CN103397171A - 一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于轧钢加热炉的炉温控制方法，以确定加热炉炉温设定值。该方法包括以下步骤：S1：根据钢坯温度计算模型预测钢坯至当前控制段出口的温度与理论目标温度的差值，将其作为前馈PID回路的输入，以得到前馈炉温修正值；S2：根据炉后测温装置获得钢坯的出炉检测温度与钢坯出炉目标值的差值，并结合各炉段的反馈系数，将其作为反馈PID回路的输入，并得到反馈炉温修正值；S3：根据各炉段的当前炉温值，前馈/反馈炉温修正值，升/降温速度限制，确定各炉段的炉温设定值T(i,t+δt)。本发明集成炉内钢坯前馈控制与出炉钢坯反馈控制，并利用PID回路确定每一控制段的炉温设定值，能够准确的控制炉内的温度，从而满足轧制工艺要求，实现全自动烧钢。

Description

一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法

技术领域

本发明属于冶金自动化领域，具体涉及一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法。

背景技术

钢坯加热炉是热轧生产的重要工序，其主要功能是根据钢坯入炉参数、生产工况和工艺指标，通过控制调节燃气、空气的流量，实现对各控制段的炉温控制，从而使得钢坯在炉内均匀受热，在出炉时以达到工艺要求的轧制温度。而加热炉各炉段的炉温设定问题则关系到钢坯加热质量的好坏和能耗的多少。

目前加热炉炉温控制方法主要包括人工控制方法和自动控制方法。人工控制方法依赖人工经验，通过对炉内状况的观察，人工调节燃气、空气阀门的开度，使得炉温满足当前生产工艺，并使得炉压、炉膛内烟气成分等稳定在一定的生产条件下。自动控制通过设定各控制段的炉温，自动调节燃气、空气的流量及配比。炉温设定值如果由控制系统制定，并根据炉况进行自动调整，则可完全脱离人工控制，实现全自动烧钢功能。

专利《一种加热炉板坯加热过程的炉温控制方法》(CN102433428B)，根据加热炉内热量传递特点，基于加热质量要求、生产设备安全等约束条件，采用自适应差分进化算法确定优化控制方能，该方法偏重于算法描述，且主要应用于板坯加热炉。

专利《热轧加热炉炉温动态设定控制方法》(CN100507027C)，采用板坯预报模型计算板坯段末温度，计算板坯各段所需的必要炉温，通过前向预测确定炉温。该方法没有考虑炉后实测温度，且主要应用于板坯加热炉。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，该方法集成炉内钢坯前馈控制与出炉钢坯反馈控制，并利用PID控制回路确定每一控制段的炉温设定值，从而满足轧制工艺要求，实现全自动烧钢。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，具体包括如下步骤：

S1：对每一控制段，根据钢坯温度计算模型预测钢坯至当前控制段出口的温度与理论目标温度的差值，得到前馈炉温差值，并将其作为前馈PID回路的输入，获得前馈炉温修正值ΔT′_FF(i,t)；

S2：对出炉钢坯，根据获得钢坯的出炉检测温度与钢坯目标温度的差值，并结合各炉段的反馈系数得到反馈炉温差值，并将其作为反馈PID回路的输入，获得反馈炉温修正值ΔT′_FB(i,t)；

S3：根据各炉段的当前炉温实际值T(i,t)，前馈/反馈炉温修正值，炉段温度范围，升/降温速度限制，确定各炉段的炉温设定值T(i,t+δt)，其中i表示第i控制段，t为当前时刻，δt为两次炉温设定的时间间隔。

进一步，所述钢坯温度预测模型根据钢坯基本物性参数、所在炉段炉温，并结合数值传热方法计算得到钢坯的瞬态温度分布。

进一步，所述步骤S1具体包括以下子步骤：

S11：对当前控制段i的第j钢坯，利用钢坯温度计算模型预测钢坯至当前段出口的温度T_j,i，并根据理论目标温度T_j获得该钢坯的温度差值ΔT_j,i＝T_j,i-T_j，其中T_j表示钢坯j在当前控制段的目标温度；

S12：根据其距控制段出口距离设置权值W_j,i，对当前段的所有钢坯进行加权平均，得到该段前馈温度差值ΔT_FF(i,t)，且

其中N表示当前炉段内的钢坯总数；

S13:将前馈温度差值作为前馈PID回路的输入，得到前馈温度修正值ΔT′_FF(i,t)。进一步，所述步骤S2具体包括以下子步骤：

S21：对于出炉钢坯，利用炉后测温装置获得其出炉检测温度为T′_j,o，该钢坯对应钢种的出炉目标温度值为T_j,o，则该钢坯的反馈温度为ΔT_FB,j＝T′_j,o-T_j,o；

