本發(fā)明涉及鋼鐵生產(chǎn)中加熱爐優(yōu)化控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于時間和爐長的雙維度步進(jìn)式加熱爐升溫曲線優(yōu)化設(shè)定方法。
背景技術(shù)：
：目前，隨著市場競爭的加劇，鋼鐵加熱軋制工序由傳統(tǒng)的大批量按計劃生產(chǎn)向小批量、多鋼種的小批量柔性生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的基于大批量生產(chǎn)模式的加熱爐控制模式無法適應(yīng)靈活多變的柔性制造生產(chǎn)要求。鋼坯加熱爐是用來將初軋鋼坯或者連鑄鋼坯加熱到一定的溫度分布以便粗軋機(jī)進(jìn)行軋制的生產(chǎn)設(shè)備，鋼鐵工業(yè)是能源消耗的大戶，其中僅加熱爐的能耗就占鋼鐵工業(yè)總能耗的25％，提高加熱爐的加熱效率，降低能耗，對整個鋼鐵工業(yè)的節(jié)能具有重要的意義，特別是隨著現(xiàn)代化軋機(jī)向連續(xù)、大型、高速、高精度和多品種方向發(fā)展，對鋼坯的加熱質(zhì)量也提出了越來越高的要求。然而，加熱爐是一個典型的復(fù)雜工業(yè)對象，包括熱力學(xué)的、化學(xué)的和物理的各種過程，其本質(zhì)上是一個具有典型的多變量、時變、非線性、強(qiáng)耦合、大慣性和純滯后等特點的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)對象。加熱爐控制的目的是按照軋機(jī)軋制節(jié)奏，設(shè)定加熱爐區(qū)段爐溫，使鋼坯在爐內(nèi)充分受熱，在鋼坯出爐時其出爐溫度和均熱度滿足軋制要求，同時要使所消耗的燃料盡量小。目前通常是通過控制加熱爐區(qū)段爐溫來達(dá)到控制加熱爐內(nèi)鋼坯溫度的目的。過去在鋼鐵產(chǎn)能長期不能滿足我國消費(fèi)需求的時代背景下，鋼鐵冶金企業(yè)普遍采用加熱爐產(chǎn)量型高燒法，在燃料充足的前提下，按照鋼坯加熱溫度的上限燒鋼，以實現(xiàn)多燒快燒，盡量保證加熱爐的生產(chǎn)能力與軋機(jī)生產(chǎn)能力的匹配，提高鋼材產(chǎn)量。這樣不僅導(dǎo)致了鋼坯的氧化燒損嚴(yán)重,而且造成了加熱爐的巨大能耗浪費(fèi),也使得加熱爐的使用壽命縮短。近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)能供求關(guān)系的扭轉(zhuǎn)，出于對降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，加熱爐的優(yōu)化控制問題成為了國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的熱點問題。對于鋼坯的溫升過程來說，每一塊鋼坯在理論上都唯一地對應(yīng)著一條自己的最優(yōu)溫升曲線，只有鋼坯的溫度沿著這條溫升曲線上升，才能保證鋼坯的加熱性能最好，鋼坯消耗的熱量最少。加熱爐是用來加熱鋼坯的，鋼坯的溫升過程是通過加熱爐的爐溫提供的，因此要想給予鋼坯相應(yīng)的溫度分布，加熱爐的各段爐溫必須有相應(yīng)的爐溫分布。可以說鋼坯的最優(yōu)溫升曲線是與加熱爐的最優(yōu)爐溫分布曲線相對應(yīng)的，因此有必要尋找到加熱爐的最優(yōu)爐溫分布曲線，有了這條最優(yōu)爐溫分布曲線，就可以通過加熱爐燃燒控制系統(tǒng)來實現(xiàn)最佳的爐溫分布。對加熱爐進(jìn)行優(yōu)化控制的目的，實際上就是要在各個爐段的爐溫允許范圍內(nèi)尋找最佳的爐溫值，即為最優(yōu)爐溫設(shè)定值，從而用最少的能耗加熱出滿足要求的鋼坯。爐溫優(yōu)化設(shè)定是一類典型的最優(yōu)決策問題，根據(jù)已知的鋼坯規(guī)格、種類、目標(biāo)出爐溫度、裝爐溫度和軋制節(jié)奏等工況，在加熱爐過程模型、鋼坯斷面溫差上限、鋼還出爐時斷面溫差上限、鋼還出爐表面溫度區(qū)間、鋼坯出爐時間約束等生產(chǎn)工藝約束下，設(shè)定各段爐溫，使鋼坯在合適的時間加熱到合適的溫度，且能耗最小。