CN103406367B - 一种提高冷轧机直接张力控制精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涉及提高冷轧机直接张力控制精度的方法，其步骤包括：（1）在试车时，测量绘制温度和压力零点值间的对应关系曲线。在正常生产时，通过温度和压力零点的关系曲线，计算出该温度下的压力零点值，对温度造成的压力计零点漂移进行抑制；（2）利用带阻滤波器，对张力检测信号进行滤波处理，消除冷轧机的工作辊在工作过程中给张力检测造成的周期性的干扰；（3）实时计算测张辊与带钢包角，对张力的检测信号进行包角补偿；（4）利用一阶延迟单元对张力检测信号进行处理，消除毛刺干扰，平滑张力曲线；（5）对张力检测信号进行平均化处理，剔除其中的异常值，得到更平滑的张力检测曲线。本发明可提高张力检测的精度，间接提高冷轧机直接张力控制的精度，提高产品的产量和质量。
Description
技术领域
本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种有效提高冷轧机直接张力控制精度的方法。
背景技术
在冷轧生产线中，张力控制有着防止带钢跑偏、提高带钢运行速度、减少带钢和设备磨损、提高产品质量和产量的重要作用。而对于冷轧生产线中的冷轧机这样一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，张力是其中最重要、最活跃的因素，它通过带钢起着传递能量、传递影响的作用。在轧制过程中，张力的控制精度对带钢的厚度有着至关重要的影响。而且，当冷连轧机处于大张力轧制状态下时，各机架间的带钢张力最大可达10吨以上，过大的张力波动会导致断带或叠轧等事故的发生。因此，从工艺要求上来看，张力是冷轧机控制系统中重要的控制对象。
根据系统中是否使用张力检测元件作为张力反馈，张力控制分为直接张力控制和间接张力控制。如图1所示，直接张力控制需在系统中装设张力检测元件，对被控张力进行闭环控制。该方法的张力控制精度高，理论上可以实现无静态误差；缺点是张力控制精度依赖于张力检测元件的精度，容易受到外界干扰，且增加了工程成本。间接张力控制是通过控制影响张力的物理量来间接地控制张力，是一种开环控制方式，控制精度不如前者，但可提高系统的抗扰动能力。
由于对带钢张力控制精度有着严格的要求，所以在冷轧机的张力作用区域内设置张力计对带钢实际张力进行测量，利用直接张力控制方法对带钢张力进行调节。冷轧机直接张力控制器一般都选用PI调节器，通过优化张力PI调节器的参数或是采用更先进的控制算法（例如模糊PID、自适应控制等），可以提高系统对张力的动态调节能力，这也是最常见的提高冷轧机直接张力控制性能的方法。
一套完整的张力计由两个压头和一个处理单元（包括控制单元、隔离放大器和接线端子箱等）组成，压头一般安装在测张辊的轴承座和机械框架之间。当带钢以一定的包角通过测张辊时，由于带钢的张力作用两个压头分别会产生一个压力信号，该压力信号送到处理单元处理后转换为带钢的张力，然后发送给自动化系统用于带钢张力的闭环控制。
如图2所示，压头是一个焊接钢装置，一般有两种类型的压头：水平类型和垂直类型。当带钢以一定包角通过测张辊时，带钢的张力T将产生两个分量，一个是垂直方向的分量Fv，另一个是水平方向的分量Fh。如果我们选用水平类型的压头，则可以测出FH；如果我们选用垂直类型的压头，则我们可以测出FV。另外，测张辊和带钢的包角可以获得，从而我们可以计算出带钢的张力。计算公式如下：
；
；
；；
其中：FH为水平方向合力；Fh为水平方向张力合力；FV为垂直方向合力；Fv为垂直方向张力合力；α、β为测张辊与带钢的包角；Tare为测张辊与轴承的自重。
