冷轧硅钢边部减薄反馈滞后控制方法与流程

本发明涉及轧钢技术领域，尤其涉及一种适用于单锥度工作辊窜辊轧机冷轧硅钢边部减薄反馈滞后控制方法。

背景技术：

冷轧硅钢是钢铁板带材中具有高附加值的效益产品之一，广泛应用于电力、机电、邮电和军工等领域。边部减薄控制技术是带钢轧制过程中继厚度控制和板形控制之后的又一技术难点和热点，特别是对硅钢板、镀锡板以及汽车板等高附加值冷轧薄板而言，边部减薄的合理控制可以大幅提高其成材率，改善产品性能和质量。硅钢横向厚差的要求极高，普通要求≤10μm，高级要求≤5μm。为了能够反映带钢横向厚差的情况，目前通常采用带钢边部特定点与基准点厚度的差值量。为了减少带钢的边部减薄缺陷，通常采用具有单锥度工作辊窜辊的轧机t-wrs(taperworkrollshiftingmill)，其工作辊分为常规段(一般为平辊)和锥形段，如图1所示。

边部减薄控制系统是提高冷轧硅钢板成形质量的重要保障。冷连轧边部减薄控制系统的执行机构是液压窜辊伺服控制系统，由于当前技术及生产线设备安装条件限制，边部减薄闭环控制系统在使用过程中存在反馈调节滞后的问题，与边部减薄控制系统时间常数相比，冷连轧边降调节滞后是大滞后问题，容易引起系统的震荡和不稳定，为了保证系统的稳定轧制，以往采取降低系统增益和降低轧制速度的方法来缓解这种现象，但是这是以牺牲系统控制精度和生产效益为代价的。

国内外有关边部减薄反馈滞后的控制方法在专利和文献未见公开，抗滞后功能经常作为带钢边部减薄控制的重要因素提出。可以说是一直作为最核心技术未公开，本发明在国内首次自主开发冷轧硅钢边部减薄控制的背景下，开始研究抗滞后控制方法，并提出适合硅钢生产的输出值变增益调节方法，已经在系统测试中投入且应用效果良好。

技术实现要素：

本发明提供了一种冷轧硅钢边部减薄反馈滞后控制方法，适合于冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机，通过对边降闭环控制造成滞后的因素进行分析，首次采用流量相等原则计算 滞后时间，能够更精确的得到系统反馈滞后时间；调节量的变增益方法对于边部减薄闭环大滞后具有良好的控制品质，能满足不同机架的调节，能够保证系统的稳定性，提高硅钢生产过程中边部减薄控制质量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

冷轧硅钢边部减薄反馈滞后控制方法，包括如下步骤：

1)边部减薄控制由冷轧生产线f1～f3机架进行窜辊实现，在f1机架前面安装现场入口凸度仪用于检测来料凸度，在距离f5机架l＝2m的位置安装出口边降仪用于检测出口带钢边降状况，由出口边降仪反馈信息与边降控制模块组成闭环控制的边部减薄控制系统；从边部减薄控制系统发出边降调节信号，到边部减薄控制系统接受到出口边降仪反馈回来的调节后稳定信息这段时间存在滞后；边降信号的滞后时间可以分解为两部分：第一部分是窜辊机构执行工作辊横移时间τ1，第二部分是窜辊到位后新边降经过后续机架轧制到达出口边降仪的时间τ2，则总滞后时间为：

