CN113814276B - 一种基于张力-温度控制的板形调控方法 - Google Patents

一种基于张力-温度控制的板形调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于张力‑温度控制的板形调控方法，整个过程由三部分组合实现：控制机构，张力机构，检测机构。所述控制机构包括温度控制装置，温度传感器，油泵控制系统，温度仪表；所述张力机构包括张力传感器，位移传感器，液压机构，液压夹具组件；所述检测机构为X射线应力测定仪；本发明在确定了板形影响相关参数集下，建立张力‑温度工艺参数模型，以及张力和温度影响下的金属流动模型，通过逆线性二次型(ILQ)控制，动态调节温控装置与液压机构；所述传感器和油泵控制系统均通过信号系统与ILQ控制系统连接。本发明综合考虑不同张力与温度对带钢的影响，实现张力‑温度板形综合控制系统的模型化设定，有效提高板带板形质量。

Description

一种基于张力-温度控制的板形调控方法
技术领域
本发明涉及板形轧制控制技术领域，特别是涉及一种张力-温度板形调控方法。
背景技术
随着家电、建筑、汽车等行业的快速发展，更多的带钢用于高技术含量的产品，对带钢质量的需求日渐提高。板形是带钢产品的重要质量指标之一，板形的研究成为目前轧钢领域研究的一个热点问题。所谓板形直观地说是指板材的翘曲程度，其实质是指带钢内部残余应力的分布。张力的分布对板形状况的影响较大，在实际热轧中，张力的妥善控制，可以避免张力波动带来的不利影响，对板形的控制效果带来一定的益处。板形质量受许多因素的影响，比如张力分布对金属横向流动的影响，张力变化对热凸度的影响等，所以影响板形的因素一直是板形问题研究的重要内容。
随着加工制造水平和信号处理水平的提高，建立在线板形闭环反馈控制系统，实现在线控制调节板形已成为新的研究目标。从张力和温度对板形的影响进行研究，对制定与完善板带轧制规程、提高板形质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于张力-温度控制的板形调控方法，实现对板形的在线控制与调节，有效提高板带质量。
本发明提供一种基于张力-温度控制的板形调控方法，主要由以下三部分组合实现：
(1)控制机构：所述控制机构包括温度控制装置，温度传感器，油泵控制系统，温度仪表；所述温度控制装置包括保温罩，设置于四周的大功率电阻丝加热模具；所述温度仪表，用于实现对加热模具的监控与调节；所述保温罩设置有翻转式前盖，方便带钢的输送与置放；所述电阻丝加热模具四周设置有隔热板，用于保护加热模具。
(2)张力机构：所述张力机构包括张力传感器，位移传感器，液压机构，液压夹具组件；所述张力机构实现对带钢的张力施加及夹紧的作用；所述液压机构上安装有位移传感器与张力传感器。
(3)检测机构：所述检测机构为X2350A型应力测定仪,通过离线测量带钢内的残余应力来确定所研究带钢的板形情况。
优选的，所述温度控制装置通过所述温度传感器与ILQ系统的连接控制，实现调节四周大功率电阻丝的运行数量；所述液压机构通过所述位移传感器和张力传感器与ILQ系统的连接控制，实现液压机构的水平或竖直方向的定位，并对带钢提供张力施加与夹紧的作用。
优选的，所述温度控制装置设置有翻转式前罩，方便带钢的输送与置放；所述电阻丝加热模具四周设置有隔热板，用于保护加热模具；所述温度仪表，用于实现对加热模具的监控与调节。
优选的，所述液压夹具组件与保温罩连接两侧设置有双层滑动式侧封盖；所述双层滑动式侧封盖可随着上夹头竖直方向的滑动时刻保证保温罩的密封效果。
板形直观上为表观翘曲度，在此研究张力和温度耦合作用下的板形翘曲情况。
(1) 确定各种参数变化下对板形的影响，如张力与温度:
Figure 41428DEST_PATH_IMAGE001
式中：Pf(x)为板形函数，G为此研究下对板形影响的其余相关参数集。
综合研究结果，可得出带钢发生翘曲时的力学条件为：
Figure 158289DEST_PATH_IMAGE002
式中：Fcr为带钢板形发生翘曲的临界张力，Kcr为带钢板形发生翘曲的临界张力系数，v为泊松比。
一定的张力会降低带钢翘曲变形的风险，有利于得到良好的板形：
Figure 588133DEST_PATH_IMAGE003
式中：
Figure 298600DEST_PATH_IMAGE004
为带钢平均张力，te为边部夹紧处带钢所受张力，Ee为弹性模量，S为带钢横向流动系数，ΔCp为比例凸度变化量。
(2)张力与温度的分布影响率可随着工况的变化，以多项式拟合方程表示：
