連鑄二冷動態(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，然而在實際生產(chǎn)過程中，受設備、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，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用過程中往往滿足不了生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的要求。另一方面，從我國目前連鑄機數(shù)量來看，方坯連鑄機占有近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

2、完成。因此，研究方坯鑄機的非穩(wěn)態(tài)二冷控制對提高我國連鑄整體水平具有實際意義。近年來，隨著連鑄控制系統(tǒng)自動化程度的提高以及高效連鑄技術的發(fā)展，對連鑄控制系統(tǒng)的可靠性也提出了越來越高的要求。為此，本文就方坯連鑄機的凝固傳熱模型校正、穩(wěn)態(tài)二冷優(yōu)化、動態(tài)二冷控制和控制系統(tǒng)可靠性等技術進行了較為系統(tǒng)深入的研究，并將研究結果應用到實際鑄機的二冷控制中。其主要研究內(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確性是

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

4、件下分別進行射釘，測量射釘位置的凝固坯殼厚度；在此基礎上采用自適應蟻群優(yōu)化算法進行二冷區(qū)對流傳熱系數(shù)辨識，修正凝固傳熱模型的邊界條件，采用射釘測厚數(shù)據(jù)對模型準確性進行驗證，模型計算值與測量結果偏差小于4mm，滿足二冷控制與優(yōu)化應用的要求。
　　 (2)鑄機穩(wěn)態(tài)二冷配水優(yōu)化問題的研究建立了基于多目標混沌蟻群系統(tǒng)算法的穩(wěn)態(tài)二冷配水優(yōu)化模型。二冷配水冶金知識庫是穩(wěn)態(tài)二冷優(yōu)化和動態(tài)控制的基礎和依據(jù)，本文首先分析了連鑄二冷配水與鑄坯質(zhì)量之

5、間的關系，并針對連鑄凝固過程中的相交、不可微分特性以及二冷優(yōu)化過程的多目標、多約束、非凸性特點，采用非線性聚集函數(shù)處理優(yōu)化目標函數(shù)，根據(jù)不同鋼種的凝固特性和冶金準則，建立了二冷配水冶金知識庫。在此基礎上運用多目標混沌蟻群算法對鑄機穩(wěn)態(tài)過程的二冷配水進行優(yōu)化，該算法的并行正反饋搜索機制擴大了最優(yōu)解集的搜索范圍，提高了優(yōu)化效率。應用結果顯示優(yōu)化后的鑄流溫度分布滿足冶金知識庫的要求。為動態(tài)二冷控制奠定了基礎。
　　 (3)建立二冷配水

6、動態(tài)控制系統(tǒng)針對連鑄非穩(wěn)態(tài)過程引起的二冷區(qū)控制溫度偏差，提出并建立了基于有效拉速和鋼水過熱度的動態(tài)前饋與鑄坯表面溫度反饋相結合的二冷配水動態(tài)控制系統(tǒng)。
　　 首先運用三維凝固傳熱模型分析了拉速、中間包鋼水過熱度和冷卻水流量在非穩(wěn)態(tài)條件下對鑄坯凝固傳熱過程的影響。針對拉速突變引起鑄坯凝固過程的過應力，采用基于有效拉速和過熱度的二冷配水動態(tài)前饋控制模式，并在設備控制級實現(xiàn)動態(tài)前饋控制，確定二冷動態(tài)控制系統(tǒng)的基礎水量。采用動態(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。
　　 針對前饋控制方式不能準確消除鑄坯表面溫度偏差問題，在動態(tài)前饋控制的基礎上，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算值作為鑄坯表面溫度的反饋量，在過程控制級實現(xiàn)反饋控制計算。即建立以動態(tài)前饋為主、反饋控制為輔，二者結合的二級動態(tài)配水控制系統(tǒng)，在鑄機上應用結果顯示：當拉速階躍變化0.4m/min時，控制溫度偏差小于10℃。<

8、br>　　 (4)二冷配水動態(tài)控制系統(tǒng)應用研究本文以兩臺方坯連鑄機為應用對象，將上述研究結果應用到實際鑄機的二冷配水控制，取得了較好的應用效果。動態(tài)控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠；鑄坯質(zhì)量明顯提高，其中A鑄機的中間裂紋由改造前二級以上占22％降為全部小于1.5級，中心裂紋由改造前的大于2級的25％降為5％，縮孔由原來的1.5級以上占10％降為2％;B鑄機內(nèi)部裂紋缺陷在2級以上的由原來的32.8％下降到6.5％，中心縮孔2級以上由原來的26.0

9、％下降到5.4％。
　　 (5)基于多變量統(tǒng)計分析技術的二冷控制系統(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)控對象，建立基于多變量統(tǒng)計分析技術的故障監(jiān)控模型。
　　 建立監(jiān)控模型首先要進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)選擇和準備工作，它包括過程變量和樣本數(shù)量選擇，異常點剔除、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)標準化等預處理。針對連鑄過程中的時變特性，在PCA方法基礎上，建立了基于遞歸主元分析(RPCA)的連鑄過程