一种双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统的制作方法

本发明属于精轧机控制领域，尤其涉及一种双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统。

背景技术：

热轧精轧机的辊缝水平量一直是人为根据轧制中带钢的横向走向状态去手动调整，以保证带钢的平稳轧出。但这种方法不仅会导致操作人员劳动强度大，操作时精神高度紧张，而且多机架无法同时视顾，效率低下，导致卡钢、甩尾事故频发。

根据带钢轧制时不稳定的状态变化，都会对应着轧制力偏差的变化。带钢横向跑偏越多，轧制力偏差变化越大。最为典型的是甩尾事故，通过长期的数据分析发现，每当甩尾事故发生前的几秒钟，轧机的轧制力偏差都会有很大的变化，而且轧制力偏差向哪一侧增加，也就意味着带钢偏向于哪一侧。观察数据发现这时如果操作人员发现带钢跑偏，立即进行手动辊缝水平干预，也是去压轧制力增加的一侧。但是毕竟是由人来操作，由于轧制速度较快，机架较多，操作人员无法视顾到所有的机架。如果有一种功能在带钢尾部轧制力偏差变大时，能够正确的及时自动动态调整水平量，那么就会大大的降低甩尾的发生率，即使不甩尾也会大大改善带钢尾部的跑偏量，同时也大大提高了轧机系统在带钢尾部的适应能力。

最初以为根据轧机的轧制力偏差变化趋势来进行辊缝水平量的控制不会很困难，但经过深入研究后才发现，轧制力偏差变化趋势是一个极难判断的动态过程趋势数据。这个数据趋势本身被极多的因素干扰着，如电气杂波干扰、轧制机械振动干扰、轧辊偏心干扰、轧机加减速干扰，带钢水印变化干扰等等，一般对于这些干扰直接解决的办法是采用信号滤波方式来控制，但经过无数次的实验，以上提到的各种干扰因素其干扰频率与振幅差异太大，直接使用滤波方式来进行控制会大大延迟真实的轧制力偏差趋势，失去了自动辊缝水平控制的快速性要求，使用这样处理后的信号来进行趋势判断与控制，是毫无意义的，甚至会起到相反的作用，给轧制带来巨大的危害。由于无法很好的排除这些干扰，真实的轧制力偏差变化趋势也就无法进行准确的判断，更谈不上控制。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统，根据带钢实际轧制时的状态变化，多机架同时实时调整轧机辊缝水平量，有效替代人为手动操作，提高操作效率，减轻操作人员的劳动强度，降低生产事故，最终提高生产效率与产品质量。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统，利用精轧前机架调整粗轧来料的中后部料形，减轻后机架轧制的调整负担；中间机架修正带钢尾部形状，保证末机架的平稳轧制；

轧机按照本机架的轧制力偏差变化自动调整本机架的辊缝水平值，控制带钢尾部跑偏，减少带钢的运行故障，提高带钢轧制过程的稳定性。

包括画面操作回路、时序控制回路、控制连锁回路、高频滤波回路、调整极性判断回路、零趋势判断回路、动态死区宽度测量回路、动态死区上下限位置计算回路、输出累加回路、顶层数学模型；

画面操作回路：提供一个操作画面，供操作人员进行功能选择；F1～F7机架的自动调平TEBH ON尾部投入功能，自动调平TEBH MID ON中间投入功能；

时序控制回路：使TEBH尾部直线保持功能按照下面所述逻辑顺序自动投入与断开，当Fn机架的TEBH ON尾部投入功能及TEBH MID ON中间投入功能被选择时，先是在精轧机穿带结束延时后投入TEBH MID ON中间投入功能，TEBH MID ON中间投入功能开始调节，按照轧制力偏差变化的情况自动调整本机架的辊缝水平值，保证稳定轧制修正带钢的料形；当相应机架TEBH ON尾部投入功能投入时，自动切换本机架的TEBH尾部直线保持功能，使相应机架TEBH ON尾部投入功能投入，也是按照轧制力偏差变化的情况来自动调整轧机的水平值，调整量相对较大，防止甩尾的发生；直到本机架抛钢时TEBH功能被程序自动切掉；操作人员对辊缝进行手动干预时，TEBH尾部直线保持功能被程序自动切掉，输出保持，手动干预结束后辊缝自动调平功能再重新投入；

