（控制理论与控制工程专业论文）钢坯温度场动态预报模型及其可视化的研究.pdf

摘要 目前，我国工业能源利用率较低。钢铁工业中的加热炉是耗能较大的设备， 在其控制与生产管理方面，我们的任务紧迫且大有可为。在同时保证钢坯表面温 度和内部温度的情况下，适时出钢是既保证钢坯加热的质量又节省燃料的关键。 但目前的测温技术很难用仪器直接测量出加热炉内被加热钢坯的内部温度。利用 传热学的知识。建立钢坯温度场分布的数学模型，预报钢坯表面温度和内部温度 值；然后，将钢坯在炉内的温度分布情况实时传送给控制系统，以便优化决策， 获得炉温的调整。这对于生产工艺的最佳控制和节约能源具有重要意义。在本文 中，作者有限差分法建立了钢坯内部温度场模型，通过神经网络建模方法建立了 钢坯表面温度模型。实验数据表明，该模型能够较为准确地预报了钢坯内部及表 面温度场数据。 ：， 一 在上述数学模型的基础上，本文针对钢坯温度场数据量大、工程分析不直观 的问题，尝试了应用图形处理软件o p e n g l 进行钢坯温度场的虚拟现实可视化。 这是本课题研究的一个新颖之处。在热力传导中，大量存在着将数值计算及碗梓 采样所获得的大量数据转化为可视化图像的问题；这一问题与传热学相关学科的 可应用于实际中有着密切的联系。因此，本文对钢坯温度场中大容量数据进行虚 拟现实可视化的初步研究，有一定的工程应用参考价值 t ， 关键诃t 钢坯温度场预报动态b p 网络数瑭场可视钯砬拟现实技术o p e n g l a b s t r a c t t h eu t i l i z a t i o nr a t eo f e n e r g yi ni n d u s t r yi sl o w i ni r o na n d s t e e li n d u s t r y ，o n eo f t h eb i g g e s tc o n s u m e r si ss t e e l h e a t i n gf u r n a c e ，a n dw ec a nd oal o to nt h ec o n t r o l a n dp r o d u c i n gm a n a g e m e n to ft h es t e e l - h e a t i n gf u r n a c e w h e nt h es u r f a c e t e m p e r a t u r ea n dc e n t r a lt e m p e r a t u r e o fs l a bi sh i g he n o u g h ，t a p p i n g t i m e l yi st h ec r u x o f g u a r a n t e e i n gs l a bq u a l i t ya n de n e r g ys a v i n g b u tt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t f o r t h em o m e n tc a n n o tm e a s u r et h es l a b st h a ta r eb e i n gh e a t e d t h e r e f o r e ，w eu s et h e k n o w l e d g eo f h e a tt r a n s f e rt ob u i l dt h em a t h e m a t i c sm o d e la n ds o l v et h et e m p e r a t u r e f i e l do ft h es l a b s ；t h e nw ec a np a s st h et e m p e r a t u r ec o n d i t i o n st ot h ec o n t r o ls y s t e m ， a n do p t i m i z ed e c i s i o n - m a k i n gt oa d j u s tt h ef u r n a c et e m p e r a t u r et i m e l y i ta t t a c h e s g r e a ti m p o r t a n c et oo p t i m i z i n gc o n t r o lt e c h n i c sa n ds a v i n ge n e r g y i nt h ep a p e rt h e w r i t e ru s et h em e c h a n i s m m o d e l i n g t os e tu pt h ei n n e rt e m p e r a t u r ef i e l do ft h es t e e l s l a b s ，a n du s et h ei d e n t i f i c a t i o nm o d e l i n gt oc a l c u l a t es u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d t h e e