[发明专利]使用七机架连轧机轧制无缝钢管的管形控制方法

权利要求书

1.一种使用七机架连轧机轧制无缝钢管的管形控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(一)轧制参数预设定：

(1)计算轧辊的初始辊形、轧辊的磨损量和轧辊热变形量；

(2)计算轧辊的综合辊形：

将步骤(1)中计算得到的轧辊的初始辊形、轧辊的磨损量和轧辊热变形量进行应变线性叠加得到等效的综合辊形；

(3)计算各个机架出口目标壁厚、椭圆度和直线度；

(4)计算轧辊压下量：

在七机架连轧机中，第一机架轧辊压下量占总压下量的35％，第六机架轧辊压下量占总压下量的5％，第二机架至第五机架轧辊压下量均为总压下量的15％，第七机架的轧辊压下量为零；

(5)计算各机架的轧制力：

pi(k)=p‾1,i(k)·F1,i(k)+p‾2,i(k)·F2,i(k)---(1)]]>

公式(1)中：

p_i(k)为第i机架第k轧制周期的轧制力；

为第i机架减径区的第k轧制周期的平均单位力；

F_1，i(k)为第i机架减径区的第k轧制周期的接触面积的水平投影；

为第i机架减壁区的第k轧制周期的平均单位力；

F_2，i(k)为第i机架减壁区的第k轧制周期的接触面积的水平投影；

(二)根据实际测量的壁厚、椭圆度和直线度计算轧制压下量和轧制力：

(1)壁厚误差的检测反馈控制

采用超声波厚度仪测量连轧机前六个机架出口处钢管实际壁厚值，将测量的钢管实际壁厚值与目标壁厚值的偏差作为壁厚差值，采用基于数字PID控制器的算法计算连轧机组各机架的轧制压下量，计算公式如下：

e_i(k)＝ξ·[r_i(k)-y_act，i(k)]                                (2)

公式(2)中，e_i(k)为第i机架的第k控制周期的壁厚差值；

r_i(k)为第i机架的目标壁厚；

y_act，i(k)为第i机架的第k控制周期的实际壁厚；

ξ为壁厚误差调节系数，取0.6-0.9；

Δei(k)=ci·[cPF,i(k)+cIF,i·Σj=0kei(j)cBF,i]---(3)]]>

公式(3)中，Δe_i(k)为第i机架的第k控制周期壁厚误差反馈调整的压下量；

c_i为第i机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数，取值范围为0.52-0.61；

c_PF，i(k)为第i机架第k控制周期的壁厚误差反馈比例系数，取值范围为0.23-0.27；

c_IF，i为第i机架的壁厚误差反馈积分系数，当j＝i时为0.9，其余为0.2；

c_BF，i为第i机架的压下量对壁厚误差的影响系数，取值范围为1.0-1.25；

(2)椭圆度误差的检测反馈控制

通过安装在连轧机第六机架和第七机架出口处的偏心测量仪测量连轧机第六机架和第七机架出口处无缝钢管的最大直径和最小直径之差获得椭圆度，以检测到的钢管实际椭圆度与目标椭圆度值的偏差为依据，计算连轧机组各机架的压下量，计算公式如下：

ΔR_i(k)＝α·[R_i(k)-r_act，i(k)]               (4)

公式(4)中，ΔR_i(k)为第i机架的第k控制周期的椭圆度差值；

R_i(k)为第i机架的目标椭圆度；

r_act，i(k)为第i机架的第k控制周期的实际椭圆度；

α为椭圆度误差调节系数，取值范围为0.34-0.39；

Δyi(k)=mi·[mPF,i(k)+mIF,i·Σj=0kΔRi(j)mBF,i]---(5)]]>

公式(5)中，Δy_i(k)为第i机架的第k控制周期椭圆度误差反馈调整的压下量；

m_i为第i机架的椭圆度误差反馈控制模型调整系数，取值范围为0.25-0.31；

m_PF，i(k)为第i机架第k控制周期的椭圆度误差反馈比例系数，取值范围为0.18-0.23；

m_IF，i为第i机架的椭圆度误差反馈积分系数，当j＝i时为0.8，其余为0.13；

m_BF，i为第i机架的压下量对椭圆度误差的影响系数，取值范围为1.5-2.1；

(3)直线度误差的检测反馈控制

在第五机架、第六机架和第七机架出口处分别安装偏心测量仪，通过偏心测量仪测量无缝钢管的管芯所在位置，连接各测量点的管芯所在位置，获得钢管实际弯曲值，以检测到的钢管实际弯曲值与钢管的目标弯曲值的偏差为依据，计算连轧机组第六机架的压下量，计算公式如下：

γ_i(k)＝η·[θ_i(k)-φ_act，i(k)]               (6)

