基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法

摘要

基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法，属于冷轧张力控制技术领域。本发明可实现张力液压缸与轧机速度精确匹配，且张力控制精度高。本发明包括如下步骤：步骤一：确定轧件在轧机入口处的线速度设定值和出口处的线速度设定值；步骤二：确定入口和出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量；步骤三：确定入口和出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量；步骤四：确定最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的伺服阀控制量；步骤五：将步骤四中确定的最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的伺服阀控制量送入控制系统，由控制系统对入口张力液压缸伺服阀和出口张力液压缸伺服阀进行调节。

说明书

技术领域

本发明属于冷轧张力控制技术领域，特别是涉及一种基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控 制方法。

背景技术

直拉式可逆冷轧实验轧机是一种新型冷轧实验轧机，主要针对单片短轧件进行冷轧实验； 与传统的卷取式可逆冷轧机相比，其可以极大的节省带钢实验原料的消耗。直拉式可逆冷轧 实验轧机的张力控制采用张力液压缸来实现，具体方法是在轧机两侧通过夹头夹持轧件两端， 并在两侧设置张力液压缸，采用伺服阀控制液压油的流量，从而驱动张力液压缸产生位移和 保持张力。其中的一个核心问题是：在张力液压缸与轧机速度相匹配的条件下，如何保证轧 件在轧机的入口和出口保持足够高的张力控制精度？目前，现有的张力控制方法尚不能同时 满足直拉式可逆冷轧实验轧机对张力液压缸与轧机速度匹配的要求和对张力控制精度的要 求。

发明内容

针对现有的张力控制方法尚不能同时满足直拉式可逆冷轧实验轧机对张力液压缸与轧机 速度匹配的要求和对张力控制精度的要求的问题，本发明提供一种可实现张力液压缸与轧机 速度精确匹配，且张力控制精度高的基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于速度前馈的直拉式冷轧机张力 控制方法，包括如下步骤：

步骤一：确定轧件在轧机入口处的线速度设定值和出口处的线速度设定值；

轧件在轧机入口处的线速度设定值的计算公式为：

V_{TS_in}＝(1-b)·V_R    (1)

式中，V_{TS_in}-轧件在轧机入口处的线速度设定值，

V_R-轧辊的实际线速度，

b-轧件的后滑率，

轧件在轧机出口处的线速度设定值的计算公式为：

V_{TS_out}＝(1+f)·V_R    (2)

式中，V_{TS_out}-轧件在轧机出口处的线速度设定值，

V_R-轧辊的实际线速度，

f-轧件的前滑率，

其中，

$b=1-\frac{V_{\mathrm{TA}\_\mathrm{in}}}{V_R}---\left(3\right)$

式中，V_{TA_in}-轧机入口处的实际线速度，

$f=\frac{V_{\mathrm{TA}\_\mathrm{out}}}{V_R}-1---\left(4\right)$

式中， V_{TA_out}-轧机出口处的实际线速度；

步骤二：确定入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，出口张力液压缸的速度 前馈控制的伺服阀控制量；

入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量的计算公式为：

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{in}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{in}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{in}}}}---\left(5\right)$

式中，U_{FF_in}-入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

C-量纲常数，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积，

Q_N-伺服阀阀口的额定流量，

ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

V_{TS_in}-轧件在轧机入口处的线速度设定值，

ΔP_in-入口张力液压缸伺服阀阀口的压力差，

出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量的计算公式为：

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{out}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{out}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{out}}}}---\left(6\right)$

式中，U_{FF_out}-出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

C-量纲常数，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积，

Q_N-伺服阀阀口的额定流量，

ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

V_{TS_out}-轧件在轧机出口处的线速度设定值，

ΔP_out-出口张力液压缸伺服阀阀口的压力差；

步骤三：确定入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，出口张力液压缸的张力 反馈控制的伺服阀控制量；

