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东北大学硕士学位论文摘要 钢铁企业精轧机组温度仿真系统 摘要 近年来国家基础设施建设大幅增长，钢材市场特别是高附加值钢材市场发展迅猛， 这对热轧板带产品的质量提出了更高要求。仿真技术通过优化模型和控制方法，更准确 地控制产品物理参数，避免了设备改造对生产的负面影响，同时提高了产品质量和附加 值。钢铁企业中，温度是影响热轧产品质量最为重要的因素之一，它决定了钢材的微观 组织性能和宏观力学性能。本文设计并实现了某钢厂精轧机组温度仿真系统。 热轧生产中，带钢特别是厚带钢，其表面温度和中心温度不一样，现场模型忽略了 厚度对带钢温度的影响，而差分模型充分考虑了该影响。通过消化现场温度控制系统和 差分数值计算原理，用差分模型改造现有温降模型，推导出了空冷温降，水冷温降，轧 制温升和传导温降的差分温降公式，同时细化了精轧过程的物性参数，采用了模块化的 程序设计方法，在m a t l a b 平台下实现了精轧温度仿真系统。在精轧温度仿真系统的 研究中，发现水冷系数是影响终轧温度的重要参数，而水冷系数受到很多因素的影响， 且高度非线性。为了进一步提高温度仿真的精度，基于现场温度仿真系统，应用了神经 网络来预测水冷温降模型中的水冷换热系数，而这恰好是经典传热学公式很难解决的部 分，利用神经网络黑箱模式的学习功能来解决这类问题是一个很好的尝试。 仿真结果显示了差分模型与现场模型的结合提高了精轧出口温度的预测精度，同 时，在一定范围内神经网络能够提高仿真的精度，达到了预期的效果。另外，对于预报 温度与实际温度只有稳定静差的带钢，加入了简单自适应控制，比较显著地提高了带钢 温度预测的精度。 关键词精轧差分神经网络自适应 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f m t e m p e r a t u r es i m u l a t i o ns y s t e mo f i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e a b s t r a c t w i mr a p i di n c r e a s eo nn a t i o n w i d ei n f r a s t m c t u r ei n v e s t m e n t ，s t e e lm a r k e t ，e s p h i g h a d d e d v a l u es t e e lm a r k e tf l o u r i s h e sv i o l e n t l y ，w h i c hp u tah i g h e rd e m a n do nt h eq u a l i t yo fh o t s t r i pp r o d u c t i o n e m u l a t i o nt e c h n o l o g yt a i l t a k ec o n t r o lo fp h y s c i a lp a r a m e t e r sm o r e p r e c i s e l y ，c o n s e q u e n t l yi m p r o v ep r o d u c t s a d d e d - v a l u eb yo p t i m i z i n gm o d e la n dc o n t r o l t e c h n i q u e t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hd e c i d et h eq u a l i t yo fh o t s t r i pp r o d u c t s i n s t e e la n di r o n e n t e r p r i s e s t e m p e r a t u r e d e c i d e sn o t o n l y o nt h e m i c r o s t r u c t u r ep e r f o r m a n c eb u ta l s oo nm a c r om e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e f mt e m p e r a t u r e s i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e da n di sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s i nh o tm i l l i n gp r o d u c t i o n ，s u r f a c et e m p e r a t u r eo fs t r i p ，e s p t h i c ks t r i pi sd i f f e r e n tf r o m i t sc o r et e m p e r a t u r e ，c u r r e n tm o d e ln e g l e c tt h ei n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r ec a u s e db yt h i c k n e s s ， b u td i f f e r e n c em o d e lc a nt a k et h ei n f l u