控制连锁回路：

①轧制力偏差大于300吨或压头故障，TEBH功能不投入，防止压头故障造成本系统误动作；

②AGC自动厚度控制系统的双侧液压缸油柱偏差大于2.8mm，TEBH尾部直线保持功能不投入，防止AGC自动厚度控制系统由于双侧液压缸油柱偏差过大而出现锁定保护；

③精轧出口带钢楔形值超限，TEBH尾部直线保持功能不投入，防止质量事故；

高频滤波回路：将轧制力偏差信号中所包含的电气杂波干扰和轧机振动所产生的信号波动滤除，保证稳定工作；

调整极性判断回路：判断TEBH尾部直线保持功能的调整方向是否正确，防止TEBH尾部直线保持功能误动作；

零趋势判断回路：判断轧制力偏差信号的拐点，防止TEBH尾部直线保持功能过动作；在固定的单位时间内，利用前一振荡周期的轧制力偏差值与后一振荡周期的轧制力偏差值的差来判断轧制力偏差值的趋势；轧制力偏差的变化很小或无变化时，将停止输出辊缝水平调节信号；如果轧制力偏差的变化再次剧烈，将恢复输出辊缝水平调节信号；

动态死区宽度测量回路：根据每一块钢的实际情况，测量出本系统控制所需的动态死区宽度；测量原理是在轧机咬钢5秒后开始测量，测量时长为3秒到7秒，这需要根据轧机线速度来进行计算，目的是让测量时段内包含所有的常规性扰动，保证死区宽度取值的准确性；指定的时间段内，测量出轧制力偏差信号的最大值与最小值，两个值相减之后便定义为本块带钢TEBH尾部直线保持功能控制所需的死区的宽度，之后加上固定的控制裕量输出，用于本系统控制；

动态死区上下限位置计算回路：

在一块带钢的轧制过程中，头部最初的一段为不稳定区，在这段区域中不作任何的计算与控制，不稳定区过后开始对动态死区的宽度进行测量，并对本块带钢动态死区最初的上限位置和下限位置进行定位；当测量结果出来后在动态死区宽度的基础上再叠加一个控制裕量，作为本系统实际控制所使用的死区宽度；测量时段过后就进入实际控制阶段；

输出累加回路：当各种调节条件都满足时，给累加器一个累加或累减指令，累加器按照预设的固定速率输出辊缝水平的基础调整值，将每一次调节的量会被累加在一起，成为本块带钢钢辊缝自动调平功能的一个总的基础输出，作为辊缝水平自动控制的给定值，该输出在本块带钢轧制结束后被清零，使实际的辊缝水平量恢复到操作人员预设的值；

顶层数学模型：根据带钢的厚度、宽度、轧制力高低、轧制速度给出调平输出速度的比率，修正累加器的基础输出值，保证本系统精确控制。

双动态死区是变量死区在实际控制过程中，死区宽度动态可变和死区上下限动态可变：

死区宽度动态可变：由于轧制力偏差信号包含着众多的干扰，而且不允许采用大幅度的滤波手段，轧制力偏差信号的上沿和下沿之间就是死区宽度，根据轧制品种与规格的不同，轧制力偏差信号的上沿和下沿之间的宽度会有较大的差异，因此死区的宽度是可变的；

死区上下限动态可变：随着轧制力偏差大趋势的变化，死区的上下限必须跟随变化；当实际轧制力偏差信号触及上沿且超出一定量的时候，辊缝水平就需要调整，本次调整结束时，新的死区上限随之产生，同时下限按照死区固定宽度跟随上升；当实际轧制力偏差信号触及下沿且超出一定量的时候，辊缝水平就需要向相反的方向调整，同样调整结束后新的死区下限也随之产生，上限按照死区固定宽度随之下降；

所述的变量死区是输出变量值不随输入变量值的变化而变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

电气杂波干扰与轧制机械振动干扰采用常规的高频滤波方法，但采用不同的滤波频率；对于轧辊偏心干扰、轧机加减速干扰、带钢水印变化干扰动采用本系统自主开发最核心的双动态死区判断控制技术和零趋势判断：

1利用精轧前机架有效调整粗轧来料的中后部料形，减轻后机架轧制的调整负担。

2利用中间机架修正带钢尾部形状，保证末机架的平稳轧制。

3对于各加热炉间特性差别大，轧线设备精度下降，所造成的料形不稳定有修正作用。

4系统投入使用后精轧机轧制时的楔形得到了很大的改善。

实现了热轧带钢轧制过程中的轧机辊缝水平量的动态控制，有效的提高了轧制稳定性抑制了甩尾事故的发生。据统计热连轧薄带钢防甩尾控制系统在鞍钢股份热轧带钢厂1780生产线投入使用以来，甩尾率降低了50％，提高了生产作业率、产品质量，降低了生产成本、能源消耗，每年直接创造经济效益200万元以上。

