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东北走学硕士学位论文摘要 基于模糊控制的热轧带钢层流冷却控制系统开发 摘要 热轧带钢卷取温度直接影响成品带钢的组织性能，而卷取温度精度主要取决 于对层流冷却区的控制。本文针对层流冷却基础自动化系统，以现场实用为目标， 进行带钢卷取温度的优化控制。主要研究工作和取得的成果如下： 首先分析了国内外控制冷却技术和设备的进展，说明选择层流冷却控制系统 的合理性。针对层流冷却自动控制系统所需执行的数据采集处理控制、带钢微跟 踪控制、阀门开关控制、精冷段的反馈酶馈控制、模拟冷却控制以及以太网通讯 功能，设计 整套控制系统。 在层流冷却自动控制系统中，由于精轧机组末机架抛钢后带钢尾部速度的变 化给卷取温度控制带来困难，设计了精轧机抛钢后带钢速度的动念前馈控制策略， 对带钢尾部温度进行补偿。 在卷取温度的反馈控制中，针对反馈控制系统的滞后性和被控对象数学模型 的不精确性，应用模糊逻辑、纯滞后补偿等理论，设计了带s m i t h 预估器的模糊反 馈控制系统，- 并用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具对该系统进行了仿真研究。结果 表明模糊s m i t h 系统的控制性能明显优于常规s m i t h 系统。 用s i e m e n s 组态软件w i n c c 开发层流冷却区人机界面，完成其与。p l c 系统 的通讯，实现层流冷却区所有功能的监视与控制。并通过访问w i n c c 数据库得到 现场运行记录曲线的实际数据。 这套控制系统已在某7 5 0 r a m 热轧带钢厂得到成功应用。通过实际控制系统的 记录曲线可以表明：动态前馈控制策略使带钢尾部温度得到了很好的控制；带 s m i t h 顸估器的模糊反馈控制具有良好的动态性能且能有效消除常规s m i t h 控制方 法中纯滞后环节所带来的问题，使带钢卷取温度精度控制在1 0 之内。由于该 系统不仅能实现自动控制系统的各项控制功能、完全满足生产需要，且在卷取温 度控制方面有着良好的品质，可以广泛应用于热连轧厂的冷却系统中。 关键词：热轧带钢层流冷却卷取温度控制模糊控制s m i t h 预估器 一i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mf o r ah o ts t r i pm i l lb a s e do nf u z z yc o n t r o l a b s t r a c t c o i l i n gt e m p e r a t u r ef o rah o ts t r i pm i l la f f e c t st h em i c r os t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o ft h ef i n i s h e dp r o d u c td i r e c t l y n l ea c c u r a c yo ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r em a i n l yd e p e n d s o nt h el a m i n a rc o o l i n gc o n t r 0 1 w i t ht h ep u r p o s eo fp r a c t i c a l i t y , t h eo p t i m u mc o n t r o lo f t h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h eb a s i ca u t o m a t i o ns y s t e mi nl a m i n a rc o o l i n ga r e ai s d i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t w i t l la n a l y s i so ft h ec o n t r o l l e dc o o l i n gt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t sa th o m e a n da b r o a d ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mi sr e a s o n a b l ef o ra h o ts t r i pm i l l 1 1 1 ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sw h i c hi n c l u d e d a t ag a t h e r i n ga n dm a n a g e m e n t ，s t r i pt r a c kc o n t r o l ，v a l v e0 1 1 o f fc o n t r o l ，f e e d b a c ka n d f e e d f o r w a r dc o n t r o li nt h ef i n ec o o l