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东北大学硕士学位论文 摘要 层流冷却过程机仿真系统 摘要 本文以宝钢2 0 5 0 热轧板带层流冷却系统作为研究对象，在对层流冷却过程机系 统进行了详细分析后，研发了板带层流冷却过程机仿真系统，为冷却系统控制方法的 研究以及产品质量的改善提供了软件实验平台。 层流冷却是板带生产的关键环节之一，板带层流冷却系统是一个多变量、强耦合、 强非线性的复杂系统，冷却效果受板厚、板形、辊道速度、环境温度以及水温等多种 因素的影响。由于冷却区分布在比较长的区域，测温仪远离冷却区，相对控制点检测 严重滞后，因此不能采用常规的反馈控制方法，必须采用预设定模型的方法，对控制 量进行预设定。 本文建立了层流冷却过程的动态模型，提出了基于过程模型的优化设定控制算 法。深入研究了层流冷却过程机的函数接口，并利用v i s u a lc + + n e t 、m i c r o s o f ts q l s e r v e r 2 0 0 0 以及m a t l a b 6 1 等诸多开发工具开发了过程机仿真系统。 本文最后结合现场实际数据，对过程模型精度进行了验证，对控制模型进行了仿 真实验。仿真结果表明此模型具有足够的精度，同时也验证了本文提出的优化设定控 制算法，结果表明该仿真系统的开发对于层流冷却过程机的研究具有重要意义。 关键词层流冷却过程机仿真系统预设定模型差分动态模型热连轧机 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t l a m i n a rf l o wc o o l i n ga r t i f i c i a ls y s t e m o ft h ec o u r s em a c h i n e a b s t r a c t n sp a p e rt a k e st h ec o o l i n gs y s t e mo fl a m i n a rf l o wa st h er e s e a r c ho b j e c tw i t l l2 0 5 0 h o t - - r o l l e db o a r d so fb a o s h a ni r o na n ds t e e lp l a n t ，i nc o o lt ol a m i n a rf l o wc o u r s em a c h i n e s y s t e ma f t e rg o i n go ni nd e t a i la n a l y s i n g ，r e s e a r c ha n dd e v e l o pb o a r dt a k el a m i n a rf l o w c o o l9 0 1 j x s em a c h i n ea r t i f i c i a ls y s t e m ，h a v eo f f e r e dt h es o f t w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r mf o r t h ef a c tt h a tt h ec o o l i n gs y s t e mc o n t r o l st h er e s e a r c ho ft h em e t h o da n di m p r o v e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y l a r l l i n a rf l o wc o o li ti sb o a r dt h a tt a k ek e yl i n kt h a tg r o wo n eo f ，b o a r db r i n gl a m i n a r f l o w c o o l i n gs y s t e mo n em o r et h a nv a r i a b l e ，s 订o n gc o u p l i n g ，s t r o n gn o n l i n e a r c o m p l i c a t e ds y s t e m ，c o o lr e s u l tr e c e i v eb o a r d “c k ，b o a r ds h a p e ，r o l l e rd i s h e so fs p e e d ， e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r em a n yk i n d so fi n f l u e n c eo ff a c t o r b e c a u s e d i s t r i b u t ei ti nt h el o n g e ra r e ai nt h ec o o l i n ga r e a , t h et h e r m o s c o p ei sf a ra w a yf r o mt h e c o o l i n ga r e a ，m e f l s u r ca n dl a gb e h i n dt ot h ec o n t r o lp o i n ts e r i o u s l y , s oc a n ta d o p tt h e r o u t i n ef e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d ，m u s ta d o p tt h em e t h o dt oe s t a b l i s ht h em o d e li na d v a n c e ， e s t a b l i s hi na d v a n c et h ec o n t r o l l i n ga m o u n t 础sp a p e rh a ss e tu pt h ed y n a m i cm o d e lt h a tl a m i n a rf l o wc o o l st h ec o u r s e e s t a b l i s h e dt h ea l g o r i t h mo fc o n t r o l l i n ga f t e rp u t t i n gf o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o nb a s e do n c o u r s em o d e l ， f u r t h e ri n v e s t i g a t et h ef u n c t i o ni n t e r f a c et h a tl a m i n a rf l o wc o o l st h ec o u r s em a c h i n e ， u t i l i z ev i s u a lc + 十n e t m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0a n dm a t l a b 6 1g r a d eag r e a td e a l o f d e v e l o p i n gi n s t r u m e n td e v e l o pt h ea r t i f i c i a ls y s t e mo f t h e c o u r s em a c h i n e 1 k sp a p e rc o m b i n e dt h e0 n m e s p o tr e a ld a t af i n a l l y , p r o v e dt ot h ep r e c i s i o no f t h e c o u r s em o d e l h a v ec a r r i e do nt h ea r t i f i c i a le x p e r i m e n tt ot h em o d e lo fc o n t r o l l i n g t h e a r t i f i c i a lr e s u l li n d i c a t e dt h i sm o d e lh a se n o b g hp r e c i s i o n , p r o v e da tt h es ：a r d et i m et h e o p t i m i z a t i o nt h a tt h i st e x tp u t sf o r w a r de s t a b l i s h e st h ea l g o r i t h mo fc o n t r o l l i n g ，t h er e s u l t i n d i c a t e st h ed e v e l o p m e n to ft h i sa r t i f i c i a ls y s t e mi ss i g n i f i c a n tt ot h er e s e a r c ho fc o o l i n g t h ec o u r s em a c h i n eo f i a m i n a rf l o w k e yw o r d s l a m i n a rf l o wc o o f i n g ，c o u r s em a c h i n e ，a r t i f i c i a ls y s t e m ，e s t a b l i s hm o d e l s i na d v a n c e ，d i f f e r e n c ed i v i d e st h ed y n a m i cm o d e l ，h e a tr o l l i n gm i l l i l i - 东北大学硕士学位论文 第一章堵论 第一章绪论 1 1 宝钢2 0 5 0 热连轧概述 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 公司引进。其主要由板坯 库区、加热炉区、粗轧加工区、精轧加工区、卷取区、精整区等作业区所组成。 