CN113941606B - 一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法 - Google Patents

一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，包括以下步骤：采用控制系统固定的扫描周期运算，对M个周期内压力采样信号做平均化处理，获得最终采样值；将压力实际采样值划分为N个不同区间，依据区间对出口辊缝实际值和设定值偏差进行分阶积分控制，根据原料板带在各变形段不同的塑性性能，辊缝偏差积分控制器选择与之相对应的积分控制参数，使区间内辊缝偏差积分控制器产生连续的位置修正值；不同区间的积分参数切换时，相邻两组矫直辊缝调整量进行平滑处理，消除参数过渡时的系统抖动。提高金属板带成品质量，能够提高矫直线生产效率，降低断带几率，同时减低工作强度，减少矫直辊缝异常抖动，延长轧辊及伺服阀的使用寿命。

Description

一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法。
背景技术
近些年，我国钢铁行业处于转型期，产能过剩严重以及缺乏支撑行业实现技术升级的自主核心工艺，另外高质量高附加值的板材依赖进口比例很高。冷轧板带和热轧薄板(以热代冷)是一种应用非常广泛的材料，主要应用在家电、汽车、造船、建筑、机械设备等行业，在经济建设中不可或缺。面对如今钢铁行业低端产品过剩居多，高端产品产能不足，特别是连铸连轧技术(短流程轧制和冷却，板形问题突出)的发展，要想在世界市场上提升竞争力而不被淘汰，就要把发展重点从追求产量转移到提高质量上来。矫直是决定板材质量的一个重要工艺，能够提高板带的力学性能、提升板带表面平直度、消除板带内部应力和去除部分表面缺陷。
矫直机的自动化控制分为一级自动化和二级模型自动化，其中最直接的控制是一级自动化，包括但不限于辊缝、压力、伺服液压缸的控制，是保证成品质量的最重要控制环节，其控制功能模块主要包括以下几个部分：矫直单辊控制、矫直辊缝控制、矫直调节模式、矫直出口辊控制等，其中矫直辊缝控制的精度是直接影响到板形的环节。通过位置传感器传感器和压力传感器(如辊缝仪和压头等)对伺服液压缸的压力和位置进行连续地测量，并根据实测值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、轧制压力、张力、轧制速度等，把板形控制在允许偏差范围之内的方法，称为辊缝自动控制系统，可简称为AGC(Auto Gap Control)。
全液压压下矫直机的矫直辊辊缝设备主要为：辊盒和安装于辊盒里的工作辊，四个主液压缸的控制回路，这些控制回路之间是相互独立的，但由于它们都压靠在辊盒上，互相之间有有一定耦合关系。
本发明所涉及的领域是全液压压下的多辊矫直辊缝控制。
金属材料的矫直工艺实际是利用了金属材料的弹塑性变形的特性，板带在外力作用下的塑性变形率(OVS)如图2所示，为了消除已知的辊缝扰动对板形带来的影响，确定所必需的辊缝调节量ΔS，需要找出Δh与ΔS关系的数学模型，变换为辊缝调节量的控制信号，输出给压下伺服液压系统做相应的调节，以消除入口板带反馈压力带来的波动。根据图2所示的几何关系，可以得到：
塑性变形率(OVS)表示板带塑性变形程度的物理量，其数值的大小代表着板带在厚度方向上塑性变形量的大小。
OVS＝ξmax/ξ
由图2可以得出板带在弯曲变形过程中塑性变形厚度占钢板总厚度的百分比为：
(h-h0)/h＝(ξmax-ξ0)/ξmax＝1-(1/ovs)＝(ovs-1)/ovs
从上式可知，板带厚度方向塑性变形与辊缝压入深度和原料厚度有关，例如ovs＝2时厚度方向上的塑性变形率为50％，因此为了消除带钢的内应力改善板形，则必须由液压系统使辊缝移动(1+M/ovs)Δh的距离，也就是说，要移动比厚度差Δh还要大(M/ovs)Δh的距离。因此，只有当ovs越大，而M越小，才能使得ΔS与Δh之间的差别越小。当ovs和M为一定值时，即1+M/ovs为常数，则位置量ΔS与Δh便成正比关系。只要检测到辊缝偏差Δh，便可以计算出为消除此辊缝偏差应作出的位置调节量ΔS。
在传统冷轧板带矫直生产中，轧制速度往往远低于冷轧机速度，且多辊辊盒内入口辊缝到出口辊缝会有一定距离，使用传统恒定位置反馈控制存在小时滞的问题，而控制系统的扫描周期往往远远高于反馈相应速度，可能导致出口辊缝修正量发散，板形随之剧烈波动，这使得操作工人需要反复调整出口辊缝或者入口压力设定值，增加了操作人员的工作强度，降低了操作人员的工作效率；此外，辊缝的频繁大范围动作，会影响产品质量，最终降低矫直线单位时间内的产量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，可以提高金属板带成品质量，能够提高矫直线生产效率，降低断带几率，同时减低操作人员工作强度，可以减少矫直辊缝异常抖动，延长轧辊及伺服阀的使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据当前机组速度和矫直辊盒长度计算采样周期，采用控制系统固定的扫描周期运算，对M个周期内压力采样信号做平均化处理，获得最终采样值；
