一种加减速状态下获得恒定延伸率的方法

摘要

本发明提供一种加减速状态下获得恒定延伸率的方法，分别采集入口带钢速度和出口带钢速度，设置可变长度计算周期，计算延伸率实际值，与延伸率设定值比较，得到延伸率差值，与延伸率自适应调整因子的乘积作为PI控制器的输入值，输出轧制力控制环和张力控制环的附加控制量，与轧制力自适应调整因子相叠加，得到最终的轧制力调整量。本发明通过在不同速度段设置延伸率长度计算周期，来解决加减速过程中带钢打滑问题；通过实际速度的3次开方相关运算，进行前馈控制加快加减速过程中延伸率波动的调整；通过实际轧制力与延伸率预期轧制力误差动态修正和考虑厚度、宽度与延伸率关系，设置自适应因子来解决加减速过程中延伸率的控制精度和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及冷轧带钢平整机生产领域，特别是涉及一种加减速状态下获得恒定延伸率的 方法。

背景技术

在退火工序中带钢由于再结晶，产生了应变时效，在后续加工中会出现屈服平台，这种 退火后的带钢几乎完全成为软质状态，不适用于加工；而且只要稍稍给予轻度冲压加工，带 钢表面就会产生拉伸应变和不规则的滑移线。因此要对退火后的冷轧带钢进行轻度平整处理， 以消除屈服平台、提高抗拉强度，使其具有良好的带钢机械性能、改善带钢板形、调整带钢 表面粗糙度，获得符合要求的钢卷。

在冷轧平整机中延伸率是重要的工艺指标，为获得恒定延伸率，可通过调节轧制力和张 力来达到延伸率稳定控制的目的。但在加减速状态下，平整机组的速度，张力，轧制力，延 伸率，平整液附着量等都处于不稳定状态，因此出现延伸率波动过大，使得加减速平整段带 钢性能不符合工艺要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种加减速状态下获得恒定延伸率的方法，使得加减 速平整段带钢性能符合工艺要求。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种加减速状态下获得恒定延伸率的 方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、分别采集入口带钢速度和出口带钢速度，设置可变长度计算周期，计算延伸率实际 值；

以入口带钢速度或出口带钢速度为基准，按照其范围获得可变长度计算周期，并计算延 伸率；测量辊转动周长累计达到与不同速度段设置的周期值，作为下一个延伸率测量值起始 点，即测量辊周长每转动一定的路程计算一次延伸率实际值，该一定的路程与不同速度段有 关；

S2、将延伸率实际值与延伸率设定值比较，得到延伸率差值，与延伸率自适应调整因子 gain_apt的乘积作为PI控制器的输入值，输出轧制力控制环和张力控制环的附加控制量；其中 延伸率自适应调整因子gain_apt的计算公式如下：

$\mathrm{gai}{n}_{\mathrm{apt}}\left(n\right)=\frac{{\mathrm{Width}}_{\mathrm{set}}\times {\mathrm{Thk}}_{\mathrm{set}}}{{\mathrm{Width}}_{\max }\times {\mathrm{Thk}}_{\max }}\times \int ({\mathrm{FR}}_{\mathrm{act}}-100\times \mathrm{ELC}\times \int {\mathrm{gain}}_{\mathrm{apt}}(n-1))$

式中，Width_set为设定带钢宽度，Thk_set设定带钢厚度，FR_act为轧制力实际值，ELC为延伸 率实际值，Width_max为带钢宽度最大值，Thk_max为带钢厚度最大值，n为叠代次数，n＝1，2，3,…；

S3、将轧制力控制环的附加控制量与轧制力自适应调整因子相叠加，得到最终的轧制力 调整量，对轧制力进行调整；其中轧制力调整量的计算公式如下：

${\mathrm{\Delta FR}}_{\mathrm{corr}}=\left({\mathrm{FR}}_{\mathrm{cal}}\right)\times \frac{\sqrt[3]{V_{\mathrm{act}}}-\sqrt[3]{V_{\mathrm{thread}}}}{\sqrt[3]{V_{\max }}}+\mathrm{\Delta FR}$

式中，△FR_corr为轧制力控制环的最终调整量，△FR为轧制力控制环的附加控制量，FR_cal为标定轧制力，V_act为平整机机组实际带钢速度，V_thread为平整机机组爬行设定速度，V_max为平整 机机组最大速度。

