CN102873106A - 一种平整机延伸率快速精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平整机延伸率快速精确控制方法，该方法采用双闭环控制系统，其中轧制力控制作为内环控制系统，延伸率控制作为外环控制系统，包括动态补偿控制。轧制力闭环控制系统采用的是操作侧与传动侧的和轧制力控制以及差轧制力控制的方式；液压缸伺服阀采用的是泄露补偿积分控制方式。延伸率控制回路采用动态变增益自适应控制方法，通过计算轧制力偏差进行积分反推方法实时修正控制器增益。针对升减速阶段延伸率波动过大这一问题，建立速度波动与延伸率之间的数学模型，采用轧制力预控的补偿控制方法与延伸率闭环共同完成延伸率控制。

Description

一种平整机延伸率快速精确控制方法

技术领域

本发明属于冶金生产过程自动化领域，涉及一种冷轧生产线平整机的延伸率控制方法。

背景技术

在冷轧带钢生产过程中，延伸率是产品的一项重要技术指标。延伸率控制性能的优劣直接关系到产品的质量高低。由于在生产过程中，延伸率具有滞后、时变、非线性、数学模型难以准确建立等特点，尤其是在平整机的升减速过程中，延伸率的波动更大。因此，采用常规的增量式PID算法难以获得满意的控制效果。《冷轧平整机延伸率控制系统的应用及研究》（钢铁研究学报， 2008 Vol.20 No.5） 描述了一种冷轧平整机组的延伸率控制系统，该系统是一种双闭环控制系统，内环采用的是轧制力控制系统，外环采用的是延伸率控制系统。并且针对平整机在加减速或出现其它扰动时的延伸率波动问题，提出了在双闭环控制系统中增加速度前馈控制的方法。文章提出的方法对于延伸率的控制和抗扰动性有一定的效果，但是缺乏快速实时响应的特性和稳定性的控制方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种平整机延伸率的快速精确控制方法，该方法不但具有令人满意的延伸率控制效果，而且还具有快速的实时响应特性和较强的系统稳定性。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种平整机延伸率快速精确控制方法，该方法采用双闭环控制系统，其中轧制力控制作为内环控制系统，延伸率控制作为外环控制系统，包括动态补偿控制；轧制力闭环控制系统采用的是操作侧与传动侧的和轧制力控制以及差轧制力控制的方式；液压缸伺服阀采用的是泄露补偿积分控制方式。

进一步地，所述的轧制力闭环控制系统具有快速响应特性，系统响应时间在25ms左右，轧制力波动范围控制在0.05MN以内。伺服阀输出电流I：

$I=K_p*\mathrm{\ΔF}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δf}*K_p*\mathrm{dt}$

式中ΔF为轧制力偏差值，K_P为控制器增益， T_i为伺服阀泄露补偿控制器积分时间，t为程序的采样周期。

进一步地，所述的延伸率闭环控制系统具有快速响应特性，系统响应时间在25ms左右，轧制力波动范围控制在0.05MN以内。

延伸率闭环控制系统输出的轧制力附加设定值F1：

$F_1=K_p*\mathrm{\Δ\ϵ}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δ\ϵ}*K_p*\mathrm{dt}$

式中Δε为轧制力偏差值，K_P为控制器增益， T_i为延伸率控制器积分时间，t为程序的采样周期。

进一步地，延伸率闭环控制器增益Kp还包括自适应增益K，根据轧制力与延伸率关系，延伸率控制回路通过积分反推实时计算出轧制力设定值，与实际轧制力进行比较根据偏差修正轧制力与延伸率之间的比例系数。将比例系数进行转化作为延伸率控制器的增益，这样就可以实现控制增益的连续动态修正。

自适应增益K的计算方法如下：

$K=\frac{1}{T}*\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(K_0*\mathrm{\ϵ}-F_0)*\mathrm{dt}$

式中F₀为上一扫描周期计算的轧制力的设定值，K₀为上一扫描周期计算的增益，ε：实际延伸率，T为自适应控制环节积分时间，t为程序的采样周期。

升降速过程中延伸率预设控制：建立速度变化与延伸率之间关系的数学模型，进而计算出需要补偿的轧制力值，通过轧制力调节来消除速度变化对延伸率的影响；轧制力补偿附加设定值F2的计算公式：

$F_2=k*\frac{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_1}}{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_0}}$

式中：F2补偿轧制力附加设定值，k 为速度前馈轧制力修正系数，Vmax 为最大线速度，Vl为运行线速度, V0为穿带线速度。

与现有技术相比，本发明的优点是：由于该方法除了采用双闭环控制系统以外，还采用了轧制力闭环控制系统的和轧制力控制以及差轧制力控制的方式，而液压缸伺服阀采用的是泄露补偿积分控制方式，并且还加入了延伸率闭环控制器的自适应增益控制算法，因此，该平整机延伸率的控制方法，不但具有令人满意的延伸率控制效果，而且还具有快速的实时响应特性和较强的系统稳定性。

附图说明

图1 轧制力闭环控制系统原理图。

图2 延伸率闭环控制系统原理图。

图3 带有动态补偿的延伸率控制系统原理图。

具体实施方式

参见图1～3，其具体步骤如下：

步骤1.平整机延伸率控制系统设计，包括控制器软硬件选型和控制系统平台搭建:

控制系统硬件选用西门子公司S7-400系列PLC和FM458系列高速闭环控制模块。选用S7-400进行延伸率控制模式选择及启停逻辑，FM458模块作为延伸率控制器，选用FM448模块进行现场总线数据通讯，选用FM438模块作为输入输出信号处理。延伸率检测部分采用激光测速仪和编码器两种方式。控制软件采用西门子STEP 7 V5.3和D7 SYS系统开发环境。

