连轧带钢粗轧过程设定计算仿真系统

摘 要：通过对国内某钢厂热连轧带钢粗轧过程设定计算控制系统的分析，阐明了 系统设定计算模型的结构及控制原理。采用 C + + 语言对该系统进行离线仿真，并对 模型中有关参数进行了优化。将仿真计算结果与实测数据相比较，验证了离线模拟系 统设定值的正确性。
关键词：粗轧；宽度；设定计算；控制系统 中图分类号：TG335 . 11 文献标识码：A 文章编号：1001 - 144（7 2004）03 - 0013 - 03
式中
# f1 = 1 !（ y' - y）2 T=1
（4）
y' ———模型计算粗轧出口宽度值，mm
y ———实际测量粗轧出口宽度值，mm
5 仿真结果的讨论
粗轧过程设定计算仿真系统主要经历了 3 个 过程：程序的初步编制；数据文件的制作和传输； 计算参数的调整。开始编制仿真软件时，按照原 系统的模型、子函数的调用方式和输入输出关系 设计的仿真系统结构，仿真结果和实际相差不大。 为了提高模型控制精度，在仿真的基础上采用优 化后的模型系数，其精度有了一定的提高。随机 选取 1 000 块带钢为样本，将第 4 机架的出口宽度 预测值和实测值作比较。如图 3 所示。
Keywo s：roughing；width；setting vaIue caIcuIation；controI system
前言
热连轧带钢粗轧过程设定计算控制系统是热 轧生产中的一个重要组成部分。随着现代轧制技 术的发展，产品品种不断增多、用户对产品质量的 要求日益提高，要求该系统具有高的稳定性和计 算精度［1 ~ 3］。一方面由于加工材料、成本、人员和 设备安全等因素的影响，在相应的仿真系统上进 行 技 术 人 员 培 训，具 有 成 本 低，可 操 作 性 强 的 特 点。另一方面通过对仿真系统的建立，加深对原 系统的认识，可为实际系统的改造提供指导性的 技术支持，并可最大限度地降低系统改造的风险。
效率高；不需要准则函数的微分值；本质上属于随
机寻优过程。不存在局部收敛问题；终止时，每个 个体都是一个较好的解［4］［7］。
采用原模型中的立辊入口宽度影响系数 KB 时，第 2 ~ 4 机架出口宽度与实测值差异较大，因
而需要优化，固定入口温度和入口厚度影响系数，
运用遗传算法得到立辊入口宽度对 4 个机架的影
示。利用各种工艺数学模型，根据工艺极限条件， 采用最少道次计算并调整轧机的各种设定值，将 水平机架压下位置和立辊侧压位置的设定值分配 到各机架的道次之中，并对轧制过程进行监视，发 现目标偏差时修改设定值，把板坯轧制成具有理 想目标尺寸和温度的中间坯。
程数据，并把这些数据提供给自适应系统。当自 适应程序通过计算等处理后，修正各种遗传系数， 以便调整下一块带钢的各种预计算值。 ".#.! 道次计划预计算
当板坯没有进入粗轧机之前，根据板坯数据、 粗轧带钢目标值和工艺规程，确定各道次压下量 和工艺参数值的计算过程。例如：板坯温度、材料 硬度、轧制力、轧制力矩等，并 由 此 来 确 定 设 定 值。可见，道次计划预计算具有预报作用。 ".#.# 道次计划后计算
道次计 划 后 计 算 是 带 钢 在 每 个 道 次 轧 制 之 后，对所有工艺参数进行的计算。在计算中，考虑 当前机架位置和轧件尺寸，通过计算值与测量值 的比较，修正原模型系数，这样可以用更高的模型 精度来描述轧制过程，并对后续道次进行更精确 的计算。在最后一个道次，将这些修正系数分解 成与机架和材料相关的自适应值存储起来，并应 用于下块带钢的设定计算过程。可见，道次计划 后计算具有校正作用。 ".#." 道次计划再计算
材料跟踪是轧制策略、设定计算和数据通信 3 个模块的协调器，它根据 BA 传来的信号，进行 板坯影像跟踪；根据板坯到达或离开相应位置以 及相应事件启动相应的程序；利用过程控制终端 上的对话系统，操作人员可以进行人工干预。
图 ! 粗轧过程机系统基本结构
".# 粗轧过程仿真系统中的设定计算 粗轧过程设定计算模块总体流程如图 2 所
ROUGHING PROCESS CONTROL SYSTEM WITH PARAMETERS CALCULATION IN HOT STRIP MILL
LIU Juan，ZHANG Feng - gin，XU Jian - zhong，LIU Xiang - hua，WANG Guo - dong （The State Key Lab of RoIIing TechnoIogy and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China）
h ———水平道次带钢出口厚度，mm
式中
F23 ———粗轧区宽度修正系数
