【導(dǎo)讀】了解帶鋼熱連軋的生產(chǎn)工藝，理解層流冷卻系統(tǒng)的整體架構(gòu)。掌握層流冷卻中用到的控制模型的原理。對完成的工作進行總結(jié)，按格式撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，準時參加答辯。師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。鋼加工性能、力學(xué)性能和物理性能的重要工藝參數(shù)之一。而熱連軋帶鋼的實際卷取溫度能否控制在要求的范圍內(nèi),則主要取決于精。軋機架后層流冷卻控制系統(tǒng)。同時，設(shè)計并繪制了基于西門子WinCC. 所有這些實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的全自動控制。表明，這些控制策略和控制模型功能完善、性能穩(wěn)定、控制精度高。

　　

【正文】 前饋控制模型 在帶 鋼熱連軋生產(chǎn)線上，精軋末機架與層流冷卻系統(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)模型計算，決定集管噴嘴開啟和關(guān)閉的位置、數(shù)量和組態(tài)。并連續(xù)檢測第 6 臺精軋機架 F6 的出口速度、溫度、厚度、 冷卻水溫的變化，從而不斷地通過改變冷卻集管的開啟和關(guān)閉的數(shù)量，來預(yù)先進行卷取溫度的控制。前饋控制冷卻水段數(shù)采用下列公式計算： 12{ ( ) [ ( ) ( ) ] }FF i i s FA FS C A C AS hvN P R v v a T T T T T aQ? ? ? ? ? ? ? ? ? () 式中 NFF — 前饋控制冷卻 噴 水段數(shù)； TFA — 終軋溫度目標值 ， ℃ ； ΔT — 轉(zhuǎn)移控制所需要的溫度修正值 ， ℃ 。 其實，前饋控制模型是在預(yù)設(shè)定模型的基礎(chǔ)推導(dǎo)而來，除此之外，還可以推導(dǎo)出以下兩個控制模型： （ 1） 終軋溫度補償控制模型： 12 ()FF T F FAhvN a a T TQ?? () 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 19 式中 NFFT — 終軋溫度補償控制冷卻 噴 水段數(shù)； a a2 — 系數(shù)。 （ 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)。 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)的下游處進行。假設(shè) 上游冷卻水段數(shù)過多 ，就會使帶鋼的溫度過 低，則進行反饋控制時，必須關(guān)閉噴水段，才能使 帶鋼溫度提高，然而下游又沒有可關(guān)閉的噴水段，這樣反饋控制就起不了作用。因此在卷取溫度目標值中預(yù)加 ΔT ，使下游處增加水冷段數(shù)，等效于將上游冷卻段數(shù)的一小部分轉(zhuǎn)移到下游處，為反饋控制留出余地，實際經(jīng)驗表明， ΔT取 30～ 50為宜。 反饋控制模型 反饋控制模型主要用來修正卷取目標溫度與實際溫度的偏差，以便達到較高的卷取溫度控制精度。最初的反饋控制，由于控制信號時間滯后較長，因此為避免振蕩，實際上只是根據(jù)帶鋼頭部的實測溫度對設(shè)定計算結(jié)果進行一次性修正。分為兩 部分調(diào)節(jié)，一是當(dāng)帶鋼的頭部到達層流冷卻系統(tǒng)出口高溫計溫度檢測點時，如果檢測的溫度與通過模型計算的溫度值產(chǎn)生誤差時，則通過反饋控制對所產(chǎn)生的誤差值進行修正；二是當(dāng)帶鋼頭部到達卷取溫度檢測點時，若所測卷取溫度與設(shè)定的卷取溫度產(chǎn)生誤差時，則通過反饋控制對所產(chǎn)生的誤差進行集管開啟修正控制。修正采用下列公式計算： 2()F B C o C A hvN T T aQ?? () 式中 NFB — 修正冷卻水段數(shù)； TCO — 帶鋼頭部實測溫度（通常為采樣數(shù)據(jù)平 均值） ， ℃ 。 需要指出的是，式 （ ）中給出的反饋控制算法，由于不能進行帶鋼的全長反饋控制，因此其控制效果是很有限的。為了解決帶鋼全長反饋控制問題，在卷取溫度控制的實踐中，采用下列反饋控制算法： ( ) ( )C T c C Ae t T t T?? () 式中 TCA — 實測卷取溫度目標值， ℃ 。 令 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 20 () 則 130( ) ( ) ( )4ttPF B d dj t jKE t e j K e j? ? ????? () 式中 KP — 反饋控制比例項增益因子； K1 — 反饋控制積分項增益因子。 