一种基于动态分段冷却技术的热轧铝板凸度控制方法

摘要

本发明涉及一种基于动态分段冷却技术的热轧铝板凸度控制方法，包含如下步骤：1）根据凸度仪检测周期确定动态分段冷却的控制周期；2）建立凸度偏差的模糊隶属函数，在每个控制周期内，对凸度偏差进行模糊化处理；3）建立凸度偏差变化率的模糊隶属函数，从第2个控制周期开始，对凸度偏差变化率进行模糊化处理；4）建立冷却等级变化的模糊规则表，每个控制周期凸度偏差模糊值和凸度偏差变化率模糊值形成四种组合，分别计算每种组合下冷却等级调节量；5）采用加权平均法对四种冷却等级调节量去模糊化；6）依据去模糊化结果对分段冷却设定进行修正。通过本发明内容，可以使得热轧铝板凸度同板差控制水平得到显著提升。

说明书

 

技术领域：

本发明涉及冶金机械及自动化、轧制技术，具体指一种基于动态分段冷却技术的热轧铝板凸度控制方法。

背景技术：

铝及铝合金板、带、箔具有质量轻、强度高、耐蚀可焊、易加工、表面美观及容易回收等优点而被广泛应用于国民经济的各行业，如航空航天、包装、建筑、家电、印刷、船舶及交通运输等领域，特别是全铝易拉罐、PS版基板和铝箔的普遍使用，极大地促进了铝合金板带热连轧生产技术的快速发展和铝合金板带产能的大幅度增长。

凸度是热轧铝板带的重要质量指标，定义为铝板带中点厚度和两边标志点（一般取距离边部40mm位置）厚度平均值的差值，由于大多数热轧铝板还要进行冷轧、箔轧，良好的凸度能保证后续工序的板形和轧制稳定性。在铝板热轧中，控制凸度的主要手段有弯辊力、辊形、负荷分配、工作辊分段冷却等。和钢铁相比，热轧铝板的纯轧制时间较长，为此，轧辊的热辊形变化明显，通过分段冷却控制热辊形，进而控制凸度在热轧铝板中被广泛使用。

如图1和图2所示为工作辊分段冷却的示意图，一个喷射梁有若干排喷嘴，每个喷嘴都能进行单独的开关流量控制，其中入口侧喷嘴一般多排布置，靠近辊缝处的一排喷嘴常开，作为基础冷却和润滑，其喷射的连续性、均匀性直接影响轧辊粘铝状态、咬入状态以及带材表面质量等。除此以外的喷嘴作为分段冷却作用于工作辊，是凸度控制的一种重要手段。它通过开关沿辊身轴向布置的喷嘴来确定冷却水的横向分布，从而改变工作辊各冷却区段的热膨胀，达到控制轧后带材凸度的目的。控制喷嘴的电磁阀有开和关两种工作方式，定义2s为一个工作周期，如果2s的周期内喷嘴电磁阀全开，定义喷射等级为10级，若1.8s开，0.2s关，则喷射等级为9级，依此类推，通过时间占空比实现横向流量的不同分布，其中最高等级为10级，即为全开，最低等级为0级，即为全关。

通常，根据不同的热轧铝板合金，在轧制前设定一个基于二次抛物线的初始冷却模式，比如：软合金轧制压力小，轧辊挠曲小，凸度不容易建立，一般采取冷却等级中间大，两边小（如图3，某2600mm铝热轧机，喷射梁上有38个喷嘴，中间冷却等级10，边部冷却等级8），使得工作辊热膨胀中间小，得到目标凸度；硬合金则轧制压力大，轧辊挠曲大，凸度容易偏大，一般采用冷却等级中间小，两边大，使得工作辊中间大，得到目标凸度。当凸度仪检测到凸度值时，比较实际凸度与目标凸度的偏差，动态修正分段冷却的设定，保证良好断面形状。

