CN115532851A - 一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，涉及轧钢控制技术领域，包括：建立热连轧机组轧机动力学模型，列出轧机垂直方向动力学方程；将轧制过程轧制力参数输入轧机垂直方向动力学方程，通过计算获得轧机工作辊的振动位移数据；根据上一机架板带出口厚度波动数据计算下一机架辊缝调节量，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节；本发明通过基于动力学分析的厚度前馈控制方法极大的消除了由于轧机振动导致的机架间板带厚度波动对成品板带厚度精度的影响，解决了传统前馈AGC控制方法难以获知机架间板带厚度波动的难题。采用本发明的基于动力学分析的热连轧机厚度前馈控制方法，提高了板带厚度控制的精度。

Description

一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法

技术领域

本发明涉及轧钢控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法。

背景技术

板带厚度精度是热轧带钢最重要的质量指标之一。随着航空航天、精密仪器、民用建筑、汽车生产等军民行业的兴起与发展，对热轧带钢的厚度精度具有严格的要求。

热连轧机组的厚度自动控制系统一般包含有前馈AGC、厚度计AGC、监视AGC三种厚度控制方式。其中常规的前馈AGC控制方法为塑性系数前馈AGC，其通过板带在入口机架的硬度分布进行测量，并调整下游机架的辊缝，以纠正来料的硬度变化带来的厚度偏差，提高整个厚度控制的精度。

然而现有的厚度自动控制系统中的前馈AGC有一个固有的缺陷，由于其控制效果取决于带钢塑性系数的计算精度，不能准确反映机架间带钢的厚度波动以供下游机架进行调整辊缝。由于轧机轧制的板带规格越来越薄，导致轧机产生的振动越来越严重，因此在轧机振动情况下的板带厚度波动越来越大，致使各机架入口板带厚度不能准确命中轧制工艺预设的厚度，最终导致成品板带厚度精度不满足要求。现有技术通过在轧机入口增设机械性能检测仪的方法来提高前馈厚度控制精度，首先这增加了机组投资成本，其次无法实现机架间板带厚度波动的实时检测。目前热连轧机组仅有第7机架F7出口设有测厚仪，如在其他机架间增设测厚仪检测板带厚度，这将使设备的投资费用巨大，并且增加设备的维护费用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，以解决现有技术不能准确反映机架间带钢的厚度波动的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

根据设备尺寸和热连轧机组布置形式建立热连轧机组轧机动力学模型，根据振动理论列出轧机垂直方向动力学方程；

将轧制过程轧制力参数输入至所述轧机垂直方向动力学方程中并计算，得到轧机工作辊的振动位移数据；

根据所述工作辊振动位移数据与轧机出口板带厚度的关系，获得轧机出口板带厚度波动数据；

根据上一机架的所述板带出口厚度波动数据计算下一机架的辊缝调节量，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节从而起到厚度控制。

进一步地，所述建立热连轧机组轧机动力学模型，列出轧机垂直方向动力学方程包括如下步骤：

通过能量守恒原则计算出轧机系统的等效质量与等效刚度，

所述等效质量的计算公式为：

M_i＝2T_max/(ωY_imax)²

所述等效刚度的计算公式为：

K_i＝2V_imax/(Y_imax)²

其中：M_i表示轧机部件的等效质量，K_i表示轧机部件间的等效刚度，T_imax表示振动产生时轧机部件的最大动能，V_imax表示振动过程中轧机部件的最大振动速度，Y_imax表示振动时轧机部件的最大振动位移；

根据振动理论，列出轧机垂直方向动力学方程，所述动力学方程包括：

其中，M表示轧机动力学系统的质量矩阵，K表示轧机动力学系统的刚度矩阵，F_act表示轧机轧制过程的实际轧制力，

表示轧机动力学系统加速度列矢量，{z}表示轧机动力学系统位移列矢量；

轧机动力学系统的质量矩阵M的计算公式为：

其中，M₁表示轧机机架上立柱、上横梁、垫块、液压缸的等效质量，M₂表示轧机上支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₃表示轧机上工作辊的等效质量，M₄表示轧机下工作辊的等效质量，M₅表示轧机下支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₆表示轧机机架下立柱、下横梁、垫块、测压仪的等效质量；

