具有PI参数限制的单机架轧机自动板厚控制方法

摘要

本发明公开了一种具有PI参数限制的单机架轧机自动板厚控制方法，该方法是先测出待轧制工件的入口厚度偏差，得到轧辊间隙控制的前馈修正量，然后通过测出待轧制工件的出口厚度偏差，将出口厚度偏差分别通过乘法器与比例增益Kp和积分增益KI相结合，分别得到偏差比例修正量与偏差积分修正量，将前馈修正量、偏差比例修正量、偏差积分修正量和轧辊间隙参考设定值四者相加，得到实际轧辊间隙设定值，通过轧机模数控制装置根据实际轧辊间隙设定值，对轧辊间隙控制装置输出控制指令，实现平滑调节，本发明通过在调试之初根据测得的参数计算出Kp及KI参数调节范围，使得对PI控制参数的调试有一定的参考范围，从而大大减少了调试的时间，扩大参数可调节的范围。

说明书

技术领域

本发明涉及液力加载轧机的控制领域，特别涉及一种具有PI参数限制可实现工件板厚应 答控制的单机架轧机自动板厚控制方法。

背景技术

如图1所示，该图显示了传统式液力加载轧机的采用的控制常规方法。该单机架可逆轧 机的工作过程如下：待轧制工件通过开卷机1，经导辊19后，在上、下工作辊16，17之间进 行轧制，轧制好的工件经过导辊20，由卷取机6进行卷绕，图中，2代表入口测厚仪；5代 表出口测厚仪；3代表入口测速仪，4代表出口测速仪，13代表伺服阀、14代表液压缸、15 代表下支撑辊、16代表下工作棍、23代表延时模块、24代表积分增益KI。

其控制原理如下：轧机入口测厚仪2将得到的实际板厚hin与基准值hinref在比较器10 进行比较计算，求出入口厚度偏差Δhin。偏差信号Δhin在乘法器11乘以增益CP/CM，得到 轧辊间隙控制的前馈修正量ΔSff，其中CP是工件的弹性系数，CM是轧机的弹性模量，轧 机出口测厚仪5得到所检测的实际板厚hout，与基准值houtref在比较器或加减器7进行比较 计算后，求出厚度偏差Δhout。偏差信号Δhout在乘法器22乘以在9处调节的比例增益Kp， 求出偏差比例控制修正量houKp，偏差信号通过积分器8在乘法器21乘以可调节的积分增益 KI，求出偏差积分控制修正量houtKI，偏差比例控制修正量和偏差积分控制修正量与前馈修 正量ΔSff在加法器12处相加就得到轧辊间隙控制的修正量ΔS。在加法器中加上轧辊间隙参 考设定值Sref，就得到了实际轧辊间隙设定值。

图2是显示图1所示系统的计算机模拟实验结果的曲线图。该种控制方式实际调试过程 中，需要分别调试比例增益Kp和积分增益KI，调节方法是由小到大调节的，观察系统在不 同轧制速度下的相应情况，并反复调试。如果调试过程中出现大幅震荡现象，就缩小比例增 益Kp和积分增益KI。为了使得出口带钢的厚度在轧制速度变化时，板厚偏差不会大幅反复 震荡，一般将比例增益Kp和积分增益KI与速度进行了线性关联，线性系数往往根据试验确 定。这种调试方法，需要调试人员长时间的观察和生产试验，浪费了大量的调试时间和调试 材料，并且调节得到的参数只能在一定工作速度范围内达到良好的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种具有PI参数限制的单机架轧机自动板厚控制方法，通 过在调试之初根据测得的参数计算出Kp及KI参数调节范围，使得对PI控制参数的调试事 先就有一定的参考范围，并且随着比例增益参数的改变、轧制速度的改变，积分增益参数可 调范围也在动态的变化，在此范围内进行调试，从而大大减少了调试的时间，扩大参数可调 节的范围。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：该具有PI参数限制的单机架轧机自动板厚控 制方法，用于包括轧辊间隙控制装置和轧机模数控制装置的厚度控制系统，该方法是先测出 待轧制工件的入口厚度偏差，得到轧辊间隙控制的前馈修正量，然后通过测出待轧制工件的 出口厚度偏差，将出口厚度偏差分别通过乘法器与比例增益Kp和积分增益KI相结合，分别 得到偏差比例修正量与偏差积分修正量，将前馈修正量、偏差比例修正量、偏差积分修正量 和轧辊间隙参考设定值四者相加，得到实际轧辊间隙设定值，通过轧机模数控制装置根据实 际轧辊间隙设定值，对轧辊间隙控制装置输出控制指令，通过轧辊间隙控制装置用于设定上、 下工作辊之间的轧辊间隙，实现平滑调节，其中，Kp独立的设定范围通过事先给定得出，为 [0，KIlim)，KPLim＝(1+C_P/C_M)，C_P是工件的弹性系数，C_M是轧机的弹性模量；KI独立的设 定范围也通过事先给定得出，为[0，KIlim]，其中