目前，分段冷却动态控制技术在冷轧中运用较多，由于冷轧中配备了接触式板形仪，能够检测出板带的潜在或显式浪形，通过冷却喷嘴位置和浪形位置的一一对应关系，动态调节喷射梁的喷射模式。如文献1（板形分段冷却的模糊控制，鞍钢技术，2009年第1期）基于喷射梁和浪形的一一对应关系，提出了采用模糊控制技术对冷轧分段冷却进行控制，文献2（单机架轧机工作辊的乳化液分段冷却控制方法，授权专利，201110310664.4）也是基于喷射梁和浪形的一一对应关系，对冷轧分段冷却进行控制，文献3（冷连轧机乳化液分段冷却控制方法，授权专利，200810200730.0）、文献4（基于模糊双曲模型冷轧机工作辊乳化液分段冷却控制方法，申请公开，201310379194.6）和文献2的出发点也基本相同，都是通过浪形的偏差，通过一一对应关系单独调节各个喷嘴的喷射等级。热轧铝目前还没有配备在线接触式板形检测仪表的报道，因此，无法检测出浪形，通过在轧制出口配置凸度仪只能检测出断面形状，为此，热轧铝和冷轧中采用分段冷却控制的对象有本质的区别，且也无法做到一一对应控制，只能做到全断面趋势控制，文献5（“1＋4”热连轧板形板凸度自动控制系统分析，铝加工，2009年第2期）中提到根据凸度偏差，采用PI算法，动态调整喷射梁每个喷嘴的开关状态，文献6（一种先进的铝热连轧机凸度闭环控制系统，铝加工，2004年第3期）则先预设一种基础的冷却模式，通过凸度实测值偏差直接调整冷却模式到最大模式或最小模式等。从检索结果来看，目前在热轧铝凸度控制中，还没有一种基于模糊控制的动态分段冷却技术，用于保证全长凸度的良好。

发明内容：

为适应热轧铝板凸度检测与分段冷却控制手段的非一一对应特点，本发明提供一种使用方便，并可以使得热轧铝板凸度控制水平得到显著提升的基于动态分段冷却技术的热轧铝板凸度控制方法。

本发明的技术方案是：一种基于动态分段冷却技术的热轧铝板凸度控制方法，所述方法包含以下步骤： 

1. 根据凸度仪检测周期确定动态分段冷却的控制周期。

设凸度仪的检测周期为T_m，动态分段冷却的控制周期为T_c，则T_c的计算公式如下：

T_c=T_m×10。

2. 建立凸度偏差的模糊隶属函数，在每个控制周期内，并对凸度偏差进行模糊化处理。

定义模糊语言：ANB表示负大，ANS表示负小，AZ表示零，APS表示正小，APB表示正大。定义凸度偏差变量：x₁=-30，x₂=-15，x₃=0，x₄=15，x₅=30。设第i个控制周期凸度偏差为ΔCR_i，ΔCR_i求解方法如下：

ΔCR_i=CR_mi-CR_aim，

其中，CR_mi为第i个控制周期内凸度实测平均值，CR_aim为凸度目标值。定义凸度偏差模糊值为：ALanV1, ALanV2，对应模糊值的隶属度为：AFuzV1，AFuzV2，变量求解方法如下：

1）ΔCR_i≤x₁

ALanV1= ANB，AFuzV1=1

ALanV2= ANS，AFuzV2=0，

2）x₁<ΔCR_i≤x₂

ALanV1= ANB，AFuzV1=(x₂-x)/(x₂-x₁)

ALanV2= ANS，AFuzV2=(x-x₁)/(x₂-x₁)，

3）x₂<ΔCR_i≤x₃

ALanV1= ANS，AFuzV1=(x₃-x)/(x₃-x₂)

ALanV2= AZ， AFuzV2=(x-x₂)/(x₃-x₂)，

4）x₃<ΔCR_i≤x₄

ALanV1= AZ， AFuzV1=(x₄-x)/(x₄-x₃)

ALanV2= APS，AFuzV2=(x-x₃)/(x₄-x₃)，

5）x₄<ΔCR_i≤x₅

ALanV1= APS，AFuzV1=(x₅-x)/(x₅-x₄)

ALanV2= APB，AFuzV2=(x-x₄)/(x₅-x₄)，

6）x₅<ΔCR_i

ALanV1= APS，AFuzV1=0

ALanV2= APB，AFuzV2=1。

如图4所示为凸度偏差的模糊隶属函数示意图。

3. 建立凸度偏差变化率的模糊隶属函数，从第2个控制周期开始，对凸度偏差变化率进行模糊化处理。

定义模糊语言：定义BNB表示负大，BNS表示负小，BZ表示零，BPS表示正小，BPB表示正大。定义凸度偏差变化率变量：y₁=-20，y ₂=-10，y ₃=0，y ₄=10，y ₅=20。设第i个周期（ i> 1 ），凸度偏差变化率为ΔCR_Di，ΔCR_Di求解方法如下：