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，主要迸行合同管理、计划编制。 ( 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，它们分别实现加热炉、粗轧、精轧、 卷取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 k e 可编程控制器组成，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，如下图所示： 生产 i 船l| 嬲i管理缀 生产 f l s l il f l s 2 j f l s 3 扳蚝庳l * i i 静卷缎管理 挂涮绒 孑少 ， i = 七耜| 滁ii 鬻ii 骗fj 蒜ii 裟器l 挣制绂 八r 杰 八 f 上上上上llk 一 e 2 辅辅 卷 聃础自 颊炉炉 e l e 3 轧琶轧狰 墩 动他绂 i x 潞 r l e 4述 蚶他 知机控 r 4l ；! ：管 设 冀斛硼 。融瑚 扳坯庳加热炉搬轧精轧 冷却 卷上敬精整蠡置 豳l 。i2 0 5 0 热轧厂自动化系统结构 f i g 1 12 0 5 0h o tr o i l i n ga u t o m a t i cs y s t e mc o n s t r u c t i o n l - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 板带层流冷却系统简介 1 2 1 板带层流冷却的作用 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、租轧 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所示。 乍产挣f 雠1情理计罐机j 山l 、 t _ 1 广1 。_ j l 一 过柙 r ! 苎! 旦塾l1 坠堡堡墨il ! ! 堡塑! l 掣l 学u 圈辈叫乜罕到 l 、。i 翌帕芒型 肇础审审囱唪 i l 过靴l 加热炉车h 料帆硝轧帆 i 拎坤段，拯墩帆 图1 22 0 5 0 热轧生产计算机控制系统 f i g 1 22 0 5 0h o tr o l l i n gc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 卷取温度应在6 7 0 c 以下，约为5 7 0 c 一6 5 0 。不同品种、不同规格的板带， 在精轧机组中的终轧温度一般约为8 0 0 c 一9 0 0 ，而高取向硅钢的终轧温度约为 9 8 0 。c 。但是在高速轧制情况下，板带在1 0 0 多米的输出辊道上的运行时间一般仅 为5 l o 秒( 薄板) 或者8 2 0 秒( 厚板) 。为了在这么短的时间内使板带温度降 低2 0 0 c 一3 5 0 ，仅靠板带在输出辊道上的辐射散热和向辊道传热等自然冷却是 不可能达到上述温度要求的。因此目前热连轧机在输出辊道的一个相当长范围内 ( 1 0 0 米左右) ，设置高冷却效率的喷水装置，对板带上下表面喷水，进行强制冷 却使板带降温，并对喷水量进行控制，以满足卷取温度的要求。 通常采用的控制冷却方式主要有高压喷嘴冷却、层流冷却、雾化冷却、喷淋 冷却等。目前在钢板加速冷却采用的喷流方式主要有喷射、管层流( 柱状层流) 、 水幕( 幕状层流) 兰种，如图1 3 和图1 4 所示。实践证明层流冷却非常有效，6 0 年代以来，所建的大部分熟轧厂都采用低压大水量的层流冷却，所以在输出辊道 上设置层流冷却装置已成为热轧厂的重要组成部分。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 板带层流冷却系统简介 1 2 1 板带层流冷却的作用 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所示。 乍产扮删 l 骨艇计掉机 l 山 。 ii 个叵丽姻区赤圃 删严i 广 礼 l 弭凯f f 乳“外帆fi 乳讨摊桃i l 嚼羽i 墅! ! l 竺坐i：堡! ! i 坚掣垫l ! 翌l ；璺! ! l w 11 个il 呷呷干 蛙扩窜囱囱固 | i j 生飘i 由热妒 i 翱5l 帆 i 捌轧机 l 玲邶阻j 啦啦帆 图1 22 0 5 0 热轧生产计算机控制系统 y i 9 1 2 2 0 5 0 h o tr o l l i n gc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m 卷取温度应在6 7 0 。c 以下，约为5 7 0 。c 一6 5 0 。不同品种、不同规格的板带， 在精轧机组中的终轧温度一般约为8 0 0 c 一9 0 0 ，而高取向硅钢的终轧温度约为 9 8 0 c 。但是在高速轧制情况下，板带在1 0 0 多米的输出辊道上的运行时间一般仅 为5 1 0 秒( 薄板) 或者8 2 0 秒( 厚板) 。为了在这么短的时间内使板带温度降 低2 0 0 c 一3 5 0 ，仅靠板带在输出辊道上的辐射散热和向辊道传热等自然冷却是 不可能达到上述温度要求的。