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1、东北大学/本钢冷轧厂引进设备消化研究与技术服务讲座,板形控制系统 主讲：王柱 2003年12月,（一）PLANCIM板形控制系统,1. 系统介绍,系统构成 板形检测 执行机构,（一）PLANCIM板形控制系统,2. 板形仪与板形测量,(1) 板形检测辊结构,辊体直径396mm，长1625mm，有效测量长度为1560mm。在辊体表面分布着26个圆洞，每个圆洞的直径是60mm，内装一个LVDT传感器,（一）PLANCIM板形控制系统,封套,封套是板形辊的重要组成部分，直径400mm，厚2mm。封套的功能就是将带钢的张应力传递给传感器。,滑环,作用是用来给传感器初级线圈供电和将次级线圈产生的电压信号
2、输出。,光电编码器,光学编码器共有十位，能计数1024个点。其功能是测量传感器的位置，并计算辊子的转速。,（一）PLANCIM板形控制系统,(2) 传感器分布,共有26个测量区域，每个测量区域的宽度是60mm，每个测量区对应安装一个传感器。,（一）PLANCIM板形控制系统,(3) LVDT传感器结构,传感器的内部有三组线圈，两组次级线圈是反向串接在一起的，所以当运动铁芯在中心位置时，两组次级线圈中的感应电压大小相等、方向相反。而当运动铁芯受力后偏离中心位置时，两个次级线圈的感应电压就会出现差异，于是就生成了差动电压输出。,（一）PLANCIM板形控制系统,(4) 测量原理,张应力,径向压强,
3、封套变形量,差动电压输出,带钢与辊体的包角,（一）PLANCIM板形控制系统,张应力与径向压强的关系,由图可得，径向压力 为,接触面积：,考虑 角很小，认为其正弦值与其角度大小相等,为测量区的宽度 为板形辊的半径,（一）PLANCIM板形控制系统,径向压强与封套变形量的关系,已知,因此，封套的变形量与径向压强成正比。,（一）PLANCIM板形控制系统,由前可知，差动输出电压与封套的变形量成线性关系，而封套变形量与带钢的张应力成正比，所以可知差动输出电压与带钢的张应力成一一对应关系，通过测量差动输出电压就可得到张应力的分布。,（一）PLANCIM板形控制系统,(5) 板形测量辊的传动,在测量中，
4、必须保证板形测量辊的线速度与轧制速度同步，带钢和测量辊之间一定不能有滑动，否则会造成测量不准，也容易造成带材下表面划伤。,(6) 检测角的确定,检测的最佳角位置根据卷取时的卷取角度变化。因此，检测点作为卷取直径的函数要连续的计算。,（一）PLANCIM板形控制系统,(7) 无负载检测,无负载(即脱离带钢)检测与每次带负载检测相联系。连续进行两次检测，一次是带钢下的检测，一个是在无带钢情况下的检测。,这种方法的优点是能避免传感器的漂移误差，且能补偿热效应。,（一）PLANCIM板形控制系统,(8) 测量值的排序,排序后的测量值按照测量区的先后顺序送入控制系统，即A1、C1、B1、D1A6、C6、
5、B6、D6、A7、C7。,（一）PLANCIM板形控制系统,(9) 感应区出故障的处理办法,如果一个感应区出了故障，无法进行检测，则以两侧两个最近感应区的平均值作为其测量值。如果在带钢边缘的感应区出故障，则以最近的感应区的测量值作为其测量值。,(10) 部分覆盖感应区的情况,被部分盖住的感应区的封套变形低于全部盖住的传感区的变形，所以要增加覆盖系数计算，以传感器的百分比表示。,（一）PLANCIM板形控制系统,3. 板形控制,（一）PLANCIM板形控制系统,(1) 板形目标曲线,所谓板形目标曲线，即板形控制系统调节带钢板形应达到的目标。板形目标曲线是板形控制闭环回路工作时反馈控制的初始值，其