針對加熱爐爐溫設(shè)定的問題，國內(nèi)也有相關(guān)專利和文獻(xiàn)提出了一些解決方法，如：公開號為CN103697712A的專利《基于時間感度的動態(tài)加熱爐爐溫控制方法》，根據(jù)出爐節(jié)奏、加熱爐加熱能力與步進(jìn)梁移動信息的最大值動態(tài)設(shè)定最短在爐時間，根據(jù)最短在爐時間，計算鋼坯爐溫感度值。公開號為CN103146905A的專利《一種基于鋼坯優(yōu)化加熱曲線的加熱爐爐溫決策方法》，從加熱爐膛內(nèi)的傳熱機(jī)理出發(fā)，通過虛擬加熱,以鋼坯優(yōu)化加熱曲線為依據(jù)對一塊鋼坯當(dāng)前位置所對應(yīng)爐溫進(jìn)行修正，然后對加熱爐每個控制段內(nèi)所有鋼坯對應(yīng)爐溫進(jìn)行加權(quán)平均，從而計算獲得加熱爐各控制段的決策爐溫。公開號為CN105018718A的專利《一種基于熱負(fù)荷分配的加熱爐工藝爐溫控制方法》，在現(xiàn)有“料溫模式”的基礎(chǔ)上，將設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品工藝有機(jī)的結(jié)合起來，通過建立熱負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)模型，將產(chǎn)品溫度偏差分配到典型產(chǎn)品所在的控制段，對加熱爐燃燒的工藝爐溫進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而提高工藝爐溫的控制精度，提高產(chǎn)品的加熱質(zhì)量，減少能源浪費(fèi)。公開號為CN104894362A的專利《一種冷熱鋼坯混裝的加熱爐爐溫設(shè)定方法》，通過計算某一加熱段內(nèi)所有鋼坯的入爐溫度均值和出鋼溫度計算模塊獲得出鋼溫度數(shù)值，共同補(bǔ)償加熱段的爐溫設(shè)定，以在冷熱鋼坯混裝時優(yōu)化各加熱段爐溫設(shè)定以穩(wěn)定出鋼溫度。授權(quán)號為CN100507027C的專利《熱軋加熱爐爐溫動態(tài)設(shè)定控制方法》，采用鋼坯溫度預(yù)報模型前向遞推計算鋼坯所在段的段末溫度，根據(jù)鋼坯移動距離動態(tài)計算鋼坯各爐段段末的目標(biāo)溫度，計算鋼坯當(dāng)前段所需要爐溫，并考慮當(dāng)前段所有鋼坯的差異進(jìn)行專家經(jīng)驗加權(quán)設(shè)定。授權(quán)號為CN102433428B的專利《一種加熱爐鋼坯加熱過程的爐溫控制方法》，根據(jù)加熱爐內(nèi)熱量傳遞特點，基于鋼坯的加熱質(zhì)量要求、生產(chǎn)設(shè)備安全等約束條件，采用自適應(yīng)差分進(jìn)化算法確定優(yōu)化控制方案，從而得到加熱爐的溫度設(shè)定，實現(xiàn)鋼坯加熱過程中的溫度控制。授權(quán)號為CN103952529B的專利《一種步進(jìn)式加熱爐基于熱平衡的爐溫優(yōu)化方法》，利用爐內(nèi)的熱量平衡關(guān)系，建立爐溫、鋼溫、供熱量和熱損失之間關(guān)系式，并根據(jù)爐型、鋼坯規(guī)格、種類、目標(biāo)出爐溫度、裝爐溫度和軋制節(jié)奏等工況，計算出沿爐長方向的各段最優(yōu)爐溫，使鋼坯在規(guī)定的時間內(nèi)加熱到合適的溫度和允許的斷面溫差，且能耗最小。此外，金仁杰等在《連續(xù)加熱爐數(shù)學(xué)模型控制中的爐溫決策方法》(鋼鐵，1995，30(1)：67-71)、封筠等在《步進(jìn)式加熱爐爐溫優(yōu)化設(shè)定模型及軟件開發(fā)》(控制與決策，1997,12(4)：369-372)、張衛(wèi)軍等在《加熱爐爐溫制度的多目標(biāo)模糊優(yōu)化方法》(中國有色金屬學(xué)報，1998，8(2)：715-717)中也提出了加熱爐爐溫的優(yōu)化設(shè)定方法。