【正文】 德克虜伯公司對層流、水幕和噴射3種冷卻方式的對比實(shí)驗(yàn)表明，層流冷卻方式的冷卻均勻性最高，而冷卻強(qiáng)度只比水幕冷卻稍低，因此層流冷卻是多數(shù)帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的主要冷卻方式。由此可見，研究層流冷卻卷取溫度的優(yōu)化控制即研究層流冷卻的策略及控制模型對于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面，層流冷卻控制系統(tǒng)主要由國外開發(fā)，國內(nèi)還處在引進(jìn)、消化、吸收的階段，研究和優(yōu)化層流冷卻策略和控制模型，對于我國掌握國外先進(jìn)的制造技術(shù)，提高產(chǎn)品在國外市場的競爭力，有著重大而深遠(yuǎn)的意義。同時(shí)，也有利于為我國今后獨(dú)立自主地開發(fā)新鋼種（如多相混合組織鋼、鐵素體區(qū)軋制鋼）的冷卻控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 研究現(xiàn)狀卷取溫度控制是層流冷卻系統(tǒng)的核心任務(wù)，而溫度控制的精度在很大程度上取決于過程數(shù)學(xué)模型的精度。早期，對層流冷卻控制系統(tǒng)的技術(shù)改造主要集中在工藝設(shè)備的改進(jìn)方面。九十年代以后，尤其是近幾年來，國內(nèi)外對層流冷卻的研究主要包括兩個(gè)方面：一是通過對冷卻過程的研究建立精確的導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型；二是針對層流冷卻控冷過程的特點(diǎn)對控制策略進(jìn)行研究。具體內(nèi)容如下：（1）數(shù)學(xué)模型的研究。以往的層流冷卻溫度場數(shù)學(xué)模型往往是實(shí)際冷卻過程的簡化形式，這樣可大大減少計(jì)算時(shí)間，容易實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)可能對冷卻效果帶來不利的影響。例如：應(yīng)用于攀鋼的意大利ANSALDO INDUSTRIA公司開發(fā)的數(shù)學(xué)模型比較簡單，但對流換熱系數(shù)的確定不夠精確[5]；應(yīng)用于鞍鋼熱軋廠、本鋼1700熱軋廠的由德國SIMENS公司開發(fā)的數(shù)學(xué)模型沒有考慮帶鋼與環(huán)境的熱輻射，也沒有考慮水溫、帶鋼運(yùn)行速度、終軋溫度對模型參數(shù)的影響，而且模型中的時(shí)間常數(shù)描述的是帶鋼表面溫度，對厚規(guī)格帶鋼的控制效果不理想，模型精度受到了限制[6]；應(yīng)用于寶鋼1580mm熱軋廠的由日本三菱電器開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，對各種對流換熱因素考慮的較為全面，是一種較先進(jìn)的層流冷卻控制模型，但還需要對許多參數(shù)進(jìn)行回歸，按照厚度層別等做出一系列控制表[7]。（2）控制策略的研究。根據(jù)層流冷卻控制的工藝特點(diǎn)，目前控冷的方式基本采用預(yù)設(shè)定計(jì)算、前饋控制、反饋控制和模型參數(shù)自適應(yīng)等幾個(gè)策略，并且采用動態(tài)控制的方法，將帶鋼在延長度方向上進(jìn)行分段（稱作帶鋼段），同時(shí)將冷卻輥道劃分為若干冷卻段，每個(gè)冷卻段由若干冷卻閥組成，然后動態(tài)跟蹤每一個(gè)帶鋼段，即確定帶鋼段到達(dá)某個(gè)冷卻段的時(shí)刻以及經(jīng)過的時(shí)間，以便在前饋和反饋時(shí)確定應(yīng)調(diào)節(jié)的水閥數(shù)目。當(dāng)帶鋼和冷卻輥道分段越細(xì)，帶鋼長度方向上的冷卻控制越均勻，控制精度越高，但控制也將越復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā)展，帶鋼熱連軋技術(shù)已經(jīng)成為多學(xué)科結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)。尤其是近幾年，由SMS公司設(shè)計(jì)制造的緊湊型熱帶生產(chǎn)線（CSP）被國內(nèi)大量引進(jìn)。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)紛紛與高校和知名冶金科研機(jī)構(gòu)合作，消化引進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以提高控制精度。例如：唐山鋼鐵公司從理論和工藝的角度分析了控冷過程中換層別后自適應(yīng)能力差、尾部溫差大以及低目標(biāo)卷取溫度精度低等問題產(chǎn)生的原因，提出了虛擬檢測水溫、反推速減點(diǎn)、細(xì)化層別等對應(yīng)的優(yōu)化策略。另外，智能控制理論的發(fā)展，為描述與控制不確定、非線性的復(fù)雜過程提供了理論基礎(chǔ)，也使得智能控制在層流冷卻中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其中，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心提出的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，將遺傳算法的能夠收斂到全局最優(yōu)解和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，并運(yùn)用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和測試，離線實(shí)現(xiàn)了卷取溫度高精度的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并得到了在線應(yīng)用。 