中厚板轧制过程分层递阶智能控制

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中厚板轧制过程分层递阶智能张进之(钢铁研究总院)摘要按分层递阶智能控制设计了组织、协调、执行三阶控制系统。应用动态设定 A GC的智能性，将基础

级的 AGC功能移置到协调级；调级采用协调推理网络，知识库由组织级提供；织级是一个开放系统，协其组

人机交互，实现学习和决策功能。该系统已在天津、新余、上海等多套中厚板轧机上应用，效果十分明显，钢板异板差小于 0 0 T,到了世界先进水平。 . 4ml达 l 关键词智能控制协调推理网络动态设定

M ULTI L—

她 c L T…。 黜…。Z HANG iz i Jn h

I PLATE N RoLLI G N PRoCE

( n r IIo n te s ac n tt t ) Ce ta r n a d S e IRe e rh I siu eAB TRACT Ba e n t e c n e to u t l v li t l g n o to。 h h e—e e o to S s d o h o c p fm li e e n e l e t c n r l t e t r e lv lc n r l— is t m i h c m p i e g nia i n e e, o di a i n l v la s c ie l v l a b e ys e wh c o rs s or a z to lv l c or n to e e nd e e utv e e h s e n

d sg e . e f n t n o e i n d Th u c i f AGC i s c t e l v lwa o e o t e c o d n t n l v l b o n e e u i e e s m v d t h o r i a i e e y v o u i g d n mi e t g AGC. ec o d n t e s n n e wo k i u e n c o d n to v l f sn y a c s ti n Th o r i a er a o i g n t r s s d i o r i a i n l e e o wh c n wl d e i u p id f o t e o g n z to e e . e o g n z to e e s a p n ih k o e g s s p l r m h r a ia i n l v 1 Th r a i i n l v li n o e e a s s e wih a t r a e o a h n n n I h s l

v l s l— a n n u c i n a d d cs o y t m t n i e f c f n m c i e a d ma . n t i e e, e fl r i g f n t n e ii n e o

fn t naee e ue . eM ut l e itlg n o to ytm a ena pi a j u ci r x c td Th l— v l nel e tc nrl se h sb e p l di Tini o ie i s e n nP a e M i, i y a e M i, h n h i a e M i, t . n o s iu u c iv me th s b e l t l x n u Plt l S a g a t l e c a d c n p c o s a h e e n a e n l l Pl l m a e Th h c n s e it n o i e e t l t s i l s h n 0 0 i i e e s d . e t i k e sd v a i f f r n a e s e s t a . 4m l m t r,wh c e c e o d f p l ihr a h st rd l v 1 he wo l e e .

KEY ORDS i t l g n c n r l c o d n t r a o i g n t r W n el e t o to, o r iae i e s n n e wo k, d n mi s ti g, y a c e tnt c ol gia on r de e hn o c lc t olmo l

1双机架中厚板轧制过程概述连铸坯或钢锭经加热炉加热到 12 0℃左右， 0

保证终轧温度。 精轧过程忽略基本不变量及缓慢时变因素，可

经高压水除鳞进入粗轧机开坯。粗轧要保证精轧机厚度和宽度要求。入精轧机温度一般为 100℃左 5右， 6 1道轧制成成品。多台加热炉加热，经~ 3出钢温差在 5 0℃左右；坯上有明显的水印，钢比其它部

将其看作多输入多输出系统。按工艺控制模型分类如下。

原始环境变量 H。坯厚 )B (宽 )L (料 (;。板；。坯长 ) O(;o出粗轧机温度 )。控制变量 S(缝 )△S各时刻动态设定辊辊；. (缝 ) U轧辊线速度) t(温轧制待温时间);(;控。。人工设置 (或模糊控制 )量 (形系数 ) C板； H

位约低 8 0℃。粗、轧制节奏 6左右，精轧机精 0S入温度波动±6 0℃。粗轧

机组发生故障温差可能更大，一般在 9 0℃以下可改变道次轧至成品。于控 5对

温轧制，在精轧机上分二阶段轧制，由最佳停留时间

(凸度系数 ) (板；辊缝零点校正值 )。

联系人：进之，级工程师 (授级 )北京 (0 0 1钢铁研究总院工艺所张高教， 108)

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钢

铁

状态变量 h出口厚度 )C (凸度 )即钢板中 (;h板，间厚度与距边部 2处厚度差；温度 ) P( 5mm (;轧制压力)、 (; N、力矩、功率、电流 )道次号);(。状态变量中的 h, h 、 ( h h ( h h。为目标 C一 lC/ )一 C/ ) l量。

