一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法

專利名稱：一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法
技術領域：
本發明屬于成型技術領域，具體涉及一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法。
背景技術：
當前軋鋼工藝的在輥縫控制上針對軋制的要求一般采用的彈性形變的補償方法在管材軋制過程中并不很適用，尤其是對于應用于無縫鋼管生產的三輥軋機而言，軋輥的輥縫大小是有相關性的。在軋制進行過程中，由于軋制壓力的作用，軋機工作機座(軋輥及其軸承、壓下裝置和機架等)產生一定量的彈性變形，工作機座的總變形量很大，工作機座的彈性變形將影響軋輥的輥縫和孔型，從而對軋制產品的精度造成影響。在移動的同時要保持孔型，并且保證軋件的位置是處于軋制中心線上。另外，在測量和補償方式上也是有很大區別的。傳統的方式有兩種其一是以離線的方式測量出分段情況
下各個軋制力區間的軋機剛度系數。當生產的時候査找出當前軋制力所對應
的軋機剛度系數M，再利用彈跳方程來計算出所對應的補償值("S +丄，h
M
為補償值，S為初始位置，F為軋制力)；其二是直接測量數量龐大的軋制實際數據，將數據錄入到數據庫中，在軋制的過程中實時調用這些數據，有則應用，無則用最接近的數據去搜索。
上面的兩種方式都是不嚴謹的。拋開工藝，僅就補償方式來說，第一種方法的缺點在于用直線去以分段的形式逼近軋機固有的彈跳曲線，是很不準確的，它需要用相當數量的采樣點去逼近，以保證精度；第二種方法的缺點在于形成如此龐大的數據庫是需要長期積累并維護的，投入過大，未免得不償失。
與其他類型軋機不同的是，三輥軋機在管材軋制的時候要考慮定位的問 題，也就是三輥的幾何中心要與軋制中心重合，否則生產出的荒管會發生彎 曲甚至斷裂的現象。所以補償的時候不能一味照搬板材等的經驗，要考慮到 三輥連軋的特性。此外，在考慮到上述問題的同時，還要注意到實時調整的 有效性。由于機械設備在控制上存在著大滯后，所以對于電氣控制設備而言， 整個控制系統的輸出與機械設備的定位是不同步的。這樣，當軋制過程中軋 制力波動比較嚴重時，瞬時產生的補償值波動會十分巨大，容易因調節頻繁 而增加震蕩。

發明內容
本發明目的是提供一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法，解決三輥連軋技 術中，軋機機架出現的彈性形變問題。 本發明包括以下內容
① 該彈跳曲線的方程rW = l>^ ,該補償方法適用于所有類型的軋
機。以至于可以應用在各種需要軋機參與的熱軋和冷軋等等軋鋼工藝中；
② 三輥定中補償方法在實際生產的過程中，三輥在彈性形變補償的效 果產生之前，其固有的位置偏差同樣是本發明考慮的范圍；利用采樣定理， 劃分出合理的采樣區間后，計算出D個采樣周期中平衡三輥的定位中心補償 量；利用彈跳方程和中心補償量雙重作用，以達到定中的目的；
③ 降低擾動影響的方法利用液壓系統主副腔壓強的關系，根據三輥位 置等物理條件，計算并推導出D個采樣周期中，瞬時軋制力的均值。將此均值 作為補償模型輸入的參數之一，有兩個好處其一是避免頻繁調節造成系統嚴重震蕩；其二是降低采樣誤差對補償值的影響。
④彈性形變補償輸入的調節方法由于產品鋼級等規格的不同，在實際 生產時彈跳方程與軋件塑性方程的干涉程度會產生變化，這時就需要針對規 格等情況來具體調節；在調節的時候采用兩級調節法 一級為針對逼近曲線 的調節；二級為針對實測軋制力與二級軋制模型推演出的理論軋制力的相關調節。
