（控制理论与控制工程专业论文）连退炉快冷段温度控制研究.pdf

。j一、1疆，j1 p - f at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nr a p i dc o o l i n gs e c t i o n t e m p e r a t u r ec o n t r o lo fc o n t i n u o u s a n n e a l i n gf u r n a c e b yl i uj i a d o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o uw e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 一 ，备 一 - l ，h 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：h 壶啤彖 日 期： 。o 亨、) g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年函一年半口两年口 学位论文作者签名：讥啄砗j 7 导师签名： f 7 式刁轧 签字日期：砂一孙- 7 、怼 签字日期：、”鑫7 、毯 _ 、 _ 备 _ 东北大学硕士学位论文摘要 连退炉快冷段温度控制研究 摘要 连续退火炉快冷段带钢出口温度的精度直接影响带钢的组织性能和力学性 能，是保证带钢质量和板形良好的重要因素。快冷段冷却过程工艺要求严格，控 制手段复杂，在各冷却段中起着主导作用，所以对连续退火炉快冷段带钢出口温 度进行控制，成为连续退火线带钢生产中的重要环节，具有重要的现实意义。 本文的主要研究有： ( 1 ) 以本钢二冷轧连续退火线为研究背景，分析了连续退火生产线的工艺流 程和带钢的退火工艺。在研究连退炉快冷段带钢冷却过程控制的基础上，分析了 带钢快冷段温度控制中存在的问题。 ( 2 ) 针对温度控制中的大滞后、时变性问题，分析了p i d 控制，p i d s m i t h 预估控制，模糊p i d s m i t h 预估控制策略的控制效果，并提出将模糊神经网络控 制策略应用于带钢冷却控制。 ( 3 ) 为了提高系统的自适应能力和抗干扰能力，设计了基于s m i t h 预估的模 糊神经网络p i d 控制器，将模糊神经网络与常规p i d 控制器相结合，调整p i d 控 制器的三个参数，以实现对快冷段带钢出口温度的精确控制。并在s i m u l i n k 环 境中进行了仿真研究，分析了系统的控制效果和抗扰性能。考虑到被控对象模型 的时变，大滞后性，对预估模型和对象模型不匹配的情况进行了分析，比较了传 统的p i d s m i t h 预估方法和本文采用的模糊神经网络p i d s m i t h 预估控制的效果。 结果表明本文采用的控制器有效地克服了采用p i d 控制器和p i d s m i t h 预估 控制器的缺点的缺点，也解决了模糊p i d 控制由于隶属函数和模糊规则选取不当 造成的控制缺陷。即本文针对于带钢冷却控制系统所设计的控制器具有较好的控 制效果。 关键词：连续退火；带钢冷却；s m i t h 预估；模糊控制：模糊神经网络 一i i - i 、佛 n 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a c ho nr a p i dc o o l i n gs e c t i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o l o fc o n t i n u o u sa n n e a l i n gf u r n a c e a bs t r a c t s e r v i n ga sa nv i t a lf a c t o ro fe v a l u a t i n gt h eq u a l i t ya n df l a t n e s so ft h es t r i p ，t h eo u t l e t s t r i pt e m p e r a t u r ep r e c i s i o no ft h er a p i dc o o l i n gs e c t i o ni nc o n t i n u o u sa n n e a l i n gl i n e ( c a l ) h a sd i r e c ta f f l u e n c eo ns t r i p ss t r u c t u r ea n dm e c h a n i c sc a p a b i l i t y t h er a p i dc o o l i n gs e c t i o n p l a y st h em a s t e rr o l ea m o n ge a c hc o o l i n