轧机垂直方向动力学系统的刚度矩阵K的计算公式为：

其中，K₁表示轧机机架立柱机上横梁的等效刚度，K₂表示轧机上支撑辊中部至上横梁中部的等效刚度，K₃表示上支承辊与上工作辊之间的等效刚度，K₄表示工作辊与轧件之间的等效刚度，K₅表示下支撑辊与下工作辊之间的等效刚度，K₆表示下支撑辊中部至下横梁中部的等效刚度，K₇表示下横梁、下立柱、侧压力和垫块的等效刚度。

进一步地，所述将轧制过程轧制力参数输入至所述轧机垂直方向动力学方程中并计算，得到轧机工作辊的振动位移数据包括如下步骤：

将轧制过程实际轧制力导出并输入至所述动力学方程中；

通过龙格库塔法对所述动力学方程进行实时解算，得到轧机工作辊振动位移。

进一步地，所述根据所述工作辊振动位移数据与轧机出口板带厚度的关系，获得轧机出口板带厚度波动数据包括如下步骤：

根据轧机弹跳方程获得在轧机工作辊振动情况下的轧机出口板带厚度值，所述轧机出口板带厚度值的计算公式为：

h＝S_P+x

其中：h表示轧机工作辊振动条件下的板带厚度值，S_P表示轧机的有载辊缝，x表示轧机工作辊的振动位移；

轧机的有载辊缝的计算公式为：

其中，S′表示轧机的空载辊缝，P表示轧机的预设轧制力，C′表示轧机机座总刚度；

通过轧机轧制过程中板带厚度预设值与所述轧机工作辊振动情况下的板带厚度值，获得轧机工作辊振动条件下的板带厚度波动量Δh，其计算公式为：

Δh＝h₀-h；

其中，h₀为轧机轧制过程中板带厚度预设值，h为轧机工作辊振动情况下的板带厚度值。

进一步地，所述根据上一机架的所述板带出口厚度波动数据计算下一机架的辊缝调节量，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节包括如下步骤：

根据所述轧机工作辊振动情况下的轧机出口板带厚度波动量，计算辊缝调节量，所述辊缝调节量的计算公式为：

ΔS＝Δh×Q/C′

其中，ΔS表示辊缝调节量，Δh表示板带厚度波动值，Q表示板带塑性系数，C′表示轧机机座总刚度；

获取板带在机架间的实时运动速度，根据轧机工艺系统工艺数据的采样周期积分得到板带头部的实时位置，预测板带头部进入辊缝的时间；

通过压靠测试获得轧机的轧制力与轧机液压缸执行压下动作速度的关系，预测在当前轧制力下辊缝变化所需响应时间；

利用所述带头部进入辊缝的时间与所述轧机液压缸压下所需的响应时间差值得到延时时间，所述延时时间计算公式为：

Δt＝t_a-t_b

其中，t_a为板带头部进入辊缝的时间，t_b为在当前轧制力下辊缝变化所需响应时间；

延时Δt后压下控制系统实时辊缝调节。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明使用动力学分析手段计算出在轧机振动情况下的上一机架出口板带厚度波动值，并以该值用于下一机架前馈AGC的计算。通过本发明提供的这种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，可以获得机架间板带厚度波动的数值，并将其利用至前馈AGC控制过程中，该发明可以极大消除在轧机振动情况下板带厚度波动对成品板带厚度偏差的影响，保证了板带的成品质量，不需要增加设备投入，对于提高整卷带钢长度方向上的成品厚度精度与保证轧制稳定性具有积极意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明控制方法流程图。

