CN103551396A - 热带轧机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制热带轧机的中间机座部分内活套挑的高度的方法。该方法在不需要对上游轧辊的控制器减小增益的情况下克服了由于活套惯性导致的活套不稳定问题。热带轧机的中间机座部分包括由主电动机驱动的一对上游轧辊和由活套电动机驱动的活套挑。该方法包括以下步骤：计算由主电动机施加的期望的速度微调；估计所述活套挑的惯性，根据所述速度微调、估计的活套挑惯性以及根据该活套挑的几何形状计算的敏感度来计算克服所述活套挑的惯性所需的转矩，以及控制所述主电动机向所述上游轧辊施加所述速度微调并且控制所述活套电动机向所述活套挑施加所计算的转矩。

Description

热带轧机控制器

技术领域

本发明涉及热带轧机，并且尤其涉及热带轧机中活套挑（looper）的高度控制。

背景技术

在热带轧机中，正在生产的产品的带料要经过多个轧辊。控制施加到带料的张力是重要的因为它影响着带料的尺寸和质量流。高张力会使带料的宽度和厚度减少并且导致差的平整度或差的边缘轮廓，而这些通常是所不希望的。然而，高张力也会使带料的质量流更稳定，这又通常是所希望的。因此，为了确保适当的产品质量和稳定的质量流，向带料施加合适的张力是重要的。

为了帮助控制带料内的张力，要使用多个活套挑。活套挑包括放置于活套臂端部的活套辊（looper roll），并被放置于介于轧辊之间的轧机的中间机座部分（inter-stand section）中，以便当带料经过轧机时经活套辊上方经过。活套臂相对于轧辊的通过线的角度决定了安装于其上的活套辊的高度。此外，每一个活套挑具有对活套臂施加转矩的相关活套电动机。该转矩经由活套臂被传给活套辊，然后该活套辊对所述带料施加由该转矩导致的力。施加于该带料的由所述转矩导致的力引起了带料内的张力。通过控制该转矩，带料内的张力可以被控制为恒定的。在稳态条件下，活套挑将对在其上经过的带料施加恒定的力，该恒定的力导致所述带料内恒定的张力。

活套辊的高度部分地取决于中间机座部分内的带料的长度。尤其是，如果带料的长度增加，活套辊的高度将增高，并且如果带料的长度缩短，活套辊的高度将降低。在轧机中间机座部分上游端的轧辊被用来控制在该中间机座部分内带料的长度。如果需要增加带料的长度，可以增加上游轧辊的速度。类似地，为了减小带料的长度，可以降低上游轧辊的速度。使用控制器来控制该上游轧辊的转速。

在正常运转条件下活套辊将保持在恒定的高度，上游轧辊将以恒定的速度运转并且带料内的张力也将是恒定的。然而，在异常运转条件期间，带料内的张力和活套辊的高度可能变化。异常运转条件包括轧机稳态工作中的短暂干扰，比如由于带料厚度、硬度或温度的变化引起的质量流不平衡。如果所述活套辊高度由于受干扰的质量流而改变并且由所述活套电动机施加于活套臂的转矩保持恒定，则带料的张力将改变。这是因为，对于活套电动机施加于活套臂的恒定的转矩来说，由活套辊施加于带料的所得到的力是活套臂的角度的函数。因此，为了尝试在经过轧机的带料内保持恒定的张力，当活套辊的高度改变时需要控制活套电动机施加于活套臂的转矩以便活套辊对带料施加基本上相同的力。

使用控制器来控制活套挑产生的张力。这可以通过控制由活套电动机施加的转矩来实现。尤其是，对于活套臂的角度的任何测量值（其与活套辊的高度相对应）控制器将计算活套电动机应该施加的转矩以便在带料中产生正确的张力然后该控制器将控制活套电动机施加该转矩。

通常，通过使用比例-积分-微分（PID）控制器控制所述带料的长度并由此控制轧机中间机座部分中活套辊的高度，该比例-积分-微分（PID）控制器基于活套臂的角度的测量值（其与所述活套辊的高度相对应）控制上游轧辊的主驱动。