附图说明

图1是精轧机轧制力偏差信号的实际状态。

图2是双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统的程序框图。

图3是在轧制过程中动态死区上下限位置计算示意图。

图4是轧制力偏差信号经过多层高频滤波与低频滤波反向叠加处理之后的效果图(用于精准的死区宽度测量)。

图5是零趋势判断回路示意图。

图1中：1-1780热轧线精轧 F1轧机的实际轧制力偏差信号 2-实际辊缝水平量反馈信号3-TEBH功能所需要的轧制力偏差趋势线(也是动态死区的中心线) 4-动态死区的上限位置趋势线 5-动态死区的下限位置趋势线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

双动态死区控制方式的精轧机辊缝水平自动调整系统(以下称本系统)，针对每一种干扰的不同特点，采取不同的方式来处理，电气杂波干扰与轧制机械振动干扰采用常规的高频滤波方法解决，对于轧辊偏心干扰、轧机加减速干扰、带钢水印变化干扰动采用本系统自主开发最核心的双动态死区判断控制技术和零趋势判断。

控制原理：

变量死区是输出变量值不随输入变量值的变化而变化，这个输入变量的区域范围就可以理解为死区。变量死区意义在于可以有效地避开死区内部低量级的各种干扰，当输入变量值达到死区的上限或下限，输出变量值才开始跟随变化。

双动态死区判断控制技术是根据精轧机轧制力偏差信号与轧机内带钢状态变化的关系以及我们要求的控制目的研制。下面我们来看一下精轧机轧制力偏差信号的实际状态。

见图1，1780热轧线精轧F1轧机的实际轧制力偏差信号4中包含着高频的电气杂波、轧机震动产生的共振干扰、轧辊偏心带来的轧制力偏差周期性波动，而我们控制所需要的是图1中轧制力偏差趋势线3，也就是说1780热轧线精轧F1轧机的实际轧制力偏差信号4中包含的各种扰动必须屏蔽掉。

因此引入双动态死区的概念，双动态死区是指变量死区在实际控制过程中，死区宽度动态可变和死区上下限动态可变。

死区宽度动态可变：由于轧制力偏差信号包含着众多的干扰，而且不允许采用大幅度的滤波手段，为了提高本系统的响应速度，采用信号外沿控制技术，那么轧制力偏差信号的上沿和下沿之间就是我们定义的死区宽度，根据轧制品种与规格的不同，轧制力偏差信号的上沿和下沿之间的宽度会有较大的差异，这就要求死区的宽度必须是可变的。

死区上下限动态可变：随着轧制力偏差大趋势的变化，死区的上下限必须跟随变化，这是本系统控制的需要，简单的说就是，当实际轧制力偏差信号触及上沿且超出一定量(该量值是需要由实际调试后再确定，每个机架是不同的，目前其取值范围一般在死区宽度的5％～30％)的时候，辊缝水平就需要调整，本次调整结束时，新的死区上限随之产生，同时下限按照死区固定宽度跟随上升；当实际轧制力偏差信号触及下沿且超出一定量的时候，辊缝水平就需要向相反的方向调整，同样调整结束后新的死区下限也随之产生，上限按照死区固定宽度随之下降。我们把这种控制形象的看作“在纸箱框中的小狗推着纸箱来回跑”。

本系统的基本控制原则是将生产操作人员的丰富经验与手法移植到计算机控制系统中，按生产操作人员的想法进行辊缝自动水平调整，而这种控制有其特殊性，正常来说任何一个控制系统都有一个明确的控制目标值，然后控制系统会围绕着目标值进行精确控制。但本系统并没有一个明确的目标值，也就是说本系统不是要将轧制力偏差控制在某个定值上面，或者说非要将带钢在轧机内的横向位置控制在某一个点，这在实际的轧制过程中也是不允许的，根据生产操作人员的经验，真正的稳定轧制即要保证带钢轧制时的平直，又要兼顾每块带钢轧制时的内在“性格”随弯就弯。因此本系统的控制原则实际上就两个字“稳定”，轧制时轧制力偏差的相对稳定就意味着带钢在轧机内部没有横向移动或没有较大的单边浪产生。当轧制力偏差出现一个明显的趋势变化时，说明带钢的状态发生了变化，这是就需要辊缝水平自动去调整进行抑制，直到轧制力偏差进入一个新的相对稳态，辊缝水平自动调整停止。