按上述方案，V_max为平整机机组最大速度，Cir_Roll为测量辊周长，以入口带钢速度为基准，

若其小于或等于n₁V_max，则测量辊周长每转动m₁Cir_Roll路程时计算一次延伸率实际值；

若其大于n₁V_max且小于或等于n₂V_max，则测量辊周长每转动m₂Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₂V_max且小于或等于n₃V_max，则测量辊周长每转动m₃Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₃V_max且小于或等于n₄V_max，则测量辊周长每转动m₄Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₄V_max，则测量辊周长每转动m₅Cir_Roll路程时计算一次延伸率实际值；

其中0<n₁<n₂<n₃<n₄<1，0<m₁<m₂<m₃<m₄<m₅<1。

按上述方案，所述的延伸率实际值通过以下公式计算：

$\mathrm{ELC}=\frac{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{exit}}-{\mathrm{Len}}_{\mathrm{entry}}}{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{entry}}}\times 100\%$

式中，ELC为延伸率实际值，Len_exit为平整机出口单位时间内通过的带钢长度，Len_entry为 平整机入口单位时间内通过的带钢长度，

其中Len_entry＝Cir_Roll入*Δt*V_Roll入，Cir_Roll入为入口导向辊的周长，V_Roll入为入口导向辊的转 速，Δt为单位时间；Len_exit同理获得。

本发明的有益效果为：通过在不同速度段设置不同的延伸率长度计算周期，来解决加减 速过程中带钢打滑问题；通过实际速度的3次开方相关运算，进行前馈控制加快加减速过程 中延伸率波动的调整；通过实际轧制力与延伸率预期轧制力误差动态修正和考虑厚度、宽度 与延伸率关系，设置自适应因子来解决加减速过程中延伸率的控制精度和稳定性；最终实现 了在加减速状态下获得恒定延伸率的效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的控制原理图。

图2为不同速度段设置的延伸率长度计算周期图。

图3为本发明一实施例的应用原理图。

图4为本发明一实施例的试验效果图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的控制原理图，本实施例提供一种加减速状态下获得恒定延伸率 的方法，包括如下步骤：

S1、分别采集入口带钢速度和出口带钢速度，设置可变长度计算周期，计算延伸率实际 值；

以入口带钢速度或出口带钢速度为基准，按照其范围获得可变长度计算周期，并计算延 伸率；测量辊转动周长累计达到与不同速度段设置的周期值，作为下一个延伸率测量值起始 点。即测量辊周长每转动一定的路程(该一定的路程与不同速度段有关)计算一次延伸率实 际值；

具体的，令V_max为平整机机组最大速度，Cir_Roll为测量辊周长，可以以入口带钢速度为基 准，

若其小于或等于n₁V_max，则测量辊周长每转动m₁Cir_Roll路程时计算一次延伸率实际值；

若其大于n₁V_max且小于或等于n₂V_max，则测量辊周长每转动m₂Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₂V_max且小于或等于n₃V_max，则测量辊周长每转动m₃Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₃V_max且小于或等于n₄V_max，则测量辊周长每转动m₄Cir_Roll路程时计算一次延伸率 实际值；

若其大于n₄V_max，则测量辊周长每转动m₅Cir_Roll路程时计算一次延伸率实际值；

其中0<n₁<n₂<n₃<n₄<1，0<m₁<m₂<m₃<m₄<m₅<1。

本实施例中，n₁＝0.05，n₂＝0.15，n₃＝0.35，n₄＝0.65；m₁＝0.1，m₂＝0.12，m₃＝0.15，m₄＝0.3， m₅＝0.5。

S2、将延伸率实际值与延伸率设定值比较，得到延伸率差值，与延伸率自适应调整因子 gain_apt的乘积作为PI控制器的输入值，输出轧制力控制环和张力控制环的附加控制量；其中 延伸率自适应调整因子gain_apt的计算公式如下：

$\mathrm{gai}{n}_{\mathrm{apt}}\left(n\right)=\frac{{\mathrm{Width}}_{\mathrm{set}}\times {\mathrm{Thk}}_{\mathrm{set}}}{{\mathrm{Width}}_{\max }\times {\mathrm{Thk}}_{\max }}\times \int ({\mathrm{FR}}_{\mathrm{act}}-100\times \mathrm{ELC}\times \int {\mathrm{gain}}_{\mathrm{apt}}(n-1))$

式中，Width_set为设定带钢宽度，Thk_set设定带钢厚度，FR_act为轧制力实际值，ELC为延伸 率实际值，Width_max为带钢宽度最大值，Thk_max为带钢厚度最大值，n为叠代次数，n＝1，2，3,…。