由于冷轧机直接张力闭环控制中的张力反馈信号来自于张力检测仪，张力检测仪精度的高低以及现场复杂生产状况对张力检测信号的干扰（例如温度、机械应力等造成的零点漂移，机械振动造成的张力测量信号周期性的波动等）都会导致实际张力检测信号的偏差，所以仅通过改善张力调节器的性能远不能达到提高冷轧机直接张力控制精度的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种冷轧生产线中提高冷轧机直接张力控制精度的方法，即通过抑制张力检测的热零点漂移、通过对张力检测信号进行滤波处理、通过对张力检测信号进行角度补偿，通过对张力检测信号进行平滑和平均化处理，提高张力检测信号的精度，进而达到提高冷轧机直接张力控制精度的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高冷轧机直接张力控制精度的方法，包括以下步骤：
1）在热负荷试车时，测量记录张力检测仪各温度点的压力零点值，绘制温度和压力零点值间的对应关系曲线；在正常生产时，读取实际温度，通过温度和压力零点的关系曲线，获得该温度下的压力零点值，对压力零点值进行修正；从而对温度造成的压力计零点漂移进行抑制；
2）对张力检测信号进行滤波处理的步骤：
利用带阻滤波器，对张力检测信号进行滤波处理，消除冷轧机的工作辊在工作过程中给张力检测造成的周期性的干扰；
3）对张力检测信号的平滑处理的步骤：
利用一阶延迟单元对张力检测信号进行处理，用于消除毛刺干扰，平滑张力曲线；
4）对张力检测信号的平均化处理的步骤：
对张力检测信号进行平均化处理，并剔除其中的异常值，得到有效的张力采样平均值，以及更平滑的张力检测曲线。
按上述方案，该方法还包括对张力检测信号进行包角补偿的步骤：
通过实时计算测张辊与带钢包角，对张力的检测信号进行包角补偿。
按上述方案，步骤2）中对张力检测信号进行滤波处理的步骤中：
带阻滤波器的传递函数如下：
，
式中，，，，，
其中，，；b为阻尼系数，为圆周率，I为双线性变换常数，Xn为第n个采样周期的张力检测值，Yn为第n个采样周期的带阻滤波器输出值。
按上述方案，步骤3）中张力检测信号的平滑处理：
所述一阶延迟单元传递函数为：
式中，TA 为采样周期；T为平滑处理上升速率（倾斜度）；Yn为第n个采样周期的 Y值；Yn–1 为第n-1个采样周期的 Y值；Xn为第n个采样周期的 X值。
按上述方案，步骤4）中张力检测信号的平均化处理：过程为：
计算测量得到的张力值的平均值；
再将测量值与平均值差值绝对值大于阈值的张力值舍去；
把剩下的在限定误差值范围内的值再平均一次得到有效的张力采样平均值。
按上述方案，对张力检测信号进行包角补偿的步骤中，
需要实时计算测张辊与带钢包角角度α对张力检测信号进行修正；
角度α，的计算公式为：
；
式中，d为测张辊的辊径；Dh为测张辊与开卷取机的水平距离；Dv为测张辊与开卷取机的垂直距离；D为开卷取机上的钢卷外径；为圆周率。
本发明产生的有益效果是：本发明有效地抑制了温度等因素导致的张力测量零点漂移，对冷轧机的工作辊产生的周期性干扰信号进行了过滤，平滑了张力测量曲线，消除了毛刺干扰，直接有效地提高了张力检测的精度，提高了冷轧生产线中冷轧机直接张力控制的精度，降低了断带及其他影响产品产量和质量的事故的发生，提高了劳动生产效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为背景技术中冷轧机直接张力控制示意图；
图2为背景技术中张力计压头测压示意图；
图3为本发明实施例的带阻滤波器幅频特性示意图；
图4为本发明实施例的卷取机张力测量角度补偿示意图；
图5为本发明实施例的平滑处理函数传递特性示意图。
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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的张力检测信号处理方法，是一种先进的提高冷轧生产线中冷轧机直接张力控制精度的方法，具体包括以下步骤：
1.抑制张力检测的热零点漂移
在热负荷试车时，测量记录张力检测仪各温度点的压力零点值，绘制温度和压力零点值间的对应关系曲线；在正常生产时，读取实际温度，通过温度和压力零点的关系曲线，获得该温度下的压力零点值，对压力零点值进行修正；从而对温度造成的压力计零点漂移进行抑制。