上述文獻(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況,提出基于加熱爐工程師及操作工加熱經(jīng)驗的爐溫優(yōu)化設(shè)定模型,并保留了以鋼坯預(yù)報模型為基礎(chǔ)的機(jī)理模型，以備條件具備時使用。爐溫優(yōu)化設(shè)定模型根據(jù)實時采集的現(xiàn)場工況信號，通過對數(shù)據(jù)庫的查詢及知識庫的搜索，決策出各段的優(yōu)化爐溫設(shè)定值。在此爐溫制度下加熱出的出爐鋼坯可滿足軋鋼的質(zhì)量要求，并可在一定程度上減少能耗，進(jìn)而實現(xiàn)加熱爐計算機(jī)優(yōu)化控制的目的。以上公開的方法和文獻(xiàn)，對加熱爐的爐溫優(yōu)化問題從不同側(cè)重點采用不同方法進(jìn)行了研究，取得了一定效果，然而，上述方法在優(yōu)化的過程中，將鋼坯在爐內(nèi)的加熱過程視為在不同加熱爐段恒定溫度場內(nèi)的緩慢升溫過程，把爐溫看成是一個改變鋼坯溫度的手段進(jìn)行設(shè)定值的優(yōu)化，是一種基于穩(wěn)態(tài)工況的優(yōu)化。實際上，加熱爐生產(chǎn)過程中，加熱爐的工況經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的變化。鋼坯的種類、規(guī)格、入爐溫度及軋制節(jié)奏這些因素的變化都會造成鋼坯的溫度分布偏離理想加熱曲線。嚴(yán)格來講，穩(wěn)態(tài)工況在實際生產(chǎn)中是不存在的，運(yùn)用穩(wěn)態(tài)加熱爐爐溫優(yōu)化方法只能在近似條件和平均意義下保證鋼坯加熱的質(zhì)量及加熱爐的能耗最小，同時，爐內(nèi)溫度的變化是一個相對緩慢的過程，而同一爐段鋼坯的軋制加熱工藝要求常常各不相同，上述方法未能有效地利用不同段爐溫的變化過程對鋼坯進(jìn)行差異化加熱，即未充分利用加熱設(shè)備的加熱控制能力滿足鋼坯的差異化軋制工藝要求。因此，必須將爐溫的變化過程與加熱爐在爐內(nèi)升溫的動態(tài)過程與鋼坯的軋制工藝要求綜合考慮，在滿足加熱爐各項加熱工藝約束的條件下，對加熱爐工況變化時的加熱爐爐溫設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化，以保證加熱爐在各種生產(chǎn)工況都能保證鋼坯的加熱質(zhì)量及能耗的最小化，從而真正實現(xiàn)加熱爐爐溫的全爐動態(tài)優(yōu)化。實現(xiàn)加熱爐爐溫的全爐動態(tài)優(yōu)化主要需要解決以下技術(shù)難點：(1)爐溫制度的動態(tài)實時最佳決策的依據(jù)是鋼坯產(chǎn)量的要求和全爐的鋼坯溫度分布，但是目前在實際生產(chǎn)中在技術(shù)上不能連續(xù)全面地測量爐內(nèi)鋼坯的溫度分布，需要建立鋼坯在加熱爐內(nèi)的精確數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)鋼坯在加熱爐內(nèi)升溫過程的精確預(yù)測。(2)將爐溫的變化過程與加熱爐在爐內(nèi)升溫的動態(tài)過程與鋼坯的軋制工藝要求綜合考慮，傳統(tǒng)加熱爐的單點溫度優(yōu)化隨之變?yōu)榱嗽擖c溫度隨時間變化的曲線優(yōu)化問題，即傳統(tǒng)沿爐長方向的單維曲線優(yōu)化變成了沿爐長和時間兩個維度的矩陣優(yōu)化問題，求解的困難大大增加。加熱爐爐溫的全爐動態(tài)優(yōu)化的目的是給出加熱爐各段爐溫設(shè)定值隨時間變化的曲線,是一個非線性動態(tài)優(yōu)化模型，最優(yōu)控制中極大值原理及常規(guī)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法難以通過一次優(yōu)化計算給出切換過程加熱爐各段爐溫變化的整條曲線。