钢铁冶金加热过程建模与综合优化控制方法的研究

摘要

钢坯加热是轧钢生产线上的重要环节,担负着为轧制工序提供加热质量合格的钢坯的任务.对加热炉以节能降耗为目标的控制策略和方法的研究一直是冶金自动化领域研究的热点,已取得了大量的研究成果,这其中包括加热炉的优化设定方法和燃烧控制方法等等.然而,以往在控制系统设计时都是人为地把钢坯加热生产和轧制生产看成是两个相互独立的过程进行的,而没有将这两个相互联系的过程进行综合控制.因此,为加热炉节能降耗而采取的各种控制方法不能保证整个轧钢生产线总体能耗、生产设备利用和产品质量指标的最优化.为此,本文从综合解决轧钢生产线总体能耗过大、降低轧钢过程生产事故的问题分析入手,提出了将加热和轧制工序相互协调,对钢坯加热过程进行综合优化控制的新的控制策略和方法,为从根本上解决轧钢生产能耗过大、提高轧机的安全性提供了全新的解决方案.热轧钢坯的温度是联系钢坯加热过程和轧制过程的重要过程参数,本文利用机理分析和离散状态空间相结合的方法建立了热轧生产过程中钢坯温度变化的数学模型,为钢坯加热过程基于轧制信息反馈的综合优化控制奠定了模型基础.加热炉炉温的优化设定和燃烧控制优化方法是实现钢坯加热生产综合优化控制的重要内容,本文对炉温设定问题中目标函数的确定及其优化策略进行了深入分析,对现有方法进行了改进,使炉温设定更符合生产目标的要求;通过综合利用燃料热值前馈和残氧分析反馈的方法,提出了一种基于空燃比优化的燃烧控制新方法,系统解决了钢坯炉内加热过程的优化问题.为解决加热炉炉温的在线优化问题,本文提出了基于模糊控制规则提取和神经网络技术相结合的钢坯加热过程综合优化控制策略,通过将轧制过程的生产信息及时反馈到加热生产工序,实现了对加热炉炉温预设定值波动的动态优化补偿.为实现加热炉基于轧制生产信息的综合优化控制,本文分别建立了基于温度反馈和轧制负荷变量反馈的钢坯加热生产的综合优化控制模型,仿真结果表明了方法的有效性.

目录

文摘

英文文摘

0前言

1热轧过程中钢坯温度变化的数学模型

1.1基于机理分析的钢坯轧前及粗轧阶段的温度变化模型

1.1.1热轧生产时轧件的热传导理论基础

1.1.2钢坯轧前及轧制过程中影响钢坯温度变化的因素

1.1.3仿真计算结果与讨论

1.1.4小结

1.2基于离散状态空间的钢坯轧前及粗轧阶段温度控制模型

1.2.1计算钢坯粗轧过程温度分布的工程传热学基础

1.2.2热轧过程钢坯温度分布一维离散状态空间方程的推导

1.2.3热轧过程钢坯温度分布的全系统离散状态空间方程

1.2.4仿真研究

1.2.5小结

1.3本章小结

2加热炉炉温的优化方法及燃烧控制的实现

2.1钢坯升温曲线的优化及炉温优化设定方法

2.1.1对钢坯升温曲线和炉温进行优化控制的必要性

2.1.2被加热钢坯加热曲线的优化

2.1.3炉温优化设定方法

2.1.4炉温分布的动态特性

2.2加热炉燃烧控制策略与实现

2.2.1加热炉燃烧控制技术的发展

2.2.2基于空燃比优化的加热炉燃烧控制策略

2.2.3仿真研究

2.3加热炉待轧策略

2.3.1制定待轧策略的原则

2.3.2待轧时加热炉炉温的设定策略

2.4本章小结

3钢坯加热过程的综合优化控制策略

3.1实施综合优化控制的难点与常规控制方法的局限性

3.1.1综合优化控制的难点

3.1.2常规控制方法的局限性

3.2模糊控制与神经网络控制技术的发展概况

3.2.1模糊控制理论的发展和应用概况

3.2.2神经网络控制的发展和应用概况

3.3模糊控制技术用于加热炉炉温优化控制

3.3.1基于轧制过程参数信息反馈的模糊控制策略

3.3.2轧制信息反馈模糊控制模型的建立

3.4结合神经网络学习功能的模糊控制策略

3.4.1模糊控制方法的不足

3.4.2模糊神经网络控制系统结构

3.4.3模糊神经网络的模型和算法

3.5本章小结

4基于温度的钢坯加热过程综合优化控制方法及仿真

4.1综合优化控制模型的提出与描述

4.2模型各组成部分分析

4.2.1钢坯出炉温度及炉温分布预计算模型

4.2.2钢坯温度预报模型

4.2.3温度反馈模型

4.2.4钢坯粗轧阶段温降计算模型

4.2.5炉温预设定自适应校正模型

4.3工程仿真试验及结果分析

4.4本章小结

5钢坯加热生产过程综合优化控制方法与应用仿真

5.1综合优化控制模型的总体结构与组成

5.1.1模型的总体结构

5.1.2粗轧道次轧制力的计算

5.1.3模糊PID反馈控制器设计

5.2工程应用仿真研究

5.3本章小结

6结束语

参考文献

作者在攻读博士学位期间完成的学术论文及参加的科研项目

论文的主要创新点

致谢

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