e n c ei n t oa c c o n n t h e a tt r a n s f e rq u a f i o no nr a d i a t i o n ， c o n v e c t i o n ，c o n d u c t i v i t ya n dd e f o m aa r ee d u c e da f t e ru n d e r s t a n d i n gc u r r e n tt e m p e r a t u r e m o d e la n dd i f f e r e n c et h e o r i e s t h es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd i f f e r e n c et h e o r yt a k e s p h y s i c a lp a r a m e t e r si n t om o r ed e t a i l e da c c o u n t , a n dr e a l i z e st h es i m u l a t i o no ff i n i s h i n gm i l l t e m p e r a t u r ei nm a n a bb ym o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o d s w a t e rc o o l i n gc o e f f i c i e n t ， w h i c hi se f f e c t e dh i g hn o n - l i n e a r l yb ym a n yf a c t o r s ，i sf o u n dt ob et h ev i t a lp a r a m e t e r i n f l u e n c i n gf mt e m p e r a t u r ed u r i n gt h er e s e a r c h i no r d e r t oi m p r o v et h ef o r e c a s t i n gp r e c i s i o n ， n e u r a ln e t w o r ki si n t r o d u e e dt of o r e c a s tw a t e rc o o l i n gt o e 伍c i e n tw h i c he x a c t l yi sd i f f i c u l t f o rc o n v e n t i o n a lh e a tt r a n s f e re q u a t i o nt oh a n d l ew i t h i ti saw i s ee x p l o r a t i o nt h a ts u c hk i n d o f p r o b l e mi ss o l v e db yl e a r n i n gf u n c t i o no f n e u r a ln e t w o r k sb l a c kb o x m o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e st h a tn e u r a ln e t w o r kc a ni m p r o v et h es i m u l a t i o np r e c i s i o n w i t h i nac e r t a i nf i e l da n dr e a c ht h ee x p e c t a t i o nr e s u l t s i na d d i t i o n a sf 打a st h es t r i p sw h o s e f o r e c a s t i n gt e m p e r a t u r ej u s tk e e pas t a t i c d i f f e r e n c ef r o ma c t u a lt e m p e r a t u r e ，s i m p l e s e l g a d a p t l o ni sa d d e dt oi m p r o v ef o r e c a s t i n gp r e c i s i o n k e yw o r d sf m ( f i n i s h i n gm i l l ) ，d i f f e r e n c em o d e l ，n e u r a ln e t w o r k ，s e l f - a d a p t i o n i i i 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，不包含其他人已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已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名 游黔 签字日期：d 2 一邦f 甩l ；日 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。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出背景 随着近年来国家基础建设用钢的大幅增长，社会耐用消费品消费层次的变化，社会 对热轧板带生产的数量与质量结构体系提出了新的要求。