一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用，属于冶金机械及自动化、轧制技术，本技术是将实际弯辊力反馈值与弯辊力设定值的偏差信号通过总线输入到PLC（可编程控制器）中，PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I（非线性组合控制器）的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构；此方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。本发明的方法在不需要增加新设备的前提下，满足弯辊系统的控制精度和响应速度，尤其是正负弯之间快速、无超调切换的要求。
【专利说明】一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金机械及自动化、轧制技术。尤其涉及一种兼顾弯辊力的控制精度和响应速度的控制方法，更具体的说将优化的非线性组合控制算法应用于弯辊控制。
【背景技术】
[0002]液压弯辊是开发与应用得最早的板形控制技术，它是1965年开发，1970年开始应用于实际生产的。弯辊装置的作用是提高轧辊平衡力，增大轧辊弯曲力矩，使轧辊在辊身长度方向上容易发生弯曲变形。液压弯辊曲线是二次曲线，而实际上是比较复杂的曲线，对其复合波、局部波的控制基本上是无能为力的，所以在板宽范围以外的弯辊效果不好，不能解决边部减薄问题，而且增大弯辊力又会减少轴承寿命。但是，液压弯辊有减小板凸度、改善带钢平直度、提高生产率及降低辊磨损等优点，所以广泛应用于垂直方向与水平方向的弯辊装置中，成为现代化带钢轧机的重要标志之一。
[0003]目前液压弯辊装置可以通过向工作辊或支撑辊辊颈两种不同的方式来施加液压弯辊力，而弯辊力按照方向还可分为正弯和负弯两种作用，主要有三种形式:正弯工作辊、负弯工作辊和正弯支撑辊。工作辊液压弯辊装置的主要形式为并列的两个液压缸，因此有16缸工作棍弯棍机构,每一个液压缸活塞都是朝伸出的方向出力。如果对机械和液压系统进行改造，取消负弯液压缸，使得原来的正弯液压缸活塞在伸出缩回两个方向都可以出力，则原正弯液压缸具备正弯和负弯的功能，这样就成为现在的8缸工作辊弯辊机构。
[0004]对如图3所示的其中一个具体的上工作辊弯辊液压缸而言，凸块固定在工作辊轴承座上，液压缸固定在轧机牌坊上。换辊时凸块随工作辊辊系被抽出，而与液压缸活塞连成一体的T型块则不动，为了换辊的便捷、快速，T型块上下表面必须留有一定的间隙，约IOmm0但正是该间隙的存在，导致正负弯切换的时候，T型块会脱离一侧接触另一侧，且中间需经过一段不与凸块接触的自由段。由于冷轧正负弯切换是在正常轧制过程中，因此有一定的时间要求，尤其在超过600m/min的高速轧制时,切换时间不能大于I秒，因此，自由段活塞必须保持一定的速度动作，同时由于液压缸内并没有位移传感器，无法知道活塞当前位置，不能提前减速，这就导致T型块与另一侧接触时有一个较大的冲击，弯辊力会突然变得很大，然后再调整回来。根据现场实测，冲击时的弯辊力最大会超过设定弯辊力约200KN，这会造成严重的板形问题甚至断带，因此，这种冲击是绝对不允许的。
[0005]在生产现场还发现弯辊系统的另一个特性，每次换辊以后，弯辊在闭环调节过程中控制器输出给伺服阀的基准值都会变化。举例说明:某次换辊以后，当弯辊处于闭环调节时，此时控制器给伺服阀的输出电流在0.2±0.03mA范围内；下次换辊以后，输出电流范围可能变到在0.3±0.03mA。也就是说，输出电流出现J ±a的形式，此处J表示电流的基准值，a表示电流的调节量，每次换辊以后J变化较大，a变化较小。从机械结构分析，出现这种状况的原因是每次换辊后辊系特性改变，导致达到同样的弯辊力需要输出电流随之改变。
[0006]近年来研究者们对弯辊的稳定控制和死区调节的难点进行了深入研究，大家都致力于研究出更好的方法手段来实现弯辊的有效控制，以提高金属板带轧制的质量来满足市场需求。上海宝信公司王育华的专利“工作辊的正负弯辊切换方法”(专利号CN 102198115A)提出增加液压缸的方法将工作辊左右两侧的弯辊油缸分为两组，至少有一组弯辊油缸处于“撑开”或“拉紧”状态，并且总的弯辊力始终等于要求的工艺设定值，这种方法能达到正负弯辊力平滑切换，但需要增加液压缸。“冷连轧机工作辊弯辊连续无死区控制装置”(专利号CN 2815535Y)通过内外弯辊缸的组合实现切换，“一种轧机弯辊控制在线切换装置”(专利号CN 201586664U)通过增加压力传感器使得弯辊力的检测有了备份，两套检测装置可以在线切换，而非对正负弯辊力的切换进行操作。燕山大学的高英杰在文章“热连轧机弯辊控制系统的改造与实践”中提出了分级控制背压的方法来使比例减压阀工作在线性特性区内，通过改变系统背压来实现不同的弯辊控制策略。但是当既需要小范围的正负弯辊力切换控制又需要较大的弯辊力输出时，由于液压系统的惯性，系统背压无法频繁改变，故此方法不适用于轧制条件较为复杂的轧制生产。