τ＝τ1+τ2；

2)在不同窜辊模式和有无带钢情况下，工作辊窜辊速度是不一样的，且窜辊速度与工作辊圆周速度及当前轧制力成函数关系；其中：

在有带钢情况下，窜辊速度和工作辊圆周速度的比值y与轧制力froll呈抛物线关系，窜辊过程中需要保证轴向力不超过最大限制值，并且不会破坏板带的表面质量；

在无带钢且轧制力恒定的情况下，窜辊速度与工作辊圆周速度成反比例关系；在窜辊时，只要不超过轴向力的最大限制值，可最大限度地提高窜辊速度；

根据当前轧制力froll和轧辊圆周速度vr，通过查表和插值可以得到窜辊速度vrs，进一步可求得窜辊时间：

式中lc--窜辊位移，mm；

vrs--窜辊速度，mm/s；

3)窜辊机架辊缝处的带钢到达边降仪检测点的时间用秒流量相等原则来计算，即：

式中，l--机架间距离；

l—机架f5与边降仪距离；

h1、h2、h3、h4、h—对应f1～f5机架的出口厚度；

vf--第五机架出口速度；

同一机架调节时，轧制速度越低，滞后时间越长，轧制速度相同时，调节机架与出口边降仪距离越远，滞后时间越长；滞后时间越长，对系统的稳定性影响越大，对控制系统的要求更高；

4)在边部减薄闭环控制中，窜辊横移时间和出口边降仪检测时间可简化为纯滞后环节，可得边降闭环传递函数为：

式中：

gec(s)--控制器函数；

g0(s)--等效窜辊位移控制系统传递函数；

e^-τs--滞后环节；

5)含有滞后环节的边部减薄控制系统能够趋于稳定，但初期调节出现多次系统震荡，需要通过pid控制器对因滞后引起系统的震荡和输出误差进行调节，并采用变增益输出值调节方法：

边部减薄输出调节量的增益分为两部分：静态增益部分和动态增益部分，则输出调节量增益的计算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1；

式中：

g_all_sh1--输出调节量的增益；

gi_gdev_sh1--静态增益；

g_v_sh1--动态增益；

a)静态增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1--窜辊位置偏差量,经过分段线性曲线得到；

p_gi_sh1--常数,一般在0.015～0.02之间取值；

b)动态增益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--出口边降仪与机架距离延迟；

t_meva--两次数据设定之间的时间间隔；

trig_k--闭环控制的触发幅值；

smooth_k--平滑测量值的平滑因子，取值由机架速度经过分段线性曲线获得；

delay_measdev--测量设备的时间延迟；

delay_bend--弯辊系统的时间延迟；

tr_sh1--工作辊窜辊的响应时间；

dsa_wrs--附加窜辊位置设定；

v_step_wrs_max--最大窜辊速度，由轧制力经过分段线性曲线，再与机架速度求积获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)以带钢边部减薄最小作为目标函数，应用工作辊窜辊输出调节量变增益方法，提出有效的准确计算窜辊调整量增益计算方法；

2)在分析边部减薄调节滞后时间的形成原因及边部减薄闭环控制系统特性的基础上，确定适合冷轧硅钢边部减薄控制的单锥度工作辊窜辊的增益系数；

3)本发明能够提高工作辊锥形段插入调节量的响应精度，快速有效地控制带钢边部减薄缺陷，进而提高冷轧硅钢成品的质量；

4)经实际生产数据统计，应用本发明所述方法，可大幅提高冷轧硅钢边部减薄缺陷的控制效果，使硅钢产品的边部减薄平均值≤10μm的比率达到100％，边部减薄平均值≤8μm的比率达到98.5％，同时此方法提高边部减薄控制平均响应时间缩短到10秒之内。

