專利名稱：基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于連鑄坯溫度在線測量反饋控制和傳熱數(shù)學模型動態(tài)控制相結(jié)合的連鑄二冷動態(tài)控制新方法。該方法主要應用于冶金行業(yè)鋼鐵材料及其他金屬材料的連續(xù)澆鑄成型領(lǐng)域，適用于各種類型連鑄機的二次冷卻動態(tài)控制。
背景技術(shù)：
隨著鋼鐵行業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)外鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)，鋼產(chǎn)品的質(zhì)量成了鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要目標。連鑄坯的質(zhì)量對后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)及最終產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。高質(zhì)量鑄坯的生產(chǎn)，成了連鑄生產(chǎn)企業(yè)和連鑄工作者的主要目標，提升鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)提高競爭力的主要途徑。作為鋼鐵生產(chǎn)的一道重要工序，連鑄過程是鋼鐵產(chǎn)品凝固成型、質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，連鑄過程中的二次冷卻控制不合理是鑄坯產(chǎn)生裂紋、中心偏析、疏松等缺陷的重要原因。加強連鑄過程鑄坯凝固狀態(tài)的在線穩(wěn)定控制，是提高連鑄坯質(zhì)量的重要手段和基本保證。伴隨著鋼鐵連鑄技術(shù)的誕生和快速發(fā)展，連鑄二次冷卻的控制方法也得到了迅速地發(fā)展。連鑄技術(shù)發(fā)展初期，連鑄機的二次冷卻通常由一個固定的水表進行控制，并由配水工人肉眼判斷連鑄坯的溫度，從而對二冷水進行人為調(diào)整。隨著技術(shù)的發(fā)展以及計算機仿真技術(shù)在冶金中的應用，二次冷卻水量已不再是由固定的水表和人為判斷調(diào)整，而是根據(jù)連鑄坯目標表面溫度，通過離線傳熱仿真模型計算獲得。二冷水量通常是一個隨拉速變化 的曲線關(guān)系系，這更加符合拉速連續(xù)變化的實際情況。隨著自動化技術(shù)和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展成熟，目前大部分連鑄機的二次冷卻控制發(fā)展成了在線的計算機動態(tài)控制。二冷動態(tài)控制技術(shù)大大加強了二次冷卻控制的靈活性，可以一定程度上考慮了拉速、過熱度以及其他操作工藝因素對二次冷卻的影響，并能根據(jù)實際工藝操作參數(shù)在線調(diào)整連鑄機的二冷配水。對于連鑄過程的二冷動態(tài)控制技術(shù)，國內(nèi)外學者都做了大量的研究。目前主流的二冷動態(tài)控制為基于凝固傳熱數(shù)學模型的動態(tài)控制，即通過建立相應的連鑄二冷傳熱模型，實時采集連鑄生產(chǎn)操作參數(shù)(如拉速、過熱度等)，計算連鑄坯的溫度場，并與預定的連鑄坯目標表面溫度作比較，在線確定鑄機的二冷制度，并實施在線調(diào)整控制。二冷動態(tài)控制方法的應用，使連鑄二次冷卻控制有了很大的進步，靈活性大大增強，并一定程度上可以解決拉速、過熱度等操作參數(shù)波動的干擾。但是，這種完全依賴計算機數(shù)學模型的動態(tài)控制方法仍存在一定的局限性
①二冷動態(tài)控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，它不去考證實際鑄坯表面溫度，而是把自身傳熱模型計算得到鑄坯溫度場當作連鑄坯實際溫度，并用于判斷和二冷控制。②二冷動態(tài)控制系統(tǒng)的控制效果完全依賴于它的傳熱模型的準確性和可靠性。如果傳熱模型的邊界條件與實際連鑄機邊界條件不相符，傳熱模型計算的鑄坯溫度場就無法正確反映連鑄坯的真實熱狀態(tài)，不能有效實施二冷水動態(tài)控制，甚至導致鑄坯缺陷。
