专利名称：一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法
技术领域：
本发明属于轧钢自动控制技术领域，特别是涉及到一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法。
背景技术：
在中厚板轧后的冷却过程中，高精度的温度场模型不仅仅是实现终冷温度、冷却速度等单一控制目标的基础，更可以为目前许多研究者提出的冷却路径等新思想的生产应用奠定坚实的基础。在中厚板轧后冷却过程中进行温度场仿真的数值模拟方法主要有解析法、有限差分法和有限元法。由于中厚板轧后冷却过程中工业现场环境因素的时变性，使 得基于解析法而构建的温度场模型的适应范围较小，不能满足模型在线应用的要求。而基于有限差分法而构建的温度场模型只注重了节点的作用，忽略了把节点联系起来的单元属性，即忽略了单元属性对各节点温度的“贡献”。而有限元法在继承有限差分法进行离散的核心思想的同时，还注重单元属性对节点温度的“贡献”，其求解精度更高。因此，人们越来越倾向于利用有限元法进行温度场的仿真。为了解决传统层流冷却技术所存在的冷却能力不足、冷却均匀性差等问题，作为TMCP工艺主要组成部分的轧后冷却技术，已由传统的层流冷却技术向以超快速冷却为核心的新一代轧后冷却控制技术发展。首钢、鞍钢等中厚板生产线的超快冷工业实践表明，超快速冷却具有超常的冷却能力，约为普通层流冷却的2飞倍。超快冷过程中，钢板表面直接与冷却介质接触，由于钢板本身导热热阻的存在，使得钢板内部会产生很大的温度梯度，而单元属性直接与温度相关，因此倘若超快冷过程中仍忽略单元属性对单元节点温度的“贡献”而采用有限差分法进行温度场的仿真，势必会影响模型的计算精度，迫切需要基于有限元法开发出适合于超快冷过程的温度场控制模型，然而采用传统的有限元法所构建的温度场模型在应用过程中时常表现出振荡问题。虽然人们进行了大量卓有成效的工作，如细分网格、时间步长动态变化和集中热容矩阵等，在一定程度上解决了有限元求解温度场过程中的振荡问题，但效果都不太理想。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法，有效解决有限元法进行温度场仿真时所产生的振荡问题，实现中厚板超快冷过程的在线温度场解析和冷却工艺的高精度设定。本发明方法具体按如下步骤进行步骤I :在轧机倒数第二道次抛钢时刻，超快冷过程自动化系统接收轧机发送的PDI (primary data input)数据包括钢板ID、钢板的厚度、钢板的长度、钢板的宽度、钢板的终轧温度、钢板的终冷温度、钢板的化学成分、冷却速度以及钢板的冷却模式(是否需要进行水冷);步骤2 :对接收到的PDI数据进行校核，判断所接收的PDI数据是否满足该厂的工艺参数限定范围；若满足，执行步骤3 ;若不满足，则输出错误信息，此时轧钢现场工作人员需根据所产生的错误信息查找产生错误的原因并提出解决方案，超快冷过程自动化系统将当前钢板按不需要水冷处理，执行步骤11 ;步骤3 :根据PDI数据，利用温度场耦合控制算法对每一个水流密度层别分别进行温度场仿真；
所述温度场耦合控制算法，具体按如下步骤执行步骤3. I :建立中厚板轧后超快冷过程的有限元温度场模型；本发明方法是把求解超快冷过程中钢板温度随时间和空间连续分布的问题转化为在时间领域与空间领域内求解有限个离散点的温度值问题，用这些离散点的温度值去逼近连续的温度分布。因此结合中厚板生产的特点，在空间领域内将钢板的厚向离散化为E个单元，n个节点，在时间域内将水冷时间进行离散化，则离散化后的有限元模型如图I所示，并对单元和节点进行编号；步骤3. 2 :确定有限元温度场模型的边界条件；中厚板超快冷过程中，其水冷换热系数模型为a = k kw kp a Qb e_cT (I)式中k为自适应系数；kw为水温补偿系数；kp为压力补偿系数；a，b，c为模型回归系数；Q为超快冷集管的水流密度；T为钢板表面温度；a为水冷换热系数。该水冷换热系数模型即为有限元温度场模型的边界条件；步骤3. 3 :构建单元温度插值函数；对于离散后的每个单元而言，单元内部的温度可认为是线性变化的，因此对任意单元e假设其单元插值函数Tw为
