（冶金工程专业论文）基于bpga算法的板坯连铸二冷水动态控制模型研究.pdf

中文摘要 摘要 高效连铸过程的二次冷却水控制水平与铸坯质量密切相关。铸坯质量如内部 裂纹、表面裂纹、鼓肚和形状缺陷、中心偏析等形成的原因与二次冷却制度不合 理、冷却不均匀有一定关系。板坯连铸的二冷区通常由多个喷水段组成，各段的 目标温度不同，控制水量也不同，而且连铸生产过程具有复杂性和不确定性特征。 凝固传热数学模型是连铸过程控制与优化的基础，基于传热模型确定二冷制度是 应用最广泛的一种方法，可以对连铸生产过程进行模拟计算。但是，当考虑生产 影响因素较多和输入条件变化明显时，该方法的实时性和应变性难以保证。因此， 将人工智能优化算法如遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 、神经网络、模糊控制 器等引入进行连铸二冷动态配水与优化控制方法研究，对连铸机二冷段水量的合 理分配和动态控制有重要意义。 围绕板坯连铸二冷配水优化与控制问题，在建立的凝固传热数学模型基础上， 开展配水优化和动态控制方法研究。以一维和二维连铸板坯凝固传热数学模型为 基础，考虑冶金准则的约束，研究遗传算法进行连铸二冷各段水量优化的方法， 从而可确定拉速一水量的静态配水经验公式中的参数，为进一步优化二冷水控制 方案提供参考依据；以目标表面温度为约束，应用模糊逻辑技术实现基于传热数 学模型的定拉速下二冷段水量的优化，以及变拉速下水量的动态分配；使用b p 神 经网络辨识连铸凝固传热数学模型，达到对铸坯温度的预测；将神经网络与模糊 逻辑结合，应用模糊神经网络进行水量的动态分配与控制，改进模糊逻辑在控制 水量分配时不能学习的问题；建立基于神经网络和模糊逻辑技术的由神经网络预 测连铸二冷段温度场分布，由模糊神经网络据神经网络预测的温度实现水量动态 分配与控制的全智能动态控制模型。 连铸二冷动态配水模型软件基于w i n d o w s 开发平台，选用m i 口o s o r 的 v i s u a l b a s i c6 0 编程实现，模型软件以可用性、灵活性及可靠性为设计原则。软件 测试分为离线测试与在线测试，以攀钢提钒炼钢厂硝板坯连铸机二冷水控制为具 体对象，二冷段出口板坯表面温度为控制目标，离线测试使用从攀钢现场获取的 历史数据库进行仿真计算；在线测试在攀钢提钒炼钢厂生产现场，从实时数据库 提取实时数据计算，并同步进行现场板坯表面温度测定，以完成方法检验和软件 测试。 连铸二冷动态配水模型软件的测试和应用表明：基于遗传算法的二冷配水优 化模型，可减少表面温度与目标温度的差异，同时回热与冷却速率也更趋于合理， 满足了冶金准则对改善铸坯冷却过程和提高产品质量的要求；利用模糊神经网络 中文摘要 的计算能力，可快速响应二冷配水中拉速和目标温度等变化对水量调整的实时性 要求：基于b p 神经网络与高斯模糊神经网络的智能控制模型能够很好的克服传热 模型计算中存在的传热系数公式难确定、输入参量多、外界干扰强等因素的影响； 同时利用实测铸坯出口温度对b p 神经网络预测温度进行修正，可将智能控制模型 误差限制在5 。c 之内。建立的模型系统对于改善板坯连铸二冷水动态调整与分配， 提高连铸二冷控制的智能化水平，进而提高板坯质量具有重要的现实意义和广泛 的应用前景。 关键词：板坯连铸，二冷水，动态控制，神经网络，遗传算法，模糊逻辑 英文摘要 a b s t r a c t s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rc o n t r o l l i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fc o n t i n u o u s c a s t i n gs l a bi nt h ep r o c e s so f h i g he f f i c i e n c yc o n t i n u o u sc a s t e r t h eq u a l i t yo f s l a bs u c h a st h ef o r m a t i o nc a u s eo fi n t e r n a lc r a c k s 、s u r f a c ec r a c k s 、s h a p ed e f e c t 、b u l g i n ga n d c e n t r a ls e g r e g a t i o ne t ci su n r e a s o n a b l ea n di n h o m o g e n e o u sc o o l i n gi nt h es e c o n d a r y c o o l i n gz o n e s e c o n d a r yc o o l i n gz o n ei ns l a bc a s t e ri su s u a l l yc o m p o s e do fs p r a y i n g s e g m e n t s f o re a c hs p r a y i n gs e g m e n tt a r g e tt e m p e r a t u r ea n dc