五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法与流程

本发明涉及轧机张力控制领域，尤其涉及一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法。

背景技术：

在冷连轧机轧制带钢的过程中，都需要将不同的原料轧成相同或不同成品厚度的产品，这就要求其在轧制过程中能够动态的实现产品规格变换。因为如果规格的变化不能在轧制的同时来完成，而要靠停机来实现，那就不能称为全连续轧制了。所以动态变规格对于实现全连续轧制方式有着非常重要的意义，它不仅是全连续冷连轧机区别常规冷连轧机最明显的特征，也是全连续冷连轧机生产的核心技术。

为保证产品质量和工艺过程稳定，冷连轧机机组需要在整个过程中保持恒张力轧制，张力控制精度直接影响成品的板形及厚度公差。张力控制系统中最突出的问题是不仅要求在稳速轧制过程中维持张力恒定，而且在动态变规格阶段，在加减速动态过程中和辊缝不断调节的情况下仍要保持张力的恒定，这就对动态变规格阶段的张力控制策略提出了很高的要求。一个合理的动态规格变换的张力控制策略，不但能够保证轧机快速而准确的实现规格变换，有效的提高产品质量和成材率，而且可以使过渡过程平稳，减少设备所受到的冲击。反之，不正确的动态变规格张力控制策略则可能造成产品质量的下降，设备参数波动剧烈，严重时还可能会造成断带、堆钢或迭轧等生产事故。因此，研究冷连轧机的动态变规格张力控制技术，对于维持轧机的正常生产，实现全连续轧制，提高产品产量、质量具有非常重要的意义。

动态变规格的张力策略在轧机机组不停机的条件下，通过对轧机各机架的辊缝、速度等参数的动态调整，实现相邻两卷带钢的钢种、厚度、张力等规格的变换。动态变规格的过程比较快，它要在极短的时间内由前一卷带钢的轧制规程切换到下一卷带钢的轧制规程，并且在这极短的时间内要对辊缝和辊速进行多次调整，还要防止断带、伤辊等。因此，动态变规格的张力控制也比较复杂，它克服了单卷轧制穿带、甩尾作业的弊端，明显提高了轧制过程的稳定性、带钢质量和轧机的生产效率。

随着基础自动化控制设备的发展，plc的能力极大的提高，计算能力增强，循环时间缩短。因此原来由过程控制系统完成的任务目前大部分都可以由基础自动化系统来完成，这样由于各个逻辑功能单元之间的协调更好，往往获得更好的控制效果。在基础自动化层完成动态变规格张力控制的主要逻辑功能单元有辊缝控制和速度控制，还与设定值处理功能、带钢跟踪功能、机组主令控制等逻辑功能单元以及在线检测仪表等都有紧密的联系，这些功能单元协同工作才能平稳完成带钢规格的动态变换。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，以在连轧机动态变规格阶段平稳快速地完成张力的切换。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，包括以下步骤：

s1、在焊缝接近轧机时所有机架提前减速，在焊缝完全通过轧机后所有机架延时加速，并在加减速阶段适当调节各机架的张力设定值；

s2、确定每个机架对应的楔形区长度，根据前后两条带钢的规格变化情况确定在楔形区通过时需调整张力设定值的机架，并在楔形区通过各机架时调节张力设定值；

s3、对张力设定值进行平滑、限幅处理得到最终的张力设定值，使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号得到最终的张力实际值，依据最终的张力设定值和张力实际值，采用pi控制器计算各机架的辊缝调节量。

进一步地，所述步骤s1中在焊缝接近轧机时提前减速，在焊缝完全通过轧机后延时加速具体包括：

当焊缝通过轧机前最后一个焊缝检测仪时，所有机架开始减速，在楔形区完全通过轧机所有机架后，所有机架低速运行一段距离后开始斜坡加速，然后保持稳速轧制直到这一条带钢基本轧制完成。