对宝钢集团来说，近年汽车板 市场开始活跃，汽车板作为宝钢的战略性产品。虽然近年来取得了喜人的业绩。2 0 0 5 年前l o 个月，汽车板销量突破1 5 0 万吨，占国内汽车板市场份额的5 0 以上。但汽车 板的质量还不容乐观，有待提高。具体表现在：宝钢汽车板出口欧美国家销量甚少，唯 一进口宝钢汽车板的只有意大利菲亚特汽车公司。其镀锌板、轿车外板等高档次产品， 技术质量还无法达到欧美发达国家高档汽车板的要求。另外在船用钢板上也是如此，其 主要障碍是热轧线产品质量无法满足客户的要求。相比，同从德国引进热轧线的日本新 日铁钢铁公司，通过技术改造，其生产的汽车板已达国际高档汽车板的要求，这是设备 改造前景的最好例证。使得宝钢公司近几年在国内市场获得高经济回报的同时，加大了 设备改造的步伐。虽然，宝钢2 0 5 0 热轧线的技术革新从建成以来从未间断，但是采用 常规的方式对轧钢设备进行改造，往往由于其周期长、费用高、对生产存在的负面影响 而使决策者进退两难。因此，如何提高热轧板带产量与质量，同时又尽可能减少改造带 来的费用和风险，就成为热轧线设备改造中的一大难点。 近年来，以信息化带动工业化，采用虚拟制造技术提高工业产品附加值是我国制造 业发展的必由之路。常规技术改造和设备升级周期长，费用高，往往面临较大的决策和 经营风险。采用仿真技术尤其是采用半物理、分布式仿真技术搭建试验平台进行预试验， 从而降低试验风险己成为高风险领域研究的一大热点。由于仿真是基于模型，甚至是基 于虚拟模型的试验技术。它通过构造系统模型，在模型上做试验，对试验结果进行分析， 取得和真实事件相同的效果。因而具有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性、可多 次重复等显著优点。该技术能以其它方法所无法替代的特殊功能，为工程人员设计，调 试、优化提供快速的原型化机制。同时为决策者们在面对一些重大的、棘手的问题时， 提供关键性的见解和创新的观点，高效的帮助人们理解事物的本质，进行科学的决策和 推断。利用仿真技术降低设备改造风险在国外已有相当多的成功运用。 在以上这些背景下，宝钢技术中心自动化所开展了一系列研究，利用成熟的仿真平 台m a t l a b ，搭建可用于热轧生产过程优化试验的虚拟轧机，来降低设备改造和工艺 改造带来的风险。并立项为宝钢2 0 5 0 热轧数字协同仿真，宝山钢铁股份有限公司2 0 5 0 热轧1 9 8 9 年投入生产，经过近1 4 年的运行，在设备装备水平、工艺技术、产品控制精 度、备品备件供应等方面逐渐落后于世界先进水平。 本课题就是以该项目的子项目2 0 5 0 精轧温度建模及其过程控制仿真为背景，展开了 一些研究工作。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 宝钢2 0 5 0 轧线概况 宝钢2 0 5 0 m m 热轧生产线是八十年代末从德国s m s ( 西马克) 公司引进。年设计能力 4 0 0 万吨，其装备水平在当时是先进的。其主要由板坯库区、加热炉区、粗轧加工区、 精轧加工区、卷曲区、精整线等作业区所组成3 。 板坯库区主要由连接辊道、输入辊道、输出辊道、板坯回转台等组成，为了满足热 装的要求，在辊道上设置保温罩、在库内设置保温坑。加热炉区主要由四座步进梁连续 加热炉，输入、输出辊道、推钢机、出钢机等组成，炉子的出口温度均匀，水印少。粗 轧区主要由高压水除磷机、e 1 大立辊、r 1 二辊可逆轧机、r 2 四辊可逆轧机、e 2 立辊 可往返轧制，e 3 和e 4 立辊、r 3 和r 4 四辊连轧机等设备组成。精轧加工区由曲柄切 头飞剪、夹送辊、高压水除磷箱、f l 。f 7 四辊精轧机组等组成。卷曲机区由输出辊道、 层冷冷却装置、夹送辊、卷曲机等组成。 精整机组主要由横剪切组、纵剪切组、平整机组等组成。 2 0 5 0 的自动化系统分4 级进行控制管理，它们分别是； ( 1 ) 生产管理级：由两台计算机组成，主要进行合同管理、计划的编制。 ( 2 ) 生产控制级：由三台小型机组成，其主要功能是反映轧线的生产动态，为制 定轧制计划：精整计划、物料跟踪及生产管理收集情况。 ( 3 ) 过程控制级；由四台小型机组成，他们分别实现加热炉、粗轧、精轧、卷曲 等加工区的材料跟踪、设定计算、设定输出、自适应、自学习等监控功能。 ( 4 ) 基础自动化级； 由6 个s i m a t i c s 5 1 5 0 s 可编程控制器，6 个m m c 2 1 6 多位机系统和2 2 台 c p 8 0 a 8 0 0 可编程器组成，完成整个生产线的控制任务。 各级之间的数据交换采用数据链直接耦合的方式，2 0 5 0 的自动化系统结构图如下 图1 1 所示。 基础自动化级直接与生产设备进行通讯，直接控制与反馈生产设备的状态，过程机 级别主要控制某一个生产过程的计算机控制，负责给基础自动化下达指令，管理基础自 动化设备的状态，生产控制级别主要是现场操作工用来控制生产的，而生产管理级别主 要是为管理者提供各种计划，方便管理者制定全面的生产管理决策。 带钢热连轧生产，按照主要工序的先后，一般划分为四个区：加热区、粗轧区、精 轧区和卷取区。生产工艺流程按照下列工序进行：板坯预备一板坯加热一粗轧一精轧一 冷却一卷取一精整，典型热轧板带生产计算机控制系统如下图1 2 所示1 1 。 每一个生产工艺流程都要涉及到带钢的形状和温度这两个紧密联系而又相互影响 的重要参数，不同的流程侧重点不一样，对于精轧过程来说，形状和温度这两个物理参 数同时占据最重要的位置。对于加热炉和层流冷却来说，更重要的是温度这个物理量， 对于粗轧来说，形状是最重要的。