然而，当控制上游轧辊的速度来增加或减小轧机中间机座部分中带料长度时活套辊的高度将不会即刻改变。这是由于活套挑和活套电动机的惯性。在活套辊的高度改变之前需要改变张力以克服活套挑的惯性。由此所导致的所述活套辊高度改变的延迟会是不可忽略的并会引起活套挑的不稳定。当传动厚重尺寸和/或宽的产品例如产品具有增加的中间机座带料重量时这个问题更加明显。由于活套挑不稳定性的问题，上游轧辊的电流控制器的增益需要被设置在低于理想值的水平。这导致控制器对所述轧机的运转条件下的干扰具有相对低的敏感度。

综上所述，需要一种控制热带轧机的中间机座部分内的活套挑高度的改进的方法，该改进的方法在不需要所述上游轧辊的控制器减小增益的情况下克服了由于活套挑惯性引起的活套挑不稳定问题。

发明内容

本发明提供一种控制热带轧机的中间机座部分内活套挑高度的方法，所述中间机座部分包括由主电动机驱动的一对上游轧辊以及由活套电动机驱动的活套挑，

该方法包括以下步骤：

计算由主驱动施加的期望的速度微调，

估计所述活套挑的惯性，

根据所述速度微调、估计的活套挑惯性以及根据该活套挑的几何形状计算的敏感度来计算克服所述活套挑的惯性所需的转矩，以及

控制所述主电动机向所述上游轧辊施加所述速度微调并且控制所述活套驱动向所述活套挑施加所计算的转矩。

本发明进一步提供一种用于加工产品带料的热带轧机的中间机座部分，该中间机座部分包括由主电动机驱动的一对上游轧辊、由活套电动机驱动的活套挑以及控制器，该控制器适用于：

计算由所述主电动机施加的期望的速度微调，

估计所述活套挑的惯性，

根据所述速度微调、所估计的活套挑惯性，以及根据该活套挑的几何形状计算的敏感度来计算克服所述活套挑的惯性所需的转矩，以及

控制所述主电动机向所述上游轧辊施加所述速度微调并且控制所述活套电动机向所述活套挑施加计算的转矩。

本发明相对于现有技术的优点在于当控制所述上游轧辊和所述活套电动机时，它将克服所述活套挑的惯性需要的转矩考虑在内。当控制该系统时将所述活套挑的惯性考虑在内可以避免活套挑的不稳定性并且因此该控制可以比其他任何可能的控制更敏感。本发明的特殊优点在于它可以在不需要减小控制器增益的情况下工作，而根据现有技术减小控制器增益是需要的。

可以以本领域技术人员显而易见的任何方式计算由主电动机施加的期望速度微调。尤其是，该期望速度微调可以用与现有技术的控制中间机座部分内活套辊的高度的方法相同的方式通过监测所述活套臂的角度计算。

关于本发明，所述活套挑的惯性可以理解为当活套辊的高度变化时需要克服的惯性。尤其是这可能包括所述活套辊的惯性、所述活套臂的惯性、所述活套电动机的惯性以及任何其他相关部件的惯性。所述活套的惯性可以用本领域技术人员显而易见的任何方式估算。可以预料的是，技术人员将能够通过计算或测量容易地估算热带轧机的任意给定中间机座部分的活套挑的惯性。

作为一个例子，活套挑的惯性可以按照以下方式计算。该惯性是所述活套电动机的惯性和所述活套臂和活套辊的惯性之和，即：

I=I_m+I_a

其中Im是所述活套电动机的惯性，该惯性将通常由电动机生产商所规定，Ia是所述活套臂和活套辊的惯性，该惯性可以根据基本原理计算。具体地，绕轴旋转的物体的转动惯量是：

I＝Σmr²

其中m是该物体的质量，r是物体到旋转轴的距离。于是对于活套挑，该活套挑的质量是活套臂的质量（m_a）和活套辊的质量（m_r）之和。因此所述活套臂和活套辊的惯性是：