x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t e st h a tt h em o d e l c a np r e d i c tt h et e m p e r a t u r ef i e l d j a c c u r a t e l y b a s eo nt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h ep a p e ra p p l yt h eg r a p h i c sp r o c e s s i n gs o f t w a r e o p e n g l t ov i s u a l i z et h es l a bt e m p e r a t u r ef i e l d ，s ot h a tw er e s o l v et h e p r o b l e mo f a m a s so fd a t aa n di n c o n v e n i e n c ei nt h ep r o c e s so f p r o j e c ta n a l y s i s t h i si san o v e l t yo f t h ep a p e r i nh e a tt r a n s f e rt h e r ea r ep r o b l e m si nc o n v e r t i n gam a s so f d a t a ，w h i c hi s f r o mn u m e r i cc a l c u l a t i o na n dh a r d w a r ec o l l e c t i o n ，t ov i s u a li m a g e ；t h e s ep r o b l e m s h a v em a n yr e l a t i o n sw i t ht h ea p p l i c a t i o n so fh e a tt r a n s f e rr e l e v a n ts u b j e c t t h e r e f o r e ， t h es t u d yo f t r a n s f o r m i n gv o l u m ed a t ai nt h et e m p e r a t u r ef i e l dt ov i s u a li m a g ei so f g r e a tv a l u ej ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s l a bt e m p e r a t u r ef i e l dp r e d i c t i o n n e u r a ln e t w o r kd a t af i e l d v i s u a l i z a t i o n o p e n g l v i r t u a lr e a l i t y n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锨筹数 日期：z 优哆年专月，争日 绪论 绪论 能源问题是当今世界五大主要问题之一而我国目前存在这样一种状况：一 方面，能源不足；另一方面，能源浪费严重。我国的能源利用率不及日本的一半， 比西欧也低得多。我国能源的一大用户就是工业炉。他所耗用的能源约占全国总 能耗的五分之一。目前我国的工业炉在能源利用上还存在很大的浪费。在工业炉 节能技术方面，我国的任务紧迫并大有可为。在工业炉中钢加热炉是能源消耗大 户，浪费也相对严重。在加热工艺中，加热时间过长，会降低土厂的生产效率， 增加产品的成本。但是若加热时间短，虽然钢坯的表面温度已达到了要求，但钢 内部温度却和表面温度相差很大，将使轧制钢坯的轧辊逐渐产生裂纹，严重缩短 轧辊的寿命，同时低温轧制钢坯内应力大，也会降低产品的质量。因此，我们必 须通过有效的手段把炉温控制在合理的范围内，使轧机和加热炉的总能耗最低。 在同时保证钢坯表面温度和钢坯的内部温度的情况下，适时出钢是既保证钢坯加 热的质量又节省燃料的关键。但目前的测温技术很难用仪器直接测量出被加热钢 坯的内部温度。因而我们利用传热学的知识，对这一过程进行描述、建模、求解， 从而计算出钢坯表面温度和钢坯内部温度随时间和空间分布情况。钢坯在炉内的 温度分布情况实时传送给控制系统，及时调整炉温，对于实现加热炉的最佳控制 操作具有重要的意义。 在热力传导中大量存在着将数值计算及硬件采样所获得的大容量数据转化为 可视化图像的问题。这一问题的研究，直接影响着与传热学相关学科的发展。因 此，对于热力传导的科学计算可视化问题的研究就显得尤为重要。在这篇论文中， 笔者尝试了用虚拟现实技术实现来实现钢坯温度场的科学可视化，初步解决了钢 坯温度预报的数据量大、工程分析不直观的问题。 围绕以上内容，本论文主要做了以下工作； 第一章主要阐述了加热炉钢坯温度场研究的背景知识。概括了加热炉控制技 术现状和工程应用情况，介绍了与本课题相关的加热炉生产工艺，说明了研究加 热炉钢坯温度场智能预报模型及虚拟现实可视化的研究目的和意义。 