用于条带的平整度控制的方法以及控制系统

摘要

本发明涉及一种用于为辊轧机中的轧制条带提供平整度控制的方法，辊轧机包括可通过致动器来控制的多个辊。该方法包括以下步骤：接收(S1)涉及该条带的平整度的平整度测量数据；将平整度误差确定(S2)为该条带的参考平整度与该平整度测量数据之间的差异；基于该平整度误差和提供低于门限值的平整度效果的致动器位置组合的权重，确定(S3)已调整平整度误差，并且利用(S4)将该已调整平整度误差用于(S4)控制单元以控制该致动器以便从而控制该条带的该平整度。本发明还提供了用于执行以上方法的计算机程序产品和控制系统。

说明书

技术领域

本发明一般涉及辊轧机中的轧制条带的控制，并且更具体而言涉及对于轧制条带提供平整度控制的方法以及用于执行该方法的控制系统和计算机程序产品。

背景技术

诸如钢条或由其他金属制成的条带之类的条带可能需要承受厚度减少过程，例如通过辊轧机中的冷轧或热轧。将工作件即条带从开卷机展开，在辊轧机中进行处理并且在卷绕机上进行盘绕。

辊轧机包括辊，其中当条带经过该辊轧机时一组辊被布置在条带之上并且另一组辊被布置在该条带之下。该辊轧机被布置为在形成辊缝的两个工作辊之间接收条带。其余的辊向工作辊提供附加控制和压力，从而随着该条带移动通过该辊缝，控制辊缝轮廓并且因此该条带的平整度。

多辊轧机包括被堆叠成该工作辊之上和之下的作为层的多个辊。可以将备用辊(即布置在该辊缝之上的辊中的最上面的辊以及布置在该辊缝之下的辊中的最下面的辊)进行分段。可以通过冠型致动器在辊轧机中移进移出每个辊段。分段辊的移动穿过辊群朝向该工作辊，以便形成移动通过该辊缝的条带。也可以通过多辊轧机的其余辊各自的致动器来制动它们。弯曲致动器可以例如向分配给它们的辊提供弯曲效果，并且从而改变辊缝的轮廓。侧移辊可能具有非圆柱形状，其经由侧移致动器通过侧移辊的轴向位移来改变辊缝轮廓。

典型而言希望跨越条带的宽度具有统一的平整度，因为与具有基本上统一的平整度轮廓的条带相比，不统一的平整度可能例如导致条带的制造具有更低的质量。具有不统一的平整度的条带可能例如变得褶皱或部分起皱。不统一的平整度还可能导致条带由于局部增加的张力而破裂。因此，例如在将条带盘绕在卷绕机上之前，通过测量由该条带对测量辊施加的力来测量该条带的平整度轮廓，其中，将测量的平整度数据提供给控制系统，该控制系统控制辊轧机的致动器以便控制该辊轧机的辊缝以使得能够获得条带的统一平整度。

为了控制致动器，通常通过用于该辊轧机的每个致动器的平整度响应功能来模拟辊轧机。可以将它们例如聚合成矩阵中的列，有时候被称为辊轧机矩阵G_m。

在具有多个致动器的辊轧机(如多辊轧机)中，一个致动器可能具有与平整度响应的线性依赖。这意味着可能存在不影响条带的平整度的致动器位置组合，因为由该致动器提供的组合平整度响应抵消了由每个单独的致动器提供的平整度效果。

对于可能存在上述情况的辊轧机，将对应的辊轧机矩阵称为奇异。在数学术语中，奇异辊轧机矩阵不具有满秩，即该辊轧机矩阵的零空间具有大于零的维度。

传统的控制方法涉及每个致动器一个控制环路，其中将平整度误差向量投影到每个控制环路的一个值。对于具有奇异辊轧机矩阵的辊轧机，这导致致动器的这样一种移动，在一些情况中该条带的平整度将不受影响，因为误差投影允许全部可能的致动器位置组合。这对应于辊轧机矩阵的零空间中的致动器移动。重复的扰动将导致致动器沿不直接影响平整度的方向漂移。还存在这些致动器移动变得过大的风险。这两个不想要的行为的情况可能导致致动器饱和，但是还导致不必要的致动器负载和磨损。

为了解决该问题，可以将辊轧机矩阵G_m表示成它的奇异值分解G_m＝U∑V^T的形式。用于形成从奇异值分解获得的∑的对角线的G_m奇异值提供由每个致动器位置组合所提供的平整度响应的幅度的信息，如正交矩阵V的列向量所定义的到如正交矩阵U的列所定义的平整度形状。并且奇异值分解提供关于不直接影响辊缝的平整度轮廓(即零空间)的致动器位置的信息。

