层流冷却的策略和控制模型毕业设计论文(编辑修改稿)

层流冷却的策略和控制模型毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

3 早期，对层流冷却控制系统的技术改造主要集中在工艺设备的改进方面。 九十年代以后，尤其是近几年来， 国内外对层流冷却的研究主要包括两个方面：一是通过对冷却过程的研究建立精确的导热数学模型；二是针对层流冷却控冷过程的特点对控制策略进行研究。 具体内容如下： （ 1）数学模型的研究。 以往的层流冷却温度场数学模型往往是实际冷却过程的简化形式，这样可大大减少计算时间，容易实现，但同时可能对冷却效果带来不利的影响。 例如： 应用于攀钢的意大利 ANSALDO INDUSTRIA公司开发的数学模型比较简单，但对流换热系数的确定不够精确 [5]； 应用于鞍钢热轧厂、本钢 1700热轧厂的由德国 SIMENS公司开发的数学模型没有考虑带钢与环境的热辐射，也没有考虑水温、带钢运行速度、终轧温度对模型参数的影响，而且模型中的时间常数描述的是带钢表面温度，对厚规格带钢的控制效果不理想，模型精度受到了限制 [6]；应用于宝钢 1580mm热轧厂的由日本三菱电器开发的数学模型，对各种对流换热因素考虑的较为全面，是一种较先进的层流冷却控制模型，但还需要对许多参数进行回归，按照厚度层别等 做出一系列控制表 [7]。 （ 2）控制策略的研究。 根据层流冷却控制的工艺特点，目前控冷的方式基本采用预设定计算、前馈控制、反馈控制和模型参数自适应等几个策略，并且采用动态控制的方法，将带钢在延长度方向上进行分段（称作带钢段），同时将冷却辊道划分为若干冷却段，每个冷却段由若干冷却阀组成，然后动态跟踪每一个带钢段，即确定带钢段到达某个冷却段的时刻以及经过的时间，以便在前馈和反馈时确定应调节的水阀数目。 当带钢和冷却辊道分段越细，带钢长度方向上的冷却控制越均匀，控制精度越高，但控制也将越复杂。 随着计算机科学的迅猛发 展，带钢热连轧技术已经成为多学科结合的应用技术。 尤其是近几年，由 SMS公司设计制造的紧凑型热带生产线（ CSP）被国内大量引进。 国内钢铁企业纷纷与高校和知名冶金科研机构合作，消化引进技术，优化系统结构，以提高控制精度。 例如：唐山钢铁公司从理论和工艺的角度分析了控冷过程中换层别后自适应能力差、尾部温差大以及低目标卷取温度精度低等问题产生的原因，提出了虚拟检测水温、反推速减点、细化层别等对应的优化策略。 另外，智能控制理论的发展，为描述与控制不确定、非线性的复杂过程提供了理论基础，也使得智能控制在层流冷却中得到了 越来越广泛的应用。 其中，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心提出的遗传神经网络的方法，将遗传算法的能够收敛到全局最优解和鲁棒性强的优点与神经网络结合起来，并运用实际生产数据对该网络进行训练和测试，离线实现了卷取温度高精度的实时预报，并得到了在线应用。 章节安排 本课题以北京科技大学高效轧制国家工程研究中心承接的国内某大型钢铁集团的带钢热连轧生产线二级系统改造项目为背景，介绍了层流冷却技术的研究安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 4 现状，分析了层流冷却系统设备布置和控制结构，重点研究了层流冷却系统中所用到的控制模型和控制策略。 并根据这些理论，绘制 了层流冷却的控制画面。 实践证明这些控制策略和控制模型是有效的、实用的。 第一章主要介绍了本文的研究背景和意义，对比了几种冷却方式，并从 数学模型 和 控制策略方面 对层流冷却系统的研究现状进行了概述。 第二章给出了层流冷却系统的设备布置图 和实物图 ，对层流冷却系统的基本结构以及各个结构之间的相互协调关系进行了介绍。 第三章对层流冷却系统的控制模型进行了研究，控制模型主要包括温降模型、卷取温度预报模型、预设定模型、前馈控制模型、反馈控制模型和自学习模型以及数据库模型。 