一种张力设定值斜坡自适应控制方法与流程

本发明属于轧钢技术领域，特别是涉及冷轧处理线的张力控制系统，具体地说是一种用于在冷轧处理线张力控制系统中应用斜坡时间发生器调节张力设定值变化的控制方法。

背景技术：

在冷轧处理线生产过程中，带钢必须在张力作用下才能正常稳定运行，张力辊作为重要的张力控制设备布置于生产线上，它把生产线分成多个张力控制区域，通过对张力辊的控制来实现全线张力的控制。张力系统稳定、精准的调节是影响带钢质量的重要因素。带钢的边浪、薄厚不均问题都与张力变化的调节有关系，尤其是在炉区等带钢形变较强的区域，张力的稳定性和精准性更为重要。

现有的冷轧处理线张力辊的张力控制系统是由可编程控制器和传动装置组成。可编程控制器是张力控制系统的控制单元，传动系统是张力控制系统的执行单元。在基于转矩控制的张力控制系统中,可编程控制器系统包括张力设定值斜坡发生器，张力pi调节器，deltav控制器，速度设定值斜坡发生器，速度合成器，负荷平衡控制器，摩擦转矩补偿曲线等。

首先，张力辊所控区域内的带钢张力设定值t_set经过张力设定值斜坡发生器，与邻近区域的带钢张力设定值斜坡发生器产生的张力输出值进行比较，通过符号控制器和deltav控制器，生成速度偏差值deltav。主速度设定值通过速度设定值斜坡发生器生成线速度设定值，叠加上速度偏差值deltav，经过速度合成器生成速度设定值传输给张力辊传动系统。

其次，张力辊所控区域内的带钢张力设定值t_set经过张力设定值斜坡发生器与张力实际值t_act进行比较，通过张力pi调节器进行调节输出值为t_out。张力调节器的输出值通过负荷平衡控制器输出的负荷平衡因数转为张力输出转矩，再叠加上摩擦补偿转矩和转动惯量补偿转矩，生成转矩设定值输出给张力辊传动系统，作为附加转矩设定值，用于克服张力辊在运行和升降速过程中，因张力辊动态特性和自身的机械摩擦引起的张力控制系统的扰动。

可以看出，其中张力设定值通过张力设定值斜坡发生器生成的t_set1既会对线速度设定值产生影响，也会对附加转矩设定值有影响。通常情况下，张力设定值斜坡发生器的斜坡时间为固定值，这就意味着当两种规格不同的带钢的焊缝进入带钢张力控制区域后，该区域的张力设定值会有变化，变化的张力设定值会经过张力设定值斜坡发生器输出给张力pi调节器，在此过程中，如果带钢张力控制区域较长(例如炉区、活套)的话，就会产生焊缝还没有离开带钢张力控制区域，带钢的张力设定值已变化为焊缝后的下一规格带钢的张力设定值的现象。这一现象，会影响张力控制系统对焊缝前的上一规格带钢的张力控制。

同时，如果张力设定值斜坡发生器的斜坡时间设置偏小的话，会造成张力设定值变化过快，引起张力调节的波动。由于冷轧处理线是连续生产线，某一带钢张力控制区域的张力波动会造成相邻带钢张力控制区域的张力波动，进而造成相隔带钢张力控制区域的张力波动，甚至影响整个生产区域的张力控制系统的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适应于冷轧处理线基于转矩的张力控制系统中设定值斜坡的自适应控制方法，主要是实现对张力设定值斜坡发生器斜坡时间的精确控制。通过对斜坡时间的精确控制，实现张力设定值的平稳变化，进而实现对带钢张力的精准控制，减小张力调节波动，提高冷轧处理线的张力控制系统的稳定性和精度。

本发明包括可编程控制器和传动系统；可编程控制器包括第一斜坡时间发生器11、第二斜坡时间发生器21、第一张力设定值斜坡发生器12、第二张力设定值斜坡发生器22、张力pi调节器31、负荷平衡控制器32、转矩加法器33、速度设定值斜坡发生器41、deltav控制器42、速度合成器43。

工艺下发的工艺张力设定值t_setp作为第一张力设定值斜坡发生器12的输入端tp_x1输入值，焊缝进入flag、区域长度l_zone、带钢速度v_strip、通常时间nor_time分别作为第一斜坡时间发生器11中x1、x2、x3、x4的输入值，第一斜坡时间发生器11的输出端y连接到第一张力设定值斜坡发生器12的输入端tp_x2；第一张力设定值斜坡发生器12输出端tp_y连接到张力pi调节器31的输入端t_x1，张力实际值t_act连接到张力pi调节器31的输入端t_x2；

张力设定值t_setp通过第一张力设定值斜坡发生器12生成t_set1，邻近张力设定值t_set_nearby通过第二张力设定值斜坡发生器22生成t_set2，t_set1和t_set2叠加后得出deltat；

