一種采用電動和液壓壓下的鋁板熱軋機厚度控制方法與流程

本發明主要屬于金屬壓力加工技術領域，具體涉及一種采用電動和液壓壓下的鋁板熱軋機厚度控制方法。

背景技術：

軋機輥縫的調節需要通過軋機自動位置控制(apc，automaticpositioncontrol)系統來實現。apc是板帶生產過程中自動厚度控制(agc，automaticgaugecontrol)的主要執行機構，從軋制力的來源上分為全電動、全液壓、電動和液壓三種。如圖1所示，圖中，縱坐標s表示軋機輥縫，橫坐標t表示時間，sa表示板坯在軋制過程中的平均輥縫；sr表示設定輥縫；sb表示板坯進入軋機前的實際空載平均輥縫；δsab表示電動壓下的彈跳量；δsrb表示電動壓下定位偏差；tin表示板坯進入軋機時刻。對于需要大行程調節輥縫的軋機，一般采用電動和液壓組合壓下，電動壓下用于無負載情況下大范圍粗調軋機輥縫，液壓壓下用于小范圍精調軋機輥縫。由于電動壓下的壓下絲桿與螺母之間存在間隙，在板坯進入軋機后，電動輥縫會產生一個彈跳量，該彈跳量一般為0.3～0.5mm。由于電動輥縫反饋容易受安裝精度、軋機振動的影響，因此很多情況下液壓壓下無法實時補償計算的電動輥縫偏差，否則軋機輥縫容易產生較大波動甚至引起振蕩。

由于軋機輥縫中的軋件厚度至今尚無法實現實時直接測量，所以在熱連軋或冷軋帶材的軋制過程中，一種最常見的厚度控制方法是通過安裝在軋機出口的測厚儀對板帶厚度進行測量，以此作為反饋信號來調節軋機輥縫，實現對厚度的實時控制。而對單機架的板材熱軋機而言，有的沒有安裝測厚儀，有的雖然安裝了測厚儀，但由于軋機出口機械設備的限制，使得測厚儀距離軋機較遠，同時又因為單機架熱軋機的軋制速度較慢，使得厚度反饋信號延遲較大，無法用來實時控制厚度，所以基于軋機彈跳方程，利用軋制力反饋信號及輥縫反饋信號間接測量厚度的壓力agc(或叫軋制力agc)系統在這一類軋機上得以被廣泛應用。agc是現代軋機的一個基本的控制手段，它使板帶沿軋制方向上厚度均勻，減小同板差和異板差，從而改善產品質量，提高成材率。

在已有論文和專利方面，論文“壓力agc正反饋特性分析”(鋼鐵,2007,42(7):51-55)對常規壓力agc進行了分析，指出由于軋機剛度系數c和軋件塑性系數q無法準確獲得，壓力agc存在正反饋區域，無法做到精確控制厚度。專利“基于軋機彈跳特性曲線的板帶軋制厚度控制方法”發明了一種基于軋機彈跳曲線的厚度控制方法，其所采用的厚度計算方法是基于壓靠數據回歸得出一個固定的表達式，由于壓靠過程為上下工作輥全輥面接觸，即工作輥接觸長度與工作輥長度相同，而軋制時上下工作輥與板帶接觸，即接觸長度與板帶寬度相同，而板帶寬度是小于工作輥長度，且不同的產品對寬度的要求也不一樣，這導致壓靠時與軋制時軋機彈跳不同，該發明用一個固定的經驗模型來考慮板帶寬度的影響，是不夠準確的；同時，軋制過程中軋機的特性也是不斷變化的，比如軋輥熱膨脹和軋輥磨損會引起軋機剛度和實際輥縫的變化，上述發明也無法解決這一問題；而且，其控制采用純比例方法，無法做到快速消除厚差。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本發明提供一種采用電動和液壓壓下的鋁板熱軋機厚度控制方法，所述方法能夠在不依賴測厚儀的情況下，對電動和液壓壓下的單機架鋁板熱軋機進行精確的厚度控制，以保證鋁板厚度公差落在允許范圍內的目的。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種采用電動和液壓壓下的鋁板熱軋機厚度控制方法，所述方法基于彈跳方程，利用相鄰道次軋制力相同則彈跳相同的原理，能夠不依賴測厚儀并對電動和液壓壓下的單機架鋁板熱軋機進行精準厚度預測，并通過閉環控制實現厚度的精確控制。

