大型热连轧层流冷却过程控制系统的设计与实现

论文摘要

层流冷却控制系统是热轧过程控制系统的重要组成部分,其核心作用是通过控制层流冷却喷水阀门开启模式、开启状态或者流量,将轧后带钢从某一终轧温度冷却到预定的卷取目标温度。因为卷取温度对带钢的机械性能影响很大,因此为生产合格的带钢产品,必须将其卷取温度控制在一定的温度公差范围内。但是由于热轧层流冷却是一个时变、非线性、大滞后的复杂过程,其精确控制具有相当大的难度,一些问题还待进一步研究。本文首先介绍了层流冷却控制的基本原理、应用比较广泛的传统换热模型以及目前流行的差分温度换热模型,然后结合宝钢某新建热轧产线的设计及开发实践,比较详尽地阐述了层流冷却过程控制系统的设计与实现的方法。本文主要工作如下：1)在冷却控制策略上,采用了钢种及厚度层别、温度层别细化组合的模式,可以根据来料PDI信息及精轧计算数据确定不同的冷却方式、喷水模式、起始阀门及遗传系数等关键策略数据,实现精细化冷却策略；2)在预设定及动态控制环节,为解决传统温度模型不能反映带钢厚度方向温度分布的问题,全面采用了基于差分方程的温度模型；3)在冷却水计算方面,设计并实现了基于感度的水量快速迭代计算方法,解决了带钢快速运动过程中复杂温度分布计算与不超过100ms的允许计算周期之间的矛盾；4)在反馈控制中,鉴于层流冷却大滞后的特点,采用了史密斯预估+模糊PI的方法,既避免了常规史密斯预估对系统精确建模的要求,也避免了常规PI控制容易超调的问题。生产实践表明,宝钢自主开发的热轧层流冷却过程控制系统具有良好的稳定性和较高的控制精度,卷取温度±20℃控制精度一直稳定在98.5%以上,满足了宝钢热轧大生产的要求,对同类热轧产线的改造及建设也具有积极的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 我国热轧层流冷却控制技术的发展及应用
• 1.3 宝钢热轧层流冷却技术发展状况
• 1.3.1 宝钢2050热轧层流冷却系统
• 1.3.2 宝钢1580热轧层流冷却系统
• 1.3.3 宝钢1880热轧层流冷却系统
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 层冷控制基本原理及换热模型分析
• 2.1 层流冷却控制基本原理
• 2.2 层流冷却关键换热模型
• 2.2.1 辐射换热模型
• 2.2.2 对流换热模型
• 2.2.3 传导传热模型
• 2.2.4 相变潜热模型
• 2.3 离散化的层流冷却换热模型
• 2.3.1 差分模型基本原理
• 2.3.2 水冷及常规空冷换热差分方程
• 2.3.3 带相变的中间空冷换热差分方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 层流冷却过程控制系统设计
• 3.1 控制系统基本构成
• 3.1.1 冷却策略
• 3.1.2 预设定及前馈控制
• 3.1.3 卷取温度反馈控制
• 3.1.4 自适应
• 3.2 控制系统设计
• 3.2.1 层别数据的划分
• 3.2.2 确定冷却策略的方法
• 3.2.3 预设定及前馈控制水量计算方法
• 3.2.4 基于Smith预估与模糊PI控制的反馈控制方法
• 3.2.5 自适应方法
• 3.3 本章小结
• 第4章 层流冷却控制模型的实现及在线应用
• 4.1 系统设备概况
• 4.2 控制系统主要功能
• 4.3 控制系统运行环境
• 4.3.1 系统硬件环境
• 4.3.2 系统软件环境
• 4.4 过程控制系统功能实现
• 4.4.1 冷却策略的确定
• 4.4.2 预设定及前馈控制
• 4.4.3 模糊自整定PI+史密斯预估的反馈控制
• 4.4.4 模型自学习
• 4.4.5 人机界面
• 4.5 在线应用效果
• 4.5.1 模型整体控制精度较高
• 4.5.2 模型迭代速率较高
• 4.5.3 温度分布能清晰显示
• 4.5.4 卷取温度控制比较稳定
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