于是， ()可改寫為： ( ) ( ) 2FB FB hvN t E t aQ? () 實踐證明，該算法在抑制振蕩、提高卷取溫度控制精度、簡化設(shè)定模型的控制參數(shù)整定等方面，取得了較好的效果，并已經(jīng)成功地應(yīng)用在我國若干套大型帶鋼熱連軋機上。 根據(jù)上述的前饋控制模型、 終軋溫度補償控制模型 、 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)用于計算機控制的一項技術(shù) [11]。僅僅根據(jù)上述的幾種控制模型，卷取溫度的控制精度是有限的。因此，為了提高計算精度，增強控制模型的適應(yīng)性，模型的設(shè)計需要考慮自學(xué)習(xí)功能，通過學(xué)習(xí)可以獲得用于修正溫度預(yù)報模型的自學(xué)習(xí)系數(shù)，即模型具有根據(jù)自身經(jīng)歷不斷修正以提高精度的學(xué)習(xí)能力。 其基本原理是根據(jù) 帶鋼卷取溫度的實測值和預(yù)報值之間的偏差，采用適當(dāng)?shù)男拚惴ǎ瑢︻A(yù)報模型中的重要參數(shù)進行修正，以提高模型對以后帶鋼的預(yù)報精度。 自學(xué)習(xí)主要包括長期自學(xué)習(xí)和短期自學(xué)習(xí)。 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)。當(dāng)帶鋼段出層冷區(qū)的高溫計時，滿足一定條件下，要進行帶鋼段之間的自學(xué)習(xí)，以提高控制精度。短期自學(xué)習(xí)采用指數(shù)平滑法： _ ( 1 ) _N e w L e a r n N e w L e a r n i G a i n G a i n O l d L e a r n i? ? ? ? ? () 式中 NewLearn — 當(dāng)前帶鋼段自學(xué)習(xí)后的自學(xué)習(xí)值； 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 21 NewLearn_i — 當(dāng)前帶鋼段的自學(xué)習(xí)值，由實測值反推得到； OldLearn_i — 上一帶鋼段自學(xué)習(xí)后的自學(xué)習(xí)值； Gain — 增益系數(shù)， 0≤Gain≤1，在自學(xué)習(xí)過程中需要取值合適，取值時需要考慮實測值的可信度和該規(guī)格的帶鋼已經(jīng)自學(xué)習(xí)的次數(shù)。 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，所以需要進行長期自學(xué)習(xí)。 當(dāng)帶鋼全部都出了層冷區(qū)的高溫計時，采用指數(shù)平滑法進行帶鋼之間的自學(xué)習(xí)，為保證穩(wěn)定性，可以取合適的增益系數(shù) α 。主要是利用控制點之間的自學(xué)習(xí) 所得到的系數(shù) Ki ，在 Ki 中選取平均計算的結(jié)果作為自學(xué)習(xí)系數(shù) β ，讀取上一塊的結(jié)果 βold ，利用指數(shù)平滑法計算 βnew： 圖 32 自學(xué)習(xí)模型原理圖 1/n iiKn???? () ()ne w old old? ? ? ? ?? ? ? () 自學(xué)習(xí)模 型原理圖如圖 32所示： 第 I+1 塊鋼 第 I 塊鋼 第 L段 第 M段 第 N段 FT CT h 粗調(diào) 動態(tài)設(shè)定 修正后的 集管組態(tài) 修正后的 集管組態(tài) 精 調(diào) 動態(tài)設(shè)定 實測 卷取溫度 計算模型 卷取溫度 對流 換熱系數(shù) 實際 閥門組態(tài) 實測 帶鋼速度 自學(xué)習(xí)修正 帶鋼段之間的自學(xué)習(xí) 預(yù)設(shè)定 預(yù)設(shè)定的 集管組態(tài) 帶鋼之間的自學(xué)習(xí) 短期自學(xué)習(xí) 長期自學(xué)習(xí) 第 M段 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 22 數(shù)據(jù)庫模型 當(dāng)帶鋼冷卻結(jié)束后，過程自動化控制級 L2級將該帶鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括日期時間、鋼卷號、目標數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)以及測量數(shù)據(jù)添加到本地工程記錄數(shù)據(jù)庫中。