的主控单元，控制各种数据、知识、型和方法的综模合运用，系统各部分有机地联系在一起。将 IS D S中包含多种数据库和模型库，各钢种变如形抗力参数数据库，降模型参数库，温轧机刚度参数库，工艺参数库等。工艺参数库可充分发挥人的智能

关于轧制过程最优化问题，已知 H。B、。,、。L、 在允许的 P。。、、Ⅳ1。 、I、。 、l( h h) C/一

性，通过参数修改决定轧制策略，获得不同类型的优化轧制规程。知识库的知识来源有两部分，种为人一工搜集，另一种为本系统自学习的知识。自学习知识由样本库、模型及方法得到钢种变形抗力和温降模型参数。

( h h l计算公式约束下，到目标 h、 h、 C/)及达 C ,

且板形平直，解 h……h,非线性多目标求。…是

规划问题。

2系统结构

样本库系统存放轧机实测数据，轧机弹性变如形数据，常工况下的采样数据，正主要有钢种、重、锭

组织级与智能协调级之间离线或在线交换信息。组织级是一个智能决策支持系统，为协调级提供知识库；知识库以框架形式表达，由机器学习方式形成。行级是常规控制系统，执由于动态设定 AG的 C

板宽、各道次压力、缝、度、辊温轧制时间、隙时间间等。

模型库系统是一种为用于决策的优选模型公式，压力、有力矩、变形抗力等。 方法库系统存放有回归分析、模型辨识算法、图

智能性，实现了对

象 (下系统 )环境 (压和轧件 )离分控制，基础控制只实现辊缝闭环就可以。行级还有执

压靠、踪等功能，跟见图 1。

I

表绘制软件和解非线性方程等专用算法。

曩r一一一一磊；广 常温规度控

组织级(模型计算机 )

人机工程师

轧钢

轧钢工程师

上下可离线界面协调级(过程控制计算机 ) 轧钢工

人机智能接口

顺序控制

操作

问题求解及处理系统

制t

连续 U量皇控

开

人工

关量控

感知

知识库 ll 样本库 Il 模型库 lI 方法库 l规程库 I 管理 ll管理 Il管理 lI管理 l l管理系统 ll系统 Il系统 ll系 统 l l系统

制

制

知识库 I样本库 I模型库 l方法库 l} l l l规程库对象(下系统)压

图 2中厚板智能决策支持系统 Fi . I t l g n e ii n s p o ts s e g 2 n el e td c so u p r y t m i

环境(轧件 )

f rp a ed rn o l g o l t u i g r li n

图 I中厚板轧制过程实时智能控制 Fi . Th e ltme i t l c u l y c n r l g 1 e r a—i n e l t ai o t o e t s s e f rp a e d rn o l g y t m o l t u ig r li n

规程库系统是系统的最重要功能模块，实现求

解 h、。h……h-决策功能， .i为协调级建立起框架表示的知识库。以上各系统结构如图 2。现就标准规程、则矩阵 (可比矩阵)明如下。规雅说 2 1 1标准规程 ..中厚板轧制可由抽象空间描述，自变量有钢种、

2 1组织级的结构与功能 .人机接口用菜单驱动，会话的方式与轧钢工以程师实现人机交流。

问题求解及处理系统作为智能决策系统 I S DS

锭重、口厚度、宽、度、辊凸度、次及轧机入板温轧道

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19年第 1 98 1期

参数等组成多维空间，因变量有，个厚度、 z压力、力矩、电流、形率以及辊缝等的矩阵。自变量为 z,变设 因变量为 Y,数学表达式Y一 ( z) () 1

嘶一器 (

算之，以压力计算为例+,

一 )㈤ (, +△B+,

如果几个量不同于标准条件，以用叠加法计可

问题的核心是求出 h、…h一，一个多目 h… 是 标非线性规划问题。国内外轧钢、制学者们作了大控量工作，别是动态规戈提出之后，得了一定进特 U取

展，由于计算量大，于在线应用。作者发明的综但难合等储备负荷分配方法得到规程问题的理论解。由 轧钢工艺理论和数学分析得到/ (0h )一 f (1h )一…一^,1 1 2^,2/ ( 1, ^一 h ) 2 () 2

( +蝴，㈣ ) (△ 其键影系 (,…的算中关是响数 )计。 …D h厚板不能像连轧机用模型公式求偏导数，因为温度、

宽度等任一个自变量单独改变时，度分配都在改厚变，略厚度对压力影响将引起过大的误差。忽应用综合等储备方法，以得到厚度最佳分配下的中厚板可影响系数。 标准条件下的优化规程计算出来之后，道次各;