i n ga r e a ，c o o l i n gs i m u l a t i o nc o n t r o l ，a n de t h e m e t c o m m u n i c a t i o n w i t h i nt h ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi nl a n a i n a rc o o l i n ga r e a ，t h ev a r i a t i o no ft h e t a i ls p e e da tt h em o m e n tw h e nt h es t r i pl e f tt h ef i n a lf i n es t a n da d d e dd i f f i c u l t i e st o c o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 n o wt h ed y n a m i cf e e d f o 删盯dc o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d , w h i c hw i l lc o m p e n s a t et h et a i lt e m p e r a t u r e u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fp u r el a gi nf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e ma n dt h e i m p r e c i s i o no ft h ec o n t r o l l e do b j e c tm o d e l ，t h ef u z z yl o g i ca n dp u r el a gc o m p e n s a t i o n m e o r yi su s e dt od e s i g n af u z z yc o n t r o ls y s t e mw i t hs m i t hp r e d i c t o r b yt h es i m u l i n k t o o l b o xo fm a t l a b t h es y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e d n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ef u z z y - s m i t hs y s t e mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a ls m i t h s y s t e m h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) o fl a m i n a rc o o l i n ga r e ai sd e v e l o p e dw i t h w i l l c co fs i e m e n s i tc a nc o m m u n i c a t ew i t hp l c ，a n dc o m p l e t et h es u p e r v i s o r c o r i t r o lt a s k so p l a m i n a rc o o l i n ga r e a a n dt h ea c t u a ld a t ar e c o r dc a l lb ee x p o r t e db y c a l l i n gw i n c cd a m b a s e 1 1 1 i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di ns o m e7 5 0 r a mh o ts t r i pm 埘 t h ea c t u a lr e c o r dc u l w e si n d i c a t et h a tt h ed y n a m i cf e e d f o r w a r ds t r a t e g yc a l ld ow e l li n c o n t r o l l i n gt h et a i lt e m p e r a t u r e ，a n dt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mw i t hs m i t hp r e d i c t o rc a n i l i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e tb e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n de f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ep r o b l e m sb yp u r el a g w i t ht h et r a d i