Figure 573724DEST_PATH_IMAGE005
式中：KTD为张力分布影响率，TD为张力分布，ATD为张力分布影响率拟合系数，KT为温度影响率， T为温度，i为多项式拟合次方数。
当带钢被夹紧时，带钢会发生轻微的压下弧长变化，张力与温度分布影响率也随之发生改变，各自修正系数如下：
Figure 810670DEST_PATH_IMAGE006
式中：KTD ’为张力影响修正系数，MTD1～MTD4为模型系数，η为压下系数，B为带钢宽度，h为压下量， KT ’为温度影响修正系数，NT1～NT4为模型系数，模型系数根据变形抗力确定。
(3)带钢内的金属横向流动对残余应力有一定的影响，并且会优先向有利于最大残余应力减小的方向流动：
Figure 145836DEST_PATH_IMAGE007
式中：Se为带钢向边部的横向流动系数，Sm为带钢向中心的横向流动系数，Q为与带钢宽度、厚度相关的流动系数，Kse为在张力和温度影响下带钢边部的流动系数，Ksm为在张力和温度影响下带钢中心的流动系数。
(4)以如下几何关系表示是否获得良好的板形：
Figure 343600DEST_PATH_IMAGE008
式中: Cti为某个时刻带钢的凸度，
Figure 422414DEST_PATH_IMAGE009
某个时刻带钢的平均厚度。
Figure 920391DEST_PATH_IMAGE010
式中：I为板形指数，i,j为带钢第i,j个单元，ΔLij为第i单元与第j单元的长度差，bij为第i单元与第j单元的横向距离，L为带钢基准单元长度。
张力-温度板形综合控制系统的模型，基于ILQ理论实现板带的张力和温度耦合控制；所述ILQ理论，根据现场数据得到动态增量数学模型，进而联立得到张力-温度板形控制系统的状态空间模型，针对带钢轧制的张力与温度的耦合关系设计新的ILQ控制策略；所述ILQ控制策略可实现多个张力和温度步进信号同时加入；所述ILQ控制策略用于液压夹具的位置与温度的调节操作。
所述ILQ控制策略由比例积分控制器与状态反馈控制器组成，作用为提高精度与控制效果。
(1)建立状态空间矩阵：
Figure 285514DEST_PATH_IMAGE011
(2)建立所控系统状态空间模型如下：
Figure 236152DEST_PATH_IMAGE012
式中：A,B’,C为不同工况下的张力，温度，宽度所构成的矩阵。
(3)计算ILQ策略中的状态反馈控制率K，且该控制率下的状态最优:
Figure 587499DEST_PATH_IMAGE013
式中：F1=-DH-1，V为状态空间矩阵，D为相关系数配置矩阵，H为不同时刻的张力与温度构成的列向量，I’为单位矩阵。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明的调控模型系统的结构示意图；
其中，1为温度控制装置，2为水平液压机构，3为液压夹头滑轨，4为液压夹头，5为双层滑动式侧封盖，6为开关阀门，7为压下液压机构，8为被研究对象（带钢），9为大功率电阻丝加热模具，10为保温罩翻转式前盖。（由于该装置为对称结构，故只以一侧部件加以说明）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图2所示，本实施例提供一种基于张力-温度控制的板形调控方法，所研究的带钢8从温度控制装置1的翻转式前盖10运输入保温罩内部，并由两侧的液压夹头4固定，液压夹头的水平定位由水平液压机构2实现，且同时对带钢施加水平方向的张力；液压夹头在竖直方向上的下夹头固定不动，上夹头可在液压夹头滑轨3中上下滑动，通过压下液压机构7的作用实现液压夹头的竖直方向定位，并提供对带钢的压下力；由上述两种液压机构完成对带钢的定位与夹紧，同时实现张力施加的作用。为了保证所述保温罩的保温效果，除了在夹头与保温罩接触处设置密封装置外，还需于保温罩安置液压夹头的两侧，如5处，设置双层滑动式侧封盖，其中连接下夹头的一层固定不动，且该层较短，连接上夹头的一层较长并随着上夹头的压紧可上下滑动，时刻保持保温罩的密封状态；所有液压机构均由油泵控制系统所控制；温度控制装置四周设置有大功率电阻丝加热模具9，通电使其加热，保证带钢快速升温；温度仪表用于对加热模具的控制与调节。
