專利名稱：基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金行業(yè)中冷軋連退機組生產(chǎn)線張緊輥張力建模的方法。

背景技術(shù)：
通常冶金企業(yè)在冷軋連退機組中，對張緊輥張力的設(shè)定都是通過二級計算機根據(jù)來料的特性，經(jīng)查表計算送到一級計算機實施。查表方式的優(yōu)點是簡單、易控制，但缺點是擴(kuò)展性差。
一般對張緊輥張力設(shè)定和控制的難度較高。隨著生產(chǎn)規(guī)格的不斷擴(kuò)展、多樣化，原爐內(nèi)張力設(shè)定值已不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要。目前大多依靠操作人員的個人經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)定。由于個人的偏好和經(jīng)驗不同，這樣勢必造成生產(chǎn)的不穩(wěn)定，稍不注意就會引起斷帶。
如何以現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，是研究張緊輥工作狀態(tài)，實現(xiàn)定量地判斷和預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步為優(yōu)化軋制工藝和檢修提供依據(jù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法，以此提高冷軋連退機組的張力平衡預(yù)警，減少故障發(fā)生率。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法包括張緊輥電機速度、電機電流，張緊輥組的出口張力、進(jìn)口張力和張緊輥輥徑數(shù)據(jù)的采集，所述張緊輥組包括第一張緊輥、第二張緊輥、第三張緊輥和第四張緊輥，該方法包括如下步驟 步驟一、采用狀態(tài)空間建模的方法，決定的輥間張力關(guān)系，其狀態(tài)方程為 對于該狀態(tài)空間模型，我們已知的可測量數(shù)據(jù)為ω1，ω2，ω3，I1，I2，I3，F(xiàn)I，F(xiàn)O，已知的參數(shù)為K12，K23，J1，J2，J3，需要計算的參數(shù)為F12，F(xiàn)23，Φ1，Φ2，Φ3，因此在利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)對需要計算的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識計算時，需要采用采用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 在完成Φ1，Φ2，Φ3參數(shù)的系統(tǒng)辨識后，即可以用下面的公式對運行過程中的張緊輥張力F12，F(xiàn)23進(jìn)行在線預(yù)測，得出張緊輥輥間實時張力數(shù)值 因此符合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型 這里， 其中

—狀態(tài)向量的微分向量， A—狀態(tài)空間矩陣， B—輸入?yún)?shù)矩陣， C—輸出參數(shù)矩陣 ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度，

—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度的微分， F12，F(xiàn)23—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力，第二、三張緊輥間的張力，

—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力的微分，第二、三張緊輥間張力的微分， I1，I2，I3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的電流， R1，R2，R3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的半徑， J1，J2，J3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的轉(zhuǎn)動慣量， K12，K23—分別為張緊輥組第一、二張緊棍間彈性系數(shù)，第二、三張緊棍間彈性系數(shù)， Φ1，Φ2，Φ3——分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的磁通， FI——張緊輥組入口處張力， FO——張緊輥組出口處張力； 步驟二、將測量的電機速度、電流、張力數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，輸入第一步驟中的張力狀態(tài)空間模型，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值； 根據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型，利用MATLAB矩陣計算軟件中的系統(tǒng)辨識工具箱(System Identification ToolBox)中的IDSS函數(shù)，分別將狀態(tài)空間模型中的A、B、C代入IDSS函數(shù)的相應(yīng)位置，計算即可得出 步驟三、根據(jù)步驟二計算得出的輥間張力，結(jié)合測張儀測得到的張緊輥組入口和出口張力，張緊棍電機速度的變化情況，綜合分析張緊輥的工作狀態(tài)，進(jìn)行張力狀態(tài)的預(yù)警，從而實現(xiàn)整個流程的張力平衡預(yù)警。
綜合分析的方法為 1)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，即ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度沒有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23； 2)非穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，即ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23，如果F12，F(xiàn)23小于穩(wěn)態(tài)運行時的50％，則判定為失張狀態(tài)，如果F12，F(xiàn)23大于FI或小于FO，則判定為張力失衡狀態(tài)。以此方法可以實現(xiàn)對張緊輥工作狀態(tài)的在線預(yù)測。
由于本發(fā)明基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法采用了上述技術(shù)方案，即通過采用狀態(tài)空間模型進(jìn)行張緊輥組張力的建模，充分考慮了冷軋連退機組各個參數(shù)變量與張緊輥組張力的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用常用的MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱，得出張緊輥組間張力；該方法通用性強，運算速度快，可以滿足對輥間張力計算的要求，實現(xiàn)張緊輥張力的預(yù)警功能。



