专利名称：可进行轧辊热膨胀动态补偿的冷轧带钢厚度控制方法
技术领域：
本发明涉及一种在轧制金属薄板，特别是涉及一种可进行轧辊热膨胀动态补偿的冷轧带钢厚度控制方法。
背景技术：
在轧制金属薄板带材的生产过程中，人们更关心的是其厚度是否均匀，特别是沿着带材的长度方向或沿着轧制方向带材的厚度是否均匀。
带钢冷轧设备应包括至少一个或连续排列几个轧机机架，带材在经过每个机架后进入由轧辊限定的间隙即辊缝中。轧制控制系统根据分布在轧制设备上的各传感器测量得到的出口厚度、入口厚度、压下缸位移、轧制力、以及前后张力等信号调节每个机架的轧辊压下或机架前后张力来进行轧制。
轧辊的径向尺寸稳定是沿带材长度方向得到薄厚均匀的带材的条件之一。然而，在轧制过程中，金属轧件产生塑性变形热，轧辊与轧件之间由于相对滑动产生摩擦热。这些热量的一部分将传入轧辊使轧辊温度升高，从而产生相应的径向热膨胀。根据某1450五机架冷连轧机组的实际测量数据，当工作辊温度变化10℃，辊缝变化达0.3mm。实际轧制时，工作辊温度变化远大于10℃，由此可见，热变形对辊缝，进而对板形板厚的影响是不可忽略的。由于轧辊热膨胀的影响，在轧制过程中，特别是在换辊后和每一道次的开始的一段时间内会出现明显的厚度超差和轧制不稳定现象，有时甚至发生断带，严重影响生产。
现在已知几种抑制轧辊热膨胀带来不良影响的方法，从而使带材在长度方向上厚度更加均匀。
第一种已知的方法是在换辊后开始轧制前进行空转预热。这种预热大约需要10min-20min，目的是在轧制前使得轧辊达到一定的温度，接近热平衡状态，从而减少在轧制过程中进一步的膨胀量。而实际上，在空转过程中不存在轧件的变形热和轧辊与轧件间的摩擦热，因此预热不会达到连续轧制时的热平衡状态，达到的效果有限，一般只能达到实际温升的20％。而且预热过程本身占用生产设备和时间，影响生产效率。
第二种已知的方法是采用轧制力闭环来消除热膨胀带来的带钢出口厚度变化。带钢冷轧AGC中的压下油缸控制内环通常有位移内环和轧制力内环两种模式，常用的是位移内环模式。如采用轧制力内环的模式，当轧辊径向产生膨胀，辊缝减小，压下量增大，轧制力增大，控制器会调解压下液压伺服系统的输入信号，增大辊缝，保持轧制力恒定，这样会一定程度上抑制轧辊热膨胀带来的厚度变化。但是如果来料的厚度不均，或者硬度不均，采用轧制力闭环模式会造成误调解，产生出更大的厚度波动。因此轧制力闭环的使用是收到严格限制的。
第三种已知的方法是通过厚度监控闭环来消除热膨胀带来的带钢出口厚度变化。带钢冷轧AGC中的厚度监控闭环框图见附图1，从理论上讲，对于所有造成厚度波动的干扰因素，厚度监控闭环都能通过调节压下油缸的位移从而改变辊缝大小予以消除。但是，在实际的轧制设备中，测厚仪的安装要求必须与机架和辊缝保持一定距离，如2m左右，目的是保证穿带方便和测厚仪的安全。这就使得厚度变化测量信号滞后于实际辊缝变化本身，在轧制速度为300m/min时，滞后时间大约为0.4s。由于存在较大滞后，面对的扰动多种多样，可能包括各种频率成分，特别是高频成分，因此厚度监控闭环的增益一般很小，以保证轧制过程的稳定。另一方面，轧辊的升温和膨胀也是时变的过程，特别是开始轧制后的一段时间内变化很快。因此，这种方法对轧辊热膨胀的抑制作用也是有限的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可进行轧辊热膨胀动态补偿的冷轧带钢厚度控制方法，该控制方法能够有效抑制轧辊热膨胀造成的金属带材沿长度方向厚度的变化。
本发明的方法适用于单机架冷轧机或冷连轧机。在该方法中，首先利用测量装置(包括出口侧厚仪、双测压下缸位移传感器、双测轧制力传感器、轧制速度传感器等)在线测量过程信息，并按照一定的采样周期进行采样，保存到过程数据库中。
然后将现场获得的压下缸位移信号、轧制力信号、出口厚度信号需要通过“时间匹配”进行重新的排序和整理。时间匹配是以轧制速度v、测厚仪安装距离l、采样周期T为依据进行的。“时间匹配”前所有的实测信号是按照采集时间以固定的采样间隔T存储在数据库中的，按照数组进行管理。“时间匹配”后的数组D′按照下式计算D1′(i)=D1(i),D2′(i)=D2(i),D3′(i)=D3(i+lvT)]]>其中D1(i)代表第i时刻压下缸位移信号，D2(i)代表第i时刻轧制力信号，D3(i)代表第i时刻压出口厚度信号。