③連鑄過程是一個連續(xù)運動的、非常復雜的冷卻凝固過程。由于在線控制時間上的要求和數(shù)學模型建立求解的局限性，通常動態(tài)傳熱模型都為一維模型，做了很多簡化假設，傳熱模型的邊界條件很難完全符合連鑄機生產(chǎn)的實際邊界條件。基于傳熱模型二冷動態(tài)控制的上述3個限制性技術(shù)問題，正是目前很多鋼鐵企業(yè)連鑄機二冷動態(tài)控制系統(tǒng)和二冷動態(tài)輕壓下系統(tǒng)應用效果不佳的重要原因。為避免凝固傳熱模型準確性的干擾，另外一種方法是依據(jù)實際測量的連鑄坯表面溫度進行二冷水在線動態(tài)控制，即二冷閉環(huán)動態(tài)控制方法?？刂七^程中，對連鑄坯的表面溫度進行在線測量，實時反饋回到控制模型中，有控制模型實時計算，對連鑄二冷水進行動態(tài) 控制?；阼T坯表面溫度在線測量的二冷閉環(huán)動態(tài)控制模型的可靠性完全依賴于鑄坯實際溫度測量的準確程度。連鑄過程中，連鑄坯是高溫運動的物體，所處的環(huán)境中有水霧、灰塵、油污等，同時鑄坯表面布滿不規(guī)整的氧化鐵皮和水膜。這些因素均導致連鑄二冷區(qū)鑄坯表面溫度的在線測量較困難。對于連鑄坯表面溫度的測量，目前只能對二冷中后期水霧較少區(qū)域的連鑄坯表面溫度進行在線準確測量。在無法直接測量鑄坯表面溫度的二冷區(qū)，其水量的動態(tài)控制的準確性得不到控制的保證。因此，基于鑄坯表面溫度在線測量的二冷動態(tài)控制模型在實際連鑄應用中仍存在一定的局限性。綜上所述，不管是基于凝固傳熱模型的二冷動態(tài)控制方法還是基于鑄坯表面溫度在線測量的二冷動態(tài)控制方法，目前都存在其局限性，直接影響到連鑄坯質(zhì)量的控制和提聞。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明解決現(xiàn)有連鑄二冷動態(tài)控制局限性和準確性問題，提高連鑄二冷動態(tài)控制的準確性、可靠性，及運行的穩(wěn)定性；以提升鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，提高連鑄生產(chǎn)率。解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法，其特征在于，構(gòu)建連鑄二冷動態(tài)新模型并植入計算機系統(tǒng)，嵌入連鑄機的配水系統(tǒng)，并與PLC控制器連接通信；將非接觸式測溫儀CQU-2MB安裝于連鑄矯直區(qū)域，并與PLC控制器連接通信，與連鑄二冷動態(tài)新模型構(gòu)成反饋回路；具體方法包括如下步驟
1)連鑄二冷動態(tài)新模型在線采集當前的工藝操作參數(shù)，包括拉速、鋼水過熱度、二冷水量、鋼水成分、二冷水溫、結(jié)晶器冷卻水溫，并實時仿真計算獲得整個連鑄過程中的鑄坯溫度分布、凝固殼厚度分布和液芯長度參數(shù)；
2)應用非接觸式測溫儀CQU-2MB，在線連續(xù)測量連鑄坯表面溫度；
3)結(jié)合實測鑄坯表面溫度和實時修正的動態(tài)傳熱模型仿真計算的鑄坯表面溫度，根據(jù)二冷各回路的分配系數(shù)，計算確定當前控制周期的二冷各回路真實的鑄坯表面溫度；
4)結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，采用PID控制算法，計算獲得當前控制周期二冷各回路的冷卻水量，并輸出到PLC控制器，在線控制調(diào)整各二冷回路的水量；
5)在對連鑄二次冷卻水量進行動態(tài)控制的同時，根據(jù)實測的鑄坯溫度和傳熱模型預測的鑄坯溫度，采用PID算法，在線修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件，即修正二冷各回路的傳熱系數(shù)，以供下次的傳熱模型計算使用；
6 )步驟I) 一步驟5 )均在一個控制周期內(nèi)快速完成，控制周期設定在5秒以內(nèi)，每個控制周期都會重復執(zhí)行步驟I) 一步驟5)。進一步，在一個控制周期內(nèi)，所述二冷動態(tài)新模型的控制步驟包括
A、確定當前連鑄坯實際表面溫度
結(jié)合實測溫度和實時修正的傳熱模型預測溫度，根據(jù)兩者差 值確定各二冷回路當前的連鑄坯實際表面溫度，計算算法如下
Ti (T) = Z4 (T) +^V(TJj)-Tfj⑴)
(I)
式中'i -各二冷控制回路的序,=1，2，3，…； τ 一時間，s ；
Τ,{ τ )-時刻r第i 二冷回路的鑄坯實際表面溫度，° C;
tc,-時刻r傳熱模型預測計算的第i 二冷回路的鑄坯表面溫度，° C;