gs e c t i o n ，s ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h es t r i pa t r a p i dc o o l i n gs e c t i o ne x i to fc o n t i n u o u sa n n e a l i n go v e nc o m e s t ob ea ni m p o r t a n ts e g m e n to f s t r i pc o n t i n u o u sa n n e a l i n gp r o d u c t i o na n d i th a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ec o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a c k g r o u n do ft h ec o n t i n u o u sa n n e a l i n gp r o d u c t i o nl i n eo fn o 2c o l dr o l l i n g p l a no fb e n x ii r o n & s t e e lc o m p a n y , t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e dt h ec o n t r o ls t r a t e g y so ft h e o u t l e t s t r i pt e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，i ta n a l y s e dt h es t r i pc o o l i n gp r o c e s s i n gc o n t r o l p r o b l e m sb a s e do nd e e p l yr e s e a r c ha b o u tc o n t r o ls y s t e mo fs t r i pc o o l i n gp r o c e s sa tr a p i d c o o l i n gs e c t i o no f c o n t i n u o u sa n n e a l i n go v e na n dt h ea n n e a l i n gt e c h n o l o g y ( 2 ) a sf o rt h ep r o b l e mo ft i m e - d e l a ya n dt i m e - v a r y i n gi nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h i sp a p e r a n a l y s e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fp i dc o n t r o l ，p i d s m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o l ，a n df u z z y p i d s m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o l ，a n dp r o p o s e dt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g yf o rs t r i p c o o l i n gp r o c e s s ( 3 ) i no r d e rt oe n h a n c et h es y s t e m sa d a p t i v ea b i l i t ya n dn o i s ei m m u n i t y , af u z z yn e u r a l n e t w o r kp i dc o n t r o l l e rb a s e do ns m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o li sd e s i g n e d c o m b i n i n gt h ef u z z y n e u r a ln e t w o r ka n dp i dc o n t r o l l e r , t h ep i dp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e di no r d e rt oa c h i e v et h e o u t l e ts t r i pt e m p e r a t u r ep r e c i s ec o n t r