因此目前热连轧机在输出辊道的一个相当长范围内 ( 1 0 0 米左右) ，设置高冷却效率的喷水装置，对板带上下表面喷水，进行强制冷 却使板带降温，并对喷水量进行控制，以满足卷取温度的要求。 通常采用的控制冷却方式主要有高压喷嘴冷却、层流冷却、雾化冷却、喷淋 冷却等。目前在钢板加速冷却采用的喷流方式主要有喷射、管层流( 柱状层流) 、 水幕( 幕状层流) 三种，如图13 和图1 4 所示。实践证明层流冷却非常有效，6 0 年代以来，所建的大部分热轧厂都采用低压大水量的层流冷却，所以在输出辊道 上设置层流冷却装置已成为热轧厂的重要组成部分。 上设置层流冷却装置已成为热轧厂的重要组成部分。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 钐俑 涮铆碥编 f i f l l h i i i i h i i l i iyl鼎、m 、 _ 谴f i l l i1 1 1”柳 科 懈) 图1 3 三种冷却装置 f i g 1 3t h r e ec o o l i n gf a c i l i t y 镬耋： 7 一， ? 粲管璎流水鞯 蠕辩 图1 4 三种冷却方式冷却水在钢板上的分布状况 f i g 1 4 t h r e ec o o l i n g m e t h o d w a t e r c o n d i t i o n 1 2 2 板带层流冷却工艺过程 层流冷却过程指板带从精轧机组轧出后、进入卷取机之前，在输出辊道上通 过层流冷却装置进行轧后冷却，以便保证板带的金相组织和力学性能达到要求。 层流冷却装置长度根据处理板带的厚度、轧制速度和温降来确定。宝钢2 0 5 0 热轧厂层流冷却装置的长度为1 1 5 5 2 0 m m 。层流冷却装置主要由上部喷水机构( 层 流) 和下部喷水机构( 喷射) 组成。冷却区域的范围定义为从精轧后的测量小房 ( 入口测量位置e m p ) 开始到卷取机前的测量小房( 卷取测量位置h m p ) 为止。 层流冷却系统的装置布置图如图1 5 所示。 蕊e m p 鼍茁盎唾。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 冷却区的测量设备见表1 1 。 表1 1 测量设备 t a b l e 1 1m e a s u r e m e n te q u i p m e n t 测量位置测量项目 终轧机架脉冲计数器( 将带钢速度或长度转换为脉冲数) e m p 光电管、测厚仪、测温仪 f m l p测温仪 f m 2 p测温仪 h m p 测温仪 各电磁阀阀门开闭状态 在冷却医中上下对称地设置了1 9 组喷水架，每组喷水架有4 个喷水集管，每 两个喷水集管间的间距均相等( 1 2 6 m ) ，每个喷水集管为一个冷却段且由一个控 制阀控制。为了实现计算机控制，对控制阀和喷水管进行编号，按控制方式的不 同，将冷却区划分为主冷区( h k s ) 和精冷区( f k s ) ，详见示意图1 5 ，主冷区与 精冷区的分界点为基准点( f b p ) 。其中前1 7 组喷水架定义为主冷区，共计6 8 个 主冷却段，6 8 个控制阀门，主要用于前馈控制。后两个喷水架定义为精冷区，共 计8 个精冷却段，8 个控制阀门，用于反馈控制。在主冷区前面、主冷区的第1 5 、 1 6 号喷水架间以及精冷区后面各有一个无喷水阀门的空冷区。 在层流冷却过程中，板带经过精轧后，通过输出辊道进入层流冷却区，控制 系统通过调节开阀个数来控制喷水量从而控制板带的卷取温度和冷却速率。其中 冷却速率控制是通过选择集管的喷水模式来实现的。水冷区的喷水模式主要有四 种，见表1 2 。 表1 2 喷水模式 t a b l e 1 2w a t e rs p r a y i n gp a t t e r n 喷水模式标识号实际阀门开闭状态 a 4 4 密集喷水模式1 l j l b 3 4 稀疏喷水模式1 1 1 0 c 2 4 稀疏喷水模式1 0 1 0 dl 4 稀疏喷水模式1 0 0 0 注：“1 ”表示该阀门打开，“0 ”表示该阀门关闭 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 板带层流冷却系统功能介绍 层流冷却工艺是6 0 年代初形成的，旨在提高板带机械强度的生产加工新工艺， 并首先在带钢生产中得到了实现。 板带轧后的层流冷却工艺是在精轧机与卷取机之间增加一段冷却装置，将板 带从终轧后的温度冷却到相变后的卷取温度。这一加工技术，不但能大大缩短钢 板的冷却时间，大幅度提高产量，而且更重要的是它通过控制冷却速度，改变钢 的金相组织结构。在不降低韧性的情况下，提高钢材的强度，同时降低钢板的不 平整度和残余应力，从而明显地提高钢材的质量，为生产厂家带来显著的经济效 益。 层流冷却控制的主要任务是控制层流冷却喷水阀门，将带钢从某一终轧温度 冷却到要求的卷取温度。因为卷取温度对带钢的性能有很大的影响，因此卷取温 度必须控制在一定的目标卷取温度偏差范围内。 由于在冷却过程中会析出马氏体，对于特殊的带钢，除控制卷取温度外，冷 却速率也应该控制在一定的范围内。如果带钢表面与中心温度偏差太大，其晶体 的结构会受到影响，为此使用稀疏的喷水进行冷却。