rcs(r)-時刻r傳熱模型預測計算的連續(xù)測溫點的鑄坯表面溫度，° C;
Tm{r)-時刻r連續(xù)測溫點所測得的鑄坯表面溫度，° C; η -溫度修正系數(shù)；與實測溫度的準確度有關(guān)，通常取值為O. 8-1. 2，正常情況下為
I.O ；
e(i)-第i 二冷回路的分配系數(shù)；此系數(shù)與二冷回路水量比例、二冷回路長度等有關(guān)，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系數(shù)之和必須為1.0 ;es -連續(xù)測溫點所在二冷回路的分配系數(shù)；
B、實時計算和調(diào)整控制連鑄二冷水量
結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，在線控制調(diào)整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，計算算法如下
AT“； : 7； (T)-Tsm
(2)
幽(3)
式中Λ7；.(γ)-時刻r第i 二冷回路鑄坯實際表面溫度與目標表面溫度差值，° C;
Tainhi -第i 二冷回路的目標鑄坯表面溫度，° C;
^- ( O -時刻τ第i 二冷回路的控制水量，L/min ；
Kp^ KK0 —分別為比例增益、積分時間和微分時間。為便于計算機編程實現(xiàn)，通?？梢詫刂颇Ｐ偷奈⒎址匠袒騻鬟f函數(shù)進行差分離散化得到過程控制差分方程。對公式(3)進行差分離散化后得到以下控制方程
Q (t) = Q +Kp I+——+-i tj!(i) — I+·---.....-1 ATi {A-1) +-γδ Νζ(A- 2| (4)
、ΔτJ\ ΔΤ/Δτ式中'Qi⑷、Qi (^-1)—時刻k和時刻左-I的第 二冷回路的控制水量，L/min ；
Δ τ -控制時間步長，即控制周期，S。C、實時修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件
在對連鑄二次冷卻水量進行動態(tài)控制的同時，根據(jù)實測溫度和傳熱模型預測的溫度，在線修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件，即修正二冷各回路的傳熱系數(shù)；為提高動態(tài)傳熱模型的邊界條件修正效率，使其平滑趨近連鑄實際傳熱邊界條件，采用PID控制方法對動態(tài)傳熱模型各二冷回路的傳熱系數(shù)進行修正
ATu(T)^Tej(T)-Ti(T)
(5)
/ % I r1 VdATlj (τ)
= ATki (r)+—J0 LTu {τ) τ+Κ j(6)
式中Λ7^(γ) —時刻τ第i 二冷回路模型預測計算溫度與鑄坯實際表面溫度的差值，° C;
h人τ)-時刻τ第i 二冷回路的傳熱系數(shù)，W/(m2° C);
對公式(6)進行差分離散化后得到以下控制方程
(A)+Kp 1+^-+·^ LThi (λ-J(Ar-Ij ATkj (A-2) (7)
式中-Mi⑷^hi (H)—時刻k和時亥Ij k-\的第I 二冷回路的傳熱系數(shù)，ff/ (m2。C)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果
I、結(jié)合了基于鑄坯表面溫度在線測量的二冷閉環(huán)動態(tài)控制方法和基于凝固傳熱模型的二冷動態(tài)控制方法的優(yōu)點，并互補兩者的不足和局限性，提出建立了一種新的連鑄二冷動態(tài)模型；大大提高了連鑄二冷動態(tài)控制的準確性、可靠性，及運行的穩(wěn)定性。2、應用在線測量的鑄坯表面溫度，實時修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件，可以保證動態(tài)傳熱模型時時刻刻與連鑄實際傳熱相符合，提高動態(tài)傳熱模型的溫度預測準確率；彌補了基于凝固傳熱模型的二冷動態(tài)模型溫度預測不準確的問題。3、采用鑄坯溫度在線測量與動態(tài)傳熱模型預測相結(jié)合的方法，確定連鑄坯實際溫度，并擴展獲得無法進行在線測量的二冷區(qū)域的鑄坯真實溫度，確定的連鑄坯溫度更符合實際，更可靠；彌補了基于鑄坯表面溫度在線測量的二冷閉環(huán)動態(tài)控制方法只能測量部分區(qū)域鑄坯溫度的問題，以及基于凝固傳熱模型的二冷動態(tài)模型溫度預測不準確的問題。4、以現(xiàn)有連鑄二冷動態(tài)控制方法為基礎，取長補短，建立一種新的連鑄二冷動態(tài)模型，實現(xiàn)連鑄二次冷卻的長期穩(wěn)定準確動態(tài)控制，應用基礎已經(jīng)具備，此方法應用簡單易行，成效明顯。


