CN112090970A - 长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法。所述的方法包括下述步骤：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，将逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；以此类推，将各虚拟检测点的冷却温度曲线取值作为目标值，将各虚拟检测点的预测值作为反馈值，做闭环控制，最后一个分段控制器的目标值和反馈值取冷却出口的目标值和预测值；比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈‑反馈控制。本发明旨在通过将冷却过程根据冷却喷嘴的分布划分为多个冷却段，对各控制段进行递进式状态预测的方式，构建一种针对长材轧制穿水冷却生产的多段式前馈‑反馈控制系统及相应控制方法。
Description
技术领域：
长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法
背景技术：
在冶金企业轧制生产工艺中,成品轧件从精轧机轧出后需要穿过水冷装置进行强行冷却，用于控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备。由于相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物形态、晶粒粗细和钢材性能，所以穿水冷却过程对轧件质量有重要影响。同时，穿水冷却过程加快了轧件的冷却速度，减少冷却时间，有助于轧线产量的提高。长材轧制的穿水冷却装置按照功能划分，主要由入口段、冷却段、出口段、水箱、喷嘴、调节阀、调压泵等组成。其中入口段主要起到隔绝空气的作用，出口段主要起到冷却水回收作用，而冷却过程是在冷却段完成，水箱为冷却过程提供了一定压力的水源，喷嘴安装将冷却水以一定的压力喷到冷却段的轧件上，调节阀起到了调节喷嘴水量的作用，调压泵起到了调节冷却水压力的作用。整个穿水冷却过程中，冷却水的水压和水量是最重要的过程控制量，对水冷效果起到关键影响。长材穿水冷却装置的冷却段一般是狭长的腔体(如文氏管)，长材从入口插入冷却段，然后整个轧件以一定的速度穿过冷却装置，从而实现整个高温长材轧件的冷却。在水冷过程中，冷却水与高温轧件间的换热能力用换热系数来表示，这是穿水冷却中关键的过程状态参数。穿水冷却过程的换热系数随生产和设备状况而变化，不同的生产状态下，换热系数各不相同。
发明内容：
为克服上述缺陷，本发明目的在于提出一种长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法，旨在通过将冷却过程根据冷却喷嘴的分布划分为多个冷却段，对各控制段进行递进式状态预测的方式，构建一种针对长材轧制穿水冷却生产的多段式前馈-反馈控制系统及相应控制方法。
为达到上述目的，本发明的长材轧制穿水冷却控制方法，所述的方法包括下述步骤：
第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；
第三步：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
第四步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；
第五步：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
第六步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，将逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；
第七步：以此类推，将各虚拟检测点的冷却温度曲线取值作为目标值，将各虚拟检测点的预测值作为反馈值，做闭环控制，最后一个分段控制器的目标值和反馈值取冷却出口的目标值和预测值；
第八步：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈-反馈控制。
为达到上述目的，本发明的长材轧制穿水冷却控制系统，所述的系统包括：冷却段，高温的长条状轧件通过气封入口进入到冷却管，在冷却段中进行水冷，喷嘴控制喷水的流量，水压由水箱稳压泵控制，在冷却段前后设有温度检测装置；其中，
冷却段前温度检测装置：用于当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
1#冷却段计算模型：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
1#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
2#冷却段计算模型：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
2#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
…
N#冷却段计算模型：将通过N-1#冷却段模型预测出的虚拟检测点N-1的钢材温度分布及N#水箱的水温、水压数据，修正N#冷却段的换热系数，作为N#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点N处的钢材断面温度分布状态和N#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
N#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点N处的值作为目标值，将虚拟检测点N处的预测值作为反馈值，送到N#冷却段控制器，做闭环控制；
比较模块：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈-反馈控制。
本发明旨在通过将冷却过程根据冷却喷嘴的分布划分为多个冷却段，对各控制段进行递进式状态预测的方式，构建一种针对长材轧制穿水冷却生产的多段式前馈-反馈控制系统及相应控制方法。
发明的优点：
1.由于金属轧制生产中的长材轧件穿水冷却过程无法有效的进行检测，而以出口检测信号作为反馈信号进行控制的话，会造成轧件质量不稳定，次品率上升等问题，所以本发明提出的一种长材轧制穿水冷却控制方法，通过模型预测的前馈控制方法，可以为冷却控制提供一种有效的策略。
2.本发明将连续的冷却过程通过分段建模的方式进行分析和计算，可以提高冷却模型计算精度，降低了冷却过程中换热系数等关键参数变化给模型带来的误差。
3.本发明可以通过分段闭环冷却控制的结构，对穿水冷却过程进行温度分段控制，从而通过温度曲线拟合的方式，逼近目标温度曲线。
附图说明：
图1本发明的控制系统结构示意图
图2本发明的控制方法流程图
具体实施方式
实施例1：
以图1的冷却过程为例为例，对本发明进行说明：
