CN1247779A - 轧制机的稳定控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

提供一种稳定控制蠕动现象的方法及其装置。该方法对于轧制过程中发生的轧制材料的蠕动,由设置在轧制机上的负载传感器检测左右负载的偏差;基于该偏差进行比例微分控制,计算出施加给压下装置的平整的左右偏差的指令值;根据上述指令值,调节轧辊间隙,使轧材的蠕动稳定。在该轧制的稳定控制中,具有稳定化低通滤波器,该稳定化低通滤波器具有与上述轧制机的工作频率特性的零点时间常数大致相等的极点时间常数。

Description

轧制机的稳定控制方法及其装置

本发明涉及在用轧制机进行长尺寸金属板轧制过程中，稳定地控制轧制材料所产生的蠕动(蛇形)现象的方法及其装置。

图12示出了作为本发明对象的轧制系统。图中，1是轧制材料，2a、2b是工作轧辊，3a、3b是支承轧辊，4a、4b是压力传感器，5是轧制机的几何中心，6是轧制材料的几何中心，8a、8b是压下装置，9a、9b是负载信号，10a、10b是平整信号，11是控制装置。

在轧制过程中，由于轧制机的机械特性及轧制材料形状的左右非对称性或左右轧制速度不同等原因，轧制材料沿横向会产生剧烈移动的蠕动现象。由于发生蠕动，给轧辊造成伤痕，使得产品的精度下降，由于轧制材料冲击轧制机，而存在不能轧制的缺陷，致使生产效率下降。

迄今，采用轧制材料横向的端部比中央部分薄的轧辊凸面，在这样的轧制条件下轧制，能防止蠕动的发生。但是必须严格要求厚度的精确性，要减少轧辊凸面，所以必然容易发生蠕动。

作为控制蠕动的方法，有以下几种蠕动控制方法：控制装置11利用负载信号间接地检测蠕动量，根据与该蠕动量对应的检测值进行蠕动控制的方法，或者利用在轧制机进料侧设置的蠕动传感器，直接检测蠕动等方法，对于上述两种方法来说，适合采用比例控制或比例微分控制。另外在特开平8-323412号公报中公开了将蠕动量及其微分值作为状态变量用，利用观测者估计的状态变量进行状态反馈控制的控制方式等。

在检测负载信号的方法中，采用比例微分控制时可以认为整个控制系统不稳定。可是，如果将上述方法用于实际的轧制机，压下装置起延迟系统的作用，结果能防止整个系统不稳定。可是，延迟系统的时间常数与压下装置有关，作为控制系统的设计要素，难以按照意图进行设计。另外，还存在不能将时间常数值用于整个系统稳定化的问题。

有关上述情况的详细说明如下。如果考虑将蠕动现象及影响蠕动现象的轧制机的特性作为控制对象，则可以用式(1)表示控制对象的工作特性。 ${\stackrel{..}{y}}_c=\{a{y}_c+b(d_s+\mathrm{\δS})+h_1\mathrm{\δH}\}/s^2+y_{c0}$

δP＝cy_c-d(d_s+δS)+h₂δH    (1)

式中，y_C表示蠕动量，y_C0表示初始蠕动量，δS表示平整的左右偏差(lateral deviation of leveling)，δH表示进料侧楔形量(轧制材料的左右厚度差)，δP表示左右的负载偏差，a、b、c、d、h₁、h₂是由轧制机及轧制条件等决定的常数。

如果用从输入δS至输出δP的传递函数表示式(1)，则得到式(2)。另外，将式(2)的频率特性示于图2。 $\mathrm{\δP}=\frac{-{\mathrm{ds}}^2+\mathrm{bc}+\mathrm{ad}}{s^2-d}\mathrm{\δS}-----\left(2\right)$

该控制对象存在不稳定极、不稳定零点，是一种极其不稳定的系统，难以进行控制。具体地说，在低频区增益小于0“dB”时，或者在高频区增益大于0“dB”时，不稳定。

对于该控制对象来说，采用比例微分控制时的开环传递函数的频率特性示于图3(a)。如图3(a)所示，只用比例微分控制构成控制装置时，通过在低频区适当地设定比例增益，能使之稳定，但在高频区由于微分增益的影响，高频区的增益变得无限大，所以整个控制系统不可避免地变得不稳定。除了比例微分控制外，在用延迟系统(图3中，一次延迟系统)近似压下装置的情况下的频率特性图3(b)及(c)中，由于延迟系统的特性的作用，高频区的增益并非无限大，而是一定的。。

