連鑄二冷動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制與控制系統(tǒng)可靠性研究.pdf

1、連鑄二冷配水是決定鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。拉速是影響連鑄二冷配水的主要因素。常規(guī)連鑄二冷配水優(yōu)化控制模型是在穩(wěn)定拉速條件下建立的，然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，受設(shè)備、流程和節(jié)奏變化等因素的影響，使褥拉速經(jīng)常變化，特別是方坯連鑄機(jī)，其拉速變化的范圍更大、頻率更高，基于穩(wěn)態(tài)條件建立的二冷控制模型在應(yīng)用過(guò)程中往往滿足不了生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的要求。另一方面，從我國(guó)目前連鑄機(jī)數(shù)量來(lái)看，方坯連鑄機(jī)占有近40％左右的份額，而且很多優(yōu)鋼和特鋼的生產(chǎn)主要由方坯鑄機(jī)

2、完成。因此，研究方坯鑄機(jī)的非穩(wěn)態(tài)二冷控制對(duì)提高我國(guó)連鑄整體水平具有實(shí)際意義。近年來(lái)，隨著連鑄控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高以及高效連鑄技術(shù)的發(fā)展，對(duì)連鑄控制系統(tǒng)的可靠性也提出了越來(lái)越高的要求。為此，本文就方坯連鑄機(jī)的凝固傳熱模型校正、穩(wěn)態(tài)二冷優(yōu)化、動(dòng)態(tài)二冷控制和控制系統(tǒng)可靠性等技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際鑄機(jī)的二冷控制中。其主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新工作如下：
　　 (1)鑄坯凝固傳熱模型校正鑄坯凝固傳熱模型的準(zhǔn)確性是

3、其應(yīng)用于二冷控制與優(yōu)化的前提，模型校正一直是該領(lǐng)域的一個(gè)難題。本文在建立了鑄機(jī)凝固傳熱模型基礎(chǔ)上，根據(jù)射釘法測(cè)量的凝固坯殼厚度數(shù)據(jù)，提出了基于自適應(yīng)蟻群算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的模型校正方法。
　　 模型校正就是要修正確定模型計(jì)算的邊界條件。首先對(duì)基于凝固傳熱機(jī)理建立的鑄坯凝固傳熱模型進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，運(yùn)用控制容積法對(duì)其控制方程進(jìn)行積分離散化，并用源項(xiàng)法處理相變過(guò)程求解二冷凝固過(guò)程溫度場(chǎng)。然后在二冷區(qū)和空冷區(qū)的確定位置，在多個(gè)穩(wěn)定工作拉速條

4、件下分別進(jìn)行射釘，測(cè)量射釘位置的凝固坯殼厚度；在此基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)蟻群優(yōu)化算法進(jìn)行二冷區(qū)對(duì)流傳熱系數(shù)辨識(shí)，修正凝固傳熱模型的邊界條件，采用射釘測(cè)厚數(shù)據(jù)對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，模型計(jì)算值與測(cè)量結(jié)果偏差小于4mm，滿足二冷控制與優(yōu)化應(yīng)用的要求。
　　 (2)鑄機(jī)穩(wěn)態(tài)二冷配水優(yōu)化問(wèn)題的研究建立了基于多目標(biāo)混沌蟻群系統(tǒng)算法的穩(wěn)態(tài)二冷配水優(yōu)化模型。二冷配水冶金知識(shí)庫(kù)是穩(wěn)態(tài)二冷優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)和依據(jù)，本文首先分析了連鑄二冷配水與鑄坯質(zhì)量之

5、間的關(guān)系，并針對(duì)連鑄凝固過(guò)程中的相交、不可微分特性以及二冷優(yōu)化過(guò)程的多目標(biāo)、多約束、非凸性特點(diǎn)，采用非線性聚集函數(shù)處理優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)不同鋼種的凝固特性和冶金準(zhǔn)則，建立了二冷配水冶金知識(shí)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用多目標(biāo)混沌蟻群算法對(duì)鑄機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的二冷配水進(jìn)行優(yōu)化，該算法的并行正反饋搜索機(jī)制擴(kuò)大了最優(yōu)解集的搜索范圍，提高了優(yōu)化效率。應(yīng)用結(jié)果顯示優(yōu)化后的鑄流溫度分布滿足冶金知識(shí)庫(kù)的要求。為動(dòng)態(tài)二冷控制奠定了基礎(chǔ)。
　　 (3)建立二冷配水

6、動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)針對(duì)連鑄非穩(wěn)態(tài)過(guò)程引起的二冷區(qū)控制溫度偏差，提出并建立了基于有效拉速和鋼水過(guò)熱度的動(dòng)態(tài)前饋與鑄坯表面溫度反饋相結(jié)合的二冷配水動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。
　　 首先運(yùn)用三維凝固傳熱模型分析了拉速、中間包鋼水過(guò)熱度和冷卻水流量在非穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)鑄坯凝固傳熱過(guò)程的影響。針對(duì)拉速突變引起鑄坯凝固過(guò)程的過(guò)應(yīng)力，采用基于有效拉速和過(guò)熱度的二冷配水動(dòng)態(tài)前饋控制模式，并在設(shè)備控制級(jí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋控制，確定二冷動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)水量。采用動(dòng)態(tài)前饋控制

7、消除了因拉速突變引起的鑄坯表面溫度劇烈變化。
　　 針對(duì)前饋控制方式不能準(zhǔn)確消除鑄坯表面溫度偏差問(wèn)題，在動(dòng)態(tài)前饋控制的基礎(chǔ)上，提出了基于自整定神經(jīng)元多變量PID控制算法的二冷配水反饋控制策略。反饋控制以在線凝固傳熱模型的計(jì)算值作為鑄坯表面溫度的反饋量，在過(guò)程控制級(jí)實(shí)現(xiàn)反饋控制計(jì)算。即建立以動(dòng)態(tài)前饋為主、反饋控制為輔，二者結(jié)合的二級(jí)動(dòng)態(tài)配水控制系統(tǒng)，在鑄機(jī)上應(yīng)用結(jié)果顯示：當(dāng)拉速階躍變化0.4m/min時(shí)，控制溫度偏差小于10℃。<

8、br>　　 (4)二冷配水動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究本文以兩臺(tái)方坯連鑄機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，將上述研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際鑄機(jī)的二冷配水控制，取得了較好的應(yīng)用效果。動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；鑄坯質(zhì)量明顯提高，其中A鑄機(jī)的中間裂紋由改造前二級(jí)以上占22％降為全部小于1.5級(jí)，中心裂紋由改造前的大于2級(jí)的25％降為5％，縮孔由原來(lái)的1.5級(jí)以上占10％降為2％;B鑄機(jī)內(nèi)部裂紋缺陷在2級(jí)以上的由原來(lái)的32.8％下降到6.5％，中心縮孔2級(jí)以上由原來(lái)的26.0

9、％下降到5.4％。
　　 (5)基于多變量統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的二冷控制系統(tǒng)可靠性研究二冷控制系統(tǒng)的可靠性是高效連鑄技術(shù)發(fā)展的必然要求。本文以二冷配水控制系統(tǒng)為監(jiān)控對(duì)象，建立基于多變量統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的故障監(jiān)控模型。
　　 建立監(jiān)控模型首先要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)選擇和準(zhǔn)備工作，它包括過(guò)程變量和樣本數(shù)量選擇，異常點(diǎn)剔除、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等預(yù)處理。針對(duì)連鑄過(guò)程中的時(shí)變特性，在PCA方法基礎(chǔ)上，建立了基于遞歸主元分析(RPCA)的連鑄過(guò)程