专利名称：用于平整机的自解耦弯辊控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于平整机的自解耦弯辊控制方法，该方法是一种新型弯辊控制系统的实现原理及方法，发明成果特别适用于平整机板形控制。
背景技术：
提高板带钢的表面质量、尺寸精度和形状精度是钢材生产企业所面临的一个重大课题，而平整轧制(Skin Pass Mill Rolling)是生产优质薄板、确保带钢板形质量的一道关键工序。平整机板形控制(Flatness Control)已成为目前国内外轧制理论领域和轧制工程领域研究热点，目前，液压弯辊板形控制系统以其高效和高精度而在轧制生产中得到应用。但目前国内对液压板形控制系统的研究还很少，而且不够全面，也不能完全满足设计要求。弯辊系统是板形控制最重要的执行环节之一，也是处理带钢板形最重要的手段之一，尤其在解决带钢中间浪和双边浪等对称板形缺陷上，对于平整轧制产品的板形质量具有重要影响，因此弯辊控制系统的优劣直接决定带钢产品成材率高低。弯辊控制系统的设计依赖于生产工艺要求和设备供货商的机械条件，弯辊液压伺服控制系统本质上是非线性时变系统，存在着非线性，多变量，强耦合等特点。在实际控制过程中，希望弯辊控制系统具有快速、无超调、无震荡的动态过程和良好的稳态精度。因此需要根据机械结构，设计适合的控制算法，以达到高精度控制。国内钢铁企业对于板形控制的研究起步较晚，而且多数都是成套设备的引进，对于系统的深入研究还相对较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对单机架四辊冷轧平整机弯辊系统的机械液压条件，提供一种自解耦的弯辊控制方法，通过实验验证了其有效性，可推广到本类型的其它平整机组。本发明为达到上述目的，采用以下的技术方案(1)弯辊系统的液压原理分析单机架四辊冷轧平整机的工作辊弯辊缸块安装在支撑辊平衡缸块上，每两个工作辊弯辊缸块中装有1个用于上下工作辊的弯辊缸(共4个液压缸)，通过每个弯辊缸实现平整机的正弯力、负弯力控制；工作辊弯辊装置的液压执行元件动力源由平整机伺服液压系统提供，弯辊缸无杆腔1和有杆腔2的进出油流量控制均由各自的MOOG伺服阀控制；无杆腔进油为正弯，有杆腔进油为负弯。欲得到正弯力，则单向阀5得电后，液压油经MOOG伺服阀3进入弯辊缸无杆腔，并通过压力传感器7检测无杆腔压力实际值，进而参与到弯辊力的控制中；负弯力实现通过单向阀6得电，液压油经MOOG伺服阀4进入弯辊缸有杆腔，其压力实际值通过传感器8检测。图1为弯辊系统液压原理图。(2)弯辊控制系统设计
平整机带钢板形与轧辊的有载辊缝形状直接相关，板形控制的核心就是对有载辊缝形状的控制。在不考虑轧件弹性恢复的情况下，可直接认为有载辊缝形状就是带钢轧制后的横截面形状。液压弯辊控制系统就是将弯辊液压缸产生的力，通过轧辊的轴承座传递到辊颈上，使轧辊受到一个弯辊力，产生附加弯曲，瞬时地改变轧辊的有效挠度，以迅速改变辊缝形状，从而达到控制板形的目的。根据具体的工艺条件适当地改变弯辊力，就可实现改善板形的目的，可参见图2。液压弯辊板形控制系统属于电液伺服力控制系统。具有精度高、响应速度快、功率大、结构紧凑和使用方便等优点，因此得到广泛的应用。根据弯辊液压原理图1可以看出，弯辊系统具有两个弯辊控制元件MOOG伺服阀， 分别对弯辊液压缸的无杆腔和有杆腔压力进行闭环控制回路，而弯辊力的测量由弯辊液压缸无杆腔侧和有杆腔侧的压力传感器检测。