專利名稱：一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于板帶軋制自動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法。

背景技術(shù)：
在板帶軋制過程中，包括鋼帶、鋁帶、銅帶等軋制過程，一種最常用的厚度控制方法是通過機架出口測厚儀對板帶的實際厚度進行測量，并進而通過調(diào)節(jié)軋機的液壓輥縫來對板帶厚度進行反饋控制，通常這種厚度控制方法稱之為監(jiān)控AGC(Automatic Gage Control)，由于軋機結(jié)構(gòu)的限制，測厚儀的維護，以及為了防止斷帶損壞測厚儀，測厚儀一般安裝在離直接產(chǎn)生厚度變化的輥縫較遠的地方，如板帶熱連軋機的出口測厚儀要求安裝在離工作輥中心線約1000～2000mm左右，如圖1所示，這種安裝的結(jié)構(gòu)不足之處是測厚儀檢測出來的實際厚度值與影響厚度的輥縫實際值不是在同一時間內(nèi)發(fā)生的，即實際軋出厚度的波動不能得到及時的反映，結(jié)果使自動厚度控制AGC系統(tǒng)有一個時間滯后τ，用傳遞函數(shù)(1)式來表示 式中τ-滯后時間，單位為s； v-軋制速度，單位為m/s； Lg-軋輥中心線到測厚儀的距離，單位為m； 此外，還有一個因素對厚度控制有重大影響，這就是測厚儀本身的響應(yīng)時間，例如X射線測厚儀典型的時間常數(shù)T約為10～500ms，在熱連軋系統(tǒng)中，通常設(shè)定為30～100ms，如果軋制速度為20m/s，取設(shè)定時間常數(shù)為30ms，則經(jīng)過三個時間常數(shù)的時間后可以認為響應(yīng)時間結(jié)束，此時已經(jīng)過去1.8m長度的板帶，與測厚儀安裝的距離相比，測厚儀的慣性對測量厚度的滯后影響絕對不可忽略，測厚儀慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)G(s)用公式(2)來表示 式中s-拉普拉斯算子； T-測厚儀的慣性時間常數(shù)，單位為s； 輥縫與板帶厚度的比例關(guān)系與軋機的剛度和軋件的塑性系數(shù)有關(guān)，是一個比例關(guān)系，其比例系數(shù)為K，K由公式(3)來表示 式中M-軋機剛度，單位為kN/mm； Q-軋件的塑性系數(shù)，單位為kN/mm； 截止目前為止，關(guān)于監(jiān)控AGC的控制方法有很多種，但是這些方法往往缺少實用性，通常按經(jīng)驗來選擇控制器的參數(shù)，無法給出一個明晰的最優(yōu)控制率，如果控制器參數(shù)選擇不當，系統(tǒng)容易產(chǎn)生過阻尼或振蕩，因而在板帶軋制過程中其厚度控制效果不佳。


發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有板帶監(jiān)控AGC技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法，利用具有典型二階最優(yōu)控制器特征的板帶監(jiān)控AGC方法，來替代目前板帶軋制使用的傳統(tǒng)控制方法，從而有效的提高板帶軋制過程的厚度控制精度。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程如下 1.監(jiān)控AGC系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定 監(jiān)控AGC的控制框圖如圖2所示，圖中Gc(s)表示控制器的傳遞函數(shù)，Gp(s)e-τs表示厚度控制對象的傳遞函數(shù)，其中Gp(s)為對象不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，e-τs為對象純滯后部分的傳遞函數(shù)；輸入信號h*(t)(拉氏變換為H*(s))為設(shè)定厚度；Δs(t)(拉氏變換為ΔS(s))為軋機設(shè)定輥縫的附加值；h(t)(拉氏變換為H(s))為測厚儀測得的板帶實際厚度；根據(jù)以上分析，從公式(1)～(3)可知，輥縫到測厚儀段的傳遞函數(shù)接為一個慣性環(huán)節(jié)和純滯后系統(tǒng)的串聯(lián)，即監(jiān)控AGC系統(tǒng)控制對象的傳遞函數(shù)如公式(4)所示 