林積生

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司,山東萊蕪 271104)

基于寬厚板厚度控制研究與優(yōu)化

林積生

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司,山東萊蕪 271104)

介紹了厚度模型是寬厚板產(chǎn)品的控制核心,通過對影響寬厚板厚度偏差因素分析,對厚度偏差模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,寬厚板產(chǎn)品得到優(yōu)化改善,提高了控制精度,對熱連軋領(lǐng)域的軋制模型設(shè)計(jì)具有很高的借鑒價(jià)值。

自學(xué)習(xí)模型 厚度偏差 參數(shù)優(yōu)化 彈跳曲線

1 引言

近年來,寬厚板生產(chǎn)線迅速建設(shè),技術(shù)研究深入發(fā)展,自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度不斷提高,控制系統(tǒng)工藝自動(dòng)化也不斷升級(jí)優(yōu)化。模型控制已經(jīng)是現(xiàn)代軋鋼的一個(gè)基本的控制手段,其中寬厚板厚度控制、軋機(jī)輥縫控制及其壓下模型、ACC冷卻系統(tǒng)控制、跟蹤及其批軋控制,生產(chǎn)線節(jié)奏控制模型等都是寬厚板軋線控軋控冷系統(tǒng)最關(guān)鍵的模型。

2 厚度模型存在的問題及參數(shù)優(yōu)化方案

對影響厚度的自學(xué)習(xí)模型及目標(biāo)厚度的精確計(jì)算進(jìn)行探索與研究,以便對軋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)更加深入了解。厚度自學(xué)習(xí)系數(shù)作為軋機(jī)厚度模型最重要的性能指標(biāo)之一,對于鋼板厚度的精確計(jì)算起著舉足輕重的作用,直接影響成材率,因此對厚度自學(xué)習(xí)模型的研究有著深遠(yuǎn)的意義。

2.1 厚度計(jì)算原理

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對寬厚板厚度精度不斷提出更高的要求,在厚度計(jì)算時(shí)我們需要把所有會(huì)影響到厚度的因素都考慮在內(nèi),這樣才能得到需要的最精確的厚度值。在考慮了上述所有的影響因素,根據(jù)可用的測量值,通過厚度計(jì)算公式就可以計(jì)算鋼板軋制后的厚度,如下面公式所示。

式中：

h：厚板的出口厚度;

s：輥縫;

Δ hstand：機(jī)架拉伸帶來的厚度偏差;

Δ hroll：軋輥?zhàn)冃螏淼暮穸绕?

Δ hMorgoil：軸承油膜厚度帶來的厚度偏差;

Δ hthermal：軋輥熱凸度帶來的厚度偏差;

Δ hwear：軋輥磨損帶來的厚度偏差;

s0：零點(diǎn)。

由上式可以看出自學(xué)習(xí)的核心就是對S0零點(diǎn)的自學(xué)習(xí),因此研究零點(diǎn)自學(xué)習(xí)的計(jì)算是關(guān)鍵。

2.2 存在的問題分析

寬厚板生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)模龐大,是一個(gè)具有非線性的、多變量耦合的、復(fù)雜控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)性要求非常高,常規(guī)的、單一的控制方法難以取得理想的控制效果。因此研究適合于此系統(tǒng)的控制理論、分析與設(shè)計(jì)方法,不是一蹴而就的,都是在不斷地優(yōu)化和升級(jí)中,逐步完善控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。厚度控制方面,軋制力模型預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確,控制精度不高。由于國內(nèi)裝備水平相對較低,普遍采用高爐、焦?fàn)t混合煤氣對板坯加熱,熱值不穩(wěn)定,溫度不均勻,再加上控制技術(shù)不成熟,厚度均勻性較低,一般厚度均一性命中率在94%,平均厚度相對于目標(biāo)厚度的命中率在95%左右。

2.3 厚度控制模型的優(yōu)化與完善

完善道次自學(xué)習(xí)功能,利用軋制中間道次的實(shí)測厚度來校準(zhǔn)模型計(jì)算偏差,從而最終改善厚度預(yù)報(bào)精度;重新調(diào)整彈跳曲線,使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對軋機(jī)零調(diào)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合從而得到新的彈跳曲線,通過對其進(jìn)行持續(xù)調(diào)整,最后確定了適合的彈跳曲線;GM(厚度計(jì))方式AGC即為軋制力反饋AGC,簡稱GM-AGC。GM-AGC(Gaugemeter AGC)厚度計(jì)型AGC系統(tǒng)優(yōu)化,有效地提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,改善同板差和異板差。GM-AGC的實(shí)際厚度是利用彈跳方程計(jì)算出來的。軋機(jī)彈跳是由于在一定軋制力作用下,軋機(jī)機(jī)架發(fā)生的彈跳形變,是軋機(jī)所具有的物理特性,與軋機(jī)機(jī)架本身的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有關(guān)。軋機(jī)彈跳曲線即在一定的軋制力變化范圍內(nèi),機(jī)架所發(fā)生的彈跳變形量曲線。

軋機(jī)彈跳曲線一般可通過理論計(jì)算與實(shí)際測量來獲得。由于理論計(jì)算法難以估計(jì)軋機(jī)各部件接觸面之間的非接觸間隙對軋機(jī)剛度的影響,因此進(jìn)行厚度控制和輥縫設(shè)定時(shí)主要采用實(shí)測法獲得軋機(jī)的彈性曲線。壓靠法是最常用的實(shí)測法之一。該方法成本低,操作簡便、數(shù)據(jù)測量整理方便等優(yōu)點(diǎn)。軋機(jī)彈跳曲線是輥縫設(shè)定和AG C控制的核心模型,彈跳曲線在某一特定壓力下對應(yīng)的斜率就是該點(diǎn)的軋機(jī)剛度。軋機(jī)剛度可用公來表示：