o n t r o l l i n gw a t e ri s d i f f e r e n tf r o mt h o s ei no t h e rs e g m e n t s m o r e o v e r ，a n dt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o ni s o r e n o f c o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t y h e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e li st h ef o u n d a t i o n o fc o n t r o l l i n ga n do p t i m i z a t i o ni nt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n g t h es e c o n d a r y c o o l i n gw a t e rc o n t r o l l i n gb a s e do nh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a li sw i d e l yu s e d ，a n di tc a r l s i m u l a t et h ep r o d u c i n gi n t h ep r o c e s so f c o n t i n u o u sc a s t i n g h o w e v e r , w h e nc o n s i d e r i n g m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep r o d u c t i o n , s i g n i f i c a n ti n p u tc h a n g i n g , t h er e a l - t i m er e s p o n s e o ft h em o d e lb e c o m e sd i f f i c u l t t h e r e f o r e , a p p l i c a t i o no ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h ms u c ha sg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) 、n e u r a ln e t w o r k s ，f u z z y c o n t r o l l i n gt od y n a m i cd i s t r i b u t i o na n do p t i m i z eo fw a t e ri sn e c e s s a r yf o rr e a s o n a b l e w a t e rd i s t r i b u t i o na n dd y n a m i cc o n t r o l l i n gi ns e c o n d a r yc o o l i n gz o n ei nc o n t i n u o u s c a s t i n g i nt h i st h e s i s ，s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rc o n t r o l l i n ga n do p t i m i z a t i o nb a s e do nh e a t t r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e li ns e c o n d a r yc o o l i n gz o n eo fs l a bc a s t e ri si n v e s t i g a t e d g e n e t i ca l g o r i t h m si su s e df o ro p t i m i z i n ge a c hs e g m e n tw a t e ri ns e c o n d a r yc o o l i n g z o n ew h i c hi n t e g r a t e d 、 d mh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h eb a s i so f t h ec r i t e r i a f o rt h em e t a l l u r g i c a lc o n s t r a i n t s ，d e t e r m i n i n gt h es p e e d - w a t e re x p e r i e n c ep 猢e t e 侣o f s t a t i cd i s t r i b u t i o nw a t e r , i no r d e rt oo