进一步地，所述步骤s1中在加减速阶段适当调节各机架的张力设定值具体包括：

在加减速阶段入口张力设定值不调节，该阶段1号机架上的张力设定值不变，2～5号机架在升速阶段少量减小张力设定值，在减速阶段少量增大张力设定值。

进一步地，所述2～5号机架在升速阶段少量减小张力设定值，在减速阶段少量增大张力设定值具体为：

每个机架增大或减小的附加张力设定值根据一条附加张力经验曲线得到，所述经验曲线将机架速度分为若干档，根据生产经验为每档速度提供一个附加张力值，根据当前机架速度设定值在曲线上找寻临近的两档，对临近的两档对应的附加张力值进行线性插值即可得到所需附加的张力设定值。

进一步地，所述步骤s2中根据前后两条带钢的规格变化情况确定在楔形区通过时需调整张力设定值的机架具体包括：

当前后两条带钢的规格相近时，入口张力设定值不做调整，在楔形区通过时，1号机架的张力设定值保持不变，2～5号机架的张力设定值需要调整；

当前后两条带钢的规格相差很大时，入口张力设定值调整，在楔形区通过时，1～5号机架的张力设定值都需要调整。

进一步地，所述步骤s2中在楔形区通过各机架时调节张力设定值具体包括：

在楔形区通过各机架时，各机架的张力设定值按楔形因子发生变化，楔形因子根据楔形区跟踪信号得到，将楔形区长度分为若干段，从楔形区头部进入当前机架的那一时刻开始，到楔形区尾部移出当前机架的过程中，楔形因子从0.0开始按楔形区移动距离成比例增加直至增加到1.0，则在楔形区通过机架的过程中，各个机架的附加张力设定值为：

twedge＝(tsche，n-tschep)×fwedge

式中，twedge为楔形区通过机架时的附加张力设定值，tsche，n为新带钢轧制规程给定的张力设定值，tsche，a为原带钢轧制规程给定的张力设定值，fwedge为楔形因子。

进一步地，所述步骤s3中对张力设定值进行平滑、限幅处理得到最终的张力设定值具体包括：

使用一阶平滑环节pt1对张力设定值进行平滑处理，然后限幅处理得到最终生效的张力设定值：

tset，final＝lim[pt1(tset)]

式中，tset，final为最终生效的张力设定值，lim为限幅环节，最终生效的张力设定值在最大允许张力和最小张力范围内，pt1为一阶平滑环节，离散的pt1环节算法为：

式中，ypt1(n)为pt1环节当前时刻的输出值；ypt1(n-1)为pt1环节上一时刻的输出值；ts为plc控制器的采样时间；tpt1为pt1环节时间常数，在本实施例中取值为100ms，xn为当前时刻输入值，在这里是待平滑的张力设定值；xn-1为该设定值上一时刻的值。

进一步地，所述步骤s3中使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号得到最终的张力实际值具体包括：

根据工作辊直径和线速度设定值计算得到工作辊转动频率fwr，计算公式如下：

式中，vset为机架线速度设定值，duwr和dlwr分别为机架上工作辊和下工作辊的直径，；

使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号，公式如下：

tact＝bsf(tmeasure，fwr)

式中，bsf表示带阻滤波器，共有两个参数，前一个参数为需滤波的信号，后一个参数为带阻滤波器的阻断频率。

进一步地，所述步骤s3中依据最终的张力设定值和张力实际值，采用pi控制器计算各机架的辊缝调节量具体包括：

采用pi控制器来计算各机架张力控制的辊缝调节量stc，公式如下；

δttc(n)＝tset，final(n)-tact(n)

式中，δttc为张力误差，kp为比例积分控制器的比例参数，ti为比例积分控制器的积分时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，在楔形区接近轧机时就提前减速了，并在楔形区通过轧机后延时加速，这样楔形区通过轧机机组时是处于低速状态，低速时各工艺参数更容易控制，张力调节的波动情况也更为平缓，较大程度上确保了机组设备的安全；本发明根据动态变规格期间的速度变化情况，分阶段动态调节过程中的张力设定值，并平滑处理了张力设定值，滤波处理了张力实际值，提高了张力控制系统的稳定性和抗扰性，确保了动态变规格期间张力的平稳过渡。

