一個改進的爐卷軋機模型及其實現(xiàn)研究

王秀媛

（安陽技師學院，安陽 455000）

0 引言

爐卷軋機生產(chǎn)線是一條采用卷板生產(chǎn)工藝生產(chǎn)線，由于爐卷軋機生產(chǎn)線自身的工藝設備特點,與常規(guī)的中厚板和熱連軋板帶生產(chǎn)線相比，在軋制薄而寬規(guī)格的鋼板時具有一定的優(yōu)勢。爐卷軋機控制系統(tǒng)中數(shù)學模型是實現(xiàn)生產(chǎn)過程計算機控制的基礎，其重要特點是描述參數(shù)的變化，然而由于熱軋制過程中軋輥存在彈性變形、軋輥磨損、帶鋼溫度變化等多種復雜因素的影響，鋼板參數(shù)難以控制，諸多從實驗中總結出來的軋制數(shù)學模型因軋制環(huán)境的變化原有參數(shù)已不能滿足高精度軋制的需要，因而在實踐中需要根據(jù)實際生產(chǎn)工藝不斷修正參數(shù)[1]，來保證控制要求，本課題來源于安鋼爐卷軋機控制系統(tǒng)工程[2]優(yōu)化項目，本文是對一個改進的爐卷軋機模型及其實現(xiàn)研究。

1 爐卷軋機模型思想

爐卷軋機也是一種生產(chǎn)熱帶鋼的生產(chǎn)工藝。爐卷軋機目前存在的問題是，帶鋼在卷取爐內(nèi)加熱時間長，產(chǎn)生氧化鐵皮，使帶鋼表面質(zhì)量較差； 帶鋼頭尾與本體溫差大，導致帶鋼厚度偏差大、板形較差；卷重較小、收得率較低。基于以上問題的解決，為爐卷軋機系統(tǒng)開發(fā)引入一套規(guī)范的模型是十分必要的。

由于用于生產(chǎn)過程計算機在線控制，時間上有一定限制，因此需采取一些簡化措施抓住主要因素，忽略次要的以及不可測量的因素，利用模型改進來保證控制精度。金屬塑性流動應力是指單向應力狀態(tài)下金屬材料產(chǎn)生塑性變形所需單位面積上的力，它的大小不僅與金屬材料的化學成分有關，而且還取決于塑性變形的物理條件。

我們從以下幾個角度來分析幾個關鍵的變量。變形溫度對流動應力的影響最突出，其影響項可用指數(shù)函數(shù)表示。變形程度對流動應力的影響較為復雜，不能簡單地采用單調(diào)遞增的冪函數(shù)表示，考慮到化學成分、變形溫度等因素的影響，應采用非線性函數(shù)表示之。變形速率對流動應力的影響可出冪函數(shù)表示，指數(shù)與變形溫度等因素有關。在線控制使用的數(shù)學模型精度要高，但結構不能太復雜，可由下面的方程式給出：

2 爐卷軋機模型描述

金屬塑性流動應力是壓力加工理論及設備能力參數(shù)設計的最基本參數(shù)之一，是加工過程中計算機控制的最基礎的數(shù)學模型。爐卷軋機的啟動模型為粗軋機提供了啟動參數(shù)，F(xiàn)RS為流動應力模型提供了估計數(shù)據(jù)，流動應力反過來為RFS提供了傳輸數(shù)據(jù)。流動應力模型在軋機控制系統(tǒng)中起著重要的作用，流動應力（在給定的溫度和拉力速率下產(chǎn)生的壓力）是壓力模型輸入的變形限制的原素。

圖1 模型結構及主要元素

模型通過板坯指示器獲得最終的反饋掃描數(shù)據(jù)總的模型結構及主要的元素如圖1所示。RFS從存儲的文件中讀取所有的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)，并初始化主存。在初始化階段RFS從RTWM模型進程中獲得軋制信息,并初始化RFS內(nèi)部的軋制狀態(tài),然后RFS進入無線循環(huán)中, 來等待板坯指示器所指示的工作要求,決定是啟動還是反饋計算RFS為一個單元的運行時間設計一個配置進程,這個進程在模型控制面中處理所有板坯啟動和反饋需求,這個模型控制開始于軋機入口延伸于軋機出口傳感器。RFS產(chǎn)品的配置是通過標準化ASCII文件的修改所完成的,ASCII文件位于RFS產(chǎn)品的配置字典中。這些配置文件對RFS來說是很關鍵的,軋機定義調(diào)頻參數(shù)都在這些文件中說明的,由依賴于文件的請求,因此一個請求不能轉(zhuǎn)移為另一個請求。

RFS可以利用適當?shù)拿顓?shù)運行在線、單機、離線方式下。在線模式下，RFS在一個控制機器上運行并通過消息與其他自動化系統(tǒng)通訊,板坯指示器將給RFS發(fā)送包含工作需求和數(shù)據(jù)的消息,RFS從板坯指示器中獲得系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和PDI目標數(shù)據(jù),計算出新的啟動,并把計算好的數(shù)據(jù)反送給板坯指示器進程。在離線模式中,RFS典型的運行在一個后備計算機上,并通過消息與別的自動化系統(tǒng)通訊,板坯指示器將會給RFS進程發(fā)送一個包含工作需求和數(shù)據(jù)的消息。RFS講讀取所需的其它數(shù)據(jù),但不像板坯指示器進程發(fā)送參數(shù),也不做適應性的更新,分散的日志文件將在輸出字典中產(chǎn)生。單機模式下,RFS典型的運行在遠離在線系統(tǒng)的后備計算機上,用來調(diào)適合開發(fā)工作,單機計算機所有要求的數(shù)據(jù)是通過制定的配置的文件提供的。RFS寫下傳送給板坯指示器的外部軋機參數(shù),板坯指示器使用RFS軋機參數(shù)記錄的信息為不同的FM設備產(chǎn)生參數(shù)，如：FM主傳動,AGC(自動測量控制),AWC(自動寬度控制)功能。

