一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法

1.本发明涉及热连轧自动化控制技术领域，特别是指一种补偿热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法。


背景技术：

2.在带钢热连轧生产过程中，液压活套的控制精度对成品质量起着至关重要的作用。液压活套装置由液压伺服阀控制液压缸推动动力臂带动活套辊，通过抬升带钢来调整两个相邻轧机间带钢套量，调节带钢张力，保证出入口金属秒流量相对平衡。按工作阶段划分，活套的控制分为起套、恒张力轧制、落套三个阶段。尤其在活套起套阶段，带钢刚咬入下游轧机时，下游轧机速度会发生短暂下降，必然会导致与上游机架之间的金属秒流量失衡，起套阶段经常会产生超调，活套辊快速猛烈地冲击带钢，活套实际角度会远超出设定的活套工作角度，带钢张力也会产生较大波动，张力和套量大幅波动如果无法迅速回调至平衡，将会导致带钢头部拉窄、轧破等问题发生。
3.热连轧活套控制系统一般分为张力闭环控制和高度闭环控制。张力闭环通过调整伺服液压系统来恒定活套张力，高度闭环通过调整上游机架速度来恒定活套套量，二者均需要根据活套模型计算获得设定力矩或角度，再由实际数据反馈进行调整。活套高度的测量可以通过安装在活套支撑臂的光电编码器来获得，而带钢张力的测量则很少会用到直接的张力计，通常采用在液压缸的有杆腔和无杆腔安装压强传感器的方法间接计算出带钢张力和力矩。这时就需要对活套进行精确的受力分析，在起套阶段液压系统提供的总力矩来源于活套辊旋转方向受力，主要包括活套辊与带钢的重力矩、带钢弯曲力矩、张力在旋转方向的分力矩和加速时的惯性力矩。在现有控制技术中一般只考虑重力矩和张力矩，少数会加入带钢弯曲力矩的补偿(如文献《首钢京唐1580热连轧精轧机活套高度及张力控制》)，从而导致液压伺服阀输出所计算出的张力力矩不够精确，在起套阶段出现超调现象。又如专利cn106311753a《热连轧精轧机大惯性活套稳定控制方法》中采用变力矩控制，在起套时活套低角度的情况下固定转矩补偿，在活套高角度时再用动态力矩。上述技术都没有涉及起套阶段加速惯性力矩的实时精确反馈。


