Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование основных методов регулирования толщины полосы 19
1.1. Исследование девиации модулей жесткости клети и полосы 24
1.2. Регулятор толщины на основе метода Головина-Симса 32
Выводы 50
2. Разработка и исследование адаптивного регулятора толщины полосы в клети 51
2.1. Разработка и теоретическое исследование нового способа регулирования толщины полосы в клети 51
2.2. Разработка и экспериментальное исследование регулятора толщины в клети с двумя каналами измерения толщины ... 63
2.2.1. Структура системы и принцип действия... 63
2.2.2. Исследование системы на аналоговой моделирующей установке 74
2.2.3. Регулирующие свойства канала компенсации возмущения 78
2.2.4. Аварийные режимы канала компенсации возмущений Ь1
2.2.5. Работа контуров автоподстройки 84
2.2.6. Регулирующие свойства канала регулирования по отклонению titi
2.2.7. Совместная работа канала компенсации возмущения и канала регулирования по отклонению 90
Выводы 98
3. Регулирование толщины по показаниям измерителя толщины запоследней чистовой клетью 99
3.1. Статические режимы системы регулирования по отклонению выходной толщины 100
3.2. Распределение коррекции по клетям 107
3.3. Динамические режшлы регулирования толщины по показаниям измерителя за последней чистовой клетью 112
3.4. Регулирование, толщины по сигналам системы коррекции... 122
3.5. Компенсация всплывания валков 132
Выводы 144
4. Регулирование толщины полосы в отрицательном поле допусков 145
4.1. Краткий анализ известного метода регулирования толщины в отрицательном поле допусков 145
4.2. Прогнозирование дисперсии толщины полосы на выходе стана по температуре подката 148
4.3. Разработка математических моделей и алгоритмов регули рования толщины в отрицательном поле допусков 159
Выводы 163
5. Внедрение систем автоматического регулирования толщины на отечественных станах и за рубеком 164
5.1. Краткая характеристика внедренных систем автоматического регулирования толщины и оценка их эффективности 166
5.2. Краткая характеристика регулятора толщины с двумя каналами измерения 196
Заключение 201
Литература 204
Приложения 216
- Регулятор толщины на основе метода Головина-Симса
- Разработка и экспериментальное исследование регулятора толщины в клети с двумя каналами измерения толщины
- Распределение коррекции по клетям
- Прогнозирование дисперсии толщины полосы на выходе стана по температуре подката
Введение к работе
Интенсивное развитие народного хозяйства СССР, направленное директивами ХХУІ съезда КПСС, испытывает острую потребность в металле. Особенно это касается производства горячекатаного листа. Лист находит широкое применение в машиностроительной, электротехнической, химической и других отраслях промышленности. Одним из основных показателей качества листовой продукции является точность геометрических размеров. При нарушении геометрических размеров листов и полос снижается выход годного металла, увеличиваются затраты ручного труда, ухудшаются эксплуатационные свойства машин и механизмов.
Одним из наиболее важных факторов, определяющих качество горячекатаных полос, является продольная разнотолщинность.Точность геометрических размеров листов и полос регламентируется стандартами и техническими условиями, определяющими границы изменения каждого параметра. Приближение к нижней границе минусового допуска толщины полосы на 0,01 мм дает экономию около 3000 тонн металла в год на один миллион тонн проката /7/. Снижение продольной разно-толщинности является одним из основных источников экономии / 5, 21/. Особенно ощутимо проявляется эффект прокатки в отрицательном поле допусков дорогостоящих металлов, например, аллюминия и его сплавов. Горячекатаные полосы, являющиеся исходным материалом для станов холодной прокатки, существенно влияют на качество и затраты на получение холоднокатаного листа, идущего на удовлетворение потребностей машиностроительной и электротехнической промыш-ленностей. В силу этого, при автоматизации прокатного производства исключительно важное значение имеют разработка и внедрение в производство системы автоматического регулирования толщины полосы.
Разработке систем автоматического регулирования толщины придается большое значение как у нас в стране, так и за рубежом. Созданием систем автоматического регулирования толщины занимаются многие ведущие фирмы, например: Хитачи / 104 / (Япония),Genezaf &eotiic /109/ Ufestinacyc/se &ectiie&{ Cotpobcrtion /НО, III/ (США), Siemens /Ю7/ i YY)% У C/mtec/ /106/, JoevTy Я обе it son /Ю8/ (Англия) и др.
В Советском Союзе проблемами регулирования толщины полосы занимается ряд организаций, которые внесли весомый вклад в развитие теории станов как объектов автоматизации и провели обширные исследования: ЕНИИЖШАШ /II, 12, 36/, МЙСиС /48, 58, 59, 60/, Инсти -тут автоматики /4, 20, 25, 28, 52/, ШИИАчермет /64, 65, 66, 67, 68/, ДОННИИчермет /8, 21, 22, 53, 55/, ДМЕТИ /49/ и др.