其中控制對象的純滯后延時τ用(1)式來表示，其比例系數(shù)設(shè)為K，又稱為軋機的壓下效率，由(3)式來表示；這樣系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如公式(5)所示 系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母中包含有純滯后環(huán)節(jié)e-τs，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，如果τ足夠大的話，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；為了改善這類大純滯后對象的控制質(zhì)量，引入一個與對象并聯(lián)的補償器，即所謂Smith預(yù)估器，圖3為針對控制對象具有Smith預(yù)估器的監(jiān)控AGC系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖；圖中hτ(t)(拉氏變換為Hτ(s))為Smith超前補償部分的輸出；Δh(t)(拉氏變換為ΔH(s))為設(shè)定厚度h*(t)(拉氏變換為H*(s))和實測反饋厚度h(t)(拉氏變換為H(s))的差值；Δhτ(t)(拉氏變換為ΔHτ(s))為系統(tǒng)的理論偏差或控制器Gs(s)的輸入值； 由圖3可以得到大滯后補償監(jiān)控AGC系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如公式(6)所示 由(6)式可知，經(jīng)純滯后補償后，已消除了純滯后部分對系統(tǒng)的影響，即式(5)的e-τs在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；由拉氏變換的位移特性證明，將控制過程在時間坐標上推移了一個時間τ，其過渡過程的形狀及其它所有質(zhì)量指標均與對象特性為時完全相同；所以，對任何大滯后時間τ，系統(tǒng)都是穩(wěn)定的； 即經(jīng)過Smith預(yù)估補償后，圖3可以轉(zhuǎn)化為等效的圖4結(jié)構(gòu)，圖中h′(t)(拉氏變換為H′(s))為經(jīng)等效變換之后的輔助反饋厚度； 將控制器設(shè)計為系統(tǒng)具有典型二階最優(yōu)，即 可知控制器Gc(s)的傳遞函數(shù)為 即控制器為純積分形式，調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ti由下式表示 Ti＝2KT(9) 這樣，我們就得到了具有二階工程最佳特征的控制器，這種控制系統(tǒng)的上升時間為4.7T，超調(diào)量為4.3％； 2.確定監(jiān)控AGC系統(tǒng)控制方法 由圖3知，控制器Gc(s)的輸入可表示為公式(10) 本發(fā)明的監(jiān)控AGC控制方法中，采用樣本跟蹤方式，而不采用定時采樣控制方式，設(shè)每段板帶樣本的長度為Ls＝Lg，即測厚儀到軋輥中心線的距離，對一個板帶樣本厚度進行多次采樣并平均后，再給出輥縫修正控制信號，如圖5所示，圖中板帶樣本L(1)對應(yīng)的厚差為Δh(1)，L(2)對應(yīng)的厚差Δh(2)，L(3)對應(yīng)的厚差Δh(3)，Lg＝L(1)＝L(2)＝L(3)，這樣定義后的系統(tǒng)延時為兩個樣本，即系統(tǒng)離散后，控制對象的純滯后延時τ＝2； 由圖3可知，帶Smith預(yù)估的監(jiān)控AGC控制器的傳遞函數(shù)為 ΔHτ(s)＝Ti·s·ΔS(s)τ(11) 將式(11)代入(10)式，有 利用與定時離散化類似的方法，由于速度是變化的，導(dǎo)致帶鋼定長采樣時間不一樣；設(shè)i樣本的采樣時間為Ts(i)，對公式(12)進行定長樣本的離散化，并將一階和二階微分環(huán)節(jié)近似處理為(13)式和(14)式 將式(13)和(14)帶入公式(12)并整理有 (15) 為方便計算，令 將(16)帶入(15)式，可得到控制率表達式如下 (17) 為方便計算，令 2R(i)2+2R(i)+1＝a(i)(18) 將(18)帶入(17)，則得到了簡化的控制率如下 (19) 由控制率(19)式可見，影響控制率的不僅僅是當前的反饋厚差信號Δh(i)以及上一次的反饋厚差信號Δh(i-1))還與前一次的控制率Δs(i-1)、前兩次的控制率Δs(i-2)和前τ次控制率Δs(i-τ)有關(guān)； 3.