附图说明

图1是本发明所述单锥度工作辊窜辊原理图。

图2是本发明所述工作辊窜辊与轧辊圆周速度、轧制力关系曲线。

图3是本发明所述冷连轧硅钢厚度变化示意图。

图4是本发明所述边降板形闭环控制系统方框图。

图5是本发明所述滞后时间与调整时间关系曲线。

图6是本发明所述边降控制效果对比图一(操作侧)。

图7是本发明所述边降控制效果对比图二(传动侧)。

图8是本发明实施例所述分段线性曲线一。

图9是本发明实施例所述分段线性曲线二。

图10是本发明实施例所述分段线性曲线三。

图11是本发明实施例所述分段线性曲线四。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

冷轧硅钢边部减薄反馈滞后控制方法，包括如下步骤：

本发明所述冷轧生产线包括含有机架1～机架5的轧机，其中边部减薄控制由第一机架f1、第二机架f2、第三机架f3配合实现。

1.1边部减薄调节滞后时间分析

1)边部减薄控制由f1～f3机架进行窜辊实现，在f1机架前面安装现场入口凸度仪用于检测来料凸度，在距离f5机架l＝2m的位置安装出口边降仪用于检测出口带钢边降状况，由出口边降仪反馈信息与边降控制模块组成闭环控制的边部减薄控制系统；从边部减薄控制系统发出边降调节信号，到边部减薄控制系统接受到出口边降仪反馈回来的调节后稳定信息这段时间存在滞后；边降信号的滞后时间可以分解为两部分：第一部分是窜辊机构执行工作辊横移时间τ1，第二部分是窜辊到位后新边降经过后续机架轧制到达出口边降仪的时间τ2，则总滞后时间为：

τ＝τ1+τ2；

2)为了得到准确的滞后时间，对上述两部分时间分别进行分析。在不同窜辊模式和有无带钢情况下，工作辊窜辊速度是不一样的。窜辊速度与工作辊圆周速度及当前轧制力成函数关系，如图2所示，其中横轴为轧制力froll，纵轴为窜辊速度vrs与轧辊圆周速度vr的比值。

从图2中可知，在有带钢情况下，窜辊速度和工作辊圆周速度的比值y与轧制力froll呈抛物线关系。窜辊过程中需要保证轴向力不超过最大限制值，并且不会破坏板带的表面质量。

在无带钢且轧制力恒定的情况下，窜辊速度与工作辊圆周速度成反比例关系。在窜 辊时，只要不超过轴向力的最大限制值，就可以最大限度地提高窜辊速度。

根据当前轧制力froll和轧辊圆周速度vr，通过查表和插值可以得到窜辊速度vrs，进一步可求得窜辊时间：

式中lc——窜辊位移，mm；

vrs——窜辊速度，mm/s；

3)带钢从窜辊机架到出口边降仪所用的时间，传统的计算方法为窜辊机架到出口边降仪的距离除以f5机架出口速度，由于带钢轧制过程中，后续机架辊缝逐渐变小，带钢逐渐变薄边长，用上述方式计算时间不能准确表达带钢通过时间，因此窜辊机架辊缝处的带钢到达边降仪检测点的时间可用秒流量相等原则来计算，如图3所示。

以f1出口为例，第一机架辊缝处带钢到达边降仪监测点所需时间与第一机架辊缝处到边降仪之间带钢总体积通过边降仪所用的时间相等，即：

式中，l--机架间距离；

l—机架f5与边降仪距离；

h1、h2、h3、h4、h—对应f1～f5机架的出口厚度；

vf--第五机架出口速度；

分析上述两种滞后时间可知，同一机架调节时，轧制速度越低，滞后时间越长，轧制速度相同时，调节机架与出口边降仪距离越远，滞后时间越长。滞后时间越长，对系统的稳定性影响越大，对控制系统的要求更高。

1.2边部减薄闭环控制特性分析

4)边部减薄控制系统中，以液压缸位移闭环控制为内环，边部减薄闭环控制为外环进行边降调节。在边部减薄闭环控制中，窜辊横移时间和出口边降仪检测时间只造成结果在输出时间上的滞后，不受其他因素的影响，可简化为纯滞后环节，因此边部减薄闭环控制结构如图4所示。其中gec(s)为控制器，g0(s)为等效窜辊位移控制系统传递函数，e^-τs为滞后环节，x为边降设定值，y为边降实际值。