技术实现要素：

4.针对上述存在的技术问题，本发明的主要目的在于提供一种补偿热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，用于在活套自动控制系统中实时获取加速惯性力矩，更加准确地计算伺服阀的输出的参数。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，包括以下步骤：
7.(1)根据设备参数和钢材种类，计算获得机架间带钢的质量；
8.(2)起套后对角度编码器的活套实际角度进行二次微分过程，计算获得活套角加速度；
9.(3)根据步骤(1)计算获得的机架间带钢的质量和步骤(2)计算获得的活套角加速度，计算加速惯性力矩；
10.(4)经限幅保护后，将步骤(3)计算获得的加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中。
11.进一步地，步骤(1)中，机架间带钢质量m2的具体计算方式如下：
12.m2＝ρhlw
13.公式中：ρ为轧制钢材密度，h为带钢厚度，w为带钢宽度，l为机架间带钢的长度；其中，机架间带钢长度l的具体计算方式如下：
[0014][0015]
公式中：l1为活套支持器转动中心到上一机架的水平距离，l为活套工作臂长，θ为活套角度，l2为机架间距离，r为活套辊半径，l3为活套支持器转动中心到轧制线的垂直距离。
[0016]
进一步地，步骤(2)中，所述活套角加速度的计算过程为：
[0017]
当系统起套信号发出后，将活套间角度编码器的实际活套角度值数θ据经过两次微分环节，获得实际活套的角加速度值具体计算方式如下：
[0018][0019]
以活套抬升为正方向，在起套过程中活套辊将在短时间内经历加速抬升和减速抬升两个阶段，在加速抬升阶段，为正值，在减速抬升阶段，为负值。
[0020]
进一步地，步骤(3)具体为：
[0021]
将加速惯性力矩分为两个阶段，一阶段是活套辊未接触带钢时，加速惯性力矩仅包括活套辊质量；二阶段是活套辊接触带钢后，加速惯性力矩包括活套辊质量和机架间带钢质量；
[0022]
加速惯性力矩mr的具体计算方法如下：
[0023][0024]
公式中：为实际活套的角加速度值，l为活套工作臂长，m1为活套辊质量，m2为机架间带钢质量；s为接触带钢判定信号，s＝0时活套辊尚未接触带钢，s＝1时活套辊已接触到带钢。
[0025]
进一步地，液压伺服阀输出力矩用以计算出实际张力矩反馈值，传统公式的计算方法如下：
[0026]mt
＝fhrscosγ-m
s-m
l
[0027]
公式中m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩。
[0028]
步骤(4)具体为：
[0029]
判断步骤(3)获得的加速惯性力矩mr是否大于限幅值mc，如果加速惯性力矩mr大于限幅值mc，采用限幅值mc作为加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中；如果加速惯性力矩mr小于等于限幅值mc，将步骤(3)获得的加速惯性力矩mr补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中。
[0030]
具体为：当加速惯性力矩mr大于限幅值mc时：
[0031]mt
＝fhrscosγ-m
s-m
l-mc[0032]
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；rs为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；mc为根据现场活套运行数据给出的经验值。
[0033]
当加速惯性力矩mr小于等于限幅值mc时：
[0034]mt
＝fhrscosγ-m
s-m
l-mr[0035]
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；rs为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；mr为步骤(3)获得的加速惯性力矩。
[0036]
本发明的有益技术效果如下：
[0037]
1)本发明提供的确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法在活套控制系统中实时计算获得当前加速惯性力矩的大小，可有效提高计算的实际张力转矩数值精确度，并补偿控制系统液压伺服阀输出量，改善起套阶段张力控制的超调现象。
[0038]
2)本发明通过确定热连轧起套阶段加速惯性力矩实现针对起套阶段张力控制超调的优化，可以有效减少带钢的拉窄现象，提高了头部厚度的命中率，同时缓解了速度波动对带钢穿带时稳定性的影响，整体改善带钢头部成型的质量，在提高产品生产效率的方面多有益处。
附图说明
[0039]
图1是本发明实施例中提供的确定热连轧起套阶段加速惯性力矩方法流程示意图。
[0040]
图2是本发明实施例中提供的确定热连轧起套阶段加速惯性力矩方法系统原理图。
[0041]
图3是本发明实施例中提供的确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法伺服阀输出补偿前后对比图。
具体实施方式
[0042]
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描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0044]
本发明提供一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，如图1所示包括以下步骤：
[0045]
(1)根据设备参数和钢材种类，计算获得机架间带钢的质量；
[0046]
(2)起套后对角度编码器的活套实际角度进行二次微分过程，计算获得活套角加速度；
[0047]
(3)根据步骤(1)计算获得的机架间带钢的质量和步骤(2)计算获得的活套角加速度，计算加速惯性力矩；
[0048]
(4)经限幅保护后，将步骤(3)计算获得的加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中。
[0049]
其中，步骤(1)所需要的活套辊质量m1系统已知，由设备参数与钢材种类计算得机架间带钢质量m2＝ρhlw。公式中ρ为轧制钢材密度，h为带钢厚度，w为带钢宽度，l为机架间带钢的长度。
[0050][0051]
公式中：l1为活套支持器转动中心到上一机架的水平距离，l为活套工作臂长，θ为活套角度，l2为机架间距离，r为活套辊半径，l3为活套支持器转动中心到轧制线的垂直距离。
[0052]
步骤(2)中，当系统起套信号发出后，将活套间角度编码器的实际活套角度值数θ据经过两次微分环节，获得实际活套的角加速度值以活套抬升为正方向，在起套过程中活套辊将在短时间内经历加速抬升和减速抬升两个阶段，其中加速抬升时为正值，减速抬升时为负值。
[0053]
角加速度值具体计算方式如下：
[0054][0055]
步骤(3)中加速惯性力矩分为两个阶段，一阶段是未接触带钢时仅有活套辊质量，二是接触带钢后活套辊质量和机架间带钢质量，具体计算方法如下：
[0056][0057]
公式中：为实际活套的角加速度值，l为活套工作臂长，m1为活套辊质量，m2为机架间带钢质量；s为接触带钢判定信号，s＝0时活套辊尚未接触带钢，s＝1时活套辊已接触到带钢。
[0058]
液压伺服阀输出力矩用以计算出实际张力矩反馈值，传统公式的计算方法如下：
[0059]mt
＝f
hes
cosγ-m
s-m
l
[0060]
公式中m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩。
[0061]
在本发明中，步骤(4)具体为：
[0062]
判断步骤(3)获得的加速惯性力矩mr是否大于限幅值mc，如果加速惯性力矩mr大于限幅值mc，采用限幅值mc作为加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中；如果加速惯性力矩mr小于等于限幅值mc，将步骤(3)获得的加速惯性力矩mr补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中；具体为：
[0063]
当加速惯性力矩mr大于限幅值mc时：
[0064]mt
＝fhrscosγ-m
s-m
l-mc[0065]
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；rs为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；mc为根据现场活套运行数据给出的经验值；
[0066]
当加速惯性力矩mr小于等于限幅值mc时：
[0067]mt
＝fhrscosγ-m
s-m
l-mr[0068]
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；rs为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；mr为步骤(3)获得的加速惯性力矩。
[0069]
下面结合具体实施过程予以说明，如图2所示。
[0070]
(1)将活套辊的质量m1和机架间带钢的质量m2＝ρhlw以及活套支撑臂长l作为补偿参数。公式中ρ为轧制钢材密度，h为带钢厚度，w为带钢宽度，l为机架间带钢的长度：
[0071][0072]
其中l1为活套支持器转动中心到上一机架的水平距离，l为活套工作臂长，θ为活套角度，l2为机架间距离，r为活套辊半径，l3为活套支持器转动中心到轧制线的垂直距离。
[0073]
(2)起套信号发出后对活套臂两侧角度编码器的活套实际角度θ进行二次微分过程，计算活套角加速度
[0074]
(3)由信号s判断接触带钢与否，并据此计算出加速惯性力矩mr。
[0075][0076]
(4)反馈的信号经限幅器保护后补偿到伺服阀实际力矩输出中。液压伺服阀输出力矩用以计算出实际张力矩反馈值，传统公式中m
t
＝fhrscosγ-m
s-m
l
，其中m
t
为带钢张力矩实际值；fh为液压缸力；rs为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；ms为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩。起套阶段加入加速惯性力矩补偿后的反馈值，计算得到的张力矩m
t
＝fhrscosγ-m
s-m
l-mr，其中mr为加速惯性力矩。补偿前后的对比效果如图3所示，补偿前后的对比可知，起套时张力反馈值波动得到了更好的控制，超调量明显减少。