附图说明

图1为本发明实施例提供的五机架冷连轧机示意图；

图2为本发明实施例提供的一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的某机架在动态变规格期间的张力设定值与速度设定值的变化曲线图，上图为张力设定值曲线，下图为速度设定值曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，应用于五机架冷连轧机，如图1所示，所述五机架冷连轧机包括依次设置的1～5号机架，五机架冷连轧机的五个机架都为六辊轧机，轧制方向从左向右。由于每个机架的机械设备都是一样的，以3号机架为例说明五机架冷连轧机的设备组成：3号机架由上支撑辊6、上中间辊7、上工作辊8、下工作辊9、下中间辊10、下支撑辊11组成。此外，轧机入口处装有入口张力辊12、出口处装有出口卷取机13；轧机传动系统为中间辊传动，上下中间辊使用变频调速电机14、15进行调速，电机由变频器16驱动，可编程逻辑控制器(plc)17将速度调节量发给变频器，变频器调节电机转速使得传动辊线速度达到设定值；轧机使用压下系统18控制辊缝；冷连轧机的张力控制系统(tensioncontrol)通过调节轧机辊缝来完成。所有的控制功能都在plc中编程实现，plc采用多cpu架构，每个cpu可单独完成特定的功能，比如本发明中涉及到的张力控制、液压压下控制、速度控制、带钢跟踪、设定值处理、各检测仪表的通讯等，都由不同的cpu分别完成。机组的检测仪表共包括3套x射线测厚仪、2套激光测速仪、5套张力计、若干套脉冲编码器(在所有调速电机上都装有脉冲编码器)。其中3套x射线测厚仪分别为1号机架入口测厚仪19、1号机架出口测厚仪20、5号机架出口测厚仪21；2套激光测速仪分别为1号机架出口测速仪22、5号机架出口测速仪23；入口张力由入口张力辊12测量，各个机架间的张力分别由5套张力计24、25、26、27和28来测量。根据这样的仪表配置，则整个机组各段的张力都可以测量得到。

如图2所示，本实施例提供的一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法包括以下步骤：

s1、在焊缝接近轧机时所有机架提前减速，在焊缝完全通过轧机后所有机架延时加速，并在加减速阶段适当调节各机架的张力设定值；

s2、确定每个机架对应的楔形区长度，根据前后两条带钢的规格变化情况确定在楔形区通过时需调整张力设定值的机架，并在楔形区通过各机架时调节张力设定值；

s3、对张力设定值进行平滑、限幅处理得到最终的张力设定值，使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号得到最终的张力实际值，依据最终的张力设定值和张力实际值，采用pi控制器计算各机架的辊缝调节量。

本发明实施例提供的这种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，在楔形区接近轧机时就提前减速了，并在楔形区通过轧机后延时加速，这样楔形区通过轧机机组时是处于低速状态，低速时各工艺参数更容易控制，张力调节的波动情况也更为平缓，较大程度上确保了机组设备的安全；本发明根据动态变规格期间的速度变化情况，分阶段动态调节过程中的张力设定值，并平滑处理了张力设定值，滤波处理了张力实际值，提高了张力控制系统的稳定性和抗扰性，确保了动态变规格期间张力的平稳过渡。

下面对以上各步骤进行详细说明。

所述步骤s1中在焊缝接近轧机时提前减速，在焊缝完全通过轧机后延时加速具体包括：

为确保动态变规格的过渡过程平稳实现，在焊缝接近轧机时，主速度控制器就提前让机组减速了。在本实施例中，当焊缝通过轧机前最后一个焊缝检测仪时，此时当前带钢尾部距离1机架辊缝处还有约20多米，所有机架开始减速，机组的主令速度(一般是指连轧机最后一个机架的出口速度)从当前带钢的轧制速度(8.5m/s)斜坡下降至动态变规格速度(3m/s)。这样在楔形区(焊缝附近区域)通过轧机时整体是处于低速状态的。