所述张力反馈控制的张力反馈控制器采用一个PID控制器，根据张力设定值和张力检测 值的偏差，调整张力液压缸伺服阀的开口度，进行张力闭环控制；

经PID控制器输出的入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量为U_{FB_in}，经PID控 制器输出的出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量为U_{FB_out}；

步骤四：确定最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的伺服阀控制量；

最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量的计算公式为：

U_in＝U_{FF_in}+U_{FB_in}    (7)

式中，U_in-最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量，

U_{FF_in}-入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

U_{FB_in}-入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，

最终的出口张力液压缸的伺服阀控制量的计算公式为：

U_out＝U_{FF_out}+U_{FB_out}    (8)

式中，U_out-最终的出口张力液压缸的伺服阀控制量，

U_{FF_out}-出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

U_{FB_out}-出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量；

步骤五：将步骤四中确定的最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的 伺服阀控制量送入控制系统，由控制系统对入口张力液压缸伺服阀和出口张力液压缸伺服阀 进行调节。

液压油通过张力液压缸伺服阀的流量受伺服阀两侧压差的影响，具有变增益特性；为改 善系统性能，在步骤三中加入非线性补偿环节，其具体方法如下：

将PID控制器的增益K_P用K′_P代替，其关系式如下：

$K_P^{\prime }=K_P·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{\mathrm{\Delta P}}}---\left(9\right)$

式中，ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

ΔP-伺服阀阀口压力差。

本发明的有益效果：

本发明的张力控制方法，可实现张力液压缸与轧机速度精确匹配，且张力控制精度高。 在静止状态下，左张力液压缸和右张力液压缸的张力控制精度为±0.2kN；在运行过程中，左 张力液压缸和右张力液压缸的张力控制精度为±0.5kN；起车张力冲击在±1.5kN之内，停车 张力冲击在±1kN之内。

附图说明

图1是本发明的基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法所采用的硬件系统的结构示 意图；

图2是本发明的张力控制器的原理图；

图1中，1-左张力液压缸位移传感器，2-左张力液压缸，3-左张力液压缸无杆腔油压 传感器，4-左张力液压缸伺服阀，5-左张力液压缸有杆腔油压传感器，6-左张力计，7- 左夹头，8-轧机，9-右夹头，10-右张力计，11-右张力液压缸伺服阀，12-右张力液压 缸有杆腔油压传感器，13-右张力液压缸无杆腔油压传感器，14-右张力液压缸，15-右张 力液压缸位移传感器，

图2中，16-速度前馈控制器，17-张力反馈控制器，18-伺服阀，19-张力液压缸， 20-张力计。

具体实施方式

本发明的张力控制器的原理图，如图2所示，张力液压缸作用于轧件的张力由张力计测 量，参与张力反馈控制器的闭环调节。张力控制器主要包括速度前馈控制器和张力反馈控制 器两个部分。

一种基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法，包括如下步骤：

步骤一：确定轧件在轧机入口处的线速度设定值和出口处的线速度设定值。

张力液压缸必须与轧机的轧辊线速度相匹配，才能保证轧制实验的正常进行。通常根据 轧辊线速度实际值可以大致确定张力液压缸的线速度设定值，但是轧机入口处的张力液压缸 的线速度设定值和出口处的张力液压缸的线速度设定值并不完全等于轧辊的线速度实际值， 它们的关系如公式(1)和(2)所示。

轧件在轧机入口处的线速度设定值的计算公式为：

V_{TS_in}＝(1-b)·V_R    (1)

式中，V_{TS_in}-轧件在轧机入口处的线速度设定值，

V_R-轧辊的实际线速度，在轧制过程中，通过在主电机上安装增量编码器来精确测量 轧辊的转速，从而可以计算出轧辊的实际线速度，

b-轧件的后滑率，其初始数值可以根据轧机参数及轧制条件确定；

轧件在轧机出口处的线速度设定值的计算公式为：

V_{TS_out}＝(1+f)·V_R    (2)

