[发明专利]一种步进式加热炉钢坯温度建模及在线校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁生产加热炉建模与控制领域，特别涉及一种步进式加热炉钢坯温度建模及在线校正方法。

背景技术

加热炉是钢铁生产过程中不可缺少的热工设备，能耗占轧制工序的50％左右，占整个钢铁生产能耗的20％左右，是钢铁生产的耗能大户。其任务是按生产节奏加热钢坯，使钢坯在出炉时表面温度及内部温度分布满足轧制要求，同时均匀加热，避免过热和过烧现象，减少钢坯的氧化和脱碳，从而为轧机提供加热质量优良的钢坯，保证生产顺利进行。步进式加热炉作为加热炉中的一种，是目前钢厂热轧前钢坯加热主要使用的设备，其中钢坯的加热过程是一个典型的复杂非线性过程，具有强耦合、大惯性、纯滞后和慢时变等特点，受到当前测量技术发展的限制，现阶段还不能完成对加热炉中加热钢坯温度的实时、全面测量。因此，为了实现对炉内钢坯出炉温度预测和有效的优化控制，进而实现节能减排的目标，需要建立预测精度高、泛化性能好的钢坯加热模型。目前步进式加热炉钢坯加热模型可以大致分为统计模型与机理两种：

(1)统计模型，是在对大量的实验、工业历史数据进行预处理、聚类的基础上，采用SVM，偏最小二乘法等统计方法，离线训练建立反映影响加热炉加热过程的各种因素与钢坯最终出炉温度之间关系的黑箱模型。其优点是建模过程比较简单，但该类模型无法对钢坯内部的温度分布进行预测，不能满足钢铁生产的工艺控制要求；

(2)机理模型，是基于加热炉钢坯加热的热交换机理，并通过有限差分或有限元分析的方法实现模型离散化建立的机理模型。由于机理模型建模过程中以热交换机理为理论基础，原理清晰，模型精确，适用性强。但由于机理模型是对理想条件下生产过程的数学抽象，而实际生产过程受到多种外在条件的限制，无法达到建模时的理想工况条件，同时在实际生产过程中一些模型参数容易受到外界条件的影响而发生变化，因而往往会导致模型计算输出值与真实测量值之间的失配，进而影响优化控制系统的运行效果。

为了克服机理模型与真实系统之间的失配问题，需要对钢坯温度模型进行实时在线校正。目前国内已有相关专利对模型及在线校正方法进行研究，如公开号CN101869915A的专利《对热轧加热炉钢坯温度的预报方法》，利用一段时间内多块钢坯出炉温度的测量值信息，采用遗传算法对机理模型中的热物理参数进行在线校正，上述方法使用单一的钢坯温度模型参数来描述加热炉内各炉区钢坯升温过程，而加热炉实际生产中，步进式加热炉各炉区内的温度和工况差异较大，采用单一温度模型参数很难对整个钢坯加热过程进行精确描述，因此现有采用单一模型参数的加热炉机理模型及其校正方法存在预测精度较低、参数校正效果差等缺陷，实际应用效果不佳；此外，出炉温度只能反映钢坯在加热结束时的温度状态，随着检测技术的提高，目前大多数加热炉在各个炉区内部均安装了红外温度探头，用于检测钢坯在炉内的表面温度，利用该温度测量信息可有效地对钢坯温度模型进行反馈矫正，以进一步提高模型预测的精度，现有公开方法未考虑利用在线红外测量信息进行模型的修正，从而导致预测结果与实际炉内状况存在较大偏差，不能有效地指导加热炉实际操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种步进式加热炉钢坯温度建模及在线校正方法，以解决现有的步进式加热炉钢坯温度机理模型所存在的模型结构复杂、参数众多、温度模型缺乏有效的在线反馈学习机制、参数校正效果较差、预测精度较低以及实际应用效果不佳的问题。

本发明的第二目的在于提供一种步进式加热炉钢坯温度建模及在线校正方法，以解决现有的步进式加热炉钢坯温度机理模型中无法充分利用炉内信息对模型进行反馈校正等缺陷造成的模型与实际系统的匹配程度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种步进式加热炉钢坯温度建模及在线校正方法，包括以下步骤：

S1：针对步进式加热炉各个炉区运用热交换原理分别离线建立各炉区内钢坯温度机理模型，模型中引入等效传热系数描述钢坯表面的边界传热；

S2：采集钢坯在炉内加热过程中的跟踪信息，所述跟踪信息包括：

1)已出炉的钢坯的入炉温度；

2)已出炉的钢坯在各炉区内各采样时刻的时间信息、位置信息及炉温信息，其中所述炉温信息通过设于各炉区内的温度传感器探测得到；

3)已出炉的钢坯经过设于各炉区的红外探测点的时间信息，以及红外探测点所测得的钢坯表面温度值；

S3：对各炉区内钢坯温度模型进行在线校正，从钢坯入炉后的第一个炉区开始，采用优化算法，根据所述跟踪信息中的一项或多项依次校正钢坯温度模型中的等效传热系数，直到钢坯出炉的最后一个炉区。