本发明在确定了板形影响相关参数集下，建立张力-温度工艺参数模型，以及张力和温度影响下的金属流动模型，将上述模型与ILQ控制模型建立一定的联系，同时加入张力和温度步进信号，当温度仪表显示当下温度大于或小于所设定温度时，通过调控模型，智能调节大功率电阻丝作用的数量，从而使保温罩内达到所需的温度并保温一定的时间；液压机构同样通过调控模型，根据要求设定所输出的张力大小，动态调节油泵控制系统，成功对带钢施加合适的张力；所述传感器和油泵控制系统均通过信号系统与ILQ控制系统连接，实现整个系统的反馈调节。
板形直观上为表观翘曲度，在此研究张力和温度耦合作用下的板形翘曲情况。
(1)确定各种参数变化下对板形的影响，如张力与温度：
Figure 939983DEST_PATH_IMAGE014
式中：Pf(x)为板形函数，G为此研究下对板形影响的其余相关参数集。
综合研究结果，可得出带钢发生翘曲时的力学条件为：
Figure 882531DEST_PATH_IMAGE002
式中：Fcr为带钢板形发生翘曲的临界张力，Kcr为带钢板形发生翘曲的临界张力系数，v为泊松比。
一定的张力会降低带钢翘曲变形的风险，有利于得到良好的板形：
Figure 913941DEST_PATH_IMAGE003
式中：
Figure 334558DEST_PATH_IMAGE004
为带钢平均张力，te为边部夹紧处带钢所受张力，Ee为弹性模量，S为带钢横向流动系数，ΔCp为比例凸度变化量。
(2)张力与温度的分布影响率可随着工况的变化，以多项式拟合方程表示：
Figure 275969DEST_PATH_IMAGE005
式中：KTD为张力分布影响率，TD为张力分布，ATD为张力分布影响率拟合系数，KT为温度影响率， T为温度，i为多项式拟合次方数。
当带钢被夹紧时，带钢会发生轻微的压下弧长变化，张力与温度分布影响率也随之发生改变，各自修正系数如下：
Figure 389419DEST_PATH_IMAGE006
式中：KTD ’为张力影响修正系数，MTD1～MTD4为模型系数，η为压下系数，B为带钢宽度，h为压下量， KT ’为温度影响修正系数，NT1～NT4为模型系数，模型系数根据变形抗力确定。
(3)带钢内的金属横向流动对残余应力有一定的影响，并且会优先向有利于最大残余应力减小的方向流动：
Figure 314650DEST_PATH_IMAGE007
式中：Se为带钢向边部的横向流动系数，Sm为带钢向中心的横向流动系数，Q为与带钢宽度、厚度相关的流动系数，Kse为在张力和温度影响下带钢边部的流动系数，Ksm为在张力和温度影响下带钢中心的流动系数。
(4)以如下几何关系表示是否获得良好的板形：
Figure 132433DEST_PATH_IMAGE008
式中: Cti为某个时刻带钢的凸度，
Figure 193930DEST_PATH_IMAGE009
某个时刻带钢的平均厚度。
Figure 947122DEST_PATH_IMAGE010
式中：I为板形指数，i,j为带钢第i,j个单元，ΔLij为第i单元与第j单元的长度差，bij为第i单元与第j单元的横向距离，L为带钢基准单元长度。
张力-温度板形综合控制系统的模型，基于ILQ理论实现板带的张力和温度耦合控制；所述ILQ理论，根据现场数据得到动态增量数学模型，进而联立得到张力-温度板形控制系统的状态空间模型，针对带钢轧制的张力与温度的耦合关系设计新的ILQ控制策略；所述ILQ控制策略可实现多个张力和温度步进信号同时加入；所述ILQ控制策略用于液压夹具的位置与温度的调节操作。
所述ILQ控制策略由比例积分控制器与状态反馈控制器组成，作用为提高精度与控制效果。
(1)建立状态空间矩阵：
Figure 359649DEST_PATH_IMAGE011
(2)建立所控系统状态空间模型如下：
Figure 981123DEST_PATH_IMAGE015
式中：A,B’,C为不同工况下的张力，温度，宽度所构成的矩阵。
(3)计算ILQ策略中的状态反馈控制率K，且该控制率下的状态最优:
Figure 162706DEST_PATH_IMAGE013
式中：F1=-DH-1，V为状态空间矩阵，D为相关系数配置矩阵，H为不同时刻的张力与温度构成的列向量，I’为单位矩阵。
所研究的板形情况可由X2350A型应力测定仪观察，测定仪通过离线测量带钢内的残余应力来确定所研究带钢的板形情况。
最终找到合适的张力与温度范围，实现良好的板形控制。本发明综合考虑不同张力与温度对带钢的影响，实现张力-温度板形综合控制系统的模型化设定，有效提高板带板形质量。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于张力-温度控制的板形调控方法，其特征在于：该过程由以下三部分组合实现：