第二章是本课题研究的一个重点问题一一建立钢坯温度场动态预报模型的问 题：基于传统的温度场数值计算方法，提出了加热炉钢坯内部温度场的计算方法； 针对钢坯表面温度变化复杂，用机理建模的方法建立温度模型极为困难的问题， 绪论 本文采用了神经网络的方法辨识了钢坯表面温度曲线。实验数据表明，该模型能 够较为准确的预报钢坯温度场分布情况。 第三章在引入科学计算可视化概念的同时给大家介绍一下虚拟现实技术和 本论文实现钢坯温度场虚拟现实可视化所应用的编程软件o p e n g l 。 第四章是本课题的一个研究重点一一加热炉钢坯温度场虚拟现实可视化。由 于钢坯温度场数据是在m a t l a b 中建模计算所得，而我们所应用的实现工具是 o p e n o l 软件包，相互调用问题是本论文的实现需要解决的首要问题。根据具体 情况，本论文采用了引擎一v c 调用m a t l a b 的方法，实现了数据的实时传送； 最后，作者根据m a t l a b 仿真程序所得预报数据，采用颜色纹理法实现了钢坯温度 场的可视化。 2 第一章钢坯温度场研究的背景知识 第一章钢坯温度场研究的背景知识 随着现代轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热 质量要求越来越高，从而对加热炉的控制也提出了更高的要求，这就促使人们去 研究商品质的加热炉优化控制系统。到七十年代末，一些工业发达国家的加热炉 的计算机控制已进入实用阶段，但就其控制策略来看，主要为局限于以传统燃烧 控制技术为基础的d d c 控制。人们通过对空燃比、烟道残氧量、燃料流量与空气 流量等参数的控制，阻期使加热炉内实现燃料的最佳燃烧并丌发了大量的相关 算法，但是，随着这些控制的应用，人们很快发现，仅仅考虑炉内燃料的合理燃 烧是不够的，因为加热炉生产的直接目标是获得工艺规定的钢坯加热温度以保证 良好的轧制性能，并在此前提下力求使加热过程的能量消耗最小。 但是，由于目前测试技术的限制，在生产过程中对钢坯内部温度的检测比较 困难，为了获得钢坯内部的温度，一些研究人员尝试通过数学模型的方法实现钢 坯温度的软测量即通过数学模型的方法预报钢坯内部的温度迄今为止研究工 作者应用集中参数、分前f 参数、回归分析及状态估计等方法对钢坯热状态进行了 数学描述。但大多数方法太复杂或考虑生产实际情况不够。而很难为工程实际所 应用。吕勇哉等。圳科研人员长期从事这一领域的研究工作，并取得了丰硕的研 究成果他们从描述钢坯内部不稳定导热的偏微分方程及相应的边界条件出发， 研究歼发了描述钢坯热状态的大规模离散状态空间模型。该模型在美国两家钢铁 公司的加热炉控制中得到应用，并取得了一定的效果，但据有关文献妇 报道该模 型在应用中存在着一些不足，主要是模型的边界条件被经验的描述为钢坯表面热 流密度的函数。出此导致精度低、自适应性差。本论文尝试采用机理建模和辨识 建模楣结合的办法建立钢坯温度场的数学模型，并对该模型进行了仿真，仿真结 果证明该模型具有较好的精度和自适应性。 1 1 加热炉控制现状 加热炉作为钢铁厂主要的耗能设备之一，每年的燃料消耗非常巨大，在七十 年代席卷全球的能源危机的影响下工程技术人员迅速把目光集中在如何使燃料 充分燃烧，发挥最大的作用上。于是最佳燃烧拉制便迅速发展和完善起来。在j , j t l 热炉燃烧控制中，主要有炉内温度控制及加热炉双交叉限幅燃烧控制，此外还有 为减少炉外冷空气侵入及火焰外喷的炉膛压力调节：保障流量调节回路稳定的燃 筇一章钢坯温j 皇场研究的背最知识 气及空气总管压力调节以及为保证稳定的空燃比而进行的温度、压力及燃气的热 值修乖，这都是保证最佳燃烧所不可缺少的。下面分别对炉内温度控制及加热炉 双交叉限幅燃烧控制作一简要介绍。 1 。1 1 炉内温度控制 连续加热炉按不同的结构，可分成若干温度控制段。对于三段式连续加热炉， 钢坯从炉尾装入炉内，连续不断地从预热段进入加热段再进入均热段，最后出 钢。钢坯是在连续不断地运动中被加热的。控制加热炉的热工过程主要是根据 被加热钢坯的品种、尺寸、最终温度要求以及炉内传热条件等控制钢坯的最佳升 温d l l 线和炉温曲线。炉内每一段的温度控制值可以分别设定。 工程上主要是用热电偶测量炉内各段的温度，再由温度调节器来控制燃料调 节阀和相应的助燃空气阀，以满足热负荷的需要。图卜l 为般的加热炉温度串 级控制系统方框图。这是一种串级比值控制，温度为主调参数，燃料和空气流量 为并列副调参数，空气量随燃料流量按一定的空燃比变化，k 是空燃比系数，它 可由残氧分析来校f 。炉内各段的气氛可由空燃比调节。 厂- 1 兰兰竺 图卜l 加热炉温度控制系统的方框图 1 1 2 加热炉双交叉限幅燃烧控制 加热炉耗能大，因此要求在满足热负荷要求的前提下，使燃烧效率最高，经 济效益最大，图卜l 所示的温度控制系统是常用的调节方式。在系统稳定运行的 i j 提下，通过残氧分析、计算热效率、人工校正比值系数k 的设定，可以使燃烧 处于最佳状态。但是，当干扰出现时情况则不同，例如由于负荷增加，炉温下 降调节器使燃料流最增大。由于空气是从变量，其响应有段滞后，又加之空 笫一章钢坯温度场研究的背最知识 气管道大，空气调节阀的反应慢，综合起来，使在燃料流量增加的动态过程中， 会出现欠氧燃烧，产生黑烟，使热效率下降。