CN110100141B - 用于控制连续退火线中的钢板的温度图形的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于控制连续退火炉中的钢板的温度的***。用于控制钢板的温度的***包括：钢板温度输入部(14)，用于输入目标钢板(7)温度值；行为预测模型部(10)，用于实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；高带宽内环控制模块(18)，用于通过接收炉温的预测值来控制退火炉(16)的内部温度，以执行钢板(7)温度的一次调节；以及低带宽外环控制模块(20)，用于通过控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板(7)温度的二次调节。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制连续退火线中的钢板的温度图形的***及方法，更详细地，涉及以下技术，也即通过目标钢板温度输入值和目标炉温输入值等两个输入值构成多变量控制***，先将预测的炉温施加到快速响应的炉温控制环路，使得炉温快速改变，一旦钢板温度达到接近目标钢板温度，就通过慢速响应的钢板温度控制环路来控制此时产生的针对钢板温度的稳态误差。
背景技术
通常，连续退火炉是这样的一种装置，也即在连续退火炉中执行热处理工序，以根据预设温度方案来升高或降低室温或低温金属带的温度，以获得所需的材料特性。
这种连续退火炉主要分为加热段和冷却段，加热段分为预热段(Pre HeatingSection)、加热段(Heating Section)和均热段(Soaking Section)，冷却段分为缓冷段(Slow Cooling Section)、快冷段(Rapid Cooling Section)、过时效段(OAS)和终冷段(Final Cooling Section)。
如上所述的包括多个段的连续退火炉中，在低温金属带进入到退火炉内而进行移送过程中，通过炉内设置的加热装置使其逐渐升温。
在根据预设温度方案对金属带进行升温的情况下，随着金属带的大小或产量的增加，金属带在炉内的移送速度会变快，决定了满足这种工序的连续退火炉的长度。
对于目前的连续退火设备，考虑到连续退火炉的特性，会安装加热装置以快速响应钢板的温度变化，然而加热装置的特性和容量会不可避免地受到加热装置的限制。因此，从装置的角度来看，难以快速改变钢板的温度，并且从控制的角度来看，温度控制响应尤为缓慢。
另外，在控制***设计方面，原理上被设定成追踪钢板温度的炉温(退火炉温度)控制器和钢板温度控制器的响应也尤为缓慢。
由此，在操作条件发生变化的情况下，由于钢板温度控制器的响应尤为缓慢，因此达到目标钢板温度所需的时间较长。
作为这种现有的钢板温度控制***的一个例子，如图1所示，包括钢板温度控制环路和炉温控制环路，它是一种单输入单输出控制方式，也即施加目标钢板温度，然后反馈钢板温度测量装置的测量值并对其进行控制。
如图2所示，其示例性地示出了根据现有钢板温度控制方法的针对钢板温度和炉温的控制动态和响应。
由于退火炉的加热装置的特性和热容量受到限制，因此在热惯性大的退火炉中无法大幅度地设计温度控制响应，使得钢板的实际温度尤为缓慢地追踪钢板的目标温度。
当钢板的目标温度在操作过程中的某一时刻发生变化时，实际钢板温度会尤为缓慢地发生变化，使得钢板温度控制器的输出值也尤为小且缓慢地发生变化。此时，钢板温度控制器的输出值成为炉温控制器的输入值。根据如上所述的缓慢变化的炉温控制器输入值，执行负责炉温控制的内部环路，并且实际炉温跟随炉温输入值。由于钢板温度受炉温影响，因此钢板的温度变化也尤为缓慢。
在上述方法中，由于是根据响应速度尤为缓慢的钢板温度控制环路的响应来对钢板温度进行反馈控制，因此钢板温度追踪速度尤为缓慢，由此存在着过度生成与目标钢板温度不匹配的不良产品长度的问题。
另外，在现场中，操作者根据经验任意地手动变更炉温，同时通过控制具有相对高的控制响应的炉温来间接地调节钢板的目标温度，这种方式存在的问题是，相对于钢板目标温度的温度命中率非常低，且需要分配另外的操作者来手动调节钢板温度。
发明内容
因此，本发明为了解决如上所述的问题而被提出，本发明的目的在于提供这样一种技术，也即通过将预测炉温施加到快速响应的炉温控制环路而使得炉温快速改变，一旦钢板的温度达到接近目标钢板温度，就通过慢速响应的钢板温度控制环路来控制此时产生的针对钢板温度的稳态误差，从而能够容易地控制钢板温度。