Работы были начаты в середине 50-х годов, а в конце 60-х годов были разработаны первые промышленные образцы систем регулирования толщины полосы (САРТ) /18, 33/.
Институтом проблем управления была разработана и внедрена на станах 1450 и 2500 ММК система регулирования толщины с самонастраивающейся программой /7, 3% В процессе прокатки полосы методами статистической обработки разнотолщинности по длине полосы выделялась закономерная составляющая, привязанная, соответственно, к длине полосы (снимался портрет разнотолщинности по длине полосы) и запоминалась для последующих полос. В процессе прокатки следующей полосы на входы позиционных систем нажимных винтов каждой клети счетнорешающее устройство в соответствии с портретом выдавало программу перемещений. Корректирующие обжатия состоят из ряда последовательных команд. Каждая команда относится к определенному участку длины прокатываемой полосы, к которому необходимо приложить соответствующее управляющее воздействие для компенсации разнотолщинности. Команды выдавались на каждую последующую клеть со сдвигом согласно движению полосы и с соотношением обжатий, пропорциональным вытяжкам по клетям.
Основным серьезным недостатком систем управления толщины такого типа является то, что они являются разомкнутыми системами, не-имеющими обратной связи для контроля результатов работы. Если обратиться к реальному процессу, то становится очевидным, что портреты следующих друг за другом полос существенно отличаются:имеется значительный сдвиг по фазе, не говоря уже о несоответствии амплитуд основных возмущений.
Принцип работы, заложенный в этой системе, хорошо оправдывает себя на сравнительно небольших участках полосы, которые могут быть четко зафиксированы, и находит широкое применение при программном обжатии концов полосы.
ЛенПЭО ШИИПЭМ разработана и внедрена система автоматического регулирования толщины на станах 1700 Череповецкого и Челябинского металлургических заводов. Основой системы является следующее.
На начале первой полосы запоминается усилие прокатки и служит эталоном при последующих измерениях. Результат сравнения выдается в регулятор натяжения в последнем межклетевом промежутке (толщина корректируется посредством изменения натяжения). Система по выдаче управляющего воздействия имеет три диапазона: при превышении первого диапазона (второй диапазон) управляющее воздействие выдается в системы регулирования натяжений в предыдущих межклетевых промежутках, при превышении второго диапазона (третий диапазон) управляющее воздействие выдается на нажимные винты последней клети. Как видно из приведенного описания принципа работы эта система может дать хорошие результаты только в зоне малых отклонений и по своему принципу больше подходит для регулирования другого важ - 7 ного параметра (ширина) полосы в сочетании с другими методами измерения (ширина на входе и выходе стана, температура в межклетевых промежутках и др.).
Характерным примером является система регулирования толщины, использующая отклонение текущей температуры подката от заданной, внедренная на стане 1450 ММК /55/. Текущее отклонение температуры запоминается и через соответствующие интервалы времени и весовые коэффициенты выдается в позиционные системы нажимных винтов. Недостатки этого метода очевидны и поэтому он применяется в основном для компенсации разброса средних температур начальных участков полос в пределах партий.
Ускорение чистовой группы клетей с металлом в валках увеличивает работу деформации (компенсируются потери тепла полосой), уменьшает время теплообмена между полосой и окружающей средой. Этот метод позволяет значительно снизить раэнотолщинность по длине полосы, вызванную температурным трендом. Однако назначение этого метода другое - стабилизация температуры конца прокатки /13, 14, бб, 67/ - поэтому самостоятельного значения для регулирования толщины он не получил. Он дает хорошие результаты в сочетании с другими методами регулирования толщины.
Перечисленные методы в сочетании друг с другом дают хорошие результаты, если однозначно установлены передаточные коэффициенты, связывающие измеряемый параметр с отклонениями толщины.
Наиболее точную информацию о толщине полосы дают измерители толщины, устанавливаемые на выходе стана. Регуляторы толщины, основанные на этом способе, дают хорошие результаты при компенсации низкочастотных возмущений - износ и нагрев валков, начальная ошибка в настройке клетей на прокат данного профилеразмера полос. Этот метод является неотъемлемой частью современных систем авто - 8 матического регулирования толщины полосы.
Имеются и другие способы воздействия на толщину полосы. Например, изменяют расход охлаждающей жидкости, подаваемой на полосу перед клетью в функции отклонения усилия прокатки в клети от заданного. Но назначение душирования полосы в межклетешх промежутках - повышение производительности стана и получение заданных физико-механических свойств металла полосы. Оно может быть использовано для компенсации некоторых типов возмущений на определенных марках металла.
Обилие перечисленных выше методов регулирования толщины не случайно и, как видно из приведенного, связано с частными случаями возмущений, определяющими конкретный вид разнотолщинноети прокатываемой полосы.