[0007]为解决上述问题，现有技术中也尝试用以下两种方案进行解决，机械方面的办法是在T型块外侧与凸块之间的间隙处塞上垫块，减小甚至消除间隙的影响，显然，为了达到效果，T形块、垫块和凸块必须贴合紧密，这导致换辊前垫块必须先取下，换辊完成后再装上，但也是由于T形块、垫块与和凸块贴合紧密，导致垫块的装卸特别费时费力，经常需要弯辊缸多次的切换动作才能完成，工作辊换辊时间增加约20分钟；工艺方面的办法是在正负弯切换前，把轧制速度降至某一较低的安全速度再进行切换，这样的话，正负弯切换的时间可适当放长，活塞动作变慢，冲击自然也就减小。根据现场测试情况，切换时间为3秒时冲击可以降低至约50KN，切换时间为60秒时冲击可以降低至1(T20KN，一般情况下20KN以内的弯辊力波动是可以接受的。但是这个弯辊力切换过程从降速开始算起，到切换完成再回到之前的轧制速度，整个过程不少于5分钟。因此，这会严重降低轧制效率。
【发明内容】
[0008]针对冷轧8液压缸工作辊弯辊机构弯辊力轧制稳定性和响应速度难以兼顾的缺点，本发明提出了一种采用比例积分控制方法与单积分控制方法协同作用，满足弯辊系统的控制精度和响应速度，尤其是正负弯之间快速、无超调切换的要求。
[0009]为实现上述目的本发明采用如下技术方案。
[0010]本发明涉及一种冷轧工作辊弯辊控制方法，在PLC (可编程控制器)中设置有单积分控制器与比例积分控制器，通过上述两种控制器的组合形成PI+I非线性组合控制器
(3)，从而实现对弯辊的非线性化控制。
[0011]所述弯辊控制方法的优选方案为，将实际弯辊力反馈值(2)与弯辊力设定值(I)的偏差信号通过PR0FIBUS-DP (可连接分散型外围设备的现场总线)输入到PLC (可编程控制器)中，PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I (非线性组合控制器)(3)的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构。
[0012]所述弯辊控制方法的优选方案为，所述PI+I (非线性组合控制器)的输出信号接到模式识别系统(12)，进行参数自整定。
[0013]所述弯辊控制方法的优选方案为，所述单积分控制器与比例积分控制器中，各自设定不同的系数和输出上限，实现组合控制方法的非线性化。
[0014]所述弯辊控制方法的优选方案为，所述比例积分控制器的积分系数为单积分控制器的积分系数的5?10倍，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的
0.0T0.1 倍。
[0015]本发明还涉及上述弯辊控制方法的应用，所述方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。
[0016]所述弯辊控制方法应用的优选方案为，所述方法的具体应用步骤如下:
1)设计单积分控制器:设定较小的初始积分系数范围3X10_6飞X10_6，同时设定足够大的输出上限0.5，实现对输入偏差的积分响应输出；
2)改进比例积分控制器:对于比例算法，输出上限为允许的最大输出；对于积分算法，将初始积分系数设定为2.5X 10_5，为其输出上限值设定“0.02”(轧制状态)与“1.0”(放开控制)两种模式；
3)参数优化:通过轧制的状态变量，基于模式识别系统的结果调整比例积分控制器中的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数；
4)动态性能验证:若控制器初始值设定不合理，则根据状态变量以自动轧制状态下10倍步长来调节控制器各参数，当输出值模式良好时，切换到自动弯辊控制方式。
[0017]该发明具体指将弯辊力设定值(I)作为控制方法输入，通过比例积分控制方法和单积分控制方法各自不同的系数设定和输出上限设定实现组合控制方法的非线性化，从而实现对工业现场非线性对象的控制。这种方法的应用使弯辊系统在不同的工况条件下都能有良好的控制效果。
[0018]一般而言，轧机操作侧的4个工作辊弯辊缸，分别是入口上侧、入口下侧、出口上侦U、出口下侧弯辊缸，另外4个工作辊弯辊缸位于传动侧对应位置。根据不同的弯辊工作模式，控制系统给各工作辊弯辊缸发送不同控制信号，对每个缸独立控制以达到对整个弯辊装置的精确控制。
[0019]针对工业现场的弯辊控制有一定的滞后性，且从伺服阀(9)到液压缸(4)的运作和各弯辊缸协同作用时都有一定的干扰等问题，本发明提出了一种在板带轧制现场兼顾弯辊力的控制精度和响应速度的控制方法。弯辊控制特点要求在轧制过程中弯辊力的响应速度要快且幅值波动要小，利用本设计的闭环控制方法可解决响应速度与波动幅值之间的矛盾，以适应现场良好板形对弯辊力调控的需求。