步骤2，在辊缝设定值一定的情况下，根据当前板材塑性变形曲线，将压力实际采样值划分为N个不同区间，依据区间对出口辊缝实际值和设定值偏差进行分阶积分控制，在所划分的各采样值区间，根据原料板带在各变形段不同的塑性性能，辊缝偏差积分控制器选择与之相对应的积分控制参数，使区间内辊缝偏差积分控制器产生连续的位置修正值；
步骤3，不同区间的积分参数切换时，相邻两组矫直辊缝调整量进行平滑处理，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝设定值的微扰切换功能。
按照上述技术方案，在所述步骤1中，平均化处理采样信号由以下方法确定：在全液压多辊矫直系统中，矫直辊辊盒长度即入口辊缝到出口辊缝之间距离L固定，入口和出口液压缸中安装有实时测量辊缝和压力的高精度传感器；控制系统根据当前板带速度V和距离L，计算出读取入口压力信号的采样周期T，并在固定周期内累加M个压力采样值，当M个压力采样值读取完毕后做均匀化处理获得最终压力采样值。
按照上述技术方案，在控制系统中设置一个辊缝调整使能信号，当该使能信号开启时，累加器开始工作并输均匀值；当该使能信号关闭时，累加器停止采集测压力信号，并将之前所储存的历史压力值清零。
按照上述技术方案，矫直前后张力建立后，辊缝达到设定运行辊缝且机组速度大于启车速度后，调整使能信号开启，入口压力信号采样周期T由以下公式计算：
Figure GDA0004154043700000033
/>
式中，L入口辊缝到出口辊缝的距离，其为固定安装值；v为机组当前速度，
Figure GDA0004154043700000031
表示采样程序所在的系统扫描周期，μ为调整系数。
按照上述技术方案，当机组设计速度较低且控制系统扫描周期较短，则调整系数μ应该放大倍数；反之，则缩小倍数。
按照上述技术方案，在所述步骤2中，积分控制器参数区间划分由以下方法确定：来料板带厚度值为hx，矫直机出口辊缝设定值为he，出口辊缝实际检测值为hc，根据当前板带塑性曲线，将辊缝实际值hc划分为N个不同区间；同时将实际调试获得的主积分控制器的积分参数对应划分为N个区间，当辊缝实际值hc区间发生切换时，积分参数随之切换。
按照上述技术方案，N个区间内每段中位置积分控制器的辊缝修正量由以下公式计算得到：
Figure GDA0004154043700000032
式中，Yn为当前扫描周期辊缝修正值，Yn-1为上一扫描周期辊缝修正值，TA为系统扫描周期时间，TI为积分常数时间。
按照上述技术方案，在所述步骤3中，不同区间的积分参数切换控制由以下方法确定：不同区间的积分控制参数切换时，相邻两组辊缝位置调整量设有该切换控制，当两组参数所产生辊缝调整量有阶跃变化时，采用等速比斜率单元投入使用，平滑处理两个区间的位置调整量，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝调整值的微扰切换功能。
按照上述技术方案，M值由矫直辊盒设计长度即入口辊缝到出口辊缝间距离L决定。
按照上述技术方案，在所述步骤1中，控制系统固定的扫描周期为4ms固定周期。
本发明具有以下有益效果：
一、可以提高金属板带成品质量；采用本方法后，在入口生产来料厚度或板形发生变化(如大厚差或镰刀弯)，入口压力和出口板形随之变化时，出口辊缝会根据原料变化程度和材料塑性变形曲线寻找到相应区间，同时加上等速比斜率单元的投入使用，提高辊缝控制系统的敏感程度，且控制精度也会得到提升，进而使得出口板带的板形能迅速稳定到设定值附近，提高了产品板形指标并降低对机械设备的损伤。即使是入口来料厚度或板形发生大幅度变化，也不会产生辊缝剧烈抖动甚至发散的情况。采用本发明所提供的技术方案，使得全液压多辊矫直成品板形质量能到达5I以下，且表面质量要远好于传统恒辊缝自动控制系统。
二、能够提高矫直线生产效率，降低断带几率，同时减低操作人员工作强度；采用本方法后，控制系统自动获取辊缝控制指标并查询板带塑性变形曲线，自动控制成品板形，且出口辊缝变化平稳连续，断带和缺陷几率大大减小；且无需操作人员实时观察当前板带运行状态，对设定值进行频繁的手动更改，同时也避免了操作人员手动输入引入的错误设定，由此导致的产线异常停机。该技术方案使得矫直单个操作工的操作工作量降低了6％，而同时使得矫直线由于断带或误操作造成的停机时间平均降低了0.2小时/月(通常矫直线连续生产成材率为96％以上)。