S22：从出炉端至入炉端，κ_i为各控制段设定反馈系数，用于确定各段的反馈炉温差值ΔT_FB(i,t)，ΔT_FB(i,t)＝κ_i×ΔT_FB,j；

S23:将反馈温度差值作为反馈PID回路的输入，得到反馈温度修正值ΔT′_FB(i,t)。

进一步，炉段i的炉温修正值为ΔT(i,t)＝ΔT′_FF(i,t)+ΔT′_FB(i,t)，并在加热炉炉段温度范围和升/降温条件约束下，对当前炉温进行修正，获得炉温设定值T(i,t+δt)＝T(i,t)+ΔT(i,t)。

进一步，所述前馈PID回路采用离散PID方法控制，前馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FF}}(i,t)=K_{\mathrm{PFF},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)+K_{\mathrm{IFF},i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFF},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFF,i，K_IFF,i，K_DFF,i分别表示第i段炉温前馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FF(i,t)表示t时刻第i段的前馈炉温修正值，ΔT_FF(i,kδt)表示第k个δt时刻第i段的前馈炉温差值，其中t＝nδt。

进一步，所述反馈PID回路采用离散PID方法控制，反馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FB}}(i,t)=K_{\mathrm{PFB},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)+K_{\mathrm{IFB}.i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFB},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFB,i，K_IFB,i，K_DFB,i分别表示第i段炉温反馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FB(i,t)表示t时刻第i段的反馈炉温修正值，ΔT_FB(i,kδt)表示第k次δt时刻第i段的反馈炉温差值，其中t＝nδt。

有益技术效果：本发明集成炉内钢坯前馈控制与出炉钢坯反馈控制，并利用PID控制回路确定每一控制段的炉温设定值，能够准确的控制炉内的温度，从而满足轧制工艺要求，实现全自动烧钢。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明技术方法流程图；

图2为前馈、反馈控制回路PID参数调节图；

图3为本发明在方坯加热炉的实施实例简化图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实施例中的加热炉对连铸方坯进行加热，方坯尺寸规格为150mm×150mm×11500mm，加热炉炉长20000mm，炉宽12700mm。如图3所示，其炉温控制段包括预热段，加热段和均热段，加热钢种为HPB300，出炉目标温度为1050℃。

一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，具体包括如下步骤：

S1：对每一控制段，根据钢坯温度计算模型预测钢坯至当前控制段出口的温度与理论目标温度的差值，得到前馈炉温差值，并将其作为前馈PID回路的输入，获得前馈炉温修正值ΔT′_FF(i,t)；

S11：对当前控制段i的第j钢坯，利用钢坯温度计算模型预测钢坯至当前段出口的温度T_j,i，并根据理论目标温度T_j获得该钢坯的温度差值ΔT_j,i＝T_j,i-T_j，其中T_j表示钢坯j在当前控制段的目标温度；本实例中钢种在各控制段的目标温度分别设置为500℃，1020℃和1050℃。

S12：根据其距控制段出口距离设置权值W_j,i，对当前段的所有钢坯进行加权平均，得到该段前馈温度差值ΔT_FF(i,t)，且其中N表示当前炉段内的钢坯总数；

S13:将前馈温度差值作为前馈PID回路的输入，得到前馈温度修正值ΔT′_FF(i,t)。

S2：对出炉钢坯，根据获得钢坯的出炉检测温度与钢坯目标温度的差值，并结合各炉段的反馈系数得到反馈炉温差值，并将其作为反馈PID回路的输入，获得反馈炉温修正值ΔT′_FB(i,t)；

S21：对于出炉钢坯，利用炉后测温装置获得其出炉检测温度为T′_j,o，该钢坯对应钢种的出炉目标温度值为T_j,o，则该钢坯的反馈温度为ΔT_FB,j＝T′_j,o-T_j,o；

S22：从出炉端至入炉端，κ_i为各控制段设定反馈系数，用于确定各段的反馈炉温差值ΔT_FB(i,t)，ΔT_FB(i,t)＝κ_i×ΔT_FB,j；本实施例中反馈系数分别取0.25，0.5，1。

S23:将反馈温度差值作为反馈PID回路的输入，得到反馈温度修正值ΔT′_FB(i,t)。

S3：根据各炉段的当前炉温实际值T(i,t)，前馈/反馈炉温修正值，炉段温度范围，升/降温速度限制，确定各炉段的炉温设定值T(i,t+δt)，其中i表示第i控制段，t为当前时刻，δt为两次炉温设定的时间间隔。

本实施例中，所述前馈PID回路采用离散PID方法控制，前馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FF}}(i,t)=K_{\mathrm{PFF},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)+K_{\mathrm{IFF},i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFF},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFF,i，K_IFF,i，K_DFF,i分别表示第i段炉温前馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FF(i,t)表示t时刻第i段的前馈炉温修正值，ΔT_FF(i,kδt)表示第k个δt时刻第i段的前馈炉温差值，其中t＝nδt。

本实施例中，所述反馈PID回路采用离散PID方法控制，反馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FB}}(i,t)=K_{\mathrm{PFB},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)+K_{\mathrm{IFB}.i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFB},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFB,i，K_IFB,i，K_DFB,i分别表示第i段炉温反馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FB(i,t)表示t时刻第i段的反馈炉温修正值，ΔT_FB(i,kδt)表示第k次δt时刻第i段的反馈炉温差值，其中t＝nδt。