下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明 圖1為本發(fā)明的冷軋連退機組張緊輥組的連接示意圖， 圖2為本發(fā)明選取一組測量數(shù)據(jù)的示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法包括張緊輥電機速度、電機電流，張緊棍組的出口張力、進(jìn)口張力和張緊棍棍徑數(shù)據(jù)的采集，所述張緊棍組包括第一張緊棍1、第二張緊棍2、第三張緊棍3和第四張緊棍4，該方法包括如下步驟 步驟一、采用狀態(tài)空間建模的方法，決定的輥間張力關(guān)系， 在整個冷軋連退生產(chǎn)線中一共包括7套張緊輥組，每套張緊輥組只是輥子的個數(shù)不同，第1個張緊輥組有5個輥子，第2個張緊輥組有2個輥子，其他張緊輥組均為4個輥子。3號和4號張緊輥組位于冷軋連退生產(chǎn)線中央段出入口活套的兩端，如果中央段張緊輥組張力波動較大，不利于張緊輥的控制，因此，以3號張緊輥組為例，如圖1所示，具體說明張緊輥組張力對象模型的建立。
根據(jù)電動機拖動原理，得出 Te——電磁轉(zhuǎn)矩 TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩 J——轉(zhuǎn)動慣量 ω——電機角速度 t——時間 其中Te＝ΦI Φ——電機的磁通量 I——電機的電流 在本發(fā)明中，考慮輥子的入出口能量平衡，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為如出口前后張力的差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 TL＝ΔF×R ΔF——輥子入出口張力差 R——輥子半徑 因此建立張緊輥組各個輥子張力控制的平衡方程 其中 ω1，ω2，ω3，ω4—分別為張緊輥組第一、第二、第三和第四張緊輥電機的角速度，

—分別為張緊輥組第一、第二、第三和第四張緊輥電機的角速度的微分， F12，F(xiàn)23，F(xiàn)34—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力，第二、三張緊輥間的張力，第三、四張緊輥間的張力，

—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力微分，第二、三張緊輥間張力的微分，第三、四張緊輥間的張力的微分， I1，I2，I3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的電流， R1，R2，R3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的半徑， J1，J2，J3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的轉(zhuǎn)動慣量， K12，K23—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間彈性系數(shù)，第二、三張緊輥間彈性系數(shù)， Φ1，Φ2，Φ3——分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的磁通， FI——張緊輥組入口處張力， FO——張緊輥組出口處張力； 考慮在3號張緊輥組中，第四張緊輥上無電機，因此，不考慮第四張緊輥的影響，建立的狀態(tài)空間模型如下 對于該狀態(tài)空間模型，我們已知的可測量數(shù)據(jù)為ω1，ω2，ω3，I1，I2，I3，F(xiàn)I，F(xiàn)O，已知的參數(shù)為K12，K23，J1，J2，J3，需要計算的參數(shù)為F12，F(xiàn)23，Φ1，Φ2，Φ3，因此在利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)對需要計算的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識計算時，需要采用采用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 在完成Φ1，Φ2，Φ3參數(shù)的系統(tǒng)辨識后，即可以用下面的公式對運行過程中的張緊輥張力F12，F(xiàn)23進(jìn)行在線預(yù)測，得出張緊輥輥間實時張力數(shù)值 因此符合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型 這里， 其中