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)加熱爐爐溫優(yōu)化設(shè)定方法多采用穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行優(yōu)化，未能滿足不同規(guī)格、不同用途的鋼坯的軋制工藝要求，造成的鋼坯加熱質(zhì)量低、能量消耗和氧化燒損大等缺陷，提出了一種基于時間和爐長的雙維度步進(jìn)式加熱爐升溫曲線優(yōu)化設(shè)定方法，根據(jù)爐內(nèi)多個鋼坯序列的加熱工藝要求(目標(biāo)出爐溫度，斷面溫差限)與鋼坯狀態(tài)(坯料規(guī)格、種類、裝爐溫度)，對爐內(nèi)溫度設(shè)定值進(jìn)行時間和爐長兩個維度的同時優(yōu)化，與傳統(tǒng)基于單個鋼坯的加熱爐長度方向單設(shè)定值優(yōu)化相比，本發(fā)明所提出方法考慮到多個待加熱鋼坯序列的不同加熱要求和前后排序，對每個爐溫設(shè)定點的時間序列值也進(jìn)行了優(yōu)化，即通過爐溫設(shè)定的時間序列動態(tài)優(yōu)化，實現(xiàn)前后鋼坯差異化加熱工藝要求的精確控制，充分利用了加熱爐的爐溫動態(tài)調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)了鋼坯的差異化加熱，達(dá)到提高鋼坯加熱質(zhì)量、降低能量消耗、降低氧化燒損、延長加熱爐壽命的效果。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種基于時間和爐長的雙維度步進(jìn)式加熱爐升溫曲線優(yōu)化設(shè)定方法，該方法主要包括離線分析步驟和在線控制步驟，其中：所述離線分析步驟主要采集與爐溫控制相關(guān)的參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立鋼坯升溫模型；所述在線控制步驟以預(yù)先給定的控制周期Δtc觸發(fā)，用以實現(xiàn)步進(jìn)式加熱爐升溫曲線的實時優(yōu)化設(shè)定。進(jìn)一步的，所述離線分析步驟中與爐溫控制相關(guān)的參數(shù)包括：加熱爐生產(chǎn)的所有鋼種類型集合，記為Gra；對于每一個鋼種g∈Gra，通過查表獲得其熱物理參數(shù)，包括各溫度下該鋼種的密度ρg、熱容Cg及熱導(dǎo)Kg；加熱爐特征參數(shù)，包括加熱爐的爐區(qū)數(shù)N、各爐區(qū)的爐長Ln,n＝1,2,...,N、各爐區(qū)爐氣向鋼坯的有效傳熱系數(shù)及各爐區(qū)水印的熱損失系數(shù)ηn,n＝1,2,...,N。進(jìn)一步的，所述離線分析步驟建立離散的鋼坯升溫模型，該模型能夠預(yù)測鋼坯在加熱爐的升溫情況，該模型只考慮鋼坯厚度方向的溫度梯度，而近似認(rèn)為處于同一厚度位置的鋼坯層溫度處處相等，由此，鋼坯溫度分布成為與厚度位置x和時間t相關(guān)的函數(shù)，建立如下傳熱方程組：其中，上式中第一個方程表示鋼坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程；而第二個方程表示加熱爐對鋼坯下表面的傳熱過程，其中Tf為鋼坯所在爐區(qū)的爐溫值，hb是下表面等效傳熱系數(shù)，該參數(shù)與加熱爐特性、水印參數(shù)、爐溫及鋼坯溫度有關(guān)；第三個方程表示加熱爐對鋼坯上表面的傳熱過程，其中ht是上表面等效傳熱系數(shù)，該參數(shù)與加熱爐特性、爐溫及鋼坯溫度有關(guān)；第四個方程表示鋼坯的初始溫度值；將上面方程組進(jìn)行位置離散化處理，其中，沿x方向?qū)撆鞣纸鉃閙份，則得到鋼坯溫度分布向量Ts(k)如下式所示：其中，T1(k)對應(yīng)鋼坯上表面塊的溫度，Tm(k)為鋼坯下表面塊的溫度；同時，進(jìn)行時間離散化，假設(shè)當(dāng)前時刻為k，對于給定的鋼坯s，其鋼種為g、長度為len、寬度為wdt、厚度為thk、當(dāng)前鋼坯溫度分布為Ts(k)、鋼坯移動速度v、當(dāng)前鋼坯在加熱爐中的位置ps(k)和各爐區(qū)的爐溫值基于上述信息，通過該模型可以計算得到k+1時刻鋼坯溫度分布Ts(k+1)，采用Mods表示模型關(guān)系，建立如下表達(dá)式：其中，由于鋼坯s的鋼種、長度、寬度、厚度、熱物理參數(shù)，加熱爐各爐區(qū)的長度、有效傳熱系數(shù)、水印的熱損失系數(shù)均為常