图2为本发明动力学模型示意图。

图3为本发明轧机工作辊振动位移计算曲线示意图。

图4为本发明轧机振动情况下板带厚度的波动曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立热连轧机组轧机的垂直方向动力学模型，列出动力学方程。

步骤1具体为：

步骤1.1，由轧机设计尺寸数据，通过能量守恒原则计算出轧机系统各部件的等效质量雨等效刚度，其计算公式如下：

等效质量：M_i＝2T_max/(ωY_imax)²；

等效刚度：K_i＝2V_imax/(Y_imax)²；

式中，M_i表示轧机部件的等效质量，K_i表示轧机部件间的等效刚度，T_imax表示振动产生时轧机部件的最大动能，V_imax表示振动过程中轧机部件的最大振动速度，Y_imax表示振动时轧机部件的最大振动位移。

(1)等效刚度的计算

1)K₁的计算

式中：K_LZ为立柱刚度，K_L为上横梁刚度，K_HS为油缸活塞刚度，K_DK为垫块刚度。

2)K₂的计算

式中：K_ZW为上支承辊的弯曲变形刚度，K_Zy为上支承辊油膜刚度，K_y为液压油的刚度，K_gt为液压缸刚体的刚度，K_Z为上支承辊轴承座的刚度

3)K₃、K₅的计算

其中，

4)K₄的计算

式中：M_p为轧件的塑性变形刚度，K^*为轧辊的弹性压扁量。

5)K₆的计算

式中：K_zw为下支承辊的弯曲变形刚度，K_zy为下支承辊轴承油膜刚度，K_z为下支承辊轴承座的刚度。

6)K₇的计算

K₇＝K_L1

式中：K_L1为下横梁的刚度

(2)等效质量的计算

1)M₁的计算

M₁＝(K₁/K_t)²×(M_p+M_t)+2M_d+2M_s

式中，K_t为上部分立柱、上横梁的等效刚度，M_t为上横梁的等效质量，M_d为垫块的质量，M_s为油缸活塞的质量。

2)M₂、M₅的计算

M₂＝M_zg+2M_gt+2M_zz+M_ph

式中：M_zg为支承辊及支承辊轴承内套的质量，M_gt为缸体的质量，M_zz支承辊轴承座的质量，M_ph为平衡装置的质量。

3)M₃、M₄的计算

式中，M_b1为工作辊辊身质量，M_c1为工作辊轴承和轴承座质量，M_n1为工作辊辊径质量。

4)M₆的计算

M₆＝M_b+M_x

式中，M_b为下横梁的等效质量，M_x为斜楔的质量。

据此得出轧机系统各部件的等效质量与等效刚度，如图2所示，并建立轧机系统动力学模型。

步骤1.2，根据振动理论，列出轧机垂直方向六自由度无阻尼系统的动力学方程：

式中，M表示轧机动力学系统的质量矩阵，K表示轧机动力学系统的刚度矩阵，F_act表示轧机轧制过程的轧制力，

表示轧机动力学系统加速度列矢量，{z}表示轧机动力学系统位移列矢量。

其中轧机动力学系统的质量矩阵M的计算公式为：

式中，M₁表示轧机机架上立柱、上横梁、垫块、液压缸的等效质量，M₂表示轧机上支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₃表示轧机上工作辊的等效质量，M₄表示轧机下工作辊的等效质量，M₅表示轧机下支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₆表示轧机机架下立柱、下横梁、垫块、测压仪的等效质量。

轧机动力学系统的刚度矩阵K的计算公式为：

式中，K₁表示轧机机架立柱机上横梁的等效刚度，K₂表示轧机上支撑辊中部至上横梁中部的等效刚度，K₃表示上支承辊与上工作辊之间的等效刚度，K₄表示工作辊与轧件之间的等效刚度，K₅表示下支撑辊与下工作辊之间的等效刚度，K₆表示下支撑辊中部至下横梁中部的等效刚度，K₇表示下横梁、下立柱、侧压力和垫块的等效刚度。