確定板帶樣本長度以及其與純滯后時間的關(guān)系 一般監(jiān)控AGC控制方法，往往以定時中斷的方式進行控制采樣，這樣軋制速度的變化會使系統(tǒng)滯后時間τ也發(fā)生的變化，不以時間為采樣周期，而是以板帶的樣本長度跟蹤作為中斷進行厚度控制，從而避開了系統(tǒng)滯后時間變化，使控制得以簡化； 由圖5可知，如果采樣板帶樣本的長度定義為Lg，則板帶厚度頭部的控制死區(qū)長度Ld＝2Lg，為縮短控制死區(qū)，則將板帶樣本長度縮短，縮短的原則是將Lg進行n個等分，則每個板帶樣本長度將變?yōu)? 式中，n≥1，在這種板帶樣本長度情況下，系統(tǒng)的延時為 τ＝n+1(21) 板帶的頭部控制死區(qū)長度為 系統(tǒng)的采樣時間可以用下式來表示 v(i)為第i時刻帶鋼運行的平均速度； 將(21)和(23)式帶入(19)，則得到了最終的監(jiān)控AGC系統(tǒng)顯式控制率(24) (24) 在軋制系統(tǒng)中，n通常取1～3，圖6給出了板帶樣本長度Ls＝Lg/n(即τ＝n+1)時監(jiān)控AGC系統(tǒng)的控制框圖，圖中Z-1為延時因子，HGC為液壓輥縫控制閉環(huán)，S(i)為i時刻的輥縫設(shè)定值； 4.確定監(jiān)控AGC控制方法的執(zhí)行步驟 1)在監(jiān)控AGC系統(tǒng)中引入Smith預(yù)估器，Smith預(yù)估器的輸入為控制器的輸出，即為軋機輥縫附加給定值，如圖3所示； 2)根據(jù)板帶跟蹤的板帶樣本長度，確定監(jiān)控AGC采樣板帶樣本的純滯后時間，如果將軋機與測厚儀的距離Lg分成n份，見式(20)，則滯后時間τ＝n+1，此時控制系統(tǒng)的頭部控制死區(qū)長度為 3)監(jiān)控AGC控制器選為積分方式，即控制器的傳遞函數(shù)為將控制器的傳遞函數(shù)代入監(jiān)控AGC系統(tǒng)的輸入偏差表達式(7)中，即得到連續(xù)時間系統(tǒng)控制率的表達式(12) 4)將第3步中的控制率離散化并進行整理，就得到了監(jiān)控AGC系統(tǒng)的最終控制率表達式(24) 為了實現(xiàn)基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制，對硬件設(shè)備的配置要符合以下要求 1)軋機的出口安裝有測厚儀，測厚儀可以輸出與厚度或厚差成比例的電壓或電流模擬信號，或是數(shù)字信號，要求測厚儀給出厚度信號測量的響應(yīng)時間T； 2)為了對板帶的樣本進行跟蹤，要求有對出口板帶進行長度和速度測量的儀表，比如，通過冷軋機張力輥上的編碼器來對板帶長度和速度進行直接測量，或者在軋機的主傳動電機上安裝有編碼器來間接對板帶長度和速度進行測量； 3)有一臺帶有模擬輸入輸出接口板、可以進行數(shù)學(xué)運算的計算機系統(tǒng)或PLC，當具有模擬輸入和輸出接口板的SIEMENS S7-400PLC，以讀取測厚儀輸出的厚度信號，進行板帶樣本跟蹤，并實現(xiàn)板帶厚度閉環(huán)控制率的確定、存儲和輸出； 如果一個現(xiàn)有的板帶軋制系統(tǒng)已兼?zhèn)淞艘陨匣緱l件，則只要加入相關(guān)的控制方法即可。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法按步驟如下 步驟1、輸入軋制系統(tǒng)數(shù)據(jù)及板帶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括軋機的剛度系數(shù)M、板帶塑性系數(shù)Q、測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg； 步驟2、確定厚控對象的比例系數(shù)K，以測厚儀的響應(yīng)時間T為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，確定慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)； 步驟3、設(shè)定板帶樣本跟蹤長度n為Lg等分段數(shù)，軋制系統(tǒng)的純滯后延時為τ＝n+1； 步驟4、計算機將測厚儀對每一個板帶樣本長度Ls(i)的厚差Δh實測值進行多點采集，并確定i時刻板帶樣本的平均厚差Δh(i)和平均速度v(i)； 步驟5、以第i時刻的控制率Δs(i)為軋機的輥縫附加值，確定Δs(i)為 其中 2R(i)2+2R(i)+1＝a(i)； 其中步驟5中Δs(i)的確定步驟如下 第一步 第二步 …… 第i步(n≥2，3≤i≤n+1) 第i步(i≥n+2) 其控制過程框圖如圖7所示。