專利名稱：熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金自動化過程控制領(lǐng)域，涉及一種新的鋼坯熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法。
背景技術(shù)：
加熱爐和軋制機(jī)組是鋼坯熱軋生產(chǎn)過程重要的生產(chǎn)設(shè)備，也是熱軋過程主要的耗能設(shè)備。加熱爐向軋制機(jī)組提供滿足軋制工藝要求的溫度分布的鋼坯，軋制機(jī)組根據(jù)客戶要求和軋制工藝要求將鋼坯軋成高質(zhì)量的軋制成品。軋制機(jī)組的軋制能耗取決于鋼坯的加熱質(zhì)量，如果鋼坯加熱質(zhì)量不能滿足軋制工藝要求，最嚴(yán)重地，能夠?qū)е萝堉茩C(jī)組斷輥事故的發(fā)生。因此，鋼坯的加熱質(zhì)量是影響鋼坯熱軋過程能耗水平的關(guān)鍵因素。
目前對鋼坯加熱過程控制技術(shù)的研究中，加熱爐和軋制機(jī)組基本上是各自獨(dú)立控制的。為降低加熱能耗，加熱生產(chǎn)工序應(yīng)在提供滿足軋制工藝要求的被加熱鋼坯的前提下盡可能降低鋼坯的加熱溫度，并使被加熱鋼坯沿最佳溫升曲線達(dá)到目標(biāo)出爐溫度，同時實(shí)現(xiàn)鋼坯氧化燒損最小。軋制機(jī)組接受來自加熱爐的鋼坯并根據(jù)軋制工藝要求對鋼坯進(jìn)行軋制時，自身也有降低軋制能耗的要求。加熱生產(chǎn)工序和軋制生產(chǎn)工序在各自節(jié)能降耗生產(chǎn)目標(biāo)上存在固有矛盾當(dāng)鋼坯出爐溫度較高時，軋制生產(chǎn)過程能夠順利進(jìn)行，而且軋制生產(chǎn)能耗也會降低，但加熱能耗上升；當(dāng)鋼坯出爐溫度較低時，加熱能耗會降低，但軋制能耗會隨之上升，且易發(fā)生斷輥、燒壞電機(jī)等生產(chǎn)事故。目前，加熱工序中對軋制生產(chǎn)過程中的鋼坯溫度、軋機(jī)負(fù)荷變化等生產(chǎn)信息的兼顧，都是靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)通過人工方式完成的，加熱爐和軋制機(jī)組在生產(chǎn)信息的交換上沒有實(shí)現(xiàn)有效共享，不但降低了生產(chǎn)效率，更大大增加了熱軋生產(chǎn)的能耗和生產(chǎn)事故的發(fā)生，對該問題，目前還沒有很好的解決方案。此外，由于受軋制過程中環(huán)境因素的影響，鋼坯溫度分布也不可避免地存在波動，如果加熱爐不能實(shí)時地根據(jù)鋼坯的加熱狀況和軋制狀況動態(tài)調(diào)整鋼坯的加熱生產(chǎn)，不能利用鋼坯軋制生產(chǎn)信息對加熱過程進(jìn)行反饋控制，就不能從根本上解決熱軋生產(chǎn)能耗較高的問題。
對于加熱爐爐溫的控制，學(xué)者們提出了很多控制方法，其中張立志等設(shè)計了一種用多層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的模糊控制器，通過模糊控制器對爐溫進(jìn)行實(shí)時跟蹤(張立志，王玲，高希彥.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在加熱爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.大連理工大學(xué)學(xué)報，1996，36(5)616-619)。柴天佑等提出了一種爐溫優(yōu)化設(shè)定模型，對爐溫和鋼坯溫度進(jìn)行了預(yù)報，同時通過前饋環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)動態(tài)地調(diào)整加熱爐的爐溫(柴天佑，王中杰，張莉.加熱爐的爐溫優(yōu)化設(shè)定模型.自動化學(xué)報，2000，26(4)537-541)。榮莉等論述了智能控制在加熱爐溫度控制中的應(yīng)用，并介紹了應(yīng)用于爐溫控制的智能PID控制器(榮莉，柴天佑，錢曉龍.加熱爐過程控制技術(shù)的新策略—智能控制.控制與決策，2000，15(3)269-273)。李朝祥等根據(jù)加熱爐傳熱機(jī)理建立了加熱爐在線控制的最佳Q-P供熱模型，解決了生產(chǎn)條件多變的加熱爐溫度控制問題(李朝祥，楊宗山.中板廠軋鋼加熱爐計算機(jī)在線最優(yōu)供熱控制模型的應(yīng)用研究.