步骤2.平整机延伸率检测系统：

采用激光测速仪和编码器两种方式进行实际延伸率检测。激光测速仪采用PROFIBUS DP总线通讯方式与FM448模块连接，通过总线网络将机架入出口带钢速度传送到控制系统进行延伸率计算。机架入出口导向辊轴心位置安装高精度编码器通过屏蔽电缆与FM438模块连接，将入出口带钢速度传送到控制系统。

步骤3.轧制力闭环控制系统设计：

轧制力闭环控制系统作为内环调节具有快速响应特性，采用伺服阀调节，采用比例控制器加伺服阀泄露补偿积分器的控制方式。系统响应时间25ms左右，轧制力波动范围控制在5吨以内。伺服阀输出电流I：

$I=K_p*\mathrm{\ΔF}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔF}*K_p*\mathrm{dt}$

控制参数取值：K_P=1.0， T_i=50s，t=1.6ms。

步骤4.平整机延伸率闭环控制系统设计：

系统通过轧制力调节方式来控制延伸率，轧制力调节回路作为系统内环，延伸率闭环控制作为外环，延伸率控制回路根据延伸率偏差调整输出轧制力附加设定值，从而通过压下系统轧制力的改变来调节延伸率。根据轧制力与延伸率关系，延伸率控制回路通过积分反推实时计算出轧制力设定值，与实际轧制力进行比较根据偏差修正轧制力与延伸率之间的比例系数。将比例系数进行转化作为延伸率控制器的增益，这样就可以实现控制增益的连续动态修正。

延伸率闭环控制系统输出的轧制力附加设定值F1：

$F_1=K_p*\mathrm{\Δ\ϵ}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δ\ϵ}*K_p*\mathrm{dt}$

T_i =500ms，t=6.4ms。

步骤5. 延伸率闭环控制器增益Kp中的自适应增益K的计算方法：

延伸率闭环控制器增益Kp还包括自适应增益K，根据轧制力与延伸率关系，延伸率控制回路通过积分反推实时计算出轧制力设定值，与实际轧制力进行比较根据偏差修正轧制力与延伸率之间的比例系数。将比例系数进行转化作为延伸率控制器的增益，这样就可以实现控制增益的连续动态修正。

延伸率闭环控制器增益Kp中的自适应增益K的计算方法如下：

$K=\frac{1}{T}*\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(K_0*\mathrm{\ϵ}-F_0)*\mathrm{dt}$

式中F₀为上一扫描周期计算的轧制力的设定值，K₀为上一扫描周期计算的增益，K初值1.4， T=6000ms，t=6.4ms。

步骤6.平整机延伸率动态补偿控制环节设计：

建立速度变化与延伸率之间关系的数学模型，进而计算出需要补偿的轧制力值，通过轧制力调节来消除速度变化对延伸率的影响。轧制力补偿附加设定值F₂：

$F_2=k*\frac{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_1}}{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_0}}$

式中：F₂补偿轧制力附加设定值，V_l为运行线速度,k=1.5，V_max =1200米/分钟， V₀=60米/分钟。

Claims (5)

1.一种平整机延伸率快速精确控制方法，其特征在于：该方法采用双闭环控制系统，其中轧制力控制作为内环控制系统，延伸率控制作为外环控制系统，包括动态补偿控制，轧制力闭环控制系统采用的是操作侧与传动侧的和轧制力控制以及差轧制力控制的方式；液压缸伺服阀采用的是泄露补偿积分控制方式。

2.根据权利要求1所述的平整机延伸率快速精确控制方法，其特征在于：所述的轧制力闭环控制系统具有快速响应特性，系统响应时间在25-25ms，轧制力波动范围控制在0.05MN以内，伺服阀输出电流I：

$I=K_p*\mathrm{\ΔF}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δf}*K_p*\mathrm{dt}$

式中ΔF为轧制力偏差值，K_P为控制器增益， T_i为伺服阀泄露补偿控制器积分时间，t为程序的采样周期。

3.根据权利要求1所述平整机延伸率快速精确控制方法，其特征在于：延伸率闭环控制系统输出的轧制力附加设定值F1：

$F_1=K_p*\mathrm{\Δ\ϵ}+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δ\ϵ}*K_p*\mathrm{dt}$

式中Δε为轧制力偏差值，K_P为控制器增益， T_i为延伸率控制器积分时间，t为程序的采样周期。

4.根据权利要求2或3所述平整机延伸率快速精确控制方法，其特征在于：所述的延伸率闭环控制器增益Kp还包括自适应增益K，根据轧制力与延伸率关系，延伸率控制回路通过积分反推实时计算出轧制力设定值，与实际轧制力进行比较根据偏差修正轧制力与延伸率之间的比例系数。将比例系数进行转化作为延伸率控制器的增益，这样就可以实现控制增益的连续动态修正；

自适应增益K的计算方法如下：

$K=\frac{1}{T}*\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(K_0*\mathrm{\ϵ}-F_0)*\mathrm{dt}$

式中F₀为上一扫描周期计算的轧制力的设定值，K₀为上一扫描周期计算的增益，ε：实际延伸率，T为自适应控制环节积分时间，t为程序的采样周期。

5.根据权利要求2或3所述平整机延伸率快速精确控制方法，其特征在于：还包括升降速过程中延伸率预设控制；建立速度变化与延伸率之间关系的数学模型，进而计算出需要补偿的轧制力值，通过轧制力调节来消除速度变化对延伸率的影响；轧制力补偿附加设定值F2的计算公式：

$F_2=k*\frac{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_1}}{\sqrt{V_{\max }}-\sqrt{V_0}}$

式中：F2补偿轧制力附加设定值，k 为速度前馈轧制力修正系数，Vmax 为最大线速度， Vl为运行线速度, V0为穿带线速度。

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