熱軋鋼帶層冷溫度建模第一頁，共32頁。熱軋帶鋼的工藝生產(chǎn)流程層流冷卻通過冷卻水使帶鋼溫度降低并保持在一定的范圍之內(nèi)，使得實(shí)際卷取溫度能否控制在生產(chǎn)允許的誤差范圍之內(nèi)第二頁，共32頁。層流冷卻背景熱軋帶鋼在經(jīng)歷過粗軋、精軋等軋制過程后的最終溫度為800~900℃熱軋帶鋼的卷取溫度一般必須控制在550~700℃帶鋼在軋線輥道上的運(yùn)行時(shí)間大概在10s左右想要在精軋末機(jī)架到卷取機(jī)之前如此短的時(shí)間內(nèi)使帶鋼溫度降低100~350℃，僅僅依靠帶鋼在輥道上的熱輻射以及帶鋼向輥道的熱傳導(dǎo)等自然冷卻所產(chǎn)生的溫降是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，輸送輥道上對(duì)帶鋼噴灑大量的冷卻水來迅速降低帶鋼溫度。第三頁，共32頁。在冷卻輥道上下布置兩排噴水架每個(gè)噴水架上各有幾組閥門控制的噴水管通過控制噴水管的開啟和關(guān)閉來控制帶鋼卷取溫度大量冷卻水與帶鋼表面接觸，產(chǎn)生一層類似于薄膜的物理形態(tài)，帶鋼將溫度傳遞給冷卻水以降溫在沿軋線方向上每隔一段距離設(shè)置一定數(shù)量的側(cè)噴噴嘴，將殘留在帶鋼表面上的水沖掉層流冷卻生產(chǎn)設(shè)備第四頁，共32頁。帶鋼出精軋機(jī)架的速度、加速度、厚度等物理參數(shù)都是由軋制過程決定的，冷卻水量密度也隨之確定因此，要控制帶鋼的卷取溫度，只能通過改變閥門開啟數(shù)目即改變冷卻區(qū)長度來實(shí)現(xiàn)。軋制過程的問題提煉第五頁，共32頁。預(yù)設(shè)定與自學(xué)習(xí)第六頁，共32頁。預(yù)設(shè)定部分首先在層流冷卻數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上根據(jù)熱軋精軋機(jī)傳送的輸入數(shù)據(jù),主要包括帶鋼出口溫度、速度、厚度等計(jì)算出要使帶鋼卷取溫度達(dá)到目標(biāo)值所需的噴水區(qū)長度控制變量是噴水區(qū)的長度被控制量是帶鋼溫度不可控輸入變量：帶鋼終軋出口溫度、速度和厚度等前饋控制普冷卻全部釆用前饋控制。根據(jù)帶鋼精軋機(jī)出口處得溫度計(jì)算層流流量,對(duì)層流前段預(yù)設(shè)定值進(jìn)行修改;中部溫度計(jì)用于對(duì)后段層流的前饋控制。計(jì)算過程是一個(gè)不斷進(jìn)行的周期計(jì)算根據(jù)精軋出口實(shí)際測(cè)量的帶鋼的溫度、速度和厚度利用與預(yù)設(shè)定計(jì)算相同的模型計(jì)算出相應(yīng)的集管開關(guān)數(shù)量對(duì)預(yù)設(shè)定計(jì)算得到的閥門開啟數(shù)量進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)按照樣本長度周期進(jìn)行。流冷卻控制系統(tǒng)分析第七頁，共32頁。反饋控制精冷區(qū)的主要作用就是根據(jù)實(shí)測(cè)帶鋼卷取溫度與帶鋼目標(biāo)卷取溫度的誤差來反饋調(diào)節(jié)精冷區(qū)的冷卻段數(shù),也就是調(diào)節(jié)閥門的開閉情況,從而控制冷卻水的流量,達(dá)到對(duì)帶鋼卷取溫度進(jìn)行微調(diào)的目的層流冷卻反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的大滯后系統(tǒng)。PID+Smith預(yù)估器控制器，對(duì)滯后系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償流冷卻控制系統(tǒng)分析（cont’d）第八頁，共32頁。前饋控制

