CN105251778B - 单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄反馈控制方法，以五机架冷轧单锥度工作辊窜辊轧机为对象，以冷轧硅钢横向厚差最小作为目标函数，建立针对冷轧硅钢边部减薄的反馈控制模型，即通过边降偏差信号处理、边降偏差信号拟合、各机架工作辊窜辊调节值计算及各机架窜辊调节值限幅处理，使边部减薄反馈配合控制模型针对S5即第5机架出口边降仪实测的边降偏差信号的不同模态，通过S1～S3机架配合实现边部减薄的精确控制。本发明能够减少带钢边部减薄缺陷，提高冷轧硅钢成品的叠片率，使硅钢产品的边部减薄平均值≤10μm的比率达到100%，边部减薄平均值≤8μm的比率达到98.5%，取得了良好的控制效果。

Description

单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄反馈控制方法

技术领域

本发明属于冷轧工艺控制领域，具体涉及一种用于冷轧硅钢轧制的单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄的反馈控制方法。

背景技术

冷轧硅钢作为国家优先发展的高效节能、用量大的优秀软磁功能材料，是我国钢铁工业品种结构调整的重中之重，广泛应用于电力、机电、邮电和军工等领域。横向厚差是硅钢产品的重要质量指标，决定了硅钢的叠片系数，因此为了提高电机和变压器效率，对硅钢的横向厚差的要求极高，普通要求小于等于10μm，高级要求小于等于5μm。为了能够反映边降的情况，目前通常采用边缘降量方法，就是带钢边部特定点厚度与基准点的差值量。冷轧过程中带钢边部减薄现象是由轧机工作辊的弹性压扁及带钢边部区域金属的横向流动引起的。为了减少带钢边部减薄，目前通常采用单锥度工作辊窜辊轧机T-WRS(Taper WorkRoll Shifting Mill)进行轧制，T-WRS的工作辊可以实现轴向移动，并分为常规段(一般为平辊)和锥形段，如图1所示。进行边部减薄控制时，针对不同宽度带钢利用窜辊使得带钢边部进入工作辊锥形段内，达到边部局部增厚，减少边部减薄的目的。

边部减薄控制分为3个部分：根据来料的凸度值进行工作辊轴移位置设定控制；根据轧机出口带钢边部减薄状况进行反馈控制；根据工作辊轴移位置的变化进行工作辊弯辊压力补偿。其中反馈控制是边部减薄控制的核心，它是以轧机出口边降仪测定的带钢边缘降量实际值为基础，动态修正工作辊轴向位移，以达到对带钢中部(纵向)位置边缘降量的准确控制。与带钢平坦度自动控制系统的高速发展相比，边部减薄控制技术尚在起步阶段，由于控制模型和控制策略的问题，国内外此领域的控制精度普遍不高，实现有效稳定工业应用的较少。其中以日本日立公司为代表开发的边降控制系统，都是应用边部1个特征点(如距边部15mm)的边降值作为控制依据，然后乘以调控功效系数，得到窜辊改变量。由于只考虑边部1个特征点，并不能完全代表带钢边降状况，所以其控制精度不高。

为提高边部减薄反馈控制精度，对现有边部减薄反馈控制系统进行研究，本发明利用轧机出口边降仪、S1(第1机架)～S3(第3机架)单锥度工作辊窜辊和SIEMENS控制器，应用边部3个特征点综合判断边降情况，并创建基于三元一次方程组的控制模型，求解3个机架的窜辊改变量，提出配合反馈控制策略，以提高边降控制精度。

发明内容

本发明提供一种适合于单锥度工作辊窜辊冷轧机的边部减薄反馈控制方法，旨在解决冷轧硅钢生产过程中带钢横向厚度均匀度控制精度低的问题，提高硅钢产品的叠片率和导磁性能，达到提高硅钢成品质量和市场竞争力的目的。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄反馈控制方法，其特征在于，边部减薄反馈控制模型针对S5即第5机架出口边降仪实测的边降偏差信号的不同模态，通过S1～S3机架配合实现精确控制。其控制方法及步骤为：

1、边降偏差信号处理

在得到边降仪实测信号后，首先判断边降仪是否在测量过程中，检测操作侧和传动侧的测量值是否存在，并判断边降仪的测量值是否正常；然后将距边部20mm作为边降标准点，与边降设定值相减，得到边降偏差信号，再次判断偏差量是否在≤8μm的死区范围内，如果＞8μm则进行边降控制，死区判断采用偏差的最大值是否超过死区限幅来确定。

2、边降偏差信号拟合

边降偏差根据模态的不同，可以分为外部偏差与内部偏差两种，外部偏差需要更多地在上游机架(如S1)增大窜辊调节量，而内部偏差需要更多的在下游机架(如S3)增大窜辊调节量。

