中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法

专利名称：：中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法
技术领域：
：本发明属于轧钢自动控制
技术领域：
,涉及一种中厚板层流冷却过程中钢板宽度方向上温度均匀性控制方法。
背景技术：
：冷却均匀性控制是中厚板控制冷却过程中的重要问题。在钢板宽度方向上，除了上集管冷却水从喷嘴直接喷出与热钢板发生对流换热外，还存在钢板上表面滞留水横向流动的冷却水的二次冷却，造成钢板横向端部水流速度急剧增大，产生不容忽视的冷却效果。此外，下部冷却水回落到钢板的两边，加重了钢板宽度方向的冷却不均。钢板边部存在的过冷区，不仅会导致钢板宽度方向的组织性能不均匀，还可能导致潜在的板形不良；由于残余应力的存在，钢板切条后会产生弯曲现象。当过冷度达到一定程度后，钢板还会出现边浪。边部冷却组织不均匀造成切边量加大，损耗增加，降低经济效益，因此，必须严格控制冷却过程中钢板宽度方向的温度均匀性。目前，国内外各大生产企业都十分重视由于钢板边部过冷带来的组织性能不均匀和产品成材率较低的问题，日本、德国等国家的钢铁生产及技术服务企业分别开发了边部加热以及边部遮蔽技术，国内的部分钢铁生产企业也先后引进了边部控制技术，促进了产品质量的提高。但国外开发的边部遮蔽装置通常结构复杂，成本较高，不利于在国内的推广。
发明内容为了解决轧后冷却过程中钢板宽度方向温差较大的问题，本发明提供了一种中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法，针对中厚板链式边部遮蔽装置建立控制方法，利用遮蔽计算模型以及自学习模型实现对边部遮蔽装置的控制，以优化冷却钢板遮蔽宽度，补偿边部和中部的温差，从而实现中厚板冷却过程中钢板宽度方向上的温度均匀性控制。本发明采用的技术方案包括以下步骤(1)确定中厚板层流冷却链式边部遮蔽量基本值MB;建立中厚板层流冷却链式边部遮蔽量模型，模型如下Mfl=57—O.92x//+12.85Ox『+O.12x0式中，Mb—遮蔽量基本値，//^附及厚度，『^附及宽度，g—水流密度；(2)修正遮蔽量；读入自学习系数，将钢板厚度、宽度和水流密度代入步骤(1)公式，利用自学习系数对边部遮蔽基本值进行修正，Ms=Ms:/;根据钢种、钢板厚度、宽度、开冷温度、水流密度确定自学习系数，同规格的钢板自学习系数为短期自学习系数/3，不同规格的钢板自学习系数为长期自学习系数/L，式中，遮蔽量修正值，/一自学习系数；(3)将基本周期长度丄。设定成12-20组集管，阶段周期长度i;。为3~5组集管，每个阶段周期长度丄。中的各组集管的遮蔽量不同，相邻阶段周期集管的阶段周期遮蔽量不同，计算各个开启集管的遮蔽量，如式所示-=M」±^sin丄o式中，丄。J本长度；丄,一第f组集管到起始点的距离；^一遮蔽装置调整幅度，其值为Me/4;每个阶段周期中的各组集管相连续开启(lll模式)；间隔一组集管丌启(101模式)或者连续开启两组集管间隔一组集管(110模式)。相邻阶段周期集管的阶段周期遮蔽量设定方法不同，指的是某个阶段周期遮蔽量设定方法为M,=似,+isin设定方法为M,=Mfl-isin，那么相邻阶段周期遮蔽j.丄o当开启集管排布形式不同时，阶段周期长度4不同，阶段周期长度^可表示为开启集管组数"与单组开启集管的有效作用距离A之积。当集管连续开启时，即集管的开闭形式为(lll)模式，单组开启集管的有效作用距离^=1;当集管间隔开启，集管的开闭形式为(110)模式，单组开启集管的有效作用距离为^=1'5;当集管间隔开启，集管的开闭形式为(101)模式，单组丌启集管的有效作用距离为^-2'G。其中，l表示集管开启状态，0表示集管关闭状态。