DE4231615A1 - Verfahren zum Unterdrücken des Einflusses von Walzenexzentrizitäten auf die Regelung der Walzgutdicke in einem Walzgerüst - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterdrücken des Einflusses von Walzenexzentrizitäten auf die Regelung der Walzgutdicke in einem Walzgerüst, wobei in der Regelung eine für von den Walzenexzentrizitäten verursachte Signal­ schwankungen unempfindliche Totzone vorgesehen ist, deren Zonenbreite in Abhängigkeit von der Größe der Signalschwan­ kungen variiert wird.

Bei der Regelung der Walzgutdicke in einem Walzgerüst be­ steht die Schwierigkeit, daß die Walzgutdicke als interes­ sierende Regelgröße nicht ohne weiteres regeltechnisch auswertbar am Ort ihrer Entstehung, nämlich dem Walzspalt, gemessen werden kann und daher nicht zur unmittelbaren Ausregelung von Störungen, wie z. B. Exzentrizitäten der Walzen, herangezogen werden kann. Nach dem sogenannten Gaugemeter-Prinzip kann jedoch die momentane Walzgutdicke h_a im Bereich des Walzspaltes rechnerisch aus der Anstell­ position s der Walzen, der Walzkraft F_W und der Federkon­ stanten c_G des Walzgerüstes zu

h_a + ΔR = s + F_W/c_G (1)

bestimmt werden. Bei dem sogenannten AGC-(automatic gauge control-) Verfahren wird ausgehend von dieser Beziehung mittels eines Walzlastdetektors die Walzkraft detektiert und zur Regelung der Walzgutdicke herangezogen. Wenn sich der Walzspalt beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Einlaufdicke des Walzguts vergrößert, führt dies zu einem Anstieg der Walzkraft F_W; dieser Anstieg wird detektiert, wobei durch die Regelung die Anstellposition s der Walzen verringert wird, so daß die Walzkraft F_W weiter erhöht und die Walzgutdicke wieder auf ihren Sollwert zurückgeregelt wird. Wie jedoch Gleichung (1) zeigt, steht die Walzgut­ dicke h_a nicht allein, sondern nur zusammen mit der Walzen­ exzentrizität ΔR zur Verfügung, die beim Walzprozeß eine periodische Zu- und Abnahme der Walzkraft F_W verursacht. Die durch die Exzentrizitäten verursachten Zu- und Abnah­ men der Walzkraft F_W werden jedoch durch das AGC-System fälschlicherweise als Zunahme bzw. Abnahme des Walzspaltes interpretiert, wodurch automatisch über die Anstellposi­ tion s die Walzkraft F_W vergrößert bzw. verringert wird und damit die Exzentrizitäten in ihrem vollen Umfang in das Walzgut eingewalzt werden.

Um diesen negativen Einfluß der Walzenexzentrizitäten auf die Regelung der Walzgutdicke zu verhindern, ist es aus der DE-PS 26 43 686 bekannt, in der Regelung eine Totzone vorzusehen, die gegenüber den von den Walzenexzentrizitäten hervorgerufenen Signalschwankungen unempfindlich ist. Da­ bei wird die Breite der Totzone in Abhängigkeit von den Amplituden der Signalschwankungen variiert und so an das Ausmaß der Exzentrizitäten angepaßt. Zur Erfassung der Amplituden der Signalschwankungen werden Grenzwertmelder mit gestaffelten Ansprechwerten und den Grenzwertmeldern nachgeordnete Kippstufen verwendet, wodurch der Genauig­ keit Grenzen gesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anpassung der Breite der Totzone in Abhängigkeit von den auftreten­ den Exzentrizitäten zu optimieren.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art die Variation der Zonenbreite in Abhängigkeit von einer laufen­ den statistischen Auswertung der Signalschwankungen er­ folgt. Auf diese Weise wird dem Umstand Rechnung getragen, daß der Einfluß der Walzenexzentrizitäten auf die Rege­ lung der Walzgutdicke und damit die entsprechenden Signal­ schwankungen in der Regelung nicht ohne weiteres vorher­ sagbare Größen sind, weswegen ihre Erfassung und Auswer­ tung für die Regelung in vorteilhafter Weise durch die statistische Signalauswertung erfolgt.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird zur Bestimmung der Zonenbrei­ te die Standardabweichung der Signalschwankungen von ihrem Mittelwert herangezogen. Mit der Standardabweichung wird eine das aktuelle Ausmaß der exzentrizitätsabhängigen Sig­ nalschwankungen optimal wiedergebende Größe zur Einstellung der Totzone ermittelt. Außerdem ist die Bestimmung der Standardabweichung rechentechnisch besonders einfach durch­ zuführen, wodurch der hardware- bzw. softwaremäßige Auf­ wand zur Realisierung dieser Rechenfunktion vergleichswei­ se gering ist.