S3、将轧制力控制环的附加控制量与轧制力自适应调整因子相叠加，得到最终的轧制力 调整量，对轧制力进行调整；其中轧制力调整量的计算公式如下：

${\mathrm{\Delta FR}}_{\mathrm{corr}}=\left({\mathrm{FR}}_{\mathrm{cal}}\right)\times \frac{\sqrt[3]{V_{\mathrm{act}}}-\sqrt[3]{V_{\mathrm{thread}}}}{\sqrt[3]{V_{\max }}}+\mathrm{\Delta FR}$

式中，△FR_corr为轧制力控制环的最终调整量，△FR为轧制力控制环的附加控制量，FR_cal为标定轧制力，V_act为平整机机组实际带钢速度，V_thread为平整机机组爬行设定速度，V_max为平 整机机组最大速度。

下面结合原理对本发明作详细说明。

一、平整机延伸率计算方法

平整轧制是生产优质薄板、确保带钢成品质量的最后一道关键工序，它对于提高产品质 量、控制板形、根据用户需求使薄板具有合适的力学性能和表面状态起着重要的作用。在冷 轧平整机中延伸率是重要的工艺指标，为获得恒定延伸率，可通过调节轧制力或张力来达到 延伸率稳定控制的目的。

延伸率常规计算公式为

$\mathrm{ELC}=\frac{V_{\mathrm{exit}}-V_{\mathrm{entry}}}{V_{\mathrm{entry}}}\times 100\%$    (式1-1)

式中，V_exit平整机出口带钢速度m/s，V_entry平整机入口带钢速度m/s，ELC为延伸率实际 值。

由于平整为带钢进行小压下量的二次变形，长度方向延伸可忽略，根据体积不变原理， 延伸率计算公式还可转换为：

$\mathrm{ELC}=\frac{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{exit}}-{\mathrm{Len}}_{\mathrm{entry}}}{{\mathrm{Len}}_{\mathrm{entry}}}\times 100\%$       (式1-2)

式中，ELC为延伸率实际值，Len_exit为平整机出口单位时间内通过的带钢长度，Len_entry为 平整机入口单位时间内通过的带钢长度，

其中Len_entry＝Cir_Roll入*Δt*V_Roll入，Cir_Roll入为入口导向辊的周长，V_Roll入为入口导向辊的转 速，Δt为单位时间；Len_exit同理获得。本发明优选此方式计算延伸率实际值。

二、平整机延伸率控制原理

延伸率控制模型可通过轧制力控制或通过张力控制或轧制力加张力控制。

根据带钢厚度的大小，分配轧制力控制和张力控制的权重，往往来料厚度较大时，采用 轧制力控制模式，较薄时采用张力控制模式或者轧制力加张力控制模式；实际控制原理是： 将延伸率实际值与设定目标值比较差值，该差值被送到延伸率控制器。延伸率控制器根据采 用的控制模式决定实际的附加轧制力或平整机前后张力值大小，修正压下的轧制力设定值或 修正平整机前后的设定张力值。最后通过压下轧制力控制模型或平整机前后张力控制模型外 环调节延伸率的大小。

三、加减速状态下获得恒定延伸率方法

在加减速状态下，平整机组的速度，张力，轧制力，延伸率，平整液附着量等都处于不 稳定状态，因此出现延伸率波动过大，使得加减速平整段带钢不符合工艺要求。

通过在某平整机实际工程中延伸率调试过程的摸索，发明了从三个角度来解决加减速过 程中延伸率的波动问题方法，证明效果是良好的。延伸率检测环节通过在不同速度段设置不 同的延伸率长度计算周期，来解决加减速过程中带钢打滑问题；通过实际速度的3次开方相 关运算，进行前馈控制加快加减速过程中延伸率波动的调整；通过实际轧制力与延伸率预期 轧制力误差动态修正和考虑厚度、宽度与延伸率关系，设置自适应因子来解决加减速过程中 延伸率的控制精度和稳定性。

(1)加减速下延伸率测量值的处理

平整机的延伸率一般通过平整机入出口的两台激光测速仪测量或者入出口导向辊的两个 编码器测量。激光测速仪与带钢表面垂直，直接检测出带钢的线速度。编码器分别安装在机 架入出口导向辊的轴中心线上，通过导向辊转速折算入出口带钢的线速度。激光测速仪精度 高，而且它不受带钢加减速打滑的影响，是平整机延伸率检测仪表配置的首选。但激光测速 仪价格昂贵，经常需要维护，对于中小型企业采用编码器检测延伸率性价比更高。