3 爐卷軋機模型分析

RFS模型使用標準模型建立塊作為啟動和反饋功能的基本平臺。無論是機理型還是經(jīng)驗統(tǒng)計型模型為了用于一定的軋機必須利用該軋機的實測數(shù)據(jù)對模型系數(shù)進行統(tǒng)計分析，以使模型用于該軋機的具體條件下能獲得要求的預報精度。在現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析時應考慮需有一定數(shù)量條件相同的實測數(shù)據(jù)以提高統(tǒng)計的可靠性。應該說要保證完全達到“條件相同”是較困難的，例如同一鋼種帶坯成分不可能完全一致，同一軋機在新?lián)Q上軋輥及軋輥己磨損即將換下來時，其軋制情況是不完全相同的等等，因此應用大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計所得的模型系數(shù)，使模型具有平均性質(zhì)。

自變量應有較寬的范圍以使統(tǒng)計結果較為穩(wěn)定，當自變量范圍太窄將使統(tǒng)計后的模型預報精度降低。如圖2所示，左圖可知當自變量太窄時的回歸直線可以是A亦可以是B線，如圖2所示，右圖當自變量范圍加寬后回歸方程明顯為A，而不可能是B線。需對實測數(shù)據(jù)進行預處理，應將過于分散的實測點剔除后再進行統(tǒng)計分析。但剔除實測點要小心不能具有人為傾向以免產(chǎn)生誤差，當是否屬于分散，不能肯定時不要輕易剔除數(shù)據(jù)。此時可進行預分析，即先用比較“分散”的數(shù)據(jù)進行回歸分析在獲得初步結果后將偏差超過3σ的點加以剔除(超過3σ意味著99%可能性是“壞” 的數(shù)據(jù))，然后再進行最終的回歸分析。另外要注意不能將具有曲線性質(zhì)的散點圖按直線來回歸，這種情況下數(shù)據(jù)剔除將會把“好”數(shù)據(jù)剔掉。即使是經(jīng)驗統(tǒng)計模型亦應根據(jù)機理分析來確定主要影響因素及公式的大致結構。亦可以將試驗數(shù)據(jù)先給出散點圖以確定較好的公式結構，以有利于加快系數(shù)的統(tǒng)計分析。事先制訂出試驗方案，使數(shù)據(jù)收集有計劃進行，這包括為了試驗需軋制的規(guī)格和鋼種，需要記錄的數(shù)據(jù)，試驗編號等等。模型建立后應在生產(chǎn)實際中進行驗證，考慮到統(tǒng)計后模型具有平均性質(zhì)，因此一定的誤差是允許的。為了增加軋制壓力預測的準確性，流動應力下面保持與每個鋼種的流動應力系數(shù)的設置計算相分離，同時對每個鋼種在軋制中有三個設置計算，它們包含了所要求的三個厚度的允許范圍。

圖2 自變量選擇

圖3 程序框架

4 爐卷軋機模型實現(xiàn)及結果分析

流動應力模型要在實踐中加以實現(xiàn)還需要程序來編制，其程序的框架，如圖3所示。對于流動應力模型計算實現(xiàn)是對該模型的數(shù)學式需盡量化為線性模型來回歸，再用最小二乘法并有效地利用多次數(shù)據(jù)來進行指數(shù)平滑方法可達到要求的精確性。為了有效地采用此方法，通常進行矩陣系數(shù)的指數(shù)平滑，不斷利用即時信息來進行模型參數(shù)修正的功能，這樣保證了數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性。

改進的爐卷軋機在線參數(shù)模型及實現(xiàn)，從而使安鋼爐卷軋機控制系統(tǒng)更加優(yōu)化，進一步提高了中厚板的成材率,并且保證控制要求。從而進一步促進了帶鋼熱連軋生產(chǎn)的發(fā)展，并產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟效益，并為全面掌握整個控制系統(tǒng)提供一個有益的參考，為相關研究提供一個樣板。

總之，爐卷軋機在線參數(shù)模型的改進和實現(xiàn)，使安鋼爐卷軋機控制系統(tǒng)更加優(yōu)化和有效，并進一步提高了軋制的成材率，實現(xiàn)流動應力模型系統(tǒng)平臺，流動應力模型在爐卷軋機控制系統(tǒng)中的應用及實現(xiàn)，證明了流動應力模型的開發(fā)具有我們分析的目前現(xiàn)存的控制系統(tǒng)不具備的優(yōu)點、性能及高擴展性。

[1] 楊節(jié).軋制過程的數(shù)學模型(第2版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1993.127-135.

[2] 戰(zhàn)英.軋制變形規(guī)程優(yōu)化設計[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.245-256.

[3] 冀志宏.安鋼爐卷軋機軋制質(zhì)量控制[J].寬厚板,2006,(06).

[4] 程秀英.過程控制計算機系統(tǒng)在爐卷軋機中的應用[J].甘肅冶金,2005,(01).

[5] Giorgio Dall'Armellina;Ugo de Siervo.達涅利中板和爐卷軋機自動控制技術:Trametal,Valsider,KSC[J].鋼鐵,2003,(11).