熱軋鋼帶層冷溫度建模

1、熱軋帶鋼層流冷卻系溫度建?！敬T士論文】天津大學2012.11熱軋帶鋼的工藝生產流程層流冷卻通過冷卻水使帶鋼溫度降低并保持在一定的范圍之內，使得實際卷取溫度能否控制在生產允許的誤差范圍之內層流冷卻背景熱軋熱軋帶鋼在經歷過粗軋、精軋等軋制過程后的最終溫度為帶鋼在經歷過粗軋、精軋等軋制過程后的最終溫度為 800900熱軋帶鋼的熱軋帶鋼的卷取卷取溫度一般必須控制在溫度一般必須控制在 550700帶鋼在軋線輥道上的運行時間大概在帶鋼在軋線輥道上的運行時間大概在 10s左右左右想要想要在精軋末機架到卷取機之前在精軋末機架到卷取機之前如此如此短的時間內短的時間內使帶鋼溫度降低使帶鋼溫度降低 100350，僅

2、僅依靠帶鋼在，僅僅依靠帶鋼在輥道輥道上的上的熱輻射熱輻射以及以及帶鋼向輥道的熱帶鋼向輥道的熱傳導傳導等自然冷卻所產生的溫降是遠遠等自然冷卻所產生的溫降是遠遠不夠不夠的的。因此，輸送因此，輸送輥道上對輥道上對帶鋼帶鋼噴灑大量的冷卻水噴灑大量的冷卻水來來迅速迅速降低帶鋼溫度。降低帶鋼溫度。在在冷卻輥道上下布置兩排噴水冷卻輥道上下布置兩排噴水架架每個每個噴水架噴水架上各上各有幾組有幾組閥門控制閥門控制的噴的噴水管水管通過通過控制控制噴水管的開啟和關閉噴水管的開啟和關閉來來控制控制帶鋼卷取帶鋼卷取溫度溫度大量冷卻水與帶鋼表面接觸，產大量冷卻水與帶鋼表面接觸，產生一層類似于生一層類似于薄膜薄膜的物理形態(tài)

3、，的物理形態(tài)，帶鋼將溫度傳遞給冷卻水以降溫帶鋼將溫度傳遞給冷卻水以降溫在沿軋線方向上每隔一段距離設在沿軋線方向上每隔一段距離設置一定數(shù)量的置一定數(shù)量的側噴噴嘴側噴噴嘴，將殘留，將殘留在帶鋼表面上的水沖掉在帶鋼表面上的水沖掉層流冷卻生產設備 帶鋼帶鋼出精軋機架的出精軋機架的速速度度、加速度加速度、厚度厚度等等物理參數(shù)物理參數(shù)都是由都是由軋制軋制過程決定的過程決定的，冷卻冷卻水水量密度也隨之量密度也隨之確定確定 因此因此，要控制帶鋼的，要控制帶鋼的卷取溫度卷取溫度，只能，只能通過通過改變閥門開啟數(shù)目改變閥門開啟數(shù)目即即改變冷卻區(qū)長度來實改變冷卻區(qū)長度來實現(xiàn)?，F(xiàn)。軋制過程的問題提煉預設定與自學習 預

4、設定預設定部分部分1. 首先在層流冷卻數(shù)學模型的基礎上2. 根據(jù)熱軋精軋機傳送的輸入數(shù)據(jù),主要包括帶鋼出口溫度、速度、厚度等3. 計算出要使帶鋼卷取溫度達到目標值所需的噴水區(qū)長度控制變量是噴水區(qū)的長度被控制量是帶鋼溫度不可控輸入變量：帶鋼終軋出口溫度、速度和厚度等 前饋控制前饋控制普冷卻全部釆用前饋控制。根據(jù)帶鋼精軋機出口處得溫度計算層流流量,對層流前段預設定值進行修改;中部溫度計用于對后段層流的前饋控制。計算過程是一個不斷進行的周期計算1.根據(jù)精軋出口實際測量的帶鋼的溫度、速度和厚度2.利用與預設定計算相同的模型計算出相應的集管開關數(shù)量3.對預設定計算得到的閥門開啟數(shù)量進行微調，微調按照樣本