通过使用影响平整度的方向中的平整度响应来参数化平整度误差，并且通过仅利用确实影响平整度的那些方向来映射控制器输出，可以阻断在不影响平整度的方向中的致动器移动。因此，将避免不影响辊缝的平整度轮廓的致动器位置组合。

在例如2000年1月的IEEE控制系统技术学报的第8卷第1号中由John V.Ringwood所著的“Shape Control Systems for SendzimirSteel Mills”中已经描述了辊轧机矩阵的奇异值分解。

通过利用如上所述的奇异值分解来避免不影响条带的平整度的致动器位置组合，对于控制而言，将不能获得全部控制自由度，在某种意义上将不允许一些致动器位置组合。因此控制性能可能受损害。并且还可能难以满意地调谐分离的控制环路，因为每个控制环路涉及多个致动器并且因此具有更复杂的动态。

鉴于上文，因此需要对具有这样一种配置的辊轧机中的条带提供更好的平整度控制，其中在该配置中在一些情况中多个致动器的移动不影响该条带的平整度。

发明内容

本发明的主要目的在于改善当在辊轧机中轧制条带时的平整度控制。

本发明的另一个目的在于改善当在具有奇异辊轧机矩阵中轧制条带时的平整度控制。

在本发明的第一方面中，通过一种用于为辊轧机中轧制的条带提供平整度控制的方法实现这些目的，其中辊轧机包括可通过致动器来控制的多个辊，该方法包括：

a)接收涉及该条带的平整度的平整度测量数据，

b)将平整度误差确定为该条带的参考平整度与该平整度测量数据之间的差异，

c)基于该平整度误差和提供低于门限值的平整度效果的致动器位置组合的权重，确定已调整平整度误差，并且

d)将该已调整平整度误差用于(S4)控制该致动器以便从而控制该条带的该平整度。

致动器通常意味着用于控制一个辊或分段辊的辊分段例如备用辊的一组致动器。

通过基于该平整度误差和提供低于门限值的平整度效果的致动器位置组合的权重确定已调整平整度误差，该控制过程将通常不利用与模型的零空间(例如该辊轧机矩阵的零空间)中的向量或方向相对应的致动器位置组合。但是在一些情况中可以允许与该模型的该零空间中的向量相对应的致动器位置组合，即在一些情况中将通过允许该致动器位置组合来最小化方程式(2)的标准。从而可以利用全部可能致动器位置组合的使用即用于实现本发明方法的控制系统的全部自由度。具体而言，本发明对每个致动器使用一个控制环路。因此影响一个致动器的约束条件不会限制其他致动器的移动。此外，不需要虚拟致动器的独立调谐，因为不存在任何虚拟致动器。

在本文中将致动器位置组合定义为包括该辊轧机的每个致动器的一组致动器位置。如果致动器位置组合对应于该辊轧机矩阵的该零空间中的向量，则该致动器位置组合不对条带提供平整度效果。全部其他致动器位置组合对条带提供平整度效果。

步骤c)可以包括对用于控制该致动器的控制单元输出提供约束条件。

步骤c)可以包括在该已调整平整度误差上提供权重。

步骤c)可以包括在该控制单元输出上提供权重。

步骤c)中的该确定可以包括通过用于表示该辊轧机的模型，利用该平整度误差来确定该平整度误差与该已调整平整度误差的映射之间的差异。

该已调整平整度误差的该确定可以涉及最小化。

该权重可以提供用于每个致动器位置组合的单独的权重。

从而可以选择性地降低被投影到低增益方向的该平整度误差的数量。在本文中低增益方向对应于提供低的平整度效果或不提供平整度效果的致动器位置组合。

步骤c)中的该确定可以包括对致动器位置差异提供附加权重，以便优化该致动器之间的定位。

步骤c)中的该确定可以包括对从致动器优选位置的偏离提供附加权重。

由于出现了全部自由度，所以致动器定位的优化是有可能的。如果就磨损而言，使相邻致动器之间的非常不同是不利的，那么附加标准项可以例如对于相邻致动器之间的差异提供惩罚。有时候对于致动器或大量致动器将存在优选位置。在该情况中，优化可能包括从该位置偏离的成本(cost)，即权重。

该已调整平整度误差的该确定可能包括考虑全部可能致动器位置组合。

用户可能经由用户接口来调整该权重。从而用户例如调试工程师可以用简化的方式理解该控制单元的控制并且提供对它们的调谐而无需理解复杂的多变量控制问题。

在本发明的第二方面中，提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质用于存储程序代码，当该程序代码被执行时执行根据本发明的第一方面所述的方法。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于为辊轧机中的轧制条带提供平整度控制的控制系统，辊轧机包括可通过致动器来控制的多个辊，其中该控制系统包括：