Um bei der Anpassung der Breite der Totzone auch außerhalb der Standardabweichung auftretende Restschwankungen berück­ sichtigen zu können, werden die für die Standardabweichung laufend ermittelten Werte mit einem vorgegebenen Faktor in der Größenordnung von etwa 1 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3 gewichtet.

Um sicherzustellen, daß bei der Signalauswertung auch tat­ sächlich diejenigen Signalschwankungen herangezogen werden, die auf Exzentrizitäten der Walzen beruhen, ist in vorteil­ hafter Weise vorgesehen, daß der statistischen Auswertung der Signalschwankungen ein Beobachtungszeitraum zugrunde liegt, der der Walzenumlaufdauer oder einem Mehrfachen da­ von entspricht. Auf diese Weise wird berücksichtigt, daß die Signalschwankungen trotz ihrer nicht vorhersehbaren, also statistischen Natur mit der Walzenumdrehung korre­ lieren.

Aus demselben Grund ist entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß von den Signalschwankungen für ihre statistische Aus­ wertung Stützwerte mit einer Abtastfrequenz erfaßt werden, die in einem festen Verhältnis zur Walzendrehzahl steht. Dadurch ergibt sich eine von der Walzendrehzahl unabhängi­ ge Anzahl von Stützwerten innerhalb des Beobachtungszeit­ raums, wodurch es möglich ist, für die statistische Aus­ wertung eine bestimmte Rechenkapazität fest vorzugeben.

Grundsätzlich können innerhalb der Regelung an verschiede­ nen Stellen auftretende Signalschwankungen zur Breitenein­ stellung der Totzone herangezogen werden, soweit sie mit den Walzenexzentrizitäten korrelieren. Da jedoch die Tot­ zone zur Unterdrückung solcher Signalschwankungen vorge­ sehen ist, werden zur statistischen Auswertung vorzugs­ weise die an der Totzone eingangsseitig anliegenden Sig­ nalwerte herangezogen.

Die Genauigkeit bei der Regelung von Walzprozessen ist stark von der Güte abhängig, mit der die Prozeßgrößen er­ mittelt werden können. Dabei ergeben sich häufig nicht einzelne Werte für die Prozeßgrößen, sondern Wertebereiche, deren Ausbildung von den verschiedensten Einflüssen ab­ hängt. Zur Verbesserung von Regelgrößen in der Regelung für ein Walzgerüst, wobei an der Regelung eine für von Walzenexzentrizitäten verursachte Signalschwankungen un­ empfindliche Zone vorgesehen ist, deren Zonenbreite in Ab­ hängigkeit von den Signalschwankungen variiert wird, ist daher im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Verbes­ serung der Zonenbreite sowie weiterer Einflußgrößen, z. B. zur Vorsteuerung, auf der Grundlage der Techniken der Ver­ arbeitung unscharf bestimmter Eingangsgrößen, insbesondere unter Berücksichtigung von Expertenwissen in bezug auf die auftretenden Prozeßgrößen-Meßwertstreuung und -Verteilung erfolgt.