考虑到只有在温度低于某一 特定的温度( 临界温度) 后带钢的晶体结构才会因冷却速率太快而遭到破坏，因 此为了充分利用冷却设备的能力，一般先采用密集喷水的方式将带钢冷却到临界 温度，然后采用稀疏喷水的方法将其冷却到卷取温度。 为了确保带钢在冷却辊道上运行的稳定性，前向冷却时，冷却水是从精轧机 往卷取机方向打开的，为此需确定起始阀门。而为了满足一些超薄板卷取的特殊 工艺需要，可采用后向冷却方式冷却，采用此方式时，冷却水是从卷取机往精轧 机方向打开的，其起始阀门固定，为主冷却最终阀门。 1 3 板带层流冷却系统存在的主要问题 宝钢2 0 5 0 热轧厂层流冷却系统，经过技术改造已于1 9 9 8 年底投产使用，并 且卷取温度的命中率在一2 0 + 2 0 c 范围内达到9 6 以上，达到了国内较高的 控制精度。但是仍然存在着很多问题： ( 1 ) 尾板温的控制精度较低； ( 2 ) 板带的厚度超过1 2 5 m m 以上时，控制精度明显降低； ( 3 ) 当板厚、入口终轧温度及钢种等有较大变化时，控制精度降低等等。 主要原因： ( 1 ) 层流冷却系统的预设定模型不准。该系统的预设定模型是以表格的形式 东北大学硕士学位论文第一章绪论 给出的，当精轧机系统给出层流冷却系统的入口条件及该板带经过层流冷却区域 后的目标卷取温度时，层流冷却系统从表格中查出满足此边界条件的阀门开启个 数，进行层流冷却过程的预设定，当生产的钢种或者厚度超出表格的预设定范围 对，此表格以最贴近此条件的阀门开启个数来进行预设定，为此造成板带层流冷 却过程的预设定模型精度不高。 ( 2 ) 卷取温度预测模型精度不高。卷取温度预测模型是以冷却过程的动态模 型为基础，由于板带在层流冷却区域内的温降过程是不可测的，欲对其实现在线 控制，就必须建立较为准确的冷却过程动态模型，对板带从冷却区入口到冷却区 出口进行温度和位置的跟踪，以保证卷取温度的控制精度。而目前的预测模型假 定带钢厚度不影响带钢在冷却过程中的温度变化，因此较厚板带的预测模型精度 较低，从而降低了卷取温度的控制精度。 ( 3 ) 系统的前馈控制算法是基于冷却过程的平均温度模型，所以导致不同厚 度的预测温度的补偿量不合理，造成卷取温度的预测和控制精度降低，并且算法 本身的收敛性及稳定性不好，直接降低了卷取温度的预测与控制精度，使实测卷 取温度出现周期性波动。 ( 4 ) 系统的反馈控制算法也是基于冷却过程的平均温度模型，由于反馈控制 量不能作用于当前段，需要经过一定的延时作用于后段，从而导致反馈缺少因果 关系，反馈控制量的确定不合理，将引起实测卷取温度里不规则的周期波动，甚 至精冷区闭环控制出现正反馈。 板带层流冷却工艺过程是个复杂的工业过程。由于各个控制量在调节过程 中存在着强耦合的关系，量与最之间的调节相互影响，同时，由于板带的冷却效 果受板厚、板形、辊道速度、环境温度和水温等多种因素的影响，即使是同一规 格的板带，其进入冷却系统的边界条件( 板温、板厚等) 也是不同的。并且，钢 板在冷却过程中发生相变( y f e o t - - f c ) ，相变过程产生的大量的热量对冷却 效果会产生显著的影响，但却无法对其进行测量，因此，这是一个复杂的过程控 制系统，对此进行精确控制是很难的。 为了解决上述问题，板带层流冷却控制系统在控制手段上，采用冷却段数与 喷水模式相结合的方法，以准确地控制卷取温度和冷却速度。在建模问题上，利 用混合模型( 机理模型+ 经验模型) 作为预设定模型，进行控制量的预设定和模 型优化工作。由于宝钢2 0 5 0 热轧厂终轧钢扳的品种多，厚度变化大，终轧温度控 制不准确( 8 0 0 c 一9 0 0 ) ，因此板带进入层流冷却系统的边界条件波动大，必须 采用预测控制技术建模，同时在实际系统运行中，利用线性模型不断修正自适应 参数。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 - 4 冷却系统仿真的意义 为了进一步探索板带卷取温度与各工艺参数及冷却策略的关系，为了生产新 品种、新钢种、扩大板带生产的范围，为了使板带卷取温度的控制达到更高的精 度，需要对层流冷却过程进行仿真研究。 1 4 1 仿真的定义 客观世界中的物理现象和物理系统通常可以用数学方程来描述，例如我们熟 悉的“质量一弹性一阻尼”机械运动系统的动态过程和“电感一电容一电阻”电 路的动态过程，都可以用二阶方程来描述，实际上客观世界中任何连续系统、离 散事件系统或连续离散事件混合系统在一般情况下都可以建立数学模型。 简单地说，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 各为工具，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。 1 4 2 工业生产系统仿真概述 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。 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。 