5、長度周期進行。流冷卻控制系統(tǒng)分析 反饋控制反饋控制精冷區(qū)的主要作用就是根據(jù)實測帶鋼卷取溫度與帶鋼目標卷取溫度的誤差來反饋調節(jié)精冷區(qū)的冷卻段數(shù),也就是調節(jié)閥門的開閉情況,從而控制冷卻水的流量,達到對帶鋼卷取溫度進行微調的目的層流冷卻反饋控制系統(tǒng)是一個比較典型的大滯后系統(tǒng)。PID + Smith預估器控制器，對滯后系統(tǒng)進行補償流冷卻控制系統(tǒng)分析（CONTD）前饋控制采用普冷區(qū)主冷的控制策略采用普冷區(qū)主冷的控制策略時時當精軋出口溫度：實測高于預測沿軋制方向逐個增加噴水閥門開啟數(shù)目,直到帶鋼的溫將達到工藝要求時為止。當?shù)陀谘嘏c軋制方向相反的方向逐個減少噴水閥門開啟數(shù)采用采用精冷區(qū)主冷的冷卻策略精冷區(qū)主

6、冷的冷卻策略時時當實測高于預測沿與軋制方向相反的方向逐個增加 當?shù)陀谘剀堉品较蛳蚝笾饌€減少噴水閥門開啟數(shù)目層流冷卻生產線設備每個噴水架上有 6 個噴水管，上下對稱各有 12+3=15 個噴水架。前 12 個噴水架上每 2 個噴水管各由一個閥門所控制，粗調閥；后 3 個噴水架上每個噴水管由一個閥門所控制，精調閥層流冷卻區(qū)入口，測量帶鋼入口的溫度、速度和厚度在層流冷卻區(qū)出口（HMP處）、卷取之前，測量帶鋼的實際卷取溫度層流冷卻所控區(qū)域內檢測元件紅外測溫紅外測溫儀儀3臺紅外測溫儀,分別安裝在精軋機末架出口、層流冷卻中部和1#卷取機之前以便預測模型計算冷卻所需水量,集管的開啟個數(shù)及順序因受冷卻過程中高

7、溫水汽的影響,冷卻區(qū)中難以逐點對運行狀態(tài)的熱軋帶鋼溫度進行連續(xù)檢測熱金屬檢測器熱金屬檢測器在精乳機末架出口和1#卷取機之前用于識別熱金屬運動的前沿與方向集管水流量計、供水總管流量計集管水流量計、供水總管流量計在第n個粗調上下集管和第m個精調上下集管上各安裝1臺流量計,供水總管上安裝1臺流量計,共計5臺用于流量監(jiān)視和控冷過程控制層流冷卻PLC配置根據(jù)根據(jù)帶鋼在帶鋼在輸出輯道的位置輸出輯道的位置、控冷設備所處的狀態(tài)和控冷設備所處的狀態(tài)和工藝要求工藝要求,給出相應的控制指令給出相應的控制指令。主要功能主要功能:對現(xiàn)場(包括操作臺)的開關、按鈕根據(jù)要求做出高/低電平有效的轉換處理對現(xiàn)場的模擬輸入信號,

8、包括終乳溫度、卷取溫度、控冷段中溫度、機旁高位水箱水位和水溫、粗調和精調上下集管的流量、集管總流量,采用工程上的加權濾波法進行處理實現(xiàn)熱乳精乳數(shù)據(jù)與乳后層流冷卻數(shù)據(jù)的傳輸輸入信號的量綱轉換和標定層流冷卻控制的難點影響層流冷卻卷取溫度的要素影響層流冷卻卷取溫度的要素很多很多帶鋼的物理特性、厚度、速度、溫度閥門開啟狀態(tài)、冷卻水流量不同物質之間的熱傳導、對流和熱輻射等生產線本身的生產設備的磨損情況采用加速軋制技術采用加速軋制技術，帶鋼，帶鋼的運動速度的運動速度是不斷是不斷發(fā)生發(fā)生變化變化軋制方向上帶鋼的每一點通過層流冷卻裝置的時間不相同存在著一定的時間存在著一定的時間滯后滯后帶鋼長度方向上某點經過卷