为适应不同模态控制的需要，将边降偏差信号拟合为三次曲线，如下式所示：

ΔED(x)＝e₀+e₁x+e₂x²+e₃x³ (1)

式中，e₀、e₁、e₂、e₃分别为方程系数；x为曲线横坐标；

在此基础上对边降偏差信号三次曲线进行离散，表示为沿边部宽度范围上限取为100～150mm的离散点组成的向量形式ΔED。

3、各机架工作辊窜辊调节值计算

工作辊轴向位移的反馈修正计算，采取操作侧和传动侧分别进行；对于带钢边部增厚状况的计算处理，首先判断边部增厚是否超过3μm的边升控制限幅值，然后其修正量直接给定一个10mm的窜辊插入量，使边部增厚尽快消除。对于带钢边部减薄状况的计算，由于通过S1～S3机架的窜辊，所以建立如下三元一次方程组，得到3个机架的窜辊修正量：

在实际应用过程中，根据实际控制工艺与精度需要，减少向量中参与计算的坐标点；在带钢边部宽度范围内选定3个特征位置点a₁、a₂、a₃，其对应边降值为δE_a1，δE_a2，δE_a3；K_Swi,Ea1，K_SWi,Ea2，K_SWi,Ea3为第i个机架窜辊边降调控功效向量在特征位置点的幅值，i＝1,2,3；K_Swi,Ea1＝0.01～5.8，K_SWi,Ea2＝0.008～4.6，K_SWi,Ea3＝0.004～2.3；δS_W,1，δS_W,2，δS_W,3分别为S1、S2、S3机架的工作辊窜辊调整量。

由硅钢5机架冷轧机边部减薄的控制特点所决定，对距边缘80mm处的边部减薄h₁₁₅-h₈₀而言，锥形工作辊在S1的影响最明显，而对其后的机架影响较小；对距边缘50mm处的边部减薄h₁₁₅-h₅₀而言，锥形工作辊的影响不仅对S1且对S2也很明显；对距边缘20mm处的边部减薄h₁₁₅-h₂₀而言，锥形工作辊对S1～S3都有影响。

为提高控制程序在控制器中的计算效率，进一步对计算模型简化如下：

依据各机架调控特性的差别，将各机架窜辊调节范围区分为：S_W,1调节范围为60～100mm，S_W,2调节范围30～70mm，S_W,3调节范围0～50mm。

定义3个特征位置点a₁、a₂、a₃分别为距边部80mm，50mm，20mm，以保证后机架的最大窜辊值达不到前机架的特征位置点亦即控制目标点，在此基础上，针对式(2)得到如下的简化计算公式(3)：

4、各机架窜辊调节值限幅

窜辊调节值计算完成后，对调节值进行限幅。工作辊轴向位移的范围是由冷轧边缘降区的长度和单锥度工作辊的工作长度确定的，反馈控制中对上下辊轴向移动范围限定在5～100mm，上下辊位差限制在40mm；当工作辊轴向移动操作量超过限定范围，就会对反馈量进行修正，原则是优先保证相对减薄一侧的控制；除各机架窜辊值调节范围外，每块钢均设置反馈调节限幅，超过限幅值时则输出限幅值；在调试新规格时，则对限幅值进行人工调整。

本发明的有益效果为：

本发明以五机架冷轧单锥度工作辊窜辊轧机为对象，以冷轧硅钢横向厚差最小作为目标函数，建立了针对冷轧硅钢边部减薄的反馈控制模型，因而具有以下特点和效果：

1、提供了一种适应工业应用的边部减薄检测数据处理拟合方法；

2、通过边降调控功效向量的引入，提高边部减薄反馈控制精度；

3、建立了应用边部3个特征位置点的边部减薄反馈控制模型；

实验数据结果表明，本发明能够减少带钢边部减薄缺陷，进而提高冷轧硅钢成品的叠片率，使硅钢产品的边部减薄平均值≤10μm的比率达到100％，边部减薄平均值≤8μm的比率达到98.5％，取得良好的控制效果；本发明可以利用原有控制设备，易于维护，节省技术引进资金投入，满足冷轧硅钢日益严格的边降质量和增强市场竞争力需要。

附图说明

图1是单锥度工作辊窜辊原理图；

图2是边部减薄偏差信号死区判断图；

图3是边部减薄外部偏差的模态图；

图4是边部减薄内部偏差的模态图；

图5是边部减薄特征位置点定义图；

图6是操作侧边部减薄反馈控制效果图；

图7是工作侧边部减薄反馈控制效果图。

具体实施方式

采用五机架硅钢冷连轧机，其中S1～S3机架具有单锥度工作辊窜辊功能。轧机工作辊直径360mm，辊身长度1480mm，锥度角tgθ＝1/400。为有效地评价边部减薄控制的效果，选择距离边部20mm,50mm,80mm三个点作为评价的特征位置点，分别对操作侧(OS)和传动侧(DS)分别进行评价。设置S1～S3机架为边部减薄处理，具备工作辊窜辊的边部减薄反馈控制功能。实现过程如下：