$\mathrm{KILim}=(1-\frac{C_P}{C_M})\frac{2}{T_1+L/v+\mathrm{Tact}}\sqrt{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^2{\mathrm{Kp}}^2}\arctan \left(\frac{1+{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}\right)$

其中T1为检测厚度偏差的测厚仪传感器检测时间，即从开始检测至传递信号的时间；Tact 为轧辊间隙液压系统反应时间、L为轧机两侧测厚仪距轧机距离、V为轧辊间隙液压系统反 应速度，当调节一个参数或轧制速度变化时，不会出现大幅震荡现象。

进一步，所述方法具体包括以下步骤：

1)通过轧机入口测厚仪测得实际板厚，将所得到的实际板厚hin与基准值hinref通过比 较器进行比较，得到入口厚度偏差值Δhin；

2)将入口厚度偏差值Δhin通过乘法器乘以增益C_p/C_M，得到轧辊间隙控制的前馈修正 量ΔSff，其中C_P是工件的弹性系数，C_M是轧机的弹性模量；

3)通过轧机出口测厚仪检测轧机出口带钢的实际板厚hout，与基准值houtref在比较器 或加减器进行比较计算，求出厚度偏差Δhout；

4)将偏差信号Δhout通过乘法器乘以经过幅值限制的比例增益Kp，求出偏差比例控制 修正量houKp，所述比例增益Kp的取值通过以下公式进行限制：

$\mathrm{Kp}<(1+\frac{C_P}{C_M});$

5)通过偏差信号输入积分器在乘法器乘以通过动态幅值KIlim限制的积分增益Ki，得到 偏差积分控制修正量houtKI，所述KIlim的取值通过以下公式进行限制：

$\mathrm{KI}<(1-\frac{C_P}{C_M})\frac{2}{T_1+L/v+\mathrm{Tact}}\sqrt{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^2{\mathrm{Kp}}^2}\arctan \left(\frac{1+{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}\right);$

6)将偏差比例控制修正量houKp和偏差积分控制修正量houtKI与前馈修正量ΔSff通过 加法器相加，从而得到轧辊间隙控制的修正量ΔS，在加法器中加上轧辊间隙参考设定值Sref， 从而得到了实际轧辊间隙设定值；

7)所述轧机的轧机模数控制装置根据反馈的实际轧辊间隙设定值，对轧辊间隙控制装置 输出控制指令，通过轧辊间隙控制装置实时设定上、下工作辊之间的轧辊间隙，实时调节上、 下工作辊的轧辊间隙，实现平滑调节。

本发明的有益效果是：

本发明基于现有的轧机调试需要分别调试比例增益Kp和积分增益KI，调节方法由于是 由小到大调节的，通过观察系统在不同轧制速度下的相应情况来确定取值，其调试需要反复 进行，耗时长，适应范围小；而本发明通过在调试之初根据测得的参数计算出Kp及KI参数 调节范围，使得对PI控制参数的调试事先就有一定的参考范围，并且随着比例增益参数的改 变、轧制速度的改变，积分增益参数可调范围也在动态的变化，在此范围内进行调试，从而 大大减少了调试的时间，扩大参数可调节的范围。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且 在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利 要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步的详细描述，其中：

图1是传统系统的总方块图；

图2是图1所示系统的计算机模拟实验结果的曲线图；

图3是本发明所示系统的总方块图；

图4是图3所示系统的计算机模拟实验结果的曲线图；

图5是图3所示系统的计算机模拟实验结果的曲线图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图3所示，采用本方法进行自动板厚控制的调节液压-轧辊间隙伺服系统，除了用于包 括轧辊间隙控制装置和轧机模数控制装置的厚度控制系统以外，还包括了：输入侧测厚仪(即 下文中的轧机入口测厚仪2)，用以检测待轧工件的厚度；输入侧测速仪，用以检测输入侧工 件的速度；输出侧测厚仪(即下文中的轧机出口测厚仪5)，用以检测轧制后工件的厚度；输 出测速仪，用以检测输出侧工件的速度。图中，21代表延时模块(输入数据经过一定时间的延 迟后输出)；24代表积分增益KI；25代表Kp约束条件(＜(1+C_P/C_M))；22代表KI约束条件 ([0，KIlim))，其余附图标记基本与图1中相同附图标记的含义相同。