9、取之前的測溫儀時測量到的溫度控制集管閥門的開啟以及冷卻水從集管出口落到帶鋼表面?zhèn)鹘y(tǒng)層冷系統(tǒng)控制流程往復調節(jié)使得帶鋼的實際卷取溫度在設定的范圍之內往復調節(jié)使得帶鋼的實際卷取溫度在設定的范圍之內對帶鋼卷取溫度進行設定通過設定溫度來計算出閥門的開啟狀態(tài)及開啟數(shù)目根據(jù)測溫儀測量到的帶鋼實際卷取溫度，與設定溫度對比根據(jù)偏差值來調節(jié)精冷區(qū)閥門的開啟狀態(tài)及數(shù)目這樣這樣的調節(jié)最大的調節(jié)最大的缺點的缺點在于前饋的不確定性及反饋的滯后性在于前饋的不確定性及反饋的滯后性。前饋的不確定性：帶鋼的變速運動，經過層冷區(qū)的時間是不同造成了溫度差異。反饋的滯后性：測量溫度與設定溫度比較之后對閥門進行調節(jié)，影響冷卻水量。然而作

10、用到帶鋼的這一點，相對于產生調節(jié)的那一點已經存在之后國內鋼廠的層流數(shù)學模型意大利意大利ANSALDO公司公司美國美國GE公司公司東北大學、天津大學東北大學、天津大學新新日鐵日鐵公司公司德國西門子公司德國西門子公司日本三菱公司日本三菱公司熱模型-解析解熱模型-解析解（CONTD）分析解只適用于幾何條件簡單及常物性的物體。當帶鋼的形狀復雜、物理條件隨時間和溫度變化而變化時，分析解將不再適用采用數(shù)值解來求解，分析解可用來驗證數(shù)值解的結果是否正確。熱模型-數(shù)值解具有不規(guī)則幾何形狀或復雜邊界條件的具有不規(guī)則幾何形狀或復雜邊界條件的非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)導熱導熱問題問題數(shù)值數(shù)值解法：解法：基本思路用導熱問題所涉及到

11、的空間和時間上內的離散點的溫度近似值來代替物體內部連續(xù)的溫度分布將求解連續(xù)的溫度分布問題轉化為求解各節(jié)點溫度值的問題將導熱微分方程的求解問題轉化為求解節(jié)點代數(shù)方程的問題。主要內容求解區(qū)域的離散化處理節(jié)點溫度代數(shù)方程組的建立和求解層冷過程傳熱機理之：有限元模型 有限元方法研究了熱軋帶鋼層流冷卻過程的傳熱機理，建立了有限元方法研究了熱軋帶鋼層流冷卻過程的傳熱機理，建立了熱軋帶鋼熱軋帶鋼層流冷卻層流冷卻瞬態(tài)溫度場模型瞬態(tài)溫度場模型。有限元法的求解過程是將研究對象的求解區(qū)域離散化為一組有有限元法的求解過程是將研究對象的求解區(qū)域離散化為一組有限個組合體限個組合體，并且，并且這些組合體是按照一定方式相互連

12、接的這些組合體是按照一定方式相互連接的。鋼板劃分為若干小單元，單元本身具有不同形狀利用線性插值和單元間的關系，可按照不同的方式進行組合將單元的方程有序地組成整個系統(tǒng)的方程，可以離散得出具有不同幾何圖形的小的求解區(qū)域溫控模型東北大學層流冷卻過程的有限差分模型 認為溫度在長度方向上無熱傳導，也即agent之間動態(tài)是獨立的層流冷卻過程的有限差分模型 （時刻）層流冷卻過程的有限差分模型 - 邊界條件有限差分方程的穩(wěn)定性條件實測數(shù)據(jù)和結果帶鋼終軋溫度（精軋后）為帶鋼終軋溫度（精軋后）為 890空氣溫度為空氣溫度為 15，水溫為，水溫為 35。帶鋼帶鋼長度為長度為 707.6m（將帶鋼在長度（將帶鋼在長度

13、方向方向上根據(jù)集管長度進行分段，上根據(jù)集管長度進行分段，每段長約每段長約 5.6m）層冷過程控制現(xiàn)狀針對于該熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)探索其應該采取的控制方式及針對于該熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)探索其應該采取的控制方式及控制控制策略策略，確定了，確定了前饋控制為主，反饋控制為輔前饋控制為主，反饋控制為輔，同時在生產，同時在生產過程中對參數(shù)進行自過程中對參數(shù)進行自適應調節(jié)適應調節(jié)。 針對于熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)所建立的數(shù)學模型，通過針對于熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)所建立的數(shù)學模型，通過 MATLAB 仿真軟件仿真軟件對其進行仿真研究，可以很方便的得出帶鋼對其進行仿真研究，可以很方便的得出帶鋼的帶鋼卷曲溫度曲線（表面