鋼鐵，1995，30(10)65-70)。王中杰等采用最小二乘法建立了加熱爐氧閉環(huán)控制器模型，利用神經(jīng)元PID控制器對氧濃度偏差進(jìn)行調(diào)解，達(dá)到了降低加熱爐加熱能耗的目的(王中杰，柴天佑，邵誠.加熱爐氧閉環(huán)控制策略的研究.鋼鐵，1999，34(7)54-57)。柴天佑等在一篇綜述中歸納和總結(jié)了加熱爐燃燒控制的方法以及爐溫優(yōu)化設(shè)定的方法(柴天佑，王中杰，王偉.加熱爐控制技術(shù)的回顧與展望.冶金自動化，1998(5)1-4，28)。王中杰等針對現(xiàn)有加熱爐鋼溫預(yù)報模型存在的缺陷，用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了加熱爐鋼溫預(yù)報模型，較好地反應(yīng)了鋼坯的實(shí)際溫度(王中杰，柴天佑，邵誠.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加熱爐鋼溫預(yù)報模型.系統(tǒng)仿真學(xué)報，1999，11(3)181-184，193)。王中杰等提出了一種加熱爐多模式動態(tài)優(yōu)化控制策略，該策略給出了穩(wěn)態(tài)優(yōu)化爐溫設(shè)定值的求解方法和爐溫設(shè)定的動態(tài)補(bǔ)償方法(王中杰，柴天佑，邵誠.加熱爐多模式動態(tài)優(yōu)化控制策略.控制與決策，1999，14(5)465-468)。對于粗軋機(jī)的控制重點(diǎn)多放在軋制力的控制、鋼坯板厚板型控制和軋機(jī)本身的傳動系統(tǒng)的控制等(劉振宇，韓淑芝，王國棟.板帶熱連軋溫度的預(yù)報計算及應(yīng)用.鋼鐵，1994，29(2)31-34)(趙會平，崔建江，吳慶洪等.粗軋帶坯寬向溫度分布的仿真.鋼鐵研究學(xué)報，1999，11(6)21-24)(王秀梅，王國棟，劉相華.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)學(xué)模型在熱軋機(jī)組軋制力預(yù)報中的綜合應(yīng)用.鋼鐵，1999，34(3)37-39)。
綜上所述，現(xiàn)有的加熱爐爐溫控制策略主要有下述特點(diǎn)1、加熱爐的燃燒控制通常采用單交叉限幅控制、雙交叉限幅控制和改進(jìn)型的雙交叉限幅等控制方法對加熱爐進(jìn)行燃燒控制，部分利用氧閉環(huán)控制策略去優(yōu)化空燃比。
2、加熱爐爐溫的優(yōu)化設(shè)定通過加熱爐的傳熱機(jī)理模型，以加熱爐能耗最小為目標(biāo)，通過模型計算出優(yōu)化的爐溫設(shè)定值。同時基于前饋、反饋控制等策略，對加熱爐加熱狀況變化和外界干擾進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償。
3、鋼坯溫度的預(yù)報與修正通過鋼坯升溫的機(jī)理模型或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法對鋼坯的升溫過程進(jìn)行預(yù)報，并用該預(yù)報值指導(dǎo)軋制和加熱過程。
從上述分析可以看出，現(xiàn)有的加熱爐優(yōu)化控制策略把鋼坯的加熱過程和軋制過程人為地割裂開來，沒有考慮到加熱爐與軋制機(jī)組之間在生產(chǎn)工序上的密切聯(lián)系和控制上的不可分割性，因而無論對加熱爐進(jìn)行何種優(yōu)化控制，也只能得到局部優(yōu)化，不能實(shí)現(xiàn)加熱爐和粗軋機(jī)組的整體最優(yōu)化，因而不能保證熱軋過程總能耗最小、控制效果最佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種降低鋼坯加熱過程和軋制過程總能耗、保障軋制機(jī)組生產(chǎn)安全的加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)有爐溫預(yù)設(shè)定模型、加熱爐加熱過程控制模塊，包括溫度反饋控制模型、爐溫設(shè)定回路、燃燒控制回路和加熱爐模型；爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模塊，包括鋼坯溫度預(yù)報模型、粗軋溫降計算模型、粗軋階段軋制力預(yù)報模型、一次反饋補(bǔ)償模型、二次反饋補(bǔ)償模型和爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示。