采用普冷區(qū)主冷的控制策略時(shí)當(dāng)精軋出口溫度：實(shí)測(cè)高于預(yù)測(cè)沿軋制方向逐個(gè)增加噴水閥門開啟數(shù)目,直到帶鋼的溫將達(dá)到工藝要求時(shí)為止。當(dāng)?shù)陀谘嘏c軋制方向相反的方向逐個(gè)減少噴水閥門開啟數(shù)采用精冷區(qū)主冷的冷卻策略時(shí)當(dāng)實(shí)測(cè)高于預(yù)測(cè)沿與軋制方向相反的方向逐個(gè)增加當(dāng)?shù)陀谘剀堉品较蛳蚝笾饌€(gè)減少噴水閥門開啟數(shù)目第九頁，共32頁。層流冷卻生產(chǎn)線設(shè)備每個(gè)噴水架上有6個(gè)噴水管，上下對(duì)稱各有12+3=15個(gè)噴水架。前12個(gè)噴水架上每2個(gè)噴水管各由一個(gè)閥門所控制，粗調(diào)閥；后3個(gè)噴水架上每個(gè)噴水管由一個(gè)閥門所控制，精調(diào)閥層流冷卻區(qū)入口，測(cè)量帶鋼入口的溫度、速度和厚度在層流冷卻區(qū)出口（HMP處）、卷取之前，測(cè)量帶鋼的實(shí)際卷取溫度第十頁，共32頁。層流冷卻所控區(qū)域內(nèi)

檢測(cè)元件紅外測(cè)溫儀3臺(tái)紅外測(cè)溫儀,分別安裝在精軋機(jī)末架出口、層流冷卻中部和1#卷取機(jī)之前以便預(yù)測(cè)模型計(jì)算冷卻所需水量,集管的開啟個(gè)數(shù)及順序因受冷卻過程中高溫水汽的影響,冷卻區(qū)中難以逐點(diǎn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的熱軋帶鋼溫度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)熱金屬檢測(cè)器在精乳機(jī)末架出口和1#卷取機(jī)之前用于識(shí)別熱金屬運(yùn)動(dòng)的前沿與方向集管水流量計(jì)、供水總管流量計(jì)在第n個(gè)粗調(diào)上下集管和第m個(gè)精調(diào)上下集管上各安裝1臺(tái)流量計(jì),供水總管上安裝1臺(tái)流量計(jì),共計(jì)5臺(tái)用于流量監(jiān)視和控冷過程控制第十一頁，共32頁。層流冷卻PLC配置根據(jù)帶鋼在輸出輯道的位置、控冷設(shè)備所處的狀態(tài)和工藝要求,給出相應(yīng)的控制指令。主要功能:對(duì)現(xiàn)場(包括操作臺(tái))的開關(guān)、按鈕根據(jù)要求做出高/低電平有效的轉(zhuǎn)換處理對(duì)現(xiàn)場的模擬輸入信號(hào),包括終乳溫度、卷取溫度、控冷段中溫度、機(jī)旁高位水箱水位和水溫、粗調(diào)和精調(diào)上下集管的流量、集管總流量,采用工程上的加權(quán)濾波法進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)熱乳精乳數(shù)據(jù)與乳后層流冷卻數(shù)據(jù)的傳輸輸入信號(hào)的量綱轉(zhuǎn)換和標(biāo)定第十二頁，共32頁。層流冷卻控制的難點(diǎn)影響層流冷卻卷取溫度的要素很多帶鋼的物理特性、厚度、速度、溫度閥門開啟狀態(tài)、冷卻水流量不同物質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射等生產(chǎn)線本身的生產(chǎn)設(shè)備的磨損情況