反之，当负荷减少时，由于同样的 理由则会出现过氧燃烧，热效率也会下降。可见，动态过程中，串级比值调节 不能保持难确的空燃比，这就要求寻找更好的燃烧控制方式。 一 7 0 年代末开发出交叉限幅燃烧控制，8 0 年代初又发展成双交叉限幅燃烧控 制。近年又出现了变增益的双交叉限幅燃烧控制，使这种燃烧自动调节方式更加 完善单双交叉限幅法有以下几个优点： ( 1 ) 使系统在燃烧负荷增加或要求升温时，实现空气先行，燃料跟随；燃烧负 荷降低或降温时，燃料先行，空气跟随，以达到防止黑烟污染环境的目的。 ( 2 ) 随系统在调节的动态过程中，保持空气燃料的相互跟随关系。控制空燃配 比，特别是双交叉限幅的作用更好。 ( 3 ) 使系统在供风设备一旦发生故障停风时。能自动关闭燃料调节阀，具有自 保护功能。 但这两种方法的缺点是响应速度较慢，且偏置量在各种运行范围为恒定值 k ( 满刻度流量的百分率) ，与温度偏差大小及运行范围无关温度设定度越低，需 要的燃料越少，偏鬟值k 所占实际比值越大。改进型双交叉限幅不但具有双交又 限幅的优点，实现双向限幅空燃比范围精确，同时使偏置值与偏差大小成比例， 提高系统的动态性能。 1 1 3 加热炉控制技术的工程应用现状 国际上从7 0 年代就已丌始加热炉计算机控制的研究我国在这方面起步较 晚，从8 0 年代初才丌始遮方面的研究工作。但近十多年来由于计算机技术以及智 能控制技术的迅速发展，加热炉计算机控制的应用日趋广泛，控制水平有明显提 高，并且取得了一些应用成果。表卜1 和表卜2 分别介绍了国内、外加热炉计算 机控制应用的现状， 从表卜1 和表1 - 2 可以看出近年来国内钢铁企业的加热炉控制技术虽然有了 较大发展但和国外钢铁企业相比还有不小差距，其中之一为国内钢铁企业的加热 炉控制中几乎没有钢温预报的功能，更没有基于钢温预报的控制，控制范围仅仅 停酎在燃烧控制上，而发达国家的钢铁企业已经把钢温预报作为加热炉控制的一 个基本组成部分。并已经刀：发出基于钢温预报的控制，生产实践表明基于钢温预 报的控制系统和传统的燃烧控制相比钢坯加热更合理、节能效果更明显。 第一章钢坯温度场研究的背景知识 表1 1加热炉计算机控制在国内应用的现状 厂名机型应用现状 汕风自动配比、残氧闭环控制、炉温炉压 人连钢初轧分厂m 6 8 0 9 控制 烧钢过程控制、钢锭烧好预报、事故处理、 攀钢初扎厂i n t e l 机型 炉温显示、打印耆9 ；功能 d d c 、s p c 级控制采f i j 白寻优技术井按照数 柴钢扎钢厂t 1 5 6 5 机学模弛烧钢均热期采用脉动供热技术， 井计划投入s c c 控制 马钢初扎厂，t m c 8 0过程控制与监视、残氧闭环控制 煤气、空气流量及炉压的p i d 控制、自寻 太钢初扎厂t 1 5 6 5 机 优及专家控制算法、温度检测及越限报警 首钢初扎厂t k - 8 0炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制 表l 一2加热炉计算机控制在国外应用的现状 国家及厂名所j j 机抛应用现状 钢坯目标山炉温度计算、钢温预报、山料 日本k a s h i m a 钢厂 周期预报钢渝预报模弛修正空燃比控制 新两兰t l o o g o v e n 公 p d p1 1 4 0 计 采川热传导微分方穰进行钢温预报、炉温 司算机 优化控制、空燃比控制 1 级tp l c 控空燃比控制、炉温控制、坯料跟踪、钢温 铷器h o n e y w e l l预报、炉温设定值调节 关国d o f a s c o 公司d c3 0 0 0 2 级：d e c f a x 8 3 5 0 6 笫一帝钢坯温度场研究的背瓜知识 1 2 相关的加热炉生产工艺 1 2 1 加热炉加热钢坯的目的 钢坯在轧制或锻造前的加热是钢坯热加工过程中的一个重要环节，加热炉加热钢 坯的目的是： 夺 提高金属的塑性。 夺 使钢坯内外温度均匀。 夺 改变余属的结晶组织。 钢坯加热的质量直接影响到轧材的质量、产量、能源消耗以及轧机的寿命。 i f 确的加热工艺可以提高会属的塑性，降低热加工时的变形抗力，按生产节奏为 轧机提供加热质量优良的钢坯，保证轧机生产顺利进行。反之如加热工艺不当， 或加热炉的工作配合不好，就会直接影响轧机的生产。例如，加热温度过高，会 发生钢的过热、过烧，轧制时就要造成废品。钢的表面发生严重的氧化或脱碳， 也会影响钢的质量，甚至报废。目前有的轧机不能充分发挥作用，往往是因为加 热工艺这一环节薄弱。 1 2 2 金属的加热温度和加热速度n 3 b )金属的加热温度 金属的加热温度指金属盒属加热完毕出炉时的表面温度。对金属热处理而言， 加热是为了改善金属内部的结晶组织。加热温度主要根据热处理工艺要求来决定。 两金属的轧制、锻压前的加热是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，加热温 度主要根据搬, q j u i 工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。不同的热 加工方法，其加热温度也不一样，例如热轧的加热温度一般比锻压高，热挤压温 度比较低。最适合的加热温度，应馊金属获得最好的塑性和最小的变形抗力，这 样有利于热加工，提高产量，减少设备磨损和动力消耗。 = ；= 属的加热温度，一般来说需要参考金属的状态相图、塑性图及变形抗力图 等资料综合确定。 b ) 金属的加热速度 = ；= 属的加热速度是指单位时问内，= ；：属的表面温度升高的度数，单位为 m i n 或h ，有时也用单位时间内加热钢坯的厚度，m m m i n i 或单位厚度的盒属 加热所需要的时间，m i n m m ，来表示加热速度。 7 第一章钢坯温度场研究的背景知识 从生产率的角度，希望加热速度越快越好而且加热的时间短，盒属的氧化 烧损也减少，但是提高加热速度受到炉子供热条件和金属内外允许温度差问题的 限制。 钢坯加热过程中，山于会属本身的热阻不可避免地存在内外的温度差，表 面温度总比中心温度升高得快，表面的膨胀要大于中心的膨胀，于是钢坯内部产 生了温度应力，即热应力。热应力的大小取决于温度梯度的大小，加热速度越快 内外温差越大，热应力越大。如果热应力超过了钢的破裂强度极限，钢的内部就 要产生裂纹，所以加热速度要限制在应力所允许的范围之内。 1 2 3 连续加热炉的加热制度 难确选择金属的加热工艺，不仅要考虑金属的加热温度是否达到出炉要求， 还应考虑断面上的温度差即温度的均匀性。钢在压力加工前和热处理时的加热 制度按炉内温度的变化，可分为一段式加热制度、二段式加热制度、三段式加 热制度、多段式加热制度。我们的研究对象采用三段式加热制度。 三段式加热制度( 也称三期加热制度) 是把钢料放在三个温度条件不同的区 段( 或时期) 内加热，依次是预热段、加热段、均热段。三段式加热制度是比较 完善的加热制度，它综合了以上两种加热制度的优点。钢坯首先在低温区域进行 预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危险。等到命属中心温度超 过5 0 0 c 以后，进入塑性范围。这时就可以快速加热，直到表面温度迅速j l 高到 出炉所要求的温度。加热期结束时，盒属断面上还有较大温度差需进入均热期进 行均热，此时钢的表面温度基本不再升高，而使中心温度逐渐上升，缩小断面上 的温度差。 三段式加热制度既考虑了加热初期温度应力的危险又考虑了中期快速加热 和最后温度的均匀性，兼顾了产量和质量两方面。此种连续加热炉由于有预热段， 【l 炉废气温度较低，热能的利用较好。 1 2 4 连续加热炉的分类 连续加热炉按铜坯在炉内的移动形式不同可分为推钢式连续加热炉和机械化 炉底连续加热妒t 。佣坯在= i f f ! 钢式连续加热炉内的移动是靠推钢机的推力产生的， 钢坯在机械化炉底连续加热炉内的移动是靠炉底的传动机械产生的。我们这晕研 究的对象是推钢式加热炉。 第一帝钢坯温度场研究的背景知识 1 2 5 昆明钢铁公司第二轧钢厂盘元车间加热炉介绍 1 2 5 1 加热炉炉体介绍 盘元车间现有推钢式连续加热炉一座。炉体结构形式：端进侧出，推钢式三 段连续式无水冷热滑道煤气加热炉。 加热制度：三段式加热。 炉子氏度：总氏度2 2 m 总宽度3 6 m 。有效长度2 0 1 8 4 m ，有效宽度2 6 6 8 m 。 炉予有效面积：2 0 1 8 4 2 6 6 8 = 5 3 8 5 m 2 。 烟囱高度：3 5 m ，出口直径1 g m 。 热滑轨中心距：1 2 m 。 热滑轨座砖材质：l 、高铝一碳化硅2 、中温带使用棕刚玉一碳化硅。 盘元车f f i j 加热炉炉体结构如下图2 1 ： 平焰烧嘴 加热段 图1 - 2 加热炉炉体结构图 1 2 5 2 加热炉的加热制度 j ；c 元车间加热炉为三段式连续加热炉，加热炉采取预热段、加热段、均热段 的三段温度制度。炉子的结构上也相应的分为预热段、加热段、均热段。该加热 炉有四个供热点即上加热段l 段、上加热段2 段、下加热段和均热段。 钢坯由炉尾推入后，先进入预热段缓慢升温。出炉烟气温度约为8 5 0 9 5 0 ( 2 。 钢坯进入加热段后，强化加热，表面温度迅速升温到出炉所要求的温度，允许钢 坯内外有较大的温差。最后，钢坯进入温度稍低的均热段进行均热，表面温度不 再升高，而使断弼上的温度逐渐趋于均匀。加热制度如下表1 3 ： 9 第一章钢坯温度场研究的背景知识 表1 3加热制度 上加热段1 段上加热段2 段下加热段均热段 9 0 0 11 5 011 5 0 “1 3 5 011 5 0 、1 3 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 2 5 3 加热炉生产状况 目前盘元车问加热炉处于稳定性较差及高能耗的运行工况下。其原因为： ( 1 ) 加热炉燃烧系统是一大滞后热工系统原设计的控制方案山于当时技术限 制，未能对此加以很好的考虑，故系统运行中稳定性较差，温度检测和流量控制 滞后严重，造成炉子运行工况波动较大，能耗较高。 ( 2 ) 加热炉的生产节奏从原理上必须服从于轧机的生产安排，它应按扎机的要 求实时地提供加热温度适合的钢坯，所以燃烧控制系统应根据变化着的轧制生产 情况，估算钢坯在炉内的加热情况，控制燃烧过程。而原系统设计无此方面的考 患，导致经常性的停炉等待。 ( 3 ) 山于动力厂送来的高炉与焦炉混合煤气热值有时波动较大，从而造成自动 燃烧控制系统无法稳定运行，所咀很多时候，加热炉处于由人工根据经验手工操 作n q 状态。 