CN103639210B - 一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用，属于冶金机械及自动化、轧制技术，本技术是将实际弯辊力反馈值与弯辊力设定值的偏差信号通过总线输入到PLC（可编程控制器）中，PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I（非线性组合控制器）的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构；此方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。本发明的方法在不需要增加新设备的前提下，满足弯辊***的控制精度和响应速度，尤其是正负弯之间快速、无超调切换的要求。

Description

一种冷轧工作辊弯辊控制方法及其应用

技术领域

本发明属于冶金机械及自动化、轧制技术。尤其涉及一种兼顾弯辊力的控制精度和响应速度的控制方法，更具体的说将优化的非线性组合控制算法应用于弯辊控制。

背景技术

液压弯辊是开发与应用得最早的板形控制技术，它是1965年开发，1970年开始应用于实际生产的。弯辊装置的作用是提高轧辊平衡力，增大轧辊弯曲力矩，使轧辊在辊身长度方向上容易发生弯曲变形。液压弯辊曲线是二次曲线，而实际上是比较复杂的曲线，对其复合波、局部波的控制基本上是无能为力的，所以在板宽范围以外的弯辊效果不好，不能解决边部减薄问题，而且增大弯辊力又会减少轴承寿命。但是，液压弯辊有减小板凸度、改善带钢平直度、提高生产率及降低辊磨损等优点，所以广泛应用于垂直方向与水平方向的弯辊装置中，成为现代化带钢轧机的重要标志之一。

目前液压弯辊装置可以通过向工作辊或支撑辊辊颈两种不同的方式来施加液压弯辊力，而弯辊力按照方向还可分为正弯和负弯两种作用，主要有三种形式：正弯工作辊、负弯工作辊和正弯支撑辊。工作辊液压弯辊装置的主要形式为并列的两个液压缸，因此有16缸工作辊弯辊机构，每一个液压缸活塞都是朝伸出的方向出力。如果对机械和液压***进行改造，取消负弯液压缸，使得原来的正弯液压缸活塞在伸出缩回两个方向都可以出力，则原正弯液压缸具备正弯和负弯的功能，这样就成为现在的8缸工作辊弯辊机构。

对如图3所示的其中一个具体的上工作辊弯辊液压缸而言，凸块固定在工作辊轴承座上，液压缸固定在轧机牌坊上。换辊时凸块随工作辊辊系被抽出，而与液压缸活塞连成一体的T型块则不动，为了换辊的便捷、快速，T型块上下表面必须留有一定的间隙，约10mm。但正是该间隙的存在，导致正负弯切换的时候，T型块会脱离一侧接触另一侧，且中间需经过一段不与凸块接触的自由段。由于冷轧正负弯切换是在正常轧制过程中，因此有一定的时间要求，尤其在超过600m/min的高速轧制时，切换时间不能大于1秒，因此，自由段活塞必须保持一定的速度动作，同时由于液压缸内并没有位移传感器，无法知道活塞当前位置，不能提前减速，这就导致T型块与另一侧接触时有一个较大的冲击，弯辊力会突然变得很大，然后再调整回来。根据现场实测，冲击时的弯辊力最大会超过设定弯辊力约200KN，这会造成严重的板形问题甚至断带，因此，这种冲击是绝对不允许的。

在生产现场还发现弯辊***的另一个特性，每次换辊以后，弯辊在闭环调节过程中控制器输出给伺服阀的基准值都会变化。举例说明：某次换辊以后，当弯辊处于闭环调节时，此时控制器给伺服阀的输出电流在0.2±0.03mA范围内；下次换辊以后，输出电流范围可能变到在0.3±0.03mA。也就是说，输出电流出现A±a的形式，此处A表示电流的基准值，a表示电流的调节量，每次换辊以后A变化较大，a变化较小。从机械结构分析，出现这种状况的原因是每次换辊后辊系特性改变，导致达到同样的弯辊力需要输出电流随之改变。

