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［摘 要］以萊蕪鋼鐵公司1500mm熱連軋機(jī)層流冷卻系統(tǒng)為對象，對如何提高帶鋼卷取溫度控制質(zhì)量進(jìn)行了研究。在基于非線性函數(shù)分段線性化的預(yù)設(shè)定模型的基礎(chǔ)上，加入了如下措施來改善控制質(zhì)量：考慮模型中所用變量的波動，對預(yù)設(shè)定模型進(jìn)行實時動態(tài)補(bǔ)償；考慮模型中沒有涉及到的因素及慢時變參數(shù)對卷取溫度的影響，對帶鋼頭部進(jìn)行自學(xué)習(xí)。運行結(jié)果證明所采用的這些措施大大提高了控溫精度，能夠很好地滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求。
［關(guān)鍵詞］層流冷卻；卷取溫度；動態(tài)修正；濾波處理
萊蕪鋼鐵公司1500mm帶鋼熱連軋機(jī)生產(chǎn)線是由國內(nèi)自己設(shè)計、安裝和調(diào)試的寬帶鋼熱連軋生產(chǎn)線。北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心為該項目的三電技術(shù)總負(fù)責(zé)方。系統(tǒng)已于2005年6月29日全線貫通，到目前為止，軋制產(chǎn)品的尺寸精度及力學(xué)性能指標(biāo)等均已滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求。本文將介紹該系統(tǒng)在提高卷取溫度控制質(zhì)量方面所做的探索。
1 層流冷卻主要設(shè)備及控制要求
層流冷卻區(qū)是指從精軋出口高溫計FT至卷取機(jī)前高溫計CT之間的這一段區(qū)域，總長約68m。按控制方式的不同，本區(qū)域分為粗冷區(qū)和精冷區(qū)兩部分，每部分都設(shè)有上、下噴水集管及側(cè)噴裝置。其中，上、下噴水集管在輸出輥道上對稱布置，配合工作，以使帶鋼上下表面冷卻均勻；側(cè)噴裝置設(shè)置在輸出輥道上每個冷卻架對應(yīng)的噴水集管之后，用來及時將滯留在帶鋼表面上的水吹走，保證不同冷卻架控制的冷卻水與帶鋼進(jìn)行充分的熱交換。粗冷區(qū)包括9個冷卻架，每個冷卻架設(shè)4組噴水集管，每兩組噴水集管由一個氣動閥共同控制，精冷區(qū)包括6個冷卻架，每個冷卻架設(shè)4組噴水集管，每組噴水集管由一個氣動閥單獨控制。
層流冷卻區(qū)的控制目標(biāo)是把終軋溫度為850～950℃的鋼板按一定冷卻制度迅速冷卻到550～650℃的卷取溫度，控制精度要求為±20℃。
2 卷取溫度控制的預(yù)設(shè)定模型
卷取溫度控制的預(yù)設(shè)定模型是根據(jù)模型所需的邊界條件（終軋溫度、厚度、速度、卷取溫度、冷卻水溫等）的設(shè)定值信息，自動選用冷卻工藝數(shù)據(jù)，如冷卻方式和噴水模式等，計算要達(dá)到目標(biāo)卷取溫度所需的噴水閥門個數(shù)和起始閥門位置及噴水集管開啟和關(guān)閉的組合，并進(jìn)行******冷卻能力校驗，最后把設(shè)定值傳遞給基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)做準(zhǔn)備。
層流冷卻系統(tǒng)本身是—個大滯后、多變量、強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，故控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)定模型采用基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型，即按照不同材質(zhì)、不同厚度規(guī)格的帶鋼分別進(jìn)行統(tǒng)計，獲得一組對應(yīng)情況下的參數(shù)的******值作為模型，若生產(chǎn)的帶鋼厚度不在統(tǒng)計的列表中，則按插值法來求取對應(yīng)的參數(shù)。模型如下：
3 預(yù)設(shè)定模型的補(bǔ)償
3.1 前饋補(bǔ)償
預(yù)設(shè)定模型給出的是在設(shè)定值條件下的閥門開閉組合，但是帶鋼進(jìn)入層流冷卻區(qū)時的實際溫度、厚度、速度是實時變化的，因此為了消除帶鋼自身邊界條件與其設(shè)定值的偏差對卷取溫度的影響，需要對預(yù)設(shè)定模型進(jìn)行前饋補(bǔ)償。其補(bǔ)償方法為：帶鋼出精軋末機(jī)架獲得實測邊界條件后，結(jié)合對帶鋼樣本段的微跟蹤信號對預(yù)設(shè)定模型進(jìn)行修正，即沿帶鋼長度方向分段控制，消除邊界條件的波動對控制結(jié)果的影響。公式如下：
3.2 反饋補(bǔ)償