Eine kostengünstige, schnelle und insbesondere durch Com­ putersimulation überprüfbare Realisierung der Verbesserung der Regelung sowie die Möglichkeit einer Anpassung der Be­ einflussung der Ergebnisse der Regelung durch das neu­ ronale Netz oder den Fuzzy-Rechenprozeß wird in vorteil­ hafter Weise durch die in den weiteren Unteransprüchen an­ gegebenen Maßnahmen erreicht.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Regelung der Walzgut­ dicke in einem Walzgerüst,

Fig. 2 ein Beispiel für die Einstellung der Breite der Totzone in Abhängigkeit von der Standardabwei­ chung der erfaßten Signalschwankungen,

Fig. 3 ein Beispiel für den Verlauf der Signalschwan­ kungen und die daran angepaßte Totzone,

Fig. 4 ein Beispiel für das rechentechnische Vorgehen bei einer Walzprozeßregelung und

Fig. 5 und 6 beispielhafte Ausbildungen eines Neuro-Com­ puternetzwertes.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer AGC-(automatic gauge control -) Regelung für ein Walzgerüst 1 mit einer oberen und unteren Stützwalze 2 bzw. 3, zwei Arbeitswal­ zen 4 und 5, einer über ein Steuerventil 6 betätigbaren hydraulischen Anstellvorrichtung 7 zur Einstellung der An­ stellposition s und einer die Elastizität des Walzgerüstes 1 nachbildenden Feder c_G. Das Walzgut 8, dem im Walzspalt eine äquivalente Materialfeder c_M zugeordnet werden kann, wird durch die beiden Walzen 4 und 5 von einer Einlauf­ dicke h_e auf eine Auslaufdicke h_a heruntergewalzt. Die Walzenexzentrizitäten können durch eine effektive Ände­ rung des Walzenradius ΔR beschrieben werden.

Die Anstellposition s wird mit einem Positionsaufnehmer 9 an der Anstellvorrichtung 7 gemessen; die Stützwalzendreh­ zahl n wird mittels eines Drehzahlmessers 10 an der Stütz­ walze 3 erfaßt und die Walzkraft F_W wird mittels eines Druckfühlers 11 am Walzgerüst 1 abgegriffen.

Der gemessene Istwert der Walzkraft F_W wird einem die Ge­ rüstkennlinie c_G nachbildenden Anpaßverstärker 12 zuge­ führt, der ausgangsseitig den Auffederungsistwert F_W/c_G erzeugt. Der Auffederungsistwert F_W/c_G ist mit einem negativen Vorzeichen einem Summierpunkt 13 zugeführt, an dem entsprechend der oben angegebenen Gleichung (1) der Sollwert h_a* für die Auslaufdicke des Walzgutes 8 mit dem mit der Walzenexzentrizität ΔR überlagerten Istwert h_a verglichen wird, wobei h_a + ΔR = s + F_W/c_G ist. Aus untenstehend näher angegebenen Gründen wird dem Sum­ mierpunkt 13 jedoch anstelle des Istwertes der Anstell­ position s ein Wert s_V* zugeführt. Das Differenzsignal am Ausgang des Summierpunktes 13 enthält also nicht nur die Differenz Δh zwischen dem Sollwert h_a* und dem Istwert h_a der Walzgutdicke, sondern auch von den Exzentrizitäten ΔR hervorgerufene Signalschwankungen. Um diese Signal­ schwankungen ΔR innerhalb der Regelung zu unterdrücken, ist das Differenzsignal am Ausgang des Summierpunktes 13 mit positivem Vorzeichen direkt einem weiteren Summier­ punkt 14 zugeführt, dem zusätzlich dasselbe Differenzsig­ nal über einen Begrenzer 15 mit negativem Vorzeichen zu­ geführt ist. Der Begrenzer 15 überträgt von dem ihm zu­ geführten Signal nur diejenigen Signalamplituden, die innerhalb eines vorzugsweise den Amplituden der Exzen­ trizitäten ΔR entsprechenden Bereich x liegen, so daß genau dieser Amplitudenbereich am Ausgang des Summierglie­ des 14 nicht erscheint. Der Begrenzer 15 bildet also zu­ sammen mit dem weiteren Summierglied 14 eine Totzone für alle Signalamplituden, die innerhalb des Bereiches b lie­ gen. Wie untenstehend näher erläutert wird, wird die Brei­ te b der Totzone so eingestellt, daß sie für die von den Walzenexzentrizitäten ΔR verursachten Signalschwankungen unempfindlich ist.

