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方坯连铸机二冷配水动态优化控制
张天坤，莫天生，冯腾飞
马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂，安徽马鞍山243000
摘要：本文在连铸坯凝固稳态传热经典模型的基础上，提出了基于分区多控制点目标温度优化的增量型PID算法，用MATLAB软件编制了二冷水量动态控制语言程序进行仿真铸坯表面温度、二冷水量与拉速变化的关系。研究表明，分区多点控制PID算法可以满足动态调节水量的要求。
关键字：连铸二冷配水；MATLAB仿真；PID算法；分区多点

Abstract:Onthebasisofclassicalmodelofsolidificationsteadyheattransferofcontinuouscastingblank,ThispaperputforwardaincreamentalPIDAlgorithmbasedonthetemperatureoptimizationofPartition&Multiplepointscontrol,TodesignacoolingwaterdynamiccontrolprogramwithMATLABtosimulationtherelationbetweensurfacetemperatureofcastingblank、theyieldofcoolingwaterandthechangeofcastingspeed.Theresearchindicatesthat,PIDAlgorithmofPartition&Multiplepointscontrolcanfufilltherequirementofdynamiccontrol.
Keywords:castingcoolingwater;MATLABsimulation;PIDAlgorithm;Partition&Multiplepoints1引言
连铸是把钢水由液态变成固态的过程，在连铸过程中，铸坯的冷却凝固受控于与拉速有关的热传递变化，铸坯冷却过程由一冷控制和二冷控制两部分构成，其中二冷区分成多个冷却段，每段单独控制喷水，根据拉坯速度、钢水过热度以及钢种等工艺参数设定各冷却段的喷水量。连铸是一个多变量、非线性、大滞后、具有较强耦合作用的复杂生产过程[1]。常规的连铸二冷控制系统仅仅是基于瞬时拉速的前馈控制，没有考虑铸坯凝固的热动态历程，这种控制策略对于稳态过程是有效的；实际生产中，拉速是随着中包钢水过热度、钢水成分以及生产节奏变化而产生阶跃变化，水量也随之发生急剧变化而使铸坯表面回温过高或过低。根据冶金研究结果，铸坯表面及次表面温度的急剧变化，将造成局部过大的热应力而导致内部裂纹的产生，因此控制铸坯各段表面温度对提高铸坯质量是非常必要的。本文在前馈控制配水的基础上，基于铸坯表面温度预测模型，建立连铸二冷配水二级控制系统，动态确定二冷各段的设定水量，实现二冷区铸坯表面温度“闭环”控制。
2铸坯表面温度预测模型
由于二冷区内环境温度高且充满水蒸汽，铸坯表面存在水膜和氧化铁皮等，因此很难用传感器在此区域内进行准确可靠的铸坯表面测温，而目前采用软测量技术进行二冷区内铸坯表面温度预测则是一个很好的选择。
2.1铸坯表面温度预测模型
本文以马钢三钢轧6机6流方坯连铸二次冷却过程为研究对象，分析铸坯凝固过程的动态特性，研究其输入与输出之间的关系，建立方坯连铸过程的非稳态传热模型，实时预测二冷区铸坯表面温度。设方坯截面两个方向分别为x轴和y轴，拉坯方向为z轴，坐标原点为弯月面中心处且与铸机保持相对固定，铸坯断面温度分布为T(x,y)。
对连铸过程采用微分法切片进行研究，建立其二维凝固传热微分方程为：
（1）
其中，ρ、c、k、T分别为钢液的密度（kg/m3）、比热（J/kg）、导热系数（W/m）、铸坯的温度（℃）。
由于连铸坯是单向运动的，同时二冷区内前段冷却水量对后段的表面温度存在耦合作用，即铸坯某点的表面温度是由当前的浇注数据和铸坯的前期冷却过程的“历史”数据共同决定的。为准确在线预测二冷区内铸坯各点的表面温度，本文在预测模型基础上，采用递推迭代算法，建立动态软测量模型，实时预测铸坯表面温度的变化情况，动态跟踪铸坯凝固过程。
2.2预测模型换热系数的确定
在软测量模型中，二冷区喷淋对流换热系数的准确性是模型准确性的保证，也是模型成功在线应用的必要条件，其值大小主要由铸机的喷淋架、喷嘴及其配置决定．换热系数如下式：
（2）
式中、、、分别为换热系数、水流密度、冷却水温度和与铸机有关的换热系数常数，下标表示二冷区第个冷却段，=1,2,3，式中、可通过测量数据直接计算得到，是与铸机有关的待定常数。根据经验确定换热系数，其准确性难以保证；而通过测量二冷区内表面温度来确定换热系数的方法又难以实现；为提高预测模型的准确性，采用样本统计方法确定修正常