环形加热炉加热过程优化控制

论文摘要

环形加热炉的主要任务是为轧制工序提供加热质量满足轧制工艺要求的合格钢坯，作为无缝钢管热轧生产线上的关键环节和高耗能设备，其控制水平直接影响到整个系统的钢管质量、产量和成本。环形加热炉是一个典型的复杂工业过程被控对象，外界扰动因素多，不能直接、准确地实时测量加热过程中钢坯的温度分布。传统的控制策略很难适应复杂多变的加热炉内的热工状况，只能依靠操作人员凭借经验设定各个炉段的炉温，以达到控制加热炉内钢坯温度的目的，控制精度低，能耗大。为提高加热炉的控制水平，各种优化控制方法相继出现，但所建立的模型需要做许多近似和假设，模型精度低，控制性能难以提高。为了克服存在的问题，本文提出了基于改进粒子群优化算法的环形加热炉优化控制方法，建立钢坯出炉温度模型，搜索炉温优化设定值，减小钢坯出炉温度偏差和断面温差，降低能耗。本文介绍了环形加热炉的构造、工艺流程特点和控制要求，归纳总结了加热炉的控制现状，分析了环形加热炉的过程控制系统，并针对存在的问题进行了以下几个方面的研究：第一，针对钢坯温度未知的问题，建立了基于RBF神经网络的钢坯出炉表面温度预测模型。仿真结果表明，模型误差小于20℃，满足工艺要求。第二，本文以钢坯出炉温度偏差和加热炉能耗最小构成优化目标函数，采用一种改进的粒子群优化算法搜索最佳稳态炉温设定值，解决炉温设定中的盲目性和随机性问题。该算法采用变异策略以改善由于种群退化导致的早熟收敛问题，提高搜索精度。第三，本文利用ANSYS有限元分析软件对钢坯温度场进行模拟计算，分析结果表明，运用改进粒子群优化算法，优化后能耗下降，断面温差减小，验证了优化的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 国内外加热炉优化控制的研究现状
• 1.2 国内外加热炉优化控制的应用现状
• 1.3 研究意义
• 2 环形加热炉概述
• 2.1 热轧生产过程简介
• 2.2 环形加热炉的构造及工艺流程介绍
• 2.2.1 环形加热炉的构造
• 2.2.2 工艺流程介绍
• 2.3 生产工艺及优化目标
• 2.3.1 环形加热炉加热钢坯的目的
• 2.3.2 加热钢坯时易产生的加热缺陷
• 2.3.3 环形加热炉的优化目标
• 2.4 环形加热炉控制系统介绍
• 2.4.1 各段炉温控制
• 2.4.2 动态双交叉限幅自动控制
• 2.4.3 炉压自动控制
• 2.4.4 热风压力自动控制
• 2.4.5 燃气压力自动控制和低压安全保护
• 2.4.6 换热器保护控制
• 2.4.7 环形炉循环冷却水检测控制
• 2.4.8 燃烧安全联锁和报警控制
• 2.4.9 出料口钢坯温度与炉膛氧含量检测
• 2.4.10 电气控制及管坯跟踪
• 3 基于 RBF 神经网络的钢坯表面温度预报模型
• 3.1 环形加热炉钢坯预报模型的研究意义及必要性
• 3.2 RBF 神经网络基本原理
• 3.2.1 RBF 神经网络结构
• 3.2.2 RBF 神经网络的输出
• 3.3 基于 RBF 网络的出炉管坯表面温度预报模型.
• 3.3.1 网络模型
• 3.3.2 网络输入输出的确定和数据的获取
• 3.3.3 输入输出数据的归一化与反归一化处理
• 3.3.4 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 4 炉温稳态优化设定
• 4.1 环形加热炉优化控制系统结构
• 4.2 钢坯不同加热方式的比较
• 4.3 炉温模型
• 4.4 优化目标函数的确定
• 4.5 基于改进粒子群优化算法的炉温稳态优化设定
• 4.5.1 基本粒子群算法
• 4.5.2 标准粒子群算法
• 4.5.3 改进粒子群优化算法
• 4.5.4 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 5 钢坯加热过程中的有限元分析
• 5.1 传热原理
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 热传导微分方程
• 5.2 ANSYS 软件简介
• 5.3 基于 ANSYS 软件的钢坯加热过程有限元分析
• 5.3.1 钢坯加热过程的问题描述和假设
• 5.3.2 单元类型和材料特性
• 5.3.3 几何模型
• 5.3.4 网格划分
• 5.3.5 定义载荷矩阵并施加载荷
• 5.3.6 模拟结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 出炉管坯表面温度预测模型数据及程序
• 附录 B 炉温稳态优化设定程序
• 在学研究成果
• 致谢