f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h ef a r t h e ro p t i m i z a t i o n o fw a t e rd i s t r i b u t i o n f u z z y l o g i c a lt e c h n o l o g yi n t e g r a t e d w i t hh e a tt r 黜f e r m a t h e m a t i c a lm o d e li su s e dt oo p t i m i z et h ew a t e rd i s t r i b u t i o nu n d e rg i v e ns p e e da n d c o n t r o lw a t e rd i s t r i b u t i o ni nv a r i a b l es p e e d b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r ki su s e dt o i d e n t i f yt h eh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r e d i c tt h es u r f a c et e m p e r a t u r e f u z z yn e u r a ln e t w d l k si su s e dt or e a l i z et h ed y n a m i cd i s t r i b u t i o na n dc o n t r o l l i n go f w a t e ra n ds o l v et h ep r o b l e m sw h e nf u z z yi o g i cc o n t r o l l i n gw a t e rd i s t r i b u t i o nc a n n o t l e a r n b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k si su s e dt op r e d i c tt h es u r f a o bt e m p e r a t u r ei n t h es l a bc a s t i n ga n df u z z yn e u g a ln e t w o r ki su s e dt od y n a m i c a l l yc o n t r o lw a t e ri n s e c o n d a r yc o o l i n gz o n et od e c r e a s et h et a r g e tt e m p e r a t u r ea n dc a l c u l a t et e m p e r a t u r eb y i i i 英文摘要 b a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k s i n t e r f a c ed e s i g no f d y n a m i cd i s t r i b u t i o nm o d e lo f c a s t i n gs l a bg i v e sp r o m i n e n c et o a v a i l a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yb a s e do nt h ew i n d o w ss o r w a r ep l a t f o r mu s i n g m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0p r o g r a m m i n g s o f t w a r et e s t i n gc o n s i s t so fo n l i n ea n do f f l i n e t e s t i n g ，t h eo b j e c ti ss e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rc o n t r o l l i n gi n s l a b e a s t e rn o 2i n v a n n d i u m e x t r a c t i n g a n d s t e e l m a k i n g p l a n to fp a n z h i h u ai r o na n ds t e e l c o r p o r a t i o n ( p i s c o ) a n dc o n t r o l l i n gt a r g e t i st h es u r f a c et e m p e r a t u r ef r o mt h e s e c o n d a r yc o o l i n gz o n ee x i t t h eo f f i i n et e s t i n gd a t ai se x t r