j = i 习二人工操作不可能根据工况变化实施及时调节，故加热炉处于不稳 定和高能耗状态。 1 2 5 4 加热炉控制系统运行状况 目前盘元车间加热炉所采用的控制方案为：加热炉的三个加热段每一温度段 采用两台k m m 可编程单回路调节器构造的双交叉限幅燃烧控制方案进行控制，温 度设定按工艺要求设定，p i d 参数人工设定，在工况不稳定时可转为手工操作。 1 3 钢坯温度场预报模型及其可视化的研究目的和意义 我国作为钢铁生产大国，钢铁企业的能源消耗在国民生产中占有较大的比重， 如何在保证生产质量的情况下减少能源消耗，对缓解我国能源紧张的局面，实现 可持续发展的目标具有重要意义。国内的加热炉控制技术在理论上已达到先进园 家f 门水平但在工程应用上和发达国家相比还存在较大的差距。国内很多钢铁企 业m 然配有先进的计算机系统，但只是作一些简单的i ，i d 控制，计算机的潜能没 有充分发挥山来。导致这一情况出现的原因较多，其中之一为大多数方法太复杂 o 笫一章钢坯温度场研究的背景知识 或无法获得被控对象的直观模型而很难为工程所应用，如何开发出适合生产实 际的钢坯温度预报系统，对于充分利用现有设备具有重大意义。 在热力传导中，一利，直接的方法是将数值计算及硬件采样所获得的大景数据 转化为可视化图像。这一方法的研究，直接影响着与传热学相关学科的发展。因 此，本论文对钢坯温度场科学可视化问题的研究，不仅有利地探索解决了钢坯温 度场钢坯温度预报的数据量大、工程分析不直观的问题，对热力传导过程中数据 场的可视化问题也有一定的工程应用参考价值。 第二二章钢坯温度场的动态预报模型 2 0 引言 第二章钢坯温度场的动态预报模型 自动控制的研究对象是动态系统，包括线性和非线性系统，时不变系统和时 变系统，确定性系统和随机系统，连续系统和离散系统单变量系统和多变量系 统，集中参数系统和分布参数系统自动控制的目的可以概括为：在指定的指 标函数下，利用所有能得到的信息，设计控制器使被控系统达到所要求性能，如： 稳定性、准确性、快速性、最优性、鲁棒性等，并适合工程实现。 传统控制理论( 包括经典控制理论和现代控制理论) 解决问题的基本思路可 以概括为三步： 夺首先确定系统的数学模型。 夺根掘数学模型在时域内或频域内进行分析。 夺最后根据数学模型和分析结果设计出合适的控制器。 传统控制理论解决问题的关键是获得对象的数学模型。虽然近些年兴起的智 能控制( 如专家系统) 不要求精确的数学模型，但实践和理论均已证明随着控制 的智能化程度的提高控制精度下降。在控制精度要求较高的控制系统中，基于对 象数学模型的控制占有很大的比重。 数学模型的获得方法主要有机理分析法和测试法。机理分析法通常通过分析 过程的运动规律，运用已知的定律、定理和原理，如化学方面的化学动力学原理、 电学方面的基尔霍夫电压电流定律，力学方面的牛顿定理以及能量守恒定律等建 立起系统的数学模型。机理分析法建立系统的数学模型建模过程原理清晰，便于 理解，但对于比较复杂的对象，该建模方法存在着很大的局限性，这是因为机理 建模时，对所研究的对象必须进行合理化的假定，否则建模过程变得极为复杂， 然而山于人们对对象的机理没有完全了解。所作出的假设不一定符合实际情况， 再加上对象的某些因素也可能在不断变化，因此使得机理分析法的使用在建模时 受到很大的限制。测试法是利用系统的输入输出数据提供的信息建立系统数学模 型的方法。该方法无须深入了解系统过程的机理即可建立系统的模型，但由于设 计合理实验的困难性以及实验费用等多方面原因的制约，使得测试法建模的应用 也受到限制。在实际使用时往往两种方法同时使用取长补短。 第二章钢董；温度场的动态预报横型 加热炉加热钢坯的过程是一个高度复杂的过程，炉膛内的热量传递方式包含 了对流、传导和辐射三种方式。钢坯获得的热量主要来自炉膛火焰和炉墙的辐射 以及高温烟气的对流传热等，传热机理十分复杂，存在着较强的耦合。吕勇哉等 ”科研1 i 怍人员经过长期的研究，采用机理建模的方法从描述钢坯内部不稳态 导热的偏微分方程及相应的边界条件出发，研究开发了钢坯热状态的大规模离散 状态空f i j 模型“。并目已为工程所应用，但随着时间的推移一些科研工作者” 发现该模型存在着一些不足主要为该模型的边界条件被经验的描述为钢坯表面 热流密度的函数即 j i 表i l i i ：k 。o t ( 兰y , r ) i ：q ( 弘r ) 。n i j - 小， 一f 表面：k 。掣i ：一q 。( y ，f ) 彪，驯：一q 。( y ，f ) “ ij - 0 傩 lj - o 式中：q ，钢坯上表面的热流密度；g 钢坯下表面的热流密度 k 一表示钢坯的导热系数；t - - 钢坯温度j t 一加热时间；工一钢坯宽度方向坐标；y 一钢坯厚度方向坐标。 吕勇哉“”利用可见温度的概念，把钢坯边界上的热流密度表示为： q ，( y ，r ) = s ，( y ) a ( u ? ( y ，f ) 一t 4 ( d ( y ) ，y ，r ) ) + h o ( “，( y ，f ) 一7 ( d ( j ，) ，y ，r ) ) 式中： s ，( y ) = e 。s ，+ ( 5 。+ s 。( y ) ) h 。