CN105344720A - 一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法 - Google Patents

Abstract

一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，属于轧制过程温度控制领域。利用二次规划优化算法在线优化秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，降低终轧温度计算值和目标值的偏差。带钢在长度方向上按控制周期生成若干控制点；根据各控制点的信息和精轧出口高温计的实测值，计算各控制点的终轧温度计算值和实测值的偏差，通过此偏差修正温度计算模型，提高计算精度，同时，计算各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差；根据温度计算值和目标值的偏差值，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，使各控制点终轧温度满足控制要求。该方法提高带钢终轧温度控制精度，保证带钢全长温度的均匀性，满足成品质量要求。

Description

一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法

技术领域

本发明属于轧制过程温度控制领域，尤其涉及一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法。

背景技术

终轧温度是热轧带钢质量控制的重要参数，其不仅影响轧制带钢的变形抗力及其它轧制参数，还影响轧后带钢的金相组织、力学性能及成品的尺寸精度。因此，为满足带钢成品质量要求，既要使带钢头部达到目标温度，又要保证带钢全长终轧温度均匀性，这样才能满足带钢全长组织性能及尺寸精度要求，同时提高轧制稳定性。

目前，带钢终轧温度控制策略主要有：固定机架间冷却水，调节加速度和固定加速度，调节机架间冷却水。前者带钢全长温度易于控制，均匀性好，但由于速度升高不仅减少了热损失，而且增加了塑性变形热，故若升速过快反会使带钢温度过高而不满足控制要求，导致轧制速度提升不起来，影响了轧制节奏的提升，且稳定性差；后者采用一定加速度，可提高轧制节奏，有利于轧制稳定性，但响应速度慢，易出现带钢全长方向温度波动。由于高精度、高性能钢的控制标准越来越高，传统终轧温度控制模式已不能满足现场的控制要求。因此，针对不同钢种的控制需求，有必要提出一种满足现场实际需求的终轧温度控制方法。

由于终轧温度控制是一个多变量和强耦合的过程，控制模型中需要体现多个变量对结果的影响。所以，该过程可以处理为一个多元非线性优化问题。相对于牛顿法、梯度下降法等非线性优化算法，二次规划优化算法目标函数是凸二次方程，约束是线性约束，任何K-T点都是二次规划问题的极小点，因此具有收敛速度快，计算精度高等特点，能够有效求解非线性规划问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，针对不同钢种的控制需求，即能提高轧制节奏，又能保证终轧温度稳定性、均匀性。

本发明的技术方案为：

步骤一、带钢在长度方向上按控制周期生成若干个控制点；

步骤二、根据各控制点的信息和精轧出口高温计的实测值，计算各控制点的终轧温度计算值和实测值的偏差值，对温度计算模型系数进行修正；计算各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差值ΔT；

步骤三、根据各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差值ΔT，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，使各控制点终轧温度满足控制要求；

