Verfahren zur Kompensation des Einflusses von Walzenexzentrizitäten

Abstract

 Mit den Meßwerten der Walzenanstellposition, der Walzkraft und der mittleren Stützwalzendrehzahl wird ein der Walzenexzentrizität in Frequenz, Phasenlage und Amplitude proportionales Signal (AR) modellmäßig nachgebildet, mit welchem der Einfluß der Walzenexzentrizität auf den zur Regelung verwendeten Istwert kompensiert wird. Zur Nachbildungen werden frequenznachgestellte Oszillatoren verwendet deren Phasen und Amplitudennachbildung nach dem Beobachterprinzip erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kompensation des Einflusses von Walzenexzentrizitäten bei der Positions- oder Dickenregelung von Walzgerüsten, insbesondere mit indirekter, unter Ermittlung der Walzgerüstdehnung erfolgender Istwertbildung.

[0002] Nach der US-PS 3 928 994 ist es bekannt, mittels der Methode der Autokorrelation den Einfluß der Walzenexzentrizitäten auf das im Istwertkanal verwendete Signal für di-e Gerüstdehnung zu eliminieren. Die andere Komponente des indirekt gebildeten Istwertsignals, nämlich die Walzenanstellung wird hiervon nicht berührt, so daß mit diesem bekannten Verfahren die Kompensation des Einflusses der Walzenextentrizitäten nur zum Teil gelingt. Des weiteren sind Autokorrelationsmethoden wegen der dabei verwendeten Mittelwertbildungen stets mit einem für ein schnelles Reagieren der Dickenregelung abträglichen Zeitaufwand verbunden.

[0003] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Kompensation der Walzenexzentrizitäten bei Dickenregelungen der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sowohl genauer als auch schneller arbeitet und mit den üblicherweise an Walzgerüsten vorhandenen Gebern auskommt.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst.

[0005] Die Erfindung soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert werden, es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines erfindungsgemäß arbeitenden Walzenexzentrizitäts-Kompensators (RECO) bei der Dickenregelung eines Walzgerüsts,

Fig. 2 die grundsätzliche Struktur des Walzenexzentrizitäts-Kompensators,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die innerhalb des Walzenexzentrizitäts-Kompensators erfolgende modellmäßige Nachbildung eines Walzenexzentrizitätsschwingungspaares,

Fig. 4 die Signalverarbeitung bei mehreren nachgebildeten Exzentrizitätsschwingungspaaren,

Fig. 5 den Aufbau des Walzenexzentrizitäts-Kompensators . bei digitaler Signalverarbeitung.

[0006] In Fig. 1 ist ein Walzgerüst 1 schematisch dargestellt. Es besteht aus der oberen Stützwalze mit dem Radius R , der unteren Stützwalze mit dem Radius R_u, den beiden im Durchmesser kleineren Arbeitswalzen, einem die Verstellung der oberen Stützwalze bewirkenden Hydraulikkolben und einem dazugehörigen Hydraulikzylinder, welcher sich auf dem Gerüstrahmen abstützt. Der elastische Gerüstrahmen ist symbolisch durch eine Feder mit der Federkonstanten C_G dargestellt. Das Walzgut, dem im Walzspalt eine äquivalente Materialfeder mit der Federkonstanten C_M zugeordnet wird, wird mittels der beiden Arbeitswalzen von der Einlaufdicke h_e auf die Auslaufdicke h_a heruntergewalzt. Die Walzenexzentrizitäten der oberen bzw. der unteren Stützwalze haben ihre Ursache in ungleichmäßiger Walzenabnutzung, Verformungen durch Wärmespannungen und in Abweichungen der geometrischen Zylinderachsen der Walzen von den betrieblich sich einstellenden Rotationsachsen. Sie sind mit Δ R_o bzw. ΔR_u, d.h. als Abweichungen von den idealen Stützwalzenhalbmessern R bzw. R bezeichnet. Weiterhin sind vorgesehen Meßwertgeber für die Stützwalzendrehzahl n, üblicherweise in Form einer mit dem Antriebsmotor gekuppelten Tachodynamo, für die von dem Hydraulikkolben ausgeübte Walzkraft F_w und für die Walzenanstellposition, welche der relativen Position s des die obere Stützwalze verstellenden Kolbens im Hydraulikzylinder entspricht. Mit 2 ist ein Ansteuerglied bezeichnet, mittels welchem der Hydraulikkolben über ein Ventil mit Drucköl beaufschlagt wird. Das Stellsignal für das Ansteuerglied 2 besteht im Ausgangssignal eines Reglers 3, welchem die Aufgabe zukommt, die Dicke h des auslaufenden Walzgutes in Übereinstimmung mit dem ihm zugeführten Dickensollwert h* zu bringen. Der Istwert der Regelgröße h_a wird dabei nicht direkt am Ort seiner Entstehung, d.h. im Walzspalt gemessen, sondern aus der Walzgerüstdehnung und der Walzenanstellposition ermittelt. Hierzu dient die in Figur 1 mit GM bezeichnete Einrichtung, die im wesentlichen eine Multipliziereinrichtung enthält, welche die Walzkraft F_W mit dem Kehrwert der Gerüstfederkonstanten C_G multipliziert und zu diesem Produkt das Meßwertsignal s der relativen Hydraulikkolbenposition hinzuaddiert. Zwischen den Eingangssignalen und dem Ausgangssignal der auch als Gaugemeter bekannten Einrichtung GM besteht somit die Beziehung:

wobei mit Δ R die sich überlagernden Einflüsse der beiden Stützwalzenexzentrizitäten ΔR_o und δR_u zusammengefaßt sind.

[0007] Die bisher beschriebene Anordnung entspricht im wesentlichen der bekannten Banddickenregelung mit nach dem Gaugemeter-Prinzip erfolgender Ermittlung des Istwertes der Banddicke h_a. Beim Vorhandensein von Walzenexzentrizitäten ΔR liefert allerdings das Gaugemeter GM nicht die Banddicke h allein sondern die Summe von Banddicke und Walzexzentrizität. Eine mit dem Gaugemetersignal (h_a + ΔR) als Istwert aufgebaute Banddickenregelung würde zwar Änderungen der Bandeinlaufdicke in das Walzgerüst ausregeln, sich aber fehlerhaft bezüglich Walzenexzentrizitäten verhalten, denn eine Dickenregelung mit dem Ausgangssignal h _a + ΔR des Gaugemeters GM als Istwert verhält sich genauso wie eine Dickenregelung mit h_a als Istwert und einem Sollwert h*_a - ΔR, so daß die Dickenregelung fehlerhafterweise bewirken würde, daß dem Band mit der Auslaufdicke h_a die Exzentrizität ΔR um 180° phasenverschoben eingewalzt würde. Dabei können die Größtwerte der Exzentrizitäten mehrere zehn Mikrometer betragen, was mit den heutigen Toleranzforderungen bei kaltgewalztem Band nicht verträglich ist.

[0008] Es wird daher eine mit RECO (Roll Eccentricity Compensator) bezeichnete Kompensationseinrichtung eingesetzt, welche die Aufgabe hat, mit den ihr zugeführten Meßwertgebersignalen s, n und F_W, sowie den Einstellparametern R_o, R_u, C_G und C_M die Walzenexzentrizität ß R zu identifizieren bzw. nachzubilden, und das von ihr nachgebildete Signal ΔR wird dazu verwendet, den von dem Gaugemeter GM gelieferten, verfälschten Istwert der Bandauslaufdicke zu bereinigen, so daß der tatsächlich im Walzspalt auftretende Dickenwert h_a dem Regler 3 als Istwert zugeführt werden kann, womit die exakte Kompensation des Einflusses der Walzenexzentrizitäten ΔR gelingt. Die Gerüstfederkonstante C_G wird einmalig durch einen Versuch vor Walzbeginn und C_M durch laufende online Rechnung ermittelt. Wesentlich für die nach dem erfindungsgemäßen Kompensationsverfahren arbeitende Einrichtung RECO war die Erkenntnis, daß für eine genaue Nachbildung der Walzenexzentrizitäten nicht nur die Gerüstdehnung, sondern auch die elastische Verformung des Materials beim Walzvorgang berücksichtigt werden sollte.