o lo ft h er a p i dc o o l i n gs e c t i o n t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i sf i n i s h e d ，a n dt h ec o n t r o lr e s u l t sa n dn o i s ei m m u n i t yo ft h es y s t e ma r ea n a l y s e d c o n s i d e r i n gt h et i m e - v a r y i n g a n dt i m e - d e l a yc h a r a c t e r s t i c so ft h ec o n t r o l l e dp l a n t ，t h e a n a l y s i so ft h ed i s m a t c hb e t w e e np r e d i c tm o d e la n dt h ec o n t r o l l e dp l a n ti sf i n i s h e d a f t e rt h a t ， t h ec o n t r o lr e s u l t so ft r a d i t i o np i d s m i t hp r e d i c t i v es t r a t e g ya n dt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k p i d s t r a t e g yb a s e do ns m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o la r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rw h i c hi su s e di n t h i s p a p e ro v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n g so ft h ep i d c o n t r o l l e ra n dt h es m i t hp r e d i c t i v ep i dc o n t r o l l e r ；i ta l s oo v e r c o m e s t h es h o r t c o m i n go ft h ef u z z yp i d c o n t r o l l e r su n s u i t a b l es e l e c t i o no ft h ef u z z yr u l e sa n d i i l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t m e m b e r s h i pf u n c t i o n s i naw o r d ，t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rf o rs t r i pc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mh a s ab e t t e rc o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sa n n e a l i n g ；s t r i pc o o l i n g ；s m i t hp r e d i c t o r ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z y n e u r a ln e t w o r k 一一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 商要i i a b s t r a c t “i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 连续退火线发展现状1 1 3 冷却技术的发展及存在的问题2 1 3 1 辐射冷却和常规喷气冷却2 1 3 2 高速气体喷射冷却技术2 1 3 3 冷水淬技术”3 1 3 4 辊式冷却4 1 3 5 气水双相冷却( a c c ) 技术5 1 3 6 热水冷却( h o w a c ) “6 1 4 智能控制在连续退火线中的应用7 1 4 1 国外发展现状7 1 4 2 国内发展现状8 1 4 3 退火炉控制技术的新进展”8 1 5 本文的主要工作9 第2 章理论基础1 1 2 1p i d 控制原理_ 1 1 2 2 模糊控制原理”1 3 2 2 1 模糊控制系统的工作原理1 3 2 2 2 模糊系统的分类1 6 2 2 3 模糊控制的特点1 6 2 2 