【正文】 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 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。為了使理論計(jì)算更接近于生產(chǎn)實(shí)際，必須對輸出輥道上的冷卻情況進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)，以便確定對流換熱系數(shù) α 的變化規(guī)律。但是，該模型存在若干問題，主要問題有：沒有考慮帶鋼內(nèi)部厚度方向的熱傳導(dǎo)，因此系統(tǒng)誤差較大，特別是對于 中 厚板，預(yù)設(shè)定精度差；加速度對模型影響大，在加減速時(shí)，控制精度差。周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過程，是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過程，也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程，此過程一直進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止。 遺傳算法 遺傳算法 GA(Geic Algorithm)是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制）演化而來的隨機(jī)化搜索方法。由于遺傳算法能夠收斂到全局最優(yōu)解，而且遺傳算法的魯棒性強(qiáng)（所謂魯棒性，是指控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性），將遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來有著重要的意義，不僅能夠發(fā)揮 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化映射能力，而且可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更快的收斂性以及較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力 [9]。根據(jù)實(shí)際需要，令每一層神經(jīng)元只與其前一層神經(jīng)元有連接，輸入和輸出之間沒有直接連接，則總的連接權(quán)值為 (Ni + No) Nhmax。由于帶鋼在穿越層流冷卻區(qū)時(shí)通常是變速前進(jìn)，而在影響帶鋼冷卻強(qiáng)度的諸多因素中，帶鋼速度又最為活躍 [10]。 （ 2） 轉(zhuǎn)移控制模型： 2ThvN T aQ?? () 式中 NT — 轉(zhuǎn)移控制冷卻 噴 水段數(shù)。 需要指出的是，式 （ ）中給出的反饋控制算法，由于不能進(jìn)行帶鋼的全長反饋控制，因此其控制效果是很有限的。 自學(xué)習(xí)主要包括長期自學(xué)習(xí)和短期自學(xué)習(xí)。 本章小結(jié) 圖 1 層流冷卻控制系統(tǒng)流程圖 開始 接受 L2 帶鋼及軋線數(shù)據(jù) HMI 操作指令處理 預(yù)設(shè)定計(jì)算及 卷取溫度預(yù)報(bào) 帶鋼跟蹤 層冷入口實(shí)測數(shù)據(jù)處理 前饋控制 層冷出口實(shí)測數(shù)據(jù)處理 反饋控制 模型自學(xué)習(xí) 數(shù)據(jù)庫歸檔 結(jié)束 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 23 本章 主要研究層流冷卻溫降模型的空冷區(qū)溫降模型、水冷區(qū)溫降模型， 卷取溫度預(yù)報(bào)模型 的傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型 、 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷取溫度預(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)模型以及數(shù)據(jù)庫模型。 前向冷卻 前向冷卻又叫前段冷卻。后向冷卻用于帶鋼厚度小于 的碳素鋼和低級硅鋼的冷卻。選擇何種特殊處理方式可以采用 PDI 下達(dá)或則 HMI 指定 ，頭尾特殊處理的長度可以采用查表法或則 HMI 指定 ，一般約為 10m。 （ 2） 2/4模式（ X0X0）：表示一個(gè)傾翻架開兩個(gè)水閥，規(guī)定開第一個(gè)和第三個(gè)水閥。 主要用于帶鋼厚度在 以上的普通碳素鋼或則有急冷要求的高級硅鋼的冷卻。 冷卻策略 在控制過程中，冷卻策略 主要確定以下幾方面的內(nèi)容： 上 下開 閥 的起始 位置 只在前向 冷卻和兩段式冷卻的第一段中起作用，一般 上、下 起 始位置是在同一個(gè)位置，特殊情況下上集管的起始位置應(yīng)該比下集管更加靠近精軋。 長期自學(xué)習(xí) 帶鋼之間的自學(xué)習(xí)主要是考慮到當(dāng)前帶鋼的控制對下一塊帶鋼的影響，所以需要進(jìn)行長期自學(xué)習(xí)。 根據(jù)上述的前饋控制模型、 終軋溫度補(bǔ)償控制模型 、 轉(zhuǎn)移控制模型 和反饋控制模型 ，總的冷卻噴水段數(shù) 為： F F F F T T F BN N N N N? ? ? ? () 自學(xué)習(xí)模型 模型自學(xué)習(xí)是近幾十年來迅速發(fā)展起來并廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制的一項(xiàng)技術(shù) [11]。 反饋控制模型 反饋控制模型主要用來修正卷取目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的偏差，以便達(dá)到較高的卷取溫度控制精度。 