圖I是本發(fā)明連鑄二冷動態(tài)新模型控制原理 圖2是本發(fā)明連鑄二冷動態(tài)新模型的控制系統(tǒng)簡圖。
具體實施例方式參見圖I和圖2，一種基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法，結(jié)合在線測溫的動態(tài)控制模型和傳熱模型動態(tài)控制模型構(gòu)建連鑄二冷動態(tài)新模型并植入計算機系統(tǒng)，嵌入連鑄機的配水系統(tǒng)，并與PLC控制器連接通信；將非接觸式測溫儀CQU-2MB安裝于連鑄矯直區(qū)域，并與PLC控制器連接通信，與連鑄二冷動態(tài)新模型構(gòu)成反饋回路；具體方法包括如下步驟
1)連鑄二冷動態(tài)新模型在線采集當前的工藝操作參數(shù)，包括拉速、鋼水過熱度、二冷水量、鋼水成分、二冷水溫、結(jié)晶器冷卻水溫等，并實時仿真計算獲得整個連鑄過程中的鑄坯溫度分布、凝固殼厚度分布和液芯長度等參數(shù)；
2)應用非接觸式測溫儀CQU-2MB，在線連續(xù)測量連鑄坯表面溫度；考慮鑄坯表面氧化鐵皮的影響，在連續(xù)測量獲得的若干組溫度數(shù)據(jù)中，篩選最高溫度值作為當前控制周期的真實鑄坯表面溫度，并通過PLC控制器反饋回到連鑄中控室。本發(fā)明專利只對矯直區(qū)域(關(guān)鍵區(qū)域)的鑄坯表面溫度進行測量。
3)結(jié)合實測鑄坯表面溫度和實時修正的動態(tài)傳熱模型仿真計算的鑄坯表面溫度，根據(jù)二冷各回路的分配系數(shù)，計算確定當前控制周期的二冷各回路真實的鑄坯表面溫度；
4)結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，采用PID控制算法，計算獲得當前控制周期二冷各回路的冷卻水量，并輸出到PLC控制器，在線控制調(diào)整各二冷控制回路的水量；
5)在對連鑄二次冷卻水量進行動態(tài)控制的同時，根據(jù)實測的鑄坯溫度和傳熱模型預測的鑄坯溫度，采用PID算法，在線修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件，即修正二冷各回路的傳熱系數(shù)，以供下次的傳熱模型計算使用；
6)步驟I) 一步驟5 )均在一個控制周期內(nèi)快速完成，控制周期設定在5秒以內(nèi)，每個控制周期都會重復執(zhí)行步驟I) 一步驟5)。進一步，在一個控制周期(一個水量控制周期)內(nèi)，具體包括
A、確定當前連鑄坯實際表面溫度
結(jié)合實測溫度和實時修正的傳傳熱模型預測溫度，根據(jù)兩者差值確定各二冷回路當前的連鑄坯實際表面溫度，計算算法如下
Ti (T) = Tfj⑴ + 生Zs⑴)
(I)
式中'i -各二冷控制回路的序號，=1，2，3，…； τ 一時間，s ；
Τ,{ τ )-時刻r第i 二冷回路的鑄坯實際表面溫度，° C;
tc,-時刻r傳熱模型預測計算的第i 二冷回路的鑄坯表面溫度，° C;
rcs(r)-時刻r傳熱模型預測計算的連續(xù)測溫點的鑄坯表面溫度，° C;
Tm{r)-時刻r連續(xù)測溫點所測得的鑄坯表面溫度，° C; η -溫度修正系數(shù)；與實測溫度的準確度有關(guān)，通常取值為O. 8-1. 2，正常情況下為
I. O ；e{i)-第i 二冷回路的分配系數(shù)；此系數(shù)與二冷回路水量比例、二冷回路長度等有關(guān)，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系數(shù)之和必須為1.0 ;es -連續(xù)測溫點所在二冷回路的分配系數(shù)；
B、實時計算和調(diào)整控制連鑄二冷水量
結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，在線控制調(diào)整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，計算算法如下
權(quán)利要求
