带钢冷轧计算机过程控制设定模型课件

带钢冷连轧计算机过程控制设定模型讲解人钟春生主要讲解内容一 系统的结构与功能二 过程设定模型 1 概述 2 压下分配方式 3 负荷分配的优化 4 厚度设定模型 5 模型的自适应与自学习三 冷连轧过程基本方程四 Hoogoven冷连轧过程模型的设定思路五 几点建议一 冷连轧计算机控制系统结构与功能 由于对冷轧薄板的质量要求严、对生产安全、生产效率和劳动条件的要求也在不断提高。因此计算机控制系统已成为冷连轧不可缺少的组成部分。随着液压控制系统的广泛应用（液压压下、液压弯辊、液压窜辊机构），以及人们对变形区形状变化规律的研究和认识的深入，对冷连轧机控制系统已要求“两高”：（1）高速控制 除了一些顺序逻辑控制可以采用通用的可编程控制器（PLC)外，大部分功能要求实现高速控制，控制周期110ms，为此需要大量采用HPC（高性能控制器），HPC为多CPU控制器。（2）高速通讯 由于多个控制功能（例如厚度控制、张力控制、板形控制）最终都作用到变形区，因此存在较强的功能间耦合，需要互相传递补偿信息。数据更新速度要求为12ms.这个“两高”的特点决定了冷连轧控制系统应是“快速”分布式计算机控制系统。目前，能为冷连轧机提供计算机控制系统的仅有67家大电气公司，如：美国GE、西门子SIROLL、法国ALSTOM、日本日立和三菱以及瑞典的ABB公司。他们提供的系统，从系统的拓扑结构上看，可归纳为“区域控制器群结构”和“超高速网结构”两类。下面举两个例子：属于“区域控制器群结构”的有美国GE的INNOVATION和西门子SIROLL系统,如图1所示：系统由L1（一级）基础自动化级，L2（二级）过程自动化级及L3（三级）生产控制级构成。基础自动化级内采用区内高速网后分为两层，上层为区域主管及用于质量控制的HPC（如厚度控制、板形控制），下层则为主传动数字控制器和机架控制器（SC）。机架控制器实际上即为各种液压机构的液压数字控制器（液压APC）。属于“超高速网结构”的有日立、三菱系统。见图2所示：计算机控制系统的主要功能钢卷跟踪辊缝设定速度设定张力设定动态变规格弯辊、窜辊及冷却水设定速度控制张力控制厚度控制板形控制成品表面质量监控轧机运行控制 现在正在应用的控制系统由于设备条件的限制，不一定这些控制功能都具备。如果不是全连续机组或酸洗-轧机联合机组就不用动态变规格功能；没有安装板形仪和凸度仪就不用板形控制。二.设定模型 1 概述 通过若干数学模型对冷连轧各机构进行设定值计算是冷连轧计算机控制(过程自动化级)的主要任务。为了实现正确的设定计算，过程计算机需设有钢卷跟踪、数据采集与处理、模型自适应和自学习等项功能。图3给出了与设定计算有关的功能。图4给出了围绕轧机设定在过程自动化级及基础自动化级所应设置的应用软件及相应的控制功能。前已提到过程自动化级有一批程序为设定模型服务，包括初始数据输入，钢卷的数据跟踪，数据采集和处理，模型的自适应以及自学习。前面所说的钢卷原始数据由生产控制级产生或由过程级的人机界面输入，一般可存放近200个钢卷的记录数据，有钢卷跟踪程序保证数据记录对号入座；计算机还存储有各种钢卷的材料数据：钢种、原料厚度、成品厚度等；轧辊数据记录：记录着各机架上下工作辊与支撑辊的辊径、工作辊的原始辊型、末架轧辊的粗糙度等级；有几千个自学习数据记录；轧机数据包括：轧机纵横向的刚度，弯辊系统的刚度以及设备能力的极限值（最大允许的轧制力、轧制力矩、功率以及速度锥等）。摩擦系数计算的相关参数；轧制力及前滑模型所用系数的表格；还有轧制规范的数据记录等。*通过统计分析找出相应规律来减少轧制规范数据的数量，采用某些插值计算公式可能是今后应努力的方向。