本发明的调节液压-轧辊间隙伺服系统，使得当在系统最小工作压力附近给定轧辊间隙变 化阶跃值20微米时，上升时间为Tact秒。

轧机两侧测厚仪距轧机距离为L米，轧制时速度为v米/秒(即出口带钢速度，由出口侧 测速仪得到)。

本发明的方法是先测出待轧制工件的入口厚度偏差，得到轧辊间隙控制的前馈修正量， 然后通过测出待轧制工件的出口厚度偏差，将出口厚度偏差分别通过乘法器与比例增益Kp 和积分增益KI相结合，分别得到偏差比例修正量与偏差积分修正量，将前馈修正量、偏差比 例修正量、偏差积分修正量和轧辊间隙参考设定值四者相加，得到实际轧辊间隙设定值，通 过轧机模数控制装置根据实际轧辊间隙设定值，对轧辊间隙控制装置输出控制指令，通过轧 辊间隙控制装置用于设定上、下工作辊之间的轧辊间隙，实现平滑调节，其中，Kp独立的设 定范围通过事先给定得出，为[0，KIlim)，KPLim＝(1+C_P/C_M)，C_P是工件的弹性系数，C_M是轧 机的弹性模量；KI独立的设定范围也通过事先给定得出，为[0，KIlim)，其中

$\mathrm{KILim}=(1-\frac{C_P}{C_M})\frac{2}{T_1+L/v+\mathrm{Tact}}\sqrt{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^2{\mathrm{Kp}}^2}\arctan \left(\frac{1+{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}\right).$

其中T1为检测厚度偏差的测厚仪传感器检测时间，即从开始检测至传递信号的时间；Tact 为轧辊间隙液压系统反应时间；L为轧机两侧测厚仪距轧机距离；V为轧辊间隙液压系统反 应速度，当调节一个参数或轧制速度变化时，不会出现大幅震荡现象。

具体而言，本方法包括以下步骤：

1)通过轧机入口测厚仪2测得实际板厚，将所得到的实际板厚hin与基准值hinref通过 比较器10进行比较，得到入口厚度偏差值Δhin；

2)将入口厚度偏差值Δhin通过乘法器11乘以增益C_p/C_M，得到轧辊间隙控制的前馈修 正量ΔSff，其中C_P是工件的弹性系数，C_M是轧机的弹性模量；

3)通过轧机出口测厚仪5检测轧机出口带钢的实际板厚hout，与基准值houtref在比较 器或加减器(7)进行比较计算，求出厚度偏差Δhout；

4)将偏差信号Δhout通过乘法器26乘以经过幅值限制8的比例增益Kp，求出偏差比例 控制修正量houKp，所述比例增益Kp的取值通过以下公式进行限制：

$\mathrm{Kp}<(1+\frac{C_P}{C_M});$

5)通过偏差信号输入积分器9在乘法器26乘以通过动态幅值KIlim限制的积分增益KI， 得到偏差积分控制修正量houtKI，所述KIlim的取值通过以下公式进行限制：

$\mathrm{KIlim}<(1-\frac{C_P}{C_M})\frac{2}{T_1+L/v+\mathrm{Tact}}\sqrt{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^2{\mathrm{Kp}}^2}\arctan \left(\frac{1+{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}{1-{(1+\frac{C_P}{C_M})}^{-1}\mathrm{Kp}}\right);$

6)将比例控制修正量houKp和偏差积分控制修正量houtKI与前馈轧辊间隙修正量ΔSff 通过加法器12相加，从而得到轧辊间隙控制的修正量ΔS，在加法器12中加上轧辊间隙参考 设定值Sref，从而得到了实际轧辊间隙设定值；

7)所述轧机的轧机模数控制装置根据实际轧辊间隙设定值，对轧辊间隙控制装置输出控 制指令，通过轧辊间隙控制装置用于设定上、下工作辊之间的轧辊间隙，实现平滑调节。

图3是本发明所示系统的总方块图；图4是图3所示系统的计算机模拟实验结果的曲线 图(KI＝0.5KIlim)；图5是图3所示系统的计算机模拟实验结果的曲线图(KI＝8.1757，比例积 分系数限制为0.9KIlim)。

从图3、图4和图5，对比图1、图2可以看出，对于积分系数没有PI参数稳定范围的限 制，而选取固定值在高速的时候性能很好，在低速的时候性能会恶化，并可能导致不稳定， 如果按照最低工作速度时稳定的积分系数就得不到较好的性能。如果按照比例系数和积分 系数稳定限制进行调节，就可以不用关心的调试系数导致不稳定的情况。

本发明使得对PI控制参数的调试事先就有一定的参考范围，并且随着比例增益参数的改 变、轧制速度的改变，积分增益参数可调范围也在动态的变化，在此范围内进行调试，从而 大大减少了调试的时间，扩大参数可调节的范围。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳 实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发 明的权利要求范围当中。