采用加速軋制技術(shù)，帶鋼的運(yùn)動(dòng)速度是不斷發(fā)生變化軋制方向上帶鋼的每一點(diǎn)通過層流冷卻裝置的時(shí)間不相同存在著一定的時(shí)間滯后帶鋼長度方向上某點(diǎn)經(jīng)過卷取之前的測(cè)溫儀時(shí)測(cè)量到的溫度控制集管閥門的開啟以及冷卻水從集管出口落到帶鋼表面第十三頁，共32頁。傳統(tǒng)層冷系統(tǒng)控制流程往復(fù)調(diào)節(jié)使得帶鋼的實(shí)際卷取溫度在設(shè)定的范圍之內(nèi)對(duì)帶鋼卷取溫度進(jìn)行設(shè)定通過設(shè)定溫度來計(jì)算出閥門的開啟狀態(tài)及開啟數(shù)目根據(jù)測(cè)溫儀測(cè)量到的帶鋼實(shí)際卷取溫度，與設(shè)定溫度對(duì)比根據(jù)偏差值來調(diào)節(jié)精冷區(qū)閥門的開啟狀態(tài)及數(shù)目這樣的調(diào)節(jié)最大的缺點(diǎn)在于前饋的不確定性及反饋的滯后性。前饋的不確定性：帶鋼的變速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過層冷區(qū)的時(shí)間是不同造成了溫度差異。反饋的滯后性：測(cè)量溫度與設(shè)定溫度比較之后對(duì)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響冷卻水量。然而作用到帶鋼的這一點(diǎn)，相對(duì)于產(chǎn)生調(diào)節(jié)的那一點(diǎn)已經(jīng)存在之后第十四頁，共32頁。國內(nèi)鋼廠的層流數(shù)學(xué)模型意大利ANSALDO公司美國GE公司——東北大學(xué)、天津大學(xué)新日鐵公司德國西門子公司日本三菱公司第十五頁，共32頁。熱模型---解析解第十六頁，共32頁。熱模型---解析解（cont’d）分析解只適用于幾何條件簡單及常物性的物體。當(dāng)帶鋼的形狀復(fù)雜、物理?xiàng)l件隨時(shí)間和溫度變化而變化時(shí)，分析解將不再適用采用數(shù)值解來求解，分析解可用來驗(yàn)證數(shù)值解的結(jié)果是否正確。第十七頁，共32頁。熱模型---數(shù)值解具有不規(guī)則幾何形狀或復(fù)雜邊界條件的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題數(shù)值解法：基本思路用導(dǎo)熱問題所涉及到的空間和時(shí)間上內(nèi)的離散點(diǎn)的溫度近似值來代替物體內(nèi)部連續(xù)的溫度分布將求解連續(xù)的溫度分布問題轉(zhuǎn)化為求解各節(jié)點(diǎn)溫度值的問題將導(dǎo)熱微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為求解節(jié)點(diǎn)代數(shù)方程的問題。主要內(nèi)容求解區(qū)域的離散化處理節(jié)點(diǎn)溫度代數(shù)方程組的建立和求解第十八頁，共32頁。層冷過程傳熱機(jī)理之：

有限元模型有限元方法研究了熱軋帶鋼層流冷卻過程的傳熱機(jī)理，建立了熱軋帶鋼層流冷卻瞬態(tài)溫度場模型。有限元法的求解過程是將研究對(duì)象的求解區(qū)域離散化為一組有限個(gè)組合體，并且這些組合體是按照一定方式相互連接的。鋼板劃分為若干小單元，單元本身具有不同形狀利用線性插值和單元間的關(guān)系，可按照不同的方式進(jìn)行組合將單元的方程有序地組成整個(gè)系統(tǒng)的方程，可以離散得出具有不同幾何圖形的小的求解區(qū)域第十九頁，共32頁。溫控模型——東北大學(xué)第二十頁，共32頁。層流冷卻過程的

有限差分模型認(rèn)為溫度在長度方向上無熱傳導(dǎo)，也即agent之間動(dòng)態(tài)是獨(dú)立的第二十一頁，共32頁。層流冷卻過程的

有限差分模型（時(shí)刻）第二十二頁，共32頁。層流冷卻過程的

有限差分模型---邊界條件第二十三頁，共32頁。有限差分方程的穩(wěn)定性條件第二十四頁，共32頁。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果帶鋼終軋溫度（精軋后）為890℃空氣溫度為15℃，水溫為35℃。帶鋼長度為707.6m（將帶鋼在長度方向上根據(jù)集管長度進(jìn)行分段，每段長約5.6m）第二十五頁，共32頁。層冷過程控制現(xiàn)狀針對(duì)于該熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)探索其應(yīng)該采取的控制方式及控制策略，確定了前饋控制為主，反饋控制為輔，同時(shí)在生產(chǎn)過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。針對(duì)于熱軋廠的層流冷卻系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究，可以很方便的得出帶鋼的帶鋼卷曲溫度曲線（表面溫度、中心溫度、平均溫度）。目前的層流冷卻控制方法主要有基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒呗员砀竦拈_環(huán)設(shè)定控制、基于模型的開環(huán)控制、基于預(yù)設(shè)定與線性補(bǔ)償模型相結(jié)合的控制、基于智能技術(shù)的控制等。第二十六頁，共32頁?；A(chǔ)知識(shí)1——