ΔCR_Di=ΔCR_i -ΔCR_i-1，

其中，ΔCR_i为第i个控制周期凸度偏差，ΔCR_i为第i-1个控制周期凸度偏差。定义凸度偏差变化率模糊值为：BLanV1, BLanV2，对应模糊值的隶属度为：BFuzV1，BFuzV2，变量求解方法如下：

1）ΔCR_Di≤y₁

BLanV1= BNB，BFuzV1=1

BLanV2= BNS，BFuzV2=0，

2）y₁<ΔCR_Di≤y₂

BLanV1= BNB，BFuzV1=(y₂-y)/(y₂-y₁)

BLanV2= BNS，BFuzV2=(y-y₁)/(y₂-y₁)，

3）y₂<ΔCR_Di≤y₃

BLanV1= BNS，BFuzV1=(y₃-y)/(y₃-y₂)

BLanV2= BZ， BFuzV2=(y-y₂)/(y₃-y₂)，

4）y₃<ΔCR_Di≤y₄

BLanV1= BZ， BFuzV1=(y₄-y)/(y₄-y₃)

BLanV2= BPS,，BFuzV2=(y-x₃)/(y₄-y₃)，

5）y₄<ΔCR_Di≤y₅

BLanV1= BPS，BFuzV1=(y₅-y)/(y₅-y₄)

BLanV2= BPB，BFuzV2=(y-y₄)/(y₅-y₄)，

6）y₅<ΔCR_Di

BLanV1= BPS，BFuzV1=0

BLanV2= BPB，BFuzV2=1。

如图5所示为凸度偏差变化率的模糊隶属函数示意图。

4. 建立冷却等级变化的模糊规则表，每个控制周期凸度偏差模糊值和凸度偏差变化率模糊值形成四种组合，分别计算每种组合下冷却等级调节量。

定义u为冷却等级调节量，定义为：喷射梁边部冷却等级减中间冷却等级，如果u为负，表示需要加大凸度，这时候需要加大中部冷却等级，减小边部冷却等级，如果u为正则相反。

定义冷却等级调节量模糊语言：NVB表示负极大，NB表示负大，NS表示负小，Z表示零，PS表示正小，PB表示正大，BVB表示正极大。定义对应的冷却等级调节量，z₁=-8，z₂=-4，z₃=-2，z₄=0，z₅=2，z₆=4，z₇=8。假设凸度偏差的模糊值为A，凸度偏差变化率模糊值为B，冷却等级调节量模糊值为U，定义if-then模糊规则表如下：

1) if   A =ANB，B=BNB，then U=NVB，u=z₁,

2) if   A=ANB，B=BNS，then U=NVB，u=z₁,

3) if   A=ANB，B=BZ， then U=NB，u=z₂,

4) if   A=ANB，B=BPS，then U=NS，u=z₃,

5) if   A=ANB，B=BPB，then U=NS，u=z₃,

6) if   A =ANS，B=BNB，hen U=NVB，u=z₁,

7) if   A=ANS，B=BNS，then U=NB，u=z₂,

8) if   A=ANS，B=BZ，then U=NS，u=z₃,

9) if   A=ANS，B=BPS，then U=NS，u=z₃,

10) if A=ANS，B=BPB，then U=Z，u=z₄,

11) if A =AZ，B=BNB，then U=NS，u=z₃,

12) if A=AZ，B=BNS，then U=Z，u=z₄,

13) if A=AZ，B=BZ，then U=Z，u=z₄,

14) if A=AZ，B=BPS，then U=Z，u=z₄,

15) if A=AZ，B=BPB，then U=PS，u=z₅,

16) if A =APS，B=BNB，then U=Z，u=z₄,

17) if A=APS，B=BNS，then U=PS，u=z₅,

18) if A=APS，B=BZ，then U=PS，u=z₅,

19) if A=APS，B=BPS，then U=PB，u=z₆,

20) if A=APS，B=BPB，then U=PVB，u=z₇,

21) if A =APB，B=BNB，then U=PS，u=z₅,

22) if A=APB，B=BNS，then U=PS，u=z₅,

23) if A=APB，B=BZ，then U=PB，u=z₆,

24) if A=APB，B=BPS，then U=PVB，u=z₇,

25) if A=APB，B=BPB，then U=PVB，u=z₇,

由于每个控制周期的凸度偏差和凸度偏差变化率都对应2个模糊值，可以得到4种模糊值组合：（ALanV1，BLanV1）, （ALanV1，BLanV2），（ALanV2，BLanV1）, （ALanV2，BLanV2），带入模糊规格表，即分别可求出冷却等级调节量u₁，u₂，u₃，u₄。