本发明所述钢坯温度预测模型根据钢坯基本物性参数、所在炉段炉温，并结合数值传热方法计算得到钢坯的瞬态温度分布。

PID参数可根据炉型以及生产节奏进行调整，本实施例中其PID参数如下表，炉温设定时间间隔δt为45s：

该加热炉采用人工烧钢时，各段炉温需要控制在860℃，1020℃，1070℃，能耗为1140KJ/kg，且在生产过程中，操作人员需要不断调节控制段燃气和空气阀门开度。在使用本专利方法后，各炉段炉温分别稳定在850℃，1015℃，1060℃左右，波动范围不超过10℃，出炉检测温度为1055℃，出炉计算温度为1052℃，能耗降为986KJ/kg，且操作工不需要手工调节各阀门的开度，从而实现了全自动烧钢。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1：对每一控制段，根据钢坯温度计算模型预测钢坯至当前控制段出口的温度与理论目标温度的差值，得到前馈炉温差值，并将其作为前馈PID回路的输入，获得前馈炉温修正值ΔT′_FF(i,t)；

S2：对出炉钢坯，根据获得钢坯的出炉检测温度与钢坯目标温度的差值，并结合各炉段的反馈系数得到反馈炉温差值，并将其作为反馈PID回路的输入，获得反馈炉温修正值ΔT′_FB(i,t)；

S3：根据各炉段的当前炉温实际值T(i,t)，前馈/反馈炉温修正值，炉段温度范围，升/降温速度限制，确定各炉段的炉温设定值T(i,t+δt)，其中i表示第i控制段，t为当前时刻，δt为两次炉温设定的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：所述钢坯温度预测模型根据钢坯基本物性参数、所在炉段炉温，并结合数值传热方法计算得到钢坯的瞬态温度分布。

3.根据权利要求1所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下子步骤：

S11：对当前控制段i的第j钢坯，利用钢坯温度计算模型预测钢坯至当前段出口的温度T_j,i，并根据理论目标温度T_j获得该钢坯的温度差值ΔT_j,i＝T_j,i-T_j，其中T_j表示钢坯j在当前控制段的目标温度；

S12：根据其距控制段出口距离设置权值W_j,i，对当前段的所有钢坯进行加权平均，得到该段前馈温度差值ΔT_FF(i,t)，且

其中N表示当前炉段内的钢坯总数；

S13:将前馈温度差值作为前馈PID回路的输入，得到前馈温度修正值ΔT′_FF(i,t)。

4.根据权利要求1或3所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下子步骤：

S21：对于出炉钢坯，利用炉后测温装置获得其出炉检测温度为T′_j,o，该钢坯对应钢种的出炉目标温度值为T_j,o，则该钢坯的反馈温度为ΔT_FB,j＝T′_j,o-T_j,o；

S22：从出炉端至入炉端，κ_i为各控制段设定反馈系数，用于确定各段的反馈炉温差值ΔT_FB(i,t)，ΔT_FB(i,t)＝κ_i×ΔT_FB,j；

S23:将反馈温度差值作为反馈PID回路的输入，得到反馈温度修正值ΔT_F'_B(i,t)。

5.根据权利要求4所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：炉段i的炉温修正值为ΔT(i,t)＝ΔT′_FF(i,t)+ΔT′_FB(i,t)，并在加热炉炉段温度范围和升/降温条件约束下，对当前炉温进行修正，获得炉温设定值T(i,t+δt)＝T(i,t)+ΔT(i,t)。

6.根据权利要求5所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：所述前馈PID回路采用离散PID方法控制，前馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FF}}(i,t)=K_{\mathrm{PFF},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)+K_{\mathrm{IFF},i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFF},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FF}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFF,i，K_IFF,i，K_DFF,i分别表示第i段炉温前馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FF(i,t)表示t时刻第i段的前馈炉温修正值，ΔT_FF(i,kδt)表示第k个δt时刻第i段的前馈炉温差值，其中t＝nδt。

7.根据权利要求5所述的一种确定钢坯加热炉炉温设定值的方法，其特征在于：所述反馈PID回路采用离散PID方法控制，反馈炉温修正值为： $\mathrm{\Δ}{T^{\′}}_{\mathrm{FB}}(i,t)=K_{\mathrm{PFB},i}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)+K_{\mathrm{IFB},i}\mathrm{\δt}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,\mathrm{k\δt})+K_{\mathrm{DFB},i}[\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t)-\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{FB}}(i,t-\mathrm{\δt})]/\mathrm{\δt};$ δt表示两次炉温设定的时间间隔，K_PFB,i，K_IFB,i，K_DFB,i分别表示第i段炉温反馈控制的离散系统PID参数，ΔT′_FB(i,t)表示t时刻第i段的反馈炉温修正值，ΔT_FB(i,kδt)表示第k次δt时刻第i段的反馈炉温差值，其中t＝nδt。

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