1、从窜辊边降调控功效系数数据库中根据钢种、宽度、厚度输入条件提取窜辊边降调控功效系数；从边降控制目标曲线数据库读取各点边降控制目标值。

2、S5机架出口边降偏差信号处理

(1)判断边降仪检测信号启动ON且边降特征点检测厚度≥0。

(2)边降偏差信号拟合：拟合以T为程序执行周期，在该执行周期内取平均，设S5后边降仪采样周期为t，则平均采样数n为：n＝T/t

可以得到T周期内的平均值：

Endif

3、边降偏差量死区判断

如图2所示，进行边部减薄偏差信号死区判断，以距边部115mm厚度值h₁₁₅作为标准点，求解边部范围内三个特征位置点a₁、a₂、a₃(距边部20mm、50mm、80mm)操作侧与传动侧边降值(设通过上辊窜辊控制操作侧边降，通过下辊窜辊控制传动侧边降)：

同样计算a2、a3位置；

计算边降偏差量：

同样计算a2、a3位置；

边降偏差量死区判断：

if ΔED_a1,OS<EDBand and ΔED_a1,OS>-EDBand

Then ΔED_a1,OS＝0

if ΔED_a1,DS<EDBand and ΔED_a1,DS>-EDBand

Then ΔED_a1,DS＝0

同样计算a2、a3位置；其中偏差死区EDBand＝8μm。

边降偏差根据模态的不同，可以分为外部偏差与内部偏差两种，如图3、4所示。外部偏差需要更多地在上游机架(如S1)增大串辊调节量，而内部偏差需要更多地在下游机架(如S3)增大串辊调节量。

4、S1～S3机架工作辊窜辊调节值计算

如图5所示，依据各机架调控特性的差别，将各机架窜辊调节范围区分为：S_W,1调节范围为60～100mm，S_W,2调节范围30～70mm，S_W,3调节范围0～50mm。

定义3个特征位置点a₁、a₂、a₃分别为距边部80mm，50mm，20mm，以保证后机架的最大窜辊值达不到前机架的特征位置点亦即控制目标点，通过求解方程组，工作辊轴向位移反馈修正计算，操作侧和传动侧分别进行处理：

ΔS_Wi,OS＝ΔS_Wi,OS*G_SW,i

ΔS_Wi,DS＝ΔS_Wi,DS*G_SW,i

其中，K_SWi,Ea1为第i机架窜辊边降调控功效系数在边部a1点位置的值；G_SW,i为窜辊调节增益系数。

5、S1～S3机架窜辊调节值限幅输出

模型输出S1～S3机架操作侧、传动侧窜辊插入量调整量，共6个参数。工作辊轴向位移的范围是由冷轧边缘降区的长度和锥辊的工作长度确定的，反馈控制中对上下辊轴向移动范围(5～100mm)以及上下辊窜辊的位置差(≤40mm)都做了限制。

带钢边部0～100mm范围内的边部减薄控制情况见图6、7，结论如下：

(1)在同一轧机上，边降控制的投入将对边部厚度尤其在0-20mm的范围内产生较大的影响。从上述数据看，边降的幅度大约在50％。

(2)作为单锥度工作辊窜辊轧机而言，可有效地改变边部0～100mm范围内的厚度分布情况，对于消除冷轧产品边降发挥有效作用。

(3)具备有边降控制手段的单锥度工作辊窜辊轧机，通过锥度辊的运用可有效地改善带钢边部的厚度控制效果，减少边降的产生，减少后道工序的切边量提高成材率。

Claims (1)

1.一种单锥度工作辊窜辊轧机边部减薄反馈控制方法，其特征在于，边部减薄反馈控制模型针对S5即第5机架出口边降仪实测的边降偏差信号的不同模态，通过S1～S3机架配合实现精确控制，其控制方法及步骤为：

(1)边降偏差信号处理

在得到边降仪实测信号后，首先判断边降仪是否在测量过程中，检测操作侧和传动侧的测量值是否存在，并判断边降仪的测量值是否正常；然后将距边部20mm作为边降标准点，与边降设定值相减，得到边降偏差信号，再次判断偏差量是否在≤8μm的死区范围内，如果＞8μm则进行边降控制，死区判断采用偏差的最大值是否超过死区限幅来确定；

