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正文內(nèi)容

層流冷卻的策略和控制模型畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

2024-08-12 21:54 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 3 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對控制策略進行研究。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)模型往往是實際冷卻過程的簡化形式,這樣可大大減少計算時間,容易實現(xiàn),但同時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、帶鋼運行速度、終軋溫度對模型參數(shù)的影響,而且模型中的時間常數(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,是一種較先進的層流冷卻控制模型,但還需要對許多參數(shù)進行回歸,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,目前控冷的方式基本采用預(yù)設(shè)定計算、前饋控制、反饋控制和模型參數(shù)自適應(yīng)等幾個策略,并且采用動態(tài)控制的方法,將帶鋼在延長度方向上進行分段(稱作帶鋼段),同時將冷卻輥道劃分為若干冷卻段,每個冷卻段由若干冷卻閥組成,然后動態(tài)跟蹤每一個帶鋼段,即確定帶鋼段到達(dá)某個冷卻段的時刻以及經(jīng)過的時間,以便在前饋和反饋時確定應(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。 隨著計算機科學(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)計制造的緊湊型熱帶生產(chǎn)線( CSP)被國內(nèi)大量引進。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)紛紛與高校和知名冶金科研機構(gòu)合作,消化引進技術(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、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)解和魯棒性強的優(yōu)點與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,并運用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對該網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和測試,離線實現(xiàn)了卷取溫度高精度的實時預(yù)報,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)某大型鋼鐵集團的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線二級系統(tǒng)改造項目為背景,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(論文)報告紙 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。實踐證明這些控制策略和控制模型是有效的、實用的。 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 和實物圖 ,對層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進行了介紹。 第三章對層流冷卻系統(tǒng)的控制模型進行了研究,控制模型主要包括溫降模型、卷取溫度預(yù)報模型、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。著重分析了改進后的卷取溫度預(yù)報模型。 第四章對層流冷 卻系統(tǒng)的控制策略進行了研究,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。 第五章給出改進的控制模型取得的實驗效果,并展示了設(shè)計和繪制的 HMI畫面。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 5 1現(xiàn)場 I/O 柜 2現(xiàn)場 I/O 柜 軋制方向 高溫計T1 側(cè)噴 高溫計T2 側(cè)噴 粗調(diào)第 1 組 手動閥 精調(diào)第 6 組 氣動閥 F7 14090mm 59400mm 操作臺及 HMI 流量計 卷取機 冷卻水分配裝置 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個冷卻控制段,每 4個控制段為一組, 一共 15組, 前 9組用于粗調(diào),后 6組用于精調(diào)。每個冷卻控制段 由一個閥 門 進行冷卻水的開關(guān)控制。上部的每個控制段有兩根常規(guī) U 型層流集管,每根集管上設(shè)有多個鵝頸噴水管;下部的每個控制段有 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個側(cè)噴嘴,其中有 2個為高壓氣噴,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、熱金 屬檢測器、激光檢測器、高溫計、水溫計、壓力計、液位計等 ,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)備布置的實物圖 如圖 22所示: 圖 21 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 原理圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 6 圖 22 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置 實物圖 層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 層流冷卻系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(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級對整個冷卻過程進行跟蹤、控制、參數(shù)計算和設(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 F1咬鋼時, 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級進行帶鋼的頭部跟蹤。當(dāng)判斷帶 鋼進入層流冷卻區(qū)時,考慮閥門的開啟延時,提前打開閥門,在整個帶鋼的頭部通過層冷區(qū)時,會依次按照預(yù)設(shè)定的結(jié)果開閥。同時,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)的高溫計時, L2級會進行帶鋼段之間的自適應(yīng),對模型計算進行修正,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入層冷區(qū)時,會依次關(guān)閉閥門;當(dāng)尾部離開層流區(qū)時, L2級啟動帶鋼之間的自學(xué)習(xí)。 這樣,整個層流冷卻系統(tǒng)就形成了一個前饋控制和閉環(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: 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 7 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 閥門開閉延時處理 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 FT h Qw、 Tw 精軋設(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、 Tw CT 閉環(huán)控制 前饋控制 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 8 圖 25 過程自動化控制 L2級服務(wù)器圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 9 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 和實物圖 ;然后對層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進行了描述 ,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。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 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架到達(dá)卷取測溫計 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,在整個過程中可以用同一個溫度 T 來計算。 空冷區(qū) 的 輻射 溫降 ΔTf 可以按下列公式計算 : 42 27 3()100f TT Ch?? ?? ?? ? ? ? () 式中 ΔTf — 空冷區(qū)溫降, ℃ ; Δτ — 軋件移動時的溫 降時間, 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,帶鋼通過層流水時的換熱是一種強迫對流形式,主要是以對流的形式散熱。水冷區(qū)的對流溫降 ΔTd 可以按下列公式計算: 00 2[ ( ) e xp ( ) ]d W W LT T T T T C ???? ? ? ? ? () 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(論文)報告紙 11 式中 ΔTd — 層流冷卻溫降, ℃ ; To — 帶鋼進入水冷區(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、帶鋼的運行速度、帶鋼的尺寸等一系列因 素有關(guān) [8]。為了使理論計算更接近于生產(chǎn)實際,必須對輸出輥道上的冷卻情況進行大量的統(tǒng)計,以便確定對流換熱系數(shù) α 的變化規(guī)律。 因此對流換 熱系數(shù)一般是理論公式和實測統(tǒng)計相結(jié) 合的綜合統(tǒng)計模型。一般采用下列 回歸公式計算: 201aa a Q T? ?? () 式中 T — 帶鋼表面溫度, ℃ ; Q — 水流密度; a0、 a a2 — 回歸系數(shù)。 卷取溫度預(yù)報模型 在層流冷卻系 統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中,卷取溫度預(yù)報模型是基礎(chǔ)模型,也是其他控制模型的關(guān)鍵與核心,其精度直接關(guān)系到整個冷卻控制系統(tǒng)的溫度控制效果及產(chǎn)品性能 。 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報模型 傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報模型根據(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),進行卷取溫度預(yù)測。帶鋼表面
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