步骤2：将轧制过程的实际轧制力F_act带入动力学方程中，解算动力学方程，得到轧机工作辊在轧制过程中的振动位移数据。

步骤2具体包括：

步骤2.1，将轧制工艺系统中的轧制力参数导出，并按照50～500Hz的采样率进行采样，本实施例中轧制力的变化范围为：150～200吨；

步骤2.2，将采样后的轧制力数值代入动力学方程中，通过龙格库塔法进行实时解算，得到轧机工作辊的振动位移数据，如图3所示。

步骤3：根据工作辊振动位移数据与轧机出口板带厚度的关系，获得轧机出口板带厚度波动数据。

步骤3具体包括：

步骤3.1，根据轧机弹跳方程获得轧机工作辊振动情况下的板带厚度值，其计算公式为：

h＝S_P+x

式中，h表示轧机工作辊振动条件下的板带厚度值，S_P表示轧机的有载辊缝，x表示轧机工作辊的振动位移。

其中，轧机的有载辊缝S_P的计算公式为：

式中，S′表示轧机的空载辊缝，P表示轧机的预设轧制力，C′表示轧机机座总刚度。

步骤3.2，通过轧机轧制过程中板带厚度预设值h₀与步骤3.1中得到的轧机工作辊振动情况下的板带厚度值h，获得轧机工作辊振动条件下的板带厚度波动量Δh，其计算公式为：

Δh＝h₀-h

轧机振动情况下板带厚度的波动曲线如图4所示。

步骤4：根据上一机架板带出口厚度波动数据计算下一机架辊缝调节量ΔS，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节。

步骤4具体包括：

步骤4.1，根据步骤3.2中得到的板带厚度波动量Δh，计算辊缝调节量ΔS，其计算公式为：

ΔS＝Δh×Q/C′

式中，ΔS表示辊缝调节量，Δh表示板带厚度波动值，Q表示板带塑性系数，C′表示轧机机座总刚度；

步骤4.2，获取板带在机架间的实时运动速度，根据轧机工艺系统工艺数据的采样周期得到板带头部的实时位置，预测板带头部进入辊缝的时间t_a；

步骤4.3，通过压靠测试获得轧机的轧制力与轧机液压缸执行压下动作速度的关系，预测在当前轧制力下辊缝变化所需响应时间t_b；

步骤4.4，利用步骤4.2板带头部进入辊缝的时间与步骤4.3轧机液压缸压下所需的响应时间差值Δt作为延时时间，其计算公式为：

Δt＝t_a-t_b

延时Δt后压下控制系统实时辊缝调节。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

根据设备尺寸和热连轧机组布置形式建立热连轧机组轧机动力学模型，根据振动理论列出轧机垂直方向动力学方程；

将轧制过程轧制力参数输入至所述轧机垂直方向动力学方程中并计算，得到轧机工作辊的振动位移数据；

根据所述工作辊振动位移数据与轧机出口板带厚度的关系，获得轧机出口板带厚度波动数据；

根据上一机架的所述板带出口厚度波动数据计算下一机架的辊缝调节量，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节从而起到厚度控制。

2.根据权利要求1所述的基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，其特征在于，所述建立热连轧机组轧机动力学模型，列出轧机垂直方向动力学方程包括如下步骤：

通过能量守恒原则计算出轧机系统的等效质量与等效刚度，

所述等效质量的计算公式为：

M_i＝2T_max/(ωY_imax)²

所述等效刚度的计算公式为：

K_i＝2V_imax/(Y_imax)²

其中：M_i表示轧机部件的等效质量，K_i表示轧机部件间的等效刚度，T_imax表示振动产生时轧机部件的最大动能，V_imax表示振动过程中轧机部件的最大振动速度，Y_imax表示振动时轧机部件的最大振动位移；