t i o n a ls m i t hm e t h o d t h ea c c u r a c yo ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ec a i lb e c o n t r o l l e di n i o c t h i ss y s t e mn o to n l yc a nc o m p l e t ea l lf u n c t i o n sa n ds a r i s t vt h e n e e d so ft h em i l l b u ta l s oh a sg o o dq u a l i t yi nc o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 s oi tc a nb e w i d e l yu s e di nc o o l i n gs y s t e m so fh o ts t r i pm i l l s k e yw o r d s ：h o ts t r i pm i l l 1 a m i n a rc o o l i n g ，c o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 f u z z y c o n t r o l ，s m i t hp r e d i c t o r i v 东北大学硕士学位论文声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确说明并表示了感谢。 学位论文作者签名：4 砀t 辛 日期：如眩，2 ，艿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 热轧带钢是重要的工业原料，广泛应用于汽车、电机、化工、机械制造、建 筑、造船等工业部门，此外还有大量的热轧带钢以钢卷状态供给冷轧机作原料， 同时也可制造焊管和冷弯型钢等。从1 9 2 4 年美国在阿斯兰建设的1 4 7 0 m m 带钢热 连轧机和1 9 2 6 年在巴特勒建设的1 0 7 0 m m 带钢热连轧机算起，带钢热连轧已经有 8 0 多年的发展史。汽车工业、建筑工业、交通运输业等的发展，使得热轧及冷轧 薄钢板的需求量不断增长，从而促进热轧带钢轧机的建发获得了迅速和稳定的发 展。到目前为止，在世界上已有近2 0 0 套带钢热连轧机旧1 。 带钢热连轧生产，按照其主要工序，一般划分为：加热区、粗轧区、精轧区 和卷取区。生产工艺流程按照下列工序进行：板坯预备一板坯加热一卡r 轧一梢轧 一轧后冷却卷取一精整。典型热轧板带生产计算机控制系统如图1 1 所示i 引。 生彳控制 管理计算机 ll l 综合和分析计- 算e l l i 鱼旦盐整盟l j ，乙_ 鬲一_ n 过程控制广一i 审躅豳圆 ，二r l 1 l h 一 u ，u f l 一 基础阜动化厨稠厢两齑固厣稠p 嘲 li 础自动业|l 础自勐业jl 熊自挈些i岫犁例 讨毒对象f 加热炉 粗轧机 精轧机 冷却段卷取机f 图1 1 热轧板带生产的计算机控制系统 f i g 1 1t h ec o m p u t e rc o n 仃o ls y s t e m f o r h o ts t r i p m i l l 近年来，随着工业界对板带的需求量的日益增长，对产品质量的要求也越来 越苛刻。热轧带钢卷取温度是影响热轧带钢组织性能的关键因素之一。而热轧带 钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，则主要取决于对精轧机后带钢冷 却系统的控制。当实际卷取温度超出要求的范围，钢卷的组织性能会变差，所以 保证热轧带钢卷取温度达到规定的目标温度，提高卷取温度控制精度一直是热连 轧领域关注的重要问题【4 j 。 1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 卷取温度随钢种的不同而变化，即使同一种钢种，碳等合余元素的含量不同， 卷取温度也应作相应的改变。多数钢种的卷取温度在6 8 0 以下，约为6 0 0 6 5 0 c 。 但有些钢种往往超出此温度范围，例如硅钢的卷取温度超过7 0 0 ，而某些贝氏体 钢的卷取温度为4 0 0 ，因此卷取温度必须满足特定的工艺要求，卷取温度过高或 过低都将给带钢的组织和性能带来不良影响。卷取之后，带钢的会相组织已定型， 可以缓慢冷却，而缓慢冷却对减小带钢的内应力是有利的。 不同品种和规格的带钢，精轧温度一般约为8 0 0 9 0 0 ，而高取向硅钢的终轧 温度为9 8 0 。通常，带钢在1 0 0 多米长的输出辊道上运行时间为5 一1 5 秒。为了 在这么短的时间内使带钢温度降低2 0 0 3 5 0 ，仅靠带钢在输出辊道上的辐射散热 和向辊道传热等自然冷却是不可能的。因而在输出辊道的很长一段距离( 7 0 8 0 米) 上，需要设簧高冷却效率的i 喷水装罱，对带钢上下表面喷水，进行强制冷却并 对喷水量进行准确控制，使之可以满足卷取温度的要求”l 。 为了提高冷却效果，曾提出过各种冷却方式。试验证明，低压大水量的冷却 系统冷却效果比较好，我们称之为层流冷却。6 0 年代以来，所建的热轧带钢卷取 温度控制系统，绝大部分都采用层流冷却。