CN107138537A - 一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于金属压力加工技术领域，具体涉及一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法。首先，设定最后两个道次轧制力接近，并在倒数第二道次轧制完成后，保持辊缝不变，计算该道次轧制过程中的电动压下弹跳量、平均辊缝和平均轧制力，并将该平均轧制力作为末道次目标轧制力；随后，结合人工卡量厚度计算末道次目标辊缝及咬入前预摆辊缝，并由压下机构执行到位；在末道次轧制过程中，通过比较实际轧制力和目标轧制力、以及实际辊缝和目标辊缝的偏差，结合弹跳方程实时计算出口厚度偏差，并投入闭环控制，以保证厚度精度。本发明可在不依赖测厚仪的情况下，对采用电动和液压压下的单机架铝板热轧机厚度进行精确控制。

Description

一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法

技术领域

本发明主要属于金属压力加工技术领域，具体涉及一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法。

背景技术

轧机辊缝的调节需要通过轧机自动位置控制(APC，Automatic PositionControl)***来实现。APC是板带生产过程中自动厚度控制(AGC，Automatic GaugeControl)的主要执行机构，从轧制力的来源上分为全电动、全液压、电动和液压三种。如图1所示，图中，纵坐标S表示轧机辊缝，横坐标t表示时间，S_a表示板坯在轧制过程中的平均辊缝；S_r表示设定辊缝；S_b表示板坯进入轧机前的实际空载平均辊缝；ΔS_ab表示电动压下的弹跳量；ΔS_rb表示电动压下定位偏差；t_in表示板坯进入轧机时刻。对于需要大行程调节辊缝的轧机，一般采用电动和液压组合压下，电动压下用于无负载情况下大范围粗调轧机辊缝，液压压下用于小范围精调轧机辊缝。由于电动压下的压下丝杆与螺母之间存在间隙，在板坯进入轧机后，电动辊缝会产生一个弹跳量，该弹跳量一般为0.3～0.5mm。由于电动辊缝反馈容易受安装精度、轧机振动的影响，因此很多情况下液压压下无法实时补偿计算的电动辊缝偏差，否则轧机辊缝容易产生较大波动甚至引起振荡。

由于轧机辊缝中的轧件厚度至今尚无法实现实时直接测量，所以在热连轧或冷轧带材的轧制过程中，一种最常见的厚度控制方法是通过安装在轧机出口的测厚仪对板带厚度进行测量，以此作为反馈信号来调节轧机辊缝，实现对厚度的实时控制。而对单机架的板材热轧机而言，有的没有安装测厚仪，有的虽然安装了测厚仪，但由于轧机出口机械设备的限制，使得测厚仪距离轧机较远，同时又因为单机架热轧机的轧制速度较慢，使得厚度反馈信号延迟较大，无法用来实时控制厚度，所以基于轧机弹跳方程，利用轧制力反馈信号及辊缝反馈信号间接测量厚度的压力AGC(或叫轧制力AGC)***在这一类轧机上得以被广泛应用。AGC是现代轧机的一个基本的控制手段，它使板带沿轧制方向上厚度均匀，减小同板差和异板差，从而改善产品质量，提高成材率。

在已有论文和专利方面，论文“压力AGC正反馈特性分析”(钢铁,2007,42(7):51-55)对常规压力AGC进行了分析，指出由于轧机刚度系数C和轧件塑性系数Q无法准确获得，压力AGC存在正反馈区域，无法做到精确控制厚度。专利“基于轧机弹跳特性曲线的板带轧制厚度控制方法”发明了一种基于轧机弹跳曲线的厚度控制方法，其所采用的厚度计算方法是基于压靠数据回归得出一个固定的表达式，由于压靠过程为上下工作辊全辊面接触，即工作辊接触长度与工作辊长度相同，而轧制时上下工作辊与板带接触，即接触长度与板带宽度相同，而板带宽度是小于工作辊长度，且不同的产品对宽度的要求也不一样，这导致压靠时与轧制时轧机弹跳不同，该发明用一个固定的经验模型来考虑板带宽度的影响，是不够准确的；同时，轧制过程中轧机的特性也是不断变化的，比如轧辊热膨胀和轧辊磨损会引起轧机刚度和实际辊缝的变化，上述发明也无法解决这一问题；而且，其控制采用纯比例方法，无法做到快速消除厚差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，所述方法能够在不依赖测厚仪的情况下，对电动和液压压下的单机架铝板热轧机进行精确的厚度控制，以保证铝板厚度公差落在允许范围内的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，所述方法基于弹跳方程，利用相邻道次轧制力相同则弹跳相同的原理，能够不依赖测厚仪并对电动和液压压下的单机架铝板热轧机进行精准厚度预测，并通过闭环控制实现厚度的精确控制。