根據三輥軋機在無縫鋼管軋制時的工藝要求，通過以平滑曲線逼近軋機 固有彈性形變曲線的方式，于生產過程中不僅在單機架的軋輥間，而且在一 級和二級之間建立起動態補償關系，同時在一定區間范圍內實現人機交互， 便于操作工和工藝人員對各類目標規格的跟蹤控制。另外在采樣方面也采取 了多點均值采樣，延滯控制信號以使其配合機械設備的方式，所以更加合理
的完成了補償的目的。由于采用了c語言開發，所以該軟件可以直接以庫的形
式在原來的PLC控制程序中出現，使應用更加簡便，也增強了可移植性。在彈 跳補償的精確程度上，軟件內部采用的是三階狀態空間補償方程，經過代算， 已經可以達到很好的補償效果。當產品質量精度要求提高時，還可以通過增 加運算階數的方式來滿足精度方面的要求。
本發明中的補償方法解決了無縫鋼管三輥連軋機彈性形變問題，并兼顧 了三輥軋機的特性以及平緩調節所帶來的影響。單就彈性變形補償的平滑曲 線逼近方式而言，不但可以用于三輥軋機，而且同樣可以應用在其他各種類 型軋機的生產工藝過程中，比如其他熱軋工藝、冷軋工藝等等。


圖l為本發明開發及實施的軟件和硬件載體；圖2為本發明的主要開發及應用步驟示意圖3為待測軋機機架壓力測量點采樣的過程示意圖4為本發明在曲線逼近過程中的示意圖5為本發明在生產過程中的主邏輯流程圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發明作具體說明
如圖1所示，為本發明在應用到軋鋼生產時所需要的軟件和硬件載體。就
硬件而言，它適用于支持高級語言的PLC(可編程控制器)，比如西門子S7-400 系列PLC以及SIMATIC TDC等等，用于測量回饋當前位置的SSI型位置傳感器,
以及形成壓力閉環的壓力傳感器，操作所需的剛I (人機接口)服務器；就軟
件而言，除了形成軟件時用到的C編譯器和應用軟件時的PLC編程工具以外， 還需要在HMI畫面上通過工控組態軟件來增加測量時壓力控制閉環的設定控 制項、曲線逼近的逼近率，以及應用時關聯一級(實測瞬時軋制力)和二級 (軋制模型計算出的理論軋制力)的相關因數給定。
如圖2所示，為本發明的主要開發及應用步驟示意圖。首先在離線的情況 下，以芯棒或機械剛度很強的角架充當軋件(原因是不易變形和損壞)，利 用壓力閉環逐階完成測量點壓力和彈性形變量的對應。在從位置控制閉環到 壓力控制閉環的切換過程中，要首先保證待測機架的各個軋輥與硬質軋件是 處于實際接觸狀態，也就是觀測每輥的軋制力大于接觸門限m。這個門限大小 為0〈m〈F，其中，F為測量起始壓力。對于多機架的連軋機組，由于各個機 架之間存在著相關性，所以在測量特定機架時，要同時將所有的機架調整到 待測位置，并均切換為壓力閉環控制，這樣可以使相互之間的影響降到最低。
如圖3所示，為待測軋機機架壓力測量點采樣示意圖。采樣的過程分為壓力上升和壓力下降兩部分，在將每個采樣點的壓力和行程跳變值記錄下來后。 就可以進行曲線逼近了。
如圖4所示，為本發明在曲線逼近過程中的示意圖。這里曲線逼近的方法 是采用最優控制原理而得到的。
設采集到的壓力檢測點為Xk ，所對應的彈跳值為Yk (K=l， 2， 3，…… N， N為測量點的總數)。
取n維函數空間的一個基(D = {M2,A,..，p,} i = n. 再設f(x)為實際曲線函數。那么/0^) = &，i = O，l，……，N
為使代擬和曲線g(x)與f(x)距離最短，則需要求得 Min{| Ig("-/(x) I |2}。
設洲=￡，， 上式可變形為
<formula>formula see original document page 0</formula> ............ (1)