定义权值k，在以上四个组合中，比较凸度偏差模糊值和凸度偏差变化率模糊值对应的隶属度，将隶属度较小的赋给k，得到k₁，k₂，k₃，k₄。

如图6所示为冷却等级调节量的模糊隶属函数。

5. 采用加权平均法对四种冷却等级调节量去模糊化。计算步骤如下：

u_ci=(u₁×k₁+u₂×k₂+u₃×k₃+u₄×k₄)/(k₁+k₂+k₃+k₄)，

u_ci为第i控制周期分段冷却去模糊化后调解量，对u_ci计算结果进行取整处理，如果计算结果带有小数点，则保持正负号不变，去掉小数点，并对个位数加1。 

6. 依据去模糊化结果对分段冷却设定进行修正。

对冷却等级的调整采用优先调节边部冷却等级的方法，边部冷却等级达到极限后，再调节中部冷却等级。

本发明的有益效果是：通过本发明的实施，可以使得热轧铝全长板凸度命中率稳定在95.4%以上，为下游工序的深加工提供良好的条件。

附图说明：

图1 热轧铝分段冷却结构示意图。

图2 热轧铝喷射梁结构示意图。

图3 2800热轧铝软合金喷射梁的初始喷射等级示意图。

图4 凸度偏差的模糊隶属函数示意图。

图5 凸度偏差变化率的模糊隶属函数示意图。

图6 冷却等级调整量的模糊隶属函数示意图。

图7某2800轧机铝板采用动态分段冷却技术全长凸度控制曲线示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

以某热轧铝厂2800mm轧机为例，轧制品种为5083，铝带宽度2520mm，铝带厚度7.9mm，凸度目标45μm，初始分段冷却中部冷却等级为6，边部冷却等级为10，仪表的检测周期为1s，1s检测出一个凸度值。

根据本专利对控制周期的计算，分段冷却动态控制周期为10s。

第1个控制周期：

10s的周期内，检出了10个凸度值，平均凸度为35.2μm。

1）第1个周期的凸度偏差为：

ΔCR₁=CR_m1-CR_aim=35.2-45=-9.8μm

2）这一凸度偏差满足：x₂<ΔCR_i≤x₃，因此：

ALanV1= ANS，AFuzV1=(x₃-x)/(x₃-x₂)=(0+9.8)/(0+15)=0.653

ALanV2= AZ， AFuzV2=(x-x₂)/(x₃-x₂)=(-9.8+15)/(0+15)=0.347

3）因为第一个周期凸度偏差变化率不考虑，为0，满足y₂<ΔCR_Di≤y₃，因此：

BLanV1= BNS，BFuzV1=(y₃-y)/(y₃-y₂)=(0-0)/(0+10)=0

BLanV2= BZ， BFuzV2=(y-y₂)/(y₃-y₂)=(0+10)/(0+10)=1

4）对凸度偏差和凸度偏差变化率模糊语言的进行组合，得到四种模糊语言集合：（ALanV1，BLanV1），（ALanV1，BLanV2），（ALanV2，BLanV1），（ALanV2，BLanV2）。

对于（ALanV1，BLanV1）：ALanV1= ANS，BLanV1= BNS，查模糊规则表可得，满足第7条模糊规则：得到 U=NB，u₁=z₂=-4，k₁= BFuzV1=0

对于（ALanV1，BLanV2）：ALanV1= ANS，BLanV2= BZ，查模糊规则表可得，满足第8条模糊规则：得到 U=NS，u₂=z₃=-2，k₂= AFuzV1=0.653

对于（ALanV2，BLanV1）：ALanV2= AZ，BLanV1= BNS，查模糊规则表可得，满足第12条模糊规则：得到 U=NS，u₃=z₄=0，k₃= BFuzV1=0

对于（ALanV2，BLanV2）：ALanV2= AZ，BLanV2= BZ，查模糊规则表可得，满足第13条模糊规则：得到 U=Z，u₄=z₄=0，k₄= AFuzV2=0.347