目舸世界上共有近2 0 0 套热带钢迮轧 机，其中绝大部分已采用层流冷却方式冷却带钢，因此对层流冷卸系统的研究和 应用己成为热连轧机的必要环节，在国内外受到普遍重视。 多年来，人们对于建立精确的冷却模型甚为关注，但因为层流冷却过程是个 不确定的复杂过程，难以建立精确的数学模型。所以通过在状念空间内建模来描 述、控带4 层流冷却过程是不完全切合实际的，建立的各种数学模型只能是不精确 的、近似的反映层流冷却过程的规律 6 1 。基于解析模型的热轧带钢卷取温度控制系 统，存在许多问题，目前的热连轧厂普遍反映的问题是带钢头部和尾部温差大， 低目标卷取温度精度低，换规格自适应能力差，随机超差等等。用于热轧带钢卷 取温度控制的自适应控制系统可弥补以上不足，基本上解决了目前热轧厂反映出 的普遍问题，存在的不足是在控制系统调整次数少的情况下，反馈滞后影响较为 突出，导致调整量波动范围大，即温度偏差波动范围大，带钢的局部区域仍然有 温度偏差严重超过规定限制的现象。因此，研究热轧带钢卷取温度的精确控制便 成为当今热轧领域的主题之一【7 j 。 1 2 国内外发展概况 国内外冷却控制技术是从冷却设备、冷却控制系统丽方面逐步发展起来的 了解此发展过程将有助于探索卷取温度精确控制的新方法。 - 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 控制冷却方式和设备概述 1 2 1 1 控制冷却方式、 控制冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷 却、喷淋冷却、板湍流冷却、水一气喷雾法加速冷却、直接淬火等几种冷却方式。 各种冷却方式都有其各自的优点和缺点，见表1 1 ，采用哪种冷却方式应根据具体 工艺环境和限定条件确定【8 。9 1 。 表i 1 几种冷却方式的特点 t a b l e1 1f e a t u r e so f c o o l i n gn o d e 冷却方式 优点缺点 适用范l 司 水流为连续的，没有间断现象呈 比冷却特性很低；冷却技牢4 i 紊流状态喷到铡板表面i 口喷射 ，；水消耗量人，水的飞溅严适用十一般冷却或i 列 胍力喷射冷却 到需要冷却的部位；带制上下表 重，冷却小均匀：对水质的要j # 穿透性好i 町适用于 求较高聩嘴容易堵媾，水的水汽膜较厚的环境。 面冷却差别皿著。 利用牢较低。 争却区距离殴；集管之问胄一 比冷却特性较高；冷却能力强： 定的距离，边4 ：到横向冷却均 匀；对水质的要求较高，喷嘴 赛求强冷时，如热轧 层漉冷却 上下表面、纵肉冷却均匀。 扳 l u 处。 容易堵船；一蹬蔷庞杂，维护蜃 较犬a 难维护。 比冷却特性最高；水流保持层流 水仅应用十板带铡输 状态挣却速度快冷却区距离带俐上下表面、整个冷却区冷 h | 辊道i ：的冷却也 水摊冷却 短，对水质的婪求不高，赫维护。却不均：可i i 笥节的冷却速度范 午用在连轧机机架问 冷却速度通常为1 2 3 0 c s 青婀较小 的冷却，柯的正谯研 究应用征棒材及连铸 时高达8 0 s 坏的冷却上。 用加压的空气使水流成雾状柬衙要供风和供水两套系统，设适用于从空水冷到强 冷却钢板。冷却均匀冷却速度备的线路复杂，嗓音较大：对水冷投宽的冷却能力 雾化冷却 调节范围大可实现单独风冷、空气和水要求严格；车间的雾范围尤其适用连铸 弱水冷和强水冷汽较大设备容易受腐蚀 的二次冷却带 水为破断式形成液滴群冲击被 需要较高的压力调节冷却能 目前应用较少 喷淋冷却 冷却的钢板，比高压冷却喷嘴冷 力范围小，对水质韵要求较高- 却均匀冷却能力较强 轧制后的钢板直接进入水中进 冷却速度的调节范围小，水量 目前应用较少。 板湍流冷却 行淬火或快速冷却，挎却速度可 较大。 达到3 0 s 。 适用于极厚板或低抗 水一气喷雾法 可严格控制冷却速率和温降：可 拉强度( 低于6 0 0 对板材的较冷边部进行补偿，节 需要供风供水系统，设各摩杂a l v i p a ) ，含有铁索体及 快速冷却 省冷矫成本。珠光体贝氏体显微组 织。 冷却速度快，冷却能力范围大： 适用钢种有限：冷却不均，钢 适用于高抗拉强度 添加少量合金元素就可以达到 ( 高于6 0 0 m p a ) ，含 直接淬火板变形量大部分在l o m m 以 有贝氏体加马氏体显 同样的强度；降低碳当量，改善 下，宽幅钢板也在3 0 m m 以下。 可焊性能；确保钢板低温韧性。 微组织。 常用的带钢冷却装置有层流冷却、水幕冷却、高压喷水冷却装置等多种形式。 高压喷水冷却装置结构简单，但冷却不均匀、水易飞溅，新建厂已很少采用。水 幕冷却装置水量大、控制简单，但冷却精度不高，有很多厂在使用。层流冷却装 幕冷却装置水量大、控制简单，但冷却精度不高，有很多厂在使用。层流冷却装 一3 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 置，设备多、控制复杂，但冷却精度高，目前广泛使用。下面介绍一下目前热连 轧带钢广泛使用的层流冷却设备。 l 2 12 层流冷却设备 层流冷却方式由于集管的数量很多，排列又很密，带钢表面上的水层时刻可 以更新，并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头，将滞留在带钢表 面上的水冲掉所以冷却效果很好1 0 】。