炉气对钢坯上表面的对流传热系数； 只。一钢坯对上部炉墙辐射角系数； 盯一斯蒂芬一玻尔兹曼常数；占。一分别为钢坯表面黑度系数； 占。一分别为炉气的黑度系数：占。一分别为炉墙的黑度系数； 山上述内容可以看出采用热流密度的方法计算温度场时，由于多个参数需要 山实验获得而且工况发生变化时要凭经验对参数进行修正，从而导致了模型的 精度低、自适应性差，而且求解过程复杂。 于是，如何建立起求解简单且具有较好的自适应性的钢坯温度场预报模型成 为一些科研工作者“”研究的方向。 本论文作者在研究过程中发现，对于形状规则的钢坯在边界条件已知的情况 下，可以利用有限差分法较容易计算出任意情况下钢坯内部温度场的分柑其中 又以第一类边界条件( m , 生h v d 界温度变化情况即：“= f 。( x ，y ，z ，r ) ) 时计算较为简 单和直观。于是建立钢坯温度场预报模型关键变为钢坯表面温度变化的预报。但 第二章钢坯 瞌度场的动态预报模型 是，由于加热炉内传热过程极为复杂，涉及的因素较多，不仅有火焰、烟气对钢 坯的辐射以及炉墙对钢坯的辐射，同时，钢坯还要以辐射的形式向炉墙、烟气传 递热量，所以通过机理建模的方法建立钢坯表面温度的预报模型是极为丽难的。 本文尝试使用动态b p 网络建立钢坯表面温度的预报模型，然后根据表面温度 利用有限差分法计算钢坯内部的温度场。 j 2 ，1 基于传统温度计算方法的钢坯内部温度场计算方法 2 1 1 传热学的几个基本概念介绍乜1 2 1 1 1 热量传递的三种基本方式 ， 。 - 热量传递有三种基本方式：传导、对流、热辐射。 夺传导指在没有质点相对位移的情况下，当物体内部具有不同温度，或不 同温度的物体直接接触时，所发生的热能传递现象。传导传热在固体、液体和气 体中都可能发生。在液体和固体电介质中，热量的转移是依靠弹性波的作用，在 金属内部依靠自由电子的运动，在气体中主要依靠原子或分子的扩散和碰撞。 夺对流对流是由于流体各部分发生相对位移而引起的热量转移。人们所 研究的对流传热现象主要是滇体流过另一物体表面时所发生的热交换，称为对流 换热。对流换热包台有表面附近流层内的传导过程和层流屡以外的对流过程。 夺辐射 热辐射是一种由电磁波来传播热能的过程它与传导和对流有着 本质的区别，它不仅有能量的转移而且伴随着能量形式的转化，即热能转变为 辐射能，辐射出去被物体吸收，又从辐射能转化为热能。辐射能的传播不需要传 热物体或物体的直接接触。 f 实际上在传热过程中。很少有单一的传热方式存在，绝大多数情况下是两种 或三种方式同时出现。 ， ， ，、- “。 2 1 ，1 2 温度场和温度梯度 。 _ 、 耍在物体内部产生热传导过程，必须在物体内部存在温度差。即传热和温度 的分稚密切相关。在某一瞬间，物体内部各点温废分布的综合称为温度场。_ 般 来说，温度分稚是坐标和时问的函数，它的数学表达形式为 一 f = f ( x ，“z ，r ) 式中t 是温度，x ，y ，z 为空间坐标，f 为时间。 第二章钢坯温度场的动态预报模型 物体的温度场内任何一点的温度不随时间变化时，这种温度场称为稳定温度 场，这时温度分和仅是空问坐标的函数，即 - f = f ( x ，y ，= ) 旦：0 l a r 例如连续工作的加热炉，在正常工作条件下，炉子砌体的温度场属于稳定温 度场。 如果物体的温度场内各点的温度随时间变化，这种温度场称为不稳定温度场， 即a t 0 ，例如加热炉内的钢坯在加热过程中的温度分布就属于不稳定温度场。 温度分椎可以是三个坐标方向、两个坐标方向或一个坐标方向的函数，即温 度场可以分为三维、二维或一维。即 t = f ( x ) t = f ( x ，y ) t = f ( x yz ) 。 把物体上具有相同温度的各点连接起来就成。爿等温面。因为在同一个点上不 可能存在两个不同的温度，所以温度不同的等温商不会相交。只有穿过等温面的 方向才能观察到温度的变化。最显著的温度变化是在沿等温面的法线方向上。温 度差( a t = r 。一1 2 ) 对予沿法线方向两等温面之间的距离缸的比值的极限，称为温度 梯度，故x 方向的温度梯度为 烛瓦a t ) = 夏a tn 0 l “ 温度梯度是一个沿等温面法线方向的矢量，它的正方向朝着温度升高的一面， 所以热量传播的方向和温度梯度的正方向相反。 2 1 1 3 导热的基本定律 傅立叶( f o u r i e r ) 研究了固体的导热现象i ，于1 8 8 2 年提出；j 在纯导热现象中， 单位时间内通过给定面积的热量正比于该处的温度梯度及垂直手导热方向的截 丽而积，其数学表达式为： 。 。一t 已：一aa t a( w )( 式中a 一比例系数，称为导热系数) 伏 豫二章钢坯温度场的动态预报模型 上式就是导热的基本定律通称傅立叶定律。式中负号表示热量传递的方向与 温度的梯度的方向相反。单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，用g 表 示。即 旷鲁一z 尝( w m 2 ) 。 i 2 1 。1 4 导热系数 导热系数是物质的一种物性参数，它表示物质导热能力的大小，其数值就是 单位温度梯度作用下，物体内所允许的热流密度值，单位为w ( m * 车) 。