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 篙 嶙到嶙到 h 产 撼5i 嚣l 静玺f l $ 3 蠊 掩a 毁 、二。 夕 一 挝理 | | 潞| | | i 渊| | | s 酬 ；c 3 | 1 精s 轧c c 籼4l | _ 燃莲|牲捌拙 瓜然凳漤、 揍 ；：i 内 哪i l 卣岛闺哟噻臼团臣璃 甜纯缎 嗣i j e 喊埔库h i 热妒 纠轧 精轧 冷却 棼曲 错妣嫂 图1 12 0 5 0 热轧厂自动化系统配置图 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o nc h a r to f a u t o m a t i o ns y s t e mi n2 0 5 0h o tm i l l 牛产控制 错理计搏机 j q 、哑r n 圃t l 圄 ljljjv 过程 脚。l豳l 坠! 堡! ! i ! ! ! ! 墅墨fi ! 里竺垫| l 嚣麴圈图匿 f 耩础 伊豳函函函 fl l 过程 妞i 热妒 i 翱轧帆 l 特轧帆l 冷却段，抬取挑 图1 22 0 5 0 热轧线计算机控制系统 f i g 1 2c o m p u t e r - c o n t r o l l e rs y s t e mo f 2 0 5 0h o tm i l l i n gl i n e 1 1 2 热轧带钢温度控制的意义 带钢热连轧生产过程朐主要内容基本上可归结为尺寸变化和温度变化两大类性质 极不相同但又相互紧密联系的物理过程。尺寸变化过程主要是钢坯厚度不断变薄的过 程，此外尚有宽度的变化( 不断由立辊压缩，又通过水平辊得到宽展) ，这个过程所涉 及到的问题是轧件塑性变形和轧机弹性变形以及它们之间的关系。 温度的变化过程由钢坯的加热和轧件( 板坯、带坯、带钢) 的不断冷却所组成。钢 坯( 一般厚度较大) 在室温状态下装入加热炉中，经过两个小时左右的加热( 通过预热 气 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一加热一均热阶段完成钢坯加热过程) 后，温度达到1 1 8 0 1 2 5 0o c 。钢坯出炉后开始降 温，并随着钢坯厚度不断轧薄，板坯的温度通过各种形式的温降逐渐变低，在粗轧机组 出口处约为1 0 8 0 1 1 0 0 ，通过中间辊道的冷却到精轧入口处降到l o o o 1 0 5 0 ，精 轧机组末架终轧温度一般为8 3 0 8 8 0o c ( 有些钢种要求高于9 0 0 ) ，输出辊道上通过 层流装置强迫冷却到6 0 0 6 5 0 后卷成钢卷。 在热轧带钢生产过程中温度制度是一个十分重要的因素，准确地计算( 预估) 各个 环节的温度变化是实现热连轧机计算机控制的重要前提，这是因为： ( 1 ) 各机架的变形阻力、轧制压力的预估是和准确确定该机架轧制温度分不开的， 而各架轧机轧制压力的预估精度将直接影响到轧件尺寸精度、带钢形状( 板形) 好坏以 及轧机负荷分配的合理性。 ( 2 ) 带钢温度对产品性能有重要影响，其中主要是： ( a ) 精轧终轧温度要求稍高于相交点，终轧温度太低将使带钢的机械性能降低( 特 别是影响冷轧后钢卷的深冲性能) ，但终轧温度又不能太高，否则容易因二次氧化影响 带钢的表面质量。 ( b ) 卷取温度要求低到足够程度，以避免在卷取之后，带材冷却过程中又使晶粒变 大；但卷取温度又不能太低，否则将卷不紧( 由于低温带钢弹性较大将发生松卷现象) 。 ( 3 ) 带钢中温度的均匀性，不但影响带钢的机械性能的均匀性，而且将直接影响到带 钢厚度的均匀性( 轧制压力的均匀性) 。 温降模型的建立是和生产过程具体特点有关联的，在现代带钢热连轧机中一般设有 5 6 个温度计，装置地点为：加热炉出口处，粗轧机组中间( 如r 1 后面) ，粗轧机组 出口处，精轧机组入口处，精轧机组出口处及卷取机入口处。但根据热连轧机的具体条 件，其中最可靠的测量点为粗轧机组出口及精轧机组出口处，因为前者板坯厚度适中( 约 3 0 5 0 m m ) ，板坯温度基本上已均匀化( 表面和中心温差不大) ，加上刚从粗轧机组 中轧出板坯表面质量很好，因此测量出的表面温度比较可靠地代表了这一板坯的实际温 度，后者刚由轧机轧出表面温度测量精度较高。粗轧机组中和加热炉出口处的测量点都 由于钢坯厚度太大，加上表面上铁皮较多或者经过高压水除鳞后表面温度降低等原因， 都不易测量出可靠的钢坯温度。精轧机组入口处扳坯温度原是一个十分重要的参数，但 不易测量准确，这是因为如果把测量点放在飞剪前后则此时板坯经过一百多米的运输， 表面上产生了二次氧化铁皮，使温度测量不准确。如果把测量焦放到糟轧除鳞箱后面则 由于高压水冷却使表面温度太低，因此目前计算机控制模型都是以粗轧机组出口处测量 得到的温度为基准，用温降方程来计算精轧机组各机架温度。 考虑到钢坯加热温度不易实际测量( 只能测得加热炉内各点的炉温) ，因此目前亦 有利用以粗轧机组出口处( 或r 1 后测温仪) 的实测温度为基准，通过粗轧机组温降公 式反算出钢坯的出炉温度，以此对加热炉模型进行学习。 一4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 热轧带钢的冶金性能由金属组织决定，带钢在输出辊道上冷却期间，奥氏体转变为铁 素体、珠光体、贝氏体，直至( 最后) 产生马氏体。化学成分、冷却速度和卷取温度是决定 带钢最终组织结构和各种相变比例的主要参数，所以，通过控制冷却速度和卷取温度可 以控制机械性能。