(2)边降偏差信号拟合

边降偏差根据模态的不同，可以分为外部偏差与内部偏差两种，外部偏差需要在上游机架增大窜辊调节量，而内部偏差则在下游机架增大窜辊调节量；

为适应不同模态控制的需要，将边降偏差信号拟合为三次曲线，如下式所示：

ΔED(x)＝e₀+e₁x+e₂x²+e₃x³ (1)

式中，e₀、e₁、e₂、e₃分别为方程系数；x为曲线横坐标；

在此基础上对边降偏差信号三次曲线进行离散，表示为沿边部宽度范围上限取为100～150mm的离散点组成的向量形式ΔED；

(3)各机架工作辊窜辊调节值计算

工作辊轴向位移的反馈修正计算，采取操作侧和传动侧分别进行；对于带钢边部增厚状况的计算处理，首先判断边部增厚状况，如果超过3μm的边升控制限幅值，然后其修正量直接给定一个10mm的窜辊插入量，使边部增厚尽快消除；对于带钢边部减薄状况的计算，由于通过S1～S3机架的窜辊，所以建立如下三元一次方程组，得到3个机架的窜辊修正量：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&delta;S}}_{W,1}\&CenterDot;K_{SW1,Ea1}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,2}\&CenterDot;K_{SW2,Ea1}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW3,Ea1}={\mathrm{\&delta;E}}_{a1}\\ {\mathrm{\&delta;S}}_{W,1}\&CenterDot;K_{SW1,Ea2}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,2}\&CenterDot;K_{SW2,Ea2}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW3,Ea2}={\mathrm{\&delta;E}}_{a2}\\ {\mathrm{\&delta;S}}_{W,1}\&CenterDot;K_{SW1,Ea3}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,2}\&CenterDot;K_{SW2,Ea3}+{\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW3,Ea3}={\mathrm{\&delta;E}}_{a3}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在实际应用过程中，根据实际控制工艺与精度需要，减少向量中参与计算的坐标点；在带钢边部宽度范围内选定3个特征位置点a₁、a₂、a₃，其对应边降值为δE_a1，δE_a2，δE_a3；K_Swi,Ea1，K_SWi,Ea2，K_SWi,Ea3为第i个机架窜辊边降调控功效向量在特征位置点的幅值，i＝1,2,3；K_Swi,Ea1＝0.01～5.8，K_SWi,Ea2＝0.008～4.6，K_SWi,Ea3＝0.004～2.3；δS_W,1，δS_W,2，δS_W,3分别为S1、S2、S3机架的工作辊窜辊调整量；

由硅钢5机架冷轧机边部减薄的控制特点所决定，对距边缘80mm处的边部减薄h₁₁₅-h₈₀而言，锥形工作辊在S1的影响最明显，而对其后的机架影响较小；对距边缘50mm处的边部减薄h₁₁₅-h₅₀而言，锥形工作辊的影响不仅对S1且对S2也很明显；对距边缘20mm处的边部减薄h₁₁₅-h₂₀而言，锥形工作辊对S1～S3都有影响；

为提高控制程序在控制器中的计算效率，进一步对计算模型简化如下：

依据各机架调控特性的差别，将各机架窜辊调节范围区分为：S_W,1调节范围为60～100mm，S_W,2调节范围30～70mm，S_W,3调节范围0～50mm；

定义3个特征位置点a₁、a₂、a₃分别为距边部80mm，50mm，20mm，以保证后机架的最大窜辊值达不到前机架的特征位置点亦即控制目标点，在此基础上，针对式(2)得到如下的简化计算公式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&delta;S}}_{W,1}\&CenterDot;K_{SW1,E80}={\mathrm{\&delta;E}}_{80}\\ {\mathrm{\&delta;S}}_{W,2}\&CenterDot;K_{SW2,E50}={\mathrm{\&delta;E}}_{50}-{\mathrm{\&delta;S}}_{W,2}\&CenterDot;K_{SW1,E50}\\ {\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW3,E20}={\mathrm{\&delta;E}}_{20}-{\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW1,E20}-{\mathrm{\&delta;S}}_{W,3}\&CenterDot;K_{SW2,E20}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(4)各机架窜辊调节值限幅

窜辊调节值计算完成后，对调节值进行限幅；工作辊轴向位移的范围是由冷轧边缘降区的长度和单锥度工作辊的工作长度确定的，反馈控制中对上下辊轴向移动范围限定在5～100mm，上下辊位差限制在40mm；当工作辊轴向移动操作量超过限定范围，就会对反馈量进行修正，原则是优先保证相对减薄一侧的控制；除各机架窜辊值调节范围外，每块钢均设置反馈调节限幅，超过限幅值时则输出限幅值；在调试新规格时，则对限幅值进行人工调整。