专利名称：尤其在轧制金属热轧带材的精轧机列中调节金属带温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其在轧制金属热轧带材的精轧机列中控制或调节例如钢或铝的金属带温度的方法。
US 6220067B1介绍了一种方法，它调节在轧机机列出口侧金属带的温度，亦即最终轧制温度。用这种方法不能足够准确地影响在轧机机列内钢的相转变，这种相转变尤其在双相轧制时对于所轧制金属带的材料性质有重要意义。
所轧制的金属带的材料性质和金相组织由化学成分和尤其在轧制过程中的过程温度例如负荷分配和温度控制来决定。对于轧制温度，尤其最终轧制温度的调节机构，取决于设备类型和通常带速和中间机座冷却装置的工作模式。
本发明的目的是改进尤其在精轧机列中对金属带的温度控制和调节，避免先有技术中已知的缺点，以及尤其改善对上述调节机构的控制和调节。
本发明的目的通过一种控制和/或调节尤其在精轧机列中金属带温度的方法达到，其中，为了确定调节信号将一额定温度变化过程与一实际温度变化过程进行比较；以及在考虑辅助条件的情况下构成至少一个用于设备调节机构、尤其在精轧机列内的目标函数。
目标函数有利地通过求解优化问题解出。在这里以极有利的方式考虑技术性边界条件，尤其调节机构的调节极限，其中尤其保证用于调节机构改变的尽可能大的自由空间，使控制或调节所需的计算时间保持非常短。
有利地，在精轧机列末端规定一个额定温度。作为替代或补充方式，在精轧机列内规定至少一个额定温度。由此显著改善了对金属带的材料性质及其组织成分方面的控制或调节。
金属带实际温度变化过程有利地借助至少一种模型确定。因此，即使在对于控制或调节而言重要的地点，尤其在精轧机列内，不能测量实际带温时，仍可以改善对金属带温度的控制或调节。
有利地，对模型进行在线适配。以此方式可以考虑存在的设备漂移(Anlagendrift)，以及可以确定尤其用于后续要轧制的那些金属带的切合实际的结果。
有利地确定金属带的各带点的温度变化过程。在这种情况下有利地追踪各带点的路径和优选地附加追踪其性质如温度。因此明显提高了控制或调节的精度。
有利地，确定用于冷却剂流的调节信号。
有利地，确定用于物料流的调节信号。
为了求解目标函数，有利地用线性的辅助条件在线地，亦即尤其实时地求解优化问题。在这里，调节极限尤其以等式或不等式辅助条件的形式列出。在这里最优化的解有利地提供用于下一个调节周期的调节参数的值。由此提供了一种清晰、统一和与设备构型无关地构成的调节装置，这种调节装置能可靠和快速地工作。
有利地求解二次优化问题。因此，这种优化问题可以非常迅速地解出。
所述优化问题有利地借助有效集策略(Active-Set Strategie)求解。因此这种优化问题可以特别有效地实时求解。
通过用辅助条件非线性优化来有利地预先计算一种能在线的轧制程序算法。因此，轧制程序计算持续的时间极短。轧制程序计算提供尤其最佳地与在线工作的调节器调谐的设置(set-Up)值。因此调节器具有用于影响带温的足够的自由度。
按照本发明的控制或调节金属带温度的方法尤其也适用于轧制有厚度楔形(Dickenkeil)的带材，这种厚度楔形例如在半连续轧制时使用于小于1mm的成品带厚度情况。在轧制有厚度楔形的带材时，调节机构方面的附加辅助条件起作用。
在权利要求13至15中说明达到上述本发明目的的其他方案。它们相应地具有针对按照本发明的方法已说明的优点。
由下面结合附图对本发明多种实施例的说明中给出本发明的其他优点和详情。作为范例其中
图1表示一轧机的原理性结构；图2示意表示精轧机列的模型预测式调节装置结构；图3示意性表示模型预测式调节装置；图4表示冷却剂流的调节水平或预测水平；以及图5表示物料流的调节水平或预测水平。