(1)控制机构：所述控制机构包括温度控制装置，温度传感器，油泵控制系统，温度仪表；所述温度控制装置包括保温罩，设置于四周的大功率电阻丝加热模具；所述温度仪表，用于实现对加热模具的监控与调节；所述保温罩设置有翻转式前盖，方便带钢的输送与置放；所述电阻丝加热模具四周设置有隔热板，用于保护加热模具；
(2)张力机构：所述张力机构包括张力传感器，位移传感器，液压机构，液压夹具组件；所述张力机构实现对带钢的张力施加及夹紧的作用；所述液压机构上安装有位移传感器与张力传感器；
(3)检测机构：所述检测机构为X2350A型应力测定仪，通过离线测量带钢内的残余应力来确定所研究带钢的板形情况；
所述温度控制装置通过所述温度传感器与ILQ系统的连接控制，实现调节四周大功率电阻丝的运行数量；所述液压机构通过所述位移传感器和张力传感器与ILQ系统的连接控制，实现液压机构的水平或竖直方向的定位，并对带钢提供张力施加与夹紧的作用；所述液压夹具组件与保温罩连接两侧设置有双层滑动式侧封盖；所述双层滑动式侧封盖可随着上夹头竖直方向的滑动时刻保证保温罩的密封效果；
板形直观上为表观翘曲度，在此研究张力和温度耦合作用下的板形翘曲情况；
(1)确定各种参数变化下对板形的影响，如张力与温度：
Pf(x)＝G[FTD(x),T(x),Cp]
式中：Pf(x)为板形函数，G为此研究下对板形影响的其余相关参数集；
综合研究结果，可得出带钢发生翘曲时的力学条件为：
Figure FDA0003449345780000021
式中：Fcr为带钢板形发生翘曲的临界张力，Kcr为带钢板形发生翘曲的临界张力系数，v为泊松比；
一定的张力会降低带钢翘曲变形的风险，有利于得到良好的板形：
Figure FDA0003449345780000022
式中：
Figure FDA0003449345780000023
为带钢平均张力，te为边部夹紧处带钢所受张力，Ee为弹性模量，S为带钢横向流动系数，ΔCp为比例凸度变化量；
(2)张力与温度的分布影响率可随着工况的变化，以多项式拟合方程表示：
Figure FDA0003449345780000024
式中：KTD为张力分布影响率，TD为张力分布，ATD为张力分布影响率拟合系数，KT为温度影响率，T为温度，i为多项式拟合次方数；
当带钢被夹紧时，带钢会发生轻微的压下弧长变化，张力与温度分布影响率也随之发生改变，各自修正系数如下：
Figure FDA0003449345780000031
式中：K'TD为张力影响修正系数，MTD1～MTD4为模型系数，η为压下系数，B为带钢宽度，
Figure FDA0003449345780000032
为压下量，K'T为温度影响修正系数，NT1～NT4为模型系数，模型系数根据变形抗力确定；
(3)带钢内的金属横向流动对残余应力有一定的影响，并且会优先向有利于最大残余应力减小的方向流动：
Figure FDA0003449345780000033
式中：Se为带钢向边部的横向流动系数，Sm为带钢向中心的横向流动系数，Q为与带钢宽度、厚度相关的流动系数，Kse为在张力和温度影响下带钢边部的流动系数，Ksm为在张力和温度影响下带钢中心的流动系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于张力-温度控制的板形调控方法，其特征在于：张力-温度板形综合控制系统的模型，基于ILQ理论实现板带的张力和温度耦合控制；所述ILQ理论，根据现场数据得到动态增量数学模型，进而联立得到张力-温度板形控制系统的状态空间模型，针对带钢轧制的张力与温度的耦合关系设计新的ILQ控制策略；所述ILQ控制策略可实现多个张力和温度步进信号同时加入；所述ILQ控制策略用于液压夹具的位置与温度的调节操作；
所述ILQ控制策略根据现场参数建立张力-温度-板凸度状态空间，作用为提高稳态精度与控制效果；
建立的状态空间矩阵为：
Figure FDA0003449345780000041
ILQ所控制的系统状态空间模型如下：
Figure FDA0003449345780000042
式中：A,B',C为不同工况下的张力，温度，宽度所构成的矩阵；
ILQ策略中的状态反馈控制率K，该控制率下的状态最优:
K＝V-1ΣV[F1,I’]
式中：F1＝-DH-1，V为状态空间矩阵，D为相关系数配置矩阵，H为不同时刻的张力与温度构成的列向量，I'为单位矩阵。
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