(1)式是以ai為自變量的函數，因其為目標最小值函數，所以整理可得
<formula>formula see original document page 0</formula> ............ (2)
此方程組由于①是n維空間的一個基，于是曲線方程的系數可以計算出唯
一的一組解。
同理可解出另一條曲線的方程"OO，其系數列為6,由兩條曲線的方程系數ai和bi求取中間系數Ci，這樣就可得到最終的曲 線方程
r(x)^c,^ ............ (3)
其中，Ci二 a眉D + bi*(l-MID)， MID為0 1之間的數。 完成了曲線逼近過程，在正式生產之前，需要對不同鋼級和規格的軋制
批進行少量的試軋，從而獲得適合各規格軋制批的相關因數。在實際生產時，
關系因數是由工藝人員來確定的。
如圖5所示，為本發明在生產過程中的主邏輯流程圖。其中最重要的部分
即為三輥定中補償。生產過程中，三輥定中補償順序是這樣的
① 在HMI上調整一級和二級所占彈跳補償究值的相關因數，從而獲得補
償曲線的輸入參數；
② 輸入的一級(基礎自動化)實測瞬時軋制力的大小為D次采樣的均值 (k k+D) ， 二級(過程自動化)下發理論軋制力同時作為關系因子參與到
輸入的計算中，然后將同一機架上三輥的輸出值平均后，可以獲得彈跳補償
的初值AS;
◎利用Tl周期計算出三輥位移在D次采樣間隙(k k+D)波動均值AL 規整后獲得三輥位移的偏差補償值M,， i-l， 2， 3。將其與彈跳補償的初
值A5做代數和，就可以獲得K+D時刻的補償輸出。最后，軟件的輸出值傳入 PID控制環節，經過流量增益補償、零漂補償、濾波和D/A轉換后完成控制信
號的轉化。
經過上述步驟，即完成了特定機架的三輥軋機彈性形變補償周期，這個 過程對連軋機組的每個機架都適用。本方法優化了基于三輥軋機的無縫鋼管軋制工藝流程，在補償機架彈性 形變量的過程中充分考慮了現實生產關系，將基礎自動化和過程自動化緊密 的結合在一起，還兼顧到了三軋輥中心線和軋制中心線一致的問題。由于曲 線逼近等復雜的計算是單獨進行的，并且對于特定的連軋機組而言彈性形變 是其固有屬性， 一般不易發生改變，所以在生產時只需要處理后續的小值計 算即可。這樣既保證了高響應速度，又保證了運行可靠性。
無縫鋼管連軋工藝中三輥軋機彈性形變的補償方法，是可以普遍應用于 軋鋼領域的技術，無論在熱軋還是冷軋方面都具有可用性。而且對于軋件并 沒有特殊要求，所以無論板材，線材還是管材，都可以對其主軋機進行相應 的補償。
隨著軋鋼領域在機械制造方面的進步，這種精微的調節方式也更有利于 機械一體化的生產制造，在軋機因軋制力而發生形變的時候都可以用這個方 式進行調節。并且由于同一個機架的機械特性不易發生改變，所以在應用時 軟件維護的周期必然會遠遠長于機械維護周期。
本發明中的補償方法解決了無縫鋼管三輥連軋機彈性形變問題，并兼顧 了三輥軋機的特性以及平緩調節所帶來的影響。單就彈性變形補償的平滑曲 線逼近方式而言，不但可以用于三輥軋機，而且同樣可以應用在其他各種類 型軋機的生產工藝過程中，比如其他熱軋工藝、冷軋工藝等等。
權利要求