在相变过程中，带钢释放热量，使冷却过程复杂化。考虑到大多数带 钢的质量，采用连续冷却，相变的开始温度越低，铁素体的核变率就会越高。所以冷却 速度越快，形核率越高，晶粒度就小，再加上珠光体层间距减小，钢的强度增大。另一 方面，冷却速度低，形核率就小，造成晶粒度大，则钢质相对较软。结构钢的冷却速度 要快些，深冲钢冷却速度要慢些。准确的预测带钢温度变化是提高带钢产品质量，降低 能耗，提高生产效率的前提【2 】。 1 2 仿真技术国内外研究现状 1 2 1 仿真的概念 仿真是建立在相应物理系统上的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿真 的基础，只有具备正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义。 随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历史过程。目前， 采用数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。 从技术应用的角度看，仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、 信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用 数学模型或部分实物对实际的和设想的系统进行动态实验研究的一门综合技术。 仿真是以计算机系统、相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型( 物理的、 数学的或非数学的) 对系统( 已有的或设想的) 进行研究的一门多学科的综合性的技术。 早期的计算机仿真技术大致经历几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿真；5 0 年代初 数字仿真；6 0 年代早期仿真语言；8 0 年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真注入了 活力 6 1 。 仿真技术现已经成为系统分析、研究、设计以及人员训练不可缺少的重要手段，它 给工程界以及企业界带来了巨大的经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本， 提高系统实验、调试舞1 1 # 7 1 1 练过程中的安全性，对于不可能直接进行实验的对象来说，仿 真技术更显示出它的重要性。 1 2 2 仿真技术国内外发展现状 仿真系统已在发达国家得到了迅速的发展。美国近年来将仿真技术列为少数极为重 要的科技项目；日本钢铁企业已经建立了一套完整的仿真系统，从板坯加热h i l t 板加速 冷却后的卷取。由于仿真是基于模型，甚至是基于虚拟模型的试验技术，它通过构造系 统模型，在模型上做试验，对试验结果进行分析，取得和真实事件相同的效果，因而具 有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性、可多次重复等显著优点。该技术能以其它 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 热轧带钢的冶金性能由金属组织决定，带钢在输出辊道上冷却期问，奥氏体转变为铁 索体、珠光体、贝氏体，直至( 最后) 产生马氏体。化学成分、冷却速度和卷取温度足决定 带钢撮终组织结构和各种相变比例的主要参数，所以，通过控制冷却速度和卷取温度可 以控制机械性能。在相变过程中，带钢释放热量，使冷却过程复杂化。考虑到大多数带 钢的质量，采用连续冷却，相变的开始温度越低，铁素体的核变率就会越高。所以冷却 速度越快，形核率越高，晶粒度就小，再加上珠光体层间距减小，钢的强度增大。另一一 方面，冷却速度低，形核率就小，造成晶粒度大，则钢质相对较软。结构钢的冷却速度 要快些，深冲钢冷却速度要慢些。准确的预测带钢温度变化是提高带钢产品质量，降低 能耗，提高生产效率的前提。 1 2 仿真技术国内外研究现状 1 2 1 仿真的概念 仿真是建立在相应物理系统上的数学模型在汁算机r 解算的过程。数学模型是仿真 的基础，只有具备正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义。 随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历史过程。目前， 采埘数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。 从技术应用的角度看，仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、 信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用 数学模型或部分实物对实际的和设想的系统进行动态实验研究的一门综合技术。 仿真是以计算机系统、相关的物理效应设备及仿真器为1 _ = 具，利用模型( 物理的、 数学的或非数学的) 对系统( 已有的或设想的) 进行研究的门多学科的综合性的技术。 早期的计算机仿真技术大致经历几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿真：5 0 年代仞 数字仿真；6 0 年代早期仿真语言；8 0 年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真注入了 活力6 】。 