式中，V_{TS_out}-轧件在轧机出口处的线速度设定值，

V_R-轧辊的实际线速度，在轧制过程中，通过在主电机上安装增量编码器来精确测量 轧辊的转速，从而可以计算出轧辊的实际线速度，

f-轧件的前滑率，其初始数值可以根据轧机参数及轧制条件确定；

其中，

$b=1-\frac{V_{\mathrm{TA}\_\mathrm{in}}}{V_R}---\left(3\right)$

式中，V_{TA_in}-轧机入口处的实际线速度，由入口张力液压缸内置的位移传感器测量，

$f=\frac{V_{\mathrm{TA}\_\mathrm{out}}}{V_R}-1---\left(4\right)$

式中，V_{TA_out}-轧机出口处的实际线速度，由出口张力液压缸内置的位移传感器测量。

步骤二：确定入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，即：入口张力液压缸的 速度前馈控制器的输出U_{FF_in}，出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，即：出口张 力液压缸的速度前馈控制器的输出U_{FF_out}；

张力液压缸的线速度设定值V_TS与伺服阀的流量Q_TS成正比，如公式(10)所示，

Q_TS＝C·V_TS·S_H    (10)

式中，C-量纲常数，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积；

控制系统通过控制伺服阀的阀芯位移来控制伺服阀的开口度，最终达到控制伺服阀流量 的目的。伺服阀的流量Q_TS与伺服阀阀芯位移x_v的关系式如公式(11)所示，

$Q_{\mathrm{TS}}=Q_N·\frac{x_v}{x_m}·\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\mathrm{\Delta P}}_N}}---\left(11\right)$

式中，ΔP-伺服阀阀口压力差，出油时ΔP＝P_H，进油时ΔP＝P_S-P_H，P_H为张力液压缸有杆腔 油压，P_S为油源压力值，

Q_N-伺服阀阀口的额定流量，其数值在伺服阀说明书中可以查到，

ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，其数值在伺服阀说明书中可以查到，

x_m-伺服阀阀芯最大位移，当x_v＝x_m时，伺服阀阀口开到最大，且阀口压差为额定压 差ΔP_N时，伺服阀的流量Q_TS为额定流量Q_N；

综上，可以得出速度前馈控制的伺服阀控制量U_FF的计算公式为：

$U_{\mathrm{FF}}=100·\frac{x_v}{x_m}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{\mathrm{\Delta P}}}---\left(12\right)$

式中，U_FF取值在[-100，100]区间内，表示伺服阀的控制量从负向最大开口到正向最大开口。

则入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量的计算公式为：

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{in}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{in}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{in}}}}---\left(5\right)$

式中，U_{FF_in}-入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，其取值在[-100，100]区间内， 表示伺服阀的控制量从负向最大开口到正向最大开口，

C-量纲常数，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积，

Q_N-伺服阀阀口的额定流量，

ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

V_{TS_in}-轧件在轧机入口处的线速度设定值，

ΔP_in-入口张力液压缸伺服阀阀口的压力差，

出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量的计算公式为：

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{out}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{out}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{out}}}}---\left(6\right)$

式中，U_{FF_out}-出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，其取值在[-100，100] 区间内，表示伺服阀的控制量从负向最大开口到正向最大开口，

C-量纲常数，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积，

Q_N-伺服阀阀口的额定流量，

ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

V_{TS_out}-轧件在轧机出口处的线速度设定值，

ΔP_out-出口张力液压缸伺服阀阀口的压力差。

步骤三：确定入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，即：入口张力液压缸的 张力反馈控制器的输出U_{FB_in}，出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，即：出口张 力液压缸的张力反馈控制器的输出U_{FB_out}；

张力检测单元通常有两种：一种是安装在夹头和张力液压缸之间的张力计，可直接测量 张力；另一种是采用油压传感器测量张力液压缸有杆腔油压P_H和无杆腔油压P_L，对张力进行 间接测量，其计算公式如下：

T_A＝P_H·S_H-P_L·S_L    (13)