爐溫預(yù)設(shè)定模型根據(jù)鋼坯的裝爐參數(shù)對加熱爐爐溫進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)定。該模型的輸入為鋼坯的種類、規(guī)格、裝爐溫度、軋制節(jié)奏等，輸出為加熱爐各段(預(yù)熱段、加熱段、均熱段)的最優(yōu)爐溫分布曲線。該模型以加熱能耗、鋼坯氧化燒損、鋼坯斷面溫差、鋼坯表面溫度與期望溫度的偏差等參數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，具體表述為J=12ω1[Tss(tn)-Ta*]2+12ω2[Tss(tn)-Tsc(tn)]2+12ω3Σk=0kn-1||U(k)||R(k)2+12ω4ϵG[Tss(tn)-Ts(t0)]2]]>
約束條件如下a)Ts(t+Δt)＝F(Ts(t)，Tf(t+Δt))b)---Ts(t+Δt)-Ts(t)≤ΔTsmaxv]]>c)---Tss(t)-Tsc(t)≤ΔTsmax]]>d)---Tss(tn)-Tsc(tn)≤ΔTsmaxs-c]]>e)---|Tss(tn)-Ta*|≤ΔTexit]]>f)Tfmin(ti)≤Tf(ti)≤Tfmax(ti)目標(biāo)函數(shù)中各符號意義如下t是鋼坯在爐內(nèi)的加熱時間(s)，其與鋼坯在爐內(nèi)的位移s的關(guān)系是s=∫t0tnvdt,]]>而v為鋼坯在爐內(nèi)的運(yùn)動速度(m/s)；t0、tn分別是鋼坯的入爐時刻和出爐時刻；ti爐溫分布優(yōu)化設(shè)定的關(guān)鍵點(diǎn)(s)；Ts、Tf分別代表鋼坯溫度分布和爐溫溫度分布(℃)；Tss、Tsc表示鋼坯出爐時刻的表面溫度和中心溫度(℃)；ΔTsmaxv、ΔTsmax為鋼坯加熱時所允許的最大加熱速度和最大斷面溫差(℃)；Ta*是鋼坯的目標(biāo)出爐溫度(℃)；ΔTsmaxs-c為鋼坯出爐時刻所允許的最大斷面溫差(℃)；k是計算爐溫分布的離散化時間步長；kn是時間離散化之后的節(jié)點(diǎn)數(shù)；U(k)是與爐溫分布有關(guān)的某種控制作用向量函數(shù)(例如加熱爐的燃料消耗等)，U(k)＝F(Tfs，k)；其中Tfs為爐溫設(shè)定值向量Tfs＝[Tfs1，Tfs2，L，Tfsm]T；m為需要進(jìn)行爐溫優(yōu)化的各加熱段數(shù)量；G表示被加熱鋼坯的質(zhì)量(kg)；ε為鋼坯表面的氧化燒損率(kg/t·℃)；ω1、ω2、ω3、ω4為加權(quán)系數(shù)，且ω1，ω2，ω4＞＞ω3。
通過對上述目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)可得到與鋼坯最佳溫升曲線相對應(yīng)的最佳爐溫分布曲線。
加熱爐加熱過程控制模塊采用改進(jìn)型的雙交叉限幅控制策略，利用燃料熱值前饋和殘氧閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制策略優(yōu)化加熱爐的空燃比，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附圖2和附圖3，其中附圖3為附圖2中殘氧閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的具體說明。附圖3中各符號意義是x1、x2、x3為控制器的輸入；w1、w2、w3是相應(yīng)的權(quán)值；k為PID控制器的比例因子；Vsp是空氣控制回路的設(shè)定值；Vmp為氧分析儀測得的殘氧濃度。同時增加了快速響應(yīng)環(huán)節(jié)(見附圖4)，提高了燃料流量系統(tǒng)對溫度設(shè)定值偏差小幅波動的動態(tài)跟隨性能，動態(tài)特性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為F(s)=1+Tas1+Tfs.]]>附圖4中符號含義Δxn為燃料系統(tǒng)限制環(huán)節(jié)的輸入輸出之差；a為補(bǔ)償量限制的比例系數(shù)。通過溫度反饋控制模型將鋼坯溫度偏差和外界擾動反饋到爐溫設(shè)定回路，動態(tài)地調(diào)整爐溫設(shè)定以減小溫度偏差、消除外界干擾。