近年来研究者们对弯辊的稳定控制和死区调节的难点进行了深入研究，大家都致力于研究出更好的方法手段来实现弯辊的有效控制，以提高金属板带轧制的质量来满足市场需求。上海宝信公司王育华的专利“工作辊的正负弯辊切换方法”(专利号CN 102198115 A)提出增加液压缸的方法将工作辊左右两侧的弯辊油缸分为两组，至少有一组弯辊油缸处于“撑开”或“拉紧”状态，并且总的弯辊力始终等于要求的工艺设定值，这种方法能达到正负弯辊力平滑切换，但需要增加液压缸。“冷连轧机工作辊弯辊连续无死区控制装置”(专利号CN 2815535Y)通过内外弯辊缸的组合实现切换，“一种轧机弯辊控制在线切换装置”(专利号CN 201586664U)通过增加压力传感器使得弯辊力的检测有了备份，两套检测装置可以在线切换，而非对正负弯辊力的切换进行操作。燕山大学的高英杰在文章“热连轧机弯辊控制***的改造与实践”中提出了分级控制背压的方法来使比例减压阀工作在线性特性区内，通过改变***背压来实现不同的弯辊控制策略。但是当既需要小范围的正负弯辊力切换控制又需要较大的弯辊力输出时，由于液压***的惯性，***背压无法频繁改变，故此方法不适用于轧制条件较为复杂的轧制生产。

为解决上述问题，现有技术中也尝试用以下两种方案进行解决，机械方面的办法是在T型块外侧与凸块之间的间隙处塞上垫块，减小甚至消除间隙的影响，显然，为了达到效果，T形块、垫块和凸块必须贴合紧密，这导致换辊前垫块必须先取下，换辊完成后再装上，但也是由于T形块、垫块与和凸块贴合紧密，导致垫块的装卸特别费时费力，经常需要弯辊缸多次的切换动作才能完成，工作辊换辊时间增加约20分钟；工艺方面的办法是在正负弯切换前，把轧制速度降至某一较低的安全速度再进行切换，这样的话，正负弯切换的时间可适当放长，活塞动作变慢，冲击自然也就减小。根据现场测试情况，切换时间为3秒时冲击可以降低至约50KN，切换时间为60秒时冲击可以降低至10～20KN，一般情况下20KN以内的弯辊力波动是可以接受的。但是这个弯辊力切换过程从降速开始算起，到切换完成再回到之前的轧制速度，整个过程不少于5分钟。因此，这会严重降低轧制效率。

发明内容

针对冷轧8液压缸工作辊弯辊机构弯辊力轧制稳定性和响应速度难以兼顾的缺点，本发明提出了一种采用比例积分控制方法与单积分控制方法协同作用，满足弯辊***的控制精度和响应速度，尤其是正负弯之间快速、无超调切换的要求。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案。

本发明涉及一种冷轧工作辊弯辊控制方法，在PLC(可编程控制器)中设置有单积分控制器与比例积分控制器，通过上述两种控制器的组合形成PI+I非线性组合控制器(3)，从而实现对弯辊的非线性化控制。

所述弯辊控制方法的优选方案为，将实际弯辊力反馈值(2)与弯辊力设定值(1)的偏差信号通过PROFIBUS-DP(可连接分散型***设备的现场总线)输入到PLC(可编程控制器)中，PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I(非线性组合控制器)(3)的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构。

所述弯辊控制方法的优选方案为，所述PI+I(非线性组合控制器)的输出信号接到模式识别***(12)，进行参数自整定。

所述弯辊控制方法的优选方案为，所述单积分控制器与比例积分控制器中，各自设定不同的系数和输出上限，实现组合控制方法的非线性化。

1.所述弯辊控制方法的优选方案为，所述比例积分控制器的积分系数为单积分控制器的积分系数的5～10倍，轧制模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的0.01～0.1倍；放开模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的3～4倍。

本发明还涉及上述弯辊控制方法的应用，所述方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。

所述弯辊控制方法应用的优选方案为，所述方法的具体应用步骤如下：

1)设计单积分控制器：设定初始积分系数范围3×10^-6～6×10^-6，同时设定足够大的输出上限0.25～0.75，实现对输入偏差的积分响应输出；

2)改进比例积分控制器：对于比例算法，输出上限为允许的最大输出；对于积分算法，将初始积分系数设定为1.5×10^-5～6×10^-5，为其两种模式设置输出上限值分别为0.01～0.07(轧制模式)与1.0～2.0(放开模式)；

3)参数优化：通过轧制的状态变量，基于模式识别***的结果调整比例积分控制器中的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数；

4)动态性能验证：若控制器初始值设定不合理，则根据状态变量以自动轧制状态下10倍步长来调节控制器各参数，当输出值模式良好时，切换到自动弯辊控制方式。

该发明具体指将弯辊力设定值(1)作为控制方法输入，通过比例积分控制方法和单积分控制方法各自不同的系数设定和输出上限设定实现组合控制方法的非线性化，从而实现对工业现场非线性对象的控制。这种方法的应用使弯辊***在不同的工况条件下都能有良好的控制效果。