I_a＝m_ar₁ ²+m_rr₂ ²

由于所述活套臂和活套辊的轴将成为位于所述活套臂内部端的枢轴并且所述活套辊位于所述活套臂的外部端，r₂将等于所述活套臂的长度（r）。通常地，所述活套臂的质量将沿其长度均匀分布。因此，所述活套臂的质心将在该活套臂的几何中心。所以，r₁将等于该活套臂长度的一半。这意味着，该活套臂和该活套辊的惯性是：

$I_a=m_a{\left(\frac{r}{2}\right)}^2+m_r{r}^2$

作为用上述方式计算所述活套挑的惯性的一种替代方式，该活套挑的惯性可以被测量。这可以通过当所述中间机座部分为空（即没有带料正在通过该中间机座部分）时测试该活套挑来实现。具体地，可以控制所述活套电动机将恒定的转矩施加于所述活套臂并且该活套挑的得到的角加速度可以通过监测所述活套挑的角度测量。活套挑的惯性可以由所述转矩和所述角加速度的值来确定。

根据本发明的方法，敏感度可以理解为当所述活套臂的角度（即所述活套辊的高度）改变时所述中间机座部分内带料的长度的变化率。任何中间机座部分的敏感度依赖于该中间机座部分的特定几何形状。可以预料的是本领域技术人员将能够容易地确定任何特定中间机座部分的敏感度。这可以通过计算或测量来实现。以下即刻提出根据中间机座部分的几何形状计算该中间机座部分敏感度的示例性的方法。然而，可以理解的是这只是用作例子并且也可以使用任何其他确定该敏感度的适当方法。

图1示出了热带轧机的典型中间机座部分1的几何形状。该中间机座部分1包括在该中间机座部分前端的上游轧辊对2，在该中间机座部分后端的下游轧辊对3以及活套挑4。带料材料5通过所述上游和下游轧辊2，3的动作经过该中间机座部分1。通过所述上游轧辊2，3和所述活套挑4的组合动作在所述带料5中保持适当的张力。尤其是，该带料5被安装于活套臂7端部的活套辊6支撑。通过安装于所述活套臂较低端的活套电动机8向所述活套臂7和活套辊6提供转矩。

所述中间机座部分1的特定几何形状在图1中示出。尤其是：

L=所述中间机座部分的水平长度

R=所述活套臂的长度

a=所述活套臂枢轴的上游距离

y=该中间机座部分传动线距所述活套臂枢轴的高度

r=所述活套辊的半径

α=活套臂与水平方向的角度

HD1=活套辊中心的上游距离

HD2=活套辊中心的下游距离

VD=带料的最高点距该中间机座部分的传动线的垂直距离

所述中间机座部分1的敏感度可以根据上述变量计算。首先，正如由图1容易理解的，所述中间机座部分1内的带料5总长度（Lis）可以由VD,HD1和HD2计算如下：

$\mathrm{Lis}=\sqrt{{\mathrm{VD}}^2+{\mathrm{HD}1}^2}+\sqrt{{\mathrm{VD}}^2+{\mathrm{HD}2}^2}$

进一步地，VD,HD1和HD2中的每一个可以通过下面的方式各自根据所述中间机座部分1的设定尺寸（L,R,a和y）和所述活套臂7的角度（以度为单位）计算：

$\mathrm{VD}=\sin \left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)R-y+r$

$\mathrm{HD}1=\cos \left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)R+a$

$\mathrm{HD}2=L-1-\cos \left(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}}{180}\right)R$

这样，当L,R,a和r将是已知的或者可以容易测量的，对于任何给定的中间机座部分，可以容易地确定该中间机座部分1内的带料总长度（Lis）和所述活套臂7的角度之间的关系。

所述中间机座部分1的敏感度是所述带料总长度和所述活套臂7的角度之间的关系的微分。那就是，dL_is是所述活套臂7角度的函数：

${\mathrm{dL}}_{\mathrm{is}}=\frac{f(\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\α})-f\left(\mathrm{\α}\right)}{\mathrm{\Δ\α}}$

因此，敏感度也是所述活套臂7角度的函数。本申请中Δα的值将基于由可以用于测量该活套臂7的角度的任何监测手段测量该活套臂7的角度的分辨率确定。尽管可以使用任何其他适当的监测手段，通常，利用反馈编码器测量该该活套臂7的角度。所述监测手段的最小分辨率可以定义为Δα。比如，如果特定中间机座部分的反馈编码器具有0.075°的最小分辨率，那么对于该中间机座部分以及对于用于控制该中间机座部分的方法的分Δα也将是0.075°。