根据振动理论，列出轧机垂直方向动力学方程，所述动力学方程包括：

其中，M表示轧机动力学系统的质量矩阵，K表示轧机动力学系统的刚度矩阵，F_act表示轧机轧制过程的实际轧制力，

表示轧机动力学系统加速度列矢量，{z}表示轧机动力学系统位移列矢量；

轧机动力学系统的质量矩阵M的计算公式为：

其中，M₁表示轧机机架上立柱、上横梁、垫块、液压缸的等效质量，M₂表示轧机上支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₃表示轧机上工作辊的等效质量，M₄表示轧机下工作辊的等效质量，M₅表示轧机下支撑辊、轴承、轴承座的等效质量，M₆表示轧机机架下立柱、下横梁、垫块、测压仪的等效质量；

轧机垂直方向动力学系统的刚度矩阵K的计算公式为：

其中，K₁表示轧机机架立柱机上横梁的等效刚度，K₂表示轧机上支撑辊中部至上横梁中部的等效刚度，K₃表示上支承辊与上工作辊之间的等效刚度，K₄表示工作辊与轧件之间的等效刚度，K₅表示下支撑辊与下工作辊之间的等效刚度，K₆表示下支撑辊中部至下横梁中部的等效刚度，K₇表示下横梁、下立柱、侧压力和垫块的等效刚度。

3.根据权利要求1所述的基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，其特征在于，所述将轧制过程轧制力参数输入至所述轧机垂直方向动力学方程中并计算，得到轧机工作辊的振动位移数据包括如下步骤：

将轧制过程实际轧制力导出并输入至所述动力学方程中；

通过龙格库塔法对所述动力学方程进行实时解算，得到轧机工作辊振动位移。

4.根据权利要求1所述的基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，其特征在于，所述根据所述工作辊振动位移数据与轧机出口板带厚度的关系，获得轧机出口板带厚度波动数据包括如下步骤：

根据轧机弹跳方程获得在轧机工作辊振动情况下的轧机出口板带厚度值，所述轧机出口板带厚度值的计算公式为：

h＝S_P+x

其中：h表示轧机工作辊振动条件下的板带厚度值，S_P表示轧机的有载辊缝，x表示轧机工作辊的振动位移；

轧机的有载辊缝的计算公式为：

其中，S′表示轧机的空载辊缝，P表示轧机的预设轧制力，C′表示轧机机座总刚度；

通过轧机轧制过程中板带厚度预设值与所述轧机工作辊振动情况下的板带厚度值，获得轧机工作辊振动条件下的板带厚度波动量Δh，其计算公式为：

Δh＝h₀-h；

其中，h₀为轧机轧制过程中板带厚度预设值，h为轧机工作辊振动情况下的板带厚度值。

5.根据权利要求1所述的基于动力学分析的热连轧机前馈厚度控制方法，其特征在于，所述根据上一机架的所述板带出口厚度波动数据计算下一机架的辊缝调节量，并由压下控制系统根据计算的辊缝调节量实施辊缝调节包括如下步骤：

根据所述轧机工作辊振动情况下的轧机出口板带厚度波动量，计算辊缝调节量，所述辊缝调节量的计算公式为：

ΔS＝Δh×Q/C′

其中，ΔS表示辊缝调节量，Δh表示板带厚度波动值，Q表示板带塑性系数，C′表示轧机机座总刚度；

获取板带在机架间的实时运动速度，根据轧机工艺系统工艺数据的采样周期积分得到板带头部的实时位置，预测板带头部进入辊缝的时间；

通过压靠测试获得轧机的轧制力与轧机液压缸执行压下动作速度的关系，预测在当前轧制力下辊缝变化所需响应时间；

利用所述带头部进入辊缝的时间与所述轧机液压缸压下所需的响应时间差值得到延时时间，所述延时时间计算公式为：

Δt＝t_a-t_b

其中，t_a为板带头部进入辊缝的时间，t_b为在当前轧制力下辊缝变化所需响应时间；

延时Δt后压下控制系统实时辊缝调节。

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