所述的控制点的信息为位置时间、尺寸、材料成分、终轧温度计算值；

所述的位置时间包括运行时间、运行距离、时间步长和距离步长；

所述的尺寸包括入口厚度、实际厚度、厚度方向上网格数；

所述的终轧温度计算值是厚度方向上表面值和平均值；

所述的各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量的计算方法如下：

步骤a、选取带钢全长方向上某一个控制点作为调节计算的实际控制点，选取原则为考虑时间上的滞后性，该控制点位于精轧机F1前某一时刻的位置，该时间段为延迟时间；

步骤b、计算该控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差为ΔT；

步骤c、判断采用的终轧温度控制策略，若采用机架间冷却水调节终轧温度，则执行步骤d；若采用秒流量调节终轧温度，则依次执行步骤e和步骤f；

步骤d、计算温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数为：

$s_{flow,i}=\frac{T_1^i-T_0}{{\mathrm{\Δw}}_i}$

式中：

s_flow,i表示第i机架间冷却水，温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数；

T₀表示根据当前机架间水水量计算得到的终轧温度计算值；

T₁ ⁱ表示根据第i机架间水水量+调节裕量计算得到的终轧温度计算值；

Δw_i表示第i机架间冷却水调节裕量；

执行步骤g；

步骤e、计算温度随秒流量加速度变化的敏感系数为：

$s_a=\frac{T_1-T_0}{\mathrm{\Δ}a}$

式中：

s_a表示温度随秒流量加速度变化的敏感系数；

T₀表示根据当前秒流量加速度计算得到的终轧温度计算值；

T₁表示根据当前秒流量加速度+调节量计算得到的终轧温度计算值；

Δa表示当前秒流量加速度调节量；

步骤f、计算温度随秒流量变化的敏感系数为：

$s_m=\frac{T_1-T_0}{\mathrm{\Δ}m}$

式中：

s_m表示温度随秒流量变化的敏感系数；

T₀表示根据当前秒流量计算得到的终轧温度计算值；

T₁表示根据当前秒流量+调节量计算得到的终轧温度计算值；

Δm表示当前秒流量调节量；

步骤g、根据机架间冷却水个数为n，原则上均可参与调节水量控制该控制点温度，则该控制点的自变量为n个，即x₀～x_n-1；并耦合秒流量调节因素，x_n表示秒流量加速度调节量；x_n+1表示秒流量调节量。因此，建立该控制点温度偏差调节的目标函数为：

$\min f\left(x\right)=0.5\×\left(\begin{array}{c}(a+s_{flow,0}^2)+x_0^2+(a+s_{flow,1}^2)x_1^2+\mathrm{...}+(a+s_{flow,n-1}^2)x_{n-1}^2+\\ 2s_{flow,0}{s}_{flow,1}{x}_0{x}_1+\mathrm{...}+2s_{flow,n-2}{s}_{flow,n-1}{x}_{n-2}{x}_{n-1}+(b+s_a^2)x_n^2\\ +(c+s_m^2)x_{n+1}^2+2s_a{s}_m{x}_n{x}_{n+1}+2s_{flow,0}{s}_a{x}_0{x}_n+\mathrm{...}+2s_{folw,n-1}{s}_a{x}_{n-1}{x}_n\\ +2s_{flow,0}{s}_m{x}_0{x}_{n+1}+\mathrm{...}+2s_{flow,n-1}{s}_m{x}_{n-1}{x}_{n+1}\\ +(s_{flow,0}*\mathrm{\Δ}T*x_0+\mathrm{...}+s_{folw,n-1}*\mathrm{\Δ}T*x_{n-1}+s_a*\mathrm{\Δ}T*x_n+s_m*\mathrm{\Δ}T*x_{n+1})\end{array}\right)$

式中：

a表示控制机架间冷却水调节量的罚因子；

b表示控制秒流量加速度调节量的罚因子；

c表示控制秒流量调节量的罚因子；

步骤h、采用二次规划法，计算出调节量x₀～x_n+1；

步骤i、判断第一台轧机或最后一台轧机带载信号，若为真，则继续循环执行；反之，循环结束。

所述的若干个控制点个数为：60～90。

所述的控制周期为1s。

所述的温度计算模型系数进行修正为：

$f_{new}=(1-\mathrm{\β})f_{old}+\mathrm{\β}(f_{old}+\frac{T_{mea}-T_{cal}^{surf}}{s})$

式中：

f_new表示本次根据实测值计算的温度修正系数；

β表示平滑因子，设置为0.4；

f_old表示上一次计算的温度修正系数；

T_mea表示某一控制点的温度实测值；

表示某一控制点的表面温度计算值；

s表示某一控制点表面温度随工况变化的敏感系数。

所述的s_flow,i为：-500～500℃/m²/s。

所述的x₀～x_n-1的取值范围为-0.004≤x₀～x_n-1≤0.004m²/s；所述的x_n的取值范围为：0≤x_n≤0.5m²/s；所述的x_n+1的取值范围为：-0.2≤x_n+1≤0.2m²/s。