為了方便查看本地歷史工程記錄，可以根據(jù)需要對工程記錄進行各種組合查詢和排序。 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)定計算及 卷取溫度預(yù)報 帶鋼跟蹤 層冷入口實測數(shù)據(jù)處理 前饋控制 層冷出口實測數(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（論文）報告紙 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)報模型 的傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報模型 、 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷取溫度預(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)模型以及數(shù)據(jù)庫模型。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。由前述內(nèi)容，可得到層流冷卻控制的系統(tǒng)流程圖，如圖 1所示。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 24 4 層流冷卻的控制策略 由于軋制的帶鋼的鋼種和軋后的厚度不同，所以采用的軋后控冷策略是不同的，主要包括冷卻策略、帶鋼分段控制、層冷區(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 。 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。 操作工可以在 HMI 上面根據(jù)實際情況輸入上集管閥門和下集管閥門的開啟位置，同時在程序中應(yīng)當(dāng)加以保護。 冷卻 方向 在軋制不同的鋼種時，為了更好的控制冷卻速率，根據(jù)工藝制度，需要確定不同的冷卻方向，以獲取不同的組織成分。 主要包括前向冷卻和后向冷卻。 前向冷卻 前向冷卻又叫前段冷卻。 集管的 開啟方向由精軋向卷取方向開啟。在這種冷卻方式 下，帶鋼在剛進入冷卻區(qū)時將以最大的冷卻速率冷卻到目標卷取溫度。 前向冷卻示意圖如圖 41所示： 圖 41 前向冷卻示意圖 它實質(zhì)上是以前饋控制為主體，而補償控制和反饋控制為輔的一種冷卻控制方式。 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。 后向冷卻 后向冷卻又叫后段冷卻。 在這種冷卻方式 下，帶鋼在剛進入冷卻區(qū)時將會空冷一段距離，然后再快速冷卻到目標卷 取溫度。 后向冷卻的示意圖如圖 42所示： F7 v 1 號噴嘴 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 25 圖 42 后向冷卻示意圖 它 是在層流冷卻裝置的后段（即靠近卷取機的那一側(cè)），將前饋控制、補償控制和反饋控制作為一個整體，用上部噴水集管從卷取機側(cè)向帶鋼逆流的方向增減噴水集管的方法，即冷卻水從上部噴出，下部不噴水；噴水量為 NFF、 NFFT、NFB 的總和 。后向冷卻用于帶鋼厚度小于 的碳素鋼和低級硅鋼的冷卻。 集管稀疏模式 在軋制一些鋼種時（如：微合金鋼），工藝要求冷卻時的冷卻速率比較緩慢 ，此時可以指定集管組（ 4個控制段為一 個集管 組，即一個 傾翻架為一個集管組 ）的稀疏模式。 可以通過 PDI 或者 HMI 指定集管組態(tài)時的稀疏模式，主要包括： （ 1） 1/4模式 (X000)：表示一個傾翻架開一個水閥，規(guī)定開第一個水閥。 X表示開， 0：表示關(guān)，后面的模式意義一樣。 （ 2） 2/4模式（ X0X0）：表示一個傾翻架開兩個水閥，規(guī)定開第一個和第三個水閥。 （ 3） 3/4模式（ XXX0）：表示一個傾翻架開三個水閥，規(guī)定開第一個、第二個和第三個水閥 （ 4） 4/4模式（ XXXX）：表示一個傾翻架的水閥全開。 頭尾特殊處理 在帶鋼冷卻過程中，為了控制帶鋼頭部和尾部的溫 度均勻性，方便卷取控制，保證卷取的卷形質(zhì)量，對于一些硬質(zhì)帶鋼及厚帶鋼（約 8mm以上） ，需要對帶鋼的頭尾進行特殊的處理。 常用的特殊處理方式主要有： 頭部不冷 、 尾部不冷 、頭尾不冷、 頭部微冷 、尾部微冷 和頭尾微冷。選擇何種特殊處理方式可以采用 PDI 下達或則 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。 臨界溫度的確定 為了實現(xiàn)對雙相鋼和部分特殊鋼種的冷卻速度控制，需指定臨界溫度，以便控制 帶鋼的組織成分。在這種工藝要求下，帶鋼在冷卻區(qū)中控制過程 如下 ：首先采用前向冷卻以最大的冷卻速度冷 卻到臨界溫度，然后空冷一定