图1表示生产金属带6的设备，它包括一粗轧机列2、一精轧机列3和一冷却段4。这种设备典型地用于炼钢工业和金属工业。在冷却段4后面设一卷取机5。由卷取机5卷取在轧机机列2和3中优选地热轧制成和在冷却段4中冷却的金属带6。轧机机列2或3上游设金属带源1，它例如设计为在其中加热金属板坯的炉子，或设计为在其中制造金属带6的连续铸锭装置。金属带6例如由铝或钢制成。
所述设备和尤其轧机机列2、3以及冷却段4及至少一个卷取机5借助一种由一计算装置13实施的控制方法来控制。为此，该计算装置13与生产钢或铝的设备的各组成部分1至5在控制技术上相连接。计算装置13可通过一个设计为计算机程序的控制程序进行编程，它基于此程序实施按照本发明的用于控制或调节带材6温度的方法。
按照图1，金属带或板坯6离开金属带源1后首先在粗轧机列2内轧制到对应于精轧机列3的进口厚度。然后，金属带6在精轧机列内部借助轧机机座3′轧制到其最终厚度。接下来的冷却段4将金属带6冷却到规定的卷取温度。
为了保证金属带6具有期望的机械特性，精轧机列3和冷却段4必须遵守恰当的温度变化过程。因为在轧制过程中几乎不进行被轧金属带6的展宽，所以通过轧制过程增加带的长度以及在物料流保持不变的前提条件下也提高了带速。
图2详细地表示出精轧机列3以及其轧机机座3′，并且说明了对精轧机列3按照本发明的模型预测性调节(Modell-pradiktive Regelung)。
在精轧机列3内部是热金属带6与轧机机座3′的比较冷的工作辊的接触时间，以及中间机座冷却装置7是对金属带6的温度最重要的影响因素。因此，在精轧机列内控制或调节带温度的调节机构相应地是物料流16和冷却剂流8。在图2中为了更简要地说明实施例，作为范例标出金属带6的两个带点P0、P1。
精轧机列3以其始端XA及其末端XE为界。在精轧机列3内的设备动力学有关于温度的特征在于比较长的滞后时间105。例如，改变冷却剂流8对在精轧机列3始端XA处温度的影响，一直到受此改变影响的为首的带点P0、P1离开最后一个轧机机座3′时才能观察到。这就是按照本发明将带温调节装置17设计为模型预测性调节装置的原因。
用于控制炼钢工业的设备以及尤其用于控制精轧机列3的计算装置13具有一个带温模型12和一个带温调节装置17。带温模型12和带温调节装置17在这里优选周期性地按调节步骤工作。
带温调节装置17有一个调节器14，它控制或调节中间机座冷却装置7的冷却剂流8以及金属带6的物料流16，尤其是其速度V。在调节器14上游设一线性化的模型15，它借助二次程序控制工作。
用于在线确定带温的模块12具有一个用于确定实时带温的在线监测器9，一个用于在线适配模块10以及优选地一个用于预报所选出的带点P0、P1的温度Tjk＝0，1的模块11。
在线监测器9服务于一个用于确定在精轧机列3内部金属带6的实时带温和优选地相状态的模型。在线确定带温的模块12因而有一个在图中没有详细表示的带温模型。该带温模型可以例如预告带点P0、P1的最终温度，亦即尤其在位置XE处的带点温度P0、P1。由此出发建立一个线性化的模型15，它在给定冷却剂流8的改变和/或给定物料流16的改变时确定精轧机列3工作点的带温。
通过线性化模型15出口二次偏差的最小化，确定对于冷却剂流8或物料流16的新修正值，以及在确定时考虑优选地在精轧机列内部给定的带中间温度额定值或在精轧机列3内金属带6给定的最终温度额定值。通过带温模型的线性化得到一个二次编程问题，这一问题对于在线控制带温可以足够快地解出。
在线监测器9的任务是确定精轧机列3的金属带6的实时状态，亦即尤其是其所有为控制或调节所需的中间温度。在线监测器9出口处所涉及的数据102优选地还包含实时模型修正。
在精轧机列中实际测得的金属带数据101以及尤其温度，在有些情况下并不始终存在和通常只存在于少量规定的地点，部分只存在于地点XA和XE。在线适配模块10利用由在线监测器9计算的数据102，尤其由在线监测器9确定的温度，以及优选测量出的温度101。