本发明提供的一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，对带钢全长方向上的温度进行预调节，克服时间上的滞后性，加快时间响应。根据精轧出口温度实测值，修正温度计算模型，保证模型具有较高的计算精度；再结合终轧温度计算值和目标值的偏差，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，使各控制点终轧温度趋于目标温度。该方法即能提高轧制节奏，又能保证温度稳定性、均匀性，能够满足不同钢种的控制需求。

附图说明

图1是本发明“一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法”的示意图；

图2是本发明具体实施方式的终轧温度控制流程图；

图3是本发明具体实施方式的模型修正系数计算结果图；

图4是本发明具体实施方式的机架间冷却水水量设定和温度实测值趋势图；

具体实施方式

本发明实施例提供的一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，利用实际工艺数据，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，应用于轧制过程温度控制领域。选取钢种SDC01，规格3.5*1270mm，采用机架间冷却水调节终轧温度控制策略为例，工艺参数如表1，说明如下。

表1精轧各道次工艺参数

1)带钢在长度方向上按控制周期生成若干控制点，如图1所示；

2)根据各控制点的信息和精轧出口高温计的实测值，计算各控制点的终轧温度计算值和实测值的偏差，通过此偏差修正温度计算模型，提高计算精度，同时，计算各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差；

3)根据温度计算值和目标值的偏差值，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，使各控制点终轧温度满足控制要求。

a)带钢在长度方向上按控制周期，每各1s生成1个控制点，共生成67个控制点。该控制点所包含信息为：位置时间(运行时间，运行距离，时间步长，距离步长)；尺寸(入口厚度，实际厚度，厚度方向上网格数)；材料成分；终轧温度计算值(厚度方向上表面值和平均值)。如图2所示。

b)根据上述结果，选取第1个控制点到达精轧出口高温计的实测值，计算该控制点的终轧温度计算值和实测值的偏差，通过此偏差修正温度计算模型，提高计算精度温度。计算模型的修正系数计算方法如下，计算结果如表2和图3所示。

$f_{new}=(1-\mathrm{\β})f_{old}+\mathrm{\β}(f_{old}+\frac{T_{mea}-T_{cal}^{surf}}{s})$

式中：

f_new表示本次根据实测值计算的温度修正系数；

β表示平滑因子，设置为0.4；

f_old表示上一次计算的温度修正系数；

T_mea表示某一控制点的温度实测值；

表示某一控制点的表面温度计算值；

s表示某一控制点表面温度随工况变化的敏感系数。

表2修正系数计算结果

Tsurf cal/℃	Tmea/℃	fold	fnew
				901.46	906.06	0.144	0.135

c)根据温度计算值和目标值的偏差值，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量的计算方法如下：

①根据选取原则，考虑时间上的滞后性选取带钢全长方向上第1个控制点到达轧机F1前某一时刻，作为调节计算的实际控制点；

②计算该控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差为ΔT，计算结果如表3所示；

表3温度偏差计算结果

T0/℃	Taim/℃	ΔT/℃
			913.12	910	3.12

③判断采用的终轧温度控制策略，选择采用机架间冷却水调节终轧温度，则执行④，不执行⑤和⑥；

④计算温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数为，计算结果如表4所示；

$s_{flow,i}=\frac{T_1^i-T_0}{{\mathrm{\Δw}}_i}$

式中：

s_flow,i表示第i机架间冷却水，温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数；

T₀表示根据当前机架间水水量计算得到的终轧温度计算值；

T₁ ⁱ表示根据第i机架间水水量+调节裕量计算得到的终轧温度计算值；

Δw_i表示第i机架间冷却水调节裕量。

表4敏感系数计算结果

⑤机架间冷却水个数n等于5，根据终轧温度控制策略，仅前2个机架间冷却水打开，参与调节水量控制该控制点温度，即x₀和x₁；其余参数可默认设置为0。因此，建立该控制点温度偏差调节的目标函数为：

