刀弯弯曲程度。

2.按照权利要求1所述的基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，其特征是所述的镰刀弯测量仪表包括测宽仪。

3.按照权利要求1所述的基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，其特征是在对所述曲线弯曲方向进行判定时，如果2次项系数a大于0，那么曲线开口向上；如果2次项系数a小于0，那么曲线开口向下。

4.按照权利要求1所述的基于分析板坯中心线偏差的镰刀弯控制方法，其特征是在步骤5)中，辊缝修正量与弯曲程度之间的对应关系采用查表的方式获得。

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