成果介绍-代表性成果之二
发布人：Super User 发布时间：2008-03-20 浏览次数：2929大中小
代表性研究成果简介（二） 板带热轧过程智能控制和自动化系统集成
1.背景和意义
板带热轧过程自动化控制系统是最复杂的工业过程控制系统之一，也是制约轧制技术发展的一个关键技术。但目前国外能提供成套板带热轧自动化系统的仅德国西门子、日本TMEIC（东芝、三菱及美国GE传动部合并建立）、法国ALSTOM及奥钢联等五、六家大电气公司，并基本垄断了世界板带热轧自动化控制技术的市场。我国在板带热轧技术引进过程中，外商以自动化和工艺软件等关键技术捆绑硬件设备，系统价格非常昂贵，而且工业发达国家明确提出，生产高级优质热轧板带的技术不向中国出口。近年来，中国所有引进热轧生产线，其自动化控制应用软件均为黑箱，为后期的系统优化和产品开发设置了障碍。从国内方面来看，我国热轧板带生产在规格、品种、性能方面，还不能满足国民经济发展的需求 ，高性能的产品还需要大量进口。国内板带热轧早期引进的轧制及控制技术大部分已经老化，需要更新，新引进的轧钢过程控制模型根据国情也需要进行改造和优化。板带热轧过程智能控制和自动化系统集成技术的开发是我国通过现代电子技术对传统工业进行改造的需要。
2.主要研究内容
在这样的背景下，我国热轧领域迫切需要有我们自己自主知识产权的轧制过程自动化应用软件。本实验室作为国内轧制领域唯一的国家重点实验室，在消化吸收从国外引进引进的先进技术基础上，通过深入了解热轧现场实际，借助国家科研项目资助，并与国内大型钢铁公司合作，实现新建热轧板带生产线自动化系统的国产化，或对现有热轧板带引进系统进行优化。在此过程中，确定了如下的开发研究目标：
1）通过高性能以太网，将PC服务器、IPC计算机、PLC、智能仪表、执行器和交直流传动系统进行一体化集成，以实现热轧过程的自动化控制；
2）开发适合于中厚板和热连轧的过程计算机监控平台；
3）开发轧制过程和冷却过程的高精度数学模型、智能化高精度控制策略和应用软件；
4）提高热轧板带尺寸和性能控制精度，提高生产效率，开发具有自主知识产权的热轧智能控制技术和专用应用软件。
以上内容的研究有很高的难度，首先，板带热轧控制轧制和控制冷却工艺设定模型是非常复杂的，在线应用必须要兼顾计算时间和控制精度两个指标，要求对板带轧制理论和智能控制有深人的研究。整个热轧生产线的计算机控制系统是数十甚至数百台计算机系统的集成，这要求开发一个可靠、高速的过程控制监控平台，并解决整个轧线计算机和网络系统的高效稳定运行、海量的数据处理等一系列重大工程技术难题。另外，轧制过程的控制对象包括了多闭环、多变量、强耦合、非线性、高响应、大滞后等特征，而板带尺寸的高精度和高响应控制，还要求高精度的传感器、超大流量和高响应速度的液压伺服系统等，这些特征都是传统控制策略难以适应的。综上所述，板带热轧过程的这些控制特点无论是对计算机的性能还是应用软件的控制策略均是一个巨大的挑战，板带热轧系统是轧钢工艺、机、电、液、计算机等多专业的联合攻关项目，不能寄希望于单打独斗，必须是大兵团作战。
3.创新性贡献
近年来，实验室从轧制控制模型的基础研究、离线系统模拟仿真起步，由轧制过程自动化的局部功能优化开始逐步扩展至整个系统，并最终实现了热轧板带全线自动化系统的集成，并进而在该集成平台上实现了板带热轧过程多个关键环节的智能优化控制。在板带热轧过程智能优化控制和自动化系统集成方面，本实验室开发了一系列核心技术，拥有在热轧生产中对于板形、板宽、板厚和温度控制的智能控制方面完备的过程控制应用软件。这些智能控制包括模糊控制、人工神经元网络、专家系统和多变量解耦控制等。目前已具备了自主设计、集成及编制全部板带钢热轧过程应用软件（包括数学模型）的能力。主要创新性贡献如下：
1)开发了适合对中厚板和热连轧机进行过程控制的计算机系统监控软件平台。该软件平台主要由通讯模块、跟踪调度模块、数据管理模块、过程模型计算模块和系统仿真等模块组成。过程控制系统采用多线程结构设计，多线程环境中的各个模块线程具有独立性，可以实现任务的并发处理，并容易共享进程内资源，简化了数据的规范管理。该监控软件平台的开发成功，为实验室承担热轧板带的全线自动化系统的工程项目奠定了基础。
2)提出改进的Newton-Raphson法，用于带钢热连轧机组的负荷分配；采用变尺度混合遗传算法进行负荷分配系数优化。在Newton_Raphson法中，引入步长调节因子，保证了算法的收敛性。在遗传算法中，嵌入BFGS优化模块，在每个新产生的后代进入种群之前，进行局部优化，使之移动到与之最近的局部最优点。目前这种方法已成功应用在现场实际的热连轧过程控制中。
3)采用基本粒子群（PSO）协同神经元网络与传统模型自学习相结合的方式进行轧制力的预报。采用一种自适应变异的粒子群优化算法训练神经元网络，并首次将该方法应用到热连轧机组轧制力预报中。通过热轧板厂现场数据运算表明，该方法的预报误差平均值比传统数学模型低1.6﹪，比BP神经元网络低0.55﹪，收敛速度比BP神经元网络提高了约1/4，为进一步提高精轧机组轧制力预报精度提供了一种新的有效方法。