弯辊力的计算为弯辊缸无杆腔压力与有杆腔压力之差，即P = P「P2 = Pal*S「Pa2*&式中P为弯辊力；Ρ”Ρ2为弯辊缸无杆腔和有杆腔的压力；Pal，Pa2为弯辊缸无杆腔的压强和有杆腔的压强；Si，S2为弯辊缸无杆腔的面积和有杆腔的面积。液压弯辊控制系统是电液伺服压力控制系统，而且需要同时考虑弯辊液压缸无杆腔和有杆腔的压力。观察到进行无杆腔压力控制时，如果有杆腔不进行控制(无杆腔压力增加有杆腔的油柱压缩后压力增加，无杆腔压力减小有杆腔的油柱变长后压力减小)，由于耦合作用，使得系统的整定时间较长。同时有杆腔的压力为零，无杆腔的动态响应时间也会增加。可考虑在实际应用时，对弯辊缸的无杆腔和有杆腔分别进行压力闭环控制。平整生产工艺规定，平整机对应于每一种生产品种都有一种弯辊模式(设定值)， 并可以根据生产的实际情况进行调整。在轧制过程中不能直接将正弯力调整到负弯力，也不能直接将负弯力调整到正弯力，必须先将弯辊力调到最小值，直到零再逐步向相反的力调整到需要的值。为此，根据生产情况当弯辊力设定为正值时，则正弯伺服阀进行总弯辊力控制，负弯伺服阀进行单独的背压控制，通过解耦方式对弯辊力控制以提高系统的响应速度。弯辊缸有杆腔根据工艺给定的恒定值作为有杆腔的压力设定值，实际值为有杆腔当前压力值， 负弯控制器进行恒定的小压力控制。弯辊缸无杆腔根据设定的弯辊力，然后通过正弯控制器进行弯辊力控制。同理，当弯辊力设定为负值时，弯辊缸无杆腔进行恒定的背压控制。有杆腔根据设定的弯辊力，进行弯辊力控制。根据平整机弯辊装置的液压原理，通过对弯辊进行板形控制的受力分析，发明了一种自解耦的弯辊控制方法。本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果使弯辊力控制精度达到-0. 634% +0. 68%，响应速度为48. 5ms,因此具有较高的控制精度和响应速度，达到了保证值要求(保证值精度彡士 1. 5%，响应时间70ms)，而且弯辊力控制具有良好的跟随性，见图8-现场实际控制效果。本发明自解耦弯辊控制系统的投入，大大提高了该机组板带钢的尺寸精度和板形精度达到51。本发明实现简单，可推广到本类型平整机组弯辊系统的电气控制。
图1是弯辊液压系统原理图。图2是弯辊板形控制受力分析。图3是自解耦正弯辊力控制框图。图4是自解耦负弯辊力控制框图。图5是弯辊控制程序设计框图。图6是自解耦弯辊控制策略。
图7是弯辊控制程序流程图。图8是弯辊控制算法实际效果。图中1.弯辊缸无杆腔；2.弯辊缸有杆腔；3.无杆腔伺服阀；4.有杆腔伺服阀； 5.无杆腔单向阀；6.有杆腔单向阀；7.无杆腔压力传感器；8.有杆腔压力传感器。
具体实施例方式目前对弯辊系统的设计，大多是成套设备引进，或采用与国外同类弯辊液压系统相类比的方法进行设计。本平整机组通过两个MOOG伺服阀分别对DS (传动侧)和OS (操作侧)的弯辊缸有杆腔和无杆腔进出油控制，在此基础上实现弯辊力的电气控制。这种弯辊系统的机械液压形式与国内已投产的平整机弯辊系统有很大不同，是一种新形式的弯辊系统。为此，本发明设计了一种用于本类型机组的自解耦弯辊控制系统和方法。下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，该自解耦弯辊控制系统包括硬件配置、液压弯辊控制系统两部分。1.硬件配置弯辊自动化系统由可编程序控制器(西门子PLC 416)和FM458功能板及WINCC HMI (人机界面上运行的过程监视系统)组成，快速以太网用于这些自动化单元间的通信。 各个自动化单元通过相关的电气外围设备(一般使用远程I/O)同测量设备和执行机构连接。