图1 2 是层流冷却设备布置示意图。两集管 间距约为3 0 0 5 0 0 m m ，因此轧件横向上冷却不均。从图中也可以看出设备庞大复 杂，难于维护：并且冷却区较长，因而导致控制上滞后效果严重，约为秒级】。 侧喷 幽1 2 层流冷却i 殳需布置不恿i 圣| f i g 1 2s i m p l ea r r a n g eo f l a m i n a rc o o l i n gi n s t a l l a t i o n s 上集管控制方式有：u 形管有阀控制和直管无阀控制。两种控制方式都能满 足控制要求，主要区别在于冷却水的开闭速度、结构和投资不同。u 形管有阀控 制冷却水的开闭速度比直管无阀控制冷却水的开闭速度慢，但其结构简单、投资 少，所以u 形管有阀控制应用比较广。图1 3 为上集管结构示意图 j j 。 u 形管组成直管无阀控制 图1 3 层流冷却上集管结构示意图 f i g 1 3 d i a g r a mo f u p p e r l a m i n a rs m a c t u r e 7 0 年代，国内开始应用热轧带钢控制冷却技术。7 0 年代末武钢引进的1 7 0 0 m m 热轧带钢机上部采用柱状层流冷却和下部喷水冷却的控制技术。宝钢的热带钢轧 机采用层流冷却控制系统。 日本钢管公司福山第二热轧厂于1 9 8 5 年对其管层流冷却系统进行了改造，通 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过水位最佳化调整、喷水量的两段切换以及引进水幕层流冷却系统装置，提高了 冷却效果，达到了节能和提高卷取温度精度的目的。 1 9 8 4 年日本专利报道了一种层流冷却装置，其喷嘴的流量可调，是一种缓急 自由的冷却装置。该装置对提高带钢的组织性能级别产生了很好的效果。就是兑 不添加或少添加合金元素就可达到提高钢板的强度和韧性的目的，从而节省了合 金元素，可用普碳钢代替某些低合金钢，大幅度提高产品质量，得到优质、高韧 性、低屈强度比的钢板，产品质量波动s t u d , t 1 2 】。 高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造，利用其结构 简单等优点，增加喷嘴的密度，并结合生产特点，对其在宽度方向上的排列进行 调整，使其对各种宽度的产品进行均匀冷却。由于其单根集管上喷嘴密度增加， 使冷却能力提高；通过侧喷装置和集管的组数控制可以使钢板在各集管阳j 形成自 回火区，从而控制钢板的组织性能及表面质量；喷嘴采用1 0 m m 以上的圆管，不 易堵塞，便于维修和管理。通过对普通管层流、高密度管层流和水幕冷却进行比 较得知，高密度管层流的、冷却能力同水幕冷却能力相当，而设备结构、设备维护 及投资则是比较低的【1 3 1 。 为了满足板带轧后的快速冷却的要求，不论什么形式的冷却装援，都应具备 以下特点【1 4 j ： i ) 具有高的冷却能力以获得高的降温效果： 2 ) 控制冷却的范围要宽，以满足不同钢种、不同厚度板带的不同冷却速度要 求； 3 ) 具有板带厚度方向、宽度方向和长度方向上温度控制措施，确保各方向温 度均匀： 4 ) 高的冷却效率。即对一定规格的板带，能用最少的冷却水达到目标冷却速 度。也就是，应散失的热量与喷水强度( 单位面积上，单位时间水流量) 的比值 最佳，从而节约冷却水和缩短输出辊道长度； 5 ) 具有对控制信号快速响应的冷却系统，以便在板带进入冷却区之前调整水 量，并能在线进行控制阀门的改变和调节，提高阀门的响应时间； 6 ) 在大生产中，同样轧制的条件下，冷却装置必须保证大量重复操作中具有 同样的冷却效果，确保冷却条件的稳定； 7 ) 冷却装置内部和外部结构，应便于维护、操作和清除污垢： 8 1 在满足正常冷却条件下节省能源。 以上给出了几种控制冷却方式并详细介绍了层流冷却设备的发展情况，目前 人们把注意力主要放在冷却设备的改造以及与自动控制系统的配套上。 - 5 一 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 1 2 2 层流冷却自动控制系统概述 层流冷却自动控制系统最主要的功能是完成卷取温度的控制。卷取温度控制 根据高精度的温度模型，进行带钢从头到尾全长最佳喷水控制，以提高产品质量。 层流冷却的控制系统由过程控制系统和基础自动化控制系统两部分构成。其 中过程控制系统主要是以自身的数学模型为基础，在得到钢种、终轧温度、带钢 厚度、带钢速度、冷却水温度等相关工艺参数后，根据设定的卷取温度，计算出 需要开水阀的数目和位嚣，并将这些信息传到网上，以备基础自动化系统的使用。 而基础自动化系统则依据过程机设定的阀门组态在自身微跟踪的控制下，依次 打开或关闭水阀。与此同时，基础自动化系统也可根据自身的特点进行周期的动 态前馈控制和反馈控制。基础自动化系统还负责一些过程机所需信号的采集、处 理和传输。过程控制级和基础自动化级的关系如图1 4 所示【1 5 】。 过程控制级 p c c fj 基础自动化级 b a c 圈1 4 过程控制级p c c 和基础自动化级b a c 的关系图 f i g 1 4c h a r t o f p c ca n db a c 层流冷却自动控制系统的功能构成如图1 5 所示，其主要功能如下【l 】： 1 ) 预设定计算。