СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ НА ОСНОВЕ ФОРМЫ НОРМАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD AND SYSTEM FOR STABILISING METAL STRIP IN TERMS OF NORMAL MODE OF VIBRATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и системе для стабилизации и регулирования колебаний или формы металлической полосы или удлиненного стального листа или полосы, перемещаемой по рабочей поверхности обрабатывающей установки на сталепрокатной линии или линии обработки поверхности в прокатном стане.
Уровень техники
В сталелитейной промышленности существует необходимость в стабилизации перемещающихся металлических полос или листов, то есть в уменьшении нежелательных перемещений и колебаний. Стабилизация особенно важна в линиях горячего цинкования погружением.
В линиях горячего цинкования погружением металлическая полоса, подлежащая цинкованию, проходит через ванну с расплавленным цинком. Когда металлическая полоса покидает цинковую ванну, воздушный шабер сдувает излишек цинка для уменьшения толщины покрытия до требуемой величины. Путем уменьшения колебания металлической полосы можно улучшить управление работой воздушного шабера (зачистки) и обеспечить более равномерную толщину покрытия. Это позволяет сделать покрытие более тонким и сэкономить цинк, что уменьшает вес изделия и снижает затраты.
Колебания в линии цинкования возникают из-за несовершенства механических компонентов линии. Колебания могут усиливаться при высоких скоростях линии или на более длинных участках без поддержки или свободных участках полосы. Дополнительные перемещения и колебания полосы возникают из-за потока воздуха, проходящего по полосе как от воздушных шаберов, так и воздуха охлаждения.
В международной публикации WO 2006101446 A1 (Лоефгрен (Loefgren) и др.) под названием «Устройство и способ для стабилизации стального листа» описано устройство для стабилизации удлиненного стального листа, который непрерывно перемещается в направлении транспортирования по заданной траектории транспортирования. Данное устройство содержит по меньшей мере первую пару, вторую пару и третью пару электромагнитов, которые выполнены с возможностью стабилизации стального листа, причем на каждой стороне листа находится по меньшей мере один электромагнит.
Патент США №6471153 B1 (Тецуюки (Tetsuyuki) и др.) под названием «Устройство для регулирования колебаний для линии обработки стали» относится к устройству для регулирования колебаний стального листа, обрабатываемого на линии обработки. Данное устройство включает в себя электромагнитные устройства для создания магнитных усилий, действующих на стальной лист под прямыми углами, и датчики для определения промежутка между стальным листом и электромагнитными устройствами. В патенте США №6471153 B1 каждое электромагнитное устройство регулируется посредством измерения одним датчиком. Информация от других датчиков для коррекции или адаптации создаваемого устройством магнитного усилия не используется.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретение является предложение способа и системы для регулирования перемещения стального листа или полосы, обрабатываемой на линии обработки стали, обеспечивающих устойчивую работу линии обработки без таких эксплуатационных проблем, как колебание полосы, перемещение полосы или изменение формы полосы (например, изгиб). Данная система действует как устройство для демпфирования колебаний полосы, уменьшающее перемещение полосы, а также как устройство для управления формой полосы.
В одном аспекте настоящего изобретения предложен способ демпфирования колебаний и управления формой свободно подвешенной металлической полосы при непрерывном перемещении в обрабатывающей установке на сталепрокатной линии или линии обработки поверхности в сталепрокатном стане. Согласно предложенному способу измеряют расстояние до полосы посредством множества бесконтактных датчиков; формируют профиль полосы на основании измеренных расстояний; выполняют декомпозицию профиля полосы на комбинацию форм колебаний; определяют коэффициенты для учета вклада каждой формы колебаний в общий профиль полосы; и управляют профилем полосы посредством множества бесконтактных исполнительных механизмов на основании комбинации форм колебаний.
