[发明专利]基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法

权利要求书

1.一种基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，其特征在于，构建二冷动态新模型并植入计算机系统，嵌入连铸机的配水系统，并与PLC控制器连接通信；将非接触式测温仪CQU-2MB安装于连铸矫直区域，并与PLC控制器连接通信，与连铸二冷动态新模型构成反馈回路；具体方法包括如下步骤：

1）连铸二冷动态新模型在线采集当前的工艺操作参数，包括拉速、钢水过热度、二冷水量、钢水成分、二冷水温、结晶器冷却水温，并实时仿真计算获得整个连铸过程中的铸坯温度分布、凝固壳厚度分布和液芯长度参数；

2）应用非接触式测温仪CQU-2MB，在线连续测量连铸坯表面温度；

3）结合实测铸坯表面温度和实时修正的动态传热模型仿真计算的铸坯表面温度，根据二冷各回路的分配系数，计算确定当前控制周期的二冷各回路真实的铸坯表面温度；

4）结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，采用PID控制算法，计算获得当前控制周期二冷各回路的冷却水量，并输出到PLC控制器，在线控制调整各二冷回路的水量；

5）在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测的铸坯温度和传热模型预测的铸坯温度，采用PID算法，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数，以供下次的传热模型计算使用；

6）步骤1）－步骤5）均在一个控制周期内快速完成，控制周期设定在5秒以内，每个控制周期都会重复执行步骤1）－步骤5）。

2.根据权利要求1所述基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，其特征在于，在一个控制周期内，所述二冷动态新模型的控制步骤包括：

A、确定当前连铸坯实际表面温度：

结合实测温度和实时修正的传热模型预测温度，根据两者差值确定各二冷回路当前的连铸坯实际表面温度，计算算法如下：

                  (1)

式中：i － 各二冷控制回路的序号，=1,2,3,…；

τ －时间，s；

T_i(τ) － 时刻τ第i二冷回路的铸坯实际表面温度，°C；

T_c,i(τ) － 时刻τ传热模型预测计算的第i二冷回路的铸坯表面温度，°C；

T_cs(τ) － 时刻τ传热模型预测计算的连续测温点的铸坯表面温度，°C；

T_m(τ) － 时刻τ连续测温点所测得的铸坯表面温度，°C；

η － 温度修正系数；与实测温度的准确度有关，通常取值为0.8-1.2，正常情况下为1.0；

e(i) － 第i二冷回路的分配系数；此系数与二冷回路水量比例、二冷回路长度等有关，0 < e(i) < 1，所有二冷回路的分配系数之和必须为1.0；

e_s － 连续测温点所在二冷回路的分配系数；

B、实时计算和调整控制连铸二冷水量：

结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，在线控制调整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，计算算法如下：

                         　　　　　　  (2)

            (3)

式中：ΔT_i(τ) － 时刻τ第i二冷回路铸坯实际表面温度与目标表面温度差值，°C；

T_aim,i － 第i二冷回路的目标铸坯表面温度，°C；

Q_i(τ) － 时刻τ第i二冷回路的控制水量，L/min；

K_p、K_I、K_D － 分别为比例增益、积分时间和微分时间；

为便于计算机编程实现，通常可以对控制模型的微分方程或传递函数进行差分离散化得到过程控制差分方程；

对公式(3) 进行差分离散化后得到以下控制方程：

    (4)

式中：Q_i(k)、Q_i(k-1) － 时刻k和时刻k-1的第i二冷回路的控制水量，L/min；

Δτ－ 控制时间步长，即控制周期，s；

C、实时修正动态传热模型的边界条件：

在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测温度和传热模型预测的温度，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数；为提高动态传热模型的边界条件修正效率，使其平滑趋近连铸实际传热边界条件，采用PID控制方法对动态传热模型各二冷回路的传热系数进行修正：

                       　　　　　　  (5)

          (6)

式中：ΔT_h,i(τ) －时刻τ第i二冷回路模型预测计算温度与铸坯实际表面温度的差值，°C；

h_i(τ) － 时刻τ第i二冷回路的传热系数，W/(m²°C)；

对公式(6) 进行差分离散化后得到以下控制方程：

   (7)

式中：h_i(k)、h_i(k-1) － 时刻k和时刻k-1的第i二冷回路的传热系数，W/(m²°C)。