为达到上述目的，本发明的一个实施例提供一种钢板温度控制***，包括：
钢板温度输入部(14)，用于输入目标钢板(7)温度值；
行为预测模型部(10)，用于实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；
高带宽内环控制模块(18)，用于通过接收炉温的预测值来控制退火炉(16)的内部温度，以执行钢板(7)温度的一次调节；以及
低带宽外环控制模块(20)，用于通过控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板(7)温度的二次调节。
本发明的另一个实施例提供一种钢板温度控制方法，包括：
(S50)，向钢板温度输入部(14)输入目标钢板(7)温度值；
(S100)，通过行为预测模型部(10)实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；
(S110)，由内环控制模块(18)通过接收炉温的预测值来控制退火炉(16)的内部温度，以执行钢板(7)温度的一次调节；以及
(S120)，通过外环控制模块(20)控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板(7)温度的二次调节。
如上所述，根据本发明实施例的用于控制连续退火炉的钢板温度的***及方法通过使用目标钢板温度输入值和目标炉温输入值等两个输入值来构成多变量控制***，从而具有如下优点，即，先将预测炉温施加到快速响应的炉温控制环路而使得炉温快速改变，然后一旦钢板的温度达到接近目标钢板温度，就通过慢速响应的钢板温度控制环路来容易地控制此时产生的针对钢板温度的稳态误差。
附图说明
图1为现有钢板温度控制框图。
图2为示出根据图1所示的钢板温度控制方法的钢板温度控制响应过程的曲线图。
图3为示意性地示出根据本发明实施例的连续退火炉的分段结构的图。
图4为示出图3所示的连续退火炉的钢板温度自动控制框图的图。
图5为示出图3所示的连续退火炉的各个分段的钢板温度设定图形的图。
图6a为示意性地示出图4所示的连续退火炉的辐射加热段中的钢板温度-炉温行为预测模型的图，图6b为示出气体冷却段中的传热模型的图。
图7为示出图4所示的连续退火炉的钢板温度控制方法的钢板温度控制响应过程的曲线图。
图8为示出根据本发明实施例的连续退火炉的钢板温度控制方法的流程图。
图9为示出图4所示的行为预测模型部的结构的图。
具体实施方式
以下，根据所附的附图对根据本发明的连续退火线的钢板温度图形控制***进行详细描述。
如图3至图9所示，连续退火炉16主要包括加热段和冷却段，具体地，加热段分为预热段PHS、加热段HS以及均热段SS，冷却段分为缓冷段SCS、快冷段RCS、过时效段OAS以及终冷段FCS。
在作为连续退火炉16的在先工序的压轧工序中，压轧的钢板7在进行压轧时伴随有固化的物性，因此难以在此状态下加工和使用钢板7。
因此，为了确保钢板7的规定的机械特性，如图3所示，对于各种钢板7，由连续退火炉16沿着退火炉16的各个分段、以预设的钢板温度图形对压轧的钢板7进行热处理。
即，在移送钢板7的周围设置加热源9以产生炉温，并且当钢板7在加热源之间移动时通过辐射和自然对流等物理现象来加热钢板7。
图4图示了本发明提出的钢板温度控制***的框图。
如图所示，本发明的钢板温度控制***被设计为通过采用自适应控制方法来对操作条件的变化进行快速响应，也即，通过分析钢板温度-炉温行为预测模型6，实时地预测并计算与钢板7的温度相匹配的目标炉温，并将预测的目标温度分别输入到炉温控制器12中。
更具体地说，本发明的钢板温度控制***包括：钢板温度输入部14，用于输入目标钢板7温度值；行为预测模型部10，用于实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；高带宽内环控制模块18，用于通过接收炉温的预测值来控制退火炉16的内部温度，以执行钢板7温度的一次调节；以及低带宽外环控制模块20，用于通过控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板7温度的二次调节。