a c t e df r o ms c e n eo fh i s t o r y d a t a b a s ei np i s c o t h eo n l i n et e s t i n gd a t ai se x t r a c t e df r o mr e a l t i m ed a t a b a s ei n p i s c oa n dc a l t yt h r o u g ht h es u f a c e t e m p e r a t u r et e s t i n go fs l a bm e a s u r e m e n t s i m u l t a n e o u s l yf r o mt h es c e n e , i no r d e rt oc o m p l e t et h em e t h o d st e s t i n ga n ds o f t w a r e t e s t i n g t h et e s t i n ga n da p p l i c a t i o nr e s u l t so ft h es o t h v a r eo fs e c o n d a r yc o o l i n gd y n a m i c d i s t r i b u t i o nw a t e rm o d e lo fc a s t i n gs l a bs h o wt h a t ：t h em o d e lw h i c hb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m sc a l ld e c r e a s ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et a r g e ts u r f a c et e m p e r a t u r ea n ds u r f a c e t e m p e r a t u r e ，a n dh e a ta n dc o o l i n gr a t ea l s ot e n d st ob em o r er e a s o n a b l e ，s a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gs l a bc o o l i n gp r o c e s sa n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t yu n d e r m e t a l l u r g i c a lc r i t e r i a f u z z yn e u r a ln e t w o r kc a nq u i c k l yr e s p o n s et ot h er e q u i r e m e n to f d i s t r i b u t i o nw a t e ri ns e c o n d a r yc o o l i n gz o n ew h e ns p e e da n dt a r g e tt e m p e r a t u r e c h a n g e s t h em o d e lo f i n t e l l i g e n tc o n t r o lb a s e do nt h eb a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k a n df u z z yg a u s s i a nn e u r a ln e t w o r kc a no v e r c o m et h ep r o b l e m ss u c ha sh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t sw h i c hi sd i f f i c u l tt od e t e r m i n e , m u t i v a r i a b l e , e x t e r n a li n t e r f e r e n c oi nh e a t t r a n s f e rm o d e lc a i c u l a t i o u s t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ec a nb eu s e dt oa m e n dt h e b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h em o d e le r r o rc a nb e l i m i t e dw i t h i n56 c t h em o d e ls y s t e mf o ri m p r o v i n gd y n a m i cd i s t r i b u t i o nw a t e ri n s e c o n d a r yc o o l i n go fs l a be a s t e ra n di m p r o v