可是，如图3(b)所示，在压下装置响应快的情况下，由于高频区的增益特性超过0“dB”，所以变得不稳定。如图3(c)所示，即使在压下装置具有适当的时间常数的情况下，也不能认为有足够健壮(robust)的稳定性。第三十一次塑性加工联合演讲会资料“热轧带的蠕动控制方法的研究”中关于控制增益的设计，虽然说明了控制增益的稳定范围，但没有给出明确的设计方法。另外，也没有表示出健壮的稳定性。

本发明就是为了解决现有技术中的上述问题而完成的，其目的在于提供一种不受轧制机的工作特性的影响而能稳定地控制蠕动现象的方法及其装置。

本发明的第一种构成的轧制机的稳定控制方法如下：对于轧制过程中发生的轧制材料的蠕动，由设置在轧制机上的负载传感器检测左右负载的偏差；基于该偏差进行比例微分控制，计算出施加给压下装置的平整的左右偏差的指令值；根据上述指令值，调节轧辊间隙，使轧材的蠕动稳定，其中在这样的轧制的稳定化控制中，具有稳定化低通滤波器，该稳定化低通滤波器具有与上述轧制机的工作频率特性的零点时间常数大致相等的极点(pole)时间常数。

另外，本发明的第二种构成的轧制机的稳定控制方法的特征在于，在轧制的稳定化控制中，分析控制对象即包括轧制机特性的蠕动现象的频率特性；根据控制对象的零点，确定上述稳定化低通滤波器的极点时间常数；根据控制对象的极点，确定比例微分控制的零点时间常数；可以分别独立地设定低频区和高频区的特性。

另外，本发明的第三种构成的轧制机稳定控制方法，是在轧制的稳定化控制中，具有稳定化控制增益确定装置，用来分析将包括轧制机的特性的蠕动现象和本发明的第二方面所述的设定参数的控制装置结合起来的系统的频率特性，并考虑健壮稳定性和蠕动量的平稳偏差。

另外，本发明的第四种构成的轧制机稳定控制装置，是在轧制长尺寸的轧制材料的轧制机中，具有测定左右的压下负载的压力传感器；以及根据上述左右的压力信号，产生左右的压下指令信号的控制装置，上述控制装置具有与轧制机工作频率特性的极点时间常数大致相等的微分控制时间常数；以及与轧制机零点时间常数大致相等的极点时间常数的稳定化低通滤波器，因此稳定地控制轧制材料的蠕动现象。

图1是包括本发明的蠕动控制系统的轧制系统的结构图。

图2是表示将输入作为平整偏差，将输出作为负载偏差时作为控制对象的蠕动现象的频率特性曲线图。

图3是表示应用比例微分控制时的开环传递函数的频率特性曲线图。

图4是表示确定控制参数的流程图。

图5是表示改变了控制参数时的开环传递函数的频率特性曲线图。

图6是表示改变了控制参数时的蠕动量的阶段响应的图。

图7是表示使控制参数p在控制对象的零点z₀附近变化时的开环传递函数的频率特性的图。

图8是表示使控制参数p变化时的蠕动量的阶段响应的图。

图9是表示使控制参数z在控制对象的极点p₀附近变化时的开环传递函数的频率特性的图。

图10是表示使控制参数z变化时的蠕动量的阶段响应的图。

图11是表示实施例中的对应于阶梯状干扰的蠕动量变化的图。

图12是包括现有的控制装置的轧制系统的结构图。

通过在用比例微分控制构成的控制装置中增加稳定化低通滤波器，能与压下装置的时间常数无关地确保整个控制系统的稳定性。另外通过分析控制对象及控制装置的频率特性，考虑健壮的稳定性，设计包括了稳定化低通滤波器的控制参数。以下说明根据发明的实施例确定控制参数的方法。

如在现有技术中所述，在将比例微分控制应用于差分负载方式的情况下，虽然考虑到整个控制系统变得不稳定，但能用延迟系统近似构成控制系统的压下装置，其结果，能防止整个系统变得不稳定。另外，用频率范围分析特开平8-323412号公报所述的方法，同样能解释比例微分控制和延迟系统的组合。图1示出了包括本发明的控制装置的轧制系统的结构。图中，7表示本发明的控制系统的控制装置。以下说明本发明的控制系统特性的确定方法。