着重分析了改进后的卷取温度预报模型。 第四章对层流冷 却系统的控制策略进行了研究，控制策略主要包括冷却策略、带钢分段控制、冷却区分段控制、冷却速度控制、侧喷和吹扫控制和上下集管水比配置。 第五章给出改进的控制模型取得的实验效果，并展示了设计和绘制的 HMI画面。 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 5 1现场 I/O 柜 2现场 I/O 柜 轧制方向 高温计T1 侧喷 高温计T2 侧喷 粗调第 1 组 手动阀 精调第 6 组 气动阀 F7 14090mm 59400mm 操作台及 HMI 流量计 卷取机 冷却水分配装置 2 层流冷却系统简介 层流冷却系统设备布置 本文中的 带钢热连轧生产线的层流冷却系统由上、下冷却系统和侧喷吹扫 系统三部分组成。 上部和下部冷却系统各分成 60个冷却控制段，每 4个控制段为一组， 一共 15组， 前 9组用于粗调，后 6组用于精调。 每个冷却控制段 由一个阀 门 进行冷却水的开关控制。 上部的每个控制段有两根常规 U 型层流集管，每根集管上设有多个鹅颈喷水管；下部的每个控制段有 4根带一定喷射角的直喷集管，每根集管上有 11或 12个喷嘴。 也就是说，上部冷却系统由 120根集管构成，下部冷却系统由 240根集管构成。 侧喷吹扫 系统分布在输出辊道的两侧，而且交叉分布，共有 9个侧喷嘴，其中有 2个为高压气喷，以吹散雾气，防止对轧线控制仪表的干扰。 层流冷却的长度约为 60m，冷却宽度为 1700mm。 系统同时配置了多种调节阀门和检测仪表 ,包括手动调节阀、气动截止阀、电磁流量计、热金 属检测器、激光检测器、高温计、水温计、压力计、液位计等 ,用于系统的信号检测、带钢跟踪及自动控制。 层流冷却系统设备布置 原理图 如图 21所示 ，设备布置的实物图 如图 22所示： 图 21 层流冷却系统设备布置 原理图 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 6 图 22 层流冷却系统设备布置 实物图 层流冷却系统的基本结构 层流冷却系统由机械系统和控制系统组成。 机械系统包括供水系统、水处理系统、水量分配系统、层流系统、侧喷和前后吹扫系统。 控制系统包括过程自动化控制 L2级、基础自动化控制 L1级。 层流冷却的策略和控制模型属于过程自动化控制 L2级的范畴。 在控制过程中，过程自动化控制 L2级对整个冷却过程进行跟踪、控制、参数计算和设定。 其中设定过程，主要根据 PDI的目标参数、终轧参数、HMI参数和设备参数为层冷区的各种生产设备提供设定值或设定方式，并以工艺规定的时序将设定结果传送给基础自动化控制 L1级。 L1级根据 L2级的设定值和带钢跟踪信息进行集管开闭操作，并为 L2级 提供测量信号。 当第一台精轧机 F1咬钢时， L1级给 L2级发送事件信号，启动层流冷却控制系统的 L2级作预设定， L2级预设定完成后，将设定结果下达给 L1级， L1级进行带钢的头部跟踪。 当判断带 钢进入层流冷却区时，考虑阀门的开启延时，提前打开阀门，在整个带钢的头部通过层冷区时，会依次按照预设定的结果开阀。 同时，L2级启动动态修正，修正由于终轧速度、终轧温度和终轧厚度对开阀数的影响，动态修正计算是控制系统的前馈控制；当有带钢段出层流区的高温计时， L2级会进行带钢段之间的自适应，对模型计算进行修正，带钢段之间的自适应是控制系统的反馈控制。 当 L1级的尾部跟踪程序跟踪到带钢的尾部进入层冷区时，会依次关闭阀门；当尾部离开层流区时， L2级启动带钢之间的自学习。 这样，整个层流冷却系统就形成了一个前馈控制和闭环 控制相结合的控制系统，从而保证了控制系统的精度。 