【摘 要】
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加热炉是钢铁产业生产线中关键的设备之一。其中,加热炉炉温的优化设定是加热炉炉温优化控制的关键。从现实生产来看,大部分的研究一般只讨论加热炉在某种特定生产工况下的炉温优化控制问题,而对加热炉在实际现场中经常遇到的变规格工况和延迟待轧工况下的在线炉温优化问题研究较少。以往遇到此类问题,大都是依靠人工经验手动调整,容易造成加热炉生产效率降低和钢坯出炉质量下降等问题。因此,不少学者试图求解加热炉在线炉温优
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加热炉是钢铁产业生产线中关键的设备之一。其中,加热炉炉温的优化设定是加热炉炉温优化控制的关键。从现实生产来看,大部分的研究一般只讨论加热炉在某种特定生产工况下的炉温优化控制问题,而对加热炉在实际现场中经常遇到的变规格工况和延迟待轧工况下的在线炉温优化问题研究较少。以往遇到此类问题,大都是依靠人工经验手动调整,容易造成加热炉生产效率降低和钢坯出炉质量下降等问题。因此,不少学者试图求解加热炉在线炉温优化问题,从而确保钢坯在出炉时刻能够达到工艺要求的加热温度,并且同时降低加热炉在生成过程中的耗能。本文针对加热炉在变规格工况和延迟待轧工况下的加热炉在线炉温优化问题,提出一种基于双层结构模型预测控制的加热炉在线炉温优化控制系统,并对系统中所涉及到的问题描述、建模和在线优化算法等问题开展研究。1.钢坯在加热炉中受热过程具有变量多、非线性和钢坯在加热炉炉内的温度不可测等特性,因此对钢坯温度的预报较为复杂,需要考虑众多参数（辐射、对流、水梁等）的影响,所以构建钢坯温度预报模型存在较大难度。为此,首先从加热炉与钢坯之间的热传递机理出发,综合考虑钢坯加热温度不均匀及水冷黑印对钢坯加热质量的影响,通过分析炉内热量的传递过程,建立了带有水冷黑印边界条件的钢坯三维温度预报模型。其次,为了满足加热炉在线炉温优化对于钢坯温度计算时间的要求,引入总括热吸收率对三维模型简化,得到适宜在线计算的钢坯一维温度预报模型。然后,为了辨识总括热吸收率系数完成对模型的校正,充分利用历史黑匣子实验的数据,采用了 Glerkin方法对简化模型正问题进行离散处理,为克服使用共轭梯度法求解因系数矩阵奇异导致收敛困难的缺点,提出一种CGMLMAGPM的优化方法。最后,采用Matlab进行编程仿真,仿真结果表明CGMLMAGPM方法既保证了计算过程的快速性,又克服了 CGM方法的振荡现象。2.针对加热炉在稳态工况下的特点,本文基于钢坯非线性温度预报模型,利用钢坯入炉参数以及工艺约束等条件,建立了钢坯在维稳态工况下的炉温最优化控制问题。其中的难点在于:1.难以获得目标函数关于控制变量Fréchet导数;2.如何证明目标函数的梯度是Lipschitz连续的。为此,作者首先根据钢坯在稳态工况下的最优炉温控制问题的特点,应用先优化后离散方法获得原优化问题的对偶方程,推导出了目标函数关于控制变量Fréchet导数形式,并证明其梯度是Lipschitz连续的。然后,分别采用梯度法和改进的共轭梯度法用于数值求解一维和二维下的炉温最优化控制问题。最后,分别给出了一维和二维下的Matlab编程仿真实验。在一维下,仿真平均计算时间由103.88秒减少到5.16秒,出炉温度与目标值的偏差由6.78℃减少到0.35℃;而在二维下,计算时间从126.60秒减少为35.10秒,出炉温度的均匀偏差由57.2℃减少到30.1℃。3.针对加热炉在遇到变规格工况和延迟待轧工况时的在线炉温优化问题,利用变时域滚动优化的思想,提出了基于双层结构模型预测控制的加热炉在线优化控制方法。首先,为克服目标函数建立困难且难以在线优化的问题,基于稳态工况下求得的钢坯理想温升曲线,额外构建了新的第四项的目标函数:最小化预报时间内在炉钢坯实际升温曲线与理想升温曲线之间的差值;其次,为了克服原有方法中钢坯在加热过程中具有相同权重的缺点,引入Entropy-TOPSIS方法用于在线调整炉内钢坯的实时权重;然后,为了解决加热炉在线炉温优化问题难以实时数学求解的难点,引入变时域滚动优化方案求解优化问题,对加热炉遇到的各种延迟待轧工况,分别给出对应的滚动机制来实现炉温的实时滚动优化;最后,给出仿真实验,实验结果表明采用提出方法后,钢坯完成有效加热的效率由原有方法的74.79%提升到99.17%。4.在加热炉仿真实验系统平台的基础上,对所研发的加热炉在线炉温优化控制系统进行软件开发,用于在实验室条件下对加热炉在线炉温动态优化方法的验证仿真实验。首先,为模拟实际加热炉的实际生产过程,需要实时在线地求解钢坯的三维温度预报模型,而为了克服高维模型求解计算量大和难以在线应用的难点,提出了基于GPU并行框架的数值求解方法,相对CPU求解的加速比可以达到1338.40,将计算时间从CPU的16.02小时减少到GPU的51.97秒。求解得到的钢坯内部温度分布信息将作为加热炉虚拟对象的仿真输出。其次,研究开发设计了加热炉在线炉温优化设定软件,并对软件中各个模块结构功能进行介绍;最后,给出了加热炉在线炉温优化设定软件的界面显示及在加热炉仿真实验系统平台上的仿真实验验证,实验结果证明了软件的有效性。
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