前饋控制模型 在帶 鋼熱連軋生產(chǎn)線上，精軋末機(jī)架與層流冷卻系統(tǒng)的第一組集管之間的距離 一般為 10m 左右，當(dāng)帶鋼出 精軋 末機(jī)架后，層流冷卻系統(tǒng)將根據(jù)所測的的帶鋼出口速度、終軋溫度、冷卻水溫以及帶鋼厚度，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，決定集管噴嘴開啟和關(guān)閉的位置、數(shù)量和組態(tài)。 整個(gè)過程的計(jì)算框圖如圖 34所示 max ( )() nf n J J??安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 16 圖 34 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算框圖 預(yù)設(shè)定模型 當(dāng)?shù)谝慌_精軋機(jī) F1 咬鋼時(shí)，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1 級給過程自動(dòng)化控制 L2 級發(fā)送事件信號，啟動(dòng)層流冷卻控制系統(tǒng)的 L2 級作預(yù)設(shè)定， L2 級的計(jì)算機(jī)將 在卷取溫度預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上 選擇帶鋼的冷卻策略 ，并根據(jù)精軋末機(jī)架設(shè)定的終軋厚度、終軋溫度、終軋速度設(shè) 定值以及冷卻策略等參數(shù)應(yīng)用差分模型進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定粗調(diào)和精調(diào)所需開啟冷卻集管的組數(shù)（冷卻水段數(shù)），控制好目標(biāo)卷取溫度和冷卻速度，保證帶鋼性能，然后將上述預(yù)設(shè)定結(jié)果傳送給基礎(chǔ)自動(dòng)化控制級 L1級的計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)設(shè)定控制。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)收斂速度和精度與函數(shù)的形狀有密切關(guān)系，其函數(shù)斜率 a 的選取一般也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取 1。選擇的目的是把優(yōu)化的個(gè)體或解直接遺傳到下一代或通過配對交叉產(chǎn)生新的個(gè)體再遺傳到下一代，它是建立在群體中個(gè)體的適應(yīng)度評估基礎(chǔ)上的。凈輸入的表達(dá)式有多種類型，最簡單的一種形式是線性加權(quán)求和，即 Ii = ∑wij xi。 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它具有很強(qiáng)的泛化映射能力， 由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個(gè)過程組成。 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，在得到精軋傳送過來的帶鋼基本參數(shù) （材質(zhì)、厚度、溫度、速度和目標(biāo)卷取溫度等）和軋制基本參數(shù)后，利用溫降模型及集管開啟組合狀態(tài)，進(jìn)行卷取溫度預(yù)測。 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。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(dòng)帶鋼之間的自學(xué)習(xí)。控制系統(tǒng)包括過程自動(dòng)化控制 L2級、基礎(chǔ)自動(dòng)化控制 L1級。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。 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。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)。 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。 當(dāng)前世界上采用的控制冷卻設(shè)備主要為 水幕冷卻系統(tǒng)和柱狀層流冷卻系統(tǒng)。 冷卻速度調(diào)節(jié)范圍小，耗水量較大。該技術(shù)不經(jīng)能大大縮短帶鋼的冷卻時(shí)間，大幅提高產(chǎn)量，更重要的是它能夠控制冷卻速度，改變帶鋼的金屬組織結(jié)構(gòu)，在不降低韌性的情況下，提高鋼材強(qiáng)度，減少板帶的不平整度以及殘余應(yīng)力，從而明顯地提高帶鋼質(zhì)量， 為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。各行 各 業(yè)對熱軋帶鋼質(zhì)量、品種、性能的要求越來越高。 同時(shí)，設(shè)計(jì)并繪制了基于西門子 WinCC的層流冷卻控制畫面。 起止時(shí)間： 20xx 年 2 月 25 日至 20xx 年 6 月 5 日共 16 周 指 導(dǎo) 教 師 簽 字 系 主 任 簽 字 院 長 簽 字 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 II 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 （ 3） 掌握層流冷卻中用到的控制模型的原理。 為了保證帶鋼成品性能指標(biāo)，同時(shí)使帶鋼順利卷取并保持良好卷形，必須使帶鋼卷取溫度控制在合理范圍內(nèi)。其中，中國以 一位，占全球鋼產(chǎn)量的 %。如果卷取溫度過低，一方面是卷取困難，且有殘余應(yīng)力存在，容易松卷，影響成品帶卷的質(zhì)量； 另一方 面，卷取后也沒有足夠的溫度使過飽和的碳氮化合物析出，影響鋼 材性能。