[0009] Die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung läßt sich mit gleichen Vorteilen auch für eine reine Positionsregelung verwenden. Hierbei kommt das Gaugemeter GM in Wegfall und vom Meßwertsignal s wird das Ausgangssignal der Kompensationserinrichtung RECO subtrahiert und das Ergebnis als Positionsistwert verwendet. Statt dem Sollwert h_a* der Auslaufdicke wird dem Regler 3 dann ein Positionssollwert zugeführt.

[0010] Figur 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Walzenexzentrizitäts-Kompensators RECO. Er enthält einen Mulitplizierer 4, dem eingangsseitig das Walzkraftmeßsignal F_W und die Summe der Kehrwerte der Gerüstfederkonstanten C_G und der Materialfederkonstanten C_M zugeführt werden. Diese Kehrwertsumme entspricht dem Kehrwert einer Federkonstanten, welche sich aus der Reihenanordnung der Feder des Walzgerüstes und der Feder des Walzgutes ergibt. Zum Ausgangssignal des Multiplizierers 4 wird in einem Mischglied 5 der Positionsmeßwert s des die obere Stützwalze verstellenden Hydraulikkolbens addiert und es läßt sich zeigen, daß dann das Ausgangssignal des Mischgliedes 5 in dem durch die Exzentrizitäten ΔR_o und ΔR_u verursachten Exzentrizitätssignal ΔR und der Bandeinlaufdicke h besteht, wobei sich letztere aus einem Gleichanteil h und einem diesem überlagerten, statistisch schwankenden Wechselanteil h_e besteht. Es gilt also h_e = h + h_e. Dem Ausgangssignal des Mischgliedes 5 wird mittels eines Hochpaßfilters HF der Gleichanteil h_e der Einlaufdicke h_e entzogen, so daß am Ausgang des in seiner Eckfrequenz mit dem Drehzahlmeßwert n nachgeführten Hochpaßfilter HF sich das Signal ΔR + h_e ergibt. Aus diesem Signal wird dann in einer nach dem Beobachter-Prinzip entworfenen Anordnung 6 ein der Walzenexzentrizität entsprechendes SignalAR modellmäßig nachgebildet. Die Anordnung 6, welche ein rückgekoppeltes Modell für die Exzentrizitätsstörungen ΔR darstellt, enthält mindestens zwei Oszillatoren für die paarweise auftretenden Grundschwingungen der Exzentrizitäten ΔR_o und ΔR_u der oberen bzw. der unteren Stützwalze und wird für_den Fall, daß auch relevante Oberschwingungspaare auftreten, zweckmäßigerweise um entsprechende Oszillatorpaare ergänzt. Die Oszillatoren sind in ihren Frequenzen durch Eingabe der Stützwalzenhalbmesser R und R_u sowie der mittleren Stützwalzendrehzahl n abgestimmt. Die Ausgänge der einzelnen Oszillatoren sind zu einem Summensignal ΔR zusammengefaßt und werden mit dem Ausgangssignal des Hochpaßfilters HF in einem Mischglied 8 verglichen, wobei die sich daraus ergebende Abweichung e die von den Oszillatoren erzeugten Schwingungen in ihren Phasenlagen und Amplituden solange nachstellt, bis das Signal ΔR ein Abbild der Exzentrizitätsschwingung öR ist, was dann der Fall ist, wenn die Abweichung e zu einem Minimum wird und nur noch dem sta- tistisch schwankenden Anteil h_e der Einlaufdicke h_e entspricht. Dabei erfolgt die Frequenzanpassung in Abhängigkeit von der Stützwalzendrehzahl n kontinuierlich während des Walzbetriebs, und auch die Eckfrequenz des Hochpaßfilters HF wird entsprechend mitgeführt.