1.一種基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法，其特征在于，構(gòu)建二冷動態(tài)新模型并植入計算機系統(tǒng)，嵌入連鑄機的配水系統(tǒng)，并與PLC控制器連接通信；將非接觸式測溫儀CQU-2MB安裝于連鑄矯直區(qū)域，并與PLC控制器連接通信，與連鑄二冷動態(tài)新模型構(gòu)成反饋回路；具體方法包括如下步驟 1)連鑄二冷動態(tài)新模型在線采集當前的工藝操作參數(shù)，包括拉速、鋼水過熱度、二冷水量、鋼水成分、二冷水溫、結(jié)晶器冷卻水溫，并實時仿真計算獲得整個連鑄過程中的鑄坯溫度分布、凝固殼厚度分布和液芯長度參數(shù)； 2)應用非接觸式測溫儀CQU-2MB，在線連續(xù)測量連鑄坯表面溫度； 3)結(jié)合實測鑄坯表面溫度和實時修正的動態(tài)傳熱模型仿真計算的鑄坯表面溫度，根據(jù)二冷各回路的分配系數(shù)，計算確定當前控制周期的二冷各回路真實的鑄坯表面溫度； 4)結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，采用PID控制算法，計算獲得當前控制周期二冷各回路的冷卻水量，并輸出到PLC控制器，在線控制調(diào)整各二冷回路的水量； 5)在對連鑄二次冷卻水量進行動態(tài)控制的同時，根據(jù)實測的鑄坯溫度和傳熱模型預測的鑄坯溫度，采用PID算法，在線修正動態(tài)傳熱模型的邊界條件，即修正二冷各回路的傳熱系數(shù)，以供下次的傳熱模型計算使用； 6)步驟I) 一步驟5 )均在一個控制周期內(nèi)快速完成，控制周期設定在5秒以內(nèi)，每個控制周期都會重復執(zhí)行步驟I) 一步驟5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法，其特征在于，在一個控制周期內(nèi)，所述二冷動態(tài)新模型的控制步驟包括 A、確定當前連鑄坯實際表面溫度 結(jié)合實測溫度和實時修正的傳熱模型預測溫度，根據(jù)兩者差值確定各二冷回路當前的連鑄坯實際表面溫度，計算算法如下 % (T) = & 執(zhí)在.V (Tm (T) — TJt:))⑴ 式中'i -各二冷控制回路的序號，2 =1，2，3，…； τ —時間，s; Τ,{ τ )-時刻r第i 二冷回路的鑄坯實際表面溫度，° C; tc,-時刻r傳熱模型預測計算的第i 二冷回路的鑄坯表面溫度，° C; rcs(r)-時刻r傳熱模型預測計算的連續(xù)測溫點的鑄坯表面溫度，° C; Tm{r)-時刻r連續(xù)測溫點所測得的鑄坯表面溫度，° C; η -溫度修正系數(shù)；與實測溫度的準確度有關(guān)，通常取值為O. 8-1. 2，正常情況下為I. O ； e(i)-第i 二冷回路的分配系數(shù)；此系數(shù)與二冷回路水量比例、二冷回路長度等有關(guān)，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系數(shù)之和必須為1.0 ; es -連續(xù)測溫點所在二冷回路的分配系數(shù)； B、實時計算和調(diào)整控制連鑄二冷水量 結(jié)合實際鑄坯表面溫度與目標表面溫度，在線控制調(diào)整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，計算算法如下
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于在線測溫與傳熱模型的連鑄二冷動態(tài)控制方法，構(gòu)建連鑄二冷動態(tài)新模型并植入計算機系統(tǒng)，嵌入連鑄機的配水系統(tǒng)，并與PLC控制器連接通信；將非接觸式測溫儀CQU-2MB安裝于連鑄矯直區(qū)域，并與PLC控制器連接通信，與連鑄二冷動態(tài)新模型構(gòu)成反饋回路；連鑄過程中，連鑄二冷動態(tài)新模型在線采集各種工藝操作參數(shù)；實時仿真計算參數(shù)；對連鑄矯直區(qū)的鑄坯表面溫度進行在線測量；通過在線實測的溫度、實時修正的傳熱模型預測的溫度與目標鑄坯表面溫度進行對比計算，實時控制調(diào)整連鑄二冷水量。本發(fā)明大大提高了連鑄二冷動態(tài)控制的準確性、可靠性，及運行的穩(wěn)定性；此方法應用簡單易行，成效明顯。
文檔編號B22D11/22GK102814481SQ20121031014
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者龍木軍, 陳登福, 董志華, 張蕾蕾, 謝鑫, 趙巖, 馬有光, 張星 申請人:重慶大學