本发明提供一种长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法，旨在通过将冷却过程根据冷却喷嘴的分布划分为多个冷却段，对各控制段进行递进式状态预测的方式，构建一种针对长材轧制穿水冷却生产的多段式前馈-反馈控制系统及相应控制方法。
图1是长材轧制穿水冷却控制系统示意图，高温的长条状轧件通过气封入口进入到冷却管，在冷却段中进行水冷，喷嘴控制喷水的流量，水压由水箱稳压泵控制，在冷却段前后设有温度检测装置。为了对水箱进行状态预测，在本实施例中，设置了3个虚拟检测点，对冷却的中间过程进行状态监控。在本实施例中，采用了4组区间分布不同的喷嘴，本控制系统为每组喷嘴提供了独立的控制器和基于温度反馈的控制策略。
本发明的方法流程见图2。
第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
第三步：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
第四步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
第五步：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
第六步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，将逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；
第七步：以此类推，将各虚拟检测点的冷却温度曲线取值作为目标值，将各虚拟检测点的预测值作为反馈值，做闭环控制，最后一个分段控制器的目标值和反馈值取冷却出口的目标值和预测值；
第八步：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈-反馈控制。；
通过以上8个步骤，就构成了一种长材轧制穿水冷却控制系统与控制方法。
实施例2
本发明的长材轧制穿水冷却控制系统，所述的系统包括：冷却段，高温的长条状轧件通过气封入口进入到冷却管，在冷却段中进行水冷，喷嘴控制喷水的流量，水压由水箱稳压泵控制，在冷却段前后设有温度检测装置；其中，
冷却段前温度检测装置：用于当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
1#冷却段计算模型：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
1#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
2#冷却段计算模型：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
2#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
…
N#冷却段计算模型：将通过N-1#冷却段模型预测出的虚拟检测点N-1的钢材温度分布及N#水箱的水温、水压数据，修正N#冷却段的换热系数，作为N#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点N处的钢材断面温度分布状态和N#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
N#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点N处的值作为目标值，将虚拟检测点N处的预测值作为反馈值，送到N#冷却段控制器，做闭环控制；
比较模块：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈-反馈控制。
本发明的发明点如下：
1、对冶金过程长材穿水冷却进行分段预测和递推计算的前馈控制方法；
2、虚拟检测点划分穿水冷却的冷却段，对虚拟检测点进行软测量的分析方法；
3、分段式换热系数校正的穿水冷却过程在线分析方法；
4、分段式控制器设置和分段温度闭环控制方法；
5、通过对虚拟检测点实施温度控制，从而在生产中拟合温度曲线的方法。
Claims (2)
1.长材轧制穿水冷却控制方法，其特征在于，所述的方法包括下述步骤：
第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；
第三步：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
第四步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；
第五步：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
第六步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，将逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；
第七步：以此类推，将各虚拟检测点的冷却温度曲线取值作为目标值，将各虚拟检测点的预测值作为反馈值，做闭环控制，最后一个分段控制器的目标值和反馈值取冷却出口的目标值和预测值；
第八步：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对温度曲线设定进行前馈修正，从而实现长材穿水冷却的前馈-反馈控制。
2.一种长材轧制穿水冷却控制系统，其特征在于，所述的系统包括：冷却段，高温的长条状轧件通过气封入口进入到冷却管，在冷却段中进行水冷，喷嘴控制喷水的流量，水压由水箱稳压泵控制，在冷却段前后设有温度检测装置；其中，
冷却段前温度检测装置：用于当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，并根据当前生产要求，设计穿水冷却温度变化曲线；
1#冷却段计算模型：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
1#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点1处的值作为目标值，将虚拟检测点1处的预测值作为反馈值，送到1#冷却段控制器，做闭环控制；
2#冷却段计算模型：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
2#冷却段反馈计算模型：将冷却温度曲线在虚拟检测点2处的值作为目标值，将虚拟检测点2处的预测值作为反馈值，送到2#冷却段控制器，做闭环控制；
…
N#冷却段计算模型：将通过N-1#冷却段模型预测出的虚拟检测点N-1的钢材温度分布及N#水箱的水温、水压数据，修正N#冷却段的换热系数，作为N#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点N处的钢材断面温度分布状态和N#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；
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