2.压下分配方式 目前常用的有两大类：绝对方式类和相对方式类。采用不同的方式计算压下参数的式子是不同的。3.负荷分配的优化 （1）从等功率裕量观点出发 其目标函数为：式中 （2）从等压力的观点出发 其目标函数是（3）从板形良好观点出发 其目标函数是（4）从主负荷观点出发 要先判断那个为主要矛盾此时，压下量的临界值是当此时的压下量大于此临界值时主要矛盾是力矩，反之是压力。4.厚度设定模型 厚度设定又称：基本设定，因为它除了需要计算辊缝、速度、张力等与厚度有关的参数外还给出了板形参数以外的其它参数设定值。厚度设定实际上是负荷分配或厚度分配的一个实现。在厚度分配（各架出口厚度）已定的情况下，以其为依据即可通过前滑模型和流量方程确定各架的速度。同时，以此厚度分配为依据通过轧制力模型及弹跳方程可确定各架的辊缝。各架辊缝的设定精度依赖于轧制力模型的预报精度，因此如何确定材料硬度（塑性变形阻力）及轧件轧辊间的摩擦系数是两大关键。为了充分利用实测数据提高前滑及轧制力模型的计算精度，必须应用模型自适应和模型自学习。冷连轧厚度设定计算分为：（1）预设定：在穿带前，对辊缝等参数进行设定计算；（2）后设定：在本块钢进行轧制过程中进行多次模型自适应后进行修正性计算；（3）动态变规格：主要用于全连续冷轧或酸洗-连轧联合机组变规格时。上述三种计算所用的设定模型是相同的。最终获得以下设定值：1)穿带时各架相对速度值及主令速度、最大速度值。2）穿带时各架辊缝值。3）穿带时各架的轧制力。4）穿带时机架间及前后卷曲张力设定值及低速时的张力附加值。5）穿带时各架的前滑。6）冷却剂剂量计算。7）稳速轧制时各架的辊缝修正。8）稳速轧制时各架的轧制力。9）本机架的临界轧制力。10）稳速轧制时各架的前滑。11）稳速轧制时的张力设定。12）用于AGC的机架弹性刚度系数。13）用于AGC的轧件塑性刚度系数。14）动态变规格时的楔形段长度。15）动态变规格时主令速度因子。16）轧制力矩及轧制功等。上述各项，有些是用于设备控制，如辊缝、张力、速度等；有些则用于其它控制功能，如AGC的刚度系数。（4）前滑模型与速度设定计算 实际应用时可用简化式 f=0.0015+0.222+0.222.带钢的线速度与实际速度的关系为：冷轧机的速度设定有以下两个值：（1）主令速度,它控制整个轧机同步加减速，曲淑芝范围是：0%100%。（2）各机架相对速度设定，一般按轧件的实际厚度和实际速度的秒流量向等条件来设定。还要考虑最末机架的最大速度。在设定相对速度时，其上下限是要受整个机组的速度锥限制的，而且只有在选定了基准架的相对速度后才能确定各架相对速度的具体值。这里要确定有：穿带速度、末架最大速度、各架相对速度、各架穿带及稳态轧制时的主令速度等。（5）轧制力模型和辊缝设定计算 轧制力模型一般都用Bland-Ford公式的Hill简化式 由弹跳方程可知：5.模型的自适应与自学习 冷连轧即使采用高速轧制，一卷钢仍需十多分钟。因此本卷钢轧制环境中将有较大的变化，为此将进行多次模型系数的自适应，并在多次自适应的基础上进行模型自学习，以用于下一块钢，因此又可称为“本块钢自适应”和“下块钢自学习”，目的是提高设定精度。自适应所用的基本公式是指数平滑法。模型自学习采用的是含有多卷钢信息的指数平滑式。这些都是常用的方法。三.冷连轧过程基本方程1.弹跳方程如图5 如果用P-H图(图6)来解释压靠和零位2.反映辊缝形状的凸度方程Cr=P/Kp+F/Kf+Ecwc+Ehwh+Erwx+E0P-轧制力，kN；Kp与轧制力有关的横向刚度，kN/mm;Kf-与弯辊力有关的横向刚度，kN/mm;F-弯辊力，kN；Ecwc-设备可控辊型系数，mm；Ehwh-冷却可控热辊型系数,mm；Erwx-综合辊型影响系数，包括磨损和原 始辊型,mm；E0-自学习用常数,mm。