式中，T_A-张力检测值，

S_H-张力液压缸有杆腔的环形面积，

S_L-张力液压缸无杆腔的面积。

所述张力反馈控制的张力反馈控制器采用一个PID控制器，张力设定值T_S和张力检测值 T_A的偏差作为张力反馈控制器的输入，根据该偏差调整张力液压缸伺服阀的开口度，进行张 力闭环控制。

液压油通过张力液压缸伺服阀的流量受伺服阀两侧压差的影响，具有变增益特性；为改 善系统性能，在步骤三中加入非线性补偿环节，其具体方法如下：

将PID控制器的增益K_P用K′_P代替，其关系式如下：

$K_P^{\prime }=K_P·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{\mathrm{\Delta P}}}---\left(9\right)$

式中，ΔP_N-伺服阀阀口的额定压差，

ΔP-伺服阀阀口压力差，

经非线性补偿之后，张力液压缸伺服阀流量控制的进出油的速度保持一致，最终使得张 力增加和减小速率相等。

经PID控制器输出的入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量为U_{FB_in}，经PID控 制器输出的出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量为U_{FB_out}。

步骤四：确定最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量U_in和出口张力液压缸的伺服阀控制 量U_out；

最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量为入口张力液压缸的速度前馈控制器的输出和入 口张力液压缸的张力反馈控制器的输出之和，其计算公式为：

U_in＝U_{FF_in}+U_{FB_in}    (7)

式中，U_in-最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量，

U_{FF_in}-入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

U_{FB_in}-入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，

最终的出口张力液压缸的伺服阀控制量为出口张力液压缸的速度前馈控制器的输出和出 口张力液压缸的张力反馈控制器的输出之和，其计算公式为：

U_out＝U_{FF_out}+U_{FB_out}    (8)

式中，U_out-最终的出口张力液压缸的伺服阀控制量，

U_{FF_out}-出口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，

U_{FB_out}-出口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量。

步骤五：将步骤四中确定的最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的 伺服阀控制量送入控制系统，由控制系统对入口张力液压缸伺服阀和出口张力液压缸伺服阀 进行调节。

所述的基于速度前馈的直拉式冷轧机张力控制方法所采用的硬件系统，如图1所示，包 括轧机8，在轧机8的两侧分别设置有左张力液压缸2、右张力液压缸14。在左张力液压缸2 内设置有左张力液压缸位移传感器1，用于测量左张力液压缸2的位移和速度；在左张力液 压缸2和左夹头7之间安装有左张力计6，用于测量左张力液压缸2的张力；左张力液压缸2 的有杆腔接入高压油源，用于产生使液压缸向左侧移动的驱动力，通过左张力液压缸伺服阀 4控制流量，左张力液压缸有杆腔油压传感器5用于测量其油压；左张力液压缸2的无杆腔 接入低压油源，用于产生使液压缸向右侧移动的驱动力，左张力液压缸无杆腔油压传感器3 用于测量其油压。在右张力液压缸14内设置有右张力液压缸位移传感器15，用于测量右张 力液压缸14的位移和速度；在右张力液压缸14和右夹头9之间安装有右张力计10，用于测 量右张力液压缸14的张力；右张力液压缸14的有杆腔接入高压油源，用于产生使液压缸向 右侧移动的驱动力，通过右张力液压缸伺服阀11控制流量，右张力液压缸有杆腔油压传感器 12用于测量其油压；右张力液压缸14的无杆腔接入低压油源，用于产生使液压缸向左侧移 动的驱动力，右张力液压缸无杆腔油压传感器13用于测量其油压。所述左张力液压缸位移传 感器1、左张力液压缸无杆腔油压传感器3、左张力液压缸有杆腔油压传感器5、左张力计6、 右张力液压缸位移传感器15、右张力液压缸无杆腔油压传感器13、右张力液压缸有杆腔油压 传感器12及右张力计10等所产生的测量信号均引入计算机控制系统参与控制。