在楔形区完全通过轧机所有机架后，也不是立刻就升速到正常轧制速度，因为动态变规格期间，带钢张力和厚度会有较大波动，等机组的工况基本稳定后才会开始升速。在本实施例中，所有机架低速运行一段距离约19m左右后开始斜坡加速，机组的主令速度从3m/s加速到8.7m/s，然后保持稳速轧制直到这一条带钢基本轧制完成。

进一步地，所述步骤s1中在加减速阶段适当调节各机架的张力设定值具体包括：

在动态变规格的加减速阶段入口张力设定值不调节，该阶段1号机架上的张力设定值不变，2～5号机架在加减速阶段适当调节张力设定值。调节原则是在升速阶段少量减小张力设定值，在减速阶段少量增大张力设定值。具体地，每个机架增大或减小的附加张力设定值根据一条附加张力经验曲线得到，所述经验曲线将机架速度分为若干档，根据生产经验为每档速度提供一个附加张力值，具体使用时根据当前机架速度设定值在曲线上找寻临近的两档，对临近的两档对应的附加张力值进行线性插值即可得到所需附加的张力设定值。

举例来说，比如说当前机架在减速阶段，当前速度设定值位于2、3档之间，那么该机架需要调节的附加张力设定值为：

式中，ta(n)为当前时刻的附加张力设定值，ta(2)和ta(3)分别为当前机架速度为第2档和第3档速度时对应的附加张力设定值，vset为当前时刻的机架速度设定值，v2和v3分别为设置的第2档和第3档的速度值。

同理，升速阶段也采用同样的曲线获取附加张力设定值，记为tacce。

以某轧机的3号机架为例，降速期间张力设定值共增大了1.74kn，升速期间张力设定值减小了1.81kn。

所述步骤s2中根据前后两条带钢的规格变化情况确定在楔形区通过时需调整张力设定值的机架具体包括：

当前后两条带钢的规格相近时，入口张力(1机架前的张力)设定值不做调整，在楔形区通过时，1号机架的张力设定值保持不变，2～5号机架的张力设定值需要调整；当前后两条带钢的规格相差很大(一般是入口厚度和出口厚度发生了较大变化，比如说出口厚度相差了0.3mm以上)时，入口张力设定值调整，在楔形区通过时，1～5号机架的张力设定值都需要调整。

具体地，所述步骤s2中在楔形区通过各机架时调节张力设定值具体包括：

在楔形区通过各机架时，各机架的张力设定值按楔形因子发生变化，楔形因子根据楔形区跟踪信号得到，将楔形区长度分为若干段，从楔形区头部进入当前机架的那一时刻开始，到楔形区尾部移出当前机架的过程中，楔形因子从0.0开始按楔形区移动距离成比例增加直至增加到1.0，比如当前机架的楔形区长度为1.3m，分为10段，则每段为0.13m，从楔形区头部进入当前机架的那一时刻开始，楔形因子从0.0开始每移动0.13m增大0.1，等楔形区尾部移出当前机架的时候，楔形因子增大到1.0。则在楔形区通过机架的过程中，各个机架的附加张力设定值为：

twedge＝(tsche，n-tschep)×fwedge

式中，twedge为楔形区通过机架时的附加张力设定值，tsche，n为新带钢轧制规程给定的张力设定值，tsche，a为原带钢轧制规程给定的张力设定值，fwedge为楔形因子。

进一步地，所述步骤s3中对张力设定值进行平滑、限幅处理得到最终的张力设定值具体包括：

在动态变规格的过程中，张力设定值要经过三次变化，分别是在减速、楔形区通过机架和升速这三个阶段，最后达到新带钢轧制规程给定的张力设定值。按照过程顺序张力设定值的变化如下式所示：

在这三次变化过程中，为了使得变化过程平稳，还要进行平滑和限幅处理，本实施例使用一阶平滑环节pt1对张力设定值进行平滑处理，然后限幅处理得到最终生效的张力设定值：

tset，final＝lim[pt1(tset)]