用C(式3)表示上述比例微分控制和延迟系统的组合的控制装置。

用式(3)表示比例微分控制和二次延迟滤波器的结构。式(3)中有四个控制参数，但考虑到在现场进行调整的情况，控制参数少一些有利。因此，假定p₁＜＜p₂，通过忽略p₂，减少控制参数的个数，用式(4)表示控制装置的结构，将这样的比例微分控制和低通滤波器组合起来。在考虑了可能实现的控制装置的情况下，在用式(3)表示p₂的控制装置中，影响高频区的稳定性的参数在进行控制的范围内几乎没有影响。另外，即使忽视了p₂，也无损于稳定性，因此可以说该假定是妥当的。 $C=K\frac{s+z}{s+p}-----\left(4\right)$

在式(4)中，将k/p换成k，表示为控制装置式(5)。 $C=K\frac{S+Z}{(1/p)s+1}-----\left(5\right)$

通过用式(5)表示，p的变化只影响低频区的特性，而z的变化只影响高频区的特性，所以能独立地调整低频区和高频区，即能独立地调整p、z。式(5)的分子表示比例微分控制，分母表示稳定化低通滤波器。

以下说明控制参数对控制特性的影响及其确定方法。图4表示控制参数确定方法的流程。首先，利用图2所示的控制对象的频率特性或数学表达式模型，求控制对象的极点p₀、零点z₀。假定将控制参数p设定为控制对象的零点z₀附近的值，将z设定为控制对象的极点p₀附近的值。控制参数p、z不需要准确地达到z₀、p₀，只要在某种程度上一致即可。为了简单起见，在以下的说明中考虑完全一致的情况。说明在该条件下使k变化时产生的影响。这时的开环传递函数的频率特性如图5所示，设想阶梯状干扰ds加在这时的压下系统上时的蠕动时间响应如图6所示。由图6可知，如果增大增益k，则蠕动的平稳偏差变小，所以可以利用所允许的蠕动量的标准，确定增益k。由式(2)和式(5)考虑从输入δs到蠕动量yc的闭环传递函数，根据时间区域响应的收敛值，可以用式(6)表示平稳偏差和蠕动量的平稳偏差的关系。 $y(1\→\∞)=\frac{b}{\mathrm{Kz}(\mathrm{bc}+\mathrm{ad})-a}{d}_s-----\left(6\right)$

根据蠕动量的平稳偏差，可以从式(6)求出增益k的范围。可是，如上所述，不管k过大还是过小，控制系统都不稳定，所以有必要将k设定在图5(a)和(c)的范围内。用式(7)表示该范围。 $\frac{\sqrt{a}}{\mathrm{bc}+\mathrm{ad}}<K<\frac{1}{d\sqrt{\mathrm{bc}+\mathrm{ad}}}-----\left(7\right)$

如果在式(7)所示的范围内，则控制特性有好有坏，但能确保稳定性。另外对于该范围的控制对象的增益变化来说，意味着健壮的稳定性。

其次，假定设z与控制对象的极点p₀相等，设k为上述范围内的适当的值，说明相对于p的变化的影响。在使p变化的情况下，开环传递函数的频率特性的变化示于图7，另外这时的蠕动量的阶段响应示于图8。如果将p设定得比控制对象的零点z₀小，则如图7所示，高频区的开环增益下降，所以式(7)所示的范围的下限变宽，因此呈健壮的稳定性。

可是，如图8所示，可知阶段响应变得振荡。另外，如果相反地将p增大，则高频区的健壮稳定性变坏。因此可以认为最好将p设定在控制对象的零点z₀附近。

根据上述结果，如果使p与控制对象的零点z₀相等，且将k设定为式(7)所示范围内的适当的值，使z变化，则频率特性及蠕动量的阶段响应如图9、图10所示。因此，如果z比控制对象的极点p₀大，则如图9所示，健壮稳定性变好。另外，由于低频区的增益变大，所以如图10所示，能使蠕动量的平稳偏差小，但其响应变得振荡。反之，如果z比p₀小，则健壮稳定性变坏。由于这些原因，可以认为最好将z设定为控制对象的极点p₀附近的值。

从以上的讨论结果导出的控制系统参数的合理的确定方法示于图4。在ST1中，分析作为控制对象的轧制机的工作频率特性，求出频率特性曲线上的极点频率p₀和零点频率z₀。在ST2中，将控制系统的低通滤波器的极点频率p设定在控制对象的零点频率z₀附近。因此，能与轧制机的时间常数无关地确保稳定的蠕动控制条件。

在ST3中，将控制系统的比例微分时间常数z设定在控制对象的极点频率p₀附近。因此，能使控制装置的比例微分时间常数和稳定化低通滤波器的极点时间常数成为适合于轧制机的工作特性的最佳组合。