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 2 表 11 幾種冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn) 冷卻方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 高壓噴嘴冷卻 水流不間斷呈紊流狀態(tài)噴到帶鋼表面；穿透性好，適用于水汽膜較厚的環(huán)境。 水幕冷卻 水流保持層流狀態(tài)，冷卻速度快，冷卻區(qū)距離短，對 水質(zhì)要求不高，易維護(hù)。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)。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(dòng)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(dòng)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。 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)的研究安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 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。 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。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(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)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(dòng)控制。 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(dòng)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。 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) 。 因此對流換 熱系數(shù)一般是理論公式和實(shí)測統(tǒng)計(jì)相結(jié) 合的綜合統(tǒng)計(jì)模型。 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷取溫度預(yù)報(bào)模型 由于傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型的固 有缺陷，導(dǎo)致卷取溫度預(yù)報(bào)精度不高。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以單個(gè)神經(jīng)元為基礎(chǔ)的，現(xiàn)在簡單介紹一下單個(gè)神經(jīng)元的工作原理。 在遺傳算法中，通過編碼組成初始群體后，遺傳操作的任務(wù)就是對群體的個(gè)體按照它們對環(huán)境的適應(yīng)度（適應(yīng)度評估）施加一定的操作，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過程。其模型結(jié)構(gòu)形式如圖 33所示： 圖 33 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu) 確定實(shí)際問題參數(shù)集 對參數(shù)集進(jìn)行編碼 初始化群體 P(t) 評估群體 映射 滿足停止規(guī)則 YES 結(jié)束 三個(gè)基本算子： 遺 傳操作 NO 產(chǎn)生新一代群體 GA 模型 適應(yīng)度 f BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù) 輸出誤差平方和 E 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 15 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層是根據(jù)使用者的需求來設(shè)計(jì)的。 碼串總長度為 L = (Ni + No+1) Nhmax + No +2， 包括了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱層作用函數(shù)、連接權(quán)值和閾值的所有信息。因此，冷卻水段數(shù)的計(jì)算只是針對帶鋼上某一點(diǎn)的，于是必須對帶鋼進(jìn)行跟蹤，適時(shí)開啟水閥，使得對該點(diǎn)來說，是在 N 個(gè)水冷段的作用下穿越層流冷卻區(qū)的，而對其他點(diǎn)來說， 由于變速運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致通過層流冷卻區(qū)所用時(shí)間不同，對應(yīng)的冷卻水段就可能不是 N。 這里的轉(zhuǎn)移控制，是考慮在卷取溫度控制中引入反饋控制方式后，為盡可能減小控制滯后，而將反饋調(diào)節(jié)集中在層 流 冷 卻 系統(tǒng)的下游處進(jìn)行。為了解決帶鋼全長反饋控制問題，在卷取溫度控制的實(shí)踐中，采用下列反饋控制算法： ( ) ( )C T c C Ae t T t T?? () 式中 TCA — 實(shí)測卷取溫度目標(biāo)值， ℃ 。 短期自學(xué)習(xí) 短期自學(xué)習(xí)又叫帶鋼段之間的自學(xué)習(xí)。帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的層流冷卻控制系統(tǒng)在這些控制模型的作用下，冷卻后的卷取溫度完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。 集管的 開啟方向由精軋向卷取方向開啟。 集