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明提出了板帶樣本長度跟蹤，解決了傳統(tǒng)方法中滯后時間隨軋制速度變化這一問題，將Smith預(yù)估控制方法用于監(jiān)控AGC系統(tǒng)，給出了控制器為積分形式下的控制率，與傳統(tǒng)控制方法相比，該方法即有非?？斓捻憫?yīng)速度，又具有較高的靜態(tài)控制精度，可以廣泛推廣到板帶軋制廠中，以提高板帶產(chǎn)品的厚度精度。



圖1為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法的板帶出口厚度測量原理圖； 圖2為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中監(jiān)控AGC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中帶SMITH預(yù)估器的監(jiān)控AGC控制系統(tǒng)方框圖； 圖4為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中帶SMITH預(yù)估器的監(jiān)控AGC控制系統(tǒng)等效方框圖； 圖5為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中以板帶長度Lg為控制樣本的監(jiān)控AGC采樣原理圖； 圖6為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中樣本長度時監(jiān)控AGC系統(tǒng)控制框圖； 圖7為本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法中快速高精度板帶軋制監(jiān)控AGC方法流程圖。

具體實施例方式 本發(fā)明一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法的詳細方法結(jié)合實施例加以說明。
實施例1 選取軋制鋼種ST12 來料寬度250mm，來料厚度0.50mm，出口厚度0.40mm，軋制速度2.5m/s 軋機剛度M＝550kN/mm，帶鋼的塑性系數(shù)Q＝450kN/mm 測厚儀為X射線測厚儀，測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg＝765mm 基于以上條件的監(jiān)控AGC控制參數(shù)和方法如下 1)將四輥可逆軋機及帶鋼相關(guān)數(shù)據(jù)輸入計算機，軋機的剛度系數(shù)M＝550kN/mm、帶鋼塑性系數(shù)Q＝450kN/mm、測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg＝765mm； 2)確定四輥可逆軋機厚控對象的比例系數(shù)及慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T＝100ms； 3)設(shè)定樣本跟蹤長度Ls＝Lg＝765mm，即n＝1，則系統(tǒng)的純滯后延時τ＝2； 4)計算機將測厚儀對每一個指定樣本長度Ls＝Lg＝765mm的厚差Δh進行多點采集，并確定i時刻樣本的平均速度v(i)、平均厚差Δh(i)和采樣時間Ts(i)； 5)在恒速下軋制，其各項常數(shù)為 a(i)＝2R(i)2+2R(i)+1＝2×0.32682+2×0.3268+1＝1.8672 確定軋機的輥縫附加值，分步計算如下 第一步 第二步 …… 第i步 實施例2 選取軋制鋼種65Mn 來料寬度130mm，來料厚度1.0mm，出口厚度0.80mm，軋制速度3.0m/s 