更具体地，钢板温度输入部14接收目标钢板7温度。即，根据操作条件生产各种钢板7，并且能够通过输入部输入适合于各个钢板7的目标温度。这种输入部可以是多种形式，例如其可以通过从上位集成操作控制器接收传输而实现自动输入，也可以由操作者利用用于操作的PC终端键盘来手动输入。
行为预测模型部10预测并计算适合于所输入的目标钢板温度的炉温。
行为预测模型部10在操作条件发生变化时，实时地执行钢板温度-炉温行为预测模型分析，计算适合于该变化的预测目标炉温，根据该目标炉温来控制炉温控制器12，从而可以通过炉温控制器的快速响应特性来最终快速追踪钢板7的目标温度。
为了实时地执行钢板温度-行为预测模型以能够预测所述炉温，使用所需的高速运算用途的专用计算装置，该装置可以安装在现有设施的控制***外部。
行为预测模型部10包括微处理器等，该微处理器设置有计算机的CPU从而能够进行计算处理，在钢板7的目标温度发生变化、钢板7的移送速度发生变化以及钢板7的大小或截面积发生变化的情况下，也能够精确地预测与钢板7的目标温度相匹配的炉温。
如图9所示，行为预测模型部10包括：输入模块32，用于接收钢板7的定压比热、厚度、材料、成分含量等物性值、以及关于经过退火炉16内部的钢板7的速度和内部温度的输入；存储模块34，用于存储钢板7的物性值、辐射形状系数、斯蒂芬玻尔兹曼常数、表达式等数据；计算模块36，用于根据输入模块32所输入的数据和从存储模块34获取的数据来预测地计算目标炉温；以及输出模块38，用于将计算模块36所计算的值传输至内环控制模块和外环控制模块。
输入模块32接收基于钢板种类的物性值的输入，例如，物性值意指钢板的定压比热、厚度、材料、碳含量等。
然后，计算模块36可以根据承载的钢板温度-炉温行为预测模型来计算目标炉温。
即，图6a为示意性地示出图4所示的连续退火炉的辐射加热段中的钢板温度-炉温行为预测模型的图，图6b为示出气体冷却段中的传热模型的图。
针对钢板7的控制体积(模型分析区域)，流入到该体积内的热量qx与投入到预设微小长度dx的体积内的热量Q之和、与流出至体积外部的热量qx+dx相等。这可以通过嵌入计算模块36中的公式来表示：
qx+dx＝qx+Q 公式1
据此，根据能量守恒法则建立如下公式：
(其中，T是钢板在钢板移送方向上的温度；x是钢板的长度方向上的长度；
Cp是钢板的定压比热(随温度变化)；ρ是所述钢板的密度；
V是钢板在退火炉中的移送速度；t是钢板厚度；
h是对流传热系数(常数)；T∞是退火炉内部温度；
σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
是辐射形状系数；TS是钢板温度)
其中，
(辐射形状系数)由退火炉的设计形状决定，并且相对于预设形状的退火炉为常数。
根据公式2，实时地预测任何操作条件下的退火炉的炉温。在此，预测的炉温值与实际炉温值之间的差可以通过适当调节辐射形状系数
来消除。辐射形状系数
根据退火炉的设计形状表现出微小差异，一般为0.22～0.26之间的值。连续退火炉16的钢板温度-炉温行为预测模型使用给定退火炉的一个操作结果值来计算辐射形状系数
另外，内环控制模块18控制退火炉16的内部温度，以能够达到由行为预测模型部10计算的炉温的目标值。
内环控制模块18与用于控制退火炉16的温度的炉温控制器12、空燃比控制器24以及燃烧器26连接，从而控制退火炉16内部温度追踪目标炉温。
炉温控制器12与空燃比控制器24和燃烧器26联动，以使得炉内部的温度与所输入的目标炉温值匹配。
空燃比控制器24执行如下功能，即控制加热退火炉所需的燃料流量与燃料燃烧所使用的空气流量的最佳比例。
另外，多个燃烧器26被设置在退火炉16内，并通过产热来提高炉内部的温度。燃烧器26可以由炉温控制器12和空燃比控制器24控制，以能够追踪所需的目标温度。
如上所述，内环控制模块18通过控制退火炉16内部的温度，使其匹配目标温度。
如上所述，为了使钢板7的温度与目标温度快速匹配，使用了快速响应的用于控制炉温的内环控制模块18，此时，从经过退火炉16的钢板7获得的实际温度输出值与目标钢板温度之间可能会存在误差，并且这种稳态误差可以通过用于控制钢板温度的外环控制模块20来控制。
即，从设置在退火炉16的出口侧的用于检测钢板7温度的温度传感器获得钢板7的实际输出温度值，并将该输出温度值与目标钢板温度值进行比较，这两个值之间可能会存在误差。
由此，为了补偿这种误差，可以通过钢板温度控制器22控制外环控制模块20。
另外，图7为示意性地示出根据本发明的钢板温度和炉温的控制行为及响应的曲线图。