Расстояние до полосы измеряют с помощью каждого бесконтактного датчика с получением нескольких значений расстояния (измеренных значений, изменяющихся во времени) вдоль профиля полосы. В одном варианте осуществления датчики размещены по обе стороны полосы, а в другом варианте осуществления датчики размещены на одной стороне полосы. Измеренные расстояния возможно использовать для вычисления профиля полосы (например, путем аппроксимации измеренных значений сплайн-функцией или сглаженной сплайн-функцией). Так как расстояния изменяются во времени, может быть определен профиль полосы, изменяющийся во времени.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения предусмотрено средство управления для управления исполнительными механизмами, в котором реализованы предварительно запрограммированные функции управления, содержащие одну наилучшую функцию управления для каждой формы колебаний, причем способ дополнительно содержит шаг управления множеством исполнительных механизмов путем применения в предварительно запрограммированных функциях управления коэффициентов, определенных при декомпозиции формы нормальных колебаний. Взвешивание предварительно запрограммированных функций управления может выполняться, например, путем фильтрации значений коэффициентов, полученных при декомпозиции формы колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения формы колебаний, определяемые в результате декомпозиции профиля полосы, являются формами нормальных колебаний. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения выполняют декомпозицию профиля полосы на линейную комбинацию форм колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ дополнительно включает шаг адаптации взвешивания предварительно запрограммированных функций управления на основании получаемых технологических параметров, например ширины полосы и/или толщины полосы.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ основан на использовании количества бесконтактных датчиков, равного количеству бесконтактных исполнительных механизмов, а в другом варианте осуществления настоящего изобретения количество бесконтактных датчиков больше, чем количество бесконтактных исполнительных механизмов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ содержит шаг адаптации размещения бесконтактных датчиков в зависимости от ширины полосы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ содержит шаг мониторинга коэффициентов, определенных при декомпозиции формы нормальных колебаний.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения способ дополнительно содержит шаг непрерывного выполнения частотного анализа коэффициентов, определенных при декомпозиции формы нормальных колебаний, для определения частоты и амплитуды перемещений полосы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ дополнительно содержит шаг использования исполнительных механизмов для сведения к минимуму дисперсии коэффициентов. Сведение к минимуму дисперсии коэффициентов обеспечивает демпфирование колебаний полосы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения способ дополнительно содержит шаг использования исполнительных механизмов для воздействия на форму усредненного профиля. Воздействие на форму усредненного профиля известно в данной области техники как регулирование формы полосы.
В другом аспекте настоящего изобретения предложена система для демпфирования колебаний и/или управления формой свободно подвешенной металлической полосы при непрерывном перемещении в обрабатывающей установке на сталепрокатной линии или линии обработки поверхности в сталепрокатном стане, содержащая множество бесконтактных датчиков, измеряющих расстояние до металлической полосы по вертикали к поверхности полосы; множество бесконтактных исполнительных механизмов для стабилизации указанной металлической полосы. Согласно изобретению система содержит средство определения профиля полосы, средство выполнения декомпозиции определенного профиля полосы на комбинацию форм колебаний и определения коэффициентов для учета вклада каждой формы колебаний в общий профиль полосы, и средство управления множеством исполнительных механизмов на основании комбинации форм колебаний.
В соответствии в вариантом осуществления изобретения система содержит средство управления исполнительными механизмами на основании предварительно запрограммированной функции управления для каждой формы нормальных колебаний и управления исполнительными механизмами с использованием комбинации функций управления, взвешенных с использованием определенных коэффициентов.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения бесконтактный датчик, измеряющий расстояние до полосы, расположен вблизи бесконтактного исполнительного механизма, стабилизирующего перемещение полосы.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения бесконтактные датчики, измеряющие расстояние, являются индуктивными датчиками.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения бесконтактные исполнительные механизмы, стабилизирующие перемещение, являются электромагнитами.
Краткое описание чертежей
Чертежи составляют часть данного описания и включают примеры вариантов осуществления изобретения, которые могут быть выполнены различным образом.
Фиг.1 представляет собой схему расположения датчиков и исполнительных механизмов на виде полосы сверху.
Фиг.2 представляет собой ту же самую схему расположения датчиков и исполнительных механизмов, которая показана на фиг.1, но на виде полосы сбоку.
Фиг.3 представляет собой первую форму нормальных колебаний профиля металлической полосы.
Фиг.4 представляет собой усилия, создаваемые исполнительными механизмами при колебаниях полосы по нулевой форме.
Фиг.5 представляет собой усилия, создаваемые исполнительными механизмами при колебаниях полосы по первой форме.
Фиг.6 представляет собой усилия, создаваемые исполнительными механизмами при колебаниях полосы по второй форме.
Фиг.7 представляет собой усилия, создаваемые исполнительными механизмами при колебаниях полосы по третьей форме.
Фиг.8 представляет собой усилия, создаваемые исполнительными механизмами при колебаниях полосы по четвертой форме.
Фиг.9 представляет собой схему способа декомпозиции согласно настоящему изобретению.
Фиг.10 представляет собой схему адаптации положения датчиков для разной ширины полосы.
Осуществление изобретения
Ниже приведено подробное описание предпочтительного варианта осуществления. Однако следует понимать, что настоящее изобретение может быть выполнено различным образом. Поэтому конкретные подробности, описанные в настоящем документе, должны толковаться не как ограничивающие, а как основа для формулы изобретения и иллюстративная основа для раскрытия специалисту в данной области техники реализации настоящего изобретения практически в любой подходящей системе, конструкции или любым подходящим образом.
