一種步進式加熱爐鋼坯溫度建模及在線校正方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鋼鐵生產加熱爐建模與控制領域，特別涉及一種步進式加熱爐鋼坯溫 度建模及在線校正方法。
【背景技術】
[0002] 加熱爐是鋼鐵生產過程中不可缺少的熱工設備，能耗占乳制工序的50%左右，占 整個鋼鐵生產能耗的20 %左右，是鋼鐵生產的耗能大戶。其任務是按生產節奏加熱鋼坯，使 鋼坯在出爐時表面溫度及內部溫度分布滿足乳制要求，同時均勻加熱，避免過熱和過燒現 象，減少鋼坯的氧化和脫碳，從而為乳機提供加熱質量優良的鋼坯，保證生產順利進行。步 進式加熱爐作為加熱爐中的一種，是目前鋼廠熱乳前鋼坯加熱主要使用的設備，其中鋼坯 的加熱過程是一個典型的復雜非線性過程，具有強耦合、大慣性、純滯后和慢時變等特點， 受到當前測量技術發展的限制，現階段還不能完成對加熱爐中加熱鋼坯溫度的實時、全面 測量。因此，為了實現對爐內鋼坯出爐溫度預測和有效的優化控制，進而實現節能減排的目 標，需要建立預測精度高、泛化性能好的鋼坯加熱模型。目前步進式加熱爐鋼坯加熱模型可 以大致分為統計模型與機理兩種：
[0003] (1)統計模型，是在對大量的實驗、工業歷史數據進行預處理、聚類的基礎上，采用 SVM，偏最小二乘法等統計方法，離線訓練建立反映影響加熱爐加熱過程的各種因素與鋼坯 最終出爐溫度之間關系的黑箱模型。其優點是建模過程比較簡單，但該類模型無法對鋼坯 內部的溫度分布進行預測，不能滿足鋼鐵生產的工藝控制要求；
[0004] (2)機理模型，是基于加熱爐鋼坯加熱的熱交換機理，并通過有限差分或有限元分 析的方法實現模型離散化建立的機理模型。由于機理模型建模過程中以熱交換機理為理論 基礎，原理清晰，模型精確，適用性強。但由于機理模型是對理想條件下生產過程的數學抽 象，而實際生產過程受到多種外在條件的限制，無法達到建模時的理想工況條件，同時在實 際生產過程中一些模型參數容易受到外界條件的影響而發生變化，因而往往會導致模型計 算輸出值與真實測量值之間的失配，進而影響優化控制系統的運行效果。
[0005] 為了克服機理模型與真實系統之間的失配問題，需要對鋼坯溫度模型進行實時在 線校正。目前國內已有相關專利對模型及在線校正方法進行研究，如公開號CN101869915A 的專利《對熱乳加熱爐鋼坯溫度的預報方法》，利用一段時間內多塊鋼坯出爐溫度的測量值 信息，采用遺傳算法對機理模型中的熱物理參數進行在線校正，上述方法使用單一的鋼坯 溫度模型參數來描述加熱爐內各爐區鋼坯升溫過程，而加熱爐實際生產中，步進式加熱爐 各爐區內的溫度和工況差異較大，采用單一溫度模型參數很難對整個鋼坯加熱過程進行精 確描述，因此現有采用單一模型參數的加熱爐機理模型及其校正方法存在預測精度較低、 參數校正效果差等缺陷，實際應用效果不佳；此外，出爐溫度只能反映鋼坯在加熱結束時的 溫度狀態，隨著檢測技術的提高，目前大多數加熱爐在各個爐區內部均安裝了紅外溫度探 頭，用于檢測鋼坯在爐內的表面溫度，利用該溫度測量信息可有效地對鋼坯溫度模型進行 反饋矯正，以進一步提高模型預測的精度，現有公開方法未考慮利用在線紅外測量信息進 行模型的修正，從而導致預測結果與實際爐內狀況存在較大偏差，不能有效地指導加熱爐 實際操作。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種步進式加熱爐鋼坯溫度建模及在線校正方法，以解決 現有的步進式加熱爐鋼坯溫度機理模型所存在的模型結構復雜、參數眾多、溫度模型缺乏 有效的在線反饋學習機制、參數校正效果較差、預測精度較低以及實際應用效果不佳的問 題。
[0007] 本發明的第二目的在于提供一種步進式加熱爐鋼坯溫度建模及在線校正方法，以 解決現有的步進式加熱爐鋼坯溫度機理模型中無法充分利用爐內信息對模型進行反饋校 正等缺陷造成的模型與實際系統的匹配程度較低的問題。
[0008] 為實現上述目的，本發明提供了一種步進式加熱爐鋼坯溫度建模及在線校正方 法，包括以下步驟：
[0009] Sl :針對步進式加熱爐各個爐區運用熱交換原理分別離線建立各爐區內鋼坯溫度 機理模型，模型中引入等效傳熱系數描述鋼坯表面的邊界傳熱；
[0010] S2 :采集鋼坯在爐內加熱過程中的跟蹤信息，所述跟蹤信息包括：
[0011] 1)已出爐的鋼坯的入爐溫度；
[0012] 2)已出爐的鋼坯在各爐區內各采樣時刻的時間信息、位置信息及爐溫信息，其中 所述爐溫信息通過設于各爐區內的溫度傳感器探測得到；
[0013] 3)已出爐的鋼坯經過設于各爐區的紅外探測點的時間信息，以及紅外探測點所測 得的鋼坯表面溫度值；