進一步地，所述方法包括以下步驟：

步驟一：調整輥縫的初始設定，使最后兩個道次預測軋制力接近；

步驟二：在倒數第二道次軋制過程中，實時累計輥縫、軋制力；

步驟三：在倒數第二道次軋制完成后，先保持倒數第二道次輥縫不變，計算倒數第二道次板坯咬入軋機前的平均輥縫s2b、倒數第二道次板坯咬入軋機后的平均輥縫s2a和倒數第二道次平均軋制力p2ave，得出倒數第二道次板坯咬入前后電動輥縫的彈跳量δs2ab；

步驟四：通過人工卡量出口厚度h2，重新計算獲得末道次新設定輥縫s1r，并讓壓下機構執行此設定，使輥縫達到s1r；

步驟五：在末道次軋制過程中，利用軋機彈跳方程，實時計算出口厚度偏差δh1，并投入變參數比例積分(pi)控制，以保證成品鋁板的厚度精度。

進一步地，其特征在于，在步驟三中，所述倒數第二道次板坯咬入前后電動輥縫的彈跳量：δs2ab＝s2a-s2b。

進一步地，在步驟四中，重新計算獲得的所述末道次的設定輥縫s1r的計算方式為：s1r＝s2b-h2+htarget，其中，h2為人工卡量出口厚度，htarget表示末道次目標厚度。

進一步地，步驟五中，pi控制器的比例系數kp和積分系數ki根據所述出口厚度偏差δh1的不同，進行變參數控制，即對所述出口厚度偏差δh1進行區間分段，不同的厚度偏差區間段，對應著不同的kp和ki，分段原則為所述出口厚度偏差越大，控制器比例系數kp和積分系數ki兩個參數也越大，并且對控制器輸出量和積分量分別進行限幅，積分量限幅為控制器輸出量限幅的0.4～0.9倍。

進一步地，步驟五中，具體為：末道次軋制過程中，利用軋機彈跳方程，通過比較末道次實際軋制力p1和倒數第二道次平均軋制力p2ave的偏差、以及末道次實際輥縫s1和重新計算獲得的末道次新設定輥縫s1r及倒數第二道次電動輥縫彈跳量δs2ab的偏差，實時計算出口厚度偏差δh1，并投入變參數pi控制，以保證成品鋁板的厚度精度。

進一步地，步驟五中，所述出口厚度偏差δh1＝(s1-(s1r+δs2ab))+(p1-p2ave)/c2，此處c2表示在軋制力為p2ave時軋機剛度系數。

進一步地，所述軋機剛度系數c2的計算方法包括如下步驟：

(1)采集壓靠零調過程的壓靠力p^*和輥縫s^*，此時軋出的帶材厚度h^*＝0，軋機剛度符合彈跳公式：

h＝s+(p-p0)/c+g

上述公式中，h表示出口厚度，s表示輥縫，p表示實際軋制力，p0表示預壓靠力，c表示軋制力為p時刻的軋機剛度系數，g表示各種補償量之和；

如果用y和x分別表示因變量和自變量，令y＝h-s，x＝p，a＝1/c，b＝g-p0/c，則滿足y＝ax+b的一元一次線性方程形式，利用獲得的壓靠力p^*和輥縫s^*得出訓練數據y^*和x^*，根據最小二乘法回歸出線性方程里的系數a和b，進而可以得出全輥面剛度系數c0＝1/a和補償量g＝b-p0/c0；

(2)當軋制新規格產品時，在倒數第二道次軋制時，分別采樣鋁板頭部、中部、尾部的軋制力p2h、p2b、p2t；在倒數第二道次軋制完成后，分別用卡尺測量鋁板頭部、中部、尾部的厚度h2h、h2b、h2t，則計算軋制力為p2ave時，軋機剛度系數c2＝((p2h-p2b)/(h2h-h2b)+(p2b-p2t)/(h2b-h2t)+(p2t-p2h)/(h2t-h2h))/3，如果c0-100<c2<c0，則認為當前計算的剛度c2是合理的，可以投入厚度計算；否則需變換卡量位置，直至滿足要求，如果多次卡量仍不滿足要求，則需重新壓靠計算全輥面剛度系數c0。