Наиболее широкое распространение получили регуляторы толщины полосы в клети, использующие косвенный метод измерения толщины в очаге деформации по раствору ненагруженных валков и упругому растяжению клети (метод Головина-Симса). На этом методе построено большинство регуляторов толщины полосы в клети, работающих как на отечественных, так и на зарубежных станах.
Достоинством его является относительная простота,возможность измерять толщину в очаге деформации без запаздывания.
Большой вклад в теорию и практику создания регуляторов с косвенным измерением толщины полосы в клети для отечественных станов внесли работы, выполненные Институтом автоматики /6, 22, 24, 25, 26, 27/, ВНИИАчерметом /60/, НИИКЭ /7/ и др.
Разработка новых измерительных средств, таких, как датчики расстояния между подушками рабочих валков и клетей специальных конструкций, обеспечивающих их установку и надежную защиту от механических повреждений, позволило создать регуляторы с косвен - 9 ным методом измерения раствора нагруженных валков /95, 96, ПО/.
Регулирование толщины в клети осуществляется посредством стабилизации межвалкового зазора. Управляющее воздействие, получен -ное тем или иным путем, выдается в исполнительные механизмы, в качестве которых используются гидропривод, электропривод нажимных винтов или их комбинация. Оба источника силового воздействия имеют свои преимущества и недостатки.
Гидравлические исполнительные устройства обладают высоким быстродействием и способны значительно снизить динамическую погрешность толщины полосы. Ряд станов за рубежом оснащен гидравлическими системами управления межвалкового зазора /14, 45, 46, 105, 108/. В Советском Союзе разработана и внедрена НИИКЭ и НКМЗ трехконтурная гидравлическая система стабилизации толщины на узкополосном стане 810 Новосибирского металлургического завода /7, 54, 63/. Однако, гидравлические силовые системы не смогли вытеснить системы с электроприводом нажимных винтов. Это объясняется сложностью эксплуатации и конструкций гидроприводов, требующих высокой чистоты масла для гидросистем, больших давлений рабочей жидкости (до 32 МПа), высокой точности изготовления гидроцилиндров и плунжеров, а также специальных уплотнений, предотвращающих утечку масла.
Электроприводы нажимных винтов просты в эксплуатации, надежны, их работа практически не зависит от внешних условий. Они позволяют обеспечить перестройку нажимных винтов практически в любом диапазоне. К существующим недостаткам электроприводов относятся их низкий коэффициент полезного действия, наличие люфтов в кинематических передачах к нажимному винту, повышенный износ механизмов нажимных устройств, ограниченное быстродействие. Однако, несмотря на недостатки, электромеханические нажимные устройства продолжают широко применяться при разработке новых широкополосных станов как в СССР так и за рубежом.
Большинство широкополосных станов горячей прокатки в Советском Союзе оснащены электроприводами нажимных винтов. Электромеханическое регулирование толщины полосы в настоящее время не утратило актуальности. К таким системам можно отнести системы автоматического регулирования толщины полосы ШИИАчермет для стана 1700 Карагандинского меткомбината, САРТ для стана 2000 Череповецкого метзавода, разработанную фирмой Siemens .
Институт автоматики приступил к созданию систем автоматичес -кого регулирования толщины полосы в начале 60-х годов. В середине 60-х годов при непосредственном участии автора были разработаны и опробованы системы САРТ на стане 1700 завода имени Ильича в городе Жданове и на стане 1680 завода "Запорожсталь", для которых была разработана релейная система управления электроприводами на -жимных винтов /79, 38, 51, 52/.
В конце 60-х годов Институтом автоматики была создана система автоматического регулирования толщины САРТ-3 на современной элементной базе типа УБСР, разработанной ШИИэлектроприводом, для станов 1700 СР Румынии, 2000 ШШК. ШИИМЕТМАШем и НКМЗ создано механооборудование станов с учетом автоматизации. ГНИ ТПЭП, УГПИ ТЭП, ШИИэлектроприводом, МЭИ и др. разработаны и запущены в серийное производство современные системы автоматизированного тиристорного электропривода. ВНИИМЕТМАШем создана система управления скоростными режимами прокатки (САУС), а ШИИэлектроприводом -система автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевых промежутках (САРН). В 1969 году САРТ-3 была поставлена на станы 1700 СР Румынии и 2000 НЛМК. В 197I году система была введена в промышленную эксплуатацию на стане 1700 СР Румынии соглас - II но контракту. В 1975 году САРТ-3 была внедрена на стане 2000 НЛМК, с учетом опыта, полученного на стане 1700 GP Румынии, которая имеет устройство компенсации скоростного эффекта с автоматической подстройкой передаточного коэффициента /77, 76/. Разрезание полосы на части в процессе прокатки заставило доработать РТ /83/. Для прокатки полос толщиной 1,2 1,8 мм потребовалось разработать устройство для стабилизации усилия прокатки в двух последних клетях стана /79/.