一般而言，轧机操作侧的4个工作辊弯辊缸，分别是入口上侧、入口下侧、出口上侧、出口下侧弯辊缸，另外4个工作辊弯辊缸位于传动侧对应位置。根据不同的弯辊工作模式，控制***给各工作辊弯辊缸发送不同控制信号，对每个缸独立控制以达到对整个弯辊装置的精确控制。

针对工业现场的弯辊控制有一定的滞后性，且从伺服阀(9)到液压缸(4)的运作和各弯辊缸协同作用时都有一定的干扰等问题，本发明提出了一种在板带轧制现场兼顾弯辊力的控制精度和响应速度的控制方法。弯辊控制特点要求在轧制过程中弯辊力的响应速度要快且幅值波动要小，利用本设计的闭环控制方法可解决响应速度与波动幅值之间的矛盾，以适应现场良好板形对弯辊力调控的需求。

弯辊控制的一项重要指标即动态特性，现场控制常要求弯辊力要进行频繁变换且每次调控的调整量有小有大。作为控制器的输入，实际弯辊力与弯辊力设定值(1)的偏差信号就会有很多或小或大的突变。每次突变相当于一个冲击信号，而微分控制的冲击响应值理论上是无穷大，实际响应也很大。这就会造成微分控制器有很大的输出，无法对弯辊装置进行有效控制，同时大控制量也会造成弯辊对工作辊有很大作用力，会造成事故。因此在本发明中舍去了常规比例积分微分(PID)控制中的微分控制，设计了以PI(比例积分)控制为核心的PI+I非线性组合控制器来构建控制***。

现场弯辊控制***主要由正负弯辊执行机构、弯辊缸液压检测装置、搭载控制器的PLC设备、人机交互服务器和现场数据采集服务器等组成。首先利用弯辊缸液压检测装置检测操作侧与传动侧的弯辊力，其表示形式为电信号，通过PROFIBUS-DP现场总线通讯到PLC、人机交互服务器和数据采集服务器上。然后在PLC中将检测值与弯辊力设定值(1)做差得到控制器的输入信号，通过PI+I非线性组合控制器(3)得到输出信号再通过PROFIBUS-DP现场总线发送给正负弯辊执行机构，实现现场弯辊的闭环控制。

理论PI控制是基于连续时间的微积分运算。然而现场总线传输的是固定频率采样的离线电信号交由PLC控制。PLC控制是一种离散的采样控制，在PLC控制***中所使用的是数字PI控制方法。通过将模拟PI表达式中的积分、微分运算数值计算方法来逼近，便可实现数字PI控制，只要采样周期T取值足够小，这种逼近就可以相当精确。将积分项用矩形和代替，使模拟PI离散化为差分方程，可作如下近似：

$\left\{\begin{array}{c}u\left(x\right)\≈u\left(k\right)\\ e\left(x\right)\≈e\left(k\right)\\ {\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\≈T\underset{j=o}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)\end{array}\right.$

在现场轧制状态下，弯辊力反馈值与弯辊力设定值的偏差较大时，由于弯辊闭环的输入值往往较大，PI控制方法中的比例作用很难快速消除偏差，而其中的积分作用由于上限设定较低，所以这种情况下积分会很快趋于饱和，积分效果亦不明显。故单PI控制方法在这种状态下的控制量输出不足，会出现控制偏差较大、响应时间过长且很难消除偏差的现象。

本发明以比例积分控制算法为基础，设计了比例积分控制与单积分控制协同工作的PI+I非线性组合控制器(3)，如图5所示。其核心思想是，将比例积分控制中积分系数K_i设置较大，积分限幅值设置较小，目的是为了在一定的输出范围内能够与比例环节配合快速跟踪到弯辊力设定值(1)，使控制器在有干扰或给定值有小幅度变化时，能快速响应且不会产生过大的扰动，这样就可以解决控制器输出电流A±a里的a部分。同时通过给定单积分控制方法较小的积分系数K_i和较大的积分输出上限以弥补比例积分控制方法只能小范围调节的弊端，使得控制器可以在较大范围内缓慢变化，减小T型块与凸块(5)接触瞬间的冲击，这样就可以解决控制器输出电流A±a里的A部分。

