On longitudinal and lateral strip motion control in tandem hot rolling mills

Abstract

Fast alle Flachstahlerzeugnisse werden in Warmbandfertigstraßen erzeugt welche als Tandemwalzstraßen ausgeführt sind. Der Massenfluss in einer Tandemwalzstraße hat großen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts und die Prozessstabilität. Je nach seiner Hauptrichtung kann der Massenfluss in einen longitudinalen und einen lateralen Massenfluss eingeteilt werden. Ein gleichmäßiger longitudinaler Massenfluss ist wünschenswert, um den Bandzug zwischen den Gerüsten konstant zu halten und somit übermäßige Bewegungen der Schlingenheber zu vermeiden, welche zwischen den Walzgerüsten angeordnet sind, um den Bandzug zu beeinflussen. Im Allgemeinen verbessert ein gleichmäßiger longitudinaler Massenfluss die Dickenqualität und verhindert Einschnürungen des Bandes im Falle eines zu hohen Bandzuges. Um den longitudinalen Massenfluss innerhalb der Walzstraße zu messen, wird ein einfaches und robustes Verfahren entwickelt und seine Genauigkeit analysiert. Eine solche Messung ist eine notwendige Grundlage um Schlupfmodelle, welche üblicherweise ein Nebenprodukt eines Walzspaltmodelles sind, zu analysieren oder validieren. Dazu wird ein existierendes Schlupfmodell mittels eines zusätzlichen Störeingangs erweitert und eine Methode zur Identifikation dieser Störung vorgestellt. Der zusätzliche Störeingang führt zu einer erheblichen Verbesserung der Genauigkeit der berechneten Bandgeschwindigkeit im Vergleich zu bekannten Ansätzen, die auf Walzspaltmodellen wie das Modell von Sims basiert. Allerdings lassen sich Sensorfehler nicht vollständig ausschließen. Die vorgestellte Geschwindigkeitsmessung kann als Grundlage einer neuen Massenflussregelung herangezogen werden. Daher wird in dieser Arbeit ein robustes Regelgesetz zur Synchronisierung der Walzgeschwindigkeit, welches mit Sensorfehlern umgehen kann, hergeleitet. Es wird eine robuste Methode zur Erkennung und Isolation von Fehlern in der Messung der Bandgeschwindigkeit entwickelt. Im Falle eines erkannten Fehlers wird das Regelgesetz auf eine Form umgeschaltet, welche die entsprechende Messung nicht erfordert. Die Stabilität des gesamten geschlossenen Regelkreises wird mit der indirekten Methode von Lyapunov nachgewiesen, und die Güte wird durch Simulationen unter Verwendung eines validierten Streckenmodells einschließlich der derzeit verwendeten Regelstruktur demonstriert. Der laterale Massenfluss beeinflusst die Bewegung des Bandes quer zur Walzrichtung. Eine unkontrollierte Querbewegung des Bandes kann das Band oder die Anlage beschädigen. Ein bestehendes Modell des lateralen Massenflusses wird so erweitert, dass es als Grundlage für eine modellprädiktive Reglung dient. Das Modell wird mittels Messdaten, welche während der Produktion aufgenommen wurden, validiert. Die modellprädiktive Regelung berücksichtigt systematisch die Begrenzungen in der Stellgröße, deren zeitlicher Ableitung und der lateralen Position des Bandes und zeigt ein gutes Konvergenzverhalten. Die vorgeschlagene Regelstrategie fügt sich nahtlos in die derzeitige Regelstruktur der Anlage ein. Es wird ein dynamischer Beobachter für den Winkel und die Position des Bandes im Walzspalt, welche nicht direkt messbar sind aber vom modellprädiktiven Regler benötigt werden, entwickelt. Der Beobachter ermöglicht eine Schätzung der Bandkrümmung zwischen den Gerüsten, was eine wertvolle Information für das Bedienpersonal darstellt. Die Effektivität des vorgeschlagenen Regelkonzeptes wird durch Simulationsstudien unter Verwendung eines mit Messungen validierten mathematischen Modells, bewertet.

Almost all flat steel production involves processing in a tandem hot strip finishing mill. The mass flow in the hot strip finishing mill significantly influences the quality of the final product and the stability of the process. Depending on its main direction, the mass flow can be categorized into longitudinal and lateral mass flow. A uniform longitudinal mass flow is desired to keep the strip tension constant and thus avoid large movements of the loopers between the mill stands that control the strip tension. Constant strip tension also improves the general thickness quality and prevents the strip from necking in case of excessive strip tension. A simple and reliable measurement system for the mass flow in hot strip rolling is described, and its accuracy is analyzed. Based on such a measurement, slip models, often only a by-product of roll gap models, can be validated and tuned. An adaptation approach for a slip model using an additional disturbance input is proposed, and a method for identifying this disturbance is presented. This adaptation approach significantly improves the accuracy of the computed strip velocity compared to state-of-the-art approaches relying on roll gap models like Sims’ model. In typical state-of-the-art implementations of mass flow controllers, the roll-speed is synchronized in a cascade master-slave control structure where the very last downstream mill stand serves as speed master and the upstream mill stands operate in a slave mode to keep the mass flow constant. While the relation between the roll speeds in the classical synchronization control concept is typically constant, a thorough analysis of the mass flow reveals that the slip between the work rolls and the strip is time-varying. Therefore, a novel adaptive speed synchronization controller is proposed, to ensure a uniform mass flow, which can be easily added to the existing control structure and is computationally undemanding. However, sensor faults cannot be precluded entirely. Therefore, a robust roll speed synchronization control law that can cope with sensor faults is derived. A method to detect and isolate faults of the inter-stand strip speed measurement is introduced. In case of a detected fault, the control law is switched to a form that does not require the respective measurement. Lyapunov's indirect method proves the stability of the overall closed-loop system, and its efficacy is demonstrated by simulations using a validated plant model, including the currently applied control structure. The lateral mass flow influences the lateral movement of the strip. Uncontrolled lateral movement of the strip may damage the strip and the plant. An existing lateral mass flow model is extended as a basis for a model predictive controller. The extended model is validated utilizing measurement data obtained by a dedicated experiment at the industrial mill. The model predictive controller systematically respects limits in the manipulated variable, its time derivative, and the lateral position of the strip while showing a good convergence behavior. The proposed control strategy integrates flawlessly into the control structure currently applied at the plant. A dynamical observer for the angle and position of the strip in the roll gap is proposed because these quantities are not directly measurable but demanded by the model predictive controller. The observer entails a soft-sensed measurement of the camber of the strip in the finishing mill. This provides valuable information for the operating personnel. The efficacy of the proposed control structure is evaluated by simulation studies utilizing an experimentally validated mathematical model based on first principles.