i n gt h es e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o lo ft h e i n t e l l i g e n tl e v e l ，f r l r t h g ! re n h a n c i n gt h eq u a l i t yo f s l a ba r er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea sw e l la s l a t e ra p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n go f s l a b ，s e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r , d y n a m i cc o n t r o l l i n g ， n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，f u z z y l o g i c i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：占贤彩耳 签字日期： 珈7 年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重废太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：占疑蜱 签字日期：沙 年( 月( e t 刷雅辄萼灶 签字日期：司年月6 日 1 绪论 1 绪论 1 1 连续铸钢工艺概况 1 1 1 连续铸钢发展历史和现状 钢水凝固成型有两种方法：模铸法和连续铸钢法。采用连续铸钢技术之前， 般是先将钢水浇到钢锭模内凝固成钢锭，然后再将其加工成要求的钢坯尺寸。 而连续铸钢工艺是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。 连续铸钢与传统模注钢工艺相比具有生产工序简化、金属收得率高、能源消耗低、 自动化程度高、生产率高、铸坯质量好等诸多优点【l 】。连铸技术对世界钢铁工业的 发展产生了巨大的推动力，并使得钢铁产品更具有市场竞争力。目前连铸生产快 速发展已成为推动炼钢和整个钢铁生产蓬勃发展的主要技术动力。 1 8 4 6 年转炉的发明者贝氏麦( b e s s e m e r ) 首先提出了连续浇注的概念并进行 了尝试。随后，德国的容汉斯( j u n g h a n s ) 不断对连铸工艺和设备进行改进，继 1 9 3 3 年浇注铜铝合金成功后，于1 9 4 3 年在德国建立了第一台浇注钢水的实验性连 铸机印】。连铸技术在2 0 世纪5 0 年代初开始步入工业化应用阶段，7 0 年代第二次 全球能源危机之后被迅速采用，8 0 年代连铸技术日臻完善，当前一个国家的连铸 技术水平的高低已成为衡量其钢铁工业现代化程度的重要标志【2 】。 国外连铸技术近十年来自身完善和优化速度很快。1 9 9 8 年美国钢产量为0 9 3 亿吨，连铸比为9 5 3 ，日本钢产量为o 9 0 7 亿吨，连铸比为9 6 9 ，欧盟1 5 国钢 产量为1 5 3 亿吨，连铸比为9 5 8 ，澳大利亚钢产量虽然仅为0 0 8 8 亿吨，但连铸 比却达到9 9 4 4 1 。2 0 0 0 年全球粗钢产量已经突破8 亿吨大关，全球钢铁工业的连 铸比已经达到8 5 以上睁l 。2 0 0 3 年全球粗钢产量达9 6 2 5 0 万吨，比2 0 0 0 年增加5 9 6 0 万吨，增长6 6 蜊6 】。2 0 0 6 年1 0 月份，全球6 2 国粗钢产量总计为1 0 5 9 0 万吨，同 比增长7 4 。2 0 0 5 年世界粗钢产量达到创纪录的1 1 2 9 4 百万吨，同比增长5 9 ， 钢产量的增量主要来自中国。亚洲地区粗钢产量比上年增长1 4 8 ，达到5 8 3 8 百 万吨，占同期世界粗钢总产量的一半以上。中国粗钢产量比上年增加6 9 百万吨， 增长2 4 6 ，达到3 4 9 4 百万吨。最新资料表明【7 】：2 0 0 7 年4 月份全世界6 7 个国 家上报国际钢铁协会的粗钢产量总计1 0 9 3 亿吨，比2 0 0 6 年同期增长7 6 ；1 4 月份，全球粗钢产量累计达到4 2 8 7 亿吨，比2 0 0 6 年同期增长9 9 。 在钢产量不断增加、连铸比不断提高的同时，连铸技术也在不断地发展和变 革，朝着高效和创新的方向迈进i s , 9 。包括近终形连铸( 尤其是薄板坯、薄带连铸) 和电磁连铸技术以及高速浇铸、减少铸坯半宏观偏析和宏观偏析技术、高清洁性 产品连铸、低过热度浇铸、半凝固加工技术和过程与质量系统控制等。随着炼钢 重庆大学硕士学位论文 技术的发展，钢铁结构的优化和对产品规格、质量的更高要求，也都将促进新型 连铸技术的发展。 1 1 2 我国连续铸钢技术发展 我国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家，于1 9 5 5 年就开始连续铸钢的 试验研究。