平整机高速工艺控制(例如延伸率控制，液压辊缝控制、弯辊控制等)都放在FM458功能板中，FM458与机架上CPU416(隶属于PLC 416)的通讯通过机架背板总线实现，保证设定值同步和控制系统间高速数据交换，从而确保高设备性能。机组采用了过程数据采集系统iba用于采集、在线显示和分析来自控制系统的模拟和数字信号及控制效果。2.液压弯辊控制系统设计(1)弯辊系统的液压原理分析单机架四辊冷轧平整机的工作辊弯辊缸块安装在支撑辊平衡缸块上，每两个工作辊弯辊缸块中装有1个用于上下工作辊的弯辊缸(共4个液压缸)，通过每个弯辊缸实现平整机的正弯力、负弯力控制；工作辊弯辊装置的液压执行元件动力源由平整机伺服液压系统提供，弯辊缸无杆腔1和有杆腔2的进出油流量控制均由各自的MOOG伺服阀控制；无杆腔进油为正弯，有杆腔进油为负弯。欲得到正弯力，则单向阀5得电后，液压油经MOOG伺服阀3进入弯辊缸无杆腔，并通过压力传感器7检测无杆腔压力实际值，进而参与到弯辊力的控制中；负弯力实现通过单向阀6得电，液压油经MOOG伺服阀4进入弯辊缸有杆腔，其压力实际值通过传感器8检测。
(2)液压弯辊控制系统平整机带钢板形与轧辊的有载辊缝形状直接相关，板形控制的核心就是对有载辊缝形状的控制。在不考虑轧件弹性恢复的情况下，可直接认为有载辊缝形状就是带钢轧制后的横截面形状。参见图2，液压弯辊控制系统就是将弯辊液压缸产生的力，通过轧辊的轴承座传递到辊颈上，使轧辊受到一个弯辊力，产生一个附加弯曲，瞬时地改变轧辊的有效挠度，以迅速改变辊缝形状，从而达到控制板形的目的。根据具体的工艺条件适当地改变弯辊力，就可实现改善板形的目的。液压弯辊板形控制系统属于电液伺服力控制系统。它具有精度高、响应速度快、功率大、结构紧凑和使用方便等优点，因此得到广泛的应用。由图1可以看出，弯辊系统具有两个弯辊控制元件MOOG伺服阀，分别对弯辊液压缸的无杆腔1和有杆腔2压力进行闭环控制回路，而弯辊力的测量由弯辊液压缸无杆腔侧和有杆腔侧的压力传感器检测。弯辊力的计算为弯辊缸无杆腔压力与有杆腔压力之差，即P = P「P2 = Pal*S「Pa2*&式中P为弯辊力；ΡρΡ2分别为弯辊缸无杆腔和有杆腔的压力；Pal、Pa2分别为弯辊缸无杆腔的压强和有杆腔的压强；Si、S2分别为弯辊缸无杆腔的面积和有杆腔的面积。液压弯辊控制系统是电液伺服压力控制系统，而且需要同时考虑弯辊液压缸无杆腔和有杆腔的压力。观察到进行无杆腔压力控制时，如果有杆腔不进行控制(无杆腔压力增加有杆腔的油柱压缩后压力增加，无杆腔压力减小有杆腔的油柱变长后压力减小)，由于耦合作用，使得系统的整定时间较长。同时有杆腔的压力为零，无杆腔的动态响应时间也会增加。可考虑在实际应用时，对弯辊缸的无杆腔和有杆腔分别进行压力闭环控制。平整生产工艺规定，平整机对应于每一种生产品种都有一种弯辊模式(设定值)， 并可以根据生产的实际情况进行调整。在轧制过程中不能直接将正弯力调整到负弯力，也不能直接将负弯力调整到正弯力，必须先将弯辊力调到最小值，直到零再逐步向相反的力调整到需要的值。为此，根据生产情况当弯辊力设定为正值时，则正弯伺服阀进行总弯辊力控制，负弯伺服阀进行单独的背压控制，通过图3和图6所示的自解耦方式对弯辊力控制以提高系统的响应速度。弯辊缸有杆腔根据工艺给定的恒定值作为有杆腔的压力设定值，实际值为有杆腔当前压力值，负弯控制器进行恒定的小压力控制。弯辊缸无杆腔根据设定的弯辊力，然后通过正弯控制器进行弯辊力控制。图3中F为弯辊力设定值；Fa2为负弯液压缸有杆腔的压力设定值，此时弯辊力设定值大于0。同理，当弯辊力设定为负值时，弯辊缸无杆腔进行恒定的背压控制。