4 模糊逻辑与p i d 方法的融合1 7 2 3 神经网络技术1 7 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 1 神经网络的基本原理1 8 2 3 2 神经网络模型及学习规则一1 9 2 3 3r b f 神经网络”2 1 2 3 4r b f 网络的学习算法“2 2 2 4 模糊控制与神经网络技术的融合2 5 2 5 模糊神经网络的设计2 7 2 6 本章小结2 9 第3 章连续退火线工艺分析3 1 3 1 本钢连续退火炉工艺综述3 1 3 2 退火工艺3 3 3 3 快冷段温度控制系统分析3 5 3 4 带钢快速冷却过程数学模型3 7 3 5 本章小结3 7 第4 章温度控制器设计与分析3 9 4 1p i d 控制”3 9 4 2p i d s m i t h 预估控制4 0 4 3 模糊p i d s m i t h 预估控制4 2 4 4 本章小结4 8 第5 章基于模糊神经网络的带钢冷却控制4 9 5 1 模糊神经网络控制系统的设计一4 9 5 1 1 输入输出变量选择“4 9 5 1 2 输入输出变量的论域及隶属函数4 9 5 1 3 模糊推理决策5 0 5 1 4 模糊量的清晰化“5 0 5 2 模糊神经网络p i d 控制器的结构5 1 5 3 基于m a t l a b 的系统设计与分析“5 6 5 4 本章小结6 1 第6 章结论与展望”6 3 一一 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献6 5 致谢”6 9 一v i i t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 在工业现代化进程中，钢铁工业一直处于基础工业的地位，而冷轧板带的生产又是 钢铁工业发展中的重要课题之一。随着经济的发展，带钢的生产一直呈不断增长的趋势， 且用途十分广泛，主要应用于汽车工业、重型机械、制造业、商用建筑业、化学工业和 轻工业等。在所有的应用领域，都对带钢的质量提出了较高的要求【l 蚓。 冷轧后钢卷的物流有以下几种形式：一是流向退火机组，二是流向热镀锌、热镀锡、 彩涂机组，三是直接产出冷硬板。目前大型现代化冷轧厂一般不直接出售冷硬板，而以 生产深冲及特深冲钢板为主。这就需要将冷轧后的钢卷进行再结晶退火，平整轧制来满 足用户对冷轧板的各项性能指标要求。这样就消除带钢在冷轧过程中发生的加工硬化， 同时生成具有良好成型性能的金相组织，从而获得优良的机械性能1 7 8 j 。 本文以本钢冷连轧工程连续退火生产线退火炉为研究背景，退火炉是连退生产线的 核心设备。它的主要功能是把带钢加热到设定的退火温度、保温并在适当的冷却速度下 冷却到设定温度，实现带钢热处理工艺的要求。本钢连续退火机组是从日本j f e 公司引 进的，于2 0 0 5 年8 月投资兴建，2 0 0 6 年1 0 月正式投产，具有产品品种丰富、规格齐全， 生产速度高，产量大的特点，不但适合普通深冲产品的生产，还能满足高强钢的需要1 9 j 。 退火是冶金企业生产高质量冷轧薄板产品的一道必经工序，处于冷轧薄板生产中的 后道工序，对冷轧薄板最终产品质量有着直接影响。退火工艺对快冷段有较严格的要求， 除了控制快冷段出口温度的精度之外，对于冷却速度以及带钢宽度方向上的温度分布也 有较严格的要求。其控制精度对带钢的金相组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、 力学性能、物理性能的重要工艺参数。因此对连退炉带钢快速冷却过程及控制系统进行 深入研究具有重要的现实意义。 1 2 连续退火线发展现状 连续退火炉是连续退火生产线的工艺主体部分，退火炉工艺的发展是控制技术发展 的前提和基 i l i l 1 0 , 1 1 j 。 1 9 7 2 年1 0 月日本新日铁公司在君津厂建成了n o 1 连续退火机组，首先开发了连续 退火生产冷轧深冲碳钢薄板的技术，简称n s c c a p l 。1 9 7 6 年7 月日本钢管在福山厂 建成了n o 2 连续退火机组，这是继新日铁后开发的另一种连续退火生产冷轧深冲碳钢 薄板的技术，简称n k k - c a l 。1 9 8 0 年2 月川崎制铁与三菱重工合作在千叶厂开发建成 了世界上第一条多功能连续退火机组，简称k m c a p l 。进入8 0 年代，世界各大钢铁厂 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 相继建设连续退火机组，到8 0 年代术共建成3 4 套机组。9 0 年代进一步发展，到1 9 9 6 年底，全世界共建设了5 4 套连续退火机组，总处理能力达到3 3 0 0 万吨天以上。目前， 世界上有9 0 多条连退线投产，世界上已经有十几个国家拥有连退线，在钢铁大国日本， 连退工艺生产的冷轧板占总产量的8 0 以上。 