[0014] S3 :對各爐區內鋼坯溫度模型進行在線校正，從鋼坯入爐后的第一個爐區開始， 采用優化算法，根據所述跟蹤信息中的一項或多項依次校正鋼坯溫度模型中的等效傳熱系 數，直到鋼坯出爐的最后一個爐區。
[0015] 較佳地，所述步驟Sl具體為：以熱交換原理描述鋼坯內部不穩定導熱方程和以相 應的邊界條件為基礎，建立描述鋼坯在爐內加熱過程的機理模型，模型中引入等效傳熱系 數描述鋼坯表面的邊界傳熱，再通過有限差分方法對加熱爐鋼坯機理模型進行空間離散化 處理，建立離散狀態的鋼坯溫度機理模型。
[0016] 較佳地，所述溫度傳感器為熱電偶。
[0017] 較佳地，所述鋼坯溫度機理模型為二維模型，具體為：加熱爐供給的熱量通過鋼坯 表面由長度、寬度、厚度三個維度向鋼坯內部傳遞，達到加熱鋼坯的目的，考慮到實際生產 過程中步進式加熱爐內沿鋼坯寬度方向的溫度場分布較為均勻的特點，本發明采用二維模 型對鋼坯加熱過程進行合理簡化描述，即該模型中沿鋼坯寬度方向的鋼坯溫度處處相同， 而鋼坯厚度方向及長度方向上的鋼坯溫度分布不同，采用上述降維處理的二維鋼坯溫度機 理模型既保證了預測精度，又降低了模型在線計算和校正的復雜度。
[0018] 較佳地，所述二維模型中，對于爐中任意一塊鋼坯，其不穩定導熱方程1相應的邊 界條件為：
[0019]
[0020] 式（1)中，各變量意義如下：
[0021] T(x，y，t)--鋼坯的二維溫度分布，x為厚度方向變量，y為長度方向變量；
[0022] C⑴一一鋼坯的比熱系數，為鋼坯溫度的函數；
[0023] p⑴一一鋼坯的密度系數，為鋼坯溫度的函數；
[0024] K(T) 一一鋼坯的導熱系數，為鋼坯溫度的函數；
[0025] Kx(T)--鋼坯沿X方向的等效導熱系數，為鋼坯溫度的函數；
[0026] Ky(T)--鋼坯沿y方向的等效導熱系數，為鋼坯溫度的函數；
[0027] 1一一鋼坯長度；
[0028] d(y)--爐內鋼坯厚度分布；
[0029] tf--鋼坯在該爐區內的最終時刻；
[0030] T0--初始時刻鋼坯的溫度分布；
[0031]
一一分別為鋼坯下、上、前、后表面等效傳熱系數；
[0032] ub(y，t)、Utop (y，t)、Ufr (y，t)、Uba(y，t)--分別為鋼還下、上、前、后表面爐溫分 布。
[0033] 較佳地，所述空間離散化處理具體為：將鋼坯描述為是由Ny個子系統組成，每個子 系統包含N x個離散小塊，對于其中任意一個子系統j，j e 1,2，···，Ny，將各離散塊的溫度 值T( ·，j，k)作為狀態變量，將上表面爐溫utop(yj，k)、下表面爐溫ub( yj，k)作為輸入向量 Ux (k)，前表面爐溫UfJyj, k)、后表面爐溫uba (yj，k)作為輸入向量Uy (k)，則定義子系統j在 時刻k的溫度分布Xj (k)如下：
[0035] 則有子系統j在時刻k+Ι的溫度分布Xj (k+Ι)如下：
[0036]
[0037] 其中，Aj (Xj (k)，Uj (k)，k)表示k時刻子系統j的狀態對其k+1時刻狀態的影響大 小，Cj (Xj (k)，k)為k時刻子系統j-Ι對子系統j在k+Ι時刻狀態的影響大小，Dj (Xj (k)，k)
為讓時刻子系統」+1對子系統」在1^+1時刻狀態的影響大小，而/：^//(^[/1(/()，/( /)表示1^ 時刻上下表面爐溫對子系統j在k+Ι時刻狀態的影響大小，?Υ,{/0,?Λ, 表示k時刻 前后表面爐溫對子系統j在k+Ι時刻狀態的影響大小。
[0038] 較佳地，將所有子系統變量合并，則二維鋼坯加熱過程的離散狀態空間模型為：
[0046] 較佳地，針對不同的爐區，引入不同的等效傳熱系數Keq，即可得到各爐區中獨立的 二維鋼坯溫度機理模型，此時，式（3)簡化描述為：
[0047] Xall (k+1) = Aall (Keq，…）Xall(k)+Bxall (Keq，...）Uxall (k)+Byall(Keq，…）Uyall(k) (4)
[0048] 其中，矩陣Aall、Bxall、Byall均與等效傳熱系數K eq相關，同時也與當前狀態X all (k)， 爐溫輸入Uxall (k)、Uyall (k)相關。
[0049] 較佳地，所述校正過程具體為：
[0050] S301 :設定入口后第1個爐區作為當前校正計算爐區，此時i = 1，則在該爐區內 鋼坯所有離散點的初始溫度都設置為其入爐溫度，并導入此時鋼坯的跟蹤信息；
[0051] S302 :對當前校正計算爐區的鋼坯溫度模型進行校正，校正的目標為尋找該爐區 最優的等效傳熱系數1^，使得m塊經過該爐區紅外測點的鋼坯的平均的預測溫差達到最 小；其中，所述預測溫差為鋼坯在當前校正計算爐區的紅外測