当钢板7的目标温度在某一时刻发生变化时，向钢板温度控制环路输入所变化的目标钢板温度，同时实时地执行钢板温度-炉温行为预测模型分析，从而将预测的目标炉温值单独地输入到作为内部环路的炉温控制环路中，以匹配到所变化的钢板温度。
利用该输入值执行相对快速响应的炉温控制环路，并激活燃烧***，从而使得实际炉温快速地跟随目标炉温。
由此，根据快速改变的炉温输出值(实际值)使得钢板7的温度也快速发生变化。
此时，钢板温度变化速度相比于现有的钢板温度控制方式快大约大于等于20倍。
另外，图5中通过曲线图示出了连续退火炉16的各分段内的钢板7的温度设定图形。
如图所示，横轴表示钢板7的分段，纵轴表示温度。
在初始钢板温度为30℃的情况下，钢板温度经预热段PHS区间的150℃后，在加热段HS区间内上升至最终退火温度730℃～850℃。
之后，在均热段SS区间内维持退火温度730℃～850℃，在缓冷段SCS区间内缓慢冷却至680℃左右，在快冷段RCS区间内快速冷却至400℃。
之后，在过时效段OAS区间内维持400℃，然后在终冷段FCS区间内冷却至60℃。
另外，对根据本发明实施例的钢板温度控制方法进行更详细地说明。
如图3和图8所示，钢板温度控制方法包括：S50，向钢板温度输入部14输入目标钢板7温度值；S100，通过行为预测模型部10实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；S110，内环控制模块18通过接收炉温的预测值来控制退火炉16的内部温度，以执行钢板7温度的一次调节；以及S120，通过外环控制模块20控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，以执行钢板7温度的二次调节。
内环控制模块18将行为预测模型部10所预测的目标炉温值与钢板温度控制器的输出值相加作为最终炉温输入值而施加到炉温控制器12。
如上所述，内环控制模块18通过控制退火炉16内部的温度来匹配目标温度。
另外，为了使钢板7的温度与目标温度快速匹配，使用了快速响应的用于控制炉温的内环控制模块18，此时，从经过退火炉16的钢板7获得的实际温度输出值与目标钢板温度之间可能会存在误差，并且这种稳态误差可以由用于控制钢板温度的外环控制模块20来控制。
即，从设置在退火炉16的出口侧的用于检测钢板7温度的温度传感器获得钢板7的实际输出温度值，将该输出温度值与目标钢板温度值进行比较，这两个值之间可能会存在误差。
由此，为了补偿这种误差，可以通过钢板温度控制器22控制外环控制模块20。
另外，在目标炉温预测和计算步骤中，行为预测模型部10实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温。
即，针对钢板7的控制体积(模型分析区域)，流入到该体积内的热量qx与投入到预设微小长度dx的体积内的热量Q之和、与流出至体积外部的热量qx+dx相等。这可以用如下公式来表示：
qx+dx＝qx+Q 公式1
据此，根据能量守恒法则建立如下公式：
(其中，T是钢板在钢板移送方向上的温度；x是钢板的长度方向上的长度；
Cp是钢板的定压比热(随温度变化)；ρ是所述钢板的密度；
V是钢板在退火炉中的移送速度；t是钢板厚度；
h是对流传热系数(常数)；T∞是退火炉内部温度；
σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
是辐射形状系数；TS是钢板温度)
其中，
(辐射形状系数)由退火炉的设计形状决定，并且相对于预设形状的退火炉为常数。
根据公式2，实时地预测任何操作条件下的退火炉的炉温。在此，预测的炉温值与实际炉温值之间的差可以通过适当调节辐射形状系数
来消除。辐射形状系数
根据退火炉的设计形状表现出微小差异，一般为0.22～0.26之间的值。连续退火炉16的钢板温度-炉温行为预测模型使用给定退火炉的一个操作结果值来计算辐射形状系数
工业实用性
本发明涉及用于控制连续退火线中的钢板温度图形的***及方法，更详细地，涉及这样一种技术，也即通过目标钢板温度输入值和目标炉温输入值等两个输入值构成多变量控制***，从而快速控制钢板温度，因此认为可应用于制铁工业领域。
Claims (8)
1.一种钢板温度控制***，其中，所述钢板温度控制***包括：
钢板温度输入部(14)，用于输入目标钢板(7)温度值；