公式(6)中，γ_i(k)为第i机架的第k控制周期的直线度差值；

θ_i(k)为第i机架的目标直线度；

φ_act，i(k)为第i机架的第k控制周期的实际直线度；

η为直线度误差调节系数，取值范围为0.67-0.75；

Δγi(k)=ni·[nPF,i(k)+nIF,i·Σj=0kΔγi(j)nBF,i]---(7)]]>

公式(7)中，Δγ_i(k)为第i机架的第k控制周期直线度误差反馈调整的压下量；

n_i为第i机架的直线度误差反馈控制模型调整系数，其为取值范围为0.37-0.43；

n_PF，i(k)为第i机架第k控制周期的直线度误差反馈比例系数，取值范围为0.16-0.21；

n_IF，i为第i机架的直线度误差反馈积分系数，当j＝i时为0.8，其余为0.23；

n_BF，i为第i机架的压下量对直线度误差的影响系数，取值范围为1.1-1.3；

(4)解耦控制

将步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)得到的压下量及壁厚差值、椭圆度差值、直线度差值三个参数组成矩阵，如下所示：

a1,1a1,2a1,3a2,1a2,2a2,3a3,1a3,2a3,3ei(k)ΔRi(k)γi(k)=Δei(k)Δyi(k)Δγi(k)---(8)]]>

公式(8)中：

e_i(k)为第i机架的第k控制周期的壁厚差值；

ΔR_i(k)为第i机架的第k控制周期的椭圆度差值；

γ_i(k)为第i机架的第k控制周期的直线度差值；

Δe_i(k)为第i机架的第k控制周期壁厚误差反馈调整的压下量；

Δy_i(k)为第i机架的第k控制周期椭圆度误差反馈调整的压下量；

Δγ_i(k)为第i机架的第k控制周期直线度误差反馈调整的压下量；

a_1，1为第i机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数c_i和壁厚误差调节系数ξ相乘；

a_1，2为第i机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数c_i和第i机架的壁厚误差反馈比例系数c_PFi(k)相乘；

a_1，3为第i机架的壁厚误差反馈控制模型调整系数c_i和第i机架的壁厚误差反馈比例系数c_PF，i(k)相乘，再除以第i机架的压下量对壁厚误差的影响系数c_BF，i；

a_2，1为第i机架的椭圆度误差反馈控制模型调整系数m_i和第i机架的椭圆度误差反馈比例系数m_PF，i(k)的乘积；

a_2，2为第i机架的椭圆度误差反馈控制模型调整系数m_i和椭圆度误差调节系数α的乘积；

a_2，3为第i机架的椭圆度误差反馈控制模型调整系数m_i和椭圆度误差调节系数α的乘积，再除以第i机架的压下量对椭圆度误差的影响系数m_BF，i；

a_3，1为第i机架的直线度误差反馈控制模型调整系数n_i和第i机架的直线度误差反馈比例系数n_PF，i(k)的乘积，再除以第i机架的压下量对直线度误差的影响系数n_BF，i；

a_3，2为第i机架的直线度误差反馈控制模型调整系数n_i和第i机架的直线度误差反馈比例系数n_PF，i(k)的乘积；

a_3，3为第i机架的直线度误差反馈控制模型调整系数n_i和直线度误差调节系数η的乘积；

采用消元法简化为压下量分别与单个参数的对应关系，分别计算第i机架第k控制周期的壁厚误差引起的压下量、椭圆度误差引起的压下量和直线度误差引起的压下量；

以计算出的壁厚误差引起的压下量、椭圆度误差引起的压下量和直线度误差引起的压下量之和作为压下量，计算第k控制周期各机架的轧制力；

(三)在轧制过程中实时修正轧制力和辊缝数值

(1)轧制力反馈控制数学模型为：

ΔF_Bi＝k_ali·k_FF·ΔF_Ri                       (9)

公式(9)中，ΔF_Bi为第i机架的轧制力调节量，i为机架号；

k_ali为第i机架的轧制力反馈控制模型调整系数，i＝1时为0.9，i＝2时为0.65，i＝3时为0.65，i＝4时为0.65，i＝5时为0.65，i＝6时为0.65，i＝7时为0.1；

k_FF为轧制力反馈控制模型系数，为0.5；

ΔF_Ri为第i机架的轧制力变化量，即由公式(1)计算的第k控制周期的轧制力与第(k-1)控制周期实际轧制力之差；

当ΔF_Bi的数值大于第(k-1)轧制周期实际轧制力的5％时，取ΔF_Bi为第(k-1)轧制周期实际轧制力的5％，当ΔF_Bi的数值小于或等于第(k-1)轧制周期实际轧制力的5％时，取步骤(二)第(4)步解耦控制中计算的第k控制周期的轧制力作为新的轧制力；

(2)辊缝反馈控制数学模型为：

Δδ_Bi＝k_gδi·k_δδ·Δδ_Ri                  (10)

公式(10)中，Δδ_Bi为第i机架的辊缝调节量，i为机架号；

k_gδi为第i机架的辊缝控制模型调整系数，i＝1时为0.8，i＝2时为0.54，i＝3时为0.54，i＝4时为0.54，i＝5时为0.54，i＝6时为0.54，i＝7时为0.1；

k_δδ为辊缝反馈模型系数，为1.0；

Δδ_Ri为第i机架的辊缝变化量，即计算的第i机架第k控制周期的壁厚误差引起的压下量、椭圆度误差引起的压下量和直线度误差引起的压下量之和与第(k-1)控制周期实际压下量的差值；

当Δδ_Bi的数值大于第(k-1)轧制周期实际压下量的3％时，令Δδ_Bi等于第(k-1)轧制周期的实际压下量的3％；当Δδ_Bi的数值小于或等于第(k-1)轧制周期实际压下量的3％时，取步骤(二)第(4)步解耦控制中计算的第i机架第k控制周期的壁厚误差引起的压下量、椭圆度误差引起的压下量和直线度误差引起的压下量与第(k-1)轧制周期实际的轧制压下量之和作为新的轧制压下量。