冷軋矽鋼邊部減薄反饋滯後控制方法與流程

2023-10-06 17:07:54 5

本發明涉及軋鋼技術領域，尤其涉及一種適用於單錐度工作輥竄輥軋機冷軋矽鋼邊部減薄反饋滯後控制方法。

背景技術：

冷軋矽鋼是鋼鐵板帶材中具有高附加值的效益產品之一，廣泛應用於電力、機電、郵電和軍工等領域。邊部減薄控制技術是帶鋼軋制過程中繼厚度控制和板形控制之後的又一技術難點和熱點，特別是對矽鋼板、鍍錫板以及汽車板等高附加值冷軋薄板而言，邊部減薄的合理控制可以大幅提高其成材率，改善產品性能和質量。矽鋼橫向厚差的要求極高，普通要求≤10μm，高級要求≤5μm。為了能夠反映帶鋼橫向厚差的情況，目前通常採用帶鋼邊部特定點與基準點厚度的差值量。為了減少帶鋼的邊部減薄缺陷，通常採用具有單錐度工作輥竄輥的軋機t-wrs(taperworkrollshiftingmill)，其工作輥分為常規段(一般為平輥)和錐形段，如圖1所示。

邊部減薄控制系統是提高冷軋矽鋼板成形質量的重要保障。冷連軋邊部減薄控制系統的執行機構是液壓竄輥伺服控制系統，由於當前技術及生產線設備安裝條件限制，邊部減薄閉環控制系統在使用過程中存在反饋調節滯後的問題，與邊部減薄控制系統時間常數相比，冷連軋邊降調節滯後是大滯後問題，容易引起系統的震蕩和不穩定，為了保證系統的穩定軋制，以往採取降低系統增益和降低軋制速度的方法來緩解這種現象，但是這是以犧牲系統控制精度和生產效益為代價的。

國內外有關邊部減薄反饋滯後的控制方法在專利和文獻未見公開，抗滯後功能經常作為帶鋼邊部減薄控制的重要因素提出。可以說是一直作為最核心技術未公開，本發明在國內首次自主開發冷軋矽鋼邊部減薄控制的背景下，開始研究抗滯後控制方法，並提出適合矽鋼生產的輸出值變增益調節方法，已經在系統測試中投入且應用效果良好。

技術實現要素：

本發明提供了一種冷軋矽鋼邊部減薄反饋滯後控制方法，適合於冷軋矽鋼單錐度工作輥竄輥軋機，通過對邊降閉環控制造成滯後的因素進行分析，首次採用流量相等原則計算 滯後時間，能夠更精確的得到系統反饋滯後時間；調節量的變增益方法對於邊部減薄閉環大滯後具有良好的控制品質，能滿足不同機架的調節，能夠保證系統的穩定性，提高矽鋼生產過程中邊部減薄控制質量。

為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案實現：

冷軋矽鋼邊部減薄反饋滯後控制方法，包括如下步驟：

1)邊部減薄控制由冷軋生產線f1～f3機架進行竄輥實現，在f1機架前面安裝現場入口凸度儀用於檢測來料凸度，在距離f5機架l＝2m的位置安裝出口邊降儀用於檢測出口帶鋼邊降狀況，由出口邊降儀反饋信息與邊降控制模塊組成閉環控制的邊部減薄控制系統；從邊部減薄控制系統發出邊降調節信號，到邊部減薄控制系統接受到出口邊降儀反饋回來的調節後穩定信息這段時間存在滯後；邊降信號的滯後時間可以分解為兩部分：第一部分是竄輥機構執行工作輥橫移時間τ1，第二部分是竄輥到位後新邊降經過後續機架軋制到達出口邊降儀的時間τ2，則總滯後時間為：