$\min f\left(x\right)=0.5\×\left(\begin{array}{c}(a+s_{flow,0}^2)x_0^2+(a+s_{flow,1}^2)x_1^2+\mathrm{...}+(a+s_{flow,n-1}^2)x_{n-1}^2+\\ 2s_{flow,0}{s}_{flow,1}{x}_0{x}_1+\mathrm{...}+2s_{flow,n-2}{s}_{flow,n-1}{x}_{n-2}{x}_{n-1}+(b+s_a^2)x_n^2\\ +(c+s_m^2)x_{n+1}^2+2s_a{s}_m{x}_n{x}_{n+1}+2s_{flow,0}{s}_a{x}_0{x}_n+\mathrm{...}+2s_{folw,n-1}{s}_a{x}_{n-1}{x}_n\\ +2s_{flow,0}{s}_m{x}_0{x}_{n+1}+\mathrm{...}+2s_{flow,n-1}{s}_m{x}_{n-1}{x}_{n+1}\\ +(s_{flow,0}*\mathrm{\Δ}T*x_0+\mathrm{...}+s_{folw,n-1}*\mathrm{\Δ}T*x_{n-1}+s_a*\mathrm{\Δ}T*x_n+s_m*\mathrm{\Δ}T*x_{n+1})\end{array}\right)$

式中：

a——表示控制机架间冷却水调节量的罚因子；

b——表示控制秒流量加速度调节量的罚因子；

c——表示控制秒流量调节量的罚因子。

⑥采用二次规划法，计算出调节量x₀～x₆，计算结果如表5所示。

表5调节量计算结果

x0/m2/s	x1/m2/s	x2/m2/s	x3/m2/s	x4/m2/s	x5m2/s2	x6m2/s
							0.004	0.004	0	0	0	0	0

d)判断第一台轧机或最后一台轧机带载信号，若为真，则继续循环执行；反之，循环结束。

利用一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，采用机架间冷却水调节策略，统计带钢全长所有控制点随时间的设定数据，如图4所示，表明机架间冷却水ISC1和机架间冷却水ISC2均有效参与带钢全长终轧温度控制，控制效果良好。带钢全长终轧温度控制命中率为100％，满足终轧温度控制要求。

Claims (6)

1.一种精轧带钢终轧温度的在线控制方法，其特征在于：

步骤一、带钢在长度方向上按控制周期生成若干个控制点；

步骤二、根据各控制点的信息和精轧出口高温计的实测值，计算各控制点的终轧温度计算值和实测值的偏差值，对温度计算模型系数进行修正；计算各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差值ΔT；

步骤三、根据各控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差值ΔT，利用二次规划优化算法在线优化各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量，使各控制点终轧温度满足控制要求；