当带钢到达精轧机内时，根据轧制计划数据和操作人员输 入相关信息，进行控制方式和冷却模式豹选择及控制参数的设定计算，同时根据 预测的精轧出口温度，进行为达到目标卷取温度的冷却量计算，并编制阀门开闭 模式，传送给基础自动化执行。 控制方式分为通常冷却控制方式和速度冷却控制方式两种。 通常冷却控制方式仅按照轧制计划指定的目标卷取温度进行冷却控制。根据 预测的精轧出! e l 温度及轧制速度，计算为达到目标卷取温度的阀门开闭模式。根 据产品的不同要求，冷却模式分为前部急冷、后部急冷、稀疏冷却等三种。 速度冷却控制方式是根据轧制计划的目标卷取温度、冷却速度和中间点的温 度进行冷却控制的方法。速度冷却控制按照预测的精轧出口温度和轧制速度，一 边控制冷却速度，一边计算为达到目标卷取温度的阀门开闭模式。中间目标温度 一6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 点一般为两个。 对于某些带钢，为了有利于卷取，采用对带钢的头部和尾部一定长度少冷却 一定温度的阶跃冷却模式进行冷却。 2 ) 修正设定计算。修正设定计算在带钢每隔一定长度上进行。当定长脉冲 发生时，基础自动化收集控制点的实际数据，根据精轧温度的变动、带钢速度的 变化和目标卷取温度等预测计算必要的冷却量，修正设定对应于冷却量变化的阀 门模式。 修正设定计算方法与预设定计算基本相同。 3 ) 反馈控制。当带钢的前端到达卷取温度测量点一定时间后，采用一定的 控制方法，通过调节精冷段的喷水量，减少目标卷取温度与实际卷取温度之问的 误差。 圈1 5 层流冷却自动控制系统的功能构成圈 f i g 1 5f u n c t i o nd i a g r a mo f a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f l a m i n a r c o o l i n g 热轧层流冷却自动控制系统的卷取温度控制是相对复杂和困难的，从工艺设 备的角度出发，主要有四个方面的控制难点【l6 】： 1 ) 影响卷取温度的因素多而复杂，包括：带钢材质、厚度、速度、冷却水量、 水压、水流运动形态、终轧温度、热传导、对流、辐射条件和层流冷却装置的设 备状况等，因而难以在数学模型中全部考虑和精确描述。 2 ) 在层流冷却中，冷却装置分布在1 0 0 多米长的输出辊道上下方，带钢任一 点通过冷却区需要5 1 5 秒，由于采用加速轧制技术，带钢各点通过层流冷却区的 时间差异也很大，因此，控制冷却实际是在很大的空间范围内对处于变速及高速 运动中的钢材沿长度方向逐点实施的，这使得卷取温度控制本质上是一个十分复 杂的分布控制阀题。 3 ) 卷取测温仪通常安装在层流冷却区外5 一v 2 5 米的位置，相对控制点，检测 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 滞后很大，严重制约了常规反馈控制方式的使用。此外，控制阀的开闭及冷却水 从u 型管出水口溅落到带钢表面，都存在较大的滞后效应( 秒级) 给动态控制带 来不利影响。 4 ) 冷却水量的调节一般是非连续的，其控制“粒度”为由一个阀所控制的水 量。卷取温度控制精度本质上受此粒度大小的制约，特别是薄材，更为敏感。 从控制算法的角度来看，受工艺设备的限制。现行的热轧带钢卷取温度控制 系统基本上以设定控制为主。我国7 0 年代中期引进的1 7 0 0 热连轧机，其卷取温 度控制以设定控制为主，而不具备真正意义上的反馈控制。导致这种情况的主要 原因是：带钢任一点从精轧末机架出口穿越层流冷却区运行到卷取测温仪时，该 点及其后相当长一段带钢的受控冷却过程实际已经结束，而在冷却过程中又不可 能对该点状况进行实际跟踪测量和适时修正调节量，这使带钢控制精度几乎完全 依赖于预测模型结构和参数的选择。但参数的调整却随钢材品种、规格的不同而 需要长期反复适应，还往往顾此失彼，且无法适应环境时变性的影响。 考虑到以上情况，如果能利用模糊智能技术的智能化特点将其应用于卷取温 度控制系统中，带钢的卷取温度精度可进一步提高。 1 3 模糊智能技术概述 进入2 0 世纪9 0 年代以来，首先是在日本，然后是德国，接着在全世界掀起 了一个在轧制过程中应用人工智能的热潮。目前在* l n 过程中的各个环节，从生 产计划的编排、坯料的管理、加热中的优化燃烧控制、轧制中的设定计算及厚度、 张力和板形控制、轧后冷却以及成品库的管理等等都有人工智能方法成功应用的 例子。人工智能已经成为现代化轧机高精度控制的一个非常有效的工具0 7 - 2 3 】。但 在基础自动化方面，由于要求更高的响应速度，因而人工神经元网络和专家系统 在该领域较少报道。此时人们把着眼点放在了模糊控制上，模糊理论和模糊控制 在轧制过程中获得了较广泛的应用 2 4 - 2 s 】。 1 3 1 模糊控制的提出 美国加州大学的l - a z a d e h 教授在1 9 6 5 年发表了关于模糊集的开创性论文， 由此开创了模糊数学及其应用的新纪元。在1 9 7 4 年，英国q u e e nm a r r yc o l l e g e 的 e h m a n m d a n i 教授首先将模糊逻辑应用到蒸汽发动机的压力和速度控制中，取得 了比常规的p i d 控制更好的效果。