—狀態(tài)向量的微分向量， A—狀態(tài)空間矩陣， B—輸入?yún)?shù)矩陣， C—輸出參數(shù)矩陣 X—狀態(tài)向量， U—輸入向量， Y—輸出向量， 步驟二、將測量的電機速度、電流、張力數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，輸入第一步驟中的張力狀態(tài)空間模型，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值； 根據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型，利用MATLAB矩陣計算軟件中的系統(tǒng)辨識工具箱(System Identification ToolBox)中的IDSS函數(shù)，分別將狀態(tài)空間模型中的A、B、C代入IDSS函數(shù)的相應(yīng)位置，計算即可得出 本發(fā)明中，正常情況下狀態(tài)空間參數(shù)的選擇，可以得到各個張緊輥電機的彈性系數(shù)K、轉(zhuǎn)動慣量J、輥子半徑R等，Φ可以通過代入狀態(tài)空間模型，由辨識得出。張緊棍組的入口處張力、出口處張力可由測張儀測得，其單位為千牛； 由于采集的實時數(shù)據(jù)有隨機誤差和噪聲，本發(fā)明采用比較簡單可行的移動平均法進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波。即對連續(xù)采樣的數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)點的順序逐點推移求出N個數(shù)的平均數(shù)，本發(fā)明中取每10個采樣數(shù)進(jìn)行移動平均，即可得到一次移動平均數(shù)。
本發(fā)明采用的移動平均方法為 設(shè)有一時間序列，則按數(shù)據(jù)點的順序逐點推移求出N個數(shù)的平均數(shù)，即可得到一次移動平均數(shù)Mt。
本發(fā)明的狀態(tài)空間采用MATLAB中的系統(tǒng)辨識工具箱IDSS， 矩陣結(jié)構(gòu)為 x
＝X0 M＝IDSS(A，B，C，D) M＝IDSS(A，B，C，D，K，X0，Ts) M＝IDSS(A，B，C，D，K，X0，Ts，’Property’，Value，..) 本發(fā)明中只有A B C D＝0。
辨識參數(shù)選用現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)，用DAT＝IDDATA(Y，U，Ts)用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)對象，輸出Y、輸入U和采樣時間間隔Ts。
步驟三、根據(jù)步驟二計算得出的輥間張力，結(jié)合測張儀測得到的張緊輥組入口和出口張力，張緊棍電機速度的變化情況，綜合分析張緊輥的工作狀態(tài)，進(jìn)行張力狀態(tài)的預(yù)警，從而實現(xiàn)整個流程的張力平衡預(yù)警。
綜合分析的方法為 1)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，即ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度沒有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23； 2)非穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，即ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23，如果F12，F(xiàn)23小于穩(wěn)態(tài)運行時的50％，則判定為失張狀態(tài)，如果F12，F(xiàn)23大于FI或小于FO，則判定為張力失衡狀態(tài)。以此方法可以實現(xiàn)對張緊輥工作狀態(tài)的在線預(yù)測。
如圖2所示，選取10分鐘的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識得出， Φ＝19.8 F12＝1839.3 F23＝1678.9 根據(jù)上述的綜合分析，張緊輥的工作狀態(tài)為 1)張緊輥穩(wěn)態(tài)工作穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下(各輥子的速度變化小)； 2)入口/出口張力均值為 FI＝2006.1 FO＝1548.7 則FI>F12>F23>FO，張緊輥組的張力為平衡狀態(tài)。
權(quán)利要求
1、一種基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法，包括張緊輥電機速度、電機電流，張緊輥組的出口張力、進(jìn)口張力和張緊輥輥徑數(shù)據(jù)的采集，所述張緊輥組包括第一張緊輥、第二張緊輥、第三張緊輥和第四張緊輥，其特征在于該方法包括如下步驟，
步驟一、采用狀態(tài)空間建模的方法，決定的輥間張力關(guān)系，其狀態(tài)方程為