3.板形方程 板形方程实际上是“平坦度良好方程”：因为各机架带钢出口处的相对凸度稍有不匹配的情况就产生板形问题。在有凸度仪的情况下，下式就可以得到保证：4.流量方程 对冷轧板带，可以说宽展极小，因此 5.连轧张力方程四.Hoogoven冷连轧设定模型的思路 前面第二部分我们介绍了用数学模型进行过程参数的设定方法,下边我们介绍一下 Hoogoven公司的设定模型新思路:记得前面曾说过:“通过统计分析找出相应规律来减少轧制规范数据的数量，采用某些插值计算公式可能是今后应努力的方向”,Hoogoven公司的设定模型新思路就是这样做的 前已用框图说明,冷连轧机的设定计算包括两大部分,即有关厚度方面的设定计算和有关板形方面的设定计算.可见厚度的设定至关重要.Hoogoven就是在这方面做了改进,核心思想是:首先在同类轧机的现场收集大量不同坯料厚度和成品厚度的现场数据,然后用数理统计方法建立如图8的一组(五条）直线,他们的纵坐标是每架轧机的压下量占总变形量的比率，横坐标是连轧机总压缩率的自然对数。线性回归结果：线性回归结果：机架1的压下分配的线性模型：y=0.0071x+0.3269机架2的压下分配的线性模型：y=0.0009x+0.2658机架3的压下分配的线性模型：y=-0.003x+0.2138机架4的压下分配的线性模型：y=-0.0036x+0.1578机架5的压下分配的线性模型：y=-0.0015x+0.0359 有了这样一组统计关系式，就可以方便的计算各架的预设厚度值了。用这种方法设定计算的全部模型资料，国外公司或者国内公司应该是全面提供的，其特征是，有一系列提供各种参数的表格，如基本数据输入基本数据输入（PDI）、）、通用数据表（GDT）、厚度范围表（GRT）、变形抗力代码表（变形抗力代码表（RCTRCT）、）、三种三种工作方工作方式表（式表（WMTAWMTA、WMTBWMTB、WMTCWMTC）等等。等等。Hoogoven设定思路的另一个特点是：它把产品大纲中规定的原料厚度和成品厚度细划分成若干组（GRT)，每个小组有一个编号，在每个小组中找到1、2个标准产品，每个编号它对应着一系列预先计算好的轧机参数表格（GRT、GDT、RCT、WMTA、B、C等），偏离此标准的在此小组的其他变形规程的生成（RSG)和控制参数均由轧制规程生成自适应（SGA)来修正。在轧制规程生成时，必须确定轧制过程中各架板带的厚度、速度及机架间的张力值。而这些值可以从一系列的表中获得，并分别定义。把标准规程的板带厚度、速度及机架间的张力值放置于一系列表中，然后用这些值即可计算出具体轧制规程中所需全部设定参数，比如计算出功率的模型、轧制力模型和轧机模型中的设定参数。这种方法的初始工作是比较麻烦的，必须对对象轧机非常熟悉，才能填好这些表格。好在每种表格都有例子。可以参照、比对生成。然后通过自适应和自学习来修正和完善。五.几点建议（1）这种Hoogoven新方法和思路在四辊和六辊轧机上使用是没有问题的，在八辊轧机上使用，同其他方法一样，都会因为不能精确的测定轧制力，使弹跳方程辊缝值的计算产生问题。好在这种轧机的优点是轧机横向刚度大。建议在八辊轧机牌坊立柱表面贴电阻应变片，设法使这种轧机具备压力闭环的条件，这是有先例的，而且很经济！（2）目前需要做的工作是在已安装八辊轧机的轧机现场，收集大量的工程报表，积累厚度模型和控制参数等数据，这对以后的工作是很珍贵的资料。（3）组织人力尽快消化Hoogoven公司的相应资料。讲的不好，有错误的地方，请批评指正。谢谢！