进一步地，所述方法包括以下步骤：

步骤一：调整辊缝的初始设定，使最后两个道次预测轧制力接近；

步骤二：在倒数第二道次轧制过程中，实时累计辊缝、轧制力；

步骤三：在倒数第二道次轧制完成后，先保持倒数第二道次辊缝不变，计算倒数第二道次板坯咬入轧机前的平均辊缝S_2b、倒数第二道次板坯咬入轧机后的平均辊缝S_2a和倒数第二道次平均轧制力P_2ave，得出倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量ΔS_2ab；

步骤四：通过人工卡量出口厚度h₂，重新计算获得末道次新设定辊缝S_1r，并让压下机构执行此设定，使辊缝达到S_1r；

步骤五：在末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数比例积分(PI)控制，以保证成品铝板的厚度精度。

进一步地，其特征在于，在步骤三中，所述倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量：ΔS_2ab＝S_2a-S_2b。

进一步地，在步骤四中，重新计算获得的所述末道次的设定辊缝S_1r的计算方式为：S_1r＝S_2b-h₂+h_target，其中，h₂为人工卡量出口厚度，h_target表示末道次目标厚度。

进一步地，步骤五中，PI控制器的比例系数k_p和积分系数k_i根据所述出口厚度偏差Δh₁的不同，进行变参数控制，即对所述出口厚度偏差Δh₁进行区间分段，不同的厚度偏差区间段，对应着不同的k_p和k_i，分段原则为所述出口厚度偏差越大，控制器比例系数k_p和积分系数k_i两个参数也越大，并且对控制器输出量和积分量分别进行限幅，积分量限幅为控制器输出量限幅的0.4～0.9倍。

进一步地，步骤五中，具体为：末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，通过比较末道次实际轧制力P₁和倒数第二道次平均轧制力P_2ave的偏差、以及末道次实际辊缝S₁和重新计算获得的末道次新设定辊缝S_1r及倒数第二道次电动辊缝弹跳量ΔS_2ab的偏差，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数PI控制，以保证成品铝板的厚度精度。

进一步地，步骤五中，所述出口厚度偏差Δh₁＝(S₁-(S_1r+ΔS_2ab))+(P₁-P_2ave)/C₂，此处C₂表示在轧制力为P_2ave时轧机刚度系数。

进一步地，所述轧机刚度系数C₂的计算方法包括如下步骤：

(1)采集压靠零调过程的压靠力P^*和辊缝S^*，此时轧出的带材厚度h^*＝0，轧机刚度符合弹跳公式：

h＝S+(P-P₀)/C+G

上述公式中，h表示出口厚度，S表示辊缝，P表示实际轧制力，P₀表示预压靠力，C表示轧制力为P时刻的轧机刚度系数，G表示各种补偿量之和；

如果用y和x分别表示因变量和自变量，令y＝h-S，x＝P，a＝1/C，b＝G-P₀/C，则满足y＝ax+b的一元一次线性方程形式，利用获得的压靠力P^*和辊缝S^*得出训练数据y^*和x^*，根据最小二乘法回归出线性方程里的系数a和b，进而可以得出全辊面刚度系数C₀＝1/a和补偿量G＝b-P₀/C₀；

(2)当轧制新规格产品时，在倒数第二道次轧制时，分别采样铝板头部、中部、尾部的轧制力P_2h、P_2b、P_2t；在倒数第二道次轧制完成后，分别用卡尺测量铝板头部、中部、尾部的厚度h_2h、h_2b、h_2t，则计算轧制力为P_2ave时，轧机刚度系数C₂＝((P_2h-P_2b)/(h_2h-h_2b)+(P_2b-P_2t)/(h_2b-h_2t)+(P_2t-P_2h)/(h_2t-h_2h))/3，如果C₀-100<C₂<C₀，则认为当前计算的刚度C₂是合理的，可以投入厚度计算；否则需变换卡量位置，直至满足要求，如果多次卡量仍不满足要求，则需重新压靠计算全辊面刚度系数C₀。