转矩实际值tq_act连接到deltav控制器42的输入端dv_x，deltav控制器42输出k2与deltat生成deltav连接到速度合成器43的输入端v_x1，主设定速度v1作为速度设定值斜坡发生器41的输入端vp_x，速度设定值斜坡发生器41输出端vp_y连接到速度合成器43的输入端v_x2，速度合成器43的输出端v_y连接到传动系统的速度设定值v_set。

另外，张力设定值t_setp和邻近张力设定值t_set_nearby分别作为负荷平衡控制器32的输入端t_in、t_out的输入值；张力pi调节器31的输出t_out和deltat，叠加后与负荷平衡控制器32的输出k1生成张力转矩tq0,连接到转矩加法器33的输入端tq_x3，转动惯量补偿转矩tq1、摩擦补偿转矩tq2分别连接到转矩加法器33的输入端tq_x1、tq_x2，转矩加法器33的输出端tq_y连接到传动系统的tq_set。

其主要特征在于：与现有的张力控制系统相比，增加了第一斜坡时间发生器11、第二斜坡时间发生器21，其主要实现了在带钢张力控制区域内，张力设定值发生变化时，对张力变化斜坡时间进行正确选取，尤其是焊缝通过张力控制区域时，根据控制区域长度和带钢速度，实现斜坡时间的自适应。

本发明的有益效果在于：通过第一斜坡时间发生器11和第二斜坡时间发生器21，自适应调节张力变化的斜坡时间，确保张力设定值调节变化的稳定性和精确度。并且，张力控制系统仍然具有原张力控制系统的控制方法简单、控制精度高等特点。从而使得这种张力控制方法既满足了工艺操作特点带来的控制变化的要求，又保证了带钢张力控制的稳定性，提高了生产线上所生产带钢的质量。

附图说明

图1为本发明冷轧处理线张力控制系统的实现原理图。

图2为本发明冷轧处理线张力控制系统的结构图。

图3为本发明所涉及的斜坡时间发生器工艺原理图。

图4为本发明一个实施例的张力分布图。

具体实施方式

本发明包括可编程控制器和传动系统；可编程控制器包括第一斜坡时间发生器11、第二斜坡时间发生器21、第一张力设定值斜坡发生器12、第二张力设定值斜坡发生器22、张力pi调节器31、负荷平衡控制器32、转矩加法器33、速度设定值斜坡发生器41、deltav控制器42、速度合成器43。

图1为本发明冷轧处理线张力控制系统的实现原理图。

如图2所示，工艺下发的工艺张力设定值t_setp作为第一张力设定值斜坡发生器12的输入端tp_x1的输入值，焊缝进入flag、区域长度l_zone、带钢速度v_strip、通常时间nor_time作为第一斜坡时间发生器11输入端x1、x2、x3、x4的输入值。通过带钢物料跟踪系统确定焊缝进入各段张力控制区域标记点，即x1的输入值；工艺设计参数可以得到各段张力控制区的区域长度值，即x2的输入值；工艺操作人员根据现场实际情况给出带钢速度值，即x3的输入值；当退出斜坡时间发生器的自适应控制逻辑时，采用固定的斜坡时间值，即x4的输入值。第一斜坡时间发生器11的输出端y连接到第一张力设定值斜坡发生器12的输入端tp_x2；第一张力设定值斜坡发生器12输出端tp_y连接到张力pi调节器31的输入端t_x1，张力实际值t_act连接到张力pi调节器31的输入端t_x2。

张力设定值t_setp通过第一张力设定值斜坡发生器12生成t_set1，邻近张力设定值t_set_nearby通过第二张力设定值斜坡发生器22生成t_set2，t_set1和t_set2叠加后得出deltat。

转矩实际值tq_act连接到deltav控制器42的输入端dv_x，deltav控制器42输出k2与deltat生成deltav连接到速度合成器43的输入端v_x1，主设定速度v1作为速度设定值斜坡发生器41的输入端vp_x，速度设定值斜坡发生器41输出端vp_y连接到速度合成器43的输入端v_x2，速度合成器43的输出端v_y连接到传动系统的速度设定值v_set。

另外，张力设定值t_setp和邻近张力设定值t_set_nearby分别作为负荷平衡控制器32的输入端t_in、t_out的输入值；张力pi调节器31的输出t_out和deltat，叠加后与负荷平衡控制器32的输出k1生成张力转矩tq0,连接到转矩加法器33的输入端tq_x3，转动惯量补偿转矩tq1、摩擦补偿转矩tq2分别连接到转矩加法器33的输入端tq_x1、tq_x2，转矩加法器33的输出端tq_y连接到传动系统的tq_set。

此项控制技术是将张力设定值与物料跟踪系统的带钢焊缝跟踪控制技术结合起来，在正常的生产运行中，张力设定值斜坡发生器的斜坡时间不再为一个固定值，而是通过斜坡时间控制器产生出斜坡时间。

斜坡时间控制器的控制技术基础为位移公式，

t：时间，单位s；

s：位移，单位m；

v：速度，单位m/s。

当焊缝进入带钢张力控制区域时，由物料跟踪系统产生的焊缝进入信号作为斜坡时间发生器自适应功能的触发信号，不再使用固定斜坡时间值，触发斜坡时间计算功能。斜坡时间发生器读取本段带钢张力控制区域的长度和当前带钢的运行速度，根据位移公式，