行为预测模型部(10)，用于实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；
高带宽内环控制模块(18)，用于通过接收炉温的预测值来控制退火炉(16)的内部温度，以执行钢板(7)温度的一次调节；以及
低带宽外环控制模块(20)，用于通过控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板(7)的温度的二次调节。
2.根据权利要求1所述的钢板温度控制***，其中，
所述内环控制模块(18)与用于控制所述退火炉(16)的温度的炉温控制器(12)、空燃比控制器(24)以及燃烧器(26)连接，以能够控制所述退火炉(16)的内部温度追踪目标炉温。
3.根据权利要求2所述的钢板温度控制***，其中，
所述内环控制模块(18)能够将所述行为预测模型部(10)所预测的目标炉温值与钢板温度控制器的输出值相加作为最终炉温输入值而施加到所述炉温控制器(12)。
4.根据权利要求1所述的钢板温度控制***，其中，
所述行为预测模型部(10)包括：输入模块(32)，用于接收所述钢板(7)的物性值、以及经过所述退火炉(16)内部的所述钢板(7)的速度和内部温度的输入；存储模块(34)，用于存储所述钢板(7)的物性值、辐射形状系数、斯蒂芬玻尔兹曼常数、表达式的数据；计算模块(36)，用于根据所述输入模块(32)所输入的数据和从所述存储模块(34)获取的数据来预测并计算所述目标炉温；以及输出模块(38)，用于将所述计算模块(36)所计算的值传输至所述内环控制模块和所述外环控制模块。
5.根据权利要求4所述的钢板温度控制***，其中，
所述行为预测模型部(10)实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温，
针对所述钢板(7)的控制体积，由于流入到该体积内的热量qx与投入到预设微小长度dx的体积内的热量Q之和、与流出至体积外部的热量qx+dx相等，这通过所述计算模块用下述公式1表示，据此根据能量守恒法则建立下述公式2：
qx+dx＝qx+Q 公式1；
其中，T是所述钢板在钢板移送方向上的温度；x是所述钢板的长度方向上的长度；
Cp是所述钢板的随温度变化的定压比热；ρ是所述钢板的密度；
V是所述钢板在所述退火炉中的移送速度；t是钢板厚度；
h是对流传热系数，其为常数；T∞是退火炉内部温度；
σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
是辐射形状系数；TS是钢板温度。
6.一种钢板温度控制方法，其中，所述钢板温度控制方法包括：
(S50)，向钢板温度输入部(14)输入目标钢板(7)温度值；
(S100)，通过行为预测模型部(10)实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温；
(S110)，内环控制模块(18)通过接收炉温的预测值来控制退火炉(16)的内部温度，以执行钢板(7)温度的一次调节；以及
(S120)，通过外环控制模块(20)控制相对于目标钢板温度产生的稳态误差，来执行钢板(7)温度的二次调节。
7.根据权利要求6所述的钢板温度控制方法，其中，
所述内环控制模块(18)能够将所述行为预测模型部(10)所预测的目标炉温值与钢板温度控制器的输出值相加作为最终炉温输入值而施加到炉温控制器(12)。
8.根据权利要求7所述的钢板温度控制方法，其中，
在目标炉温预测计算步骤中，所述行为预测模型部(10)实时地预测并计算与所输入的目标钢板温度值相匹配的目标炉温，
针对所述钢板(7)的控制体积，由于流入到该体积内的热量qx与投入到预设微小长度dx的体积内的热量Q之和、与流出至体积外部的热量qx+dx相等，用下述公式1表示，据此根据能量守恒法则建立下述公式2：
qx+dx＝qx+Q 公式1；
其中，T是所述钢板在钢板移送方向上的温度；x是所述钢板的长度方向上的长度；
Cp是所述钢板的随温度变化的定压比热；ρ是所述钢板的密度；
V是所述钢板在所述退火炉中的移送速度；t是钢板厚度；
h是对流传热系数，其为常数；T∞是退火炉内部温度；
σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数；
是辐射形状系数；TS是钢板温度。
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