有杆腔根据设定的弯辊力，进行弯辊力控制。见图4，F为弯辊力设定值；Fal为正弯液压缸无杆腔的压力设定值，此时弯辊力设定值小于0。根据平整机弯辊装置的液压原理，通过对弯辊进行板形控制的受力分析，发明一种自解耦弯辊控制方法(见图3和图4)。在此基础上，通过实施实例详细介绍控制方法的具体实现步骤，其中图5为自解耦的弯辊控制程序、图7为自解耦的弯辊控制程序流程。该程序的软件编制采用CFC编程语言，CFC具有编程简单，图形化显示等优点。这种弯辊系统的机械液压形式与国内已投产的平整机弯辊系统有很大不同，是一种新形式的弯辊系统。为此，发明了一种用于本类型机组的自解耦弯辊控制方法。实施例1 程序输入
Work-Bend-Input包括来自FM458的延伸率控制系统，液压压下控制系统和 S7400CPU(即CPU416)的主令控制系统，顺序控制，以及操作台、HMI (人机界面)画面的逻
辑触发信号、设定值信号和实际值信号。此外还包括来自现场实际压力值等传感器信号，弯辊缸的无杆腔侧压力传感器和有杆腔压力传感器通过EXM438接口模块读取到FM458中。弯辊力实际值P通过弯辊缸无杆腔的压力传感器和弯辊缸有杆腔的压力传感器计算而得，即P = Pal*S「Pa2*&。实施例2 控制模式生成弯辊控制系统为平整机组设置多种操作模式(Work-Bend-Mode)以满足生产需要。例如为了保证穿带的良好性，在板坯进入平整机前，弯辊力需保持在平衡力设定值上。 为保证板形良好，正常轧制时，弯辊力需保持在特定的设定值上。在本机组设计有穿带模式(thread-in-mode)、甩尾模式(tail-out-mode)、平整模式(rolling-mode)、快开模式 (fast-mode)、标定模式(calibration-mode)禾口换棍模式(rollchange-mode)等多禾中方式。 操作工启动相应命令或生产线自动触发条件具备，弯辊控制系统将切换到相应模式。实施例3 设定值获取弯辊控制系统设置值(Work-Bend-Setpoint)来自多个方面，例如过程自动化系统(L2)、基础自动化系统的HMI人机界面、操作台手动干涉值，以及板形控制系统的附加调
节值等。为了满足工艺控制要求，设置了多设定值选择模式工作辊换辊弯辊力、标定弯辊力、穿带弯辊力、甩尾弯辊力和最大弯辊力等。实施例4 用于平整机的自解耦弯辊控制方法程序设计中弯辊系统(Work-Bend-Control)采用自解耦控制算法，通过双闭环PI 控制方式来实现。FM458控制器输出为-IOv +IOv的电压信号，控制信号通过控制线路输出给伺服放大器。伺服放大器用于将输入电压放大成具有一定驱动功率的控制电流，进而对伺服阀进行控制。由于其响应大大高于伺服阀的响应，可近似为比例放大环节
/ ΜGa(S) = JfY- = Ka式中Ga为伺服放大器传递函数，Ua为控制器的输出电压，Ia为伺服放大器的输出电流，Ka是伺服放大器放大系数。由于在液压弯辊控制系统中对系统快速性要求较高，本系统中采用M00G伺服阀。 通常伺服阀传递函数可按二阶振荡环节来处理
G (S)-QM-_^_…Ia(S)丄+1
ω 2 ω
SVSV式中HSV为伺服阀传递函数，Qv为伺服阀空载流量，Ia为输入电流，Ksv为伺服阀流量增益，ω3ν和ξ sv分别为伺服阀的等效固有频率和阻尼比。实际弯辊力是通过压力传感器检测的压力值换算而来，而压力传感器用于将系统的压力信号转化为电压信号，其传递函数可认为比例环节
权利要求