Das von den exzentrizitätsabhängigen Signalschwankungen ΔR befreite Signal am Ausgang des Summierpunktes 14 wird einem Walzspaltregler 16 mit einem nachgeordneten Korrekturverstärker 17 zugeführt, an dessen Ausgang ein Sollwert s* für die Anstellposition erscheint. In dem Korrekturverstärker 17 wird das Ausgangssignal des Walz­ spaltreglers 16 mit dem Faktor 1 + c_M/c_G multipliziert, um so den Einfluß der Streckenverstärkung des Regelkreises mit h_a/s = c_G/(c_M + c_G) auszugleichen. Der Sollwert s* am Ausgang des Korrekturverstärkers 17 wird über eine Ver­ zögerungseinrichtung 18 mit einer der Eigenzeit der Posi­ tionsregelung (Positionsregler 22) entsprechenden Verzöge­ rung als Signal s_V* an den Summierpunkt 13 zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal s* des Korrekturverstärkers 17 ist mit positivem Kennzeichen und das Ausgangssignal des Begren­ zers 15 über einen Anpaßverstärker 19 mit negativem Vor­ zeichen als Zusatzsollwert Δs* einem weiteren Summierpunkt 20 zugeführt, an dessen Ausgang ein endgültiger Sollwert für die Anstellposition s* erzeugt wird. Am Summierpunkt 20 wird unterschieden, ob eine Zu- oder Abnahme der Walz­ kraft F_W durch eine Vergrößerung bzw. Verringerung des Walzspaltes aufgrund beispielsweise der sich ändernden Einlaufdicke h_e des Walzgutes 8 hervorgerufen wird oder ob sie umgekehrt durch eine Verringerung bzw. Vergrößerung des Walzspaltes 8 durch die Walzenexzentrizitäten ΔR ver­ ursacht wird. Dabei dient der von dem Begrenzer 15 kom­ mende und über den Anpaßverstärker 19 dem Summierpunkt 20 zugeführte Zusatzsollwert Δs* zur Kompensation der Walzen­ exzentrizitäten ΔR.

Der endgültige Sollwert für die Anstellposition am Ausgang des Summierpunktes 20 wird an einem zusätzlichen Summier­ punkt 21 mit dem von dem Positionsgeber 9 gelieferten Ist­ wert s verglichen, wobei das Vergleichsergebnis über einen Positionsregler 22 und einen nachgeordneten Stellantrieb 23 zur Betätigung des Steuerventils 6 und damit zur Ein­ stellung der Anstellposition s herangezogen wird.

Um die Breite der von dem Begrenzer 15 zusammen mit dem Summierpunkt 14 erzeugten Totzone b an die jeweilige Ampli­ tude der Walzenexzentrizitäten ΔR anpassen zu können, werden zunächst von dem Differenzsignal am Ausgang des Sum­ mierpunkts 13 mittels eines Abtastglieds 24 Stützwerte x_i erfaßt und einer Einrichtung 25 zur statistischen Auswer­ tung der Stützwerte x_i zugeführt. In der Einrichtung 25 wird über einen Beobachtungszeitraum von N Stützwerten x_i deren Standardabweichung σ vom Mittelwert mit