借助在线适配模块10确定修正系数，它们尤其在在线监测器9中使用于修正模型误差。在这里优选地将实际测量的温度101与计算出的温度102作比较。在线适配模块10不仅与在线监测器9而且与用于预告被选出带点温度的模块11连接。
在用于预告带温的模块11的入口侧优选地附上来自在线适配模块10出口侧的数据。模块11可以进一步处理由在线监测器9确定的数据。由模块11算出的带温进一步传给带温调节装置17。用于预告带温的模块11还使用在线确定带温的模块12的带温模型。
带温调节装置17或线性化模型15的入口参数是由带温模型确定的实际温度变化过程以及一预定的额定温度变化过程。该额定温度变化过程根据设备类型、运行模式、金属带6具体的订货要求和期望的特性规定的。
带温调节装置17使用由带温模型12计算出的入口数据103。在这里可以特别灵活地使用控制装置规定值，因为在线监测器9可以甚至在不存在任何相应的测量值时，确定在精轧机列3内部金属带6的任何中间温度。
图3示意性表示出对于模型预测性调节而言为重要的问题，如那些例如当应在铁素体相态区内轧制金属时出现的问题。除了在精轧机列3末端XE处的温度额定规定值Td2外，人们优选地使用另一些在精轧机列3内部的温度额定值Td0、Td1。若例如应在奥氏体区域实施精轧机列3的两个在先的轧机机座3′的轧制过程，但在铁素体区域实施其余的轧制过程，亦即设在下游的那些轧机机座的轧制过程，则人们需要至少三个如在图3中表示的额定温度Td0、Td1、Td2。
在第二个轧机机座后的第一个额定温度Td0应保证在前面的两个轧机机座内轧制过程的温度处于这些相态区域之间的过渡温度之上。第二个温度额定值Td1应保证在精轧机列3的第三个轧机机座前的相变。还应尽可能遵守在精轧机列3末端XE处的最终温度Td2。
需要预告的温度Tjk＝0，1， 2由用于预告带温的模块11借助一个优选地用于多个带点P0、P1、P2的模型提供。在这里，带温调节装置17也可以对例如由炉子自动化引起的突然的温度波动作出反应。但优选地这通过改变冷却剂流8来实现，而不是通过改变带速V或物料流16。突然的温度波动可例如源自于金属带6的局部不平度或折弯。
例如可通过一个发生在精轧机列3之前的在图中没有进一步表示的辊道引起的长期性温度变动，优选地通过金属带6的加速度a，亦即通过改变物料流16加以补偿。相应地调整了预告水平106。
为了解决图3中表示的问题，优选地借助线性化模型15作为最小化问题求解。为此优选地改变与物料流16和冷却剂流8相应的控制变量，它们使预告的针对带点P0、P1、P2的温度Tjk＝0，1，2相对于额定温度Tdk＝0，1，2而言重要的二次误差最小化(见公式I)。如在各个阀7处造成冷却剂流Q0、Q1或Q2(概括地用8表示)，则使它离优选地设计为冷却剂阀或水阀7的中间机座冷却装置7的技术极限有尽可能远的距离。因此，中间机座冷却装置7获得最大可能的间隙，以便今后，亦即在随后的调节步骤中，可以对突然的温度波动作出反应。
必须顾及中间机座冷却装置7遵循的调节极限一个阀7的冷却剂流Q0、Q1、Q2只能通过速度改变，此速度与各自的阀7的动力对应以及不允许处于技术条件的最小值Qmaxi或最大值Qmini之外，物料流16也必须处于技术极限值内部，这些技术极限值尤其通过在离开精轧机列3时金属带的最大或最小速度来确定。有关于物料流还必须注意金属带6的加速度a的下限和上限。
通过模块12，在借助带温模型的情况下，计算针对给定的冷却剂流8和物料流16以及针对一个为相应的调节步骤给定的适配系数的预告温度Tjk。对于其他的预告，优选地冻结适配系数。为了计算用于控制紧接着的那些控制步骤的调节参数，将当前的冷却剂流8和当前的物料流16规定作为工作点。然后可将新的预告温度 表达为Tjk+ΔTjk，其中适用下公式(I)ΔTkj=ΔTkj(Δuij.j,Δuij+1j,...