τ＝τ1+τ2；

2)在不同竄輥模式和有無帶鋼情況下，工作輥竄輥速度是不一樣的，且竄輥速度與工作輥圓周速度及當前軋制力成函數關係；其中：

在有帶鋼情況下，竄輥速度和工作輥圓周速度的比值y與軋制力froll呈拋物線關係，竄輥過程中需要保證軸向力不超過最大限制值，並且不會破壞板帶的表面質量；

在無帶鋼且軋制力恆定的情況下，竄輥速度與工作輥圓周速度成反比例關係；在竄輥時，只要不超過軸向力的最大限制值，可最大限度地提高竄輥速度；

根據當前軋制力froll和軋輥圓周速度vr，通過查表和插值可以得到竄輥速度vrs，進一步可求得竄輥時間：

式中lc--竄輥位移，mm；

vrs--竄輥速度，mm/s；

3)竄輥機架輥縫處的帶鋼到達邊降儀檢測點的時間用秒流量相等原則來計算，即：

式中，l--機架間距離；

l—機架f5與邊降儀距離；

h1、h2、h3、h4、h—對應f1～f5機架的出口厚度；

vf--第五機架出口速度；

同一機架調節時，軋制速度越低，滯後時間越長，軋制速度相同時，調節機架與出口邊降儀距離越遠，滯後時間越長；滯後時間越長，對系統的穩定性影響越大，對控制系統的要求更高；

4)在邊部減薄閉環控制中，竄輥橫移時間和出口邊降儀檢測時間可簡化為純滯後環節，可得邊降閉環傳遞函數為：

式中：

gec(s)--控制器函數；

g0(s)--等效竄輥位移控制系統傳遞函數；

e-τs--滯後環節；

5)含有滯後環節的邊部減薄控制系統能夠趨於穩定，但初期調節出現多次系統震蕩，需要通過pid控制器對因滯後引起系統的震蕩和輸出誤差進行調節，並採用變增益輸出值調節方法：

邊部減薄輸出調節量的增益分為兩部分：靜態增益部分和動態增益部分，則輸出調節量增益的計算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1；

式中：

g_all_sh1--輸出調節量的增益；

gi_gdev_sh1--靜態增益；

g_v_sh1--動態增益；

a)靜態增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1--竄輥位置偏差量,經過分段線性曲線得到；

p_gi_sh1--常數,一般在0.015～0.02之間取值；

b)動態增益g_v_sh1＝kp1_v_sh1×0.5

其中，kp1_v_sh1＝(dsa_wrs/v_step_wrs_max)+t_ed_b_sh1

t_ed_b_sh1＝[m_roll_meas+(trig_k+smooth_k+delay_measdev)×0.5+delay_bend]×t_meva+tr_sh1

式中：

m_roll_meas--出口邊降儀與機架距離延遲；

t_meva--兩次數據設定之間的時間間隔；

trig_k--閉環控制的觸發幅值；

smooth_k--平滑測量值的平滑因子，取值由機架速度經過分段線性曲線獲得；

delay_measdev--測量設備的時間延遲；

delay_bend--彎輥系統的時間延遲；

tr_sh1--工作輥竄輥的響應時間；

dsa_wrs--附加竄輥位置設定；

v_step_wrs_max--最大竄輥速度，由軋制力經過分段線性曲線，再與機架速度求積獲得。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)以帶鋼邊部減薄最小作為目標函數，應用工作輥竄輥輸出調節量變增益方法，提出有效的準確計算竄輥調整量增益計算方法；

2)在分析邊部減薄調節滯後時間的形成原因及邊部減薄閉環控制系統特性的基礎上，確定適合冷軋矽鋼邊部減薄控制的單錐度工作輥竄輥的增益係數；

3)本發明能夠提高工作輥錐形段插入調節量的響應精度，快速有效地控制帶鋼邊部減薄缺陷，進而提高冷軋矽鋼成品的質量；

4)經實際生產數據統計，應用本發明所述方法，可大幅提高冷軋矽鋼邊部減薄缺陷的控制效果，使矽鋼產品的邊部減薄平均值≤10μm的比率達到100％，邊部減薄平均值≤8μm的比率達到98.5％，同時此方法提高邊部減薄控制平均響應時間縮短到10秒之內。