采用编码器测量延伸率精度低于激光测速仪，此外在加减速过程中打滑会影响到检测的 实际带钢速度。根据体积不变原理，及经过平整后宽度方向的延伸可忽略，将编码器速度测 量值转化为长度值，然后采用延伸率长度计算公式(1-2)，计算出实际延伸率。

由于编码器安装在入出口导向辊上，其输出为导向辊实际转速，在实际控制中，采样周 期为1.6ms，取4个采样周期的导向辊转速平均值作为导向辊实际转速，然后将导向辊实际 转速换算为实际带钢长度。

为避免速度变化引起的打滑问题，提高延伸率控制精度，本发明提供一种测量叠加法用 于延伸率的测量，即通过长度计算周期来消除编码器测量精度低的影响。同时由于不同的带 钢速度打滑情况不同，在FM458控制器检测测量辊转动周长累计达到与不同速度段设置的延 伸率长度计算周期值，作为下一个延伸率测量值起始点，如图2所示。

(2)加减速下延伸率控制器输出量的前馈开环调节。

考虑速度变化会引起摩擦系数变化，加速状态在不进行修正时延伸率实际值减小，减速状 态在不进行修正时延伸率实际值增加。通过反复实验，发明一种与实际速度相关的3次开方 相关运算，进行前馈控制预先对加减速过程中延伸率波动调整。

由于前馈控制控制精度有限，因此在进行前馈控制时，仅将前馈预调节量叠加到轧制力 控制环。

(3)加减速下延伸率控制器的反馈闭环自适应调节。

检测和前馈开环调节可在加减速时预先调整延伸率，使其在设定值附近波动，但在加减 速下要达到延伸率恒定控制，还需要根据实际轧制力、预设轧制力、宽度厚度等对延伸率控 制器动态调整，实现自适应闭环控制。

考虑厚度和宽度与延伸率关系，以及外界条件变化会引起延伸率变化，进而引起轧制力 变化，根据实际轧制力与延伸率预期轧制力误差作为延伸率自适应调整因子。延伸率自适应 调整因子与延伸率差值的乘积作为延伸率控制对象，在加减速过程中反复叠代调整。

(4)为将加减速状态下设计的延伸率控制算法具体实施，在FM458中进行了程序编制， 程序编写采用CFC完成，程序控制框图如图3。作为延伸率控制单元FM458的五个时钟周期 分别设置为1.6ms、6.4ms、12.8ms、51.2ms、204.8ms，WINCC(人机界面上运行的过程监 视系统)用于实际生产状态显示，过程数据采集系统iba用于采集、在线显示和分析来自控 制系统的模拟和数字信号及控制效果。

四、实际验证及结果分析

本发明的加减速延伸率控制算法在实际平整机中进行了测试，该平整机延伸率控制加减 速状态下的保证值为±0.15％。为验证本发明的有效性，采用了iba数据采集系统，截取测 试过程中实际数据进行分析，如图4所示。

从图4所示数据曲线可以看出，采用本发明的加减速延伸率控制算法，具有较高的控制 精度，在延伸率设定值为1％时，实际延伸率控制在0.924％～1.075％(精度范围-0.076％～ +0.075％)，远远达到了保证值要求。这说明控制方案设计是非常有效而且成功的。

本发明提出的加减速状态下获得恒定延伸率方法与现有技术相比具有以下效果：(1)加 减速下延伸率控制精度达到-0.076％～+0.075％，具有较高的控制精度，达到了保证值要求(保 证值精度要求±0.15％)，改善了加减速期间平整带钢的工艺性能；(2)本发明实现简单，可 推广到本类型平整机组延伸率控制系统的电气控制；(3)延伸率检测环节通过在不同速度段 设置不同的延伸率长度叠加周期，解决加减速过程中带钢打滑问题；(4)通过反复实验，采 用一种与实际速度相关的3次开方相关运算进行前馈控制，通过轧制力控制环预先对加减速 过程中延伸率波动调整，改善加速时延伸率实际值偏小，减速时延伸率实际值偏大问题。(5) 根据实际轧制力与延伸率预期轧制力误差作为自适应调整因子,自适应调整因子与延伸率偏 差的乘积作为延伸率控制对象，在加减速过程中反复叠代调整,来解决加减速过程中延伸率的 控制精度和稳定性问题。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能 够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发 明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。