仿真技术现已经成为系统分析、研究、设计以及人员训练不可缺少的重要手段，它 给工程界以及企业界带来了巨大的经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本， 提高系统实验、调试和训练过程中的安全性，对于h i 可能直接进行实验的对象来说，仿 真技术更显示出它的重要性。 1 2 2 仿真技术国内外发展现状 仿真系统己在发达国家得到了迅速的发展。美国近年来将仿真拄术列为少数极为重 要的科技项目；日本钢铁企业已经建立了一套完整的仿真系统，从板坯加热到钢板加速 冷却后的卷取。由= r 仿真是基。j 二模型，甚至是基于虚拟模型的试验技术，它通过构造系 统模型，在模型上做试验，对试验结果进行分析取得和真实事件相同的效果，因而具 有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性、可多次重复等显著优点。该技术能以其它 有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性、可多次重复等显著优点。该技术能以其它 - 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 热轧带钢的冶金性能由金属组织决定，带钢在输出辊道上冷却期间，奥氏体转变为铁 素体、珠光体、贝氏体，直至( 最后) 产生马氏体。化学成分、冷却速度和卷取温度是决定 带钢最终组织结构和各种相变比例的主要参数，所以，通过控制冷却速度和卷取温度可 以控制机械性能。在相变过程中，带钢释放热量，使冷却过程复杂化。考虑到大多数带 钢的质量，采用连续冷却，相变的开始温度越低，铁素体的核变率就会越高。所以冷却 速度越快，形核率越高，晶粒度就小，再加上珠光体层间距减小，钢的强度增大。另一 方面，冷却速度低，形核率就小，造成晶粒度大，则钢质相对较软。结构钢的冷却速度 要快些，深冲钢冷却速度要慢些。准确的预测带钢温度变化是提高带钢产品质量，降低 能耗，提高生产效率的前提【2 】。 1 2 仿真技术国内外研究现状 1 2 1 仿真的概念 仿真是建立在相应物理系统上的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿真 的基础，只有具备正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义。 随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历史过程。目前， 采用数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。 从技术应用的角度看，仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、 信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用 数学模型或部分实物对实际的和设想的系统进行动态实验研究的一门综合技术。 仿真是以计算机系统、相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型( 物理的、 数学的或非数学的) 对系统( 已有的或设想的) 进行研究的一门多学科的综合性的技术。 早期的计算机仿真技术大致经历几个阶段：2 0 世纪4 0 年代模拟计算机仿真；5 0 年代初 数字仿真；6 0 年代早期仿真语言；8 0 年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真注入了 活力 6 1 。 仿真技术现已经成为系统分析、研究、设计以及人员训练不可缺少的重要手段，它 给工程界以及企业界带来了巨大的经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本， 提高系统实验、调试舞1 1 # 7 1 1 练过程中的安全性，对于不可能直接进行实验的对象来说，仿 真技术更显示出它的重要性。 1 2 2 仿真技术国内外发展现状 仿真系统已在发达国家得到了迅速的发展。美国近年来将仿真技术列为少数极为重 要的科技项目；日本钢铁企业已经建立了一套完整的仿真系统，从板坯加热h i l t 板加速 冷却后的卷取。由于仿真是基于模型，甚至是基于虚拟模型的试验技术，它通过构造系 统模型，在模型上做试验，对试验结果进行分析，取得和真实事件相同的效果，因而具 有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性、可多次重复等显著优点。该技术能以其它 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 方法所无法替代的特殊功能，为工程人员设计、 时为决策者们提供关键性的见解和创新的观点， 科学的决策和推断。 调试、优化提供快速的原型化机制。同 高效的帮助人们理解事物的本质，进行 仿真技术在国外已有相当多的成功运用。波音公司的个工程小组运用m a t l a b s i m u l i n k ，r e a l - t i m ew o r k s h o p 以及控制系统工具箱，鲁棒控制工具箱，统计工具箱和非 线性控制设计工具箱，对飞机导航控制系统进行半物理，分布式实时仿真。仿真器对美 国陆军的u h 一6 0 黑鹰直升机将x 4 0 a 带到9 0 0 0 英尺的高空，对导航控制系统进行自由 飞测试。解除人工操纵后，飞控系统接管并顺利准确地将飞机降落到地面跑道上，取得 巨大成功。