Модернизированная система автоматического регулирования толщины полосы САРТ-ЗМ внедрена на стане 2500 ММК в 1981 году. Для увеличения точности регулирования в РТ модернизирован узел формирования управляющего сигнала, выдаваемого в систему управления электроприводами нажимных винтов /8$% S?/ , усовершенствован узел фильтрации эксцентриситета опорных валков /93/. Система САРТ-ЗМ на стане 2500 ММК работает совместно с вычислительным комплексом (ВК) на базе М-7000, внедренном в 1983 году.
Для стана 1700 HP Болгарии разработана и поставлена система автоматического регулирования толщины полосы, выполненная на современной элементной базе типа КТС ЛЙУС-2 на микромодульной основе.
Система типа САРТ-ЗМ обладает высокой точностью регулирования. Стандартное отклонение толщины полос составляет 0,023 0,025 мм. На отдельных сортаментах при жестком соблюдении технологического процесса удается получить партии полос с меньшей разнотолщинностью (стандартное отклонение 0,02 мм). Достигнутая точность регулирования для систем, использующих метод Головина-Симса, практически является предельной.
Современных потребителей горячекатанного листа уже не удовлетворяет достигнутое качество. Для стана 2000 КраМЗ горячей прокатки алюминия и его сплавов требуется САРТ, обеспечивающая прокат полос, имеющих стандартное отклонение толщины не более 0,02 мм.
Таким образом, проблема регулирования продольной толщины остается актуальной как с точки зрения обеспечения качественных пока -зателей, так и экономии металла.
Современные системы автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) содержат регуляторы толщины полосы в каждой клети,использующие косвенный метод измерения Головина-Симса, систему ав -томатической коррекции толщины (регулятор абсолютной толщины) по показаниям на выходе стана, регулятор компенсации скоростного эффекта и способны обеспечивать прокатку полос в отрицательном поле допусков.
Регуляторы толщины полосы в клети, использующие метод Головина-Симса, хорошо изучены /6,14,24,25,32,44,51,65,68/. Наиболее детально исследования сделаны в работах /14,24/, в которых показана высокая чувствительность данного типа регулятора к девиации коэффици -ента настройки, исследован спектр частот возмущений со стороны полосы и клети, даны рекомендации по выбору фильтра высоких частот. В работе /14/ делают поправку передаточного коэффициента канала измерения усилия прокатки по усилию. Из литературных источников /24,25/ известно, что регуляторы толщины, основанные на методе Головина-Симса, усиливают естественную разнотолщинность, определяемую возмущениями со стороны клети. Им присуща положительная связь по усилию прокатки, что определяет их высокую чувствительность к изменениям коэффициента настройки и, при наличии постоянной времени в канале измерения усилия, существенно ухудшает их динамические характеристики. В работе /14/ делается также подстройка передаточного коэффициента канала измерения усилия прокатки по ширине полосы и скорости ее движения.
В отечественных и зарубежных литературных источниках не освещены вопросы, связанные с гистерезисом кривой упругой деформации прокатной клети, и настройкой регулятора в динамике.
Система автоматической коррекции толщины полосы, применяемая практически на всех современных широкополосных станах горячей прокатки, является регулятором по отклонению, имеющим астатизм первого порядка и содержащим большое транспортное запаздывание /11,15/. Для получения максимального быстродействия и хорошей устойчивости используется импульсный метод регулирования. Система имеет специальный узел расчета усредненного отклонения толщины на участке полосы заданной длины и устройство распределения управления по клетям. Имеется два варианта выдачи управляющего воздействия. В первом случае при малых отклонениях толщины полосы на выходе стана выдается только на последние клети, а при больших -на все. Во втором случае управление выдается на все клети сразу, независимо от величины отклонения. Предпочтение отдается второму варианту, так как при этом меньше искажается форма полосы /24,28/. В работе /28,26/ рассмотрен вопрос адаптации передаточного коэффициента системы коррекции. Анализ литературных источников /11,15, 24,25,30,44,48,66/ показывает, что в настоящее время недостаточно освещены вопросы, связанные с выбором скважности импульсов регулирования, влиянием системы коррекции на продольную разнотолщин-ность в процессе прокатки, нет обоснования применения адаптации передаточных коэффициентов.
Компенсация влияния скоростного эффекта на продольную разно-толщинность осуществляется двумя способами, заключающимися в следующем.
При первом способе компенсация скоростного эффекта производится непосредственно в каждой клети стана. Для этого используют известные эмпирические зависимости изменения толщины от скорости и усилия прокатки, например /72/, получают линеаризованные зависимости и, измеряя скорость и усилие прокатки, вырабатывают уп - 14 равляющее воздействие /50/. Однако этот способ не позволяет полностью компенсировать изменение скорости прокатки на продольную разнотолщинность, так как передаточные коэффициенты зависят от многих переменных и значительно изменяются в процессе прокатки даже одной полосы. Отсутствие непосредственного контроля толщины полосы в клети затрудняет применение средств адаптации. При втором способе /26,27,30,54/ измеряется скорость прокатки полосы на выходе стана и вырабатывается управляющий сигнал, который распределяется между клетями. Этот вариант более предпочтителен, так как легко позволяет подстраивать передаточный коэффициент непосредственно в процессе прокатки. Однако, в литературных источниках не имеется сведений о применении методов адаптации при использовании этого способа.