1、一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法，其特征在于包括以下內容①該彈跳曲線的方程 id="icf0001" file="A2008100702140002C1.tif" wi="22" he="8" top= "38" left = "85" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>該補償方法適用于所有類型的軋機，以至于可以應用在各種需要軋機參與的熱軋和冷軋等等軋鋼工藝中；②三輥定中補償方法在實際生產的過程中，三輥在彈性形變補償的效果產生之前，其固有的位置偏差同樣是本發明考慮的范圍；③降低擾動影響的方法利用液壓系統主副腔壓強的關系，根據三輥位置等物理條件，計算并推導出D個采樣周期中，瞬時軋制力的均值；利用采樣定理，劃分出合理的采樣區間后，計算出D個采樣周期中平衡三輥的定位中心補償量；利用彈跳方程和中心補償量雙重作用，以達到定中的目的；④彈性形變補償輸入的調節方法由于產品鋼級等規格的不同，在實際生產時彈跳方程與軋件塑性方程的干涉程度會產生變化，這時就需要針對規格等情況來具體調節；在調節的時候采用兩級調節法一級為針對逼近曲線的調節；二級為針對實測軋制力與二級軋制模型推演出的理論軋制力的相關調節。
2、 根據權利要求l所述的無縫鋼管三輥連軋的補償方法，其特征在于應用到軋鋼生產時所需要的軟件和硬件載體，就硬件而言，它適用于支持高級語言的PLC即可編程控制器；就軟件而言，除了形成軟件時用到的C編譯器和應用軟件時的PLC編程工具以外，還需要在HMI畫面上通過工控組態軟件來增加測量時壓力控制閉環的設定控制項、曲線逼近的逼近率，以及應用時關 聯一級即實測瞬時軋制力和二級即軋制模型計算出的理論軋制力的相關因數 給定。
3、 根據權利要求l所述的無縫鋼管三輥連軋的補償方法，其特征在于首先在離線的情況下，以芯棒或機械剛度很強的角架充當軋件，利用壓力閉 環逐階完成測量點壓力和彈性形變量的對應，在從位置控制閉環到壓力控制 閉環的切換過程中，要首先保證待測機架的各個軋輥與硬質軋件是處于實際接觸狀態，也就是觀測每輥的軋制力大于接觸門限m。
4、 根據權利要求l所述的無縫鋼管三輥連軋的補償方法，其特征在于 采樣的過程分為壓力上升和壓力下降兩部分，在將每個采樣點的壓力和行程 跳變值記錄下來后進行曲線逼近。
5、 根據權利要求l所述的無縫鋼管三輥連軋的補償方法，其特征在于 三輥定中補償順序是這樣的① 在HMI上調整一級和二級所占彈跳補償究值的相關因數，從而獲得補償曲線的輸入參數；② 輸入的一級(基礎自動化)實測瞬時軋制力的大小為D次采樣的均值 (k k+D) ， 二級(過程自動化)下發理論軋制力同時作為關系因子參與到輸入的計算中，然后將同一機架上三輥的輸出值平均后，可以獲得彈跳補償的初值A5;③ 利用Tl周期計算出三輥位移在D次采樣間隙(k k+D)波動均值AJ， 規整后獲得三輥位移的偏差補償值M,.， i = l， 2， 3。將其與彈跳補償的初值AS做代數和，就可以獲得K+D時刻的補償輸出；最后，軟件的輸出值傳入 PID控制環節，經過流量增益補償、零漂補償、濾波和D/A轉換后完成控制信號的轉化。
全文摘要
本發明屬于成型技術領域，具體涉及一種無縫鋼管三輥連軋的補償方法。本發明包括①該彈跳曲線的方程T(x)＝∑c_iφ_i；②三輥定中補償方法；③降低擾動影響的方法；和④彈性形變補償輸入的調節方法。本發明中的補償方法解決了無縫鋼管三輥連軋機彈性形變問題，并兼顧了三輥軋機的特性以及平緩調節所帶來的影響。單就彈性變形補償的平滑曲線逼近方式而言，不但可以用于三輥軋機，而且同樣可以應用在其他各種類型軋機的生產工藝過程中，比如其他熱軋工藝、冷軋工藝等等。
文檔編號B21B17/00GK101658863SQ20081007021
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月29日 優先權日2008年8月29日
發明者喆 劉, 樹 劉, 茍國忠 申請人:中冶賽迪工程技術股份有限公司