數(shù)，保留公式(1)中變量，可以簡寫為：進(jìn)一步的，假設(shè)當(dāng)前的控制周期為k，加熱爐內(nèi)所有鋼坯號的集合為Slab，所述在線控制步驟包括以下具體步驟：步驟S1：控制周期開始，采集數(shù)據(jù)并更新溫度分布計算值與平均移動速度；步驟S2：校正各爐區(qū)出口處鋼坯溫度分布計算值；步驟S3：判斷是否有新的鋼坯進(jìn)入加熱爐，如有則計算其最優(yōu)升溫曲線；步驟S4：判斷所有鋼坯的最優(yōu)升溫曲線是否需要更新，如是則進(jìn)行更新；步驟S5：采用極值優(yōu)化算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，得到各爐區(qū)的爐溫最優(yōu)設(shè)定值；步驟S6：將S5計算得到的各爐區(qū)爐溫最優(yōu)設(shè)定值下達(dá)至PLC，結(jié)束本控制周期計算。進(jìn)一步的，步驟S1具體包括：步驟S11：采集當(dāng)前的加熱爐內(nèi)鋼坯移動速度v(k)，更新加熱爐內(nèi)所有鋼坯的位置，即對于所有的ps(k)＝ps(k-1)+v(k)·Δtc，進(jìn)而可以判斷鋼坯s所在的加熱爐爐區(qū)n；步驟S12：根據(jù)該爐區(qū)爐溫值上一時刻計算得到的鋼坯s溫度分布Ts(k-1)，當(dāng)前的加熱爐內(nèi)鋼坯移動速度v(k)，以及鋼坯升溫模型Mods，計算得到當(dāng)前時刻鋼坯s的溫度分布Ts(k)；步驟S13：同時根據(jù)最近幾個控制周期的移動速度值v(k)、v(k-1)、v(k-2)…v(k-q)，其中q為預(yù)先給定的值，計算最近一段時間內(nèi)爐內(nèi)鋼坯平均移動速度進(jìn)一步的，步驟S2具體包括：步驟S21：依次檢查每一個溫度檢測裝置下面是否有鋼坯經(jīng)過；步驟S22：假設(shè)有鋼坯s正好經(jīng)過某個溫度檢測裝置，且檢測到其表面溫度值為TsSF(k)，則利用TsSF(k)對溫度分布計算值Ts(k)進(jìn)行修正。進(jìn)一步的，步驟S22中針對鋼坯不同位置的溫度值進(jìn)行如下校正：鋼坯上表面溫度Tm(k)＝TsSF(k)；鋼坯內(nèi)部及下表面溫度Ti(k)＝Ti(k)+(TsSF(k)-Tm(k))，i＝1,2,..,m-1。進(jìn)一步的，步驟S3具體包括：步驟S31：判斷是否有新的鋼坯進(jìn)入加熱爐，如有，則將其鋼坯號s加入Slab，置ps(k)＝0，Ts(k)＝T0；步驟S32：根據(jù)平均移動速度目標(biāo)出爐溫度和鋼坯升溫模型Mods，結(jié)合出爐溫度偏差、斷面溫度偏差和最大溫升幅度的因素，求解優(yōu)化問題，計算得到該鋼坯最優(yōu)升溫曲線hcs，該曲線確定了鋼坯在加熱爐內(nèi)各時刻的目標(biāo)溫度，另外，記錄下該鋼坯升溫曲線對應(yīng)的平均移動速度進(jìn)一步的，步驟S4具體包括：步驟S41：對于Slab集合中包含的所有鋼坯，即逐一判斷是否滿足Δv為預(yù)先給定的閾值；步驟S42：如果滿足則說明鋼坯實際移動的速度與生成最優(yōu)升溫曲線時的平均移動速度相差較大，工況改變較大，因此需要重新計算其最優(yōu)升溫度曲線。進(jìn)一步的，步驟S42具體包括：根據(jù)目前的平均移動速度當(dāng)前鋼坯位置ps(k)、當(dāng)前鋼坯的溫度分布計算值Ts(k)、目標(biāo)出爐溫度和鋼坯升溫模型Mods，結(jié)合出爐溫度偏差、斷面溫度偏差和最大溫升幅度的因素，重新計算得到該鋼坯最優(yōu)升溫曲線，更新hcs，同時更新該鋼坯升溫曲線對應(yīng)的平均移動速度進(jìn)一步的，步驟S5中，首先建立如下多目標(biāo)優(yōu)化問題：設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)：首先考慮加熱爐內(nèi)任意的一塊鋼坯s，在給定優(yōu)化時域P內(nèi)，要盡量使其計算升溫曲線逼近最優(yōu)升溫曲線，即實現(xiàn)偏差最小，即：其中，TsA表示計算得到的鋼坯平均溫度，wκ是控制時域內(nèi)各周期偏差的加權(quán)系數(shù