本系统是一种轧机能够按照本机架的轧制力偏差变化的情况来自动调整本机架的辊缝水平值，控制带钢尾部跑偏，减少带钢的运行故障，提高带钢轧制过程的稳定性，解决人工手动调整不及时的问题。

本系统包括：画面操作回路、时序控制回路、控制连锁回路、高频滤波回路、调整极性判断回路、零趋势判断回路、动态死区宽度测量回路、动态死区上下限位置计算回路、输出累加回路、顶层数学模型。

a画面操作回路：提供一个操作画面，供操作人员进行功能选择；具体功能为F1～F7机架的自动调平TEBH ON尾部投入功能(TEBH――TAIL END BEELINE HOLD尾部直线保持)，自动调平TEBH MID ON中间投入功能。

b时序控制回路：使TEBH尾部直线保持功能按照下面所述逻辑顺序自动投入与断开，当Fn机架的TEBH ON尾部投入功能及TEBH MID ON中间投入功能被选择时，先是在精轧机穿带结束延时后投入TEBH MID ON中间投入功能，TEBH MID ON中间投入功能开始调节，按照轧制力偏差变化的情况自动调整本机架的辊缝水平值，保证稳定轧制修正带钢的料形；当相应机架TEBH ON尾部投入功能投入时，自动切换本机架的TEBH尾部直线保持功能，使相应机架TEBH ON尾部投入功能投入，也是按照轧制力偏差变化的情况来自动调整轧机的水平值，调整量相对较大，防止甩尾的发生；直到本机架抛钢时TEBH功能被程序自动切掉；操作人员对辊缝进行手动干预时，TEBH尾部直线保持功能被程序自动切掉，输出保持，手动干预结束后辊缝自动调平功能再重新投入。

c控制连锁回路：

①轧制力偏差大于300吨或压头故障，TEBH尾部直线保持功能不投入，防止压头故障造成本系统误动作；

②AGC自动厚度控制系统的双侧液压缸油柱偏差大于2.8mm，TEBH尾部直线保持功能不投入，防止AGC自动厚度控制系统由于双侧液压缸油柱偏差过大而出现锁定保护；(超限反向可调整)；

③精轧出口带钢楔形值超限，TEBH尾部直线保持功能不投入，防止质量事故(超限反向可调整)；

d高频滤波回路：将轧制力偏差信号中所包含的电气杂波干扰和轧机振动所产生的信号波动滤除，保证系统稳定工作。这个环节使用的是常规系统滤波命令。

e调整极性判断回路：判断本系统的调整方向是否正确，防止本系统误动作。在这个环节采用两种方式来选择使用，一种是轧制力偏差直接锁定方式与固定死区配合，另一种是双动态死区中间值与固定死区配合，具体选择那种方式要看在实际调试过程中那种方式的效果更理想。

f零趋势判断回路：判断轧制力偏差信号的拐点，防止TEBH尾部直线保持功能过动作；在固定的单位时间内，利用前一振荡周期的轧制力偏差值(图5中Fn RF DIF(WS-DS)信号)与后一振荡周期的轧制力偏差值(图5中Fn RF DIF(WS-DS)信号)的差来判断轧制力偏差值的趋势；轧制力偏差的变化很小或无变化时(通过图5中的死区来进行判断)，将停止输出辊缝水平调节信号；如果轧制力偏差的变化再次剧烈，将恢复输出辊缝水平调节信号；另外为了保证信号的处理始终为当前周期减去上一周期的值，在振荡回路的后面加入极性处理回路(即图5中信号正负号的切换)；