所述的控制点的信息为位置时间、尺寸、材料成分、终轧温度计算值；

所述的位置时间包括运行时间、运行距离、时间步长和距离步长；

所述的尺寸包括入口厚度、实际厚度、厚度方向上网格数；

所述的终轧温度计算值是厚度方向上表面值和平均值；

所述的各控制点的秒流量调节量或机架间冷却水水量调节量的计算方法如下：

步骤a、选取带钢全长方向上某一个控制点作为调节计算的实际控制点，选取原则为考虑时间上的滞后性，该控制点位于精轧机F1前某一时刻的位置，该时间段为延迟时间；

步骤b、计算该控制点的终轧温度计算值和目标值的偏差为ΔT；

步骤c、判断采用的终轧温度控制策略，若采用机架间冷却水调节终轧温度，则执行步骤d；若采用秒流量调节终轧温度，则依次执行步骤e和步骤f；

步骤d、计算温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数为：

$s_{flow,i}=\frac{T_1^i-T_0}{{\mathrm{\Δw}}_i}$

式中：

s_flow,i表示第i机架间冷却水，温度随机架间冷却水水量变化的敏感系数；

T₀表示根据当前机架间水水量计算得到的终轧温度计算值；

表示根据第i机架间水水量+调节裕量计算得到的终轧温度计算值；

Δw_i表示第i机架间冷却水调节裕量；

执行步骤g；

步骤e、计算温度随秒流量加速度变化的敏感系数为：

$s_a=\frac{T_1-T_0}{\mathrm{\Δ}a}$

式中：

s_a表示温度随秒流量加速度变化的敏感系数；

T₀表示根据当前秒流量加速度计算得到的终轧温度计算值；

T₁表示根据当前秒流量加速度+调节量计算得到的终轧温度计算值；

Δa表示当前秒流量加速度调节量；

步骤f、计算温度随秒流量变化的敏感系数为：

$s_m=\frac{T_1-T_0}{\mathrm{\Δ}m}$

式中：

s_m表示温度随秒流量变化的敏感系数；

T₀表示根据当前秒流量计算得到的终轧温度计算值；

T₁表示根据当前秒流量+调节量计算得到的终轧温度计算值；

Δm表示当前秒流量调节量；

步骤g、根据机架间冷却水个数为n，原则上均可参与调节水量控制该控制点温度，则该控制点的自变量为n个，分别为x₀～x_n-1；并耦合秒流量调节因素，x_n表示秒流量加速度调节量；x_n+1表示秒流量调节量；建立该控制点温度偏差调节的目标函数为：

$\min f\left(x\right)=0.5\×\left(\begin{array}{c}\left(a+s_{flow,0}^2\right)x_0^2+\left(a+s_{flow,1}^2\right)x_1^2+...+\left(a+s_{flow,n-1}^2\right)x_{n-1}^2+\\ 2s_{flow,0}{s}_{flow,1}{x}_0{x}_1+...+2s_{flow,n-2}{s}_{flow,n-1}{x}_{n-2}{x}_{n-1}+\left(b+s_a^2\right)x_n^2\\ +\left(c+s_m^2\right)x_{n+1}^2+2s_a{s}_m{x}_n{x}_{n+1}+2s_{flow,0}{s}_a{x}_0{x}_n+...+2s_{flow,n-1}{s}_a{x}_{n-1}{x}_n\\ +2s_{flow,0}{s}_m{x}_0{x}_{n+1}+...+2s_{flow,n-1}{s}_m{x}_{n-1}{x}_{n+1}\\ +\left(s_{flow,0}*\mathrm{\Δ}T*x_0+...+s_{flow,n-1}*\mathrm{\Δ}T*x_{n-1}+s_a*\mathrm{\Δ}T*x_n+s_m*\mathrm{\Δ}T*x_{n+1}\right)\end{array}\right)$

式中：

a表示控制机架间冷却水调节量的罚因子；

b表示控制秒流量加速度调节量的罚因子；

c表示控制秒流量调节量的罚因子；

步骤h、采用二次规划法，计算出调节量x₀～x_n+1；

步骤i、判断第一台轧机或最后一台轧机带载信号，若为真，则继续循环执行；反之，循环结束。

2.如权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：所述的若干个控制点个数为：60～90。

3.如权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：所述的控制周期为1s。

4.如权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于，所述的温度计算模型系数进行修正为：

$f_{new}=(1-\mathrm{\β})f_{old}+\mathrm{\β}(f_{old}+\frac{T_{mea}-T_{cal}^{surf}}{s})$

式中：

f_new表示本次根据实测值计算的温度修正系数；

β表示平滑因子，设置为0.4；

f_old表示上一次计算的温度修正系数；

T_mea表示某一控制点的温度实测值；

表示某一控制点的表面温度计算值；

s表示某一控制点表面温度随工况变化的敏感系数。

5.如权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于，所述的s_flow,i为：-500～500℃/m²/s。

6.如权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于，所述的x₀～x_n-1的取值范围为-0.004≤x₀～x_n-1≤0.004m²/s；所述的x_n的取值范围为：0≤x_n≤0.5m²/s；所述的x_n+1的取值范围为：-0.2≤x_n+1≤0.2m²/s。