在加熱過程中，加熱爐和鋼坯之間有著極其復(fù)雜的熱交換過程，這個過程通常難以量化，因而鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱情況很難預(yù)知。按照現(xiàn)有的技術(shù)，我們只能在加熱爐出口處測得鋼坯的表面溫度，因而不能根據(jù)鋼坯的加熱情況在加熱爐內(nèi)對鋼坯的加熱過程及時進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。利用爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模塊中的鋼坯溫度預(yù)報模型可以對鋼坯在加熱爐內(nèi)的溫升狀況及溫度分布進(jìn)行預(yù)報，使操作人員能夠及時了解鋼坯的加熱情況，同時也為粗軋階段鋼坯溫降的準(zhǔn)確預(yù)報提供了保證。在鋼坯溫度預(yù)報模型中，采用的是基于二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)機(jī)理分析的全系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程，方程形式如下X(k+1)＝A(k)X(k)+B1(k)U1(k)+B2(k)U2(k)其中X(k)=[X:,0kT,X:,1kT,Λ,X:,n-1kT]T,]]>為鋼坯橫截面的全系統(tǒng)溫度分布的離散向量；U1(k)=[Tm,0k,Tm,1k,Λ,Tm,n-1k]T,]]>U2(k)=[T0,nk,T1,nk,Λ,Tm-1,nk]T]]>分別為鋼坯右邊界節(jié)點(diǎn)溫度分布向量和上邊界節(jié)點(diǎn)溫度分布向量；A(k)、B1(k)、B2(k)中的元素分別為與鋼坯內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)的鋼坯熱物性參數(shù)cs、ρs及λs的函數(shù)。
粗軋溫降計算模型用來計算鋼坯在粗軋階段的溫降，并將得到的預(yù)測值與粗軋末端鋼坯的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，得到的差值通過二次反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)作用到加熱爐一側(cè)，對加熱爐爐溫預(yù)設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償，以優(yōu)化鋼坯的加熱過程。與預(yù)報鋼坯在加熱過程中的溫升情況一樣，粗軋溫降計算模型采用的也是基于二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)機(jī)理分析的全系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程。不同之處在于邊界條件發(fā)生變化。本發(fā)明中，考慮了自然空冷、冷卻水除鱗、軋件與軋輥之間熱交換和軋制時軋件的變形熱等影響因素。
粗軋階段軋制負(fù)荷預(yù)報模型根據(jù)鋼坯溫度預(yù)報模型的輸出計算出軋制負(fù)荷的預(yù)報值，通過這個預(yù)報值指導(dǎo)粗軋機(jī)組軋制規(guī)程的設(shè)計。在本發(fā)明中，粗軋機(jī)組軋制負(fù)荷的預(yù)報值與軋制負(fù)荷實(shí)測值的差值還作為粗軋機(jī)組一側(cè)重要的生產(chǎn)信息通過一次反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)反饋到加熱爐一側(cè)，對加熱爐的爐溫設(shè)定值進(jìn)行在線動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)時優(yōu)化鋼坯的加熱過程。
一次反饋補(bǔ)償模型是計算由于軋制負(fù)荷的偏差變化引起的爐溫預(yù)設(shè)定值補(bǔ)償量的環(huán)節(jié)，二次反饋補(bǔ)償模型是計算由于鋼坯粗軋機(jī)組出口溫度的偏差變化引起的爐溫預(yù)設(shè)定值補(bǔ)償量的環(huán)節(jié)。二者的輸出經(jīng)過爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型的加權(quán)平均處理后，對爐溫預(yù)設(shè)定值進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，在優(yōu)化鋼坯的加熱過程的同時，保證鋼坯出爐溫度和斷面溫差滿足軋制工藝的要求。