g动态死区宽度测量回路：

根据每一块钢的实际情况，测量出本系统控制所需的动态死区宽度。其测量原理就是在轧机咬钢5秒后开始测量，测量时长为3秒到7秒，这需要根据轧机线速度来进行计算。目的是让测量时段内包含所有的常规性扰动，保证死区宽度取值的准确性。在指定的时间段内(本机架咬钢加延时启动测量，规定时长后停止测量)，测量出轧制力偏差信号的最大值与最小值，两个值相减之后便是死区的宽度，之后再加上固定的控制裕量(这个量是需要由实际调试后再确定的，每个机架是不同的，目前其取值范围一般在死区宽度的5％～30％)输出，用于本系统控制。但由于带钢在轧制时，轧制力偏差数据极为不稳定，尤其是测量的黄金时间段，经常大起大落，直接造成测量数据不准确。测量值偏大就会造成本系统调节灵敏度降低，如果测量值偏小，后果更为严重，会导致本系统调节动作混乱，甚至直接调整到极限值。所以动态死区宽度的测量，不能直接进行，必须先将轧制力偏差信号转换成一个相对稳定的信号之后，再进行测量。因此采用低频滤波与高频滤波反相多层叠加技术进行处理。经过处理后的信号即保留了原有的信号宽度，又消除了轧制力偏差信号大起大落的趋势性变化，使死区宽度测量能够在一个稳定的状态下进行。

h动态死区上下限位置计算回路：根据前面控制原理中所介绍的控制原则，本系统进行动态调整，保证系统精确控制。

见图3，在一块带钢的轧制过程中，头部最初的一段为不稳定区，在这段区域中我们不作任何的计算与控制，不稳定区过后开始对动态死区的宽度进行测量，并对本块带钢动态死区最初的上限位置和下限位置进行定位。当测量结果出来后在动态死区宽度的基础上再叠加一个控制裕量，作为系统实际控制所使用的死区宽度。测量时段过后就进入了实际控制阶段。在图3中，轧制力偏差值刚进入控制阶段就触及到了动态死区的下限并超出了控制裕量，这样本系统就具备了调节的条件，辊缝水平自动调整输出开始上抬。与此同时，本系统将轧制力偏差值第一次触及下限之后再次出现的轧制力偏差最小值定义为动态死区新的下限位置，上限位置则按照固定宽度原则随之下降。为下一次的调整做好位置基准。当轧制力偏差超出动态死区下限后，或早或晚会出现一个拐点，这个拐点就是本系统所要的新的下限位置，当本系统通过零趋势判断检测出轧制力偏差的拐点后，就会停止辊缝水平自动调整输出。以此类推，如果轧制力偏差继续触及动态死区的下限并超出控制裕量，新的调节就会开始，新的动态死区位置也会被定义。按照图3中带钢在轧制到尾部阶段时，轧制力偏差值触及到了动态死区的上限，并超出了控制裕量，这时辊缝水平自动调整输出开始下压，拐点出现后停止，新上限位置产生，很快，轧制力偏差值又触及了新的上限并且超出控制裕量，辊缝水平自动调整输出再次开始下压，如果拐点不出现，辊缝水平自动调整输下压的动作就不会停止，直到其它条件限制输出，如调节量极限、带钢抛钢、操作人员手动介入等。从图3中可以看出当轧制力偏差相对稳定的时候，辊缝水平就会保持在一个稳定的状态。

i输出累加回路：当各种调节条件都满足的时候，会给累加器一个累加或累减指令，累加器按照预设的固定速率输出辊缝水平的基础调整值，将每一次调节的量累加在一起，成为本块钢辊缝自动调平功能一个总的基础输出，这个输出在本块带钢轧制结束后清零，使实际的辊缝水平量恢复到操作人员预设的值。

j顶层数学模型：根据带钢的厚度、宽度、轧制力高低、轧制速度等给出一个合适调平输出速度的比率，修正累加器的基础输出值，保证系统精确控制。

见图4，本发明的优点：

电气杂波干扰与轧制机械振动干扰采用常规的高频滤波方法，但采用不同的滤波频率；对于轧辊偏心干扰、轧机加减速干扰、带钢水印变化干扰动采用本系统自主开发最核心的双动态死区判断控制技术和零趋势判断：

1利用精轧前机架有效调整粗轧来料的中后部料形，减轻后机架轧制的调整负担。

2利用中间机架修正带钢尾部形状，保证末机架的平稳轧制。

3对于各加热炉间特性差别大，轧线设备精度下降，所造成的料形不稳定有修正作用。

4系统投入使用后精轧机轧制时的楔形得到了很大的改善。

实现了热轧带钢轧制过程中的轧机辊缝水平量的动态控制，有效的提高了轧制稳定性抑制了甩尾事故的发生。据统计热连轧薄带钢防甩尾控制系统在鞍钢股份热轧带钢厂1780生产线投入使用以来，甩尾率降低了50％，提高了生产作业率、产品质量，降低了生产成本、能源消耗，每年直接创造经济效益200万元以上。