技术特征：
1.一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据设备参数和钢材种类，计算获得机架间带钢的质量；(2)起套后对角度编码器的活套实际角度进行二次微分过程，计算获得活套角加速度；(3)根据步骤(1)计算获得的机架间带钢的质量和步骤(2)计算获得的活套角加速度，计算加速惯性力矩；(4)经限幅保护后，将步骤(3)计算获得的加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中。2.如权利要求1所述一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，其特征在于，步骤(1)中，机架间带钢质量m2的具体计算方式如下：m2＝ρhlw；公式中：ρ为轧制钢材密度，h为带钢厚度，w为带钢宽度，l为机架间带钢的长度；其中，机架间带钢长度l的具体计算方式如下：公式中：l1为活套支持器转动中心到上一机架的水平距离，l为活套工作臂长，θ为活套角度，l2为机架间距离，r为活套辊半径，l3为活套支持器转动中心到轧制线的垂直距离。3.如权利要求1所述一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述活套角加速度的计算过程为：当系统起套信号发出后，将活套间角度编码器的实际活套角度值数θ据经过两次微分环节，获得实际活套的角加速度值具体计算方式如下：以活套抬升为正方向，在起套过程中活套辊将在短时间内经历加速抬升和减速抬升两个阶段，在加速抬升阶段，为正值，在减速抬升阶段，为负值。4.如权利要求2或3所述一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：加速惯性力矩m
r
的具体计算方法如下：公式中：为实际活套的角加速度值，l为活套工作臂长，m1为活套辊质量，m2为机架间带钢质量；s为接触带钢判定信号，s＝0时活套辊尚未接触带钢，s＝1时活套辊已接触到带钢。5.如权利要求1所述一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，其特征在于，步骤(4)具体为：判断步骤(3)获得的加速惯性力矩m
r
是否大于限幅值m
c
，如果加速惯性力矩m
r
大于限幅值m
c
，采用限幅值m
c
作为加速惯性力矩补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中；如果加速惯性
力矩m
r
小于等于限幅值m
c
，将步骤(3)获得的加速惯性力矩m
r
补偿到液压伺服阀实际张力矩输出中；具体为：当加速惯性力矩m
r
大于限幅值m
c
时：m
t
＝f
h
r
s
cosγ-m
s-m
l-m
c
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；f
h
为液压缸力；r
s
为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；m
s
为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；m
c
为根据现场活套运行数据给出的经验值；当加速惯性力矩m
r
小于等于限幅值m
c
时：m
t
＝f
h
r
s
cosγ-m
s-m
l-m
r
公式中：m
t
为带钢张力矩实际值；f
h
为液压缸力；r
s
为活套动力臂长，γ为液压缸作用力的垂直方向与活套动力臂的夹角；m
s
为带钢自重力矩；m
l
为活套自重力矩；m
r
为步骤(3)获得的加速惯性力矩。

技术总结
本发明提供一种确定热连轧起套阶段加速惯性力矩的方法，属于热连轧自动化控制技术领域。所述方法包括：第一步，获取活套辊和带钢的质量等规格数据；第二步，获取活套角度编码器数据，进行二次微分环节得到活套角加速度；第三步，计算活套辊和带钢的加速惯性力矩；第四步，经限幅保护后补偿到液压伺服阀实际转矩输出。通过本发明提供的方法，实际转矩经过补偿后可以更精确地计算获得实际张力，改善起套超调的情况。调的情况。调的情况。


技术研发人员：郭强 王世宁 陈兆宇 张飞 肖雄 宗胜悦 裴红平
受保护的技术使用者：北京科技大学设计研究院有限公司
技术研发日：2022.09.26
技术公布日：2023/1/6