张力检测仪多采用压阻式的压力传感器。由于目前的压阻式压力传感器一般是半导体材料制成，因此受环境温度变化的影响不可避免地会出现热零点漂移，这会导致张力计初始标定的张力零点发生变化，最终导致张力检测精度的降低。
在冷轧机区域，轧制过程会导致材料和环境温度发生变化，会设置温度计对介质、环境或带钢温度进行测量，那么该区域内张力计的温度也可以得到。
在热负荷试车时，避免测张辊与其他设备或带钢接触。从介质系统加热开始，每升温3～5℃，连续记录n个压力计采样信号值F1、F2、…Fn。除去其中最大值Fmax和最小值Fmin后，求剩余n-2个值的平均值F’=ΣFi/(n-2)（Fi≠Fmax且Fi≠Fmin），即为该温度点的压力零点值。最终得到温度范围为室温到生产温度的若干组温度和压力计零点值，根据这些数据画出温度和压力零点值间的对应关系曲线。
在正常生产过程中，利用温度计读取各段的实时温度，通过温度和压力零点的关系曲线，可以近似计算出该温度下的压力零点值，对温度造成的压力计零点漂移进行抑制。
2. 张力检测信号的滤波处理
利用带阻滤波器，对张力检测信号进行滤波处理，消除冷轧机的工作辊在工作过程中给张力检测造成的周期性的干扰。
由于对带钢施加较大的力使其产生纵向形变，再加上工作辊较细、带钢运行速度快等原因，生产过程中冷轧机会对张力检测产生一个周期性的干扰信号。例如型号为ZR21的森基米尔二十辊轧机的工作辊直径为80mm，而带钢的运行速度最高可到1000m/min，那么在高速轧制过程中，由于工作辊的偏心作用会产生一个最高频率为66Hz的干扰信号，对张力检测造成影响。
设置一个带阻滤波器，其幅频特性截止频率F=10Hz、增益V=1、带宽B分别为6Hz和2Hz，如图3所示，将轧辊产生的周期性干扰信号进行过滤。模拟信号带阻滤波器的传递函数如下：
其中：F为截止频率Hz；V为增益；B为带宽Hz；FA为采样频率Hz；j为虚部算子。
将模拟信号带阻滤波器的传递函数进行双线性变换，得到离散信号带阻滤波器的传递函数，如下差分等式所示：
离散信号滤波器系数A0、A1、B1和B2由采样时间决定，通过下列等式编程预先计算得到，然后代入上式使用，才能发挥带阻滤波器的作用。
，
，
，
，
，
；
其中，b为阻尼系数，为圆周率，I为双线性变换常数，Xn为第n个采样周期的张力检测值，Yn为第n个采样周期的带阻滤波器输出值，V为带阻滤波器增益；
截止频率F（Hz）根据工作辊的辊径d（m）和带钢运行速度v（m/min）通过下式计算得到：
；
从图3和截止频率F的计算公式可以看出，该带阻滤波器可以将轧机工作辊在轧制过程中产生的干扰信号进行有效的衰减。
在轧制过程中如果F、B和V中的某一个参数发生变化，那么带阻滤波器的传输特性就会发生改变，必须对这些系数进行重新计算以校正带阻滤波器。在进行系数计算的几个采样周期里，忽略任何新的参数变化，使用原有系数对差分公式进行循环计算直至新的系数完全计算完成。为了避免向新系数转变过程中输出Y变化过大，旧系数向新系数的转变被分成很多小步，而不是瞬间完成的。这样，在系数转变过程中就保持一个稳定连续的传输特性。
3．张力测量的角度补偿
通过实时计算测张辊与带钢包角，对张力的检测信号进行包角补偿。
从背景技术中，压头压力计算带钢张力的计算公式可以看出，测张辊和带钢的包角对张力计算有着重要的影响。在对冷轧生产线进行工艺和机械设计时，一般要求测张辊与带钢的包角保持不变，即测张辊和测张辊前后影响带钢走向的辊组保持固定。但是一些特殊的场合，例如可逆轧机的开卷机和卷取机的张力检测，如图4所示，由于开卷机和卷取机上钢卷的卷径发生变化，导致测张辊与带钢的包角发生变化，因此必须对张力测量实时地进行角度补偿。
如图4所示，角度β不变，角度α随着卷径的改变而实时变化，那么需要实时计算角度α对张力测量进行修正。
角度α的计算公式为：
其中：d为测张辊的辊径；Dh为测张辊与开卷取机的水平距离；Dv为测张辊与开卷取机的垂直距离；D为开卷取机上的钢卷外径。