随后不久，丹麦的fl s m i t h 公司于1 9 8 0 年成 功地将模期控制应用到水泥窑的自动控制中，为模糊理论的实际应用开辟了崭新 的前景。从此以后，模糊理论的应用，特别是在工业控制中的应用，得到了迅速 r 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的发展【2 9 1 。 1 3 2 模糊控制的特点 从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊理论集合， 方式，它具有如下主要特点【3 0 l ： 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型， 或者有关专家的经验、知识或者数据： 统筹考虑控制的一种控制 只要求掌握现场操作人员 2 ) 系统的鲁棒陛强，尤其适用于具有非线性、时变、滞后环节的系统控制； 3 ) 由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制舰则； 4 ) 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定的系统 而者。，其浯言控制舰则是分别独立的，且通过整个系统的 力调，可取得总体的协 调控制。 采用经典控制理论和现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要先建立 被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。但实际中的许多被 控对象由于其过程复杂，机理有不明之处，或缺乏必要的检测手段、或检测装箴 而不能进入被测试区等原因，致使无法建立被控过程的数学模型。因此用经典控 制理论和现代控制理论无法解决这类问题，鉴于模糊控制所具有的特点，可用模 糊控制解决生产实际中的许多问题1 “。 1 3 3 模糊技术在层流冷却控制中应用的必要性 在前文中已经知道层流冷却自动控制系统中的控制难点，其中冷却过程数学 模型的不精确性是传统方法很难解决的问题。对于控冷反馈过程中的纯滞后环节， 虽然目前已有将s m i t h 预估补偿器引入到p i d 控制器中的控制方法，但由于s m i t h 控制方法的前提必须确切地知道被控对象的数学模型，这使得此方法降低了实用 性。而模糊控制恰恰不需要建立被控对象的数学模型且系统具有很强的鲁棒性， 如果能用其代替p i d 控制器应用于层流冷却控制中，将会使带钢卷取温度的控制 精度明显提高。 另一方面由于对层流冷却过程的控制受执行机构响应速度的限制，因此即使 检测装置相当准确也难以对层流冷却过程实施精确控制。这就要求控制系统具有 良好的动态预测性能，而这种良好的动态预测性能不是一般常规控制系统所具有 的，它需要大量的知识基础，逻辑判断和逻辑推理等功能【3 2 。4 】。 可见，热轧带钢的层流冷却过程要求找到自动控制与模糊控制技术的结合点。 抓住这个结合点，就可以将热轧带钢卷取温度的控制精度提高到一个新的水平。 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的研究目的和内容 在层流冷却区基础级控制系统硬件设备确定的情况下，如何利用现有条件最 大限度地提高卷取温度的控制精度，成为本文工作的目标。具体研究内容如下： 1 ) 实现层流冷却区自动控制功能 利用现有硬件设备实现以下功能：数据采集和处理、带钢头尾微跟踪、冷却水 阀随带钢头尾移动过程的顺序打开关断控制、侧喷水和压缩空气吹扫阀开关控制、 上集管架液压倾翻控制、模拟冷却控制、以太网数据通讯。 2 ) 对精轧末机架抛钢后带钢速度的变化进行动态前馈控制 当带钢尾部减速及精轧机抛钢时要发生速度变化，因此要预测带钢尾部速度 并对尾部速度变化时喷水组念的补偿i 建进行汁算。 3 ) 设计带s m i t h 预估器的模糊反馈控制系统并对其进行仿真研究 在控冷的反馈系统中设计了将s m i t h 引入到模糊控制器中的模糊s m i t h 控制系 统，并用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具对其进行仿真研究。 4 ) 层流冷却区卷取温度控制策略的实际应用 针对某热轧厂的层流冷却系统，介绍了实际工艺参数j f l l 控制系统的硬件配雠。 将动念f 诲馈控制和模糊反馈控制等策略应用于卷取温度控制系统l = 】，井通过实际 控制系统运行记录曲线展示了新控制策略的优良性能。 5 ) 开发层流冷却区h m i 用s i e m e n s 组态软件w i n c c 开发层流冷却区h m i ，实现层流冷却区的监视 与控制。 - l o - 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却区控制系统 第二章层流冷却区控制系统 本章以某7 5 0 r a m 中宽带热连轧厂为背景，介绍其层流冷却系统的硬件配置和 设备技术参数。在此条件下，实现层流冷却区的控制功能并开发人机界面。 2 1 层流冷却系统硬件配置 热连轧机系统分为加热炉区、粗轧区、精轧区、层流冷却区和卷取区5 个控 制区域。基础自动化系统采用s i e m e n ss 7 系列p l c 。