(l/N _* Σ x_i² - ²)^1/2

ermittelt. Zur Herausfilterung der von den Exzentrizitäten ΔR herrührenden Signal­ schwankungen aus dem abgetasteten Differenzsignal erfolgt die Abtastung in Abhängigkeit von der Walzendrehzahl n. Dazu ist ein das Abtastglied 24 steuernder Steuerimpuls­ geber 26 vorgesehen, dessen ausgangsseitige Steuerimpuls­ frequenz in Abhängigkeit von der mit dem Drehzahlmesser 10 gemessenen Walzendrehzahl n gesteuert wird. Da der der statistischen Auswertung der Signalschwankungen zugrunde liegende Beobachtungszeitraum aus einer vorgegebenen An­ zahl von N Stützwerten x_i besteht, ist automatisch auch der Beobachtungszeitraum an die jeweilige Walzenumlauf­ dauer angepaßt.

In Fig. 2 ist in einem Diagramm ein Beispiel für die sta­ tistische Häufigkeitsverteilung 27 der Stützwerte x_i in einem vorgegebenen Beobachtungszeitraum dargestellt. Fer­ ner ist in dem Diagramm die dazugehörige Standardabwei­ chung σ eingetragen. Um auch die außerhalb der Standard­ abweichung liegenden Restschwankungen der Stützwerte x_i hinreichend zu berücksichtigen, wird der ermittelte Wert für die Standardabweichung σ in einem der Einrich­ tung 25 nachgeordneten Korrekturglied 28 mit einem vorge­ gebenen Faktor im Bereich zwischen 2 und 3 multipliziert, bevor er einem Steuereingang 29 des Begrenzers 15 zur Ein­ stellung der Zonenbreite b zugeführt wird.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für den Verlauf der von den Exzentrizitäten ΔR hervorgerufenen Signalschwankungen am Ausgang des Summierpunkts 13 zusammen mit der in Ab­ hängigkeit davon geregelten Zonenbreite b dargestellt.

Zur Erläuterung der Verbesserung der Regelgrößen, darunter der Zonenbreite b der Totzone, in der Regelung für ein Walz­ gerüst bzw. eine ganze Walzstraße auf der Grundlage der Techniken der Verarbeitung unscharf bestimmter Eingangs­ größen wird im folgenden auf Fig. 4 Bezug genommen, die die einzelnen Blöcke der Regelung einer Walzstraße 30 zeigt. Dabei bezeichnet 31 die Primärdateneingabe, z. B. die Eingangsabmessungen, die Materialqualität und die Zielgrößen des Walzprozesses. Die Primärdaten werden regeltechnisch passend aufbereitet und einer Vorausberech­ nung 32 aufgegeben, die die walztechnischen Größen und die Einstellwerte für die Walzstraße berechnet. Aus der Voraus­ berechnung 32 gelangen die Daten in eine zeitrichtige Ver­ teilung 33 für die Einstellwerte von unterlagerten Steue­ rungen und Regelungen 34 der hier nur schematisch darge­ stellten Walzstraße 30. An der Walzstraße 30 selbst werden durch bekannte Sensoren 35 aller Art, z. B. für die elek­ trischen Größen an den einzelnen Walzgerüsten und für den Bandzustand zwischen den Gerüsten und hinter dem letzten Gerüst, Meßwerte und Anlagensignale gewonnen, die einer Meßwerterfassung 36 mit statistischer Aufbereitung der Meßwerte eingegeben werden. Für die statistische Aufberei­ tung wird ein Vertrauensbereich und die Standardabweichung unter Berücksichtigung der Anlagenverhältnisse und der Ver­ stärkung des gebildeten Feedbackkreises festgelegt. Dieser wird über Einrichtungen 37 und 38 zur Nachberechnung und Anpassung der Adaptionskoeffizienten sowie zur Speicherung der Adaptionskoeffizienten und den Vorausberechnungsblock 32 geschlossen. Dieser Feedbackkreis wird erfindungsgemäß durch die Technik des Regelns mit unscharf bestimmten Ein­ gangsgrößen, insbesondere durch neuronale Netze, wie sie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt werden, verbessert. Dabei wird ein neues Selbstlernverhalten des Feedbackkreises er­ reicht, das zu einer erheblichen Verbesserung des walz­ technischen Ergebnisses führt.