在ST4中，求整个控制系统的开环传递函数的频率特性。在ST5中，求整个控制系统的闭环特性的频率特性及时间区域响应特性。在ST6中，使增益系数k变化，从蠕动量的允许限度标准和健壮稳定性两方面讨论时间区域响应特性，在ST7中，确定最合适的增益系数k。因此，既能满足轧制产品的质量要求，又能稳定地解决轧制机和轧制材料的特性变化，能同时提高产品质量和轧制工序的工作效率。

由按照图4所示的流程构成的控制装置进行蠕动控制的模拟结果示于图11。作为干扰，设想图11(a)所示的加在压下装置上的阶梯状干扰。由图11(b)可知，蠕动量很快就趋于稳定。

以上，以蠕动稳定化控制为例，说明了本发明的控制方式，但即使对于其他控制对象，在用上述式(2)的形式表示控制对象的特性的情况下，也能适用本发明。

如果采用本发明的第一种构成的轧制机稳定控制方法，则由于根据由设置在轧制机上的负载传感器检测的轧制过程中发生的轧制材料的蠕动的左右负载的偏差，进行比例微分控制，计算出给压下装置的平整的左右偏差的指令值，根据上述指令值，调节轧辊间隙，使蠕动稳定，在这样的轧制的稳定化控制中，具有稳定化低通滤波器，该稳定化低通滤波器具有与上述轧制机的工作频率特性的零点时间常数大致相等的极点时间常数，所以能与轧制机的时间常数无关地确保稳定的蠕动控制的条件。

另外，如果采用本发明的第二种构成的轧制机稳定控制方法，则由于在轧制的稳定化控制中，分析控制对象即包括轧制机特性的蠕动现象的频率特性；根据控制对象的零点，确定上述稳定化低通滤波器的极点时间常数；根据控制对象的极点，确定比例微分控制的零点时间常数；可以分别独立地设定低频区和高频区的特性，所以能使控制装置的比例微分时间常数和稳定化低通滤波器的极点时间常数成为适合于轧制机的工作特性的最佳组合。

另外，如果采用本发明的第三种构成的轧制机稳定控制方法，则由于在轧制的稳定化控制中，考虑轧制材料的蠕动量和健壮稳定性两方面，确定增益系数，所以既能满足轧制产品的质量要求，又能稳定地解决轧制机和轧制材料的特性变化，能同时提高产品质量和轧制工序的工作效率。

另外，如果采用本发明的第四种构成的轧制机稳定控制装置，由于在轧制长尺寸的轧制材料的轧制机中，具有测定左右的压下负载的压力传感器；以及根据上述左右的压力信号，产生左右的压下指令信号的控制装置，上述控制装置具有与轧制机的工作频率特性的极点时间常数大致相等的微分控制时间常数；以及与轧制机的零点时间常数大致相等的极点时间常数的稳定化低通滤波器，稳定地控制轧制材料的蠕动现象，所以能使控制装置的比例微分时间常数和稳定化低通滤波器的极点时间常数成为适合于轧制机的工作特性的最佳组合。

Claims (4)

1.一种轧制机的稳定控制方法，该方法对于轧制过程中发生的轧制材料的蠕动，由设置在轧制机上的负载传感器检测左右负载的偏差；基于该偏差值进行比例微分控制，计算出施加给压下装置的平整的左右偏差的指令值；根据上述指令值，调节轧辊间隙，使轧材的蠕动稳定，该方法特征在于：具有稳定化低通滤波器，该稳定化低通滤波器具有与上述轧制机的工作频率特性的零点时间常数大致相等的极点时间常数。

2.根据权利要求1所述的轧制机的稳定控制方法，其特征在于：在轧制的稳定化控制中，分析控制对象即包括轧制机特性的蠕动现象的频率特性；根据控制对象的零点，确定上述稳定化低通滤波器的极点时间常数；根据控制对象的极点，确定比例微分控制的零点时间常数；以及可以分别独立地设定低频区和高频区的特性。

3.根据权利要求2所述的轧制机的稳定控制方法，其特征在于：在轧制的稳定化控制中，基于考虑轧制材料的蠕动量和健壮稳定性两方面，确定增益系数。

4.一种轧制长尺寸材料的轧制机的稳定控制装置，其特征在于包括：测定左右的压下负载的压力传感器；根据上述左右的压力信号，产生左右的压下指令信号的控制装置，该控制装置具有与轧制机工作频率特性的极点时间常数大致相等的微分控制时间常数；以及具有与轧制机零点时间常数大致相等的极点时间常数的稳定化低通滤波器，由此稳定地控制轧制材料的蠕动现象。

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