输入单元，其被布置为接收涉及该条带的平整度的测量数据，以及

处理器系统，其被布置为将平整度误差确定为该条带的参考平整度与该测量数据之间的差异；以基于该平整度误差和提供低于门限值的平整度效果的致动器位置组合的权重，确定已调整平整度误差，以及

控制单元，

其中，该处理系统被布置为向该控制单元提供该已调整平整度误差，该控制单元被布置为基于该已调整平整度误差来控制该致动器。

该控制单元可以被布置为向每个致动器提供单独的控制输出。

一个实施方式可以包括每个致动器一个控制环路。

将在下文中披露附加的特征和优点。

附图说明

将参考附图，通过非限制性的示例来描述本发明以及本发明的优点，其中：

图1是多辊轧机的透视图。

图2是控制系统的方框图。

图3是说明一种用于为包括可通过致动器来控制的多个辊的辊轧机中的轧制条带提供平整度控制的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了辊装置1的透视图。该辊装置包括多辊轧机2、开卷机3和卷绕机5。在下文中被称为辊轧机2的多辊轧机2可用于轧制硬质材料例如用于冷轧金属条带。

可以将条带7从开卷机3展开并且盘绕在卷绕机5上。随着条带7从开卷机3移动到卷绕机5，条带7通过辊轧机2的方式经受厚度减小过程。

辊轧机2包括多个辊9-1和9-2，辊9-1和9-2分别包括工作辊19-1和19-2。辊9-1形成条带7之上的上辊群。辊9-2形成条带7之下的下辊群。例示的辊轧机2是20高辊轧机，其中将辊9-1和9-2以1-2-3-4的形式分别布置在条带7之上和之下。然而要注意到本发明类似地可应用于其他类型的辊轧机。

可以通过致动器(未显示)的方式来致动每个辊，以便使工作辊19-1和19-2变形并且从而调整在工作辊19-1和19-2之间形成的辊缝21。当条带7经过辊缝21时，获得条带7的厚度减小过程。当条带7移动通过辊轧机2时，工作辊19-1和19-2因此与条带7接触。

多个辊9-1和9-2中的每个辊包括备用辊，如备用辊11-1、11-2、11-3和11-4，备用辊形成辊轧机2的外部辊集合。将每个备用辊分成多个分段13。由致动器控制每个分段13。可以通过致动器的方式朝向或远离工作辊19-1和19-2移动分段13。滚动分段13的移动穿过辊群朝向工作辊19-1和/或工作辊19-2，以便形成条带7移动通过辊缝21。

为了提供条带7的厚度减小过程的附加控制，辊9-1和9-2还包括布置在工作辊19-1、19-2与备用辊11-1、11-2、11-3、11-4之间的中间辊15和17。中间辊15和17可以例如分别具有弯曲致动器和/或侧移致动器。

辊装置1还包括测量设备23，在本文中由测量辊来例示测量设备23。测量设备23具有轴向扩展，该轴向扩展比条带7的宽度更宽，以允许沿条带7的宽度的力测量。

测量设备23包括多个传感器。传感器可以例如分布在测量设备的外围表面中的开口中，以便传感由条带向该测量设备施加的力。随着条带7在测量设备23上移动，可以通过传感器的方式获得条带张力轮廓。具有均匀的压力分布的条带张力轮廓指示该条带具有沿其宽度的统一厚度。不统一的条带张力轮廓指示该条带在与该条带的相关测量位置处不具有沿其宽度的统一厚度。

由测量设备23将测量条带张力轮廓(被转换为推导出的平整度轮廓)作为测量数据Y提供给图2中的控制系统25的处理系统29。

由控制系统25处理该测量数据，以便通过辊轧机2的致动器的方式控制辊9-1和9-2，从而提供沿条带7的宽度的统一平整度。现在将在下文中参考图2和图3更详细地描述根据本发明性的概念来提供平整度控制的方法。

图2显示了控制系统25的示意性方框图。控制系统25包括输入单元27、处理系统29和控制单元33。处理系统29在一个实施方式中可以包括控制单元33。可选择地，处理系统和控制单元可以是分离的单元。

处理系统29包括软件以便能够执行本控制方法。

控制单元33被布置为向致动器A提供多个控制输出u，以便从而控制辊缝。在一个实施方式中，控制单元33被布置为对每个致动器A提供单独的控制输出u。优选地每个致动器A存在一个控制环路。