預(yù)設(shè)定模型及前饋模型只是給出了要把帶鋼冷卻到目標(biāo)卷取溫度理論上應(yīng)該打開的閥門個數(shù)，而不能保證帶鋼實際上一定會達(dá)到目標(biāo)卷取溫度，同時，冷卻過程中也存在不可控的隨機(jī)干擾量[2]，為了把帶鋼全長的實測溫度都控制在要求的精度范圍內(nèi)，需要根據(jù)層流冷卻區(qū)出口處的高溫計的實測值進(jìn)行反饋補(bǔ)償。其補(bǔ)償方法為：當(dāng)帶鋼到達(dá)卷取測溫儀，獲得實測卷取溫度并且頭部自學(xué)習(xí)完成之后，根據(jù)其與設(shè)定值的偏差，反饋回一個控制信號，相應(yīng)地調(diào)節(jié)精調(diào)區(qū)噴水集管的開閉狀態(tài)。
由于粗軋采用的是可逆軋制，在道次轉(zhuǎn)換時
會導(dǎo)致與輥道接觸部分的帶鋼溫降過大，帶鋼經(jīng)精軋及層流冷卻區(qū)冷卻后由于溫度降低，會顯現(xiàn)出明顯的周期性水印，尤其是軋制薄規(guī)格帶鋼時，水印更為明顯，為了避免水印引起卷取溫度反饋控制的震蕩，對實測的卷取溫度進(jìn)行濾波處理，即對檢測到的最近n個數(shù)據(jù)取平均值，之后再用于反饋控制。
考慮到卷取溫度控制系統(tǒng)的大滯后性，為了削弱反饋控制作用太強(qiáng)引起的卷取溫度的振蕩，反饋控制采用仿人智能PI控制算法，即大偏差寸，為了防止積分飽和，采用純P調(diào)節(jié)，且比例系數(shù)取得相對較大，使其迅速趨近目標(biāo)值；小偏差時，為了實現(xiàn)無差控制，采用PI調(diào)節(jié)，且比例系數(shù)取得相對較。
4 預(yù)設(shè)定模型的修正
預(yù)設(shè)定模型只是考慮了影響卷取溫度的最主要因素，還有其他一些不可控。不可測或難以測量的因素沒有涉及到，如冷卻水的水壓波動、粗冷區(qū)或精冷區(qū)不同組集管之間的冷卻能力差異等，導(dǎo)致模型的控制效果不太穩(wěn)定、為了使系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能，采取對帶鋼頭部進(jìn)行自學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)行修正。修正的方法為：每軋一卷帶鋼時，先從自學(xué)習(xí)庫中調(diào)出對應(yīng)于此卷鋼厚度的長期自學(xué)習(xí)值，作為頂設(shè)定的一部分；在帶鋼頭部到達(dá)卷取測溫儀且反饋控制沒有投入前，根據(jù)獲得的實測數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的對應(yīng)于此厚度帶鋼的短期自學(xué)習(xí)值，并進(jìn)行可信度分析；之后再將其應(yīng)用于此卷鋼的軋制。在軋制結(jié)束后，在考慮遺傳效應(yīng)的基礎(chǔ)上、修正對應(yīng)于此厚度規(guī)格的帶鋼的長期自學(xué)習(xí)值。
長期自學(xué)習(xí)值：
5 應(yīng)用效果及結(jié)論
在本系統(tǒng)調(diào)試過程中，筆者對各種調(diào)試方案的運行結(jié)果進(jìn)行了記錄與比較，圖3中（a）是厚度規(guī)格為7.75mm的帶鋼在沒有加入任何補(bǔ)償及修正時的卷取溫度控制曲線，（b）為加入本文所提出的改善措施后的運行結(jié)果。它們的控溫目標(biāo)都是650℃。
溫度控制曲線的分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：實測溫度與目標(biāo)溫度相差±5℃以內(nèi)的占帶鋼全長的39.1％，相差±10℃以內(nèi)的占帶鋼全長的57.3%，相差±20℃以內(nèi)的占帶鋼全長的90.9%，相差±20℃以上的占帶鋼全長的9.1%。圖3（b）中溫度控制曲線的分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：實測溫度與目標(biāo)溫度相差±5℃以內(nèi)的占帶鋼全長的72.4％，相差±10℃以內(nèi)的占帶鋼全長的98.3％，全長的100％都被控制在±20℃以內(nèi)。
通過現(xiàn)場調(diào)試及對相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)得出如下土要結(jié)論：
（1）系統(tǒng)的控制精度取決于統(tǒng)計模型的精度，統(tǒng)計模型對帶鋼厚度的分類越細(xì)，控制
的精度就越高。
（2）前饋補(bǔ)償可提前消除邊界條件波動的影響，反饋補(bǔ)償可對控制結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。
（3）對帶鋼頭部進(jìn)行自學(xué)習(xí)可不斷優(yōu)化統(tǒng)計模型。 |
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