；备种否同 的物质导热系数是不同的，即使对同一种物质，其导热系数也随着物质的结构( 密 度、孔隙度) 、温度、压力和湿度而改变。各种物质的导热系数是用实验的方法 测定的。很多材料的导热系数是随温度而变化的，变化的规律比较复杂。工程计 算中为了应用方便，近似地认为导热系数与温度成直线关系，即 = , t o + b t ( 式中 一，。c 时材料的导热系数，w ( m * c ) ) ； 2 0 一0 0 c 时材料的导热系数： 。 6 一温度系数，视不同材料由实验确定a 刊i 2 1 1 5 导热微分方程 运用傅立叶定律只能求解一维导热问题，对多维温度场则要以傅立叶定律 和能量守恒定律为基础，建立导热微分方程，然后求解。导热微分方程再根据一 些单值条件，有时可以得到分析解，但许多情况下只能得到近似解。、 根据能量守恒定律，在物性参数五、p 、c ( 比热) 都是常数的情况下可推得 三维湿度场的导热微分方程为 7 妾专叫萨c 8 2 t p c + 等一鲁) + 詈 a f、缸2 咖2 ”锄2 加 其中，内热源产生的热量为q d x d y d z d r ；一一 微元体内能的增量为p c d x d y x z 曼：7 ； 。 导温系数( 热量扩散系数) 为去，用_ 口d 毒霉7 它说明物体在加热或冷却时， 内部热量传播的快慢。n 值愈大，表明物体温度变化愈快，物体温度变化愈快 物体容易被加热或冷却。 笫二二章钢坯温度场的动态预报模型 如果物体无内热源，则导热微分方程可简化为 o t a ，a 2 t a 2 t a 2 ，、 瓦2 瓦( 萨+ 矿+ 矿) 2 1 1 6 初始条件、边界条件 导热微分方程式是描写导热过程共性的数学表达式。求解导热问题，实质上 归结为对导热微分方程式的求解。为了获得满足某一具体导热问题的温度分柿， 还必须给出用以表征该问题是附加条件。这些使微分方程获得适合某一特定问题 的解的附加条件，称为定解条件。对非稳态导热问题，定解条件有两方面：初始 时刻温度分相f 的初始条件和导热物体边界上温度或换热情况的边界条件。 a )初始条件 初始条件是指初始温度场，是已知的。是计算的出发点。它可以是均匀的， 如钢坯从室温装炉开始加热时，钢坯的内部温度就是均匀的。此时 ，i r l 0 = r o 式中“为已知温度，是常数。 初始温度场也可以是不均匀的，但工件各点温度值是已知的，此时 fi f - o = t o ( 膏，y ，2 ) 式中t o ( x ，y ，z ) 为已知温度函数。； b ) 边界条件 边界条件是指工件外表面与周围环境的热交换情况。传热学上一般将边界条 件归结为三类： ( 1 ) 第一类边界条件，是指物体边界上的温度或温度函数为已知。用公式为 t i ，= f 。或f i 。= ，。( x ，y ，毛f ) 式中，下标s 为物体边界范围；，为已知的工件表面温度，为定值，。( y ，z ，r ) 为已知的工件表面温度函数，随时间、位最的变化而变化。 ( 2 ) 第二类边界条件t 是指物体表面上热流密度孽。为已知。规定热流密度q 。 的方向同予边界外法线”的方向，其表达式为 一 罢：g 。或 珊t 式中，q 。为已知工件表面热流密度 流密度函数，随位置、时间丽变化。 1 7 一a 昙：g ，( w ，z ，f ) 硼 为定值：g ，( 工，y ，z ，f ) 为已知工件表面热 第二章钢坯温度场的动态预报横型 ( 3 ) 第三类边界条件，又称牛顿对流边界，是指物体与其相接触的流体介质 问的对流换热系数日。和介质温度，。为已知。其表达式为 a ， 一a i ，= h ( r 。一t c ) u n 2 1 2 传统的导热问题的数值解法 求解导热问题实质上就是对导热微分方程在规定的定解条件下求解。这样获 得的解称为分析解。虽然对一些几何形状及边界条件比较简单的问题获得了分析 解，但对于工程技术中遇到的许多几何形状或边界条件复杂的导热问题，由于数 学上的困难目前还无法得出分析解。另一方面，在近几十年中随着计算机技术 的飞速发展使得对物理问题进行离散求解的数值方法发展十分迅速，并得到曰益 广泛的应用。这些数值方法包括有限差分法、有限元法及边界元法等“1 。 2 1 2 1 导热问题数值求解的基本思想 对物理问题进行数值求解的基本思想可以概括为：把原来在时间、空间坐标 系中连续的物理量的场。如导热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来 代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上 被求物理量的值。这些离散点上被求物理量的集合称为该物理量的数值解。这一 基本思想可理解为如下几步： 1 建立控制方程，确定定解条件； 2 进行区域离散，确定节点； 3 建立节点的物理量方程； 。 4 根据温度场的迭代初值，求解代数方程； 5 对代数方程的解进行分析：如果解收敛，得到该物理量的数值解；不收敛 改变初值，重复第4 步。 7 2 1 2 2 有限差分法求解温度场的方法 ， 对无法或较难用数学分析方法求解的导热微分方程，有限差分法通过离散 将一个有限连续区域用一系列网线划分开，网线与网线的交点称为节点。将连续 分瓶的热容分别集中到离散的节点上，节点温度代表周围区域的平均温度。同样， 将所关心的加