Важным свойством современной системы автоматического регулирования толщины полосы является ее способность обеспечить прокатку полос с толщиной, максимально приближенной к нижней границе допуска. Для систем автоматического регулирования толщины полосы разработано и исследовано несколько методов, позволяющих вести прокатку в отрицательном поле допусков. Все эти методы основаны на статистических оценках толщины полосы на выходе стана и последующем изменении уставок толщины системам регулирования и отличаются в деталях /7,16,17,36,55,69/. Недостатком этих методов является то, что дисперсия толщины определяется, когда полоса вышла из чистовой группы клетей. Для изменения уставок GAPT необходимо применять осторожную стратегию, так как не исключено получение незаказной продукции, что приводит к недоиспользованию отрицательного поля допусков.
Целью данной работы является создание адаптивной системы автоматического регулирования толщины полосы, способной удовлетворить по качеству потребителей горячекатаного листа и обеспечить максимум выхода годной продукции.
В данной работе поставлена задача устранить по мере возмож -ности указанные выше недостатки на основании исследований существующих и разработки новых методов регулирования.
Для этого необходимо:
исследовать влияние девиации передаточных коэффициентов объекта на точность регулирования толщины полосы в клети по известному методу Головина-Симса;
исследовать регулятор толщины полосы в клети, использующий метод Головина-Симса, в статических и динамических режимах с целью получения рекомендаций по настройке его передаточных коэффициентов в процессе прокатки;
разработать новый метод регулирования толщины полосы в клети, исключающий применение инерционных фильтров в канале измерения усилия прокатки с целью подавления сигнала эксцентриситета валков в управляющем сигнале, и на его основе разработать регулятор, инвариантный к возмущениям со стороны полосы и нечувствительный к возмущениям со стороны клети;
исследовать систему автоматической коррекции толщины полосы для получения рекомендаций по настройке ее параметров и построению структуры, обосновать применение средств адаптации, создать адаптивный регулятор компенсации скоростного эффекта при переменной скорости прокатки;
разработать новый метод и на его основе создать математические модели и алгоритмы для специального математического обеспе -чения вычислительного комплекса, позволяющеговести прокатку каждой полосы с толщиной,максимально приближенной к нижней границе допуска.
Регулятор толщины на основе метода Головина-Симса
Современные системы автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) содержат регуляторы толщины полосы в каждой клети,использующие косвенный метод измерения Головина-Симса, систему ав -томатической коррекции толщины (регулятор абсолютной толщины) по показаниям на выходе стана, регулятор компенсации скоростного эффекта и способны обеспечивать прокатку полос в отрицательном поле допусков.
Регуляторы толщины полосы в клети, использующие метод Головина-Симса, хорошо изучены /6,14,24,25,32,44,51,65,68/. Наиболее детально исследования сделаны в работах /14,24/, в которых показана высокая чувствительность данного типа регулятора к девиации коэффици -ента настройки, исследован спектр частот возмущений со стороны полосы и клети, даны рекомендации по выбору фильтра высоких частот. В работе /14/ делают поправку передаточного коэффициента канала измерения усилия прокатки по усилию. Из литературных источников /24,25/ известно, что регуляторы толщины, основанные на методе Головина-Симса, усиливают естественную разнотолщинность, определяемую возмущениями со стороны клети. Им присуща положительная связь по усилию прокатки, что определяет их высокую чувствительность к изменениям коэффициента настройки и, при наличии постоянной времени в канале измерения усилия, существенно ухудшает их динамические характеристики. В работе /14/ делается также подстройка передаточного коэффициента канала измерения усилия прокатки по ширине полосы и скорости ее движения.
В отечественных и зарубежных литературных источниках не освещены вопросы, связанные с гистерезисом кривой упругой деформации прокатной клети, и настройкой регулятора в динамике. Система автоматической коррекции толщины полосы, применяемая практически на всех современных широкополосных станах горячей прокатки, является регулятором по отклонению, имеющим астатизм первого порядка и содержащим большое транспортное запаздывание /11,15/. Для получения максимального быстродействия и хорошей устойчивости используется импульсный метод регулирования. Система имеет специальный узел расчета усредненного отклонения толщины на участке полосы заданной длины и устройство распределения управления по клетям. Имеется два варианта выдачи управляющего воздействия. В первом случае при малых отклонениях толщины полосы на выходе стана выдается только на последние клети, а при больших -на все. Во втором случае управление выдается на все клети сразу, независимо от величины отклонения. Предпочтение отдается второму варианту, так как при этом меньше искажается форма полосы /24,28/. В работе /28,26/ рассмотрен вопрос адаптации передаточного коэффициента системы коррекции. Анализ литературных источников /11,15, 24,25,30,44,48,66/ показывает, что в настоящее время недостаточно освещены вопросы, связанные с выбором скважности импульсов регулирования, влиянием системы коррекции на продольную разнотолщин-ность в процессе прокатки, нет обоснования применения адаптации передаточных коэффициентов.