根据所述速度微调、该活套挑的估算惯性以及所述敏感度计算克服所述活套惯性需要的转矩。这可以用本领域技术人员显而易见的任何方式来实现。

在本发明的一个优选实施方式中，转矩根据期望的速度微调，利用一次时滞的传递函数来模拟主驱动对施加的速度微调的响应。为了计算该转矩，在已将传递函数施加于所述期望的速度微调之后，输出可被求微分然后与所述活套挑的敏感度和估计的惯性相乘。比如，该传递函数可以是：

$\frac{1}{(T_m+T_{\mathrm{adv}})s+1}$

其中，T_m=主驱动的时间常数

T_adv=用于施加速度微调的提前时间

s=拉普拉斯变换变量

所述主驱动的时间常数将是生产商定义的（恒定）参数。所述用于施加速度微调的提前时间是技术人员能够为了本发明方法的任何特定应用而优化的可调参数，该可调参数取决于被用于实施本方法的系统的限制。

应用这个传递函数来计算转矩的例子在图2中予以说明。在该图中，对传递函数的输出求微分以计算期望的速度微调所需要的加速度。然后将该线性加速度与所述敏感度相乘以产生活套臂的期望角加速度。将该角加速度从度数转化为弧度后与所述活套挑惯性相乘以产生需要由活套电动机施加于活套臂的转矩的值。在此计算之后，将控制向所述上游轧辊施加期望的速度微调的主电动机并控制活套电动机以向该活套电动机施加该转矩。

应当注意的是，上述和图2所示的传递函数只是作为例子而提供，并且一次时滞的任何其他合适的传递函数可以优于该传递函数。进一步地，根据所述期望的速度微调、敏感度和活套挑惯性计算转矩可以用技术人员显而易见的任何方式实施。

根据下文将要讨论的本发明的优选实施方式，本发明的进一步的特征和有益效果将是显而易见的。

附图说明

图1是示出了带料轧机尺寸的典型热带轧机的中间机座部分的第一示意图；

图2是示出了根据将用于中间机座部分的主驱动的预期速度微调计算将施加于活套臂的转矩的示图；以及

图3是典型热带轧机的中间机座部分的第二示意图。

具体实施方式

图1和3中示意性地示出热带轧机的典型的中间机座部分1。中间机座部分1包括在所述中间机座部分上游端的上游轧辊对2，在所述中间机座部分下游端的下游轧辊对3以及活套挑4。该活套挑4包括安装于活套臂7端部的活套辊6。所述活套臂7被装在所述活套辊6的另一端的枢轴并且具有在该枢轴的活套电动机8对所述活套臂施加转矩。所述上游轧辊2由主电动机9驱动。在使用时，所述主电动机9驱动该上游轧辊2以推动所述活套辊6上的材料带5并通过所述下游轧辊3。由所述上游轧辊施加的力以箭头标记“D”标示在图3中。正如本发明背景技术部分中所讨论的，通过上游轧辊2和活套辊6的共同作用在该带料5中保持合适的张力。尤其是，活套电动机8对所述活套臂7施加转矩，该转矩以箭头标记“T”标示在图3中。这个转矩经由所述活套辊6传至所述带料5以产生基本垂直于该带料的力，该力以箭头标记“F”标示在图3中。主电动机9和活套电动机8均由控制器（未示出）控制。

在正常稳态工作期间，所述上游轧辊2将被控制以便提供驱动带料5通过所述中间机座部分1的恒定力D，所述活套电动机8将被控制以便对所述活套臂7提供恒定的扭矩T。这将导致该带料经受恒定的张力。然而，异常工作条件，比如质量流由于所述带料5的厚度、硬度或温度的变化而不平衡，会引起该带料中的张力变化。如果发生这种情况，所述活套辊6的高度以及因此由活套辊6施加于所述带料5的力F也将改变。为了纠正这种情况并且为了恢复该带料5中的张力至期望值，通过适当地控制主电动机将速度微调施加于上游轧辊2，与之同时利用本发明的方法改变由活套电动机8施加于活套臂7的转矩T。通过利用编码器（未示出）监测活套臂7的角度来监测所述带料5张力的改变以及活套辊6高度的随之改变。