1 9 5 8 年在重钢三厂建成了立式双流连铸机，用以浇注1 7 5 m m 2 0 0 m m 铸坯。1 9 6 0 年在唐山钢厂建成1 4 0 m m x l 4 0 m m 方坯立式连铸机。1 9 6 4 年立式连铸 机，1 9 6 4 年，由北京钢铁学院徐宝隆教授主持设计的重钢三厂大弧型板坯连铸机 正式投产。1 9 6 5 年，又在上钢三厂建成一台半径为4 6 5 m 的矩形坯连铸机，浇注 断面为2 7 0 m m x l 4 5 m m 。1 9 6 7 年首钢实验厂投产了一台半径为5 5 m 的壹结晶器弧 形连铸机。这些铸机的设计和制造以及相关的连铸技术的开发都是立足于国内并 依靠自己的能力完成的，显示了我国连铸技术的水平和能力【2 】。但是在以后的十余 年间，除个别地区外，连铸生产基本上处于停滞状态，到1 9 7 8 年全国用于生产的 连铸机只有2 1 台，连铸坯年产量1 1 2 7 0 万吨，连铸比3 5 6 1 。 改革开放以来，我国的钢铁工业有了长足的发展，从1 9 9 6 年开始连续四年我 国的钢产量居全球首位。1 9 7 8 年和1 9 9 1 年比较，连铸比由3 5 提高到2 6 3 5 ； 己投产的连铸机由2 1 台增加到1 3 0 台；连铸坯产量由1 1 2 7 0 万吨增加蓟1 8 8 3 5 0 万吨。在此期间，我国连铸比提高7 4 7 倍，连铸坯年产量增加1 6 7 倍，连铸机台 数增加6 2 倍【印。最近几年，也是我国连铸技术快速发展的时期。利用以高质量铸坯 为基础、高拉速为核心，实现高连浇率、离作业率的高效连铸技术，对现有连铸 机的技术改造取得了很大进展，采用国产技术的第一台商效板坯连铸机已在攀钢 投产 2 , 1 0 , l l 】。2 0 0 0 年上半年统计，国内大中型钢铁企业( 占全国产钢量8 5 以上) 连 铸比为9 6 3 6 ，超过国外8 9 7 0 的平均水平 9 , i l l 。至2 0 0 3 年底，我国高效、较高 效连铸机累计己达7 5 以上，目前新建的连铸机一般也均为高效或较高效连铸机， 而且我国在高效连铸技术小方坯领域已跻身世界先进行列。到2 0 0 4 年初，我国在生 产的连铸机累计已超过5 5 0 台，连铸比达9 6 ，大部分钢铁企业实现了全连铸【l 。 近几年我国钢铁产量增长极为迅速，年均产量增长速度在2 0 左右，2 0 0 1 年我国 生铁和钢的产量均在1 5 亿吨左右，2 0 0 3 年和2 0 0 5 年我国粗钢产量分别突破2 亿 吨和3 亿吨，2 0 0 6 年再次突破4 亿吨。2 0 0 5 年新增连铸机平均单流年产能为3 0 1 4 万吨。新增板( 扁) 坯连铸机和薄板坯连铸连轧设备年产能共4 1 3 1 万吨，占所有 新增连铸机总产能的5 8 3 2 。截至2 0 0 5 年1 2 月下旬，全国连铸坯总产量约为3 3 4 2 0 万吨，同比增加约6 8 9 7 万吨，增长约2 6 。在连铸坯总产量中，6 2 个中国钢铁工 业协会会员单位的连铸坯产量约为2 6 7 7 0 万吨，1 8 0 个非会员单位的产量约为6 6 5 0 万吨【1 2 j 。2 0 0 7 年一季度我国租钢产量达到1 1 4 7 0 4 1 万吨，同比增加2 0 9 2 万吨， 同比增长2 2 3 ，生铁产量为1 0 8 5 2 1 3 万吨，同比增加1 7 8 6 0 2 万吨，同比增长 2 1 绪论 1 9 7 1 7 1 。 1 2 连铸二冷配水控制技术的研究现状 1 2 1 连铸二次冷却的重要性 在结晶器内仅有2 0 的钢水凝固，还有约8 0 的钢水尚未凝固。从结晶器拉 出来的铸坯凝固成一个薄的外壳，而中心仍然是高温钢水，形成了一个很长的液 相穴。二次冷却的目的就是对离开结晶器后的铸坯进行连续冷却，使之逐渐凝固， 获得质量好的铸坯【2 】。 二次冷却与铸机产量和铸坯质量密切相关。在其它工艺条件不变时，二冷强 度增加，拉速增大，则生产效率提高；同时二次冷却对铸坯质量也有重要影响。 连铸坯内部裂纹、表面裂纹、鼓肚和菱变、中心偏析等缺陷的形成与二次冷却有 着紧密的联系，优化和控, f j - - 次冷却十分重要 2 , 3 1 。 1 2 2 板坯连铸二次冷却冶金原则 二次冷却制度包括二次冷却强度、二次冷却区水量的分配、喷雾区的划分以 及喷嘴的布置形式。经过二次冷却的铸坯，容易出现表面缺陷、内部缺陷和形状 缺陷，它极大的影响了铸坯的质量。通常表面缺陷起源于结晶器，内部缺陷主要 是二冷区冷却不均匀造成的 1 2 - 1 5 】。而二冷区冷却不均匀是由于水量配置不合理造 成的，如，二冷区局部过冷产生铸坯纵向凹陷而导致纵向裂纹；二次冷却水量过 大还会造成铸坯表面、角部横向裂纹。此外，由于二冷水量配置不合理，使得铸 坯在凝固过程中相邻位置的温度梯度较大，产生较大的热应力也会引起中间裂纹 等缺陷。 在连铸生产中，二次冷却水量的计算方法有比水量法、目标温度反算法和冶 金准则函数优化法【2 ，1 1 】。比水量法相对简单，后两种方法要与凝固传热的数学模 型相结合，通过计算机程序进行运算。无论哪种方法得到的二冷水量，都要经过 现场生产使用一段时间，根据铸坯的质量情况不断调整水量，逐步完善生产的二 冷制度，且必须遵循以下冶金原则 2 , 1 6 1 ： 在整个二冷区应当采取自上到下冷却强度由强到弱的原则。