权利要求
1.一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法，其特征在于具体按如下步骤执行 步骤I:在轧机倒数第二道次抛钢时刻，超快冷过程自动化系统接收轧机发送的roi数据包括钢板ID、钢板的厚度、钢板的长度、钢板的宽度、钢板的终轧温度、钢板的终冷温度、钢板的化学成分、冷却速度以及钢板的冷却模式； 步骤2 :对接收到的PDI数据进行校核，判断所接收的PDI数据是否满足该厂的工艺参数限定范围；若满足，执行步骤3 ;若不满足，则输出错误信息，此时轧钢现场工作人员需根据所产生的错误信息查找产生错误的原因并提出解决方案，超快冷过程自动化系统将当前钢板按不需要水冷处理，执行步骤11 ; 步骤3 :根据PDI数据，利用温度场耦合控制算法对每一个水流密度层别分别进行温度场仿真； 步骤4:根据冷却工艺要求，进行冷却规程设定，包括超快冷集管的流量、开启组数及集管组态，并下发给超快冷的基础自动化系统； 每一个水流密度层别对应的冷却速度(；由下式计算
2.一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法，其特征在于步骤3中所述的温度场耦合控制算法，具体按如下步骤执行 步骤3. I :建立中厚板轧后超快冷过程的有限元温度场模型； 在空间领域内将钢板的厚向离散化为E个单元，n个节点，在时间域内将水冷时间进行离散化，并对单元和节点进行编号； 步骤3. 2 :确定有限元温度场模型的边界条件； 中厚板超快冷过程中，其水冷换热系数模型为 a = k kw kp a Qb e_cT (I) 式中k为自适应系数；kw为水温补偿系数；kp为压力补偿系数；a，b，c为模型回归系数；Q为超快冷集管的水流密度；T为钢板表面温度；a为水冷换热系数,水冷换热系数模型即为有限元温度场模型的边界条件； 步骤3. 3 :构建单元温度插值函数； 对任意单元e假设其单元插值函数Tw为 式中 , 为常数，可以用节点温度来表示。对于由节点i和节点j组成的单元，设节点i处的温度为Ti，x的值为O ;在节点j处的温度为Ir X的值为L，即单元长度为L，则有 令形函数矩阵[N]=[队，％]，其中￥=:1-|，nJ = J % 步骤3. 4 :构建单元比热插值函数； 设任意单元e的比热插值函数为 Cf=Ca^clT 式中，Ctl, C1为常数,可用单元节点比热来表示。对于节点i, j组成的单元,设节点i的比热为Cpi，节点j的比热为cw_，则有下式成立 即_ PJ _ 由比热插值函数的形函数Ni, %的表达式可知，形函数有如下性质 (a)形函数是节点坐标的线性函数，与温度插值函数的类型一致； (b)在节点处，当形函数的标号与该节点的标号相同时，其值为“1”，否则为“O”，如在节点i处形函数Ni值为“1”，而Nj值为“0”； (c)在单元内部任意点处，其形函数之和恒为“1”，即队+%=1； 步骤3. 5 :构建超快冷过程的单元刚度方程； 以一维无内热源导热微分方程为基础，利用欧拉方程建立等效泛函，对于任意单元e其等效泛函T为
全文摘要
一种中厚板轧后超快冷过程温度场的耦合控制方法，属于轧钢自动控制技术领域，过程自动化系统采集钢板的PDI参数，采用温度场的耦合控制算法，对每一个水流密度层别分别进行温度场仿真，从而设定冷却规程，并下发给基础自动化系统执行该冷却规程，同时将自动采集到的轧线上仪表的实测数据上传给过程自动化系统，触发过程自动化系统进行冷却规程的修正和自学习。本发明方法实现了比热与温度场的耦合，有效解决了传统有限元法进行超快冷过程温度场仿真时所表现出的振荡问题；成功应用该温度场耦合控制方法进行中厚板超快冷过程的在线温度场解析，实现了冷却工艺的高精度设定。
文档编号B21B37/74GK102652963SQ20121014227
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者王丙兴, 王国栋, 王昭东, 田勇, 袁国, 陈小林 申请人:东北大学