进一步地，除末道次外，其余道次都保持辊缝为初始设定辊缝。

进一步地，电动压下只能在空载情况下动作，且液压压下仅在空载情况下补偿电动辊缝。

本发明的有益技术效果：

本发明所述方法对厚度的计算更精准，***运行更加平稳。在辊缝调节时，由于PI控制器的目标值并不直接等于辊缝目标值，而是采用斜坡信号逐渐向辊缝目标值接近的方法，同时对斜坡信号进行曲线处理。这样可以避免传统方法由于惯性存在，使APC***在动作和停止瞬间运行不平稳且存在超调的情况发生。

综合以上电动和液压组合压下定位控制手段与发明方法，本发明提出的方法不需要增加新的设备，即可改善压下***定位速度和稳定性，满足轧制过程需要。

附图说明

图1为板坯进入轧机前后辊缝变化示意图；

其中，纵坐标S表示轧机辊缝，横坐标t表示时间，ΔS_a表示板坯在轧制过程中的平均辊缝；ΔS_r表示设定辊缝；ΔS_b表示板坯进入轧机前的实际空载平均辊缝；ΔS_ab表示电动压下的弹跳量；ΔS_rb表示电动压下定位偏差；t_in表示板坯进入轧机时刻；

图2为轧制力P₁和P₂接近时厚度计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

单机架热轧板材轧制具有来料短、道次变化频繁、空载压下速度快、咬钢冲击大、扭振大以及产品品种规格多等特点，这些特点决定了其AGC***以压力AGC为主体手段。

虽然压力AGC的表现形式多样，但都是基于轧机弹跳方程。轧机弹跳方程形式如下：

h＝S+(P-P₀)/C (1)

式中，h表示板带厚度，S和P分别表示轧机辊缝和轧制力，P₀表示预压靠力，C表示轧机刚度系数。轧机刚度系数C是一个与轧制力P、轧件宽度W等密切相关的变量，在同一块板材轧制过程中，如果忽略轧辊磨损和热膨胀的变化，可以认为当轧制力P在小范围变化时，轧机刚度系数C近似为常数。

从弹跳公式可知，如果同一块板坯在轧制过程中，两个不同位置的厚度、辊缝、轧制力存在如下关系：

h₁-h₂＝S₁-S₂+(P₁-P₂)/C (2)

公式(2)为相对厚度计算公式，而式(1)为绝对厚度计算公式。很显然，根据相对厚度计算公式，假如辊缝不变，即S₁＝S₂＝S₀，则h₁＝h₂+(P₁-P₂)/C；而根据绝对厚度计算公式，假如辊缝不变，即为S₀，则h₁＝S₀+(P₁-P₀)/C。如果P₁和P₂比较接近，下面来看当刚度系数C存在一定误差的情况下，两种厚度计算公式的准确程度。

在图2为轧制力P₁和P₂接近时厚度计算示意图，其中，纵坐标P和h表示轧制力和出口厚度，横坐标t表示时间，通过调整坐标系可使得P₀和h₀所对应的曲线重合，P₂和h₂所对应的曲线重合，进而P₁和h₁₀所对应的曲线重合。假定计算刚度系数为实际刚度系数的2倍时，h₁₁所对应的曲线表示用相对厚度计算公式得出的厚度，h₁₂所对应的曲线表示用绝对厚度计算公式得出的厚度，如图2所示，在辊缝不变的情况下，如果轧制力为P₂时厚度为h₂，轧制力为P₀时厚度为h₀，基于弹跳公式，可以通过平移和缩放坐标系，使得P₂和h₂、P₀和h₀分别重合，如果刚度系数C计算准确，那么轧制力曲线P₁与其对应的厚度曲线h₁₀也会重合。假定刚度系数C计算不准确，变为实际的2倍，那么采用相对厚度计算公式得出的厚度曲线则为h₁₁，采用绝对厚度计算公式得出的厚度曲线则为h₁₂，h₁₁落在h₁₀和h₂的中间位置，而h₁₂落在h₁₀和h₀的中间位置。由于一般情况下，P₀远小于轧制力P₁和P₂，因此h₁₁比h₁₂更接近真实厚度h₁₀，因此相对厚度计算方式计算的厚度更准。

在已有论文和专利方面，论文“压力AGC正反馈特性分析”(钢铁,2007,42(7):51-55)对常规压力AGC进行了分析，指出由于轧机刚度系数C和轧件塑性系数Q无法准确获得，压力AGC存在正反馈区域，无法做到精确控制厚度。因此，本发明不采用传统的压力AGC算法，仅利用弹跳方程的思想，只需要在计算厚度偏差时用到特定轧制力附近的轧机刚度系数C，而在对厚度的控制中二者均无需用到。