由结晶器拉出 的铸坯进入二冷区上段时，内部液芯量大，坯壳薄，热阻小，坯壳凝固收缩产生 的应力也小。此时加大冷却强度可使坯壳厚度迅速增加，并且在较高的拉速下也 不会拉漏。当坯壳厚度增加到一定程度以后，随着坯壳热阻的增加，则应逐渐减 小冷却强度，避免铸坯表面热应力过大产生裂纹。 为了提高铸机的生产率，应当采取高拉速和高冷却效率，但在提高冷却效 率的同时，要避免铸坯表面局部降温剧烈而产生裂纹，故应使铸坯表面横向及纵 向都能均匀降温。通常铸坯表面冷却速度应小于2 0 0 c m 。铸坯表面温度回升应小 重庆大学硕士学位论文 于1 0 0 m o 透常7 0 0 9 0 0 c 的温度范围是铸坯的脆性温度区，如铸坯表面涅度在此范 围内矫直时，易于产生横裂纹。所以应控制二次冷却强度，使铸坯表面温度降至 9 0 0 0 以上，即高于脆性温度区进行矫直。此外，为了保证铸坯在二冷区支撑辊之 间形成的鼓肚量最小，在整个二冷区应限定铸坯表面温度，通常控制在l 1 0 0 c 以 下。 在确定冷却强度时必须适应不同钢种的需要，特别是裂纹敏感性强的钢种， 要采用弱冷。 在板坯连铸机中要采用小辊径、多节辊，以保证铸坯不发生鼓胜、变形。 1 2 3 连铸二冷控制与优化技术现状 二次冷却配水模型的控制原则一般是先根据铸坯规格，铸坯钢种、连铸生产 过程来计算铸坯铸造方向的凝固厚度和表面温度，与生产工艺温度进行比较，再 根据计算值与生产中实测铸坯表面温度值的差异来调节二次冷却水流量。 表1 1 连铸二冷主要静态控制方法 ：! ! ! 堡；：i ! 暨罂! 篓2 竺! 墅! 鎏丝竺! ! 望翌! 虫i 垒墨竺婴! 竺：笾垒墨g 控制方法方法原理与优缺点 2 , 6 , 1 1 , 1 7 , 1 9 方法原理优缺点 人工配水 ( 手工控制法) 水表比例控制 1 9 0 0 瑚，2 习 受操作水平、人为 开挠前根据钢种设定二冷总水量和各冷却段的水量。浇等外界干扰因素的 注过程中水量不变，或人工经验观察铸坯表面温度后作影响较大，使得铸 适当调整。坯的质量难以保 证。 根据经验模型的比水量，以水表形式给出拉速喷水量的当拉速急剧变化时 线性对应关系。在拉矫机入口处用红夕 光学涮温计狠量会引起铸坯表面温 二冷区出口铸坯的表面温度，并将测量值送入p l c ，度大幅度回升和滞 与工艺设定的该铜种的二冷出口表面温度进行比较，并后变化，容易产生 将该比较值反馈到最后一段的水量控制系统，用以补偿热裂纹。投资小、 调节该段的水量。操作简便 缴糍嘲辫一瓣 找出铸坯表面实际温度符合目标温度时各冷却段水量= 】二：= 二：二= 参燃衅1 鐾鬻蒿未z 0 嚣篓黛誓黜馨至篡甄譬嚣 计算机，然后根据拉速自动配置各控制回路的冷却水：二：二i 二次冷却水控制是连铸机自动化系统的重要组成部分。连铸机二次冷却配水 控制技术已研究多年，但由于生产条件不同，建立的二拎控制模型也有差异。如 4 1 绪论 徐荣军旧应用模式识别与人工神经网络相结合的方法，建立了板坯连铸的二次冷 却水模型，该模型运用于生产实际后，铸坯表面裂纹大大减少。 二次冷却水量自动控制的目的是使铸坯在不同拉速下均能得到合理的冷却。 特别是二次冷却基础级自动控制水平的提高，为连铸工序全数字化控制奠定了基 础。二次冷却自动控制对于优化炼钢连铸生产过程的衔接匹配也具有积极作用。 连铸二冷控制技术历经了从原始简单的静态控制到可以根据工艺条件变化而 适时调整冷却强度的动态控制的发展历程，见表1 1 、表1 2 。 表1 2 连铸二冷主要动态控制方法 ! ! ! ! ! ! ：! 暨2 1 1 型! ! ! ! 堡! 罂型也! ! ! ! 塑! 翌丝! 生垫! 竺! 型竺! 磐塑g 控制方法 方法原? 法原理与优缺点优缺点 连铸坯的凝固传热是钢水在连铸机内经结晶器、二冷区以及辐射空冷区，以 对流、传导和辐射等多种形式将热量从凝固前沿向外传递的冷却过程。运用计算 机数值模拟技术与实验技术对连铸坯的凝固传热进行研究，可以充分认识连铸坯 的凝固传热过程，定量分析热量在连铸过程中的传递，迅速找出影响连铸坯凝固 重庆大学硕士学位论文 过程的规律和工艺控制措施。凝固传热数学模型是实现二冷水动态控制的基础。 连铸二冷水动态控制的常规方法主要有两大类【2 耻”，一是基于实测铸坯表面 温度的动态控制，二是基于凝固传热模型的动态控制。实测方法由于二冷区温度 高气雾大、铸坯表面有冷却水形成的水膜和氧化铁皮等影响测量的准确性；使用 凝固传热模型可以对连铸生产过程直接模拟，并能得到各种变量的连续分布信息 1 ，但当考虑生产因素较多时，受计算机条件限制，基于传热模型的方法计算量 大，实时性难以保证。基于人工神经网络等智能控制方法，作为一种处理被控系 统复杂行为的手段近年来受到重视，逐渐被用于二冷动态配水控制与优化过程 f 2 3 瑚。 凝固传热数学模型是实现连铸二冷配水优化的基础。连铸传热模型是一个非 线性偏微分方程的初边值问题，无法解析求解，并且涉及的计算量大。通常根据 钢种的高温力学性能及质量要求和铸机实际情况，结合传热模型制定相应的二次 冷却配水制度，形成静态乃至动态的经验水表方法，难以适应生产新钢种，以及 工艺调整和改变的要求。当采用基于冶金准则构成的函数进行连铸二冷配水优化 时，传统的函数优化方法在求解计算复杂的二冷过程非线性优化问题时效率低下 o o a o t 。