1 3 冷却技术的发展及存在的问题 连续退火发展的核心是冷却技术的发展【4 1 。从国内外已投产的连退机组来看可以分 成以下几种工艺方法：新日铁开发的n s c c a p l 、日本钢管公司开发的n d d c a l 、川 崎与三菱合作开发的k m c a p l 、比利时开发的h o w a o 、斯坦因与新日铁合作开发的 b s s p c a p l 。这五种工艺方法的主要区别在于均热后的冷却方法和达到的冷却速度【1 2 】。 到目前为止，已开发使用的冷却方法有：气体喷射冷却( g j c ) 、高速气体喷射冷却 ( h g j c ) 、水冷却( w q ) 、辊式冷却( r c ) 、气水冷却( a c c ) 、热水冷却( h o w a c ) 、 高速氢气喷射冷却( h ，h g j c ) 、水冷+ 辊冷( w q + r c ) 、辊冷+ 气体喷射冷却( r c + g j c ) 复合冷却等等。目前，最高冷却速度可达2 0 0 0 。c s 。 1 3 1 辐射冷却和常规喷气冷却 辐射冷却【1 3 】是连退最初采用的冷却方法，它在带钢两侧设置冷却水箱。最大优点是 冷却介质与带钢不接触，故对带钢表面不会产生不良影响，但其冷却速度慢，特别是当 带钢冷却到较低温后，冷却更困难。 2 0 世纪6 0 年代初，国外由g e ( g e n e r a le l e c t r i c ) 和m 2 r ( m i d l a n d 2 r o s s ) 相继开 发了气体喷射冷却技术( 干式) ，气体喷射冷却速度大大高于辐射冷却速度。几十年来 随着国外各公司对喷嘴结构型式的不断研究改进，气体喷射冷却速度不断提高。常规的 气体喷射冷却速度为1 3 。c s ( 0 8 m m 厚带钢) 。斯坦因研究开发的高效喷射冷却器( f l a s h c o o l i n g ) 使气体喷射冷却速度从2 0 - 3 0 。c s 提高到4 0 。c s ( 0 8 r a m 厚带钢) 。换热系数 从1 1 6 w m 2 。c 提高到1 3 0 w m 2 c 。 1 3 2 高速气体喷射冷却技术 h g j c 冷却是将冷却后的炉内保护气体( h 2 5 ) 以高速喷于带钢表面的一种干式 冷却方式。h g j c 冷却系统不仅在产品质量和操作性能上稳定性好，而且其冷却速度高 于气体喷射冷却( o j c ) ，但该冷却方法对厚带钢还不能达到高的冷却速度。因此，这种 冷却技术适于生产薄带钢。 2 0 世纪8 0 年代初，川崎k s c 与三菱重工m h i 合作建造的多用途连退机组 k m c a p l ，在该机组上首次采用了高速气体喷射冷却技术( h g j c ) ，如图1 1 所示。经 冷却后的保护气体由窄缝式喷嘴喷向带钢两面，调节风机出口的阀门改变冷却速度，冷 一2 一厶 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 却装置分为多个区段，以使带钢宽度方向冷却均匀，换热系数达2 3 2 w m 2 。c 。该技术 使带钢冷却速度达到5 0 。c s ( 0 8 r a m 厚带钢) 。继川崎之后，新r 铁也做了大量的研究 工作，1 9 8 4 年新日铁在八幡连退试验了h g j c 冷却技术，将冷却后的保护气体通过圆 柱型喷嘴喷向带钢两面，同时也使用了挡板，可有效地减轻气体回流，保证带钢宽度方 向的均匀冷却，所需电机功率小。使带钢的冷却速度达到6 0 。c s ( 0 8 r a m 厚带钢) ，并 于1 9 8 7 年正式应用于八幡2 群连退线。 u 0 世 娟 器 靶 冷却过程中带钢温度 - 7 0 0 厂、i a i 6 0 0 i 八lb l - - - 5 0 0 l i i c 4 0 0 i 图1 1 高速气体喷射及效果图 f i g 1 1r a p i dg a se j e c ta n di t se f f e c t 在川崎和新日铁研究h g j c 冷却用喷嘴的同时，作为研究快速冷却专业公司的斯坦 因炉子公司也在研究快速冷却器，并主要供应欧洲市场。根据该公司丰富的实践经验和 在其实验设备上进行的各种喷嘴结构反复冷却试验得出的结论，开发了新一代高效喷射 冷却器，该冷却器具有以下特点：高速冷却；带钢自身稳定设计；可以避免带钢冷瓢曲； 与圆柱型喷嘴相比，能防止断带时打坏喷嘴管( 尤其是厚带钢在震动时易打坏喷嘴管) 。 1 3 3 冷水淬技术 1 9 6 5 年美国内陆钢厂首次采用水冷技术产生高强镀锡原板( 马氏体镀锡原板) ，到 了1 9 6 9 年日本n k k 公司研究成功水淬及短时效处理技术，1 9 7 1 年n k k 的福山1 号连 退线投产，也使用了该技术。水淬是目前应用于连续退火速度最快的冷却方、法i 引，由于 冷却速度极大提高，1 分钟左右的过时效处理就能较充分地析出过饱和固溶碳，因而能 生产深冲板。