)，考慮加熱爐中所有的鋼坯，需要針對每一塊鋼坯建立公式(3)所示的優(yōu)化目標(biāo)，共同構(gòu)成了一個多目標(biāo)優(yōu)化問題；約定決策變量：各爐區(qū)的爐溫設(shè)定值n＝1,2,...,N；確定約束條件：反應(yīng)各爐區(qū)的爐溫設(shè)定值與鋼坯計算升溫曲線之間的關(guān)系，根據(jù)公式(2)可以得到：Fors∈Slab，κ＝0,1,...,P-1,n＝1,2,...,N其中，ps(k+κ)為k+κ時刻鋼坯以當(dāng)前平均速度移動到的位置，采用下式計算得到：Fors∈Slab，κ＝0,1,...,P-1另外，需要對控制時域內(nèi)各周期的各鋼坯溫度分布求平均值以得到鋼坯平均溫度，采用符號Γ表示平均計算函數(shù)，則：Fors∈Slab，κ＝1,2,...,P執(zhí)行極值優(yōu)化算法，得到各爐區(qū)的爐溫最優(yōu)設(shè)定值。進(jìn)一步的，執(zhí)行極值優(yōu)化算法，具體步驟如下：步驟A：進(jìn)行初始化，定義一個大小固定的解倉庫，令其為空，并設(shè)置迭代次數(shù)iter＝0；步驟B：隨機(jī)產(chǎn)生一個初始解步驟C：對當(dāng)前解的各個變量j＝1,2,...,N依次實施變異，即在變異某個變量時，保持其余組元不變，得到N個鄰域解；步驟D：對N個鄰域解進(jìn)行支配排序，從而得到其支配排序數(shù)rj∈[0,N-1]，j∈{1,...,N}；步驟E：令各個變量的適應(yīng)度值λj等于其對應(yīng)的鄰域解的支配排序數(shù)，即λj＝rj，j∈{1,...,N}；步驟F：如果只有一個變量的適應(yīng)度為0，則該變量被認(rèn)為是當(dāng)前解中的最差變量；如果有兩個以上適應(yīng)度為0的變量，則運(yùn)用多樣性保持機(jī)制來決定哪個是當(dāng)前解中的最差變量，假設(shè)最差變量為其適應(yīng)度λw＝0，通過變異產(chǎn)生新的解為Sw，w∈{1,...,N}；步驟G：無條件地用Sw取代當(dāng)前個體S，即Sw→S；步驟H：判斷是否要將S加入到解倉庫中；步驟I：如果迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的終止迭代次數(shù)，則進(jìn)入步驟J，否則，令iter＝iter+1，進(jìn)入步驟C；步驟J：選取解倉庫中保存的任一解作為多目標(biāo)優(yōu)化問題的解輸出。進(jìn)一步的，步驟H中將S與解倉庫中所有的解進(jìn)行Pareto支配比較：如果解倉庫中存在被S支配的解，則將其刪除，并將S添加到解倉庫中；如果解倉庫中存在至少一個解能支配S，則不更新解倉庫；如果S與解倉庫中任意一個已有解都互不支配，則根據(jù)下面三種情況對解倉庫進(jìn)行更新操作；a)如果解倉庫還沒有滿，則將S添加到解倉庫中；b)如果解倉庫已滿，并且S位于存檔中最密集的地方，則S不加入到解倉庫中；c)如果解倉庫已滿，并且S不位于解倉庫中最密集的地方，則用S替代解倉庫中位于最密集地方的非劣解。本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：1、本發(fā)明對爐內(nèi)溫度設(shè)定值進(jìn)行時間和爐長兩個維度的優(yōu)化，在時間維度方面，設(shè)置優(yōu)化時域P，以盡量減小這段時間內(nèi)各鋼坯計算升溫曲線與最優(yōu)升溫曲線之間偏差為目標(biāo)，在爐長維度方面，針對加熱爐內(nèi)各鋼坯的不同特性建立各自的優(yōu)化目標(biāo)，共同構(gòu)成一個多目標(biāo)優(yōu)化問題。