式中，tset，final为最终生效的张力设定值，lim为限幅环节，最终生效的张力设定值在最大允许张力和最小张力范围内，pt1为一阶平滑环节，离散的pt1环节算法为：

式中，ypt1(n)为pt1环节当前时刻的输出值；ypt1(n-1)为pt1环节上一时刻的输出值；ts为plc控制器的采样时间；tpt1为pt1环节时间常数，在本实施例中取值为100ms，xn为当前时刻输入值，在这里是待平滑的张力设定值；xn-1为该设定值上一时刻的值。

经过上述方法处理后，最终生效的张力设定值十分平滑，能确保动态变规格期间张力的平稳过渡，实际的张力设定值曲线可参考图3。图3为某机架在动态变规格期间的张力设定值与速度设定值的变化曲线图，上图为张力设定值曲线，下图为速度设定值曲线。在动态变规格期间，首先会提前降速，此时张力设定值会少量增大，然后是楔形区通过机架时，张力设定值会根据前后两条带钢的轧制规程的给定张力而平滑变化，最后等楔形区完全通过所有机架，并等待各项工艺指标平稳下来以后，开始逐渐升速到轧制速度，这个时候的张力设定值会少量减小。

所述步骤s3中使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号得到最终的张力实际值具体包括：

张力计测量的张力信号中包含有工作辊转动造成的周期扰动信号，需要使用带阻滤波器过滤掉这部分干扰信号，阻断频率为工作辊转动频率fwr，首先根据工作辊直径和线速度设定值计算得到工作辊转动频率fwr，计算公式如下：

式中，vset为机架线速度设定值，duwr和dlwr分别为机架上工作辊和下工作辊的直径，；

然后使用带阻滤波器过滤掉张力计测量值中的工作辊转动频率信号，公式如下：

tact＝bsf(tmeasure，fwr)

式中，bsf表示带阻滤波器，共有两个参数，前一个参数为需滤波的信号，后一个参数为带阻滤波器的阻断频率。

进一步地，所述步骤s3中依据最终的张力设定值和张力实际值，采用pi控制器计算各机架的辊缝调节量具体包括：

在连轧机中，入口张力和机架间张力是通过调节后面机架的辊缝来控制的，比如入口张力就是通过1机架来调节，1，2机架间的张力通过2机架来调节。采用pi控制器来计算各机架张力控制的辊缝调节量stc，公式如下；

δttc(n)＝tset，final(n)-tact(n)

式中，δttc为张力误差，kp为比例积分控制器的比例参数，ti为比例积分控制器的积分时间。

按照上述方法，在动态变规格阶段，通过设置平滑的张力设定值，调节后机架的辊缝，完成新老带钢张力的平稳过渡，实现无停顿的全连续轧制。

本实施例提出的一种五机架冷连轧机动态变规格阶段的张力控制方法，首先在楔形区接近轧机时整个机组提前减速，在低速情况下楔形区通过轧机各机架，延时等工艺参数稳定后再升速到轧制速度。在这个过程中张力设定值需要变化三次，其中减速和加速过程中根据经验曲线线性插值获得附加张力设定值，楔形区过轧机时根据楔形因子从原带钢的张力设定值过渡到新带钢的张力设定值。然后平滑处理张力设定值，滤波得到张力实际值，最终采用pi控制器计算各机架的辊缝调节量。该方法给出了动态变规格阶段各机架的张力设定值的动态调节方法，并计算出后机架的辊缝调节量实现了各机架张力的实时控制，具有很强的实用性，能有效的提高产品质量和成材率，完成动态变规格阶段带钢张力的平稳过渡，实现无停顿的全连续轧制。

要理解本文所述的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任意组合来实现。对于硬件实现方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理器件(dspd)、可编程逻辑控制器(plc)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微处理器、微控制器、被设计以执行本文所述功能的其它电子单元、或其组合内实现。当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，可以将它们存储在诸如存储组件的机器可读介质中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。