Компенсация влияния скоростного эффекта на продольную разно-толщинность осуществляется двумя способами, заключающимися в следующем. При первом способе компенсация скоростного эффекта производится непосредственно в каждой клети стана. Для этого используют известные эмпирические зависимости изменения толщины от скорости и усилия прокатки, например /72/, получают линеаризованные зависимости и, измеряя скорость и усилие прокатки, вырабатывают уп - 14 равляющее воздействие /50/. Однако этот способ не позволяет полностью компенсировать изменение скорости прокатки на продольную разнотолщинность, так как передаточные коэффициенты зависят от многих переменных и значительно изменяются в процессе прокатки даже одной полосы. Отсутствие непосредственного контроля толщины полосы в клети затрудняет применение средств адаптации. При втором способе /26,27,30,54/ измеряется скорость прокатки полосы на выходе стана и вырабатывается управляющий сигнал, который распределяется между клетями. Этот вариант более предпочтителен, так как легко позволяет подстраивать передаточный коэффициент непосредственно в процессе прокатки. Однако, в литературных источниках не имеется сведений о применении методов адаптации при использовании этого способа.
Разработка и экспериментальное исследование регулятора толщины в клети с двумя каналами измерения толщины
Упрощенная блок-схема показана на рис. 2.5. Система содержит датчик усилия прокатки (ДУ), датчик раствора рабочих валков (ДР), два узла сравнения (УСІ, УС2), основной фильтр эксцентриситета, определяемый структурой самой схемы и названный условно (Ш Э), узел параметрической подстройки (УППІ), канал компенсации возмущения, позиционную систему электромеханического нажимного устройства (ПСЭМНУ), узел параметрической подстройки (УПП2) регулирования раствора, позиционную систему гидравлического нажимного устройства (ПСГНУ), два вспомогательных фильтра эксцентриситета (ШЭ1 и ВФЭ2), узел вычисления поправки по жесткости полосы УШІ и узел вычисления поправки по податливости клети .
Таким образом, при точной оценке жесткости полосы ty и податливости клети К канал регулирования по возмущению обеспечивает полную инвариантность от возмущений со стороны полосы, но сохраняет естественным влияние возмущений со стороны клети.
Оценка этих параметров ( с и с ) осуществляется в процессе прокатки полосы с помощью двух вспомогательных фильтров ВЭ1 и ВВЭ2 и двух узлов вычисления поправок УВПІ, УВП2.
Первый вспомогательный фильтр разделяет низкочастотную и высокочастотную составляющие сигнала Fy , второй вспомогательный фильтр разделяет составляющие сигнала лА .
В случае идеальной настройки основного фильтра эксцентриситета и канала компенсации возмущений первый фильтр должен иметь нулевой сигнал на высокочастотном выходе, а второй фильтр - на низкочастотном выходе. При этом на других выходах фильтров сигналы должны присутствовать.
Узел вычисления поправки по Л . и Л К содержит в себе умножитель и интегратор. Принцип действия узла заключается в синхронном детектировании основного сигнала с помощью опорного и интегриро - 67 ванного результата детектирования. Для узла вычисления поправки на жесткость полосы УВПІ основным сигналом является высокочастотная составляющая выходного сигнала основного фильтра эксцентриситета, а опорным сигналом - высокочастотная составляющая выходного сигнала датчика раствора рабочих валков. Для узла вычисления поправки на податливость клети УВП2 основным сигналом является низкочастотная составляющая выходного сигнала датчика раствора валков, а опорным сигналом - низкочастотная составляющая выходного сигнала узла выделения возмущений со стороны подката.
Процесс интегрирования прекращается при условии, если основной сигнал равен нулю, это означает, что поправка вычислена. Канал компенсации возмущения не устраняет влияния эксцентриситета валков на толщину полосы. Однако, при жестких требованиях к толщине полосы подавлять эксцентриситет опорных валков становится необходимым. Для этой цели прокатные клети оснащаются гидравлическими нажимными устройствами и появляется возможность организации дополнительного контура регулирования по отклонению. Этот контур состоит из датчика раствора валков (ДР), узла сравнения текущего раствора с уставкой (УС2), узла параметрической подстройки (УПП2), регулятора толщины (РТ) и позиционной системы гидравлического устройства (ІШ).