[0020]弯辊控制的一项重要指标即动态特性，现场控制常要求弯辊力要进行频繁变换且每次调控的调整量有小有大。作为控制器的输入，实际弯辊力与弯辊力设定值(I)的偏差信号就会有很多或小或大的突变。每次突变相当于一个冲击信号，而微分控制的冲击响应值理论上是无穷大，实际响应也很大。这就会造成微分控制器有很大的输出，无法对弯辊装置进行有效控制，同时大控制量也会造成弯辊对工作辊有很大作用力，会造成事故。因此在本发明中舍去了常规比例积分微分(PID)控制中的微分控制，设计了以PI (比例积分)控制为核心的PI+I非线性组合控制器(5.3)来构建控制系统。
[0021]现场弯辊控制系统主要由正负弯辊执行机构、弯辊缸液压检测装置、搭载控制器的PLC设备、人机交互服务器和现场数据采集服务器等组成。首先利用弯辊缸液压检测装置检测操作侧与传动侧的弯辊力，其表示形式为电信号，通过PR0FIBUS-DP现场总线通讯到PLC、人机交互服务器和数据采集服务器上。然后在PLC中将检测值与弯辊力设定值
(I)做差得到控制器的输入信号，通过PI+I非线性组合控制器(3)得到输出信号再通过PROFIBUS-DP现场总线发送给正负弯辊执行机构，实现现场弯辊的闭环控制。
[0022]理论PI控制是基于连续时间的微积分运算。然而现场总线传输的是固定频率采样的离线电信号交由PLC控制。PLC控制是一种离散的采样控制，在PLC控制系统中所使用的是数字PI控制方法。通过将模拟PI表达式中的积分、微分运算数值计算方法来逼近，便可实现数字PI控制，只要采样周期r取值足够小，这种逼近就可以相当精确。将积分项用矩形和代替，使模拟PI离散化为差分方程，可作如下近似:
【权利要求】
1.一种冷轧工作辊弯辊控制方法，其特征在于，在PLC (可编程控制器)中设置有单积分控制器与比例积分控制器，通过上述两种控制器的组合形成PI+I (非线性组合控制器)，从而实现对弯辊的非线性化控制。
2.根据权利要求1所述弯辊控制方法，将实际弯辊力反馈值与弯辊力设定值的偏差信号通过总线输入到PLC (可编程控制器)中，其特征在于:PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I (非线性组合控制器)的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构。
3.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述PI+I(非线性组合控制器)的输出信号接到模式识别系统，进行参数自整定。
4.根据权利要求3所述弯辊控制方法，其特征在于，所述参数自整定为动态调整PLC中比例积分控制器的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数。
5.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述单积分控制器与比例积分控制器中，各自设定不同的系数和输出上限，实现组合控制方法的非线性化。
6.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述比例积分控制器的积分系数为单积分控制器的积分系数的5?10倍；轧制模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的0.0r0.1倍、放开模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的:T4倍。
7.如权利要求1所述弯辊控制方法的应用，其特征在于，所述方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。
8.根据权利要求5所述弯辊控制方法的应用，其特征在于，所述方法的具体应用步骤如下: 1)设计单积分控制器:设定初始积分系数范围3X10_6飞X10_6，同时设定足够大的输出上限0.25、.75，实现对输入偏差的积分响应输出； 2)改进比例积分控制器:对于比例算法，输出上限为允许的最大输出；对于积分算法，将初始积分系数设定为1.5X10_5飞X10_5，为其两种模式设置输出上限值分别为.0.0r0.07 (轧制模式)与1.0?2.0 (放开模式)； 3)参数优化:通过轧制的状态变量，基于模式识别系统的结果调整比例积分控制器中的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数； 4)动态性能验证:若控制器初始值设定不合理，则根据状态变量以自动轧制状态下10倍步长来调节控制器各参数，当输出值模式良好时，切换到自动弯辊控制方式。
【文档编号】B21B37/30GK103639210SQ201310642618
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】张飞, 姚钰鹏, 孙文权, 任晓怀, 时剑桥 申请人:北京科技大学