KT ———入口带钢温度影响系数
6
KT = !［ a（ ）> T -1］ =1
T ———带钢入口温度，C
（2）
a（ ）———5 次多项式拟合系数
4.2 水平道次狗骨宽展计算模型
水平道次狗骨宽展计算模型如（3）式所示，模
型考虑了入口轧件温度、立辊机架入口轧件厚度
和宽度 3 个因素对狗骨宽展的影响。根据轧制原
理，狗骨宽展量与立辊机架压下量成正比，所以关
键是确定狗骨宽展量与立辊机架压下量之间的比
例系数。
{!B1 = KTBH > !B KTBH = KT > KB > KH
（3）
式中 !B1 ———水平道次狗骨宽展，mm
!B ———立辊道次宽度压下量，mm
KTBH ———狗骨宽展系数
!结语
（1）在形变热处理工艺中，经奥氏体未再结晶 区变形后，马氏体的形态发生了很大的变化：马氏 体包的尺寸明显增大而马氏体束被分割细化并发 生了弯曲。所以形变热处理效果中力学性能提高 的组织方 面 的 原 因 应 归 功 于 马 氏 体 束 尺 寸 的 减 小。
（2）对于形变热处理后的贝氏体相变，随奥氏 体未再结晶区变形量的增加，铁素体的百分含量 有所增加，贝氏体的晶粒尺寸减小。由于淬火后 的金相组织中铁素体的含量增加了，可能导致钢 的强度略微降低，但由于贝氏体晶粒的细化却可 以使钢的塑韧性能得到提高。
2004 年 6 月
June 2004
钢铁研究
Research on Iron & SteeI
第 3 期（总第 138 期）
No. 3 （Sum138）
热连轧带钢粗轧过程设定计算仿真系统
刘 娟，张凤琴，徐建忠，刘相华，王国栋 （东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110004）
响系数。其主要步骤为：编码"产生初始群体" 计算适合度"选种"交叉"变异"根据适应度值 的范围调整交叉因子和变异因子"重复上面第 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 步到第 8 步，直至群体适合度趋于稳定，不再上
升。我们要优化的参数为 4 个，取染色体长度为
5，最后一个置为该染色体的适应度；种群大小取
10，最大迭代次数取 100，初始化交叉因子在［0，5， 1］内取随机数，初始化变异因子随机取正数。适 应度函数取方差函数：
本文通过对国内某厂热连轧带钢粗轧过程设 定计算控制系统进行分析，阐明了粗轧过程机系
统的基 本 结 构 和 设 定 计 算 模 块 总 体 流 程。 采 用 C ++ 语言对该系统进行离线仿真，并对模型中有 关参数进行优化，进一步提高了带钢粗轧过程控 制系统的设定精度。
2 仿真系统平台
仿真系 统 的 软 件 平 台 采 用 了 Windows 下 的 VC ++ . net 的软件开发平台，由于其可移植性、环 境的适应性和面向对象的编程方式，给仿真系统 的开发带来了便利。
精度，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
$.! 水平道次自然宽展计算模型
式中
!B1
=
B > !R > B B2 + H > h
>
!h > F23
KT
!B1 ———水平道次的自然宽展，mm
B ———水平道次入口带钢宽度，mm
（1）
· 14 ·
R ———水平道次工作辊半径，mm
!h ———水平道次压下量，mm H ———水平道次带钢入口厚度，mm
Synopsis：This paper describes the framework of computing modeI of setting vaIue and controI theory according to anaIyzing a roughing process controI system with parameters caIcuIation in hot strip miII in a domestic iron and steeI company. The roIIing process off - Iine simuIation is deveIoped by means of C ++ Ianguage and the parameters in the modeI are optimized. By comparing the simuIation resuIts with the measured vaIues，the accuracy of the setting vaIue in the roIIing process off Iine simuIation system is proved.