In Fig. 5 bezeichnet 39 ein einfaches, für stark streuende Werte gut geeignetes neuronales Netz, wobei die Netzknoten 40, wie angedeutet, eine lokale Beeinflussung entsprechend Gaußkurven aufweisen. Netzwerke nach Fig. 6 weisen Netzkno­ ten 41 im neuronalen Netz 42 auf, die sigmoidal beeinflußt sind. Derartige Netze sind für die Regelung und Verbesse­ rung von Prozessen mit weniger stark streuenden Meßwerten und Eingangsgrößen ebenfalls, aber weniger gut, geeignet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Unterdrücken des Einflusses von Walzen­ exzentrizitäten (ΔR) auf die Regelung der Walzgutdicke (h_a) in einem Walzgerüst (1), wobei in der Regelung eine für von den Walzenexzentrizitäten (ΔR) verursachte Sig­ nalschwankungen unempfindliche Totzone (14, 15) vorgesehen ist, deren Zonenbreite (b) in Abhängigkeit von der Größe der Signalschwankungen variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Zo­ nenbreite (b) in Abhängigkeit von einer laufenden sta­ tistischen Auswertung der Signalschwankungen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bestimmung der Zonen­ breite (b) die Standardabweichung (σ) der Signalschwan­ kungen von ihrem Mittelwert () herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die für die Standardab­ weichung (σ) laufend ermittelten Werte mit einem vor­ gegebenen Faktor in der Größenordnung von etwa 1 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3 gewichtet werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der sta­ tistischen Auswertung der Signalschwankungen ein Beobach­ tungszeitraum zugrunde liegt, der der Walzenumlaufdauer oder einem Mehrfachen davon entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß von den Sig­ nalschwankungen für ihre statistische Auswertung Stützwer­ te (x_i) mit einer Abtastfrequenz erfaßt werden, die in einem festen Verhältnis zur Walzendrehzahl (n) steht.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur statistischen Auswertung die an der Totzone (14, 15) ein­ gangsseitig anliegenden Signalschwankungen herangezogen werden.

7. Verfahren, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verbesserung von Regelgrößen in der Rege­ lung für ein Walzgerüst (1), wobei in der Regelung eine für von Walzenexzentrizitäten (ΔR) verursachte Signal­ schwankungen unempfindliche Zone vorgesehen ist, deren Zonenbreite (b) in Abhängigkeit von den Signalschwankungen variiert wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbesserung der Zonenbreite (b) sowie weiterer Einflußgrößen, z. B. zur Vorsteuerung, auf der Grundlage der Techniken der Verarbeitung unscharf bestimm­ ter Eingangsgrößen, insbesondere unter der Berücksichti­ gung von Expertenwissen in bezug auf die auftretenden Pro­ zeßgrößen-Meßwertstreuung und -Verteilung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Optimierungseinheiten, insbesondere unter Berücksichtigung von Expertenwissen über die Prozeßgrößen-Meßwertstreuung und -Verteilung, ein neuronal aufgebautes Netz mit Fuzzy-Struktur oder ein Fuzzy-Rechenprozeß zur Verbesserung der Regelgrößen verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das neuronale Netz mit Fuzzy-Struktur oder der Fuzzy-Rechenprozeß die jeweiligen Ergebnisse der Regelung durch gewichtet berücksichtigt, wobei die Wichtung bei größerer Betriebserfahrung zugun­ sten der Ergebnisse der Verbesserungsberechnungen erhöht wird.