(4)执行单个集管遮蔽量；利用传动电机和编码器控制遮蔽挡板的位置，设定原理如下act，ZJnow，i0式中，/^一第"且集管的目标设定脉冲；M,—第/组集管的目标设定遮蔽宽度，mm;A—单位脉冲内遮蔽挡板的行进距离，mm;乙t,一第/组集管的行进脉冲；/n。w,—第；组集管的当前运行脉冲；/。一零点脉冲；"一钢板边部距离冷却区边部的距离，mm;当第/组集管的行进脉冲/^t等于第z'组集管的目标设定脉冲/nd时，便认为遮蔽挡板行进到设定的遮蔽位置，从而实现对单组集管遮蔽装置的准确定位；为了更精确的实现中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置的控制，在步骤(4)之后进行学习训练，包括短期自学习和长期自学习，其中短期自学习步骤如下(1)判断是否进行自学习，如果fabs(feenter-Fedge)S50进行自学习；(2)根据实测温度偏差，计算本次自学习修正量，/[/]=1+0.01.^^咖-7咖)；(3)更新自学习修正量队列；(4)fl|7]=C"-'x(1.0—min(1.0，(W附4"]—劝'附4'.])/3600));(5)计算短期自学习系数，所述的长期学习训练，人=g入+(1-g)/s式中人为长期自学习系数；y;为短期自学习系数；g为自学习增益，其值取为0.10.3。在下次控制的过程中，如果是同规格轧制钢板，此处自学习系数选取短期自学习系数，艮P:/=乂；如果本块钢板同上一块钢板的层别参数不同，则认为是换规格轧制，此处自学习系数选取长期自学习系数，即/=人1.链式边部遮蔽装置描述中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置如图1所示。每组冷却集箱配有一套遮蔽装置，分别由传动电机、编码器、传动链条、遮蔽挡板以及限位开关组成。传动电机为这个遮蔽装置提供动力；编码器用于控制遮蔽挡板的运行距离；传动链条将电机动力传递给遮蔽挡板；遮蔽挡板的作用在于阻止上集管冷却水直接作用于钢板边部，造成钢板边部过冷；限位开关的作用在于控制遮蔽装置的极限位置，使得遮蔽挡板在合理的范围内工作，避免链式传动装置被拉断。参考示意图2，每组集管遮蔽装置的设定距离为钢板边部距离冷却设备边部之间的距离D与该集管设定遮蔽宽度M,之和。利用传动电机和编码器可以准确控制遮蔽挡板的位置，设定原理如下/nd,,./化(1)式中，/nd,,—第i组集管的目标设定脉冲；M,.—第!'组集管的目标设定遮蔽宽度，腿；A—单位脉冲内遮蔽挡板的行进距离，mm;/^,—第/组集管的行进脉冲；l，,一第z'组集管的当前运行脉冲；/。一零点脉冲；"m板边部距离冷却区边部的距离，mm;当第/组集管的行进脉冲/aeu等于目标设定脉冲/nd，,时，便认为该组集管遮蔽挡板行进到设定的遮蔽位置，从而实现对该组集管遮蔽装置的准确定位。2.遮蔽量模型设定方法基本边部遮蔽量是钢板厚度、钢板宽度以及上集管水流密度之间的函数。基本边部遮蔽量随钢板厚度的增加而减小，随钢板宽度以及水流密度的增加而增大。原因在于厚钢板内部能量可以作为热源对边部过冷区域起到再加热的作用；而钢板越宽、水流密度越大钢板上表面聚集的残余冷却水越多，因此，造成钢板边部过冷区域增加。基本边部遮蔽量表示为MB=57—0.92x//+12.850x『+0.12xg(3)式中，MB—遮蔽量基本值，mm;//4附反厚度，mm;『一附及宽度，m;2—水流密度，l/(m2.min)。在实际模型计算过程中，通常利用自学习系数采用式(4)对边部遮蔽基本值进行修正。<=M,/(4)式中，Me—遮蔽量修正值，mm;/一自学习系数，mm;注意边部遮蔽量自学习系数分为短期自学习系数乂和长期自学习系数/L，根据需要将钢种划分为ISG=015个层别，将厚度划分为IHF=0~18层另U，将宽度划分为IWF=0~9层别，将开冷温度划分为ISCT=0~8层别，将水流密度划分为IFF=0~12层别。根据钢板钢种、厚度、宽度、开冷温度以及水流密度的不同，可以确认其在边部遮蔽自学习层别表中的位置。