模糊PID控制參數(shù)整定將模糊理論應(yīng)用于PID三個(gè)參數(shù)(Kp、Ki、Kd)的整定中去,將模糊理論與PID控制結(jié)合起來,構(gòu)成一個(gè)模糊PID控制器以系統(tǒng)誤差和誤差變化率作為輸入語句變量模糊控制以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ),并且在行為上模仿人的模糊推理和決策過程將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入,來完成模糊推理并將推理后的輸出量加到執(zhí)行器上第二十七頁，共32頁?；A(chǔ)知識(shí)1——

模糊PID控制參數(shù)整定（cont’D）將模糊理論應(yīng)用于PID三個(gè)參數(shù)(Kp、Ki、Kd)的整定中去,將模糊理論與PID控制結(jié)合起來,構(gòu)成一個(gè)模糊PID控制器以系統(tǒng)誤差和誤差變化率作為輸入語句變量模糊PID控制把規(guī)則的條件、操作作用模糊集表示把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫,再有計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算來完成對(duì)PID參數(shù)的在線在整定設(shè)e和ec以及PID控制器的三個(gè)參數(shù)都服從正態(tài)分布,可以得出各模糊子集的隸屬度根據(jù)各子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型,應(yīng)該模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表查出修正參數(shù)代入式計(jì)算KpKiKd.第二十八頁，共32頁?；A(chǔ)知識(shí)2——

滑模變結(jié)構(gòu)控制帶有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制，使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”具有隨時(shí)變化的開關(guān)特性這種特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)——“滑?！边\(yùn)動(dòng)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)響應(yīng)速度快、對(duì)參數(shù)變化及外界擾動(dòng)不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)、設(shè)計(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)處理不確定非線性和時(shí)滯問題缺點(diǎn)在于當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到滑動(dòng)模面之后,難于嚴(yán)格地沿著滑動(dòng)模面向平衡點(diǎn)滑動(dòng),而是在滑動(dòng)模面的兩側(cè)來回穿越并產(chǎn)生抖振起始點(diǎn)A：s=0附近向切換面兩邊離開通常點(diǎn)B：s=0附近時(shí)穿越此點(diǎn)而過終止點(diǎn)C：s=0附近時(shí)從切換面兩邊趨于該點(diǎn)——附近的點(diǎn)都被吸引在區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)s(x)=0上所有點(diǎn)都是終止點(diǎn)的區(qū)域?yàn)榛瑒?dòng)模態(tài)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)為滑膜運(yùn)動(dòng)s2導(dǎo)數(shù)是負(fù)定。李雅普諾夫函數(shù)第二十九頁，共32頁。熱軋帶鋼層流冷卻

過程建模方法研究現(xiàn)狀基于經(jīng)驗(yàn)的代數(shù)公式和簡化微分形式的溫度模型：通過實(shí)驗(yàn)建立熱平衡狀態(tài)下的帶鋼冷卻結(jié)束后的卷取溫度與冷卻水量之間的經(jīng)驗(yàn)公式,具體表達(dá)形式是帶鋼溫降和噴水集管控制閥門開啟總數(shù)之間的簡單代數(shù)公式簡化微分形式的溫度模型與誤差補(bǔ)償模型相結(jié)合的溫度模型增加了一個(gè)層流冷卻過程模型偏差的補(bǔ)償模型,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的補(bǔ)償模型結(jié)構(gòu),以產(chǎn)品規(guī)格為輸入,層流冷卻過程模型的補(bǔ)償偏差為網(wǎng)絡(luò)輸出,從而起到補(bǔ)償冷卻過程模型偏差的作用基于熱傳導(dǎo)機(jī)理的考慮厚度方向上溫度梯度的動(dòng)態(tài)溫度模型根據(jù)熱力學(xué)第一定律和Fourier定律,利用有限差分工具,建立在厚度