实施例1

采用某技术中心450mm直拉式可逆冷轧实验轧机，系统的相关参数如下：

张力液压缸内径：125mm，杆径：90mm，最大行程：2100mm，最大张力：100kN，最大速 度：0.4m/s，张力液压缸内置位移传感器的型号：RHM2150MD701S1G2100，高压油源压力： 23.5MPa，高压油压传感器的型号：HDA3844-A-250-000；流量控制选用MOOG伺服阀，型号： D661-4444C G60JOAA6VSX2HA。张力控制系统采用西门子S7400PLC，所使用的CPU单元为 CPU416-2DP+FM458-1DP，张力控制器在FM458-1DP中运行。

原料规格：厚度3.05mm，宽度310mm，长度600mm，品种SPCC，

目标厚度：0.5mm，

轧制道次：7，

最大轧制速度：0.25m/s。

以第七道次轧制为例，入口厚度为0.65mm，出口厚度为0.5mm，轧制速度为0.25m/s， 入口张力设定为30.6kN，出口张力设定为30.5kN。

步骤一：确定轧件在轧机入口处的线速度设定值和出口处的线速度设定值；

前滑率f＝0.06，后滑率b＝0.112，

则：

V_{TS_in}＝(1-b)·V_R＝(1-0.112)·0.25＝0.222m/s，

V_{TS_out}＝(1+f)·V_R＝(1+0.06)·0.25＝0.265m/s。

步骤二：确定入口张力液压缸的速度前馈控制的伺服阀控制量，出口张力液压缸的速度 前馈控制的伺服阀控制量；

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{in}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{in}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{in}}}}=100·0.06·\frac{0.222·5910}{160}·\sqrt{\frac{7}{15.3}}=33.28,$

$U_{\mathrm{FF}\_\mathrm{out}}=100·C·\frac{V_{\mathrm{TS}\_\mathrm{out}}·S_H}{Q_N}·\sqrt{\frac{{\mathrm{\Delta P}}_N}{{\mathrm{\Delta P}}_{\mathrm{out}}}}=100·0.06·\frac{0.265·5910}{160}·\sqrt{\frac{7}{20}}=34.75,$

由于本实施例中，伺服阀负向开口时，张力液压缸向轧机方向移动；伺服阀正向开口时， 张力液压缸向远离轧机方向移动，则实际入口张力液压缸的速度前馈控制器的输出为：

U_{FF_in}＝-1×33.28＝-33.28，

出口张力液压缸的速度前馈控制器的输出为：

U_{FF_out}＝34.75。

步骤三：确定入口张力液压缸的张力反馈控制的伺服阀控制量，出口张力液压缸的张力 反馈控制的伺服阀控制量；

入口和出口张力液压缸的张力反馈控制器的PID参数如下：

P参数为2.5，I参数为550ms，D参数为800ms。

入口张力实际值为30.3kN，设定值为30.6kN，张力偏差为0.3kN，入口张力液压缸的张 力反馈控制的伺服阀控制量为：

U_{FB_in}＝0.24，

出口张力实际值为30.56kN，设定值为30.5kN，张力偏差为0.06kN，出口张力液压缸的 张力反馈控制的伺服阀控制量为：

U_{FB_out}＝-0.05。

步骤四：确定最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的伺服阀控制量；

最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量为：

U_in＝U_{FF_in}+U_{FB_in}＝-33.28+0.24＝-33.04，

最终的出口张力液压缸的伺服阀控制量为：

U_out＝U_{FF_out}+U_{FB_out}＝34.75-0.05＝34.7。

步骤五：将步骤四中确定的最终的入口张力液压缸的伺服阀控制量和出口张力液压缸的 伺服阀控制量送入控制系统，由控制系统对入口张力液压缸伺服阀和出口张力液压缸伺服阀 进行调节，

控制系统的伺服阀控制量为电流信号，其量程为±10mA，对应控制量的±100，则入口张 力液压缸的伺服阀控制信号为：出口张力液压缸的伺服阀控制信号 为：$\frac{34.7}{100}·10=3.47\mathrm{mA}.$

张力控制精度：入口张力液压缸张力控制误差为0.3kN，出口张力液压缸张力控制误差 为0.06kN。