KT ———入口带钢温度影响系数
KB ———立辊入口带钢宽度影响系数
KH ———立辊入口带钢厚度影响系数
4.3 立辊入口宽度影响系数优化
遗传算法（ GA）是 一 种 通 过 模 拟 自 然 进 行 过
程搜索最优解的方法，是根据达尔文的适者生存、
优胜劣汰的自然进化规则，将其运用到优化领域
的一种智能寻优算法。具有如下优点：并行搜索，
图 3 模型的出口宽度预计算值与实测值之间的偏差分布
由统计得：偏差范围在 1 3 mm 以内的比例优 化模 型 为 87 . 4 % 、原 模 型 为 82 . 7 % ，偏 差 在 1 5 mm以内的比例优化模型为 97 . 7 % 、原模型为 95 . 1 % 。因而说明了粗轧过程机设定控制系统 的正确性，实现了高精度的宽度控制。
6结论
（1）预计算结果的准确性是后计算和再计算 能否实现自适应功能的关键。
（2）通过对出口宽度的模型计算值与实测值 的比较，说明了此离线仿真系统设定值是完全可 信的，并且通过对立辊入口宽度影响系数优化，使 过程机控制系统的模型具有高的计算精度。
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贝氏体单位晶粒尺寸随奥氏体未再结晶区变 形量的增加所发生的变化如图 7 所示，奥氏体未 再结晶区变形具有明显的细化晶粒的效果。由于 淬火后的金相组织中铁素体的含量增加了，可能 导致钢的强度略微降低，但由于贝氏体晶粒的细 化却可以使钢的塑韧性能得到提高。
$ 仿真系统预计算过程的宽度模型
图 # 粗轧过程设定计算模块总体流程
板坯轧制过程中，过程机还要不断地采集过
预计算仿真结果的准确性是后计算和再计算
能否实现自适应功能的关键。在预计算过程中，
轧件宽度是一个重要的变形参数。由于轧件的宽
度控制模型主要包括自然宽展模型和狗骨宽展模
型两部分，因此，研究各部分宽展数学模型的计算
当轧件尺寸的预计算值与后计算结果之差大 于允许的误差范围时，则要起动再计算。根据当 前材料数据和后计算确定的修正系数，重新确定 带钢厚度和宽度的压下分配，将上道次产生的误 差分配到后续所有道次或机架中。
仿真系统的结构基本上与原设定计算系统的 结构保持一致。实际上仿真系统构成了一个完整 的可实现计算、分析和数据处理的软件包，就离线 的情况来看，仿真系统可作为研究人员一个安全 的实验计算平台，为现场提供可靠、准确的实验数 据［5］［6］。
3 仿真系统中设定计算模块的结构设计和功能
3. 粗轧过程仿真系统基本结构 粗轧过程仿真系统由材料跟踪、轧制策略、设
作者简介：刘 娟（1977 - ），女，河南南阳人，东北大学在读硕士生，主要从事轧制自动化方面的研究 .
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定计算、数据通信 4 个模块组成，如图 1 所示。其 中轧制策略是为设定值计算收集、准备和存储计 算所需数据、表值的程序模块；设定计算是根据轧 制工艺数 学 模 型 计 算 系 统 所 需 设 定 值 的 程 序 模 块；数据通信采用 TCP / IP 通讯协议与加热炉计算 机、精轧计算机、生产控制计算机、粗轧电气和虚 拟带钢进行电文通讯。