5）采用加权平均法对四种冷却等级调节量去模糊化：

u_c1=(u₁×k₁+u₂×k₂+u₃×k₃+u₄×k₄)/(k₁+k₂+k₃+k₄)

=((-4)×0+(-2)×0.653+0×0+0×0.347)/(0+0.653+0+0.347)

=-1.306

去小数点取整后u_c1=-2。

6）依据去模糊化结果对分段冷却设定进行修正。对冷却等级的调整采用优先调节边部冷却等级的方法，边部冷却等级达到极限后，再调节中部冷却等级。初始分段冷却中部冷却等级为6，边部冷却等级为10，因为u_c1=-2，优先调整边部等级，边部冷却等级从10变到8。

第1个控制周期结束后，经过模糊控制算法的调节，分段冷却中部冷却等级为6，边部冷却等级为8，以便于铝带增加凸度。

第2个控制周期：

10s的周期内，检出了10个凸度值，平均凸度为52.2μm。

1）第2个周期的凸度偏差为：

ΔCR₂=CR_m2-CR_aim=52.2-45=7.2μm

2）这一凸度偏差满足：x₃<ΔCR_i≤x₄，因此：

ALanV1= AZ，AFuzV1=(x₄-x)/(x₄-x₃)=(15-7.2)/(15-0)=0.52

ALanV2= APS， AFuzV2=(x-x₃)/(x₄-x₃)=(7.2-0)/(15-0)=0.48

3）第2个周期凸度偏差变化率为：

ΔCR_D2=ΔCR₂ -ΔCR₁=7.2-(-9.8)=17μm

满足y₄<ΔCR_Di≤y₅，因此：

BLanV1= BPS，BFuzV1=(y₅-y)/(y₅-y₄)=(20-17)/(20-10)=0.3

BLanV2= BPB，BFuzV2=(y-y₄)/(y₅-y₄)=(17-10)/(20-10)=0.7

4）对凸度偏差和凸度偏差变化率模糊语言的进行组合，得到四种模糊语言集合：（ALanV1，BLanV1），（ALanV1，BLanV2），（ALanV2，BLanV1），（ALanV2，BLanV2）。

对于（ALanV1，BLanV1）：ALanV1= AZ，BLanV1= BPS，查模糊规则表可得，满足第14条模糊规则：得到 U=Z，u₁=z₄=0，k₁= BFuzV1=0.3

对于（ALanV1，BLanV2）：ALanV1= AZ，BLanV2= BPB，查模糊规则表可得，满足第15条模糊规则：得到 U=ZS，u₂=z₅=2，k₂= AFuzV1=0.52

对于（ALanV2，BLanV1）：ALanV2= APS，BLanV1= BPS，查模糊规则表可得，满足第19条模糊规则：得到 U=PB，u₃=z₆=4，k₃= BFuzV1=0.3

对于（ALanV2，BLanV2）：ALanV2= APS，BLanV2= BPB，查模糊规则表可得，满足第20条模糊规则：得到 U=PVB，u₄=z₇=8，k₄= AFuzV2=0.48

5）采用加权平均法对四种冷却等级调节量去模糊化：

u_c2=(u₁×k₁+u₂×k₂+u₃×k₃+u₄×k₄)/(k₁+k₂+k₃+k₄)

=(0×0.3+2×0.52+4×0.3+8×0.48)/(0.3+0.52+0.3+0.48)

=3.8

去小数点取整后u_c2=4。

6）依据去模糊化结果对分段冷却设定进行修正。对冷却等级的调整采用优先调节边部冷却等级的方法，边部冷却等级达到极限后，再调节中部冷却等级。第1个控制周期结束后，冷却中部冷却等级为6，边部冷却等级为8，因为u_c2=4，优先调整边部等级，边部冷却等级从8变到10，已经到最高等级，中间等级从6变为4，得到调整后的分段冷却设定。

第2个控制周期结束后，经过模糊控制算法的调节，分段冷却中部冷却等级为4，边部冷却等级为10，以便于铝带减小凸度。

第3个控制周期以后，和第2个周期控制类似，在此不再举例说明。

通过本项目的实施，可以达到铝带全长稳定的凸度值，为下游工序的深加工提供良好的条件，如图7所示，为某2800轧机铝板采用动态分段冷却技术全长凸度控制曲线。