四輥可逆軋機參數(shù)如下剛度M＝400kN/mm，帶鋼的塑性系數(shù)Q＝500kN/mm 測厚儀為X射線測厚儀，測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg＝500mm 基于以上條件的監(jiān)控AGC控制參數(shù)和方法如下 1)將四輥可逆軋機及帶鋼相關(guān)數(shù)據(jù)輸入計算機，軋機的剛度系數(shù)M＝400kN/mm、帶鋼塑性系數(shù)Q＝500kN/mm、測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg＝500mm； 2)確定四輥可逆軋機厚控對象的比例系數(shù)及慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T＝100ms； 3)設(shè)定樣本跟蹤長度Ls＝Lg/2＝250mm，即n＝2，則系統(tǒng)的純滯后延時τ＝3； 4)計算機將測厚儀對每一個指定樣本長度Ls＝Lg/2＝250mm的厚差Δh進行多點采集，并確定i時刻樣本的平均厚差Δh(i)； 5)確定軋機的輥縫附加值，分步計算如下 a(i)＝2R(i)2+2R(i)+1＝2×1.20482+2×1.2048+1＝6.3127 第一步 第二步 第三步 …… 第i步
權(quán)利要求
1、一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法，其特征在于該控制方法步驟如下
步驟1、輸入軋制系統(tǒng)數(shù)據(jù)及板帶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括軋機的剛度系數(shù)M、板帶塑性系數(shù)Q、測厚儀離軋機軋輥中心線的距離Lg；
步驟2、確定厚控對象的比例系數(shù)K，以測厚儀的響應(yīng)時間T為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，確定慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；
步驟3、設(shè)定板帶樣本跟蹤長度n為Lg等分段數(shù)，軋制系統(tǒng)的純滯后延時為τ＝n+1；
步驟4、計算機將測厚儀對每一個板帶樣本長度Ls(i)的厚差Δh實測值進行多點采集，并確定i時刻板帶樣本的平均厚差Δh(i)和平均速度v(i)；
步驟5、以第i時刻的控制率Δs(i)為軋機的輥縫附加值，確定Δs(i)為
其中
a(i)＝2R(i)2+2R(i)+1。
2、按權(quán)利要求1所述的基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法，其特征在于所述的步驟5中ΔS(i)的確定步驟如下
第一步
第二步
……
第i步(n≥2，3≤i≤n+1)
第i步(i≥n+2)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于測厚儀反饋信號的高精度板帶軋制厚度控制方法，屬于板帶軋制自動控制技術(shù)領(lǐng)域，方法如下步驟1.輸入軋制系統(tǒng)數(shù)據(jù)及板帶數(shù)據(jù)；步驟2.確定厚控對象的比例系數(shù)K；步驟3.設(shè)定板帶樣本跟蹤長度；步驟4.計算機將測厚儀對每一個板帶樣本長度Ls(i)的厚差Δh實測值進行多點采集，并確定i時刻板帶樣本的平均厚差Δh(i)；步驟5.確定Δs(i)；本發(fā)明的優(yōu)點提出板帶樣本長度跟蹤，解決傳統(tǒng)方法中滯后時間隨軋制速度變化這一問題，將Smith預(yù)估控制方法用于監(jiān)控AGC系統(tǒng)，給出控制器為積分形式下的控制率，與傳統(tǒng)控制方法相比，該方法既有非?？斓捻憫?yīng)速度，又具有較高的靜態(tài)控制精度，可以廣泛推廣到板帶軋制廠中，以提高板帶產(chǎn)品的厚度精度。
文檔編號B21B37/18GK101618401SQ200910012699
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者張殿華, 牛樹林, 浩 張, 旭 李, 杰 孫, 濤 孫, 劉相華 申請人:東北大學(xué)