又如：丰田公司充分利用了m a t l a b ，s i m u l i n k 。s t a t e f l o w 与r e a l t i m e w o r k s h o p 所提供的集成设计环境与德国d s p a c e 公司的实时硬件，实验软件进行实时 测试及虚拟原型的工作特点对汽车发动机系统进行设计、建模、测试与优化控制策略。 该项目完成的测试环境帮助丰田公司大大降低了费用，更容易分析系统的性能，允许在 冷起动及热起动几种不同工况下进行分析。使用快速原型环境，丰田公司的工程师可 以进行控制算法，控制逻辑方面的研究，选择最佳的控制方案。项目取得巨大的成功和 经济效益。这些项目的成功为宝钢2 0 5 0 热轧协同仿真项目提供了实验基础 6 】。 当今，仿真技术在国防和国民经济建设中的应用日益广泛作用越来越突出，被称为 是科学理论和实验研究之后的第三种认识和改造世界的工具。我国的“八五”、“九五”、 “十五”也都把它列为国家关键技术。 1 2 3 温度仿真计算国内外发展现状 随着自动控制及计算机技术的日新月异，温度仿真技术及其相关的数值传热学在钢 铁企业的生产与科研中也得到了快速的发展。目前宝钢2 0 5 0 现场采用的是基于经典传 热学公式推导出来的模型，即热传导，对流换热，辐射换热和及传热过程。复杂换热过 程与各类换热设备的传热特性，以这些经典模型为主框架，将相应的影响因素作为系数 反映到模型公式中，以此对轧制过程基础自动化系统进行控制，采用了温度调整学习系 数来提高模型的精度。目前，宝钢2 0 5 0 系统正在进行改造，力求通过新的计算方法提 高温度预测的精度，从而提高产品的质量和附加值。一般来说，传热学的经典公式不可 能改动，只是在数值计算方法上力求新的突破。 国外大型钢铁巨头已经开始采用新的数值计算方法，比如差分，有限元法，容积法， 而且开发了系列的传热学计算的专业软件，其中最为著名的是由p r o f e s s o rs p a l d i n g 及 其合作者开发的流动传热计算的大型通用软件p h o e n i c s ，继1 9 8 1 年p h o e n i c s 上市 以后，相继有f l u n e t ( 1 9 8 3 年) ，f i d a p ( 1 9 8 3 年) ，s t a r c o ( 1 9 8 7 年) ，f l o w 一3 0 ( 1 9 9 1 年，现改为c f x ) 等进入市场。f t d a p 以后又与f l u e n t 合并，称为该软件家族中的一个 部分。流动与传热问题数值计算商业软件的蓬勃发展，一方面有力地推动了计算传热学 研究成果应用于求解工业生产过程，另一方面也促进了对性能优良的数值方法的研究。 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一些在研究性的计算例子中被证明性能优良的方法一旦纳入到商用软件中，可以经受更 多的考验，对其性能可以给出更全面的评估。3 。 1 3 精轧温度仿真系统概述 1 3 1 系统所应用的原理 精轧温度仿真系统涉及到差分计算模型，神经网络原理，自适应算法，软件工程学 原理以及传热学原理，金属轧制原理。 任何一个好的应用系统都要涉及到两个方面，一方面是业务本身的理解，没有对应 用业务本身的理解，就很难理解用户的需求，很难做出用户满意的产品，因此对应用业 务的理解往往是一个高效的应用系统的必要前提。另一方面，要根据应用业务的特点， 选择合适的开发平台，运用恰当的控制算法和原理，使得系统在达到用户要求的前提下 能高效，稳定地运行，且易于维护，适应性强。 1 3 2 系统所解决的问题 提高温度预测的精度是温度仿真系统所面临的最直接的问题。现阶段相当一部分钢 铁企业的温度计算模块更多的是通过经验模型或者是通过引进国外某些钢厂的模型而 来的，计算比较简单，速度快，但是相应的预测精度偏差也比较大。本项目所要解决的 问题就是提高精轧温度预测的精度，进而提高热轧带钢产品的力学性能和机械性能，提 高产品的附加值，增加企业的效益和竞争力。 差分模型运用于传热学的计算已经有多年的历史，宝钢2 0 5 0 热轧系统的温度计算 还是基于简单的经验模型，只不过加入一些影响因子和遗传算法，温度预测精度有待进 一步的提高。本项目的一个重要目的就是用差分模型改造现有的简单模型，通过精确同 时大量的微小迭代运算，将带钢厚度方向上的温度差体现出来了，从而能够提高预测的 精度。这是从模型改进上来解决问题。 另一个方法就是利用神经网络的自适应自学习功能来优化一些不太容易计算的关 键系数，如何解决神经网络在优化过程中面临的一系列问题，如何处理预测精度与计算 速度之间的矛盾，这也是系统要解决的重要问题之一。 1 3 _ 3 精轧温度仿真系统的组织结构 精轧温度仿真系统是在m a t l a b 平台下完成的，其输入数据直接或者间接来源于 过程机的实际测量数据，这些数据的取得都是通过s a s 完成的，通过对精轧过程温度 变化的建模来预测精轧出口温度，计算预测温度于实测温度的偏差，偏差的大小是检验 温度模型好坏的重要标志。本项目的主要目的就是通过先进的数值计算模型( 差分数值 计算模型) 改造传统的温度模型，同时利用神经网络及自适应算法提高模型的自学习自 适应能力，从而提高精轧出口的温度预测精度。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 考虑到仿真系统的直观性，一个简洁易于配置，并且功能齐全的界面是必不可少的， 整个系统的组织就是由主计算模块和界面模块所组成的。 