控制单元33可以例如包括可以用软件实现的PI调节器。

在步骤S1中，输入单元27被布置为接收来自测量设备23的测量数据Y。测量数据Y包括来自测量设备23的多个传感器的测量。可以将测量数据Y看做向量，该向量的每个元素表示传感器的测量值。

输入单元27被布置为接收涉及条带7的希望的参考平整度的参考平整度数据r。参考平整度数据r典型而言是这样一种向量，该向量包括数量与测量数据Y的测量值的数量相同的参考值。

在步骤S2中可以借助于处理系统29，通过条带的参考平整度与测量数据Y之间的差异，确定平整度误差e。

调整平整度误差e，以获得已调整平整度误差e_p。将已调整平整度误差e_p解释为参数化的平整度误差，即该已调整平整度误差e_p是平整度误差e的参数化。

为了确定已调整平整度误差e_p，在致动器的控制中使用辊轧机矩阵G_m，并且辊轧机矩阵G_m描述了辊轧机的稳定状态平整度响应，将辊轧机矩阵G_m分解成他的奇异值分解形式，如方程式(1)中所示的。

$>G_m=\mathrm{U\Sigma }{V}^T=\left[U_1{U}_2\right]\left(\begin{array}{cc}{\Sigma }_1& 0\\ 0& {\Sigma }_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_1^T\\ V_2^T\end{array}\right)\approx U_1{\Sigma }_1{V}_1^T---\left(1\right)$>

通过辊轧机矩阵的奇异值分解，方程式(2)中的标准包括向已调整平整度误差e_p提供成本即权重并且向对应于辊轧机矩阵的分离的奇异值的方向中的致动器提供控制输出u的项。从而，控制可以变得更加鲁棒而无论奇异辊轧机矩阵如何。

矩阵∑是对角矩阵，在他的对角线上是辊轧机矩阵G_m的奇异值。矩阵U₁与由具体致动器位置组合(即致动器配置)所提供的平整度效果相关联，其中该具体致动器位置组合确实对辊缝提供了平整度效果并且是由矩阵V₁^T的行向量所定义的。矩阵V₁^T的每个方向即每个行向量因此表示具体致动器位置组合。用于形成矩阵∑₁的对角线的奇异值表示用于矩阵V₁^T的致动器位置组合的平整度效果的幅度。

矩阵V₂与这样的那些致动器位置组合相关联，其中那些致动器位置组合不提供任何平整度效果，并且用于形成矩阵∑₂的对角线的奇异值接近零或是零。具体而言，矩阵V₂的列向量跨越辊轧机矩阵G_m的零空间。在实践中，为了控制的目的而被看做零的奇异值可以是低于预定平整度效果门限值的那些奇异值。作为一个示例，可以将小于最大奇异值的10^-3因子的奇异值设置为零。因此将V的与这些奇异值相对应的列向量定义为跨越辊轧机矩阵G_m的零空间。

在步骤S3中基于下文的方程式(2)的最小化，确定已调整平整度误差e_p。已调整平整度误差e_p的确定基于借助辊轧机矩阵G_m的已调整平整度误差e_p的映射与平整度误差e之间的差异，同时向已调整平整度误差和控制单元输出u和与控制单元输出关联约束条件增加成本，即权重。该约束条件可以是例如端约束条件，即致动器的最小和最大允许位置或可能位置。约束条件还可以涉及速率约束条件，即致动器被允许或者能够多快速地移动。此外，约束条件可以涉及致动器位置之间的差异。

可以将误差参数化视为多个原始测量到对于每个致动器的一个确切的测量的投影，致动器的数量通常低得多。

方程式(2)中的变量t指示平整度误差e、已调整平整度误差e_p和控制单元输出u的时间依赖性。

矩阵Q_e和Q_u针对控制单元的已调整平整度误差e_p和输出u向V的全部奇异值方向提供权重。换句话说，对于全部奇异值方向都考虑到权重，具体而言，与实际上为零的奇异值相关联的方向。因此，当确定已调整平整度误差e_p时，还考虑辊轧机矩阵G_m的零空间的方向。因此如果有需要则可以利用全部自由度，即辊轧机的全部可能致动器位置组合。然而通常避免不提供平整度效果的致动器位置组合。该组合通常将不最小化方程式(1)，但是在例如致动器饱和的情况中将发生该最小化。