不同于单纯的只把积分控制方法的积分系数线性累加到比例积分控制方法上，本发明设计的控制方法参数设定思路即根据当前控制效果分析实时得出当前应选择的控制策略，包括控制参数整定及控制方法的输出上限与积分上限设定等。通过PI控制方法的输出上限值的改变等效于重新分配PI和I两个控制方法的控制权重，从而实现非线性控制，更好的解决非线性问题。

原弯辊控制方法采用单PI控制，为了达到要求的响应速度，积分系数K_i必须取较大值，这就造成T型块与凸块(5)接触瞬间冲击很大，如图6所示。而新弯辊控制方法采用了PI+I的控制策略，将这种冲击降到可接受范围内。从现场的使用情况来看，正负弯切换变得平顺，提高了轧制效率。

比例积分控制器中的参数设定是控制器设计的重要内容，参数设定的准确程度直接关系到控制效果的好坏。在本发明中需要设定的参数主要有比例系数K_p、积分系数K_i、积分限幅和控制器输出限幅等。

为达到更好的控制效果，本发明采用了基于模式识别的PI参数整定方法。该方法可避开过程模型问题，将闭环***响应曲线上一组足以表征过程特性而数目又尽可能少的特征量作为“状态变量”，以此为依据设计通用的自整定方法。用模式识别法进行参数自整定，需要进行如下工作。首先，将闭环***在一定输入下的响应曲线视为模式，根据阶跃响应准则分为欠阻尼振荡、过阻尼振荡、欠阻尼有静差和过阻尼有静差这四种模式；其次，确定每个模式的特征量，即“状态变量”；第三，确定理想模式下状态变量的值，建立模式的“状态变量”表达关系。在完成上述工作以后，在线的控制器参数整定即进行模式识别，依据理想模式的状态变量值与实测的模式状态变量值之间的差值对控制器参数作自适应调整。

在整定过程中，过程连接PI+I非线性组合控制器(3)，观察过程的阶跃响应及干扰变化，基于模式识别***(12)结果动态调整PLC中比例积分控制器的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数。该方法应用简单，它不需要用户设定模型阶次等先验信息和预校正测试就能自动地整定参数，实现参数优化。

未采用本发明设计的控制方法时，当原控制方法参数调整较大时，实际轧制现场的弯辊控制会出现超调量较大，影响了板带质量，严重时出现过断带事故；同时，若减小控制参数，现场弯辊执行机构的构造存在当正负弯切换时有控制量不足，弯辊力反馈值(2)跟踪设定值缓慢的现象。并且由于积分很快趋于饱和，控制量不再变化，所以反馈值无法跟踪上设定值，即有静差。而采用本发明设计的控制方法并优化参数后，现场弯辊控制趋于稳定且响应迅速，实际板带的现场反馈数据表示，这种方法控制效果良好。

综上所述，本发明提出的方法不需要增加新的设备，只需要对控制算法进行一定修改，利用PI+I非线性组合控制器(3)对弯辊进行非线性控制，即可改善弯辊的动态性能，满足现场轧制的要求。

附图说明：

图1为工作辊液压弯辊示意图，其中，111上支撑辊、112上工作辊、113下工作辊、114下支撑辊、115上工作辊负弯缸、116上工作辊正弯缸、117下工作辊正弯缸、118下工作辊负弯缸；

图2为上工作辊弯辊液压缸示意图；

图3正弯液压缸动作示意图；

图4负弯液压缸动作示意图；

图5新弯辊控制方法示意图；

图6原弯辊控制方法响应曲线；

图7新弯辊控制方法响应曲线；

图中标记部件分别为，1 弯辊力设定值、2 弯辊力反馈值、3 PI+I非线性组合控制器、4 间隙、5 凸块、6 活塞、7 液压缸、8 蓄能器、9 电液伺服阀、10 溢流阀、11 液压泵、12 模式识别***。

具体实施方式：

结合具体工艺及图示对发明的具体实施方法进行说明：

实施方案中带材采用0.65mm厚的规格为1100的铝带。在原单比例积分控制器作用下，若弯辊设定有变化，控制器输出的控制量会有一定的超调量，如附图6所示。当轧制速度大于400m/min时，控制量超调会导致事故的发生。而新的PI+I非线性组合控制器(3)则避免了上述情况，提高了生产可靠性和效率。具体实施方案如下：