[0011] Figur 3 zeigt ein Realisierungsbeispiel für ein die Walzenexzentrizität 6R nachbildendes Modell 6 mit einem Oszillatorpaar zur Nachbildung der Exzentrizitäts-Grundschwingung. Jeder Oszillator besteht aus zwei hintereinander angeordneten Integratoren 9, 10, bzw. 11, 12, wobei das Ausgangssignal der Integratoren 10 bzw. 12 auf den Eingang der Integratoren 9 bzw. 11 gegengekoppelt ist. Im Eingangskreis jedes der Integratoren sind Multiplizierer 13 bis 16 angeordnet, mit denen die Frequenzen der Oszillatoren bestimmt werden. Die zweiten Eingänge dieser Multiplizierer werden von einer der mittleren Stützwalzendrehzahl entsprechendem Signal n beaufschlagt. Die das Zeitverhalten der Integratoren bestimmenden Bauelemente sind verstellbar ausgeführt, beispielsweise als Drehpotentiometer oder Drehkondensatoren, und werden entsprechend den ermittelten Werten der Halbmesser R bzw. R_u der Stützwalzen justiert. Auf diese Weise wird die Frequenz der Oszillatoren in Abhängigkeit von den Radien R₀ bzw. R_u der Stützwalzen voreingestellt und in Abhängigkeit von der Stützwalzendrehzahl n nachgestellt. Die Ausgänge der Integratoren 10 und 12 werden in einem Mischglied 17 addiert und des- sen Ausgangssignal vom Ausgangssignal ΔR + h_e des Hochpaßfilters in einem weiteren Mischglied 18 subtrahiert. Mit der sich daraus ergebenden Abweichung e werden über Proportionalglieder a bis d die von den Oszillatoren 9, 10 bzw. 11, 12 erzeugten Schwingungen in ihren Phasenlagen und Amplituden solange nachgestellt, bis das Sum- mensignal ΔR der Integratoren 10 und 12 übereinstimmt mit dem von der Walzenexzentrizität herrührenden Anteil ΔR des dem Störmodell 6 zugeführten Eingangssignals (ΔR + h_e). Die in Figur 3 dargestellte Parallelanordnung zweier Oszillatorpaare kann unter Anwendung bekannter Transformationsregeln in eine funktionsäquivalente Reihenschaltung umgewandelt werden. Ein derartiges Filter 4. Ordnung kann sich für manche Anwendungsfälle empfehlen.

[0012] Figur 4 zeigt die Struktur des Störmodells 6 im Walzenexzentrizitätkompensator RECO für den Fall, daß außer der Grundschwingung der Walzenexzentrizität noch weitere drei Oberschwingungen als relevant zu berücksichtigen sind. Die mit 60, 61, 62 und 63 bezeichneten, sich in ihrem Aufbau gleichenden Teile dieses Modells sind entsprechend Fig. 3 ausgebildet und enthalten Oszillatorpaare für das Grundschwingungspaar sowie für das 1., 2. und 3. Oberschwingungspaar, deren einzelne Exzentrizitätsnachbildungen ΔR₀, ΔR₁, ΔR₂ und ΔR₃ in Uberlagerung die Nachbildung der Gesamtexzentrizität ΔR ergeben. Die Phasen- und Amplitudennachstellung erfolgt abhängig von den _Ei_nzelfehlern e_o, e_l, e2, e₃. Je Oszillator sind dabei zwei Nachstellverstärkungen a_o, b bzw. c , d erforderlich, wie für das Grundschwingungspaar des Modellteils 60 gezeigt ist.