计算出斜坡时间，将该斜坡时间作为张力设定值斜坡发生器的斜坡时间，焊缝通过后改回固定的斜坡时间值，这样，就将带钢焊缝运行位置与张力设定值变化结合在一起。当焊缝进入带钢张力控制区域后，张力设定值会随着焊缝的向前传送按此斜坡而变化，当焊缝离开带钢张力控制区域后，张力设定值变化为下一规格带钢的张力设定值。从而保证了张力控制系统对带钢张力的稳定调节和平稳过渡。

如图3所示，第一斜坡时间发生器11对于斜坡时间的选取，设置了1个两通道的变量选择器112，两个通道分别是通道0和通道1。通道0连接到第一斜坡时间发生器11的输入端x4，所读取的变量为固定值，即当退出第一斜坡时间发生器11的自适应控制逻辑时，采用固定的斜坡时间值，通道1连接到斜坡时间计算器111的输出端time_y。工艺设计参数可以得到各段张力控制区的区域长度值，工艺操作人员根据现场实际情况给出带钢速度值，将带钢张力控制区域长度l_zone、当前带钢速度v_strip分别连接到第一斜坡时间发生器11的输入端x2、x3，第一斜坡时间发生器11的输入端x2、x3分别连接到斜坡时间计算器111的输入端time_x1、time_x2，通过斜坡时间计算器111得出自适应的斜坡时间。由带钢物料跟踪系统确定焊缝进入各段张力控制区域标记点，作为第一斜坡时间发生器11的输入端x1的输入值，用于变量选择器112的通道切换控制信号。通过对x1的赋值，进行通道0和通道1的选择，x1赋值范围为0～1。

斜坡时间选取方法：

当x1＝0时，选取通道0，y＝nor_time；

当x1＝1时，选取通道1，

带钢张力设定值t_setp连接到第一张力设定值斜坡发生器12输入端tp_x1，第一斜坡时间发生器11的输出端y连接到第一张力设定值斜坡发生器12的输入端tp_x2，张力设定值以该斜坡时间进行变化，作为第一张力设定值斜坡发生器12的输出tp_y，连接到张力pi调节器31的输入端t_x1,再与连接到张力pi调节器31输入端t_x2的张力实际值t_act进行比较，最终计算出张力pi调节器31输出端t_y的张力值t_out。

下面以某公司连续镀锌线工艺段的张力控制系统为例，通过此张力辊所控区域内带钢张力的控制过程来说明增加了斜坡时间发生器后的张力控制系统的作用。

在附图4中，整个炉区分成几个张力段，以加热段为例。

下面以一个生产操作过程为例：前一段带钢加热段张力值为1.3，后一段带钢由于型号变化，加热段张力值为1.5。如果斜坡时间固定为20s，当工艺速度设为180m/min时，焊缝通过加热段所用时间为19.7s，基本可以满足前一段带钢完全通过该段张力控制区域后，张力设定值才变化为后一段张力设定值；但当工艺速度设为120m/min时，焊缝通过加热段所用时间为29.5s，前一段带钢的尾部还有部分在该加热段张力控制区域内，即焊缝未完全通过该段张力控制区域，而此时该区域的张力设定值已经改变为后一段带钢的张力设定值，这就会对前一段的尾部带钢质量有影响，无法达到工艺要求。

投入斜坡时间发生器后，当物料跟踪系统检测到焊缝进入到加热段后，焊缝标记位由0变为1，加热段张力控制区域内应用斜坡时间自适应功能。由工艺设计的参数得出加热段张力控制区域长度59.06m，工艺操作人员根据现场情况输入工艺速度设定值，范围在0m/min～240m/min。由此可以看出在某一段张力控制区域内，自适应斜坡时间主要与该段带钢设定速度的快慢有关，即焊缝通过该段张力控制区域的时间长短，工艺速度设为180m/min时，加热段张力设定斜坡时间为19.7s，工艺速度设为120m/min时，加热段张力设定斜坡时间为29.5s。

焊缝完全通过该段张力控制区域后，张力设定值才变化为后一段带钢的张力设定值，焊缝标记位由1变为0，斜坡时间改回固定值20s，退出自适应功能。即实现了张力值的调节响应速度，又实现了张力值与带钢规格型号的实时匹配。

同理，在预热段、均热段、水淬段等炉区区域内的张力控制系统，投入斜坡时间发生器，在入口活套段、脱脂段、光整拉矫段、钝化段、出口活套段等区域的张力控制系统中，也可以投入使用斜坡自适应功能。

结论：本发明在现有的张力控制系统增加第一斜坡时间控制器11和第二斜坡时间控制器21后，使第一张力设定值斜坡发生器12和第二张力设定值斜坡发生器22的斜坡时间，得到自适应的功能，根据张力控制区域长度和工艺运行速度计算出合适的斜坡时间，保证了张力设定值变化的精准性和稳定性，避免了带钢质量下降的问题。