1.一种用于平整机的自解耦弯辊控制方法，其特征在于采用解耦方式实现平整机弯辊力控制，具体是根据弯辊力设定值F与零值比较情况，对弯辊缸无杆腔和有杆腔压力双闭环PI控制，其中弯辊缸一侧进行总弯辊力控制，另一侧进行恒定背压控制；通过弯辊控制各环节传递函数精确描述自解耦控制方式，并为自解耦控制方式设计一套适用于平整机的弯辊控制系统；该方法包括以下步骤(1)程序输入读取主令控制系统，顺序控制、操作台、HMI人机界面画面的逻辑触发信号，以及现场实际压力值等传感器信号；(2)控制模式生成先生成弯辊控制系统的控制模式，其包括穿带模式、甩尾模式、平整模式、快开模式、标定模式和换辊模式，然后操作工启动命令或利用生产线自动触发条件，弯辊控制系统将切换到所生成的相应控制模式；(3)设定值获取接收过程自动化系统L2、基础自动化系统的HMI人机界面、操作台手动干涉值，以及板形控制系统的附加调节值；(4)控制算法根据程序输入值、设定值及相应控制模式，通过自解耦弯辊控制方法， 实现板形控制系统的控制目标；(5)辅助功能设置最大正弯力保护、最大负弯力保护功能、伺服阀故障保护、压力传感器故障保护、通讯故障保护，以及伺服阀零漂-泄漏补偿功能；(6)程序输出用以将控制算法得到的调节量经EXM438接口模板输出给现场实际设备。
2.根据权利要求1所述的自解耦弯辊控制方法，其特征在于该方法在弯辊控制系统投入前，需根据弯辊缸无杆腔压力即压力传感器读数乘以面积和有杆腔压力即压力传感器读数乘以面积之差，预计算弯辊力实际值P即P = Pal*SfPa2*S2，弯辊力设定值F，以及设定值与零值比较后的恒背压控制设定值Fa;然后建立弯辊控制各环节传递函数，其包括伺服阀放大器传递函数Ga(S)，弯辊伺服阀传递函数Gsv(S)，压力传感器传递函数Gwy(S)，以及弯辊缸传递函数G。(S)。
3.根据权利要求1所述的自解耦弯辊控制方法，其特征在于所述弯辊力设定值F> 0 时，无杆腔伺服阀进行总弯辊力控制；有杆腔根据工艺给定的恒定值作为有杆腔的压力设定值Fa2，实际值为有杆腔当前压力值Pa2*S2，负弯控制器进行恒定的小压力PI控制；然后无杆腔根据设定的弯辊力，通过正弯控制器进行弯辊力PI控制，F为弯辊力设定值，弯辊力实际值为PZS1-PaM^
4.根据权利要求1所述的自解耦弯辊控制方法，其特征在于所述弯辊力设定值F< 0 时，有杆腔伺服阀进行总弯辊力控制，有杆腔根据弯辊力设定值F，通过负弯控制器进行弯辊力PI控制，弯辊力实际值为PZS1-Pa2^2 ；然后无杆腔根据工艺给定的恒定值作为无杆腔的压力设定值Fal，实际值为有杆腔当前压力值Pal*Si，正弯控制器进行恒压力PI控制。
全文摘要
本发明涉及一种用于平整机的自解耦弯辊控制方法，其采用解耦方式实现平整机弯辊力控制，具体是根据弯辊力设定值与零值比较情况，对弯辊缸无杆腔和有杆腔压力双闭环PI控制，其中弯辊缸一侧进行总弯辊力控制，另一侧进行恒定背压控制；通过弯辊控制各环节传递函数精确描述自解耦控制方式，并为自解耦控制方式设计一套适用于平整机的弯辊控制系统。本发明实现简单，使弯辊力控制精度达到-0.634％～+0.68％，响应速度为48.5ms，因此具有较高的控制精度和响应速度，达到了保证值要求，而且弯辊力控制具有良好的跟随性，提高了该平整机组板带钢的尺寸精度和板形精度，可推广到本类型平整机组弯辊系统的电气控制。
文档编号B21B37/38GK102553942SQ20111045819
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者卢家斌, 李传涛, 李四川, 李海东, 王胜勇, 赵云涛 申请人:中冶南方(武汉)自动化有限公司