如果本块钢板同上一块钢板的所有层别参数相同，则认为是同规格轧制，此处自学习系数选取短期自学习系数，即/=/s;如果本块钢板同上一块钢板的层别参数不同，则认为是换规格7轧制，此处自学习系数选取长期自学习系数，即/=厶。钢板边部低温部分不能完全被严格遮蔽，应该保障钢板边部受到一定程度的间歇式冷却，以确保钢板边部与中心区域的连续性。通常各组集管对应的遮蔽挡板位置交错排布，形成带有凸度的遮蔽方式，如图2所示。凸度遮蔽方式可以采用正弦模型计算，如式所示'丄.、M.=M。±j.sin丄o(5)式中，；J本长度，m，其值通常取1220组集管的距离；丄,一第/组集管到起始点的距离，m;爿一遮蔽装置调整幅度，mm，其值为il4/4。实际的冷却过程往往不是所有的集管全部使用，假设只开启一部分集管，开启集管对应的平均遮蔽挡板位置小于设定遮蔽挡板位置，如图2所示，采用这种连续交错形式的遮蔽形式，容易产生遮蔽不足的效果，造成钢板边部温度过低；相反，如果开启集管对应的平均遮蔽挡板位置大于设定遮蔽挡板位置，易产生一直被遮蔽的效果，致使实际遮蔽过量，造成边部温度过高。在实际应用时，应灵活改变遮蔽形式。实际采用的遮蔽形式仍是被冷却和被遮蔽交替进行，只不过交替周期变短，通常一个设定周期取35组集管，即阶段周期基本长度i:。为35组集管的有效作用距离。图3为实际遮蔽计算流程图。不同集管开启策略下的边部遮蔽形式如图4所示。其中，前半部分为连续使用集管时的集管遮蔽策略，后半部分为间歇式集管排布形式下的边部遮蔽策略。3.自学习控制方法由于对钢板进行层流冷却之前，钢板的温降主要来源于空气冷却，而在空气冷却条件下，钢板温度均匀性较好，边部与中心的温差较小，所以层流冷却之前一般不设置检测钢板沿宽度方向温度分布的测温仪表。前馈控制系统中使用的边部遮蔽控制模型是简化的经验模型，因而在实际使用中很难精确地描述钢板冷却过程。钢板冷却后根据扫描测温仪测得的上表面宽向温度分布，得出边部和中心的实际温差。根据钢板宽度方向的温度梯度，利用自学习计算修正边部遮蔽量，以提高钢板横向温度控制精度。.模型参数自学习分为短期自学习和长期自学习。短期自学习用于同一批号内轧件到轧件的参数修正，学习后的参数值自动替代原先的参数值，用于下一块同规格轧件。在中厚板生产过程之中，轧制节奏很快，每块钢板的冷却条件都不相同。为了使边部遮蔽量学习系数变化更加接近实际和平滑，对下一±央钢的学习系数取最近冷却(通常为一小时之内)的"块钢的修正系数的加权平均值。在实际生产中，n值取为810。首先判断是否进行自学习，如果系统满足自学习条件对边部遮蔽量进行修正，自学习条件如下(1)自学习选择标志Flag^;(2)钢板中心与边部的平均温差绝对值小于5CTC，即满足式(6)中的条件。fabs(Tcenter-Tedge)S50(6)根据第"+1块钢板的实测温度计算第"+1钢板的自学习系数修正量/["+1]，表示为/["+1]=i+o.oi(7center-ndge)(7)式中7m自一第/块钢板的实测中心温度；ndge—第/块钢板的实测边部温度。根据如下步骤，更新自学习系数修正量存储队列。(1)清空队列中超过一小时的轧件，艮卩如果(幼',["]—幼'we[/])〉3600，则从1到/，设定/卩]=0;其中，劝'me卜]—进行第"次短期自学习时的系统时间。进行第Z次短期自学习时的系统时间。第/块钢板的自学习系数修正量。(2)将队列中的修正量顺次前移，艮卩从/到"+l，设定/[/—1]=/[小(3)确定有效轧件个数，清空其余队列中的内容。时间权重4z']表示第z'次自学习系数修正量对第"+l次短期自学习系数的影响程度，当"[小^"[。=1时，则第"+l次短期自学习系数完全依赖于第f次的短期自学习系数。当,=1"[!']/1>[/]=0时，则第"+l次短期自学习系数与第/次的短期自学习系数无关。"[Z']值太大将引起预报值的"振荡"，而"[/]值太小将使预报值逼近目标值的速度减慢。通常，"W表示为常数C与时间的函数如式(8)所示。常数C可以通过经验确定，一般取为0.5。