4)提出虚拟测厚仪模型。以轧机本身作为测量设备，将影响函数法应用于轧机弹跳方程的分析，分析了工作辊辊径、支撑辊辊径、工作辊凸度、支撑辊凸度、轧制力和轧件宽度对轧机弹跳的影响，利用计算数据构造出简洁的在线辊系弹性变形计算模型。提高了模型的计算误差不超过4％。基于在线辊系弹性变形计算模型将轧机弹性变形分解为辊系弹性变形和牌坊弹性变形两部分，构造出精度和完备性都优于传统模型的新轧机弹跳模型。
5)在热连轧活套控制方面，采用了综合智能控制策略。针对活套高度控制在偏差较大的情况下，提出了模糊＋PID的复合智能控制器结构。针对活套高度和张力的耦合现象，给出了一种解耦方法–逆Nyquist频率响应法，利用Matlab的辅助设计功能设计系统的解耦控制器，通过仿真和实际应用研究表明，解耦后的活套高度与张力的耦合性得到了大幅度的抑制，提高了活套张力的控制精度。
6)将Smith智能预估控制方法用于监控AGC、热连轧终轧温度闭环控制、热连轧卷取温度闭环控制等具有大滞后控制系统中，给出了控制器分别为比例和积分形式下的控制率。该控制策略算法即有很快的响应速度，又具有较高的静态控制精度。将该控制策略应用于实际生产线的大滞后控制环节，取得了优良的控制效果。
4.作用和影响
近10年是我们钢铁冶金行业跨越式发展的黄金时期，到目前为止，已有约58条中厚板生产线和65条热连轧生产线。除4300mm以上宽度的中厚板和1880宽度以上的热连轧计算机控制系统大多为从国外引进的，3500mm以下的中厚板计算机控制系统和1780mm以下热连轧系统的绝大多数均为国内进行系统集成和开发。本实验室在中厚板领域，以国家十五攻关项目“中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制”为契机，开展中厚板轧制过程的智能控制和自动化系统集成方面的核心技术研究，取得了一系列具有自主知识产权的成果，并将相关成果应用到新建或改造的中厚板生产线中。从2000年开始国内绝大部分3500mm以下的中厚板全线自动化系统的绝大多数均由本实验室承担。在热连轧领域本实验室与冶金自动化研究院、攀枝花钢铁公司等单位合作，先从攀钢的1450热连轧改造为开始，开展热连轧过程的智能控制和自动化系统集成方面的核心技术研究。并在此基础上，结合国家高技术产业示范工程（工业自动化专项）“2150热轧机智能优化控制和自动化系统产业化应用”，将中厚板方面所取得的成果通过改进推广到热连轧领域，并针对热连轧自动化系统的特点，取得了一系列针对热连轧自动化控制的创新性成果。在热连轧领域完成或正在进行包括攀钢1450、港陆1250、1500，宁波建龙1780，海鑫1500等板带热连轧计算机系统的集成与开发。在中厚板领域，2004年通过了由中国钢铁工业协会组织国内有关专家对“首钢3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制”项目进行了成果鉴定，结论意见为“自主开发了具有厚度自动控制、板形自动控制、平面形状控制、全自动轧钢等先进功能的中厚板轧机计算机控制系统和高精度、智能化系列数学模型，并形成了微跟踪平面形状控制轧制等专利技术，改善了同板差和异板差，效果良好。”在热连轧领域，针对“国产1450热连轧关键技术及设备研究与应用”课题，专家组给出了如下的技术评价：“课题组采用产学研相结合、技术研发和工程实践相结合的方式，实现了热连轧关键技术和重大装备的自主创新，获得了一系列自主知识产权，打破了热连轧国外垄断和重复引进的局面，投资少，见效快，社会效益巨大。”
本实验室在板带热轧过程智能控制和自动化系统集成方面开发了一系列独有技术和自主知识产权，实现了热轧过程高性能自动化应用软件的国产化，加快了科技成果向现实生产力转化。其成果在国内热轧领域得到了大面积推广应用，打破国外几家大公司的垄断，培养了自己的研究和开发队伍，推动了我国轧钢行业的技术进步，提高了我国钢铁企业的国际竞争力。近五年的时间，完成或改造了15条中厚板生产线，独立或合作完成了10条热连轧生产线，创造了巨大的经济和社会效益，对轧钢行业的技术进步产生了巨大推动作用!
研究成果已获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步二等奖2项，沈阳市科技进步一等奖1项：
1)“首钢3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制”，2005年度国家科技进步二等奖，王青海、王国栋（2）、刘相华、王君。
2)“国产1450热连轧关键技术及设备研究与应用”，2006年度国家科技进步二等奖。焦景民、薛兴昌、张殿华（3）
3)“南钢2500mm 中厚板核心轧制技术及设备研制”，2005年度江苏省科技进步二等奖。赵永和、王国栋（2）
4)“中厚板轧制核心技术和自动化系统集成”，2005辽宁省科技进步二等奖，刘相华，王君、吴迪、张殿华、朱伏先、牛文勇、许云波、胡贤磊、李艳梅、杨红、何纯玉。
5)“现代大型厚板轧机轧制工艺、设备及自动化系统集成”，2005年度沈阳市科技进步一等奖。刘相华，王 君，何纯玉，矫志杰，孙 涛，赵 忠，刘彦春，甄立冬，吴 迪，张殿华，朱伏先。