1)设计单积分控制器：对于附加的积分器，给它设定较小的初始积分系数3×10^-6，同时设定足够大的输出上限0.5。当存在同向偏差时，积分器就时刻在进行累加，若存在反向偏差，积分器对积分值进行消减。然后将其累加后的控制量附加在原PI控制器上，可以得到满足要求的控制输出；

2)改进比例积分控制器：对于比例算法，输出上限为允许的最大输出，以便时刻跟踪偏差值。对于积分算法，将初始积分系数设定为2.5×10^-5，为其输出上限值设定“0.02”(轧制状态)与“1.0”(放开控制)两种模式。在弯辊自动控制模式和无需大幅度调整的手动模式下均采用“0.02”的上限值设定；在弯辊控制闭环输入偏差稳定且数值较大时需要大幅度的手动调整时，采用“1”的上限值设定。

3)参数优化：首先根据现场轧制需求。将现场数据采集***反馈数据实时送入到模式识别***中，获得当前轧制的状态变量。基于模式识别结果调整比例积分控制器中的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数。当输出模式为欠阻尼震荡时，以0.5×10^-7s的步长增大比例积分控制器中的积分系数设定值；当输出模式为过阻尼震荡时，以0.5×10^-7s的步长减小比例积分控制器中的积分系数设定值；当输出模式为欠阻尼有静差时，以0.1×10^-7s的步长增大单积分控制器的积分系数设定值；当输出模式为过阻尼有静差时，以0.1×10^-7s的步长减小单积分控制器的积分系数设定值。

4)动态性能验证：在当前道次轧制初期，在低速状态下采用手动方式小幅度调节弯辊。观察反馈数据曲线，根据模式识别输出结果确认PI+I非线性组合控制器(3)初始值设定是否合理。若不合理，则根据状态变量以自动轧制状态下10倍步长来调节控制器各系数。当输出值模式良好时，切换到自动弯辊控制方式。

采用本发明设计的控制方法并参数优化后，现场弯辊装置控制趋于稳定且响应迅速，实际现场板带的反馈数据表示，这种方法控制效果良好，使动态控制超调量减少了75％以上，提高了高速轧制(400m/min)下带材的成材率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冷轧工作辊弯辊控制方法，其特征在于，在PLC(可编程控制器)中设置有单积分控制器与比例积分控制器，通过上述两种控制器的组合形成PI+I非线性组合控制器，从而实现对弯辊的非线性化控制。

2.根据权利要求1所述弯辊控制方法，将实际弯辊力反馈值与弯辊力设定值的偏差信号通过总线输入到PLC(可编程控制器)中，其特征在于：PLC中设置有单积分控制器与比例积分控制器，两类控制器独立并联，两组信号进行叠加后得到PI+I非线性组合控制器的输出，将此输出通过现场总线传输到弯辊执行机构。

3.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述PI+I非线性组合控制器的输出信号接到模式识别***，进行参数自整定。

4.根据权利要求3所述弯辊控制方法，其特征在于，所述参数自整定为动态调整PLC中比例积分控制器的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数

5.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述单积分控制器与比例积分控制器中，各自设定不同的系数和输出上限，实现组合控制方法的非线性化。

6.根据权利要求1所述弯辊控制方法，其特征在于，所述比例积分控制器的积分系数为单积分控制器的积分系数的5～10倍；轧制模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的0.01～0.1倍；放开模式时，比例积分控制器的积分限幅为单积分控制器的积分限幅的3～4倍。

7.如权利要求1所述弯辊控制方法的应用，其特征在于，所述方法可应用于冷轧8液压缸工作辊弯辊机构。

8.根据权利要求5所述弯辊控制方法的应用，其特征在于，所述方法的具体应用步骤如下：

1)设计单积分控制器：设定初始积分系数范围3×10^-6～6×10^-6，同时设定足够大的输出上限0.25～0.75，实现对输入偏差的积分响应输出；

2)改进比例积分控制器：对于比例算法，输出上限为允许的最大输出；对于积分算法，将初始积分系数设定为1.5×10^-5～6×10^-5，为其两种模式设置输出上限值分别为0.01～0.07(轧制模式)与1.0～2.0(放开模式)；

3)参数优化：通过轧制的状态变量，基于模式识别***的结果调整比例积分控制器中的比例系数、积分系数和单积分控制器中的积分系数；

4)动态性能验证：若控制器初始值设定不合理，则根据状态变量以自动轧制状态下10倍步长来调节控制器各参数，当输出值模式良好时，切换到自动弯辊控制方式。