带钢连续热镀锌退火过程的模型化1995.pdf

第12卷第4期控制理论与应用Vo1．12，No．4
1995年8月CONTROLTHEORYANDAPPLICATIONSAug．t1995
竺，一的模6
(⋯浙江大⋯学电机及其控制研究所·杭州，310027)(⋯华为拄术有限否可淬圳．-518054)I【I·

H摘要：针对大型玲轧带锕连续热镀锌遇火过程的模型化和控制难题，本文以目前国内最
先进的宝钢热镀锌生产线为对象．建立了用于实时控制的两类新颖数学模型t带温分布模型
和带温跟踪模型，仿真和工业运行效果良好．
关键词：塑整堕蟹连续退火遢火炉，建立模型火辞L}要

1引言
在大型钢铁企业冷轧带钢热处理及涂镀生产中广泛采用连续热镀生产技术、自
1931年世界上第一条连续热镀锌退火生产线问世以来，连续热镀锌退火工艺、设备和控
制技术得到了迅速发展、在生产过程中，带钢在连续退火炉内高速前进，并按一定的退
火曲线升温和冷却，再直接入锌锅镀锌、系统建模是为了实时预测炉内的带温分布以用于
控制，而控制的主要目标是使带温满足退火曲线的要求，但由于退火和镀锌同时进行而使
控制的方法、手段、技术和性能要求等与一般的退火炉控制有所不同．进入80年代以来，
应用数学模型实现热镀锌退火炉优化控制的研究日趋活跃．迄今为止所开发的各类模型
中，有些是静态的，有些对生产过程的描述比较粗糙，这些均无多大的推广应用价值．而源
于传热机理和严格数学推导所建立的模型对带钢沿护长方向的横向热传导考虑不足，又
忽略了对流传热，故适用范围有限特别是，已有模型大多是针对局部和个别段的，未见有
关全炉数学模型的研究报道．在目前我国最先进的宝钢热镀锌生产线中，没有数学模型和
计算机优化控制功能，从而带来生产中的大量实际问题．生产过程的复杂性以及国际上对
关键技术保密，致使连续热镀锌退火过程的模型化和优化控制成为急待解决的实际工业
难题．为此，我们为宝钢热镀锌退火炉开发了混合智能控制系统]，本文主要研究其中
的全炉数学模型的导出、工程实现和参数辨识等．
2系统分析和建模假设
宝，钢，nLX0的U立式热镀锌退火炉由预热、还原、控冷和喷冷四段组成，结构庞大，展开等效长
度近200m．各炉段又分为具有强耦台非线性特性的多个炉区，炉子热惯性大．炉内既有加
热又有冷却，传热方式差别很大、机理复杂．带钢规格、退火曲线及机组速度等经常发生变
化而使工况难以稳定，如带厚0．3~3ram不等，机组速度0~183m／min．如此庞大复杂的

*参加奉项目部分工作的珏有周玉酉、谢晓清、符雪桐、扬建明、张卫平和童显底等
奉立于1994年5月18日收到，1994年12月l0日收到售戏稿．

460控制理论与应用12卷

遢火炉，带温和炉温检测值却极少，分别为5个和l6个．简单模型难以准确描述系统特
性，而复杂模型又难以满足实时性要求．为此，我们以基于传热原理和严格数学推导导出
的分布参数模型为基础进行工程实现，并通过在线辨识使模型具有自学习和自适应能力．
根据不同的应用目的而建立两类模型，即描述全炉带温分布模型和跟踪每一带钢小单元·
温度变化情况的带温跟踪模型．
根据带钢很薄、加热烧嘴或冷却气体喷嘴措带钢两面对称分布、机组速度变化范围
大、带钢物理性质以及实际运行工况等，将炉温沿炉宽方向的梯度视为零而沿带钢两面对
称分布．同时，带温在炉宽方向的温度梯度也视为零，而以带厚方向上的平均带温作为带
温近似值．另外，适当小空间区域内的传热特性系数(黑度系数、辐射角系数等)视为集中
参数，相应的炉温和带温也视为均匀，且炉温由相应物理炉区的测量值确定．
3分布参数模型的导出
先考虑带温分布模型．将立式退火炉按炉长方向展开，设和Y分别代表带厚和炉长
方向，工和d分别为等效炉长和带厚．记T(x，y，f)和TZ(y，f)分别为带温和炉温分布，t
为时间，C，P和咒分别为带钢比热、密度和导热系数，为机组速度．于是，由建模假设和
导热定律，可得到描述全炉带温分布的二维不稳定导热方程
j一II~FK
，
lj]+aK])一。)．
(1)
其中0≤z≤()，0≤Y≤L，t≥0．K为常数时，上式简化为
丝一K,Fa2T(x,y,t)+aZT(x,y,t)1砷)塑
．一．(2)
at—CpL．ax。aYJ⋯aY‘⋯
为确定带钢上下表面的边界条件，考虑炉内带钢表面与退火炉之问的能量传递方式
主要是辐射和对流．根据建模假设，只考虑带钢下表面的边界条件．由有关传热定律，可导
出带钢下表面的热流密度q(Y，f)之关系式
q(，f)一e(y)F。a[TZ‘(，f)一7(0，y，f)]+^F。ETZty，f)一T(0，Y，f)]，(3)
e()一‰+[+()]／2．(4)
其中：有效传热面积；：Stefan—Boltzmann常数；^：炉气与带锕下表面的对流传热系
数；，：带钢