实施例1

一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：调整辊缝的初始设定，使最后两个道次预测轧制力偏差小于200KN；

步骤二：在倒数第二道次轧制过程中，实时累计辊缝、轧制力；

步骤三：在倒数第二道次轧制完成后，计算倒数第二道次板坯咬入轧机前的平均辊缝S_2b、倒数第二道次板坯咬入轧机后的平均辊缝S_2a和倒数第二道次平均轧制力P_2ave，得出倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量ΔS_2ab；

所述倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量：ΔS_2ab＝S_2a-S_2b。

步骤四：通过人工卡量出口厚度h₂，重新计算获得末道次新设定辊缝S_1r，让执行机构动作到位；

其中，所述末道次的设定辊缝S_1r的计算方式为：S_1r＝S_2b-h₂+h_target，其中，h₂为人工卡量出口厚度，h_target表示末道次目标厚度。

步骤五：在末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数比例积分(PI)控制，以保证成品铝板的厚度精度。

其中，PI控制器的比例系数k_p和积分系数k_i根据所述出口厚度偏差Δh₁的不同进行变参数控制，以出口厚度偏差Δh₁绝对值在0～1mm范围内按照0.05mm的区间进行分档，比例系数k_p调节控制器响应速率，积分系数k_i调节积分速率，随厚度偏差绝对值的增大，控制器系数k_p和k_i也逐渐增大，以达到快速消除误差的目的，控制器输出量和积分量要分别进行限幅控制，限幅原则为积分量限幅小于控制器输出量限幅，一般情况，控制器输出量限幅为1～1.5mm，积分量限幅为输出量限幅的0.4～0.9倍。

步骤五中，具体为：末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，通过比较末道次实际轧制力P₁和倒数第二道次平均轧制力P_2ave的偏差、以及末道次实际辊缝S₁和重新计算获得的末道次新设定辊缝S_1r及倒数第二道次电动辊缝弹跳量ΔS_2ab的偏差，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数PI控制，以保证成品铝板的厚度精度。

所述出口厚度偏差Δh₁＝(S₁-(S_1r+ΔS_2ab))+(P₁-P_2ave)/C₂，此处C₂表示在轧制力为P_2ave时轧机刚度系数。

所述轧机刚度系数C₂的计算方法包括如下步骤：

(1)采集压靠零调过程的压靠力P^*和辊缝S^*，此时轧出的带材厚度h^*＝0，轧机刚度符合弹跳公式：

h＝S+(P-P₀)/C+Δ

上述弹跳公式中，h表示出口厚度，S表示辊缝，P表示实际轧制力，P₀表示预压靠力，C表示轧制力为P时刻的轧机刚度系数，Δ表示各种补偿量之和；

如果用y和x分别表示因变量和自变量，令y＝h-S，x＝P，a＝1/C，b＝Δ-P₀/C，则满足y＝ax+b的一元一次线性方程形式，利用获得的压靠力P^*和辊缝S^*得出训练数据y^*和x^*，根据最小二乘法回归出线性方程里的系数a和b，进而可以得出全辊面刚度系数C₀＝1/a和补偿量Δ＝b-P₀/C₀；

(2)当轧制新规格产品时，在倒数第二道次轧制时，分别采样铝板头部、中部、尾部的轧制力P_2h、P_2b、P_2t；在倒数第二道次轧制完成后，分别用卡尺测量铝板头部、中部、尾部的厚度h_2h、h_2b、h_2t，则可计算轧制力为P_2ave时，轧机刚度系数C₂＝((P_2h-P_2b)/(h_2h-h_2b)+(P_2b-P_2t)/(h_2b-h_2t)+(P_2t-P_2h)/(h_2t-h_2h))/3，如果C₀-100<C₂<C₀，则认为当前计算的刚度C₂是合理的，可以投入厚度计算；否则需变换卡量位置，直至满足要求，如果多次卡量仍不满足要求，则需重新压靠计算全辊面刚度系数C₀。除末道次外，其余道次都保持辊缝为初始设定辊缝。

Claims (10)

1.一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，所述方法基于弹跳方程，利用相邻道次轧制力相同则弹跳相同的原理，能够不依赖测厚仪并对电动和液压压下的单机架铝板热轧机进行精准厚度预测，并通过闭环控制实现厚度的精确控制。

2.根据权利要求1所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：调整辊缝的初始设定，使最后两个道次预测轧制力接近；