式中：

K表示剛度;

P表示總軋制力;

g表示彈跳量。

彈跳量與輥縫設(shè)定的關(guān)系可用(3)表示：

式中：

s：預(yù)設(shè)輥縫;

h1：厚板的目標(biāo)出口厚度;

hroll：軋輥?zhàn)冃螏淼暮穸绕?

g：機(jī)架彈跳;

s0kt：軋輥熱凸度帶來的輥縫偏差;

s0kw：軋輥磨損帶來的輥縫偏差;

s0：零點(diǎn)。

由上式可以看出彈跳量越大,預(yù)設(shè)輥縫越小。

2.3.1 寬厚板的自學(xué)習(xí)模型

(1)短期自學(xué)習(xí)。每完成一個(gè)道次軋制后,計(jì)算與該道次機(jī)架相關(guān)的所有設(shè)定值。根據(jù)實(shí)測軋制力、實(shí)測輥縫、實(shí)測彎輥力等參數(shù)計(jì)算出鋼板的實(shí)際出口尺寸。把這些值與實(shí)測值進(jìn)行比較,得到的修正因子,我們稱為短期自學(xué)習(xí)因子。短期自學(xué)習(xí)因子對下一道次進(jìn)行修正。

(2)長期自學(xué)習(xí)。最后一個(gè)道次軋制完成后測厚儀測得鋼板實(shí)測厚度后,輥縫零點(diǎn)將通過比較實(shí)測厚度與厚度模型輸出的計(jì)算厚度得到一個(gè)偏差值,對該偏差進(jìn)行處理后得到自學(xué)習(xí)修正因子,我們稱為長期自學(xué)習(xí)因子。長期自學(xué)習(xí)因子將對下一塊鋼板進(jìn)行修正(開始軋制前)。

2.3.2 輥縫零點(diǎn)及其自學(xué)習(xí)

(1)標(biāo)定零點(diǎn)。這里說的的“零點(diǎn)”是由標(biāo)定過程決定的。在標(biāo)定中,將上下軋輥以某個(gè)速度壓靠在一起,直到達(dá)到一個(gè)特定的壓力。

這就意味著公式(1)的厚度值可以設(shè)為0,零點(diǎn)厚度與厚度計(jì)算公式中所有項(xiàng)之間的差可以用公式3-1計(jì)算。

這個(gè)差值就是“零點(diǎn)”。更精確的講,它是標(biāo)定的零點(diǎn)。在軋制過程中,零點(diǎn)可以通過厚度測量進(jìn)行自學(xué)習(xí)調(diào)整。

(2)零點(diǎn)自學(xué)習(xí)調(diào)整。自學(xué)習(xí)過程是一個(gè)不斷逼近目標(biāo)的過程,其核心思想用數(shù)學(xué)模型來表述,稱為自學(xué)習(xí)算法。通常采用基于梯度的算法,其中最小均方誤差算法(即LMS算法)最為常用。寬厚板軋機(jī)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)模型就是采用該算法。

當(dāng)進(jìn)行厚度測量時(shí),零點(diǎn)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。為了得到厚度計(jì)算公式中的各項(xiàng),需要確定軋制力、軋制速度等和軋輥的熱膨脹、磨損狀態(tài)。所以,零點(diǎn)可以用下面公式修正

ΔS0=klearn*Δh 公式3-2

自學(xué)習(xí)因子klearn的范圍在0-1之間,以保持穩(wěn)定,通常為經(jīng)驗(yàn)值。Δh為厚度偏差。

(3)厚度偏差的計(jì)算。通過比較厚度測量值和厚度計(jì)算公式計(jì)算出的厚度,就可以確定厚度的誤差。

(4)測厚厚度值hmeas的噪聲過濾。每一塊通過測厚儀測量發(fā)送過來的厚度有很多,分布在鋼板的多個(gè)位置,它們的值會(huì)有波動(dòng)較大的偏差,因此我們?nèi)绻褂迷摐y量值,必須要對所有的厚度值進(jìn)行計(jì)算。過濾采用標(biāo)準(zhǔn)偏差方法計(jì)算,然后對所有樣本應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)偏差的若干倍,用于剔除樣本中的噪聲點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)偏差：統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞。一種量度數(shù)據(jù)分散程度的標(biāo)準(zhǔn),用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度,是反映一組測量數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),可用來統(tǒng)計(jì)結(jié)果在某一個(gè)時(shí)段內(nèi)誤差上下波動(dòng)的幅度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,這些值偏離平均值就越少,反之亦然。

式中：

S-標(biāo)準(zhǔn)偏差(%)

n-樣本總數(shù)或測量次數(shù),一般n值不應(yīng)少于20-30個(gè)xi-樣本值

i-標(biāo)識(shí)第i個(gè)樣本,取值1～n;

用過濾后的測量值減去厚度模型的計(jì)算值,得到厚度偏差,最終計(jì)算出可以修正厚度的零點(diǎn),得到一個(gè)更加精確的厚度計(jì)算值。

3 優(yōu)化后模型應(yīng)用效果分析

根據(jù)對寬厚板厚度影響參數(shù)研究分析,對軋制模型進(jìn)行優(yōu)化處理,經(jīng)投入運(yùn)行后,帶鋼成品技術(shù)指標(biāo)控制達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)線技術(shù)指標(biāo)要求,厚度控制模型精度得到有效提高,產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足客戶需求,贏得市場份額。軋鋼數(shù)學(xué)模型研究學(xué)無止境,需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)一步研究和深化提升,產(chǎn)品質(zhì)量將會(huì)有更大的提升空間。

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