通過求解該時間和爐長兩個維度的優(yōu)化問題，在實現(xiàn)爐溫動態(tài)優(yōu)化控制的同時兼顧了爐內(nèi)鋼坯差異化加熱工藝要求；2、本發(fā)明采用一種基于極值優(yōu)化原理的多目標(biāo)優(yōu)化方法，該方法具有多約束條件處理能力，多目標(biāo)優(yōu)化能力及在復(fù)雜優(yōu)化空間中快速的尋優(yōu)能力，在產(chǎn)生爐溫設(shè)定較優(yōu)解的同時滿足在線爐溫控制實時性要求；3、本發(fā)明根據(jù)各鋼坯的特性在其入爐時即生成最優(yōu)升溫曲線，作為爐內(nèi)鋼坯加熱過程所跟蹤的目標(biāo)曲線，并且只有當(dāng)鋼坯移動速度發(fā)生較大幅度改變時才更新該最優(yōu)升溫曲線，從而避免傳統(tǒng)方法在每個控制周期都需要計算最優(yōu)升溫曲線帶來的巨大計算負(fù)荷；4、本發(fā)明中，在加熱爐各爐區(qū)的出口位置，鋼坯的溫度分布模型計算值得到修正，該機(jī)制可以消除爐區(qū)內(nèi)由于多步模型計算所積累的與真實系統(tǒng)間的偏差，獲得鋼坯進(jìn)入下一個爐區(qū)時準(zhǔn)確的初始溫度分布狀態(tài)，從而提高優(yōu)化控制精度。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。附圖中：圖1為本發(fā)明中鋼坯一維溫度模型坐標(biāo)軸體系；圖2為本發(fā)明中典型的最優(yōu)升溫曲線；圖3為本發(fā)明中每個控制周期的流程圖；圖4為本發(fā)明中六個連續(xù)鋼坯的目標(biāo)出爐溫度變化曲線；圖5為本發(fā)明中六個鋼坯的升溫曲線；圖6為本發(fā)明中加熱爐均熱段爐溫設(shè)定曲線。具體實施方式以下將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述和討論，顯然，這里所描述的僅僅是本發(fā)明的一部分實例，并不是全部的實例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。隨著工業(yè)規(guī)模化的發(fā)展，目前，以步進(jìn)式加熱爐為代表的連續(xù)式加熱爐在軋制生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)周期式加熱爐不同，連續(xù)式加熱爐采用連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料的模式，改善了加熱爐與軋機(jī)之間的生產(chǎn)連續(xù)性，極大的提高了生產(chǎn)效率。在實際生產(chǎn)中，加熱爐爐溫設(shè)定控制普遍采用加熱爐產(chǎn)量型高燒法，即在燃料充足的前提下，按照鋼坯加熱溫度的上限燒鋼，以實現(xiàn)多燒快燒，盡量保證加熱爐的生產(chǎn)能力與軋機(jī)生產(chǎn)能力的匹配，提高鋼材產(chǎn)量。然而，隨著鋼鐵生產(chǎn)國際化競爭的日益激烈，傳統(tǒng)的大批量連續(xù)化按照計劃生產(chǎn)的運(yùn)營模式逐漸向小批量、多品種的柔性制造模式轉(zhuǎn)變，由于不同用戶和應(yīng)用場合的需求各異，鋼坯的加工軋制工藝要求各不相同，傳統(tǒng)的采用固定升溫設(shè)定曲線的爐溫控制方法，不僅導(dǎo)致了鋼坯的氧化燒損嚴(yán)重，而且造成了加熱爐的巨大能耗浪費(fèi)，也使得加熱爐的使用壽命縮短。因此，迫切要求加熱爐的生產(chǎn)能夠根據(jù)加工鋼坯的軋制工藝要求，進(jìn)行加熱爐爐溫設(shè)定的實時動態(tài)優(yōu)化，實現(xiàn)加熱爐生產(chǎn)過程的精益化控制。本發(fā)明針對上述問題，公開了一種基于時間和爐長的雙維度步進(jìn)式加熱爐升溫曲線優(yōu)化設(shè)定方法，該方法主要包括離線分析步驟和在線控制步驟，其中：所述離線分析步驟主要采集與爐溫控制相關(guān)的參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立鋼坯升溫模型；其中，所述離線分析步驟中與爐溫控制相關(guān)的參數(shù)包括：加熱爐生產(chǎn)的所有鋼種類型集合，記為Gra；對于每一個鋼種g∈Gra，通過查表獲得其熱物理參數(shù)，包括各溫度下該鋼種的密度ρg、熱容Cg及熱導(dǎo)Kg等；加熱爐特征參數(shù)，包括加熱爐的爐區(qū)數(shù)N、各爐區(qū)的爐長Ln,n＝1,2,...,N、各爐區(qū)爐氣向鋼坯的有效傳熱系數(shù)n＝1,2,...,N及各爐區(qū)水印的熱損失系數(shù)ηn,n＝1,2,...,N等。