14、溫度的帶鋼卷曲溫度曲線（表面溫度、中心、中心溫度、平均溫度）溫度、平均溫度）。目前的層流冷卻控制方法主要有目前的層流冷卻控制方法主要有基于基于經驗模型經驗模型和策略表格和策略表格的開環(huán)設定控制的開環(huán)設定控制、基于模型的開環(huán)控制基于模型的開環(huán)控制、基于預設定基于預設定與線性與線性補償模型補償模型相結合的控制相結合的控制、基于智能技術的控制基于智能技術的控制等等。基礎知識1模糊PID控制參數(shù)整定將模糊理論應用于將模糊理論應用于PID三個參數(shù)三個參數(shù)(Kp、Ki、Kd)的的整定中去整定中去,將模將模糊理論與糊理論與PID控制結合起來控制結合起來,構成一個模糊構成一個模糊PID控制器控制器以以系統(tǒng)誤差

15、和系統(tǒng)誤差和誤差變化誤差變化率作為率作為輸入語句輸入語句變量變量模糊控制模糊控制以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎,并且在行為上模仿人的模糊推理和決策過程1. 將操作人員或專家經驗編成模糊規(guī)則2. 將來自傳感器的實時信號模糊化3. 將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入,來完成模糊推理4. 并將推理后的輸出量加到執(zhí)行器上基礎知識1模糊PID控制參數(shù)整定（CONTD）將模糊理論應用于將模糊理論應用于PID三個參數(shù)三個參數(shù)(Kp、Ki、Kd)的的整定中去整定中去,將模糊理將模糊理論與論與PID控制結合起來控制結合起來,構成一個模糊構成一個模糊PID控制器控制器以以系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)誤差和誤差變

16、化誤差變化率作為率作為輸入語句輸入語句變量變量模糊模糊PID控制控制把規(guī)則的條件、操作作用模糊集表示把這些模糊控制規(guī)則及有關信息作為知識存入計算機知識庫,再有計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算來完成對PID參數(shù)的在線在整定設e和ec以及PID控制器的三個參數(shù)都服從正態(tài)分布,可以得出各模糊子集的隸屬度根據(jù)各子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型,應該模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表查出修正參數(shù)代入式計算Kp Ki Kd.基礎知識2滑模變結構控制帶有滑動模態(tài)的帶有滑動模態(tài)的變結構控制，使變結構控制，使系統(tǒng)系統(tǒng)“結構結構”具有隨時變化的具有隨時變化的開關

17、特性開關特性這種特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運動“滑?！边\動滑模滑模變結構控制系統(tǒng)的特點變結構控制系統(tǒng)的特點響應速度快、對參數(shù)變化及外界擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、設計簡單易實現(xiàn)處理不確定非線性和時滯問題缺點在于當系統(tǒng)運動到滑動模面之后,難于嚴格地沿著滑動模面向平衡點滑動,而是在滑動模面的兩側來回穿越并產生抖振起始點A：s=0附近向切換面兩邊離開通常點B：s=0附近時穿越此點而過終止點C：s=0附近時從切換面兩邊趨于該點附近的點都被吸引在區(qū)域內運動s(x)=0上所有點都是終止點的區(qū)域為滑動模態(tài)區(qū)，在此區(qū)域內運動為滑膜運動s2導數(shù)是負定。李雅普諾夫函數(shù)熱軋

18、帶鋼層流冷卻過程建模方法研究現(xiàn)狀基于經驗的代數(shù)公式和簡化微分形式的溫度模型基于經驗的代數(shù)公式和簡化微分形式的溫度模型：通過實驗建立熱平衡狀態(tài)下的帶鋼冷卻結束后的卷取溫度與冷卻水量之間的經驗公式,具體表達形式是帶鋼溫降和噴水集管控制閥門開啟總數(shù)之間的簡單代數(shù)公式簡化微分形式的溫度模型與誤差補償模型相結合的溫度簡化微分形式的溫度模型與誤差補償模型相結合的溫度模型模型增加了一個層流冷卻過程模型偏差的補償模型,基于神經網(wǎng)絡技術的補償模型結構,以產品規(guī)格為輸入,層流冷卻過程模型的補償偏差為網(wǎng)絡輸出,從而起到補償冷卻過程模型偏差的作用基于熱傳導機理的考慮厚度方向上溫度梯度的動態(tài)溫度模型基于熱傳導機理的考慮厚度方向上溫度梯度的動態(tài)溫度模型