根据图4可得边降闭环传递函数为：

式中：

gec(s)--控制器函数；

g0(s)--等效窜辊位移控制系统传递函数；

e^-τs--滞后环节；

1.3变增益输出值调节方法

5)由分析可知，含有滞后环节系统能够趋于稳定，但初期调节出现多次系统震荡，系统最终稳态值为0.5，存在百分之五十的误差，系统震荡容易引起设备的损坏甚至造成系统的不可控，这样的系统不利于实际生产，无法获得良好板形带钢，需要对因滞后引起系统的震荡和输出误差进行调节。

分析图5可知，采用pid控制器对系统进行调节时，即使在最优pi参数的情况下，随着滞后时间的增加，系统响应的上升时间和调整时间也随之增加，增加幅度也较大。对于高速轧制的冷连轧控制系统来说，这种大滞后时间的系统调节和响应是很难满足实际生产的，且选择最优pi参数也是并非容易的事情，即使选择到最优pi参数，由于上升时间和调整时间是边降调节周期的数十倍，对系统的控制是一件很困难的事情，所以采用变增益输出值调节滞后控制方法。

边部减薄输出调节量的增益分为两部分：静态增益部分和动态增益部分，则输出调节量增益的计算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1

式中：

g_all_sh1--输出调节量的增益；

gi_gdev_sh1--静态增益；

g_v_sh1--动态增益；

a)静态增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1--窜辊位置偏差量,经过分段线性曲线得到；

p_gi_sh1--常数,一般在0.015～0.02之间取值；

b)动态增益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--出口边降仪与机架距离延迟；

t_meva--两次数据设定之间的时间间隔；

trig_k--闭环控制的触发幅值；

smooth_k--平滑测量值的平滑因子，取值由机架速度经过分段线性曲线获得；

delay_measdev--测量设备的时间延迟；

delay_bend--弯辊系统的时间延迟；

tr_sh1--工作辊窜辊的响应时间；

dsa_wrs--附加窜辊位置设定；

v_step_wrs_max--最大窜辊速度，由轧制力经过分段线性曲线，再与机架速度求积获得。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

以冷轧硅钢aw800为例，预设来料宽度为1075mm，预设厚度为2.5mm，预设来料凸度为c40＝40μm，各机架固定工况参数如表1所示，根据各机架不同工作辊窜辊量swi连续计算各机架出口轧件厚度分布。

表1轧制工况参数

输出调节量增益的计算公式：

g_all_sh1＝gi_gdev_sh1×g_v_sh1；

式中，g_all_sh1输出调节量的增益；

gi_gdev_sh1静态增益(与边部减薄偏差相关的增益)；

g_v_sh1动态增益(与带钢速度、窜辊速度相关的增益)。

1)静态增益gi_gdev_sh1＝g_dev_sh1×p_gi_sh1；

其中，g_dev_sh1是窜辊位置偏差量(dev_sh1)经过图8所示分段线性曲线一得到；

p_gi_sh1为常数设定一般取值0.015-0.02之间。

2)动态增益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为边降仪与机架距离延迟；

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为机架间距离，一般取5.25m；

xvs_s1-xvs_s5为f1-f5机架带钢速度。

t_meva为两次数据设定之间的时间间隔，一般取0.04s；

trig_k为闭环控制的触发幅值，取值由机架速度通过图9所示分段线性曲线二得到；

smooth_k为平滑测量值的平滑因子，取值由机架速度经过图10所示分段线性曲线三得到；

delay_measdev为测量设备的时间延迟，一般取0.5s；

delay_bend为弯辊系统的时间延迟，一般取0.3s；

dsa_wrs为附加窜辊位置设定；v_step_wrs_max为最大窜辊速度。

其中，v_step_wrs_max为轧制力经过图11所示分段线性曲线四，结果再与机架速度求积得到。

如图6及图7所示，应用输出调节量的变增益抗滞后方法，可以大幅提高边部减薄的控制效果，与未投入控制系统时相比，带钢边部特征点20mm处由原来12μm提高为5μm。

本实施例以1500硅钢冷连轧机为研究对象，针对上述大滞后问题进行了系统研究，给出相关变增益的计算方法，提高了由于滞后问题带来的控制精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。