На фиг.1 показано расположение датчиков и исполнительных механизмов на виде полосы 3 сверху в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Металлическая полоса 3 свободно лежит или закреплена на короткой стороне 4. Поперек полосы расположены датчики 2 положения, которые могут быть индуктивными датчиками положения, и исполнительные механизмы 1, которые могут быть электромагнитами. Электромагниты создают магнитные усилия, действующие на металлическую полосу под прямым углом, и путем регулирования тока электромагнитов может регулироваться усилие, действующее на металлическую полосу. Количество датчиков 2 должно быть, по меньшей мере, равно количеству исполнительных механизмов. Исполнительные механизмы 1 прикладывают к полосе усилие для удержания полосы в определенном положении. Датчики расположены в том же поперечном сечении (или достаточно близко, чтобы считать, что измеряется один и тот же профиль), что и создающие усилие исполнительные механизмы 1. Профиль полосы определяется по линии с-с.
На фиг.2 показана та же самая схема расположения датчиков и исполнительных механизмов, которая показана на фиг.1, но на виде полосы сбоку. Короткая сторона 4 полосы зафиксирована, например, посредством того, что полоса покоится на валках. Металлическая полоса между зафиксированными сторонами 4 лежит свободно и может перемещаться. Датчики 2 положения и исполнительные механизмы 1 размещены по обе стороны металлической полосы 3. Профиль полосы определяется по линии с-с.
На фиг.3 показана первая форма нормальных колебаний профиля металлической полосы. Ссылочным номером 10 обозначено колебание по нулевой форме. Пунктирная линия является средней линией, а профиль металлической полосы (черная линия) перемещается туда и обратно относительно средней линии. Ссылочным номером 11 обозначено колебание по первой форме, при котором металлическая полоса поворачивается туда и обратно относительно (пунктирной) средней линии. Ссылочным номером 12 обозначено колебание по второй форме, при котором металлическая полоса изгибается туда и обратно относительно (пунктирной) средней линии. Ссылочным номером 13 обозначено колебание по третьей форме, при котором металлическая полоса, изогнутая дважды, перемещается туда и обратно относительно (пунктирной) средней линии. Список форм нормальных колебаний может быть продолжен дальше.
Согласно физическим законам, лежащим в основе динамики свободно подвешенной полосы 3, перемещения профиля полосы могут быть выражены как линейная комбинация некоторого количества (в теории - бесконечного) нормальных форм или нормальных колебаний или форм нормальных колебаний. Термин «нормальный» означает возможность перемещения, полностью ограниченного одной формой. Первые четыре нормальные формы показаны на фиг.3.
На фиг.4 показаны усилия, создаваемые исполнительными механизмами, когда полоса перемещается по нулевой форме. Исполнительные механизмы, регулирующие перемещения полосы 3, представлены маленькими квадратами над полосой и под ней. На фигуре слева металлическая полоса 3 находится в «среднем» положении или требуемом положении (пунктирная линия). На фигуре в центре металлическая полоса 3 находится «ниже» среднего положения (вертикально смещена), а стрелки обозначают усилия, прикладываемые исполнительными механизмами (схематически показанные усилия исполнительных механизмов «над» и исполнительных механизмов «под») к полосе 3. На фигуре справа металлическая полоса 3 находится «над» средним положением, а стрелки обозначают усилия, прикладываемые исполнительными механизмами к полосе 3. Стрелки также представляют наилучшую реакцию исполнительного механизма для этой конкретной формы.
На фиг.5 показаны усилия, создаваемые исполнительными механизмами, когда полоса перемещается по первой форме. Исполнительные механизмы, регулирующие перемещения полосы 3, представлены маленькими квадратами над полосой и под ней. На фигуре слева металлическая полоса 3 находится в «среднем» положении или требуемом положении (пунктирная линия). На фигуре в центре металлическая полоса 3 «повернута» вокруг среднего положения, а стрелки обозначают усилия, прикладываемые исполнительными механизмами к полосе 3. На фигуре справа металлическая полоса 3 «повернута» в другом направлении.
На фиг.6 показаны усилия, создаваемые исполнительными механизмами, когда полоса перемещается по второй форме. На фигуре слева металлическая полоса 3 находится в «среднем» положении. На фигуре в центре металлическая полоса 3 изгибается в одном направлении, а стрелки обозначают усилия, прикладываемые исполнительными механизмами к полосе 3. На фигуре справа металлическая полоса 3 изгибается в другом направлении.