綜上所述，本發(fā)明解決了將加熱爐和粗軋機(jī)組作為一個整體來考慮的加熱爐綜合優(yōu)化控制技術(shù)的關(guān)鍵問題，建立了熱軋過程加熱爐、粗軋機(jī)組綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒋周垯C(jī)組一側(cè)的軋制生產(chǎn)信息及時地反饋到加熱爐一側(cè)，動態(tài)地修正和調(diào)節(jié)鋼坯的加熱過程，實(shí)現(xiàn)鋼坯加熱過程的優(yōu)化控制并盡可能地減少鋼坯的氧化燒損，最大限度地降低加熱爐和粗軋機(jī)組的生產(chǎn)總能耗。
本發(fā)明的效果和益處是該控制系統(tǒng)有下述特色1、通過爐溫預(yù)設(shè)定模型對工況進(jìn)行辨識，根據(jù)鋼坯種類、規(guī)格、裝爐溫度、軋制節(jié)奏等信息給出各段爐溫的優(yōu)化設(shè)定值；2、采用改進(jìn)型的雙交叉限幅控制策略對加熱爐進(jìn)行燃燒控制，利用燃料熱值前饋和殘氧閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制策略優(yōu)化空燃比，并及時地將外界擾動通過溫度反饋控制環(huán)節(jié)作用到爐溫設(shè)定回路，以及時修正爐溫設(shè)定值；3、通過鋼坯溫度預(yù)報模型對鋼坯溫度進(jìn)行預(yù)報，利用鋼坯溫度預(yù)報值來計算鋼坯粗軋溫降，并將鋼坯粗軋溫降的預(yù)報值與粗軋末端的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，其差值用來修正爐溫設(shè)定值，調(diào)節(jié)加熱爐的加熱過程；4、鋼坯溫度預(yù)報模型的輸出與鋼坯的出爐溫度的差值通過溫度反饋控制環(huán)節(jié)對加熱爐爐溫設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)；5、通過鋼坯溫度預(yù)報模型的輸出計算粗軋階段軋制力預(yù)報值，并與粗軋末端軋制力的實(shí)際測量值進(jìn)行比較，其差值用來修正爐溫設(shè)定值，調(diào)節(jié)加熱爐的加熱過程；6、粗軋階段軋制力預(yù)報值與粗軋末端軋制力的實(shí)際測量值的偏差通過一次反饋補(bǔ)償模型作用到爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型，粗軋階段鋼坯溫降預(yù)報值與粗軋末端鋼坯實(shí)際溫度的偏差通過二次反饋補(bǔ)償模型作用到爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型，通過爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型對這兩個偏差進(jìn)行加權(quán)求和處理，計算出爐溫預(yù)設(shè)定值的補(bǔ)償值，作用于爐溫設(shè)定回路，對爐溫設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償修正。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明具有很好的可行性和有效性。當(dāng)粗軋機(jī)組一側(cè)發(fā)現(xiàn)鋼坯溫度分布低于軋制要求時，就會及時地把鋼坯溫度、軋制負(fù)荷大小等軋制生產(chǎn)信息反饋給加熱爐一側(cè)，加熱爐一側(cè)據(jù)此能夠及時地控制調(diào)整爐溫設(shè)定值，保證后續(xù)鋼坯盡快達(dá)到軋制工藝要求的溫度分布，從而降低了軋制生產(chǎn)能耗，同時也保障了粗軋機(jī)組的生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)總能耗的降低；同理，當(dāng)粗軋機(jī)組一側(cè)發(fā)現(xiàn)鋼坯溫度高于軋制工藝要求時，同樣會把軋制生產(chǎn)信息及時反饋給加熱爐，適當(dāng)降低加熱爐爐溫設(shè)定值，從而減小鋼坯出爐溫度，最大限度地避免了鋼坯過多的氧化燒損和有效減少了加熱爐生產(chǎn)的加熱能耗，同樣實(shí)現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)總能耗的降低。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為基于空燃比優(yōu)化的燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖3為殘氧閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制器。