文献[]明式 ( )解存在且唯一，解 ( h… 1证 2的其^、 h一 ) 为最佳负荷分配。综合储备函数,

的厚度、力等均可求得；别改变温度、度和板压分宽形系数，可求得厚度、力值，因变量差与自变又压由量差之比就可以求得中厚板影响系数，如表 1。表 1 Q2 5重 20 0k、5 1 3坯 0 g 3— Omm影响系数Ta l Q 2 5sa ih 0 g、 5 1 be1 3 lb weg t20 0k 3— Omm

(, 1 h )一 mi ^一， n

N h— N i— “

Ii I—

Ah1 ,一‰—

( ) 3

i l nc a or nfue ef ct s

式 () 3包括轧制过程的压力、矩等计算公式；力设备

允许的压力、力矩等值，别是系数，以充分反特可映轧钢专家经验，定不同值而确定轧制策略。式选 ( )轧钢综合集成数学模型， 3为由嵌套迭代法求出 h、 . i P、等， h…h-及 即求得 Y该算法将，维非。 z线性最优化问题转化为，个一维非线性方程求根问 z题，从而减少计算量，实现轧制规程在线优化。

在天津中板厂计算机控制系统中，用本文提采

出的方案，两台 P在 C机上实现了轧制规程实时优化。其技术核心是发明了中厚板影响系数计算方法，模型机上得到标准规程和影响系数 (可比在雅矩阵 )将标准规程及雅可比矩阵送到控制机上，,输

以上说明了双目标 h和板形平直的优化规程

的决策过程。对于、 h C目标，需要增加终轧温度和目标板凸度的迭代，要通过自动修改轧程间待 温时间实现， h求自动修改 a C要而达到目标要求。总之，综合等储备方法通用性很强，现了复杂实系统多目标的决策。 2 2协调级的结构和功能 .提出协调推理网络结构，现实时专家系统功实能，协调 DE S和 CVD D S混合系统的控制。图 3所示为中厚板轧制过程的协调推理网络。( )输入层 X。 1 A 0 m oA O一O—O; B—B一B ( B一B )A H— 或 ; C

入轧制前的实测温度值、板宽、口厚度和轧辊状况入等值，线计算实时优化规程。所谓标准就是给定在。 0 0℃,一1 5 B一1 0 0mm,一0 9而钢种、重、 8 .;锭

入口厚度、品厚度按生产的各种实际值算出来的成轧制规程。2 1 2规则矩阵 ..

实际生产时，温度、宽和轧辊状态与标准条件板不同， ()式 4就可以由标准值得到实际值。下标 e表示标准值。。一

C C A=W h- h; W一； A—A。式中下标 C为人

( A;￣ ( Op一 o ) A

工设定值，为测量值。人工观测板形状态， m由经验

给出的定量值，给值范围为 1 o~06,十其 . 0 . 0能

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钢

铁

分有效地控制板形的平直度；如果有板形仪，由模可糊控制设定值。 由实测出钢板厚度与目标厚: l

度之差确定。A H用于控制板凸度。 C

y

( )第一推理层 X 2X。 RX。一 () 6

是由组织级给出的规则阵 (可比阵 )雅。( )第二推理层 X 3一。 t

△B

+ -"//i - ￣

() 7CH

由组织级给出，在标准规程部分。△

( )第三推理层 X。 4S一 S +

A+ A S, () 8

为标准规程给出的各道次辊缝值。为咬钢 前辊缝预设定值，由执行级实现。由机架前、后辊道控制轧件咬入，咬入事件发生后，轧件将按优化规程要求变化。 ( )输出层 y 5^一 Sf . 0+ A f S .^ S.

图 3中厚板轧制过程协调推理络F g 3 Th o r i a e r t cn t n n t r o i. e c o d n t a i i a i e wo k f r o o p a e d rn o l g p o e s l t u i g r li r c s n

( ) 9

示道次。式 (O为动态设定型变刚度厚控模型。。 1) 3控制效果

S一 H A一瓮+¨

]

表 2为该系统与人工操作及国际先进水平异板差对比； 4为 1 9图 9 5年 4月的实测直方图。

c 由标准规程按道次给出；¨一， P Q等 S A。A¨由辊缝、力反馈信号计算得出。志表示时刻，表压 i

表 2异板差技术指标对比Ta l Co a io ft e t c n c ld t o h c n s e ito fd fe e tp a e be2 mp rs n o h e h ia a a f r t ik e s d v a in o i r n l t s f

h l nn li

1蚌锹血 hFi . S h ma i ig a o h c n s e i t n o ifr n lt s g4 c e t d a r m ft ik e s d v a i fd f e tp a e c o e