三、可以减少矫直辊缝异常抖动，延长轧辊及伺服阀的使用寿命；在正常生产时，假如矫直机内发生带钢断带事故，板带可能堆积辊盒内卷入辊子间，导致轧辊受伤甚至报废，采用本发明所提供的技术方案后，即使来料厚度波动剧烈，辊缝变化也相对平稳连续，板带受制约的范围较小，有效缩短了事故发生频率，同时也降低了伺服阀动作幅度，有效保护伺服阀的阀芯。技术方案使得矫直工作辊和伺服阀使用寿命比传统控制方法延长15％以上。
附图说明
图1是本发明实施例中多辊矫直机的结构示意图；
图2是本发明实施例中矫直塑性变形曲线示意图；
图3是本发明实施例中多辊矫直辊缝的小时滞控制算法框图；
图中，1-上辊，2-下辊。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图3所示，本发明提供的一个实施例中的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据当前机组速度和矫直辊盒长度计算采样周期时，采用控制系统固定的扫描周期运算，对M个周期内压力采样信号做平均化处理，获得最终采样值；
步骤2，在辊缝设定值一定的情况下，根据当前板材塑性变形曲线，将压力实际采样值划分为N个不同区间，依据区间对出口辊缝实际值和设定值偏差进行分阶积分控制，在所划分的各采样值区间，根据原料板带在各变形段不同的塑性性能，辊缝偏差积分控制器选择与之相对应的积分控制参数，使区间内辊缝偏差积分控制器产生连续的位置修正值，保证成品厚度稳定连续变化；主积分控制器的积分参数由实际调试获得，对应分为N组，且积分参数随着区间的变化而切换；
步骤3，不同区间的积分参数切换时，相邻两组矫直辊缝调整量采用等速比斜率进行平滑处理，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝设定值的微扰切换功能。
进一步地，在所述步骤1中，平均化处理采样信号由以下方法确定：在全液压多辊矫直系统中，矫直辊辊盒长度即入口辊缝到出口辊缝之间距离L固定，全液压多辊矫直系统的入口和出口液压缸中安装有实时测量辊缝和压力的高精度传感器；控制系统根据当前板带速度V和距离L，计算出读取入口压力信号的采样周期T，并在固定周期内累加M个压力采样值，当M个压力值读取完毕后做均匀化处理获得最终压力采样值。
进一步地，在控制系统中设置一个辊缝调整使能信号，当该使能信号开启时，累加器开始工作并输均匀值；当该使能信号关闭时，累加器停止采集测压力信号，并将之前所储存的历史压力值清零。
进一步地，矫直前后张力建立后，辊缝达到设定运行辊缝且机组速度大于启车速度后，调整使能信号开启，入口压力信号采样周期T由以下公式计算：
Figure GDA0004154043700000051
式中，L入口辊缝到出口辊缝的距离，其为固定安装值；v为机组当前速度，
Figure GDA0004154043700000052
表示采样程序所在的系统扫描周期，μ为调整系数。/>
进一步地，当机组设计速度较低且控制系统扫描周期较短，则调整系数μ应该放大倍数；反之，则缩小倍数。
进一步地，在所述步骤2中，积分控制器参数区间划分由以下方法确定：假定：来料板带厚度值为hx，矫直机出口辊缝设定值为he，出口辊缝实际检测值为hc，根据当前板带塑性曲线，将辊缝实际采样值hc划分为N个不同区间；同时将实际调试获得的主积分控制器的积分参数对应划分为N个区间，当辊缝采样值hc区间发生切换时，积分参数随之切换；N的数目由塑性曲线的区段确定。
进一步地，每段中位置积分控制器的辊缝修正量由以下公式计算得到：
Figure GDA0004154043700000053
式中，Yn为当前扫描周期辊缝修正值，Yn-1为上一扫描周期辊缝修正值，TA为系统扫描周期时间，TI为积分常数时间。
进一步地，在所述步骤3中，不同区间的积分参数切换控制由以下方法确定：不同区间的积分控制参数切换时，相邻两组辊缝位置调整量设有该切换控制，当两组参数所产生辊缝调整量有阶跃变化时，采用等速比斜率单元投入使用，平滑处理两个区间的位置调整量，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝调整值的微扰切换功能。
进一步地，M值由矫直辊盒设计长度即入口辊缝到出口辊缝间距离L决定。
进一步地，在所述步骤1中，控制系统固定的扫描周期为4ms固定周期。