圖4為空氣流量快速補(bǔ)償響應(yīng)模塊。
圖5為中碳鋼加熱時的溫度分布比較圖。其中，a1、b1為使用傳統(tǒng)方法時的爐溫分布和鋼坯溫升曲線，a2、b2為使用本發(fā)明后的爐溫分布和鋼坯溫升曲線。圖中的橫坐標(biāo)h/H表示鋼坯當(dāng)前的加熱時間與在爐內(nèi)總的加熱時間的比例。
圖6為中碳鋼加熱時的斷面溫差比較圖。其中，c1為使用傳統(tǒng)方法時的鋼坯加熱斷面溫差，d1為使用本發(fā)明后的鋼坯加熱斷面溫差。圖中的橫坐標(biāo)h/H表示鋼坯當(dāng)前的加熱時間與在爐內(nèi)總的加熱時間的比例。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
國內(nèi)某中厚板廠的加熱爐為六段步進(jìn)式加熱爐，粗軋機(jī)組為二輥可逆軋機(jī)。鋼坯在爐內(nèi)的停留時間為4～5小時，粗軋5道次，咬入速度為30轉(zhuǎn)/分鐘，穩(wěn)定軋制速度為50轉(zhuǎn)/分鐘，拋鋼速度為40轉(zhuǎn)/分鐘，粗軋機(jī)允許軋制力為24000KN，道次間采用水冷冷卻。鋼坯的裝爐溫度為25℃，出爐溫度為1200℃～1250℃，出爐時鋼坯的斷面溫差應(yīng)小于50℃，鋼坯在粗軋機(jī)組出口溫度期望平均值為900℃～1150℃。加熱爐的推鋼速度為0.0021m/s～0.0028m/s，坯料與粗軋出口鋼坯規(guī)格要求見表1。
表1

當(dāng)目前在軋鋼坯的溫度由于某種原因低于軋制工藝要求的溫度時，粗軋機(jī)組會處于軋制負(fù)荷超載狀態(tài)，為了使后續(xù)待軋鋼坯的溫度能夠盡快滿足軋制工藝要求，利用本發(fā)明的方法對該過程進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了圖5和圖6的結(jié)果。圖5中a1、b1為使用傳統(tǒng)方法時的爐溫分布和鋼坯溫升曲線，a2、b2為使用本發(fā)明后的爐溫分布和鋼坯溫升曲線。從圖中可以看出，a1和b1都較低，說明目前爐溫和鋼坯出爐溫度偏低，軋制負(fù)荷偏大，針對這種情況，使用本發(fā)明所述的綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)后，加熱爐的爐溫設(shè)定有所提高，從而使鋼坯的出爐溫度得到提高，滿足了軋制工藝的要求，粗軋機(jī)組的軋制負(fù)荷回落到正常范圍內(nèi)。圖6中c1為使用傳統(tǒng)方法時的鋼坯斷面溫差，d1為使用本發(fā)明后的鋼坯斷面溫差。從圖中可以看出，使用本發(fā)明所述的方法后，鋼坯在爐內(nèi)的最大斷面溫差比使用傳統(tǒng)方法時要高，但出爐時刻的鋼坯斷面溫差符合軋制工藝的要求(＜50℃)。雖然未使用本發(fā)明方法時鋼坯斷面溫差相對較小，但是因?yàn)殇撆鳒囟绕?，所以仍然難以軋制，而使用本發(fā)明方法后，雖然鋼坯斷面溫差有所增加，可是出爐鋼坯的溫度分布符合軋制工藝的要求，適于軋制。通過本發(fā)明的方法，能夠在鋼坯溫度分布不符合粗軋機(jī)組軋制要求的情況下迅速調(diào)整鋼坯的加熱過程，減少了兩者不必要的能耗浪費(fèi)，同時保護(hù)了粗軋機(jī)組的生產(chǎn)安全。表2為粗軋軋制力仿真結(jié)果比較。從表2中可以看出，使用本發(fā)明以后軋制力明顯下降，降低了軋制能耗，延長了軋制設(shè)備的使用壽命。
表2
權(quán)利要求