另外，钢中加入适量的合金元素( 如m n ) ，加热到钢的a c l a c 3 温度， 均热适当时间，使部分铁素体发生奥氏体转变，然后以超过其临界冷却速度进行快冷， 使上述奥氏体发生马氏体转变，因而连退后的钢板金相组织主要为铁素体和马氏体双相 钢，使带钢强度大幅度提高。用水淬方法能低成本地生产出抗拉强度( 4 0 0 - 1 4 0 0 m p a ) 的高强冷轧板。另外，通过适当改变加热温度、淬火速度及回火( 时效) 温度还能制造 出深冲用高强冷轧板，高烘烤硬化( b h ) 型高强冷轧板、低屈服比高强冷轧板等各种 一3 一 图1 2r q 冷却方法 f i g 1 2r oc o o l i n gm e t h o d 辊冷技术最主要的特点是带钢在冷却过程中要和辊子接触，而且必须均匀接触，否 则将产生不均匀冷却。因此，在辊冷前后必须设置张紧辊以确保较大的张力，虽然增大 张力能增强冷却均匀性，但均匀问题仍然是个大问题，而且带钢冷却过程中还要收缩， 因此带钢与辊子之间必须存在相对滑动，影响带钢表面质量。此外，当带钢来料存在缺 陷时，带钢通过辊冷时其缺陷将变大。 为了进一步提高冷却速度，川崎开发了气辊冷却法，简称为r g c c ( r o l lg a s c o m b i n e dc o o l i n gs y s t e m ) 法。首先应用于日本川崎水岛连续退火机组。冷却辊成垂直 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 排列，气体喷射器布置在辊子的对面，如图1 3 所示。气体喷射器可扩大带钢通过辊子 的冷却效果，其冷却速度为5 0 。c s 1 5 0 。c s 。这种冷却技术可以生产深冲钢板、软硬 镀锡原板、高强度钢板及电工钢板。带钢的板形及表面质量比单纯的辊冷却法有所提高， 减轻带钢表面缺陷。温度水平有所下降，但缺陷依然存在。 水冷与辊冷( w q + r c ) 是n k k 连退的又一发展，神户加古川连退机组就采用了 w q + r c 方法，使得这条机组兼备适用于软钢生产的辊冷法和适用于高强钢生产的水冷 法。 图1 3r g c c 辊冷却与气体喷射冷却 f i g 1 3r g c c r o l l e rc o o l i n gc o m b i n e dw i t he j e c tc o o l i n g 1 3 5 气水双相冷却( a c c ) 技术 a c c 冷却是将雾化水作为冷却剂喷于带钢表面的一种湿式冷却方式。此冷却方式在 冷却能力和操作稳定性方面性能优越，但该冷却系统因水直接接触带钢表面，造成带钢 表面氧化，所以采用该冷却方法进行冷却的带钢在其生产线上必须增设后处理设备和闪 n i 处理工序。 a c c 冷却工艺技术特点： ( 1 ) 高冷却速度，1 5 0 。c s ( 1 m m 厚带钢) ，非接触冷却，带钢宽度方向冷却均匀， 不会发生冷瓢曲，适合宽幅生产线。 ( 2 ) a c c 冷却工艺的冷却能力可通过改变供水量调节和冷却长度缩短，使不同厚 度、不同速度的带钢其冷却速度不变。 ( 3 ) 可以控制冷却终点温度( a c c 喷嘴特殊设计使喷上带钢的湿淋减少到最少， 并采用水刀喷嘴和气刀喷嘴将湿淋阻隔) 。 ( 4 ) 冷却时板形稳定( 冷却时起始温度必须低于7 0 0 。c ) ，无可通板尺寸的限制： 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 带钢板表面容易氧化，须经后处理( 酸洗+ 镀镍) ，可得到与罩式炉同等以上 的化学转化处理性能。 与h ，h g j c 比较，a c c 冷却技术增加了设备和厂房的基础建设投资费用，增加生 产运行费用。 1 3 6 热水冷却( h o w a c ) 热水冷却是比利时冶金研究中心及比利时c o c k r i l l s a m b r e 公司在1 9 8 4 年共同研究 开发的冷却技术。它具有如下特征： ( 1 ) 冷却速度为3 0 1 5 0 。c s ，远低于冷水淬，但明显高于传统的喷气冷却。 ( 2 ) 通过沉没辊的上下移动，使得冷却终点温度控制十分简单，故在生产软质带 钢时无需再增加加热段，节约了能源，而这在冷水淬是不可能的。 图1 4h o w a c 的二步冷却示意图 f i g 1 4h o w a cs k e t c ho ft w o - s t e pc o o l i n g 一般h o w a c 系统后部设有水雾喷射冷却装置，如图1 4 所示。它是一种气体( n ， 或n h 。) 雾化水，雾化后高速喷射到带钢进行二步冷却，从3 0 0 3 5 0 。c 冷却到较低的温 度，在生产双相钢及镀锡板时要用二步冷却。h o w a c 的中等冷却速度可较好地控制马 氏体及残余奥氏体，发挥合金成分的最大效能，使钢板获得更好的性能( 如烘烤硬化性) ， 而冷水淬不仅板形难以控制，而且易产生马氏体过多的现象。 