通过以常规方式第一计算将施加于所述上游轧辊2期望的速度微调来确定将由活套电动机施加于活套臂7的转矩T。然后该期望的速度微调被输入到图2显示的公式中，并且在考虑所述活套挑4的敏感度和惯性的情况下计算由所述活套电动机8施加的转矩T。然后期望的速度微调和转矩T被同时施加。所述控制器将重复实施这个过程直至所述带料5中的张力正确且恒定以及所述活套辊6处于期望的高度也就是当该期望速度微调变为零时。

通过考虑所述活套挑6的敏感度和惯性，当改变由活套电动机8施加的转矩时，可以避免不希望的振动、对所述活套辊6高度的以及由此对所述带料5内的张力的过度纠正或纠正不足。因此，可以预料到的是，在任何干扰之后应用本发明的方法将在带料5内导致恒定和期望的张力，这种方法具有比其他任何可能的方法更快的恢复速度。

Claims (13)

1.一种控制热带轧机的中间机座部分内活套挑高度的方法，所述中间机座部分包括由主电动机驱动的一对上游轧辊以及由活套电动机驱动的活套挑，

该方法包括以下步骤：

计算由所述主电动机施加的期望的速度微调，

估计所述活套挑的惯性，

根据所述速度微调、估计的活套挑惯性以及根据该活套挑的几何形状计算的敏感度来计算克服所述活套挑的惯性所需的转矩，以及

控制主电动机向所述上游轧辊施加速度微调并且控制活套电动机向所述活套挑施加所计算的转矩。

2.根据权利要求1的方法，其中利用一次时滞的传递函数来模拟主电动机对施加的速度微调的响应，根据期望速度微调确定所计算的转矩。

3.根据权利要求2的方法，其中所述传递函数为以下形式：

$\frac{1}{(T_m+T_{\mathrm{adv}})s+1}$

其中，T_m=主电动机的时间常数

T_adv=用于施加速度微调的提前时间

s=拉普拉斯变换变量

4.根据权利要求2或3的方法，其中对所述传递函数的输出求微分并且与所述活套挑的敏感度和估计的惯性相乘以计算所述转矩。

5.根据权利要求1的方法，其中所述活套挑的估计的惯性根据该活套挑的质量和几何形状计算。

6.根据权利要求1的方法，其中通过在向所述活套挑施加恒定的转矩时监测所述活套挑的角加速度测量所述活套挑的估计的惯性。

7.根据权利要求1的方法，其中根据所述中间机座部分的几何形状计算所述敏感度。

8.根据权利要求1的方法，其中根据对工作期间中间机座部分的实际监测测量所述敏感度。

9.根据权利要求1的方法，其中通过用反馈编码器监测所述活套挑的活套臂的角度来计算所述期望的速度微调。

10.根据权利要求1的方法，其中所述活套挑包括安装于活套臂一端的活套辊，所述敏感度定义为当所述活套臂的角度改变时所述中间机座部分内带料长度的变化率。

11.一种用于加工产品带料的热带轧机的中间机座部分，该中间机座部分包括由主电动机驱动的一对上游轧辊、由活套电动机驱动的活套挑以及控制器，该控制器适用于：

计算由所述主电动机施加的期望的速度微调，

估计所述活套挑的惯性，

根据所述速度微调、所估计的活套挑惯性，以及根据该活套挑的几何形状计算的敏感度来计算克服所述活套挑的惯性所需的转矩，以及

控制所述主电动机向所述上游轧辊施加所述速度微调并且控制所述活套电动机向所述活套挑施加计算的转矩。

12.根据权利要求11的中间机座部分，其中所述活套挑包括安装于活套臂一端的活套辊，所述敏感度定义为当所述活套臂的角度改变时所述中间机座部分内带料的长度的变化率。

13.根据权利要求12的中间机座部分，其中所述活套电动机对所述活套臂施加转矩。

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