6、设定精度关系到控制系统将板形调整到目标曲线的收敛速度和精度，会直接影响板形控制的质量。,板形目标曲线的作用,补偿附加因素的影响 实现板凸度控制 满足后部工序对板形的要求,（一）PLANCIM板形控制系统,板形目标曲线的设定,共有50条目标曲线，可从人机界面进行选择。,（一）PLANCIM板形控制系统,(2) 最优控制算法,PLANCIM系统采用最优控制算法来获得倾斜压下和弯辊的最优控制信号，不考虑冷却控制。,该算法充分利用26个检测信号，基于使所有的板形偏差总和达到最小的原则，提出了二次判据J作为评价函数的性能指标。此判据J是被校正的板形偏差与各种执行机构的影响之间的差值的平方和。,（一）PL
7、ANCIM板形控制系统,最优控制的原理就是使J最小。当实现最优控制时，应使作用于执行机构的控制量 ， 最优组合，从而使板形偏差平方和达到最小，即J最小，为此应满足：,经推导得：,（一）PLANCIM板形控制系统,令,则,仅依赖于执行机构的单位动作量 和 ，只需离线计算,依赖于26个板形检测值和目标值，需在线计算。,（一）PLANCIM板形控制系统,最优综合控制算法的优点：,最大限度利用了输入信息，能更准确的克服板形缺陷 全面的考虑了多个执行机构（液压弯辊和倾斜压下）对 板带各个测量区域的影响。 较好的解决了多个控制间相互影响的问题。 获取最优综合控制算法的方法易于推广。 易于在线实现。,（一）
8、PLANCIM板形控制系统,4. 板形控制手段与实现,(1) 弯辊和倾斜压下控制,由最优控制算法算出的瞬时弯辊控制量并不直接送至弯辊控制回路，而是经过加速弯辊校正处理得到加速弯辊校正控制量，然后送至液压弯辊执行机构。,（一）PLANCIM板形控制系统,(2) 局部冷却控制,局部冷却控制的原理是借助于对轧辊按区段喷射冷却液，使轧辊各区段上的热凸度发生变化，来控制带材相应段上的长度方向的延伸率变化，最终达到改善带材平直度的目的。,局部冷却专门用于消除残余板形偏差。板形偏差(板形测量值与目标曲线的差值)减去通过计算得到的弯辊和倾斜压下控制的校正估计值即为残余偏差。,冷却控制应满足的条件：,相对于带钢
9、宽度上的喷嘴数量打开的比例应该保持常数或等于操作人员所选的设定值(缺省为50%)。 冷却剂的总流量应该不变。,（一）PLANCIM板形控制系统,残余偏差再经过加速校正处理(采用PI运算)后与偏差阈值比较。对于每个感应区，每隔一定时间比较一次。根据残余偏差与偏差阈值的差值是正或负来关闭或打开相应的喷嘴，超出带钢部分的喷嘴关闭。每个感应区所对应的喷嘴控制。,（一）PLANCIM板形控制系统,二等分原理的算法计算偏差阈值的变化量。,二等分算法是以给定间隔通过连续迭代来寻找工作点，每迭代一次，所研究计算的间隔除以2。这样通过连续迭代来调整阈值，使打开的喷嘴百分比等于预定值。,设二等分偏移上限为H，二等
10、分偏移下限为L，二等分偏移量为 ，偏差阈值为F，偏差阈值基值为 ，则有：,（一）PLANCIM板形控制系统,减少F的方法为：,令,则,增大F的方法为：,令,则,（二）ABB板形控制系统,1. 系统概述,（二）ABB板形控制系统,2. ABB板形控制系统的测量和补偿,(1)利用压磁原理测得带钢的径向压力 ，则利用径向压力与张应力成正比的关系可得：,因为,（二）ABB板形控制系统,(2) 测量值的补偿,（二）ABB板形控制系统,安装误差补偿,由于板形辊在机械安装时与周围设备在水平度和垂直度上可能存在偏差，所以需要对由此产生的测量误差进行补偿。,安装误差补偿模型为一次多项式,系数 和 由调试工程师在
11、调试期间根据安装误差的情况确定；,（二）ABB板形控制系统,辊跳补偿,虽然测量辊是刚性体，但因受到带钢张力的作用，测量辊本身会发生一定程度的弹性变形辊跳，造成横向各传感器不在一个水平线上，使带钢无法均匀地与测量辊接触，影响了测量精度，产生了检测误差。辊跳补偿就是为了补偿这个误差。,测量辊覆盖度；,测量辊覆盖度；,（二）ABB板形控制系统,边部补偿,在实际生产中，所轧制带钢的宽度不太可能完全是测量区宽度(52mm)的偶数倍，因此与带钢两边接触的两个测量区不能全部被带钢覆盖。当覆盖小于某个值时，该测量区测量的信号就不被采用；而大于某个值但又未达覆盖时，则要对测量值进行修正，按实际覆盖宽度折算该测量