На фиг.7 показаны усилия, создаваемые исполнительными механизмами, когда полоса перемещается по третьей форме. На фигуре слева металлическая полоса 3 находится в «среднем» положении. На фигуре в центре металлическая полоса 3 перемещается по третьей форме, а стрелки обозначают усилия, прикладываемые исполнительными механизмами к полосе 3. На фигуре справа металлическая полоса 3 перемещается по третьей форме в другом направлении.
На фиг.8 показаны усилия, создаваемые исполнительными механизмами, когда полоса перемещается по четвертой форме. На фигуре слева металлическая полоса 3 находится в «среднем» положении. На фигуре в центре металлическая полоса 3 перемещается по четвертой форме. На фигуре справа металлическая полоса 3 перемещается по четвертой форме в противофазе. На фиг.4-8 показаны разные формы нормальных колебаний, но изобретение не ограничивается использованием форм нормальных колебаний.
0
1
2
3
0
1
2
3
На фиг.9 показана схема способа декомпозиции согласно настоящему изобретению. Цифрой 20 слева показана схема перемещающейся металлической полосы 3 и датчиков 2 положения. Измеренные перемещения подвергают декомпозиции по форме 21 нормальных колебаний. При декомпозиции также определяют коэффициенты (a, a, a, a), которые описывают вклад каждой нормальной формы колебаний. Коэффициенты (a, a, a, a) изменяются во времени.
0
1
2
3
0
1
2
3
Для каждой формы нормальных колебаний и полосы существует наилучшая реакция исполнительного механизма 22 (показан только один ряд исполнительных механизмов). Наилучшая реакция исполнительного механизма для формы колебаний может быть определена и запрограммирована заранее. Наилучшая реакция исполнительного механизма для формы колебаний зависит от размеров полосы (свободная длина, ширина и толщина), натяжения полосы и скорости полосы. Путем использования комбинации (линейной или другой комбинации) наилучшей реакции исполнительного механизма для каждой формы колебаний и использования отфильтрованной величины определенных коэффициентов (a, a, a, a) определяют комбинацию коэффициентов наилучшей реакции исполнительного механизма (b, b, b, b) и получают фактическую реакцию 23 исполнительного механизма.
Идея изобретения заключается в выражении профиля полосы и общего профиля усилий как комбинаций (линейных или других комбинаций) базисных форм с использованием количества базисов, равного количеству исполнительных механизмов.
Для каждой базисной формы выполнен контроллер, который использует коэффициент этой формы при разложении в ряд текущего профиля (причем профиль аппроксимируется с использованием имеющихся датчиков) как фактической величины и коэффициент для той же формы в разложении в ряд профиля усилий как управляемой величины. Затем используют имеющиеся исполнительные механизмы для синтеза требуемого профиля.
Так как формы являются формами нормальных колебаний полосы, профиль усилия, который точно подходит к одной из форм, должен обеспечивать перемещение, ограниченное той же самой формой, что означает, что контроллеры для каждой формы развязаны друг с другом, что существенно упрощает задачу настройки параметров контроллеров. Настоящее изобретение не ограничено использованием форм нормальных колебаний, и для декомпозиции измеренной формы полосы может использоваться любой тип форм (ненормальных) колебаний. Формы ненормальных колебаний могут быть связаны с наилучшей реакцией исполнительного механизма 22 (профилем усилий) тем же образом, что и формы нормальных колебаний. Затем комбинацию (линейную или другую комбинацию) профиля усилий для колебаний любой формы (нормальных или ненормальных) объединяют в фактическую реакцию 23 исполнительного механизма.
Целью изобретения является декомпозиция системы регулирования полосы на независимые одноконтурные системы регулирования, по одной на каждую форму колебаний. Одноконтурные системы регулирования развязывают между собой, а затем объединяют в фактическую реакцию 23 исполнительного механизма.
На фиг.10 показана схема адаптации положений датчиков 2 для разной ширины полосы. Для широких полос 30, 32 датчики размещены по всей ширине полос. Для менее широких полос 31, 32, если размещение датчиков 2 не адаптировано к ширине полосы, некоторые датчики не могут измерять расстояние 31 до полосы, и результат определения профиля полосы менее точен, а эффективность демпфирования колебаний полосы ниже. Если размещение датчиков 2 адаптировано к ширине 33 полосы, все датчики 2 могут измерять расстояние до полосы. В другом варианте осуществления обеспечивается размещение или положение бесконтактных исполнительных механизмов для адаптации к ширине полосы. Датчики также могут быть размещены таким образом, чтобы избежать измерения расстояния при нулевом отклонении всех разных форм нормальных колебаний, то есть избежать необходимости наличия датчика в середине ширины полосы для первой формы.