进一步地，根据当前机组速度和矫直辊盒长度计算出采样周期，对数个周期内的入口两液压缸压力采样信号做均匀化处理，获得最终采样值，按需求将最终采样值划分为不等区间，依据区间对出口辊缝实际值和设定值偏差进行分阶积分控制；在所划分的各采样值区间，考虑原料板带在各变形段不同的塑性性能，辊缝偏差积分控制器会选择与之相对应的积分控制参数，使区间内辊缝偏差积分控制器产生连续的位置修正值，保证成品厚度稳定连续变化；最后在区间切换处，采用等速比斜率进行平滑处理，实现辊缝设定值的微扰切换功能。保证出口辊缝稳定均匀的同时，尽量减少伺服液压缸调整量的波动，以避免时滞给成品带来的周期性浪型。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据当前机组速度和矫直辊辊盒长度计算采样周期，采用控制系统以固定的扫描周期运算，对M个采样周期内压力采样信号做平均化处理，获得最终采样值；
步骤2，在辊缝设定值一定的情况下，根据当前板带塑性变形曲线，将压力采样值划分为N个不同区间，依据区间对出口辊缝实际值和设定值偏差进行分阶积分控制，在所划分的各采样值区间，根据原料板带在各变形段不同的塑性性能，辊缝偏差积分控制器选择与之相对应的积分控制参数，使区间内辊缝偏差积分控制器产生连续的位置修正值；
步骤3，不同区间的积分参数切换时，相邻两组矫直辊缝调整量进行平滑处理，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝设定值的微扰切换功能。
2.根据权利要求1所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，平均化处理采样信号由以下方法确定：在全液压多辊矫直系统中，矫直辊辊盒长度即入口辊缝到出口辊缝之间距离L固定，入口和出口液压缸中安装有实时测量辊缝和压力的高精度传感器；控制系统根据机组当前速度v和距离L，计算出读取入口压力信号的采样周期T，并在控制系统的固定扫描周期内累加M个采样周期内的压力采样值，当M个采样周期的压力值读取完毕后做均匀化处理获得最终压力采样值。
3.根据权利要求2所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，在控制系统中设置一个辊缝调整使能信号，当该使能信号开启时，累加器开始工作并输均匀值；当该使能信号关闭时，累加器停止采集测压力信号，并将之前所储存的历史压力值清零。
4.根据权利要求3所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，矫直前后张力建立后，辊缝达到设定运行辊缝且机组速度大于启车速度后，调整使能信号开启，入口压力信号采样周期T由以下公式计算：
Figure QLYQS_1
式中，L入口辊缝到出口辊缝的距离，其为固定安装值；v为机组当前速度，
Figure QLYQS_2
表示采样程序所在的系统扫描周期，μ为调整系数。
5.根据权利要求4所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，当机组设计速度较低且控制系统扫描周期较短，则调整系数μ放大倍数；反之，则缩小倍数。
6.根据权利要求1所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，辊缝偏差积分控制器的积分控制参数区间划分由以下方法确定：矫直机出口辊缝设定值为he，出口辊缝实际采样值为hc，根据当前板带塑性曲线，将出口辊缝实际采样值hc划分为N个不同区间；同时将实际调试获得的辊缝偏差积分控制器的积分控制参数对应划分为N个区间，当出口辊缝实际采样值hc区间发生切换时，积分控制参数随之切换；
N个区间内每段位置辊缝偏差积分控制器的辊缝修正量由以下公式计算得到：
Figure QLYQS_3
式中，Yn为当前扫描周期辊缝修正值，Yn-1为上一扫描周期辊缝修正值，TA为系统扫描周期时间，TI为积分常数时间。
7.根据权利要求1所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，不同区间的积分参数切换控制由以下方法确定：不同区间的积分控制参数切换时，相邻两组辊缝位置调整量设有该切换控制，当两组参数所产生辊缝调整量有阶跃变化时，采用等速比斜率单元投入使用，平滑处理两个区间的位置调整量，消除参数过渡时的系统抖动，实现辊缝调整值的微扰切换功能。
8.根据权利要求1所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，M值由矫直辊辊盒设计长度即入口辊缝到出口辊缝间距离L决定。
9.根据权利要求1所述的冷轧全液压多辊矫直辊缝的小时滞控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，控制系统固定的扫描周期为4ms固定周期。
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