Δujkjj,Δa,Δs)]]>最后，优选地在考虑到前面称为调节极限的情况下求解下面称为目标函数，其中变量Δuji、Δa和Δs，结合图5和6对这些变量还要详细说明(II)Σj=0J-1Σk=0K-1wkj2|Tkj+ΔTkj-Tkd|2+δ2Σj=0J-1iΣi=ijk-1,j|Qiact+Δuij-Qimax-Qimin2|2]]>α2Σj=0J-1iΣi=ijK-1,j|ΔuijΔt|2+β2|ΔaΔt|2+γ2|ΔsΔt|2]]>如图3所示，对直至带点P0到达最终温度额定值Td2的这样长远的未来带温作出预告。通常此温度额定值处于精轧机列3的末端XE处，在那里优选地用一个在图中未进一步表示的高温计来测量金属带6的实际温度。这种模型预测性的预告始终针对各个调节步骤Δt实施。
图4和5说明冷却剂流(见图4)和物料流(见图5)不同的调节水平。在两个图中横座标表示时间轴。
物料流16优选地通过带速V影响，在这里调节水平优选地限于单个调节步骤。接着，假定偏移Δs和加速度变化Δa优选地为常数(见图5)。反之，突然的温度波动优选地通过冷却剂流Qj影响。为此，使用优选地针对带点Pj的温度预告值，沿物料流方向看此带点位于相应的中间机座冷却装置7之前，所以带点Pj要经过相应的阀7的滞后时间105并加上计算时间后才到达相应的中间机座冷却装置。
尽管最小化(II)在考虑直至控制水平末端所有未来的冷却剂流修正Δuji(见图4)的情况下进行，但冷却剂流的实时化Qactij只是借助第一次修正Δujij完成。为减小可能的振动，用于Δujij、Δa和Δs的实时化值必要时与张弛系数(Relaxationsfaktor)0＜x≤1相乘。
方程式(II)在考虑尤其前面已提及的相应的调节极限的情况下的最小化，意味着求解一个非线性程序设计问题，这种问题通常计算工作量极大，以及为了能在线求解必须加速。所有的调节步骤Δt按本发明可例如全部用200毫秒完成。
为了达到加速，人们优选地类似于高斯-牛顿法进行处理，以及使预告的有关工作点的温度改变线性化(III)ΔTkj≈Σi=ijikjSkijΔuij+S~kjΔa+S‾kjΔs]]>灵敏度Sjki、 和Sjk通过有限差分法近似如下(IV)Sk,ijj=Tkj|Qijact+Δ-Tkj|QijactΔ]]>(V)S~kj=Tk0|aact+Δ-Tk0|aactΔ]]>
(VI)S‾kj=Tk0|hexitvexitact+Δ-Tk0|vexitvexitactΔ]]>为了确定灵敏度Sjki、 或Sjk，除了预告温度Tjk外必须再次求解带温模型。按照高斯-牛顿法，将线性化(III)结果代入目标函数(II)的二次误差内。从而得出下列近似值(VII)|Tkj+ΔTkj-Tkd|2≈|Tkj-Tkd|2+2(Tkj-Tkd)Σi=ijikjSkijΔuij]]>+2(Tkj-Tkd)S~kjΔa+2(Tkj-Tkd)S‾kjΔs]]>+2S‾kjΔaΣi=ijikjSkijΔuij+2S‾kjΔsΣi=ijikjSkijΔuij+2S‾kjS~kjΔsΔa]]>+Σi=ijikjΣi=ijikjSkijSkljΔuljΔuij+|S~kj|2|Δa|2+|S~kj|2|Δs|2]]>现在将(VII)右侧代入(II)，从而以下列形式表示二次程序设计问题(VIII)min=f+gt‾χ‾+12χt‾H‾‾χ‾]]>(IX)blower≤χ≤bupper其中f是一个标量，H是一个对称的、是正的半确定的N×N矩阵，当正的参数α、β和γ选择得足够大时H肯定是正的。其余的变量是n维的列矢量。不等式(IX)应理解为分量形式。
为了求解二次优化问题，优选地采用有效集策略。
按照本发明特别有利地计算用于轧制速度V和/或用于中间机座冷却装置(7)水平台(Wasserrampen)或冷却剂平台(Kuhlmittelrampen)的尤其运行图，并以特别高的精度遵守。
除了上述和尤其前言讨论过的本发明的优点外，按照本发明在控制和/或调节金属带6的温度时，首次以简单的方式也可以在优先权的意义上实现对有关控制而言重要的规定值进行不同权衡。