章節(jié)安排本課題以北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心承接的國內(nèi)某大型鋼鐵集團(tuán)的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線二級系統(tǒng)改造項(xiàng)目為背景，介紹了層流冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置和控制結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了層流冷卻系統(tǒng)中所用到的控制模型和控制策略。并根據(jù)這些理論，繪制了層流冷卻的控制畫面。實(shí)踐證明這些控制策略和控制模型是有效的、實(shí)用的。第一章主要介紹了本文的研究背景和意義，對比了幾種冷卻方式，并從數(shù)學(xué)模型和控制策略方面對層流冷卻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。第二章給出了層流冷卻系統(tǒng)的設(shè)備布置圖和實(shí)物圖，對層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了介紹。第三章對層流冷卻系統(tǒng)的控制模型進(jìn)行了研究，控制模型主要包括溫降模型、卷取溫度預(yù)報(bào)模型、預(yù)設(shè)定模型、前饋控制模型、反饋控制模型和自學(xué)習(xí)模型以及數(shù)據(jù)庫模型。著重分析了改進(jìn)后的卷取溫度預(yù)報(bào)模型。第四章對層流冷卻系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，控制策略主要包括冷卻策略、帶鋼分段控制、冷卻區(qū)分段控制、冷卻速度控制、側(cè)噴和吹掃控制和上下集管水比配置。第五章給出改進(jìn)的控制模型取得的實(shí)驗(yàn)效果，并展示了設(shè)計(jì)和繪制的HMI畫面。2 層流冷卻系統(tǒng)簡介 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置本文中的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的層流冷卻系統(tǒng)由上、下冷卻系統(tǒng)和側(cè)噴吹掃系統(tǒng)三部分組成。上部和下部冷卻系統(tǒng)各分成60個(gè)冷卻控制段，每4個(gè)控制段為一組，一共15組，前9組用于粗調(diào)，后6組用于精調(diào)。每個(gè)冷卻控制段由一個(gè)閥門進(jìn)行冷卻水的開關(guān)控制。上部的每個(gè)控制段有兩根常規(guī)U 型層流集管，每根集管上設(shè)有多個(gè)鵝頸噴水管；下部的每個(gè)控制段有4根帶一定噴射角的直噴集管，每根集管上有11或12個(gè)噴嘴。也就是說，上部冷卻系統(tǒng)由120根集管構(gòu)成，下部冷卻系統(tǒng)由240根集管構(gòu)成。側(cè)噴吹掃系統(tǒng)分布在輸出輥道的兩側(cè)，而且交叉分布，共有9個(gè)側(cè)噴嘴，其中有2個(gè)為高壓氣噴，以吹散霧氣，防止對軋線控制儀表的干擾。層流冷卻的長度約為60m，冷卻寬度為1700mm。系統(tǒng)同時(shí)配置了多種調(diào)節(jié)閥門和檢測儀表,包括手動調(diào)節(jié)閥、氣動截止閥、電磁流量計(jì)、熱金屬檢測器、激光檢測器、高溫計(jì)、水溫計(jì)、壓力計(jì)、液位計(jì)等,用于系統(tǒng)的信號檢測、帶鋼跟蹤及自動控制。層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置原理圖如圖21所示，設(shè)備布置的實(shí)物圖1現(xiàn)場I/O柜2現(xiàn)場I/O柜軋制方向高溫計(jì)T1側(cè)噴高溫計(jì)T2側(cè)噴粗調(diào)第1組手動閥精調(diào)第6組氣動閥F714090mm59400mm操作臺及HMI流量計(jì)卷取機(jī)冷卻水分配裝置如圖22所示：圖21 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置原理圖圖22 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置實(shí)物圖 層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)層流冷卻系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、水量分配系統(tǒng)、層流系統(tǒng)、側(cè)噴和前后吹掃系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括過程自動化控制L2級、基礎(chǔ)自動化控制L1級。層流冷卻的策略和控制模型屬于過程自動化控制L2級的范疇。在控制過程中，過程自動化控制L2級對整個(gè)冷卻過程進(jìn)行跟蹤、控制、參數(shù)計(jì)算和設(shè)定。