附圖說明

圖1是本發明所述單錐度工作輥竄輥原理圖。

圖2是本發明所述工作輥竄輥與軋輥圓周速度、軋制力關係曲線。

圖3是本發明所述冷連軋矽鋼厚度變化示意圖。

圖4是本發明所述邊降板形閉環控制系統方框圖。

圖5是本發明所述滯後時間與調整時間關係曲線。

圖6是本發明所述邊降控制效果對比圖一(操作側)。

圖7是本發明所述邊降控制效果對比圖二(傳動側)。

圖8是本發明實施例所述分段線性曲線一。

圖9是本發明實施例所述分段線性曲線二。

圖10是本發明實施例所述分段線性曲線三。

圖11是本發明實施例所述分段線性曲線四。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：

冷軋矽鋼邊部減薄反饋滯後控制方法，包括如下步驟：

本發明所述冷軋生產線包括含有機架1～機架5的軋機，其中邊部減薄控制由第一機架f1、第二機架f2、第三機架f3配合實現。

1.1邊部減薄調節滯後時間分析

1)邊部減薄控制由f1～f3機架進行竄輥實現，在f1機架前面安裝現場入口凸度儀用於檢測來料凸度，在距離f5機架l＝2m的位置安裝出口邊降儀用於檢測出口帶鋼邊降狀況，由出口邊降儀反饋信息與邊降控制模塊組成閉環控制的邊部減薄控制系統；從邊部減薄控制系統發出邊降調節信號，到邊部減薄控制系統接受到出口邊降儀反饋回來的調節後穩定信息這段時間存在滯後；邊降信號的滯後時間可以分解為兩部分：第一部分是竄輥機構執行工作輥橫移時間τ1，第二部分是竄輥到位後新邊降經過後續機架軋制到達出口邊降儀的時間τ2，則總滯後時間為：

τ＝τ1+τ2；

2)為了得到準確的滯後時間，對上述兩部分時間分別進行分析。在不同竄輥模式和有無帶鋼情況下，工作輥竄輥速度是不一樣的。竄輥速度與工作輥圓周速度及當前軋制力成函數關係，如圖2所示，其中橫軸為軋制力froll，縱軸為竄輥速度vrs與軋輥圓周速度vr的比值。

從圖2中可知，在有帶鋼情況下，竄輥速度和工作輥圓周速度的比值y與軋制力froll呈拋物線關係。竄輥過程中需要保證軸向力不超過最大限制值，並且不會破壞板帶的表面質量。

在無帶鋼且軋制力恆定的情況下，竄輥速度與工作輥圓周速度成反比例關係。在竄 輥時，只要不超過軸向力的最大限制值，就可以最大限度地提高竄輥速度。

根據當前軋制力froll和軋輥圓周速度vr，通過查表和插值可以得到竄輥速度vrs，進一步可求得竄輥時間：

式中lc——竄輥位移，mm；

vrs——竄輥速度，mm/s；

3)帶鋼從竄輥機架到出口邊降儀所用的時間，傳統的計算方法為竄輥機架到出口邊降儀的距離除以f5機架出口速度，由於帶鋼軋制過程中，後續機架輥縫逐漸變小，帶鋼逐漸變薄邊長，用上述方式計算時間不能準確表達帶鋼通過時間，因此竄輥機架輥縫處的帶鋼到達邊降儀檢測點的時間可用秒流量相等原則來計算，如圖3所示。

以f1出口為例，第一機架輥縫處帶鋼到達邊降儀監測點所需時間與第一機架輥縫處到邊降儀之間帶鋼總體積通過邊降儀所用的時間相等，即：

式中，l--機架間距離；

l—機架f5與邊降儀距離；

h1、h2、h3、h4、h—對應f1～f5機架的出口厚度；

vf--第五機架出口速度；

分析上述兩種滯後時間可知，同一機架調節時，軋制速度越低，滯後時間越長，軋制速度相同時，調節機架與出口邊降儀距離越遠，滯後時間越長。滯後時間越長，對系統的穩定性影響越大，對控制系統的要求更高。

1.2邊部減薄閉環控制特性分析

4)邊部減薄控制系統中，以液壓缸位移閉環控制為內環，邊部減薄閉環控制為外環進行邊降調節。在邊部減薄閉環控制中，竄輥橫移時間和出口邊降儀檢測時間只造成結果在輸出時間上的滯後，不受其他因素的影響，可簡化為純滯後環節，因此邊部減薄閉環控制結構如圖4所示。其中gec(s)為控制器，g0(s)為等效竄輥位移控制系統傳遞函數，e-τs為滯後環節，x為邊降設定值，y為邊降實際值。

根據圖4可得邊降閉環傳遞函數為：

式中：

gec(s)--控制器函數；

g0(s)--等效竄輥位移控制系統傳遞函數；

e-τs--滯後環節；

1.3變增益輸出值調節方法

5)由分析可知，含有滯後環節系統能夠趨於穩定，但初期調節出現多次系統震蕩，系統最終穩態值為0.5，存在百分之五十的誤差，系統震蕩容易引起設備的損壞甚至造成系統的不可控，這樣的系統不利於實際生產，無法獲得良好板形帶鋼，需要對因滯後引起系統的震蕩和輸出誤差進行調節。