采用h o w a c 方法时，在常规g j c 二次冷却段之后，带钢进入甲酸酸洗槽，带钢 在酸洗过程中从2 0 0 。c 冷却至1 0 0 。c 左右，因而酸洗槽起到淬水槽的作用。选用甲酸可 以免去中和处理及其他处理，而且酸洗过程产生的蒸汽冷凝回到酸槽，甲酸基本不损失。 为了避免酸洗，同时研究了印制剂，酸洗后设置的清洗段可清洗带钢并同时将带钢冷却 到3 0 。c 左右。用h o w a c 法处理得到的带钢其磷酸盐层的致密度高，因而抗锈蚀性能 好。 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 h o w a c 法主要缺点：一是后续工艺中要增加酸洗工序及酸再生设备，增加了投资 并影响产品收得率；二是冷却的均匀性问题。h o w a c 在稳定情况下带钢表面会形成一 层均匀蒸汽膜，但当机组速度突然变化或沉没辊与带钢有不均匀接触时，如带钢来料板 形不好引起不均匀接触，这层膜就不均匀，因此产生不均匀冷却，最后严重影响带钢的 平直度。 就前面介绍了几种主要的冷却方法，下面对这几种冷却方法的主要特征、适用范围、 产品质量、生产成本及投资等内容进行综合比较1 5 】，见表1 1 。 表1 1 冷却方法比较表 t a b l e1 1c o m p a r i s o nt a b l eo fc o o l i n gm e t h o d s 1 4 智能控制在连续退火线中的应用 带钢的温度控制属于过程控制中一类较为典型的控制对象，作为实现生产过程自动 化的过程控制系统，在近几十年发展很快，特别是智能控制方法在过程控制中的应用。 退火炉在轧钢生产中占有十分重要的地位，退火炉的温度控制是受随机因素干扰、 具有大惯性、纯滞后的非线性、多参量的随机过程，很难全面考虑各种因素的影响。如 果不能及时调节温度，会影响到产品的质量。随着计算机控制技术的迅速发展，国内外 众多厂家开展了退火炉计算机控制的研究。 1 4 1 国外发展现状 国际上2 0 世纪7 0 年代就开始了退火炉计算机控制的研究。近十年来，由于计算机 技术以及智能控制技术的迅速发展，退火炉计算机控制的应用日趋广泛，控制水平明显 提高，取得了一些应用成果【1 6 1 8 l ，其中具有代表性的研究成果如表1 2 所示。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 2 退火炉计算机控制在国外的一些应用现状 t a b l e1 2a p p l i c a t i o no nc o m p u t e rc o n t r o lo f a n n e a l i n gf u r n a c eo nb r o a d 1 4 2 国内发展现状 2 0 世纪8 0 年代以后，国内对退火炉的控制进行了广泛研究，并且随着微型计算机 技术的发展，退火炉计算机控制逐步进入实用化阶段【1 9 l 。目前国内退火炉控制系统的研 究现状主要有采用先进的控制设备，采用新的控制方法，以及采用先进管理系统的应用。 1 4 3 退火炉控制技术的新进展 智能控制是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的复杂 系统的控制问题。智能控制技术特别适合于退火炉这样具有非线性、时变的控制系统。 随着智能技术的不断发展，越来越多的智能技术融入到控制理论中，如专家系统控制、 模糊控制、神经网络控制、遗传算法、人工免疫等控制算法。 退火炉主要部件为加热部件和冷却部件，期望能实现比较均衡稳定的温度控制。国 内外很多学者在温度控制方面进行了大量的研究，在控制方法和控制手段上的研究成果 直接推动着退火炉控制的研制工作。 莱芜钢铁公司将神经元网络成功地应用于加热炉【2 0 1 ，利用b p 网中带阻尼反馈的 r e c u r r e n t 网络，通过离线训练在线学习的方式自动寻找最佳空燃比。这套系统自1 9 9 7 年投入在线运行以来，其控温精度小于1 ，节油率提高了1 0 2 0 ，氧化烧损降低了 3 5 ，提高了加热质量，减少了环境污染，取得了良好的经济效益和社会效益。 丁起英、冯丽伟等人对罩式光亮退火炉控制系统进行了分析研列2 1 1 ，使用p i d 算法 进行编程，采用可编程控制器在该炉电气控制系统中进行了实际应用，取得了较好的生 产效益。 安爱民等人，将一种非线性多变量模型预测分程过渡控制方法应用到退火生产控制 技术中，提出了一种新的退火过程控制法l z 2 1 。对生产过程采用非线性预测控制分程过渡 的优化处理，将被控对象的离线优化轨迹应用到控制器中。通过反馈控制，对控制器的 一些实时参数加以补偿，经过在线滚动优化，使实际的输入、输出曲线尽可能接近给定 一8 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的理想曲线。 x i a o b i nl i 等人将免疫遗传算法引入真空退火炉炉温控制中，利用免疫遗传算法在 线调节p i d 控制器参数，使得p i d 控制器能够适应对不同种类工件的温度控制需要f 2 3 1 。 