经过“时间匹配”后，消除了出口测厚滞后的影响，将同一时刻采集到的轧制过程参数转换为同一时刻发生的轧制过程参数数组。
轧辊的热膨胀同其它轧制过程参数一起对出口板厚构成影响，虽然轧辊热膨胀不能直接测量，但它隐藏在这些过程数据之中，可以通过对相关现场实测信号，包括压下缸位移信号、轧制力信号、出口厚度信号进行信息融合和厚差溯源得到的，热膨胀信号溯源模型为Δxt=ΔPKm-Δxp-Δh1]]>式中ΔP为轧制力变化量；Δxp为油缸位移变化量；Δh1为出口厚度变化量；Km为该机架的纵向刚度。
由上式进行计算实际上可以得到与采集周期同样间隔的轧辊热膨胀时间序列。因此可以采用数字滤波的方法进一步进行处理，去除信号中的噪声。例如采用简单的局部平均值滤波方法。经过滤波的轧辊热膨胀更加真实可靠，可以作为补偿的依据。
最后，通过轧辊热膨胀补偿器，按照得到的轧辊热膨胀信号对辊缝进行调整。为了保证热膨胀量补偿的连续性和稳定性，结合热膨胀量具有较大惯性的特点，补偿值的计算综合了历史补偿数据和当前热膨胀信号的影响，对这些数值进行加权累加。其中当前热膨胀值的权值最大，取值范围0.5-0.8。补偿器的处理结果一方面存入寄存器中，另一方面作为补偿量投入位置闭环进行位置设定修正，保证辊缝值不变。
本发明的实施对象至少应具备一个机架、机架中的压下装置、相应的控制装置和补偿装置，以及安装在轧制设备上的上述轧制参数测量装置和数据分析装置等组成如图2所示。数据分析装置与各测量装置相连，接收测量信号，补偿装置与数据分析装置相连，接收分析得到的轧辊热膨胀信息，并于补偿器内存储的上一时刻的补偿量加权平均，计算出此刻的补偿量。压下装置接收补偿装置的补偿信号，并执行对辊缝的调节动作。
本发明的有益效果是由于本发明在现有的AGC系统的基础上加入了热膨胀补偿模块，它能够根据测量装置实测的信号进行数据分析，得到当前的热膨胀信息，再由热膨胀补偿装置结合前一时刻的实际补偿量计算当前时刻的补偿量，然后追加给位置设定值，以保证辊缝值不变，从而使带材在长度方向上的厚度更加均匀。
在阅读了下面的例子并参照下面的
后，将会更清楚地理解本发明。
下面结合附图并以300可逆四辊冷轧机的热膨胀规律提取、补偿过程为例，对本发明进行更详细地说明。
图1是现行轧制设备自动板厚控制系统(AGC)框图；图2是加入本发明的用于轧辊热膨胀补偿模块的自动板厚控制系统(AGC)框图；图3是热膨胀补偿模块的工作原理图。
具体实施例方式
图2是本发明公开的一个实施例，AGC系统采用典型的位置内环或压力内环加厚度外环的方式(见图1)，位置环的设定值按照模型进行设定计算给出，经过比较器送给PID调节器，然后经过伺服放大器和电液伺服阀控制压下缸动作，调节辊缝值。液压缸的位移信号通过连接在活塞与缸体上的磁尺测出，反馈回比较器形成位置闭环。出口厚度由测厚仪测出，与目标厚度做比较后得到厚度偏差值，经厚度调节器后，得到位置修正量送给位置环。
为了补偿轧辊热膨胀带来的干扰，在现有的AGC系统的基础上加入了热膨胀补偿模块(见图2)。它能够根据测量装置实测的信号进行数据分析，得到当前的热膨胀信息，再由热膨胀补偿装置结合前一时刻的实际补偿量计算当前时刻的补偿量，然后追加给位置设定值，以保证辊缝值不变。
热膨胀补偿模块的工作原理图(见图3)，图中实测数据是指由轧值现场的传感器获得，包括出口板厚信号、两侧轧制力信号、两侧缸位移信号、以及主传动速度信号等，数据分析器应包括数据处理计算机和相应的数据处理软件。现场采集得到的传感器信号由计算机进行整理并按照固定的周期T储存为数组。然而同一时刻记录的数据并不能代表同一时刻的轧制区参数。这是由于如前所述测厚仪的安装位置造成的厚度信号滞后造成的。经过“时间匹配”后，消除了出口测厚滞后的影响，将同一时刻采集到的轧制过程参数转换为同一时刻发生的轧制过程参数数组。为轧辊热膨胀信息的提取做好准备。