1.一種熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法，其特征在于能夠?qū)⒋周垯C(jī)組一側(cè)的軋制信息，包括鋼坯溫度、鋼坯在軋制過程中的軋制力的信息反饋到加熱爐一側(cè)，并根據(jù)這些信息調(diào)整加熱爐的爐溫設(shè)定值和鋼坯的加熱過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法，其特征在于加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計是將加熱爐和粗軋機(jī)構(gòu)造成了一個有機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)由爐溫預(yù)設(shè)定模型、加熱爐加熱過程控制模塊和爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模塊組成，其中加熱爐加熱過程控制模塊包括溫度反饋控制模型、爐溫設(shè)定回路、燃燒控制回路和加熱爐模型，爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模塊包括鋼坯溫度預(yù)報模型、粗軋溫降計算模型、粗軋階段軋制力預(yù)報模型、一次反饋補(bǔ)償模型、二次反饋補(bǔ)償模型和爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法，其特征在于爐溫預(yù)設(shè)定模型是根據(jù)以鋼坯氧化燒損、加熱爐能耗、粗軋機(jī)組能耗等指標(biāo)最小為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對加熱爐各段爐溫進(jìn)行最優(yōu)化求解，得到穩(wěn)態(tài)時加熱爐預(yù)熱段、加熱段、均熱段的最優(yōu)爐溫分布曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法，其特征在于加熱爐加熱過程控制模塊是利用燃料熱值前饋和殘氧閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制策略優(yōu)化加熱爐的空燃比，同時增加快速響應(yīng)環(huán)節(jié)，提高燃料流量系統(tǒng)對溫度設(shè)定值偏差小幅波動的動態(tài)跟隨性能。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種熱軋過程加熱爐綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計及其控制方法，其特征在于爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模型是利用基于二維非穩(wěn)態(tài)傳熱機(jī)理的離散狀態(tài)空間預(yù)報模型對鋼坯軋前及粗軋階段溫度分布進(jìn)行預(yù)報，將各階段溫度預(yù)報值與實(shí)際值的差值進(jìn)行反饋，優(yōu)化爐溫的設(shè)定值。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金自動化過程控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種滿足粗軋機(jī)組軋制生產(chǎn)安全要求和熱軋生產(chǎn)過程順利進(jìn)行的、實(shí)現(xiàn)整個熱軋生產(chǎn)線節(jié)能降耗的、對加熱爐進(jìn)行綜合優(yōu)化控制的新型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制方法。本發(fā)明的特征是將加熱爐和粗軋機(jī)組構(gòu)成一個有機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)，將鋼坯在粗軋機(jī)組一側(cè)的軋制力以及溫度等軋制生產(chǎn)信息反饋到加熱爐一側(cè)，利用爐溫預(yù)設(shè)定補(bǔ)償模塊動態(tài)地修改爐溫設(shè)定值，結(jié)合優(yōu)化控制策略和控制算法對鋼坯加熱過程實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化控制。本發(fā)明的效果和益處是能夠明顯提高鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱質(zhì)量，顯著降低加熱爐和粗軋機(jī)組的整體能耗，提高粗軋機(jī)組在軋制生產(chǎn)過程中的安全性，有效地預(yù)防生產(chǎn)事故的發(fā)生。
文檔編號G05B13/00GK1644257SQ200410100419
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者邵誠, 張凱舉, 金迪 申請人:大連理工大學(xué)