4．张力检测信号的平滑处理：
利用一阶延迟单元对张力检测信号进行处理，平滑张力曲线。
冷轧生产线现场的电、磁、金属等信号干扰源很多，在对张力进行检测时难免受到干扰，使张力检测信号产生毛刺波形。为了过滤掉这些干扰毛刺波形，保证采样信号的光滑，采取了平滑处理方式。
本发明选用一阶延迟单元作为平滑处理器对张力检测信号进行平滑处理。一阶模拟信号延迟单元的传递特性如图5所示，其传递函数如下：
其中：X为输入的张力检测信号；T 定义了输出值的上升速率(倾斜度)，它规定了传递函数增大到终值63%所需的时间；Y为延迟输出值，t为一阶延迟处理时间。
对其进行离散化处理，得到离散信号的一阶延迟单元传递函数如下：
其中：TA 为采样周期；T为平滑处理上升速率（倾斜度）；Yn为第n个采样周期的 Y值；Yn–1 为第n-1个采样周期的 Y值；Xn为第n个采样周期的 X值。
5．张力检测信号的平均化处理
在张力检测信号处理过程中，为了保证得到一条平滑的张力变化曲线，采取了平均化的处理方法：在机组加减速完成后的某段时间内，把测量计算得到的张力值暂存为t1, t2, t3... tn，求出平均值t=(t1+ t2+.....+ tn)/n后，再把t1, t2, t3... tn分别和t作比较，将差值绝对值大于一定值H(可设置）的可能是干扰信号的张力值舍去，把剩下的在限定误差值范围内的值再平均一次得到t'，那么t'就是真正有效的张力采样平均值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种提高冷轧机直接张力控制精度的方法， 其特征在于，包括以下步骤：
1）在热负荷试车时，测量记录张力检测仪各温度点的压力零点值，绘制温度和压力零点值间的对应关系曲线；在正常生产时，读取实际温度，通过温度和压力零点的对应关系曲线，获得该温度下的压力零点值，对压力零点值进行修正；
2）对张力检测信号进行滤波处理的步骤：
利用带阻滤波器，对张力检测信号进行滤波处理，消除冷轧机的工作辊在工作过程中给张力检测造成的周期性的干扰；
3）对张力检测信号进行包角补偿的步骤：
通过实时计算测张辊与带钢包角，对张力的检测信号进行包角补偿；
4)对张力检测信号的平滑处理的步骤：
利用一阶延迟单元对张力检测信号进行处理，平滑张力曲线；
5）对张力检测信号的平均化处理的步骤：
对张力检测信号进行平均化处理，并剔除其中的异常值，得到有效的张力采样平均值。
2.根据权利要求1所述的提高冷轧机直接张力控制精度的方法，其特征在于，对张力检测信号进行包角补偿的步骤中，
需要实时计算测张辊与带钢包角角度α，对张力检测信号进行修正；
角度α的计算公式为：
；
式中，d为测张辊的辊径；Dh为测张辊与开卷取机的水平距离；Dv为测张辊与开卷取机的垂直距离；D为开卷取机上的钢卷外径；为圆周率。
3.根据权利要求1所述的提高冷轧机直接张力控制精度的方法，其特征在于，步骤2）中对张力检测信号进行滤波处理的步骤中：
带阻滤波器的传递函数如下：
，
式中，，，，，
其中，，；b为阻尼系数，为圆周率，I为双线性变换常数，Xn为第n个采样周期的张力检测值，Yn为第n个采样周期的带阻滤波器输出值。
4.根据权利要求1所述的提高冷轧机直接张力控制精度的方法，其特征在于，步骤3）中张力检测信号的平滑处理：
所述一阶延迟单元传递函数为：
式中，TA 为采样周期；T为平滑处理上升速率；Yn为第n个采样周期的 Y值；Yn–1为第n-1个采样周期的 Y值；Xn为第n个采样周期的 X值。
5.根据权利要求1所述的提高冷轧机直接张力控制精度的方法，其特征在于，按上述方案，步骤4）中张力检测信号的平均化处理：过程为：
计算测量得到的张力值的平均值；
再将测量值与平均值差值绝对值大于阈值的张力值舍去；
把剩下的在限定误差值范围内的值再平均一次得到有效的张力采样平均值。
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