[0013] Figur 5 zeigt den Aufbau des Walzenexzentrizitäts-Kompensators RECO unter Verwendung eines digital arbeitenden Mikrorechners 19, in welchem die Signalverarbeitung unter Zuführung der Eingangssignale über zwei Analog/Digitalwandler 20 und 21 und der Signalabführung über einen Digital/Analogwandler 22 erfolgt. Der Mikrorechner 19 ist in drei Funktionsblöcke 191 bis 193 unterteilt. Im Block 191 findet nach Vorgabe der beiden Stützwalzenradien R_o und R_u und unter Annahme einer nominalen mittleren Stützwalzendrehzahl offline die Berechnung der voreinzustellenden Oszillator-Frequenzen statt. In Block 192, welcher einen Signalprozessor enthält, geschieht die Signalverarbeitung zur Nachbildung der Walzenexzen- trizität ΔR mittels Oszillatoren entsprechend den Anordnungen nach den Figuren 3 bzw. 4, jedoch in funktionsäquivalente Digitaltechnik umgesetzt. Die Signalverarbeitung erfolgt dabei in bekannter Weise jeweils mit den zu diskreten Zeitpunkten abgetasteten Werten der Eingangssignale und ein Ergebnis wird jeweils zu Abtastzeitpunkten ausgegeben, wobei in an sich bekannter Weise ein dem Digital-Analogwandler nachgeordnetes Rekonstruktionsfilter vorgesehen ist, um die zeitdiskret anfallende analoge Ergebnisfolge in ein zeitkontinuierliches Signal umzuformen. Da der Block 192 praktisch ein digitales Filter darstellt, ist nach dem Hochpaßfilter HF ein sogenanntes Antialiasingfilter AF angeordnet, um das Auftreten von durch den Abtastvorgang hervorgerufener störender Fremdfrequenzen zu unterdrücken. Antialiasingfilter, wie sie beispielsweise in dem von der Intel Corporation 1980 herausgegebenen "2920 Analog Signal Processor Design Handbook", S. 2-1 bis S. 2-5 beschrieben sind, sind Tiefpaßfilter, welche bei der halben Abtastfrequenz eine nennenswerte Dämpfung beispielsweise 60 dB aufweisen. Die Filter HF, AF und RF, welche aus einer Kombination von Integratoren und Summierverstärkern bestehen, sind wiederum in ihren Eckfrequenzen in Abhängigkeit von der Stützwalzendrehzahl n nachgeführt, was mittels im Eingang der Integratoren angeordneter Multiplizierer, entsprechend wie bei der Anordnung der Figur 3, erfolgen kann. Der Block 193 enthält einen Timer, der die im Block 192 in digitaler Technik realisierten Oszillatoren in Abhängigkeit von der aktuellen Stützwalzendrehzahl n in der Frequenz nachstellt. Der Timer kann beispielsweise aus einem auf den Ausgangswert des Analog-Digitalwandlers 20 voreinstellbaren Zähler bestehen, der ständig mit konstanter Taktrate heruntergezählt wird, jeweils bei Erreichen des Zählerstandes Null an den Signalprozessor 192 einen Impuls abgibt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kompensation des Einflusses von Walzenexzentrizitäten bei der Positios- oder Dickenregelung von Walzengerüsten, insbesondere mit indirekter, unter Ermittlung der Walzgerüstdehnung erfolgender Istwertbildung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es wird ein Summensignal aus dem mit der Kehrwertsumme von Gerüstfederkonstanten (C_G) und Materialfederkonstanten (C_M) multiplizierten Meßwertsignal der Walzkraft (F_W) und dem Meßwertsignal der Walzenanstellposition (s) gebildet;

b) das Summensignal wird über ein Hochpaßfilter (HF) geführt, welches in seiner Eckfrequenz proportional zur Stützwalzendrehzahl (n) verändert wird;

c) das Ausgangssignal des Hochpaßfilters wird mit dem Summenausgangssignal mindestens eines Oszillatorpaares verglichen, dessen Frequenzen in Abhängigkeit vom Radius der oberen bzw. der unteren Stützwalze voreingestellt und in Abhängigkeit von der Stützwalzendrehzahl nachgestellt werden;

d) mit der Abweichung (e) zwischen dem Ausgangssignal des Hochpaßfilters und dem Summenausgangssignal des Oszillatorpaares werden die Oszillatoren in Amplitude und Phasenlage so nachgeführt, daß diese Abweichung zu einem Minimum wird;

e) das Summenausgangssignal (ΔR) der Oszillatoren wird von dem Istwertsignal subtrahiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Nachbildung der wesentlichen Oberschwingungen entsprechende, rückgekoppelte Oszillatorpaare zusätzlich vorgesehen sind, deren Summenausgangssignale vom Istwertsignal subtrahiert werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Nachbildung der Exzentrizitätsschwingungen ein als digitales Filter arbeitender Signalprozessor (192) verwendet ist, dem ein über einen Analog-Digitalwandler von der mittleren Stützwalzendrehzahl (n) beeinflußten Timer (193) zugeordnet ist.

Zeichnung