并且4纟]为时间的函数，随着时间的推移，前期的短期自学习系数对第"+l次的影响越来越小。4']=C"_'x(1.0-min(1.0,(W/m4"]-WweIXl)/3600))(8)式中，C"—'一第/次自学习系数修正量；9则第n+1块钢的短期学习系数表达式为!>[']由于时间和环境的变化，钢板的冷却参数发生了相应的变化。为了能够使控制冷却模型能够适应层流冷却系统特性的变化，并及时对自身加以修正，层流冷却系统采用了长期自学习算法。长期自学习是对同一批次钢板参数进行处理，下一批次钢板冷却时将根据长期自学习表设定钢板的冷却参数。经过长期自学习后的钢板冷却参数，将更接近实际冷却参数。长期自学习算法为/L=g'/L+(l-g)'/s(0<g^)(10)式中人为长期自学习系数；,为短期自学习系数；g为自学习增益，其值通常取为0.10.3。本发明的三个明显效果是该系统能够实现对单组集管边部遮蔽挡板位置的准确控制；遮蔽策略模型考虑了钢板厚度、钢板宽度以及冷却水量等参数，模型设定精度较高；自学习方法能够对系统进行有效的补偿和修正，提高了钢板宽向温度控制均匀性。本发明适用于热轧中厚板及带钢轧后层流冷却装置。图l为链式边部遮蔽装置示意图2为集管连续开启时的采用的正弦凸度遮蔽形式示意图；图3为实际遮蔽计算流程图4为不同集管开启策略下的边部遮蔽形式示意图5为短期自学习流程图6为长期自学习流程图7为边部遮蔽装置控制方法流程图8为边部遮蔽控制效果图。图中l遮蔽机构，2上集管，3传动链条，4限位开关，5传动电机，6开启集管，7钢板边部，8未开启集管，9遮蔽挡板，IO冷却设备宽向边部位置，ll实际边部遮蔽位置，12边部遮蔽量设定位置，13阶段周期。具体实施例方式边部遮蔽装置的控制方法设定步骤如图7所示，以炉号为3C5791P32—1钢板为例，其具体的实施方式如下10(1)3C5791P32_1的具体规格如下钢种为Q345C，宽度为2000mm，厚度为20mm。其开冷温度为83(TC，终冷目标温度为65(TC。首先，根据钢种层别、厚度层别、宽度层别、开冷温度层别以及水流密度层别，对应的读取自学习文件中的钢板长期自学习系数人=0.88，由于本块钢板为同规格钢板中的第一块，因此选取人作为边部遮蔽设定计算的自学习修正系数。在更换为其他规格的钢板进行轧制之前，剩余的同规格钢板均采用短期自学习系数/;作为自学习修IH系数。(2)根据钢板厚度、钢板宽度以及水流密度计算边部遮蔽量基本值。将钢板厚度20mm，宽度2000mm,水流密度2001/(m^min)以及自学习系数厶带入到式(1)和式(2)中，边部遮蔽量表示为MB=57—0.92x20+12.850x2+0.12x200=88.3mm，MB=93.44x0.88=77.4mm。(3)取基本长度丄。为16m，阶段周期基本长度/;。为3组集管的有效冷却长度，利用遮蔽量正弦设定流程图3，计算各个开启集管的遮蔽量，结果如表l所示。表1开启集管遮蔽量设定值<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(4)将集管宽度设定量传给基础自动化(PLC)程序执行，即使所有开启集管/^=/1获得如图8所示的温度控制效果，由图可见钢板宽度方向上的温度均匀性良好，钢板横向温度距离目标温度的最大温差为23'C，钢板横向最大同板温差为38°C，钢板中心与边部的平均温差为36'C。(5)短期自学习修正量个数选定为10，将钢板中心与边部平均温差36'C带入到式(7)、(8)和(9)中修正短期自学习，并将其作为自学习修正系数修正下一块同规格钢板的基木边部遮蔽量。/[10]=1+0.01X36=1.36,410]=10(6)将短期自学习系数带入到式(10)中更新长期自学习系数，并存储到文件中去，以备更换规格时读取使用。/L=0.3x0.88+00.3)xi.36=1.22其他规格的钢板采用上述控制方法进行边部遮蔽，其计算步骤与该实施例基本相同，实践表明，应用该控制方法取得了较好的控制效果。