Если исходить из классических законов построения систем подчиненного регулирования, то в контуре регулирования по отклонению должен быть интегральный регулятор, причем постоянная времени интегрирования внешней цепи должна быть равна удвоенному значению постоянной времени позиционной системы (2 Тгп). Однако, возможно более простое решение. Оно базируется на том, что позиционный контур ШУ можно выполнить с меньшим быстродействием. Для цепей позиционирования достаточно, чтобы переходный процесс заканчивался за 0,2 0,4 с. При этом имеется возможность организовать внешнюю жесткую обратную связь по раствору валков, т.е. применить пропорциональный регулятор толщины полосы.
Вспомогательные фильтры эксцентриситета ШЭ1 и В$Э2 являются замкнутыми интеграторами в прямых ветвях. Параметры фильтров подбираются экспериментально с таким расчетом, чтобы при максимальных возмущениях их элементы находились в номинальных режимах. С выхода интегратора снимается низкочастотная составляющая входного сигнала, а с выхода элемента сравнения - высокочастотная.
Узлы поправок (по жесткости полосы УВПІ и податливости клети УВП2) представляют собой последовательные цепи из множительного блока, интегратора и нелинейного элемента типа "Люфт". Постоянные интегрирования подбираются экспериментально с таким расчетом, чтобы при максимальном опорном сигнале переходный процесс в контуре самонастройки был оптимальным. При меньших опорных сигналах переходный процесс будет несколько затянут. Зависимость длительности переходного процесса в функции от величины опорного сигнала показана на рис. 2.7. Нелинейные элементы типа "Люфт" вводятся для того, чтобы исключить проникновение высокочастотных составляющих со стороны узлов вычисления поправок в канал компенсации возмущения.
Распределение коррекции по клетям
В процессе прокатки полос при работе системы коррекции толщины изменяются настроечные параметры чистовой группы клетей. В результате изменения уставок нажимных винтов изменяются секундные объемы металла в клетях, что вносит дополнительные возмущения в систему автоматического регулирования натяжения полосы в межклетевых промежутках, изменяются и перераспределяются усилия в клетях, что может неблагоприятно сказаться на профиле и форме полосы на выходе чистовой группы. При работе системы коррекции накладываются следующие ограничения на управляющие воздействия, выдаваемые в клети.
Дополнительные приращения усилий по клетям не должны превышать значений, при которых уже наблюдаются изменение профиля и искажение формы полосы, не должны приводить к перегрузкам клетей по усилиям прокатки.
Рассмотрим некоторые законы распределения корректирующих воздействий по клетям. При прокатке полос со сравнительно небольшой жесткостью (обычно полосы толщиной свыше 5 мм при о = 10 Ш/мц) можно использовать при выборе коэффициентов распределения управляющих воздействий по клетям закон равенства приращений секундных объемов металла в клетях (скорости прокатки в клетях останутся неизменными).
Определим изменение усилий прокатки в клетях при полученном соотношении коэффициентов распределения. При наличии регуляторов толщины в клетях взаимозависимы последовательно только две рядом стоящие клети.
При этом законе коэффициентов распределения сигналов коррекции значительно загружаются первые клети, поэтому он применим для прокатки полос толщиной более 4 мм с жесткостью в последних клетях СУ 12 МН/мм. При этом закон распределения коррекции системы регулирования толщины, стабилизация натяжения и управление скоростными режимами оказывают друг на друга наименьшее влияние с точки зрения регулирования продольной толщины и ширины полосы.
Как видно из выражений (3.26), (3.27) это условие на практике является невыполнимым на жестких полосах и следует рассматривать все клети в целом. При этом факте положение нарушается. Исследованиями установлено, что наиболее приемлемым является распределение по клетям сигнала коррекции представленное в таблице 3.1, которое установлено операторами в течении десятилетий работы станов горячей прокатки.
Однако, на полосах толщиной 5 12 мм можно рекомендовать распределение коррекции, пропорциональное скоростям прокатки полосы в клетях. Чтобы подтвердить или улучшить законы распределения по клетям (принятые операторами) необходимо провести тщательные исследования.
Рассмотрим две стоящие рядом клети при подаче на первую из них ступенчатого сигнала, причем для второй возмущением является изменение толщины за первой клетью. Предположим, что регуляторы толщины полностью скомпенсированы, имеют одинаковые позиционные системы и каналы измерения, отличаются только жесткостью полосы в клетях.
Рассмотрим процесс регулирования толщины по отклонению, полагая, что время переходного процесса в последней активной клети значительно меньше времени транспортного запаздывания (постоянная времени регулятора толщины последней активной клети много меньше времени движения полосы от нее до точки измерения). При наличии большого транспортного запаздывания для коррекции толщины имеет смысл применить импульсный метод регулирования. При этом, на участке полосы заданной длины определяется усредненное отклонение толщины, обрабатывается и управляющий сигнал выдается для исполнения в регуляторы толщины полосы в клетях. Следующий цикл измерения проводится по истечении времени, равном времени движения полосы от последней активной клети до толщиномера. Применение импульсного метода позволяет получить устойчивую систему регулиро -вания с высоким быстродействием. В предельном случае время исправления ошибки в толщине стремится к Т , в то время как в линейной системе ее постоянная времени должна быть не меньше, чем 2 Т , для получения устойчивого процесса регулирования.