12、区的应力值。,边部测量区的覆盖度,（二）ABB板形控制系统,(3) 测量值的处理,来自板形测量辊各测量区的信号以调幅调制的载波形式出来，当传感器受到来自带材的负载作用时，就不断地产生这种调制信号。调幅信号必须经过相应的测量通道解调，而输出一个代表调制信号大小即代表径向力大小的直流电压信号。,（二）ABB板形控制系统,在板形控制计算机中，根据板形偏差值，按照一定的数学模型和数学方法，计算出下列回路的调节控制量： 轧辊倾斜控制量； 工作辊弯辊控制量； 轧辊分段冷却控制量。,（二）ABB板形控制系统,3. 板形控制,目标 板形,冷却 偏差,目标 板形 补偿,倾斜 压下,工作辊 弯辊,冷却 控制,偏差
13、估计与 控制算法,控制手段,测量板形的 计算与补偿,（二）ABB板形控制系统,(1) 板形目标曲线的设定,特点： 中心线两侧的板形曲线具有对称性。 板形曲线连续，没有突变。 板形曲线中正值之和与负值之和基本相等。,（二）ABB板形控制系统,(2) 板形目标曲线的补偿,板形目标曲线的补偿主要用来补偿那些对最终板形(即离线板形)有影响的因素，包括带材温度分布补偿和卷取凸度补偿。,温度分布补偿,当带材通过末机架完成轧制时，带材温度沿宽度方向的分布是不均的，导致各区段带材因热膨胀造成的延伸也不均匀，给各测量区的检测结果带来误差。,（二）ABB板形控制系统,卷取凸度补偿,在轧制带材时，卷取过程中可能形成
14、带卷中心凸起，这时中心卷径的增长速度将大于两边，由此可造成板形缺陷，甚至导致带材中部的实际延伸超过材料的弹性极限，造成板形缺陷。,当Dccd时,当Dccd时,（二）ABB板形控制系统,(3) 板形控制算法,1) 板形差的评估,板形差评估就是估计出各控制方法(或各执行器)应消除的板形差，以便于控制相应的执行器(执行机构)动作。,板形差评估函数是用来描述各执行机构单位动作量所消除的板形偏差，它是一条在整个带钢宽度范围内，振幅标准化的曲线。,（二）ABB板形控制系统, 倾斜压下评估函数, 弯辊评估函数,（二）ABB板形控制系统,板形控制算法的基本思想是利用最小二乘法和板形差评估函数对计算出的板形偏差
15、进行回归，回归曲线的幅度估计值即为各执行器应消除的板形偏差的动作量。,2) 板形控制算法, 最小二乘法介绍,设N个检测量,由下式来估计,（二）ABB板形控制系统,设,最小二乘法准则为求得未知参数的最佳估计值，使 个 检测量与估计值之方差平方和最小，即 最小。,（二）ABB板形控制系统,各执行器应消除板形差的估计,设 个测量区的测量板形差为,估计板形差为：,（二）ABB板形控制系统,测量区与正则带宽 的关系为,测量区1对应,测量区2对应,测量区3对应,测量区N对应,（二）ABB板形控制系统,（二）ABB板形控制系统,（二）ABB板形控制系统,设,则性能指标,由最小二乘法,则控制算法为,（二）AB
16、B板形控制系统,3) 控制算法推导,（二）ABB板形控制系统,由此可得,（二）ABB板形控制系统,4. 板形控制的实现,在板形控制中，基本的控制思想是增益自动控制。,以倾斜压下控制为例：,估计倾斜压下消除的板形差为:,当倾斜压下执行器动作量按幅度调节时，如果执行器曲线到达估计倾斜板形差曲线，则消除了板形偏差，即实际的倾斜板形差曲线将趋于0。,因此，可将 作为倾斜压下调节器的输入，在不必实际求倾斜压下偏差的情况下，即可达到控制的目的。,（二）ABB板形控制系统,(1) 支持辊倾斜压下,（二）ABB板形控制系统,(2) 分段冷却控制,（二）ABB板形控制系统,（二）ABB板形控制系统,偏差转换,（二）ABB板形控制系统,分段冷却偏差,弯辊,热凸度曲线,最小冷却润滑流量,冷却液总量,（二）ABB板形控制系统,5. ABB AFC系统的优点,传感器结构 传感器分