進一步地，除末道次外，其余道次都保持輥縫為初始設定輥縫。

進一步地，電動壓下只能在空載情況下動作，且液壓壓下僅在空載情況下補償電動輥縫。

本發明的有益技術效果：

本發明所述方法對厚度的計算更精準，系統運行更加平穩。在輥縫調節時，由于pi控制器的目標值并不直接等于輥縫目標值，而是采用斜坡信號逐漸向輥縫目標值接近的方法，同時對斜坡信號進行曲線處理。這樣可以避免傳統方法由于慣性存在，使apc系統在動作和停止瞬間運行不平穩且存在超調的情況發生。

綜合以上電動和液壓組合壓下定位控制手段與發明方法，本發明提出的方法不需要增加新的設備，即可改善壓下系統定位速度和穩定性，滿足軋制過程需要。

附圖說明

圖1為板坯進入軋機前后輥縫變化示意圖；

其中，縱坐標s表示軋機輥縫，橫坐標t表示時間，δsa表示板坯在軋制過程中的平均輥縫；δsr表示設定輥縫；δsb表示板坯進入軋機前的實際空載平均輥縫；δsab表示電動壓下的彈跳量；δsrb表示電動壓下定位偏差；tin表示板坯進入軋機時刻；

圖2為軋制力p1和p2接近時厚度計算示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。

相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。

單機架熱軋板材軋制具有來料短、道次變化頻繁、空載壓下速度快、咬鋼沖擊大、扭振大以及產品品種規格多等特點，這些特點決定了其agc系統以壓力agc為主體手段。

雖然壓力agc的表現形式多樣，但都是基于軋機彈跳方程。軋機彈跳方程形式如下：

h＝s+(p-p0)/c(1)

式中，h表示板帶厚度，s和p分別表示軋機輥縫和軋制力，p0表示預壓靠力，c表示軋機剛度系數。軋機剛度系數c是一個與軋制力p、軋件寬度w等密切相關的變量，在同一塊板材軋制過程中，如果忽略軋輥磨損和熱膨脹的變化，可以認為當軋制力p在小范圍變化時，軋機剛度系數c近似為常數。

從彈跳公式可知，如果同一塊板坯在軋制過程中，兩個不同位置的厚度、輥縫、軋制力存在如下關系：

h1-h2＝s1-s2+(p1-p2)/c(2)

公式(2)為相對厚度計算公式，而式(1)為絕對厚度計算公式。很顯然，根據相對厚度計算公式，假如輥縫不變，即s1＝s2＝s0，則h1＝h2+(p1-p2)/c；而根據絕對厚度計算公式，假如輥縫不變，即為s0，則h1＝s0+(p1-p0)/c。如果p1和p2比較接近，下面來看當剛度系數c存在一定誤差的情況下，兩種厚度計算公式的準確程度。

在圖2為軋制力p1和p2接近時厚度計算示意圖，其中，縱坐標p和h表示軋制力和出口厚度，橫坐標t表示時間，通過調整坐標系可使得p0和h0所對應的曲線重合，p2和h2所對應的曲線重合，進而p1和h10所對應的曲線重合。假定計算剛度系數為實際剛度系數的2倍時，h11所對應的曲線表示用相對厚度計算公式得出的厚度，h12所對應的曲線表示用絕對厚度計算公式得出的厚度，如圖2所示，在輥縫不變的情況下，如果軋制力為p2時厚度為h2，軋制力為p0時厚度為h0，基于彈跳公式，可以通過平移和縮放坐標系，使得p2和h2、p0和h0分別重合，如果剛度系數c計算準確，那么軋制力曲線p1與其對應的厚度曲線h10也會重合。假定剛度系數c計算不準確，變為實際的2倍，那么采用相對厚度計算公式得出的厚度曲線則為h11，采用絕對厚度計算公式得出的厚度曲線則為h12，h11落在h10和h2的中間位置，而h12落在h10和h0的中間位置。由于一般情況下，p0遠小于軋制力p1和p2，因此h11比h12更接近真實厚度h10，因此相對厚度計算方式計算的厚度更準。

在已有論文和專利方面，論文“壓力agc正反饋特性分析”(鋼鐵,2007,42(7):51-55)對常規壓力agc進行了分析，指出由于軋機剛度系數c和軋件塑性系數q無法準確獲得，壓力agc存在正反饋區域，無法做到精確控制厚度。因此，本發明不采用傳統的壓力agc算法，僅利用彈跳方程的思想，只需要在計算厚度偏差時用到特定軋制力附近的軋機剛度系數c，而在對厚度的控制中二者均無需用到。