根据板厚控制理论，辊缝大小决定出口带材的厚度，同时辊缝又是辊系压下量与轧机纵向弹跳以及轧辊径向尺寸变化(主要是轧辊热膨胀)综合作用的结果。轧机弹跳可以通过轧制力和轧机纵向刚度进行计算。通常，轧机纵向刚度是已知的或可以通过压靠实测获得的，双侧轧制力、双侧油缸位移、带钢出口厚度是由实测数据提供的，因此按照上述溯源模型可以得到当前的轧辊热膨胀变化量。
对于溯源得到的热膨胀信号采用数字滤波的方法进一步进行处理，去除信号中的噪声。例如采用简单的局部平均值滤波方法。经过滤波的轧辊热膨胀更加真实可靠，可以作为补偿的依据。
通过轧辊热膨胀补偿器将补偿量投入位置闭环进行位置设定修正，保证辊缝值不变。
根据本发明，可以对轧辊热膨胀进行有的放矢的专门补偿，补偿系数取0.8，由于数据处理中滤去了高频噪声部分并在补偿器中加入惯性分量，保证了轧制过程的稳定性。
对于300可逆四辊冷轧机，在未采用本发明方法时采用位置环加厚度监控轧制出口厚度为0.26mm的带钢，长度800m，所得到的金属带材同板厚差小于13μm。采用本发明的方法和设备轧制同样的带钢，所得到的金属带材同板厚差小于4μm。同时，采用本发明的方法和设备节省了轧辊预热时间，减少了不稳定阶段的厚度超差长度，提高了轧制生产的产量和质量。
权利要求
1.一种可进行轧辊热膨胀动态补偿的冷轧带钢厚度控制方法，其特征在于在位置内环、厚度监控外环的基础上增加轧辊热膨胀补偿模块，该轧辊热膨胀补偿模块根据轧辊的热膨胀规律，对位置设定值进行动态的修正和补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于热膨胀补偿模块包括过程信号测量、测量信号时间匹配、热膨胀信号计算、热膨胀补偿环节。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于将现场获得的压下缸位移信号、轧制力信号和出口厚度信号通过“时间匹配”进行重新排序和整理；时间匹配是以轧制速度v、测厚仪安装距离l、采样周期T为依据进行的，“时间匹配”前所有的实测信号是按照采集时间以固定的采样间隔T存储在数据库中的，按照数组进行管理；“时间匹配”后的数组D’按照下式计算D1′(i)=D1(i),]]>D2′(i)=D2(i),]]>D3′(i)=D3(i+lvT)]]>式中D1(i)代表第i时刻压下缸位移信号；D2(i)代表第i时刻轧制力信号；D3(i)代表第i时刻压出口厚度信号。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于热膨胀信号是通过对相关现场实测信号包括压下缸位移信号、轧制力信号和出口厚度信号进行信息融合和厚差溯源得到的，热膨胀信号溯源模型为Δxt=ΔPKm-Δxp-Δh1]]>由上式进行计算得到轧辊热膨胀信号的时间序列，作为补偿的依据，由热膨胀补偿器对位置环设定值进行修正，实现对辊缝的调节。式中ΔP为轧制力变化量；Δxp为油缸位移变化量；Δhl为出口厚度变化量；Km为该机架的纵向刚度。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于轧辊热膨胀补偿器补偿值为历史补偿数据和当前热膨胀信号的加权累加和。其中当前热膨胀值的权值为0.5-0.8。
全文摘要
本发明涉及一种在轧制金属薄板，特别是涉及一种可进行轧辊热膨胀动态补偿的冷轧带钢厚度控制方法。其特征在于在位置内环、厚度监控外环的基础上增加轧辊热膨胀补偿模块，该轧辊热膨胀补偿模块根据轧辊的热膨胀规律，对位置设定值进行动态的修正和补偿。本发明在现有的AGC系统的基础上加入了热膨胀补偿模块。它能够根据测量装置实测的信号进行数据分析，得到当前的热膨胀信息，再由热膨胀补偿装置结合前一时刻的实际补偿量计算当前时刻的补偿量，然后追加给位置设定值，以保证辊缝值不变，从而使带材在长度方向上的厚度更加均匀。
文档编号B21B37/58GK1962100SQ20061010217
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月17日 优先权日2006年11月17日
发明者王益群, 刘涛 申请人:燕山大学