权利要求1、一种中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法，其特征是包括以下步骤(1)确定中厚板层流冷却链式边部遮蔽量基本值MB；建立中厚板层流冷却链式边部遮蔽量模型，模型如下MB＝57-0.92×H+12.850×W+0.12×Q式中，MB—遮蔽量基本值，H—钢板厚度，W—钢板宽度，Q—水流密度；(2)修正遮蔽量；读入自学习系数，将钢板厚度、宽度和水流密度代入步骤(1)公式，利用自学习系数对边部遮蔽基本值进行修正，同规格的钢板自学习系数为短期自学习系数fs，不同规格的钢板自学习系数为长期自学习系数fL；式中，—遮蔽量修正值，f—自学习系数；(3)计算各组开启集管的遮蔽量；将基本周期长度L0设定成12～20组集管，阶段周期长度L0为3～5组集管，各组开启集管的遮蔽量，如下式所示式中，Mi—第i组集管的目标设定遮蔽宽度；L0—基本周期长度；Li—第i组集管到起始点的距离；A—遮蔽装置调整幅度，其值为(4)执行单个集管遮蔽量；利用传动电机和编码器控制遮蔽挡板的位置，设定原理如下Ind，i＝(D+Mi)/DIIact，i＝Inow，i—I0式中Ind，i—第i组集管的目标设定脉冲；Mi—第i组集管的目标设定遮蔽宽度；DI—单位脉冲内遮蔽挡板的行进距离；Iact，i—第i组集管的行进脉冲；Inow，i—第i组集管的当前运行脉冲；I0—零点脉冲；D—钢板边部距离冷却区边部的距离；当第i组集管的行进脉冲Iact等于第i组集管的目标设定脉冲Ind时，便认为遮蔽挡板行进到设定的遮蔽位置，从而实现对单组集管遮蔽装置的准确定位。2、按照权利要求l所述的中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法，其特征在于步骤(4)之后进行学习训练，包括短期自学习和长期自学习，其中短期自学习步骤如下(1)判断是否进行自学习，如果fabs(^加er-^dge)^50进行自学习；^咖第/块钢板的实测中心温度平均值，^dge第/块钢板的实测边部温度平均值；(2)计算本次自学习修正量，/[/]=1+0.01《fce咖-fedge);(3)更新自学习修正量队列；(4)计算自学习权重，4z']=C"—'x(1.0-min(1.0,(劝'w4"]—幼'附4〖])/3600));(5)计算短期自学习系数，一第/次自学习系数修正量，幼'me[/7]—进行第"次短期自学习时的系统时间，劝'附e[。一进行第z'次短期自学习时的系统时间,其中长期自学习系数人，式中人为长期自学习系数；,为短期自学习系数；g为自学习增益，其值取为0.10.3。3、按照权利要求l.所述的中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法，其特征在于步骤(3)中的阶段周期中的各组集管连续开启、间隔一组集管开启或者连续开启两组集管间隔一组集管。全文摘要一种中厚板层流冷却链式边部遮蔽装置控制方法，属于轧钢自动控制
技术领域：
，包括以下步骤(1)确定中厚板层流冷却链式边部遮蔽量基本值M_B；(2)修正遮蔽量；M_B′＝M_B·f(3)；计算各组开启集管的遮蔽量M_i；(4)执行单个集管遮蔽量；当第i组集管的行进脉冲I_act等于第i组集管的目标设定脉冲I_nd时，便认为遮蔽挡板行进到设定的遮蔽位置，从而实现对单组集管遮蔽装置的准确定位。本发明能够实现对单组集管边部遮蔽挡板位置的准确控制；遮蔽策略模型考虑了钢板厚度、钢板宽度以及冷却水量等参数，模型设定精度较高；自学习方法能够对系统进行有效的补偿和修正，提高了钢板宽向温度控制均匀性。本发明适用于热轧中厚板及带钢轧后层流冷却装置。文档编号B21B37/74GK101502849SQ20091001073公开日2009年8月12日申请日期2009年3月19日优先权日2009年3月19日发明者刘相华,张殿华,君王,王丙兴,王国栋,王昭东,胡贤磊申请人:东北大学