矩阵Q_e和Q_u可以是对角矩阵。可以借助矩阵Q_e和Q_u来单独加权每个致动器位置组合。

当调谐控制系统25时，可以由辊轧机2的用户，例如调试工程师借助经由用户接口的调谐过程，选择矩阵Q_e和Q_u的对角元素。

要注意到，通过在调谐过程中将矩阵Q_e和Q_u定义为零，也可以在不具有奇异辊轧机矩阵的辊轧机中利用本方法。

矩阵Q_e的对角元素根据奇异值，影响分离的正交方向中的扰动的反馈。将第一元素与最高奇异值相关，这意味着该过程具有最高的增益并且因此最容易控制的方向，在某种意义上其需要最低的反馈增益。矩阵Q_e的其他对角元素对应于依次较低的奇异值，因此需要更高的反馈增益来达到相同程度的纠错。差的鲁棒性可能是应用了太高的反馈增益的结果。因此，Q_e的选择对于闭合环路的鲁棒性具有极大影响，因为正的元素将减少增益。因此，矩阵Q_e的元素优选为正，即大于零或为零。因此可以将成本提供给奇异值方向，即不提供任何平整度效果、或平整度效果低于将要被最小化的方程式(2)或(3)中的标准中的平整度效果门限值的致动器位置组合。

可以借助基于用户提供的参数的迭代来确定矩阵Q_e。第一参数可能涉及敏感度功能奇异值的最大允许峰值。敏感度功能提供控制系统的鲁棒性(即控制系统用于模拟误差的敏感度)的测量。

可以将第一参数的范围给定为1.2到2.0。该范围中的较低的值意味着较高的鲁棒性要求，而该范围中较高的值允许为了有利于较高的扰动拒绝带宽而做出一些牺牲。

第二参数可能涉及一个奇异值方向中的扰动对于其他奇异值方向中的瞬时平整度误差的最大允许串扰(单位为百分比)。

矩阵Q_u的每个对角元素确定从沿一个奇异值方向的平整度扰动到沿它们对应的奇异值方向移动致动器的稳态闭合环路增益。

可以使用基于用户提供的参数的迭代来确定矩阵Q_u。

第一参数可以涉及从平整度扰动到任意方向中的致动器的最大允许闭合环路稳态增益。第二参数可以涉及所需稳态扰动降低(单位为百分比)，该所需稳态扰动降低的增益被限制为从平整度扰动到在放弃任意方向中的控制之前在该方向中的致动器的最大允许闭合环路稳态增益。

通常对于以上参数中的第二参数可以提供默认值以便确定矩阵Q_e和Q_u。对于可允许致动器移动与所需性能之间的折中，在以上两种情况中第一参数向用户提供合适的影响。

一个实施方式包括通过最小化下文的表达式来确定已调整平整度误差。

$>e_p\left(t\right)=\arg \left(\underset{u\left(t\right)\in \mathrm{allowed}}{\min }\left(\begin{array}{c}{(G_m{e}_p\left(t\right)-e\left(t\right))}^{T}Z(G_m{e}_p\left(t\right)-e\left(t\right))+e_p{\left(t\right)}^{T}V{Q}_e{V}^T{e}_p\left(t\right)+\\ +u{\left(t\right)}^{T}V{Q}_u{V}^{T}u\left(t\right)+u{\left(t\right)}^T{Q}_{d}u\left(t\right)\end{array}\right)\right)---\left(3\right)$>

除了方程式(2)的表达式之外，对控制单元输出u增加了矩阵Z以及附加成本项。

矩阵Z在它的对角线中提供用于测量设备23的不同传感器的权重。该权重可以例如取决于传感器的不同宽度。具体而言，测量设备23的横向放置的传感器，即在条带边缘的传感器可能不能被条带完全覆盖。因此计算的是被覆盖的宽度。可以借助矩阵Z来说明这些因素。

要注意到在一个实施方式中，在方程式(2)的最小化中可以利用矩阵Z。具体而言，可以利用以上表达式但不包括项u^TQ_du来确定已调整平整度误差。

矩阵Q_d可以是非对角的。Q_d通常是稀疏矩阵。矩阵Q_d用于致动器位置的优化。一些致动器之间的关系可能比其他致动器之间的关系更有力。借助项Q_d有可能赋予成本，例如具有用于分段备用辊的相邻的冠型致动器之间的差异。

在步骤S4中，可以由控制单元33利用已调整平整度误差e_p来控制致动器A，以便实现在辊轧机2中轧制的条带7的希望的平整度。

对于具有奇异或近似奇异矩阵的多变量控制过程设想了本文给出的方法的其他应用。

本领域的熟练技术人员意识到本发明绝不限于上文所述示例。相反，在所附权利要求书的范围之中可能有许多修改和变形。