按本发明提供了一种柔性的控制和调节方法，它也可以用于不同的设备组成部分，例如尤其粗轧机列2或者还有冷却段4。本发明可以重叠使用于多于一个设备组成部分1至5。特别有利的是本发明在双相轧制中和在轧制半连续板坯期间驱动厚度楔形时使用。
权利要求
1.一种尤其在一精轧机列(3)内控制和/或调节一金属带(6)温度的方法，其中，为了确定调节信号将一额定温度变化过程与一实际温度变化过程进行比较，以及，在考虑辅助条件的情况下，构成至少一个用于设备调节机构、尤其在所述精轧机列(3)内的目标函数。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为所述目标函数通过求解一个优化问题解出。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为在所述精轧机列(3)末端规定一个额定温度(Td2)。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征为在所述精轧机列(3)内规定至少一个额定温度(Td0、Td1)。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为所述金属带(6)的实际温度变化过程借助至少一个模型(9或12)来确定。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征为对所述模型(9)进行在线适配。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征为确定金属带(6)上各带点(P0、P1、P2或Pj)的温度变化过程。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征为确定用于冷却剂流(8)的调节信号。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征为确定用于物料流(16)的调节信号。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征为为了求解所述目标函数，用线性的辅助条件在线求解一个优化问题。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征为求解一个二次优化问题。
12.按照权利要求9或10所述的方法，其特征为所述优化问题借助一种有效集策略求解。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征为通过利用辅助条件非线性优化来预先计算出一种能在线的轧制程序算法。
14.一种用于实施按照上述任一项权利要求所述方法的计算机程序。
15.一种借助按照权利要求14所述计算机程序编程的用于控制至少精轧机列(3)的计算装置(13)，其中，该计算装置(13)直接和/或间接地影响金属带(6)的温度。
16.按照权利要求15所述的计算装置(13)，其特征为它有一个用于借助一个模型在线地确定金属带温度的模块(12)和一个用于调节金属带温度的模块(17)。
全文摘要
本发明涉及一种在热轧机的精轧机列(3)内控制或调节金属带(6)温度的方法，其中，通过对一额定温度变化过程与一实际温度变化过程比较构成目标函数，该目标函数测量在轧机机列内任意位置上规定值的偏差，一方面用辅助条件借助非线性优化的方法通过预先计算来调整带速和冷却剂流，以及另一方面优选地借助有效集策略在线地用线性辅助条件通过求解二次优化问题来调节和控制它们。
文档编号B21B37/74GK1753734SQ200480005097
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月13日 优先权日2003年2月25日
发明者马赛厄斯·库兹, 迈克尔·梅茨格 申请人:西门子公司