步骤二：在倒数第二道次轧制过程中，实时累计辊缝、轧制力；

步骤三：在倒数第二道次轧制完成后，先保持倒数第二道次辊缝不变，计算倒数第二道次板坯咬入轧机前的平均辊缝S_2b、倒数第二道次板坯咬入轧机后的平均辊缝S_2a和倒数第二道次平均轧制力P_2ave，得出倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量ΔS_2ab；

步骤四：通过人工卡量出口厚度h₂，重新计算获得末道次新设定辊缝S_1r，并让压下机构执行此设定，使辊缝达到S_1r；

步骤五：在末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数比例积分(PI)控制，以保证成品铝板的厚度精度。

3.根据权利要求1所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，在步骤三中，所述倒数第二道次板坯咬入前后电动辊缝的弹跳量：ΔS_2ab＝S_2a-S_2b。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，在步骤四中，重新计算获得的所述末道次的设定辊缝S_1r的计算方式为：S_1r＝S_2b-h₂+h_target，其中，h₂为人工卡量出口厚度，h_target表示末道次目标厚度。

5.根据权利要求2所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，步骤五中，PI控制器的比例系数k_p和积分系数k_i根据所述出口厚度偏差Δh₁的不同，进行变参数控制，即对所述出口厚度偏差Δh₁进行区间分段，不同的厚度偏差区间段，对应着不同的k_p和k_i，分段原则为所述出口厚度偏差越大，控制器比例系数k_p和积分系数k_i两个参数也越大，并且对控制器输出量和积分量分别进行限幅，积分量限幅为控制器输出量限幅的0.4～0.9倍。

6.根据权利要求1所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，步骤五中，具体为：末道次轧制过程中，利用轧机弹跳方程，通过比较末道次实际轧制力P₁和倒数第二道次平均轧制力P_2ave的偏差、以及末道次实际辊缝S₁和重新计算获得的末道次新设定辊缝S_1r及倒数第二道次电动辊缝弹跳量ΔS_2ab的偏差，实时计算出口厚度偏差Δh₁，并投入变参数PI控制，以保证成品铝板的厚度精度。

7.根据权利要求2所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，步骤五中，所述出口厚度偏差Δh₁＝(S₁-(S_1r+ΔS_2ab))+(P₁-P_2ave)/C₂，此处C₂表示在轧制力为P_2ave时轧机刚度系数。

8.根据权利要求7所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，所述轧机刚度系数C₂的计算方法包括如下步骤：

(1)采集压靠零调过程的压靠力P^*和辊缝S^*，此时轧出的带材厚度h^*＝0，轧机刚度符合弹跳公式：

h＝S+(P-P₀)/C+G

上述公式中，h表示出口厚度，S表示辊缝，P表示实际轧制力，P₀表示预压靠力，C表示轧制力为P时刻的轧机刚度系数，G表示各种补偿量之和；

如果用y和x分别表示因变量和自变量，令y＝h-S，x＝P，a＝1/C，b＝G-P₀/C，则满足y＝ax+b的一元一次线性方程形式，利用获得的压靠力P^*和辊缝S^*得出训练数据y^*和x^*，根据最小二乘法回归出线性方程里的系数a和b，进而可以得出全辊面刚度系数C₀＝1/a和补偿量G＝b-P₀/C₀；

(2)当轧制新规格产品时，在倒数第二道次轧制时，分别采样铝板头部、中部、尾部的轧制力P_2h、P_2b、P_2t；在倒数第二道次轧制完成后，分别用卡尺测量铝板头部、中部、尾部的厚度h_2h、h_2b、h_2t，则计算轧制力为P_2ave时，轧机刚度系数C₂＝((P_2h-P_2b)/(h_2h-h_2b)+

(P_2b-P_2t)/(h_2b-h_2t)+(P_2t-P_2h)/(h_2t-h_2h))/3，如果C₀-100<C₂<C₀，则认为当前计算的刚度C₂是合理的，投入厚度计算；否则需变换卡量位置，直至满足要求，如果多次卡量仍不满足要求，则需重新压靠计算全辊面刚度系数C₀。

9.根据权利要求2所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，除末道次外，其余道次都保持辊缝为初始设定辊缝。

10.根据权利要求1-9任一项所述一种采用电动和液压压下的铝板热轧机厚度控制方法，其特征在于，电动压下只能在空载情况下动作，且液压压下仅在空载情况下补偿电动辊缝。