上述狀態(tài)空間模型，已知可測量數(shù)據(jù)為ω1，ω2，ω3，I1，I2，I3，F(xiàn)I，F(xiàn)O，已知參數(shù)為K12，K23，J1，J2，J3，需計算的參數(shù)為F12，F(xiàn)23，Φ1，Φ2，Φ3，利用測量數(shù)據(jù)和已知參數(shù)對需要計算的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識計算，采用下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換
在完成Φ1，Φ2，Φ3參數(shù)的系統(tǒng)辨識后，采用下述公式對運行過程中的張緊輥張力F12，F(xiàn)23進(jìn)行在線預(yù)測，得出張緊輥輥間實時張力數(shù)值
因此符合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型
這里，狀態(tài)向量輸入向量輸出向量
其中
—狀態(tài)向量的微分向量，
A—狀態(tài)空間矩陣，
B—輸入?yún)?shù)矩陣，
C—輸出參數(shù)矩陣
ω1，ω2，ω3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度，
—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的角速度的微分，
F12，F(xiàn)23—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力，第二、三張緊輥間的張力，
—分別為張緊輥組第一、二張緊輥間的張力的微分，第二、三張緊輥間張力的微分，
I1，I2，I3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的電流，
R1，R2，R3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的半徑，
J1，J2，J3—分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥的轉(zhuǎn)動慣量，
K12，K23—分別為張緊輥組第一、二張緊棍間彈性系數(shù)，第二、三張緊棍間彈性系數(shù)，
Φ1，Φ2，Φ3——分別為張緊輥組第一、第二、第三張緊輥電機的磁通，
FI——張緊輥組入口處張力，
FO——張緊輥組出口處張力；
步驟二、將測量的電機速度、電流、張力數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，輸入第一步驟中的張力狀態(tài)空間模型，計算得出張緊輥組第一、二張緊輥間，第二、三張緊輥間的張力數(shù)值；根據(jù)所建立的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間模型，利用MATLAB矩陣計算軟件的系統(tǒng)辨識工具箱中的IDSS函數(shù)，分別將狀態(tài)空間模型中的A、B、C代入IDSS函數(shù)的相應(yīng)位置，計算得出
步驟三、根據(jù)步驟二計算得出的輥間張力，結(jié)合測張儀測得到的張緊輥組入口和出口張力，張緊輥電機速度的變化情況，綜合分析張緊輥的工作狀態(tài)，
張緊輥穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，即ω1，ω2，ω3沒有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23；
張緊輥非穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，即ω1，ω2，ω3有大的波動情況下，計算得出張緊輥組第一、二張緊棍間，第二、三張緊棍間的張力數(shù)值F12，F(xiàn)23；
如果F12，F(xiàn)23小于穩(wěn)態(tài)運行時的50％，則判定為失張狀態(tài)，如果F12，F(xiàn)23大于FI或小于FO，則判定為張力失衡狀態(tài)；以實現(xiàn)對張緊輥工作狀態(tài)的在線預(yù)測，從而實現(xiàn)整個流程的張力平衡預(yù)警。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于狀態(tài)空間模型的張緊輥組張力建模方法，其包括張緊輥電機速度、電機電流，張緊棍組的出口張力、進(jìn)口張力和張緊棍棍徑數(shù)據(jù)的采集，所述張緊棍組包括若干張緊棍，該方法基于張緊輥組張力控制的機理研究，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，建立基于輥子電機速度、電流、張力數(shù)據(jù)等信息決定的輥間張力關(guān)系，采用狀態(tài)空間建模的方法，求得輥間張力的數(shù)值；同時將測量的電機速度、電流、測張數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，輸入建立的張力狀態(tài)空間模型，計算得出張緊輥之間的張力數(shù)值；綜合分析張緊輥的工作狀態(tài)，進(jìn)行張力狀態(tài)的預(yù)警，從而實現(xiàn)整個流程的張力平衡預(yù)警，最大限度的減少故障發(fā)生率。
文檔編號G05B13/04GK101452260SQ20071017198
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者徐家倬 申請人:上海寶鋼工業(yè)檢測公司