主计算模块实现了计算带钢头部从粗轧出口到精轧入口的全过程的温度值，该模块 按照带钢实际轧制规程，顺次调用各温降模块( 包括空冷模块，水冷模块，轧制与传导 模块) ，而每一个温降模块的实现又是调用差分模型与物性参数模块的过程。 g u i 界面直接面向用户，直观的表达了用户的需求，该系统要求能够进行单条和多 条带钢的连续仿真计算，设备参数，模型参数可配置，可以动态添加模型计算函数，选 择轧制过程，并且能直观显示各模块的温降，且具有对仿真结果的统计功能和简单的数 据处理功能。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 查阅2 0 5 0 项目规格书，并参与现场考察，消化宝钢2 0 5 0 热轧轧线设备与工 艺操作流程 ( 2 ) 消化传热学的基本原理与差分网格模型，推导出各温降模块的差分表达式 ( 3 ) 收集2 0 5 0 热轧相关物性参数，用s a s 从过程机获取数据 ( 4 ) 设计并实现了一个完善的精轧温度差分仿真系统 ( 5 ) 用神经元网络优化水冷系数 ( 6 ) 用自适应算法提高预测精度 8 东北大学硕士学位论文 第二章2 0 5 0 精轧温度仿真系统简介 第二章2 0 5 0 精轧温度仿真系统简介 2 1 宝钢2 0 5 0 精轧自动化系统简介 宝山钢铁股份有限公司2 0 5 0 热轧1 9 8 9 年投入生产，经过近1 4 年的运行，在设 备装备水平、工艺技术、产品控制精度、备品备件供应等方面逐渐落后于世界先进水 平。为解决以上问题，宝山钢铁股份有限公司和热轧厂制定了2 0 5 0 热轧三电系统改 造规划，其中包括热轧产品质量控制关键系统之一的精轧基础自动化系统的改造。 为了确保改造的顺利进行，宝钢股份公司热轧厂和宝信公司共同组织力量对原 2 0 5 0 热轧精轧层冷基础自动化系统进行消化，并在消化的基础上编写本功能说明书， 以期为改造的前期对外商的技术谈判和下一步的软件开发与调试做好技术和人员上 的准备。 2 0 5 0 热轧精轧基础自动化系统主要是按设定值对设备进行顺序控制或闭环控制。 它是过程控制的基础，上级计算机各项控制功能都通过它来实现。它与电气传动调节 系统、轧线仪表密切相联，控制周期和采样频率极高。 精轧基础自动化在过程计算机与传动控制系统之间起桥梁作用，在计算机发生故 障时，依靠基础自动化的功能仍能维持轧钢生产。 精轧基础自动化有四个系统组成( 4 、5 、6 、7 号) ，4 号系统为飞剪控制系统负 责带钢头尾的剪切、5 号系统为速度控制系统负责精轧七个机架速度分配和调节、6 号系统为压下控制系统负责辊缝控制、7 号系统为冷却控制系统。这四个系统分别承 担的主要控制功能及系统结构如图2 所示。其中的精轧轧前置机、层冷前置机分别用 于精轧、层冷基础自动化系统的实际值的收集、处理及向精轧过程机( p c c ) 的传送。 精轧过程机( 或键盘) 的设定值则直接送精轧、层冷基础自动化系统。 另外，精轧阀控系统由一台s 5 1 5 0 up l c 来完成控制。 精轧采用了7 台s 5 1 1 5 u 分别对f 卜f 7 的换辊系统进行控制，1 台s 5 1 1 5 u 对c v c 液压站设备进行开展。 系统规模：基础自动化系统( 包括飞剪控制系统、速度控制系统、压下控制系统、 冷却控制系统) i o 点数约4 4 0 0 点。 采用c o r o s 2 0 0 0 系统通过c r t 画面显示作为人机对话的主要手段。在精轧操作台 上设置了三个终端，分别用来显示飞剪系统、速度系统和压下系统有关的生产画面、 故障画面和换辊画面。 精轧基础自动化系统的总体结构见下图2 1 所示： 9 东北太学硕士学位论文 第；章2 0 5 0 精轧温度仿真统篱介 嚣 嚣 张 霹 露 坦 舯 一侧导授 测量辊 一飞剪 一除黛箱央蠕冁 一隙辩蓿高目e 水 一切头形状最佳化 一耩轧主传动 一传动轴位置 一活藿 一撖张力控制 碡靖祝 一材辩跟踪 一压下拉糊 一侧导板 一臌 一x 射线 一弯辊 一断面形就控制 臻2 1 精轧基础自动化系统结构 f i g 2 1 b a s ea u t o m a t i o n s y s t e ms x u c t u r e o f f m 2 2 蛊钢2 0 5 0 精轧温度控制 一带铡层流冷却 一喷亦模型 一材车；l 跟踪 一除鳃 一轧辊冷却 一机架闻净却 宝诵2 0 5 0 热轧精轧区域由以下设备组成：l 套曲柄式飞剪用于带钢头尾的剪切， 1 套高压水除鳞装置，7 套热连轧机架( f 1 一f 7 ) ，1 套f 卜f 7 之间微张力，5 套电动 活套用于保持机架间套量恒定。7 套机械压下负责f 卜f 7 七个机架的辊缝犬行程设定， 精轧区域侧导板负责板坯导向，液压压下负责辊缝动态调节，s l 立辊负责精轧板坯入 口导向，层漉冷却系统等。以上所有设各的动作指令均通过基础自动化发出”。 精轧区域工艺设备布置如下图所示。1 。 f l f 7 精轧机蛆 6 6 = 3 6 ( m ) 图2 , 2 精轧区域工艺设备图 f i g 2 2 t e c h n i c se q u i p m e n tc h a ni nf m 1 0 一陋剿 掌逍孵善辎群捌 白 一粥 m 血一 东北尢学硕士学位论文第二章2 0 5 0 精轧温廑仿真系统简介 粗轧测量小房：装有测宽仪、测厚仪和测温仪，测量粗轧出口厚度、宽度和温度。 双曲柄式切头飞剪：经过粗轧后带钢头( 尾) 部有燕尾形、舌形、梯形、矩形等多 种形状。为了保证带钢的最终质量，需要切除粗轧带坯的头、尾。切头( 尾) 长度的控 制原则是在带钢宽度的3 ，4 处进行切断