其中設(shè)定過程，主要根據(jù)PDI的目標(biāo)參數(shù)、終軋參數(shù)、HMI參數(shù)和設(shè)備參數(shù)為層冷區(qū)的各種生產(chǎn)設(shè)備提供設(shè)定值或設(shè)定方式，并以工藝規(guī)定的時(shí)序?qū)⒃O(shè)定結(jié)果傳送給基礎(chǔ)自動化控制L1級。L1級根據(jù)L2級的設(shè)定值和帶鋼跟蹤信息進(jìn)行集管開閉操作，并為L2級提供測量信號。當(dāng)?shù)谝慌_精軋機(jī)F1咬鋼時(shí)，L1級給L2級發(fā)送事件信號，啟動層流冷卻控制系統(tǒng)的L2級作預(yù)設(shè)定，L2級預(yù)設(shè)定完成后，將設(shè)定結(jié)果下達(dá)給L1級，L1級進(jìn)行帶鋼的頭部跟蹤。當(dāng)判斷帶鋼進(jìn)入層流冷卻區(qū)時(shí)，考慮閥門的開啟延時(shí)，提前打開閥門，在整個(gè)帶鋼的頭部通過層冷區(qū)時(shí)，會依次按照預(yù)設(shè)定的結(jié)果開閥。同時(shí)，L2級啟動動態(tài)修正，修正由于終軋速度、終軋溫度和終軋厚度對開閥數(shù)的影響，動態(tài)修正計(jì)算是控制系統(tǒng)的前饋控制；當(dāng)有帶鋼段出層流區(qū)的高溫計(jì)時(shí)，L2級會進(jìn)行帶鋼段之間的自適應(yīng)，對模型計(jì)算進(jìn)行修正，帶鋼段之間的自適應(yīng)是控制系統(tǒng)的反饋控制。當(dāng)L1級的尾部跟蹤程序跟蹤到帶鋼的尾部進(jìn)入層冷區(qū)時(shí)，會依次關(guān)閉閥門；當(dāng)尾部離開層流區(qū)時(shí)，L2級啟動帶鋼之間的自學(xué)習(xí)。這樣，整個(gè)層流冷卻系統(tǒng)就形成了一個(gè)前饋控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，從而保證了控制系統(tǒng)的精度。層流冷卻的控制結(jié)構(gòu)圖如圖23所示，基礎(chǔ)自動化L1級控制器圖如圖24，過程自動化L2級服務(wù)器圖如圖25所示：閥門開閉延時(shí)處理測量值處理帶鋼段跟蹤動態(tài)設(shè)定頭尾跟蹤預(yù)設(shè)定冷卻模型FThQw、Tw精軋?jiān)O(shè)定數(shù)據(jù)PDI、工藝參數(shù)自適應(yīng)測量值處理帶鋼段跟蹤Qw、TwCT閉環(huán)控制前饋控制圖23 層流冷卻的控制結(jié)構(gòu)圖圖24 基礎(chǔ)自動化控制L1級控制器圖圖25 過程自動化控制L2級服務(wù)器圖 本章小結(jié) 本章首先介紹了層流冷卻系統(tǒng)的設(shè)備布置，并給出了設(shè)備布置的原理圖和實(shí)物圖；然后對層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了描述，并給出了層流冷卻控制結(jié)構(gòu)圖、基礎(chǔ)自動化控制L1級控制器圖和過程自動化控制級L2服務(wù)器圖。通過本章的介紹和描述，對層流冷卻系統(tǒng)有了整體上的認(rèn)識。3 層流冷卻的控制模型層流冷卻系統(tǒng)控制模型主要包括溫降模型、卷取溫度預(yù)報(bào)模型、預(yù)設(shè)定模型、前饋控制模型、反饋控制模型、自學(xué)習(xí)模型和數(shù)據(jù)庫模型。 溫降模型從帶鋼離開精軋末機(jī)架到達(dá)卷取測溫計(jì)CT，帶鋼依次處于空冷區(qū)、水冷區(qū)和空冷區(qū)。層流冷卻溫降模型的計(jì)算精度直接影響到卷取溫度的控制精度，主要包括空冷區(qū)溫降模型和水冷區(qū)溫降模型。 空冷區(qū)溫降模型在空冷區(qū)，高溫輻射熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空氣對流熱量，帶鋼主要以輻射的形式散熱，因此，可以只考慮輻射熱量損失，而把其他影響都包括在根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)確定的輻射系數(shù) ε 中。另外，空冷區(qū)的長度一般都較短，在整個(gè)過程中可以用同一個(gè)溫度 T 來計(jì)算?？绽鋮^(qū)的輻射溫降 ΔTf 可以按下列公式計(jì)算： ()式中 ΔTf — 空冷區(qū)溫降，℃；Δτ — 軋件移動時(shí)的溫降時(shí)間，Δτ = ΔL/v，s；ΔL — 軋件移動的距離，m；v — 軋件移動的速度，m/s；ε — 軋件的熱輻射系數(shù)；δ — 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，108W/() ；C — 比熱容，J/( )；γ — 密度，kg/m3；h — 軋件的厚度，m； 水冷區(qū)溫降模型帶鋼的層流冷卻屬于低壓噴水冷卻，帶鋼通過層流水時(shí)的換熱是一種強(qiáng)迫對流形式，主要是以對流的形式散熱。水冷區(qū)的對流溫降 ΔTd 可以按下列公式計(jì)算： () 式中 ΔTd — 層流冷卻溫降，℃；To — 帶鋼進(jìn)入水冷區(qū)的溫度，℃； TW — 層流冷卻水的溫度，℃； α — 對流換熱系數(shù)； L — 水冷段長度，m； C — 比熱容，J/( )；γ — 密度，kg/m3；上述計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)是對流換熱系數(shù) α 值。它與冷卻水的溫度、水量、帶鋼的溫度、帶鋼的運(yùn)行速度、