每个区的传动系统的控制 采用现场总线p r o f i b u s d p 网实现，系统的远程i 0 也通过p r o f i b u s d p 来控 制。监控及操作站( 上位计算机、h m i ) 采用工业i p c 。操作站采用以p i v 2 g 处 理器为核心的西门子工业i p c 计算机，监控软件则采用在操作系统w i n d o w s 2 0 0 0 下的w i n c c 。各操作站和各控制区的p l c 之间由s i e m e n sl o o m 的光纤和双绞 线以太网连接在一起，进行不同控制区的数据交换。基础自动化p l c 与远程i o 和直流、交流传动系统之间通过现场总线p r o f i b u s d p 连接。 层流冷却控制区只采用了一块c p u 模板s 7 - 3 0 0c p u 3 1 5 - 2 d p ，以完成层流冷 却逻辑控制、状态监测及显示等所有的任务。通过p r o f i b u s d p 网来对冷却区的 集管、侧喷、端部吹扫、上集管的液压升降进行玎关控制。层流冷却系统p l cs 7 3 0 0 由主站和3 个远程i o 站组成。层流冷却系统p l cs 7 3 0 0 主站包括l 台p l cs 7 3 0 0 主柜，远程i ，o 站就地控制箱3 个，分别为：4 k l l k 、4 k l 2 k 、4 k l 3 k ，这些就 地箱将挂在层流冷却区传动侧的墙上。 整个热轧带钢层流冷却区计算机系统配置图如图2 1 所示。 i m l 5 3 一i ：6 e s 7t 5 3i a a 0 30 x b o 图2 1 热轧带钢层流冷却区计算机系统配置图 f i g 2 1t h ec o m p u t e rs y s t e mo f l a m i n a r c o o l i n g i na h o ts t r i p m i l l 东北大学硕士学位论文第二章层流冷却区控制系统 2 2 层流冷却设备技术参数 层流冷却设备安装在精轧机末机架出口至卷取机之间的输出辊道上，在自动 化系统控制下，将热轧带钢冷却到工艺要求的卷耿温度，并使其力学性能和金相 组织结构达到预定的质量要求。层流冷却设备主要由高位水箱及附属设备、上下 集管装置、侧喷水装置、压缩空气吹扫装置以及气动控制系统和液压控制系统等 组成。其主体设备布置图如图2 2 所示，相关尺寸己于图中标注。 在使用层流冷却装置进行卷取温度控制的过程中，影响温降变化的因素很多， 所以要求层流冷却装嚣上下喷水段的水量和水压相对稳定，侧喷水的水压和流量 也要相对稳定，这样才能尽可能减少层流冷却的变化因素。 热连轧层流冷却区的主要技术参数如下： 1 ) 带钢规格：厚度2 - 5 m m 、宽度3 5 0 6 0 0 m m ； 2 ) 终轧温度：8 5 0 9 5 0 c 、卷取温度：6 0 0 - - 6 5 0 ； 3 ) 辊道速度：4 1 2 m s ； 4 ) 高位水箱尺寸：长宽x 高数量= 1 2 0 0 0 x 1 6 0 0 1 6 0 0 m m x l + 8 0 0 0 x 1 6 0 0 x 1 6 0 0 m m x 4 、有效容积。1 0 0 m 3 ； 5 ) 侧喷水压力：1 0 m p a ； 6 ) 压缩空气压力：0 4 0 6 m p a ； 7 ) 控制冷却水质要求：悬浮物_ 4 0 m g l 、悬浮物颗粒度s o 2 r a m 、p h 值：7 5 8 5 、 油含量 _ s m g l 、水温度 3 8 ； 8 1 用水总耗量：2 0 0 0 m 3 h ； 9 ) 压缩空气总耗量：2 5 m 3 m i r a 1 0 ) 侧喷水总耗量：6 5m 3 l l ； 1 1 ) 液压系统工作压力：1 2 m p a 。 精轧末机架控冷设备及b a n k 编号 卷取设备 图2 , 2 某7 5 0 r a m 热轧厂层流冷却区设备布置图 f i g 2 2e q u i p m e n td i a g r a mo fl a m i n a rc o o l i n ga l e ai na7 5 0 r a mh o ts t r i pm i l l 1 2 - 东北大学硕士学住论文第二章层流冷却区控制系统 2 3 软件控制功能及实现 2 3 1 层流冷却区控制功能 层流冷却区p l c $ 7 - 3 0 0 的主要控制功能包括如下： 1 ) 数据采集和处理； 2 ) 层流冷却区域带钢微跟踪； 3 ) 带钢头尾部移动过程中的冷却水顺序打开关断控制； 4 ) 侧喷水压缩空气吹扫阀开关控制； 5 ) 上集管架液压倾翻控制； 6 ) 层流冷却精调段控制策略； 7 ) 模拟冷却控制功能； 8 ) j 以太网数据通讯。 2 3 11 数据采集和处理 需要采集的数据有：终轧温度、卷取温度、机旁高位水箱冷却水温度、机旁 高位水箱冷却水液位，以及第5 组粗调上集管第1 根集管的流量、第5 组粗调下 集管第1 根集管的流量、第l l 组精调上集管第1 根集管的流量、第l l 组精调下集 管第l 根集管的流量。这8 个模拟量被送入控冷区p l c 主柜中。这些信号均为4 2 0 m a 电流信号，经标定处理后存入相应的寄存器中，同时通过安装在p l cs 7 3 0 0 主机架内的以太网卡传送到以太网络上供过程计算机模型计算时使用。 2 3 i 2 层流冷却区域带钢微跟踪 层流冷却区