层流冷却的控制结构 图 如图 23所示，基础自动化 L1级控制器图如图 24，过程自动化 L2级服务器图如图 25所示： 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 7 图 23 层流冷却的控制结构 图 图 24 基础自动化控制 L1级控制器图 阀门开闭延时处理 测量值处理 带钢 段跟踪 动态设定 头尾跟踪 预设定 冷却模型 FT h Qw、 Tw 精轧设定数据 PDI、工艺参数 自适应 测量值处 理 带钢 段跟踪 Qw、 Tw CT 闭环控制 前馈控制 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 8 图 25 过程自动化控制 L2级服务器图 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 9 本章小结 本章 首先 介绍了 层流冷却 系统的设备布置 ， 并给出了设备布置 的原理 图 和实物图 ；然后对层流冷却系统的基本结构以及各个结构之间的相互协调关系进行了描述 ，并给出了层流冷却控制结构图、基础自动化控制 L1级控制器图和过程自动化控制级 L2服务器图。 通过本章的介绍和描述，对层流冷却系统有了整体上的认识。 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 10 3 层流冷却的控制模型 层流冷却系统控制模型 主要包括温降模型、卷取温度预报模型、预设定模型、前馈控制模型、反馈控制模型、自学习模型和数据库模型。 温降模型 从带钢离开精轧末机架到达卷取测温计 CT，带钢依次处于空冷区、水 冷区和空冷区。 层流冷却温降模型的计算精度直接影响到卷取温度的控制精度，主要包括空冷区 温降模型和水冷区温降模型。 空冷区温降模型 在空冷区， 高温辐射热量远远超过空气对流热量， 带钢主要以辐射的形式散热， 因此，可以只考虑辐射热量损失，而把其他影响都包括在根据实测数据确定的辐射系数 ε 中。 另外，空冷区的长度一般都较短，在整个过程中可以用同一个温度 T 来计算。 空冷区 的 辐射 温降 ΔTf 可以按下列公式计算 ： 42 27 3()100f TT Ch      () 式中 ΔTf — 空冷区温降， ℃ ； Δτ — 轧件移动时的温 降时间， Δτ = ΔL/v， s； ΔL — 轧件移动的距离， m； v — 轧件移动的速度， m/s； ε — 轧件的热辐射系数； δ — 斯蒂芬 玻尔兹曼常数， 108W/() ； C — 比热容， J/( )； γ — 密度， kg/m3； h — 轧件的厚度， m； 水冷区温降模型 带钢的层流冷却属于低压喷水冷却，带钢通过层流水时的换热是一种强迫对流形式，主要是以对流的形式散热。 水冷区的对流温降 ΔTd 可以按下列公式计算： 00 2[ ( ) e xp ( ) ]d W W LT T T T T C      () 安徽工业大学 毕业设计（论文）报告纸 11 式中 ΔTd — 层流冷却温降， ℃ ； To — 带钢进入水冷区的温度， ℃ ； TW — 层流冷却水的温度 ， ℃ ； α — 对流换热系数； L — 水冷段长度， m； C — 比热容， J/( )； γ — 密度， kg/m3； 上述计算中的关键参数 是对流换热系数 α 值。 它与冷却水的温度、水量、带钢的温度、带钢的运行速度、带钢的尺寸等一系列因 素有关 [8]。 为了使理论计算更接近于生产实际，必须对输出辊道上的冷却情况进行大量的统计，以便确定对流换热系数 α 的变化规律。 因此对流换 热系数一般是理论公式和实测统计相结 合的综合统计模型。 一般采用下列 回归公式计算： 201aa a Q T  () 式中 T — 带钢表面温度， ℃ ； Q — 水流密度； a0、 a a2 — 回归系数。 卷取温度预报模型 在层流冷却系 统数学模型中，卷取温度预报模型是基础模型，也是其他控制模型的关键与核心，其精度直接关系到整个冷却控制系统的温度控制效果及产品性能。 传统卷取温度预报模型 传统卷取温度预报模型根据热传导的原理，在得到精轧传送过来的带钢基本参数 （材质、厚度、温度、速度和目标卷取温度等）和轧制基本参数后，利用温降模型及集管开启组合状态，进行卷取温度预测。 带钢表面。