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 热到钢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 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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。 1 4 3 层流冷却系统仿真的意义 宝钢2 0 5 0 热轧厂从德国s i e m e n s 公司引进的板带层流冷却系统在厚板冷却时， 其卷取温度波动大，极大地影响了成品的质量。为了提高卷取温度的控制精度， 必须对其所采用的控制模型以及控制方法进行实验研究。 卷取温度控制( 亦可称之为输出辊道冷却水控制) 由于冷却区分布在一个很 长的区域内，受实际工艺条件限制，卷取温度测温仪远离冷却区( 约1 0 米以上) ， 相对控制点，检测滞后很大，同时由于工况环境恶劣，无法在线实时连续检测高 速运行的板带通过整个冷却区的温度，因此严重制约了常规反馈控制方法的使用。 因此需要对层流冷却过程的预测模型进行研究，由于物理实验不仅昂贵而且实验 设备难以制造，实际的装置进行工业实验不仅代价高且在线调试周期长，还可能 造成实验产品质量的缺陷。因此运用建立板带层流冷却过程动态仿真模型的方法 来代替在现场设备上进行实验，将仿真模型和控制模型相结合研制板带层流冷却 仿真系统是十分经济可行的方法。 随着计算机技术以及仿真技术的迅猛发展，为板带层流冷却系统仿真提供了 成熟的技术条件。同时随着制造业技术水平的进步，用户对热轧带钢产品的性能 要求趋于多层次、高档化。传统的控制方法已经难以满足当前目新月异的市场要 求。由于仿真技术具有经济性、安全性的优点，它可以对多种模型( 无论是已有 的，还是新开发的) 进行反复研究实验，并可以进行超限度实验，考虑实际多方 面的影响因素，因此可以大大缩短研制的周期和费用，为新产品的开发提供手段 和工具，为新模型的建立提供理论依据，并为研究向应用技术转化提供一条新的 途径。 1 5 小结 本文以宝钢2 0 5 0 热轧板带层流冷却系统为研究背景，对板带层流冷却工艺进 行了介绍，针对实际应用中的问题，建立了层流冷却过程新的动态模型，提出基 于此模型的预设定模型以及卷取温度预测模型。同时对过程机系统程序进行了深 入研究，应用计算机仿真技术，将过程模型和控制方法相结合，研究开发扳带层 流冷却过程机仿真系统。 东北大学硕士学位论文 第二章层流冷却过程模型与控制方法 第二章层流冷却过程模型与控制方法 2 1 板带层流冷却过程的动态模型 2 1 1 板带层流冷却过程模型的理论基础 板带层流冷却区温降过程实质上就是板带表面与冷却介质之间及板带内部的 热传导过程。对于热传导问题，工程实际中更关心的是在导热系数为已知的前提 下如何定量地确定热传导过程中板带内部在任意时刻的温度场及热流量。众所周 知，f o u r i e r 定律作为热传导理论的本构方程描述了热流量和温度分布之间的关系。 由于热传导过程中的热量传递是一种能量传递物理现象，所以在传递过程中，在 转换规律和数量上就一定受能量守恒定律的制约。能量守恒定律在热量传递过程 中的体现为热力学第一定律。在此基础上引入f o u r i e r 定律，就一定能够得到热传 导板带内任意一点温度所满足的微分方程，它的解自然就给出了热传导板带中的 温度场。 图2 1 热传导微分方程式的推导 f i g 2 1h e a tf f a n s f e r e n c ed i f f e r e n t i a le q u a t i o nd e r i v a t i o n d f d n 由于热量传递只能沿着等温线的法线方向进行，在所取微元体的侧面上不可 能有热传导现象发生，因此在侧面上就不会有热流的进出。若将以上各量在直角 坐标系下进行分解，得瞬间温度场表达式为： t = t ( x ，y ，z ，r )( 2 1 ) 微元控制体为出，咖，出，如图2 2 所示。 从三个方向以热传导方式进入控制体的热流密度分别为q ，q y , q ：； 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却过程模型与控制方法 m 图2 2 直角坐标系下热传导微分方程式的推导 f i g 2 2r e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e md i f f e r e n t i a le q u a t i o nd e r i v a t i o n 从三个方向以热传导方式流出控制体的热流密度分别为： g 。女= q ，+ 由，( 2 2 a ) 窖，+ 西= q ，+ 由， ( 2 - 2 b ) q 。女= q ：+ d g ： ( 2 2 c ) 得到在单位时间内以热传导方式进入流出微元控制体各表面的热量分别为： q = 吼d y d z q 。= q y d z d x qz = q ：出由 q 。+ 女= 牙：+ a y d z q y + 咖= 口y + 咖d z d x q ：+ 女= g ：+ 女出咖 单位时间内以热传导方式进入和流出控制体的总热量为： r 。