分析圖5可知，採用pid控制器對系統進行調節時，即使在最優pi參數的情況下，隨著滯後時間的增加，系統響應的上升時間和調整時間也隨之增加，增加幅度也較大。對於高速軋制的冷連軋控制系統來說，這種大滯後時間的系統調節和響應是很難滿足實際生產的，且選擇最優pi參數也是並非容易的事情，即使選擇到最優pi參數，由於上升時間和調整時間是邊降調節周期的數十倍，對系統的控制是一件很困難的事情，所以採用變增益輸出值調節滯後控制方法。

邊部減薄輸出調節量的增益分為兩部分：靜態增益部分和動態增益部分，則輸出調節量增益的計算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1

式中：

g_all_sh1--輸出調節量的增益；

gi_gdev_sh1--靜態增益；

g_v_sh1--動態增益；

a)靜態增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1--竄輥位置偏差量,經過分段線性曲線得到；

p_gi_sh1--常數,一般在0.015～0.02之間取值；

b)動態增益g_v_sh1＝kp1_v_sh1×0.5

其中，kp1_v_sh1＝(dsa_wrs/v_step_wrs_max)+t_ed_b_sh1

t_ed_b_sh1＝[m_roll_meas+(trig_k+smooth_k+delay_measdev)×0.5+delay_bend]×t_meva+tr_sh1

式中：

m_roll_meas--出口邊降儀與機架距離延遲；

t_meva--兩次數據設定之間的時間間隔；

trig_k--閉環控制的觸發幅值；

smooth_k--平滑測量值的平滑因子，取值由機架速度經過分段線性曲線獲得；

delay_measdev--測量設備的時間延遲；

delay_bend--彎輥系統的時間延遲；

tr_sh1--工作輥竄輥的響應時間；

dsa_wrs--附加竄輥位置設定；

v_step_wrs_max--最大竄輥速度，由軋制力經過分段線性曲線，再與機架速度求積獲得。

以下實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法。

【實施例】

以冷軋矽鋼aw800為例，預設來料寬度為1075mm，預設厚度為2.5mm，預設來料凸度為c40＝40μm，各機架固定工況參數如表1所示，根據各機架不同工作輥竄輥量swi連續計算各機架出口軋件厚度分布。

表1軋制工況參數

輸出調節量增益的計算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1；

式中，g_all_sh1輸出調節量的增益；

gi_gdev_sh1靜態增益(與邊部減薄偏差相關的增益)；

g_v_sh1動態增益(與帶鋼速度、竄輥速度相關的增益)。

1)靜態增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1是竄輥位置偏差量(dev_sh1)經過圖8所示分段線性曲線一得到；

p_gi_sh1為常數設定一般取值0.015-0.02之間。

2)動態增益g_v_sh1＝kp1_v_sh1×0.5；

其中，kp1_v_sh1＝(dsa_wrs/v_step_wrs_max)+t_ed_b_sh1；

t_ed_b_sh1＝[m_roll_meas+(trig_k+smooth_k+delay_measdev)×0.5+delay_bend]×t_meva；

式中，m_roll_meas為邊降儀與機架距離延遲；

m_roll_meas＝(hd2_s/xvs_s1)+(hd2_s/xvs_s2)+(hd2_s/xvs_s3)+(hd2_s/xvs_s4)+(hd2_s/xvs_s5)；

式中，hd2_s為機架間距離，一般取5.25m；

xvs_s1-xvs_s5為f1-f5機架帶鋼速度。

t_meva為兩次數據設定之間的時間間隔，一般取0.04s；

trig_k為閉環控制的觸發幅值，取值由機架速度通過圖9所示分段線性曲線二得到；

smooth_k為平滑測量值的平滑因子，取值由機架速度經過圖10所示分段線性曲線三得到；

delay_measdev為測量設備的時間延遲，一般取0.5s；

delay_bend為彎輥系統的時間延遲，一般取0.3s；

dsa_wrs為附加竄輥位置設定；v_step_wrs_max為最大竄輥速度。

其中，v_step_wrs_max為軋制力經過圖11所示分段線性曲線四，結果再與機架速度求積得到。

如圖6及圖7所示，應用輸出調節量的變增益抗滯後方法，可以大幅提高邊部減薄的控制效果，與未投入控制系統時相比，帶鋼邊部特徵點20mm處由原來12μm提高為5μm。

本實施例以1500矽鋼冷連軋機為研究對象，針對上述大滯後問題進行了系統研究，給出相關變增益的計算方法，提高了由於滯後問題帶來的控制精度。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。