Процесс регулирования можно представить следующим образом. Полоса условно разбивается на /V отрезков, каждый из которых состоит из двух участков. На первом участке (и ) определяют среднее отклонение толщины. Длина второго участка ( 6 паузы) равна расстоянию от последней активной клети до измерителя толщины.
Прогнозирование дисперсии толщины полосы на выходе стана по температуре подката
Изложенное в предыдущем параграфе показывает, что существующие методы регулирования толщины в отрицательном поле допусков хотя и позволяют существенно увеличить выход годного, однако, из-за того, что имеется оценка только одного конечного параметра, оставляют неиспользованный резерв экономии металла.
Анализ, проведенный в работах /17/, /43/, /55/ показывает,что толщина полосы на выходе стана имеет высокую степень корреляции с температурой подката. Относительный коэффициент взаимной корреляции составляет 0,6 - 0,9, что позволяет считать температурные возмущения основными в разнотолщинности полосы на выходе стана.
Одним из слагаемых является разнотолщинность, определяемая температурой подката Д" . Второе слагаемое результат остальных возмущений, поступающих со стороны полосы (наследственная разнотолщинность, неоднородность структуры металла, колебания межклетевых натяжений и т.д.) и со стороны клети (нагрев и износ валков, эксцентриситет и всплывание опорных валков, изменение коэффициента жесткости клети и т.д.)
Таким образом, определив взаимокорреляционную функцию температуры подката и толщины на выходе стана при нулевом сдвиге и зная дисперсию температуры подката, можно определить коэффициент, связывающий эти параметры.
Реализация этой функции на аналоговой технике хотя и возможна, однако, нецелесообразна из-за громоздкости технического решения. Температура подката определяется до входа в чистовую группу клетей стана, где формируется толщина. Полоса, прокатанная из него, появляется на выходе спустя длительное время. Чтобы хранить температурный портрет подката и соответствующий ему портрет разно -толщинности полосы на выходе стана требуется большой объем памяти (или создание линии задержки на длительное время).
Прогнозируемое среднеквадратичное отклонение толщины, определяемое температурой подката, позволяет не только скорректировать задание системе коррекции (регулирование толщины по показаниям измерителя толщины за последней чистовой клетью), но и заблаговременно, соответствующим образом, перестроить нажимные винты так, чтобы каждая полоса была прокатана с учетом ее индивидуальных особенностей по разнотолщинности.
При таком подходе среднюю толщину каждой полосы можно приблизить к нижней границе допуска. Однако, температурный процесс на входе в чистовую группу рассматривался как стационарный, что приводит к значительному завышению прогнозируемой дисперсии толщины полосы на выходе чистовой группы, В действительности прокатка ведется во времени и температура данной точки полосы не остается постоянной.
При отсутствии системы регулирования толщины он является источником разнотолщинности полосы на выходе чистовой группы (проявляется как монотонное нарастание толщины от начала к концу полосы). В настоящее время станы горячей прокатки оснащаются системами регулирования технологических параметров. Системы регулирования толщины можно рассматривать как низкочастотные фильтры, устраняющие низкочастотную разнотолщинность полосы на выходе стана. Они существенно нарушают корреляционную зависимость между входным возмущением (температурой подката) и выходным сигналом (разнотолщинность на выходе стана). Для установления взаимосвязи между вторым центральным моментом температуры подката с оценкой дисперсии выходной толщины необходимо учесть временной тренд.
Таким образом, уравнение (4.25) выродилось в обычное уравнение для определения дисперсии. Второй член полученного выражения при А/& 20 представляет собой квадрат математического ожидания температуры подката.
Рассмотрим более общий случай, когда закон изменения тренда неизвестен и носит случайный низкочастотный характер. Задача прогнозирования уставки системы коррекции толщины и коррекции начальных межвалковых зазоров усложняется. G высокой точностью она может быть решена применением методов спектрального анализа, однако, она требует значительного объема памяти и машинного времени. Задача становится практически неприемлемой для регулирования в реальном масштабе времени, так как применение отдельного вычислительного комплекса нецелесообразно по экономическим соображениям, а размещение ее в вычислительном комплексе, управляющим чистовой группой клетей невозможно, из-за больших затрат машинного времени и памяти.
Как упоминалось выше, система регулирования толщины является низкочастотным фильтром, обладающим присущей системе полосой подавления низких частот. В принципе, колебания температуры подката, частотный спектр которых укладывается в полосу подавления возмущений, на каждом отдельном участке можно представить временным ли -нейным трендом. В этом случае задача прогнозирования дисперсии выходной толщины по температуре подката, с целью своевременного изменения уставки системе коррекции толщины и коррекции нажимных винтов, значительно упрощается и становится реализуемой для работы в реальном масштабе времени.