= 绞+ g + 鲮 ( 2 1 3 ) r 甜。= q ，+ 出+ q ，+ 卉+ q ：+ 出( 2 4 ) 当板带内由于某种原因( 如相变) 存在能量转换时，在微元控制体内就会有 产生热能的现象存在。若以垂表示单位体积的发热率，则单位时间内微元控制体 内的发热量为： r g = r a x a y 出 ( 2 5 ) 另外，在一般情况下控制体内总会出现能量的累积，导致其温度发生改变。 单位时间内能量变化量为： 疋= p e p 罢妣弛 ( 2 6 ) 当忽略热变形时即不计膨胀功时，应用热力学第一定律于控制体，其形式为： 盖m 晨。+ r g = ( 2 7 ) 1 0 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却过程模型与控制方法 将式( 2 3 ) 一( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 中，得到： 一( 由。西仡+ 由y d x d z + 砌：d x a y ) + q d x d y d z = p c p 等d r d y d z ( 2 8 ) 利用微积分计算得： 昙c丑豢，+熹ca争+鲁c丑婴，+垂=pcox0 2 ，等 c ： 盘卯w出口r 方程( 2 9 ) 就是直角坐标系中热传导微分方程的普遍形式，或者说是热力学第一定 律在热传导河题中的具体表达式。因此说，它的物理意义就是反映了热传导过程 中的能量守恒关系。 对于特殊的热传导问题，可以相应地得到式( 2 9 ) 的简化形式。如对于板带在层 流冷却区的运动过程，对于在二维热交换问题中，任意一个位置上的板带( 某个 厚度方向) ，在某个冷却区位置上物性参数为常数，内部为无热源，运动的板带在 冷却区内的热交换及热传导方程可以简化为： 学学- - - a 学研 、7 缸却“ 式( 2 1 0 ) 中，d = 2 ( p c 。) 被称为热扩散率或导温系数。它是介质的导热系数与其 热容量之比。导热系数反映的是介质传导热量的能力，热容量。指的是单位体积 的介质温度升高一度所需要的热量，也就是板带存储热量能力的大小。 计算得热传导方程： 里互! 苎! ! 生! ! ：甜曼：互! 兰! ( 生2 2 ( 2 1 l a ) 西( 七砂 初始条件： 瓦( y ，f ( d ) = 硭( y ) ( 2 1 l b ) 边界条件： 五堡业盟 o y 五望q ：盟2 o y 詈卜。 硅锄b ( l 咔们如) 叫哪川 ，。专砜i 以t + p 川幻) ( 2 l l c ) 因为板带进入层流冷却区域的温度r 一般在6 0 0 c - - 8 5 0 c 之间，而介质温度乙o l 。一般在2 0 。c 一4 0 。c ，即r l 。，所以边界条件可改写为： 东北大学硕士学位论文 第二章层流冷却过程模型与控制方法 ( y ，r ( | i ) ) 砂 a r k ( y ，f ( 七) ) 删 ，：2 一鲁r 如枷 ，：= 一孕丁( 知砌 ( 2 1 1 d ) a 瓦( y ，r ( k ) ) i，、 1 厂旧 ( 2 1 1 ) 式即为跟踪点的温度计算模型，该模型给出了板带任意一个跟踪点的厚 度方向的温度分布。 2 1 2 板带层流冷却系统数学模型的建立 随着计算机的计算能力和计算速度大幅度韵提高，对于模型的精度有了更高 的要求。对于板带层流冷却过程的简化一维数学模型，去除一些不必要的假设条 件，从空间上对任意一个断面重新建立起沿厚度方向的温度分布方程，再按时间 不同进行分段处理，从时间和空间上使原来的一维模型改进为更精确的二维模型。 建立板带层流冷却的过程仿真模型的目的在于：根据板带的入口输入条件及 控制参数的设定，预测板带在整个层流冷却区域内的温降过程。板带冷却过程中 温度场的变化可用( 2 1 1 ) 式的微分方程来描述，温度场在空间、时间上均呈非线性 变化。同时扳带的物性参数随温度变化而变化，伴随着组织转变使物性参数更 加复杂，而无法用数学分析方法求解导热微分方程。有限差分法是通过离散将一 个有限连续区域用一系列网线划分开，网线的交点称为节点。将连续分布的热容 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。同样将层冷过程 这样一个较长时间划分成较小的时间段，这样区域内的每一个节点在所划分的时 间段范围内，温度变化可以作为线性，物性可以作为常数处理，而使计算简化。 在对厚度方向采用中心差分，对时间采用向前和向后混合的c r a n k n i c o l s o n 差分法，将厚度分为n - l 等分，对“层冷热流方程”用一维不稳定态显式差分法 进行中心差分处理： 处理方式如下： 百a t = 口窘一r j + , - 乃= 警( r j , , - 2 r j 母。) 高利叶数：乃2 q 。