實施例1

一種采用電動和液壓壓下的鋁板熱軋機厚度控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一：調整輥縫的初始設定，使最后兩個道次預測軋制力偏差小于200kn；

步驟二：在倒數第二道次軋制過程中，實時累計輥縫、軋制力；

步驟三：在倒數第二道次軋制完成后，計算倒數第二道次板坯咬入軋機前的平均輥縫s2b、倒數第二道次板坯咬入軋機后的平均輥縫s2a和倒數第二道次平均軋制力p2ave，得出倒數第二道次板坯咬入前后電動輥縫的彈跳量δs2ab；

所述倒數第二道次板坯咬入前后電動輥縫的彈跳量：δs2ab＝s2a-s2b。

步驟四：通過人工卡量出口厚度h2，重新計算獲得末道次新設定輥縫s1r，讓執行機構動作到位；

其中，所述末道次的設定輥縫s1r的計算方式為：s1r＝s2b-h2+htarget，其中，h2為人工卡量出口厚度，htarget表示末道次目標厚度。

步驟五：在末道次軋制過程中，利用軋機彈跳方程，實時計算出口厚度偏差δh1，并投入變參數比例積分(pi)控制，以保證成品鋁板的厚度精度。

其中，pi控制器的比例系數kp和積分系數ki根據所述出口厚度偏差δh1的不同進行變參數控制，以出口厚度偏差δh1絕對值在0～1mm范圍內按照0.05mm的區間進行分檔，比例系數kp調節控制器響應速率，積分系數ki調節積分速率，隨厚度偏差絕對值的增大，控制器系數kp和ki也逐漸增大，以達到快速消除誤差的目的，控制器輸出量和積分量要分別進行限幅控制，限幅原則為積分量限幅小于控制器輸出量限幅，一般情況，控制器輸出量限幅為1～1.5mm，積分量限幅為輸出量限幅的0.4～0.9倍。

步驟五中，具體為：末道次軋制過程中，利用軋機彈跳方程，通過比較末道次實際軋制力p1和倒數第二道次平均軋制力p2ave的偏差、以及末道次實際輥縫s1和重新計算獲得的末道次新設定輥縫s1r及倒數第二道次電動輥縫彈跳量δs2ab的偏差，實時計算出口厚度偏差δh1，并投入變參數pi控制，以保證成品鋁板的厚度精度。

所述出口厚度偏差δh1＝(s1-(s1r+δs2ab))+(p1-p2ave)/c2，此處c2表示在軋制力為p2ave時軋機剛度系數。

所述軋機剛度系數c2的計算方法包括如下步驟：

(1)采集壓靠零調過程的壓靠力p^*和輥縫s^*，此時軋出的帶材厚度h^*＝0，軋機剛度符合彈跳公式：

h＝s+(p-p0)/c+δ

上述彈跳公式中，h表示出口厚度，s表示輥縫，p表示實際軋制力，p0表示預壓靠力，c表示軋制力為p時刻的軋機剛度系數，δ表示各種補償量之和；

如果用y和x分別表示因變量和自變量，令y＝h-s，x＝p，a＝1/c，b＝δ-p0/c，則滿足y＝ax+b的一元一次線性方程形式，利用獲得的壓靠力p^*和輥縫s^*得出訓練數據y^*和x^*，根據最小二乘法回歸出線性方程里的系數a和b，進而可以得出全輥面剛度系數c0＝1/a和補償量δ＝b-p0/c0；

(2)當軋制新規格產品時，在倒數第二道次軋制時，分別采樣鋁板頭部、中部、尾部的軋制力p2h、p2b、p2t；在倒數第二道次軋制完成后，分別用卡尺測量鋁板頭部、中部、尾部的厚度h2h、h2b、h2t，則可計算軋制力為p2ave時，軋機剛度系數c2＝((p2h-p2b)/(h2h-h2b)+(p2b-p2t)/(h2b-h2t)+(p2t-p2h)/(h2t-h2h))/3，如果c0-100<c2<c0，則認為當前計算的剛度c2是合理的，可以投入厚度計算；否則需變換卡量位置，直至滿足要求，如果多次卡量仍不滿足要求，則需重新壓靠計算全輥面剛度系數c0。除末道次外，其余道次都保持輥縫為初始設定輥縫。