( )能控制；b人工操作 a智 ()

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19 9 8年第 1期 l

4分析

制。

41 D D . E S与 C S协调互补控制 VD各块钢板各道次轧制是离散事件动态系统 ( E S,准规程及规则阵属统计层次上的数学 D D )标模型；每一道次轧制过程则为连续变量动态系统而 ( VD )辊缝差分方程消除扰动的影响，制厚度 C S,控恒定。D D E S数学模型保证了预摆辊缝准确，以所A GC采用绝对值方式；绝对值 A而 GC则校正了辊

5结论

( )协调推理网络将专家系统、规控制、 1常人工操作融于一体，现中厚板轧制过程的分层递阶智实能控制。

( )动态设定 AG辊缝差分方程 )实现对象 2 C(, (

下系统 )环境 (压和轧件 )离控制，决环境变化分解大及与对象强耦合的控制难题。 ( )控制理论指导建立的轧钢过程工艺控制数 3

缝预摆的误差，使各道次厚度达到设定要求。们之它

间是协调与互补的，协调推理网络则为具体实现。而4 2实现对象与环境分离控制的条件 .

学模型，现了中厚板轧制过程 D D实 E S和 C VDS的混合系统的控制，对其它工业过程控制有参考价它值。

按文献[]点，控制对象 ( 5观把压下系统 )和环境(件)离，轧分区别于把环境变化作为控制对象的扰动。动态设定 AGC是通过识别轧件扰动和轧出厚度恒定为目标得出的辊缝差分方程，其特征是控制量只与轧件扰动有关，与消除扰动的辊缝改变无关，

向共同完成中厚板轧机计算机控制工程的白埃

民、繁城、孟郝付国等，天津中板厂、钢三厂中板厂上的有关同志表示谢意；撰写论文给予指导帮助的对

而 BS A方法则将扰动和辊缝改变所引起的压力 IR变化等同看待。由于是动态设定 AGC,以能将所 A GC功能移置到协调级，现对象与环境分离控实参考

罗公亮、袁增任、秦世引等表示感谢。本文在第二届全世界华人智能控制会议上获最佳应用论文奖。

文

献

梁国平 .关于轧机的最佳负荷分配问题 .铁 . 9 0 1 ( )4~ 4 .钢 1 8,5 1:2 8 张进之，白埃民，付国 .发明专利 .中国， 2B 7 1,1 1 6 3 71 9 -70 .郝 B 1 3/ 2 9 1 17 .,9 20—8 张进之 .压力 AG系统参数方程及变刚度轧机分析 .冶金自动化，9 4 ( )2~3 . C 18,1:4 O 张进之 .压力 AG分类及控制效果分析 .钢铁研究总院学报， 98 8 2:7 4 C 1 9,( )8~9 . 罗公亮，卢强 .智能控制与常规控制，自动化学报， 94 2 () 3 4 3. 1 9,0 3:2~3 2

查帕拉尔钢公司改造小方坯连铸机美国查帕拉尔钢公司原有两台连铸机 (中一台为 A其 号四流小方坯连铸机，一台为 B号五流大方坯连铸机 )为另。

间包容量由原来的 1扩大到 1。 2t 8t 以前的喷水系统只有一个 2

4m长的喷水区，于结晶 .位

器下，且手动控制。改造后的喷水系统增加到 3个区，从结晶器以下一直延长到矫直区，自动控制。随着铸速的提高或全

提高产品质量和生产率，9 5 1 9年夏，该公司对 A号连铸机进行了改造，改造任务包括改变结晶器长度、喷水系统、电磁搅拌系统及中间包容量。 结晶器原来的长度为 8 3mm,面尺寸为 1 34mm× 1断 3 . 1 3 4m。用这种结晶器的平均注速为 2 0m/ n改造 3 . m采 . mi。

降低，每个区的喷水量可发生变化，以满足所需的冷却曲线。电磁搅拌系统由原来的单线圈系统改为双线圈系统， 以便进行更好的搅拌。 改造效果：铸速提高了 5;减少了拉漏率；减① O②③少了再加热断裂的次数及严重程度；减少了中心裂纹的严④重程度；由于铸速提高，除了过冷现象。⑤消 晓马摘自￣rna dSel n ier 1 9, o 4 Io n te E gne》9 8 N .

后结晶器长度增加到 1 1 6mm( 0断面尺寸不变)在结晶器，以下增加一套足辊，样铸速可提高到 3 0m/ n这 . mi。为使铸机在高速下连浇应增加中间包容量，造后的中改

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