云则t “一t2 乃( t “一2 t + 乃一- ) ( j 2 1 n ) 叫n + l 一形：型兰蔓婴婪堕丝拦型 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却过程模型与控制方法 边界条件处理 ：一粤帆一r o ) - r o l 一鱼竽吼一瓦) 毕屋准数： 成：鱼# 同理风：鱼竽 凡4 磊一乙= p o ( 乙一瓦) 一对= 厶坠翌垫等坠翌业 ：矗贮笪丝坠等盟型型型 ； 贮五塑迎型型进盟到 同理可得下表面边界温度，经过整理得有限元差分模型： l ( 2 + 五+ 五成) 胃“一 五”= ( 2 2 五一2 鼠) 胃+ 2 矗f + 4 属瓦( = 0 ) 一：f 端1 + ( 2 + 2 乃) 碍一乃z 肖1 = 乃聋。+ ( 2 2 ) 巧+ 乃臻( _ ，= 1 ，2 ，n 一1 ) i 一2 厶z 荔+ ( 2 + 2 丘+ 2 厶艮) 硪1 = 2 厶。+ ( 2 2 厶一2 厶& ) 瓒+ 4 ，风l ( j = m ) ( 2 1 2 ) 其中：为厚度方向节点；7 为时间节点： 它的矩阵形式为： 0000 000 0 2 - 2 凡一2 氏8 。2 f 。0 0 2 2 z 奄 l ：2 1 f t 1 0 o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 3 一 ，8 0 t 2 + 2 f n + 2 f m 8qkt n 0 r o o 9 正 o 5l i 一一 2 一f q f n 8 。k t 。 + 4 a 风瓦 0 o o 4 。b 0 ( 2 1 3 ) 瓦瓦t 0 。“蝴嗡嗡幔 风 饼。 n 一 疗疗 2 2 + 一 2 一 一 玑厅 一2 a 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却过程模型与控制方法 式中霹和四是层流冷却区入口处板带的上、下扳温。 板带任意一个跟踪点经过层流冷却区的任何位置的温度都可以由( 2 1 3 ) 确定。 该动态模型将一个集管的冷却区长度看作是一个冷却控制单元，板带在层流冷却 区内控制集管开闭的阀门是否打开决定了板带在此冷却段是与空气进行热交换， 还是与冷却水进行热交换的过程，也就决定了扳带在此冷却段上的温降量，所以 动态模型中的板带位置跟踪模型必须准确。在此基础上运用此动态模型，确定模 型参数之后，即可准确地描述层流冷却的动态过程。 2 1 3 板带层流冷却过程动态模型的应用 用层流冷却过程数学模型( 2 1 3 ) 作为仿真模型计算板带的卷取温度。由于板带 的实际终轧出口温度、速度和厚度沿板带长度方向也是不断变化和波动的。为了 减少影响，提高控制精度，对带钢卷取温度的控制采用了分段控制的方式，该系 统以1 秒为间隔对板带进行分段和采样。这样对整条板带控制的问题转化为对板 带各段的控制问题。以1 秒为时间间隔将板带分成n 段，由于每一段段头的数据 可以在入口测量小房e m p 处采集得到( 主要是段头速度、段头入口温度) ，这样 利用仿真模型就能预算出每一段的卷取温度，其计算过程如图所示。 7 - u _ o 加 囤2 3 温度计算流程图 f i g 2 3c a l c u l a t et e m p e r a t u r ef l o wp r o c e s sd i a g r a m - 1 4 - 东北大学硕士学位论文 第二章层流冷却过程模型与控制方法 根据层流冷却区的工艺布置，将主冷区前面的无喷水阀门空冷区作为一个独 立的冷却单元，精冷区后面的无喷水阀门空冷区也作为一个独立的冷却单元，主 冷区的第1 5 、1 6 喷水架的无喷水阀门空冷区域作为四个虚拟的冷却单元，这样板 带的段从冷却区入口e m p 到出口h m p 公经过8 2 个冷却单元，即主冷区前面的空 冷区，8 0 个由阀门控制的冷却单元，精冷区后面的空冷区，依次分别标以o 8 1 ， 则每一段的卷取温度计算过程如下： 取得段的有关入口数据后，根据控制算法得到本段的控制量( 即相应的主冷 区和精冷区的开阀个数) ，根据喷水方式确定各冷却单元的阀门开闭状态，从而决 定换热系数是采用水冷换热系数( z k 冷单元) 还是空冷换热系数( 空冷单元) 。图 2 _ 3 为板带某段( 也称某一跟踪点) 卷取温度的计算流程图，其中三是冷却单元序 号，n u m 化) 为当前段在第三冷却单元计算所需的迭代次数。设当前段经过该冷却 单元所用的时间为t i m e ( l ) ，迭代时间步长为乃则h u m ) 可用下式得到： n 棚( ：! 坐燮( 2 1 4 ) ? 经过对8 2 个冷却单元的迭代计算，就可计算出该段从e m p 到h m p 的温降， 得到段的卷取温度丁，( j = 0 m ) 。 2 2 板带层流冷却系统的控制方法 2 2 1 板带层流冷却系统控制模型简介 宝钢2 0 5 0 板带层流冷却控制系统除被控对象外，主要由以下三个主要部分组 成：冷却策略、卷取温度预测模型和前馈一反馈控制算法。 ( 1 ) 冷却策略 冷却策略是数据的准备、选择、确定的过程。冷却策略根据优先级收集提供 给冷却预计算的数据。为了能够利用板带实测入口条件( 如终轧温度、速度和板 厚) ，预测板带经过冷却区后的卷取温度，并通过它与目标卷取温度的比较对水冷 区的长度进行控制，需要引入一个卷取温度预测模型。 ( ，) = l 十( t l ) e x