实践应用表明，此方法能够有效地减少工件退火时间，降低废品率，大幅提高了生产效 率。 y a nz h a n g 等将粒子群优化算法引入到连续退火炉温度控制中【2 4 1 ，利用粒子群优化 算法辨识模型参数，再将辨识出的模型应用于模型控制中，并最终实现对连续退火炉加 热段出口带钢温度的控制。 1 5 本文的主要工作 工业过程控制机理复杂，往往具有非线性、分靠参数、大系统等特点，这些因素仍 会给模型的建立和过程控制的实施带来一定的困难。模糊神经网络正好能够适用于求解 复杂工业过程控制的问题。本文所做的主要工作是模糊神经网络在快冷段带钢出口温度 控制中的应用与研究。本课题为根据工程中的问题提出的应用性研究问题。 本文的内容安排如下： 第1 章对课题研究的背景以及研究意义进行了阐述，并对国内外的发展现状作了详 细介绍，最后对国内外退火炉温度控制采用的方法做了综述。 第2 章对p i d 控制理论、模糊控制理论和神经网络技术分别进行了阐述。首先介绍 传统p i d 控制的基本理论和优缺点；接着阐述了模糊控制器的组成和模糊系统的分类， 分析了模糊控制的优缺点。又对人工神经网络的基本原理，r b f 神经网络以及学习算法 做了简单介绍。最后对神经网络技术和模糊控制的融合技术做了分析，为后章节奠定理 论基础。 第3 章对本钢连续退火生产线深入的学习研究。首先阐述了连续退火生产线和连续 退火炉工艺；接着对退火工艺进行分析研究，了解冷却过程对带钢性能的影响；最后对 快冷段温度控制系统分析研究，提出带钢快冷过程的数学模型和快冷过程温度控制存在 的问题。 第4 章结合第2 章的理论基础和第3 章的工业背景，依次把p i d ，p i d s m i t h 预估， 模糊p i d s m i t h 预估控制方法运用到系统的温度控制中，利用仿真图分析各种控制方法 的优缺点，最后提出了基于s m i t h 预估的模糊神经网络p i d 控制方法。 第5 章针对反馈系统中检测点相对控制点滞后很大给系统控制带来的问题，将基于 s m i t h 预估的r b f 模糊神经网络p i d 控制策略应用于带钢冷却控制。设计了基于s m i t h 预估器的r b f 模糊神经网络p i d 控制系统，在s i m u l i n k 环境中进行了仿真，分析了 系统的控制效果和抗扰性能。考虑到被控对象模型的不确定性，对预估模型和对象模型 一9 一 论文第1 章绪论 析比较了p i d s m i t h 预估控制和本文采用方法的控制效果，结果表明， s m i t h 预估的模糊神经网络p i d 控制器应用于带钢冷却控制系统具有较 文的工作进行了总结和展望。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第2 章理论基础 第2 章理论基础 p i d 控制作为最早的实用化的控制方法已有几十年的历史，由于其控制方法简单易 行成为工业控制中应用最为广泛的一种控制方法。p i d 控制器能解决许多控制问题，尤 其在动态过程是良性且稳态性能要求不太高的情况下。但是随着工业生产的大规模化、 复杂化，工业过程对控制性能的要求也越来越高，经典p i d 控制和现代控制已无法满足 给定的要求了。在传统的控制中，往往只考虑控制系统受控对象所组成的“独立”体系， 忽略了环境所施予的影响，而现在的大规模复杂的控制和决策问题，必须把外界环境和 对象，以及控制系统作为一个整体来进行分析【2 5 , 2 6 l 。 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性而提 出的。它是将传统的控制理论与人工智能相结合，模仿人的智能来研究解决复杂的控制 问题。一个理想的智能控制系统应具备如下性能：能对一个未知环境提供的信息识别、 记忆、学习并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力；具有适应受控对象动力学特 性变化、环境变化和运行条件变化的能力：对环境干扰和不确定因素不敏感等性能。 2 1 p i d 控制原理 在工业自动控制领域中，p i d 控制按照偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a t i o n ) 和微分( d i f f e r e n t i a l ) 进行控制。p i d 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式之 一。在2 0 世纪4 0 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制 方式。随着科学技术的发展特别是计算机技术的发展，涌现出许多新的控制方式，然而 直到现在，p i d 控制由于它原理简单，使用方便，鲁棒性强等优点，在工业生产过程中 仍得到广