从优化目标的角度来看二冷优化本质上是一个多目标优化的问题，各个优 化目标之间的关系由它们对工艺要求的重要性来决定。所以二冷水量分配的优化 问题特点是：多维连续变量的实函数优化：问题目标函数对状态变量不可微；目 标函数无法轻易的解析表达。在优化理论上对于无法解析表达的实函数的优化一 直是个难点，而此种问题在工程当中广泛的存在 1 7 j 9 1 。智能优化算法因其算法简 单灵活而在二冷优化研究中迅速发展1 即1 书】。 1 3 人工智能相关技术发展及在动态配水与优化中的应用 1 3 1 神经网络理论及发展 人工神经网络是模仿脑细胞结构和功能、脑神经结构以及恩维处理间题等脑 功能的新型信息处理系统。由于人工神经元网络具有复杂的动力学特性，并行处 理机制、学习、联想和记忆等功能，以及它的高度自组织、自适应能力和灵活性 而受到自然科学领域学者广泛重视。人工神经元网络是生理学上的真实人脑神经 网络的结构和功能，以及若干基本特性的某种理论抽象、简化和模拟而构成的一 种信息处理系统。从系统观点看，人工神经元网络是由大量神经元通过极其丰富 和完善的联接而构成的非线性自适应动态系统【3 4 1 。由于神经元之间有着不同的连 接方式，所以组成不同结构形态的神经网络系统是可能的。 人工神经网络的研究始于1 9 4 3 年，由心理学家wsm c c u i l o c h 和数学家w p i t t s 所提出的m p 模型【3 5 1 。该模型除连接权不调整外，其他与现在的阙值单元模 6 1 绪论 型基本相同。则t 模型的提出不仅具有开创意义，而且为以后的研究工作提供了 依据。1 9 4 9 年d h e b b 首先提出一种调整神经网络连接权的规则，通常称为h e b b 学习规则【3 6 l 。5 0 年代和6 0 年代具有代表性的工作是r o s e n b l a t t 的感知机和w i n d r o w 的自适应线性元件m a d a l i n e 。7 0 年代人工神经网络的研究处于低潮。进人8 0 年代， 由于r u m e l h a r t 与m c c l e l a n d 以及h o p f i d d 等人在神经网络领域取得的突破性进展， 再次掀起了神经网络研究的热潮【卅。近年来，神经网络的应用研究取得了很大的 成绩，涉及的领域非常广泛。就应用的技术领域而言有计算机视觉，语言的识别、 理解与合成，优化什算，智能控制及复杂系统分析，模式识别，神经计算机的研 制，知讯处理，专家系统与人工智能。涉及的学科有神经生理学，认识科学，数、 理科学，心理学，信息科学，计算机科学，傲电于学，光学，生物电子学等【3 引。 文献 3 9 】 4 0 】对神经网络控制系统作了简要地介绍，表明了神经网络应用于控制的 巨大潜力，同时也指出神经网络与其他控制手段结合的控制结构与算法，是颇具 吸引力的方案。文献【3 9 介绍了神经网络逆建模控制的设计方法。文献【4 0 【4 l 】研 究了非线性系统的反馈线性化控制的设计方法。文献 4 2 】将神经网络与模糊算法控 制和变结构控制相结合，充分利用了神经网络的学习能力，取得了较好的效果。 在我国，以周其鉴、王耀南、孙增沂等为代表的科研工作者，在智能控制领域取 得了可喜的研究成果【3 9 j 3 卅，为智能结构控制在我国的研究与应用打下了坚实的基 础。 神经网络在建模与控制中得到广泛应用，主要因为神经网络具有逼近任意非 线性映射能力，以及并行分布计算、自适应自学习能力和容错能力，同时，在本 质上是一个多变量过程【4 5 】。神经网络在控制中的作用可分为几类：第一类是在基 于模型的各种控制结构中充当对象的模型；第二类是充当控制器；第三类是在控 制系统中起优化计算作用；第四类用于其它智能控制方法，如专家系统、模糊控 制相融合，为其提供非参数化对象模型、推理模型等。 尽管神经网络在众多的领域取得丰硕的成果，但当前存在的问题是智能水平 不高，许多应用方面的要求还不能得到很好的满足，网络分析和综合的一些理论 性问题还未得到很好解决。针对当前人工神经网络存在的问题，今后研究的主要 方向可分为理论研究和应用研究两个方面【3 8 】。目前实际应用的人工神经网络有几 十种之多，常用的有：自适应共振理论模型( 朋玎) 、雪崩模型( a v a ) 、反相传播 模型( b p ) 、双向联想存储器( b a m ) 等，这些网络模型在不同的应用领域有效 地解决了众多的问题，同时也存在各种局限性1 4 6 - 4 7 】。本文主要研究b p 神经网络。 1 3 2 模糊控制系统理论及发展 自从1 9 6 5 年美国加州大学的z a d e h 教授创建模糊集理论【4 8 a 9 和1 9 7 4 年英国 的m a m d a n i 教授成功地将模糊控制应用到蒸汽机控制以来口4 】，模糊逻辑系统在系 7 重庆大学硕士学位论文 统的建模和控制上都得到广泛地应用。模糊控制系统是种自动控制系统，它以 模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计 算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。传统的自动控 制，