進(jìn)一步的，所述離線分析步驟建立離散的鋼坯升溫模型，該模型能夠預(yù)測鋼坯在加熱爐的升溫情況，不失一般性，本發(fā)明采用鋼坯一維溫度模型，如附圖1所示，該模型只考慮鋼坯厚度方向的溫度梯度，而近似認(rèn)為處于同一厚度位置的鋼坯層溫度處處相等，由此，鋼坯溫度分布成為與厚度位置x和時間t相關(guān)的函數(shù)，建立如下傳熱方程組：其中，上式中第一個方程表示鋼坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程；而第二個方程表示加熱爐對鋼坯下表面的傳熱過程，其中Tf為鋼坯所在爐區(qū)的爐溫值，hb是下表面等效傳熱系數(shù)，該參數(shù)與加熱爐特性、水印參數(shù)、爐溫及鋼坯溫度等參數(shù)有關(guān)；第三個方程表示加熱爐對鋼坯上表面的傳熱過程，其中ht是上表面等效傳熱系數(shù)，該參數(shù)與加熱爐特性、爐溫及鋼坯溫度等參數(shù)有關(guān)；第四個方程表示鋼坯的初始溫度值；將上面方程組進(jìn)行位置離散化處理，其中，沿x方向?qū)撆鞣纸鉃閙份，則得到鋼坯溫度分布向量Ts(k)如下式所示：其中，T1(k)對應(yīng)鋼坯上表面塊的溫度，Tm(k)為鋼坯下表面塊的溫度；同時，進(jìn)行時間離散化，假設(shè)當(dāng)前時刻為k，對于給定的鋼坯s，其鋼種為g、長度為len、寬度為wdt、厚度為thk、當(dāng)前鋼坯溫度分布為Ts(k)、鋼坯移動速度v、當(dāng)前鋼坯在加熱爐中的位置ps(k)和各爐區(qū)的爐溫值n＝1,2,...,N，基于上述信息，通過該模型可以計算得到k+1時刻鋼坯溫度分布Ts(k+1)，采用Mods表示模型關(guān)系，建立如下表達(dá)式：其中，由于鋼坯s的鋼種、長度、寬度、厚度、熱物理參數(shù)，加熱爐各爐區(qū)的長度、有效傳熱系數(shù)、水印的熱損失系數(shù)均為常數(shù)，保留公式(1)中變量，可以簡寫為：Ts(k+1)＝Mods(Ts(k),ps(k),v,Tnf)(2)所述在線控制步驟以預(yù)先給定的控制周期Δtc觸發(fā)，用以實現(xiàn)步進(jìn)式加熱爐升溫曲線的實時優(yōu)化設(shè)定。本實施例中，所述的在線控制模塊，主要完成以下四個功能：(1)鋼坯位置跟蹤，即實時計算加熱爐內(nèi)所有鋼坯的位置，并檢測有無入/出爐的鋼坯；(2)鋼坯最優(yōu)升溫曲線計算及更新，即在每一塊鋼坯進(jìn)入加熱爐時計算其最優(yōu)升溫曲線，并在工況改變較大(鋼坯移動速度變化較大)的情況下對其進(jìn)行重新計算；(3)鋼坯溫度校正，即利用各爐區(qū)出口處的鋼坯溫度檢測信息，對鋼坯的模型計算溫度值進(jìn)行修正；(4)各爐區(qū)爐溫設(shè)定值優(yōu)化，以最小化所有鋼坯在控制時域內(nèi)實際升溫過程與最優(yōu)升溫曲線之間偏差為目標(biāo)，生成各爐區(qū)爐溫設(shè)定值。如圖3所示，進(jìn)一步的，假設(shè)當(dāng)前的控制周期為k，加熱爐內(nèi)所有鋼坯號的集合為Slab，所述在線控制步驟包括以下具體步驟：步驟S1：控制周期開始，采集數(shù)據(jù)并更新溫度分布計算值與平均移動速度；步驟S2：校正各爐區(qū)出口處鋼坯溫度分布計算值；步驟S3：判斷是否有新的鋼坯進(jìn)入加熱爐，如有則計算其最優(yōu)升溫曲線；步驟S4：判斷所有鋼坯的最優(yōu)升溫曲線是否需要更新，如是則進(jìn)行更新；步驟S5：采用極值優(yōu)化算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，得到各爐區(qū)的爐溫最優(yōu)設(shè)定值；步驟S6：將S5計算得到的各爐區(qū)爐溫最優(yōu)設(shè)定值下達(dá)至PLC(ProgrammingLogicController，可編程邏輯控制器)，結(jié)束本控制周期計算。具體實施例中，步驟S1進(jìn)一步包括：步驟S11：采集當(dāng)前的加熱爐內(nèi)鋼坯移動速度v(k)，更新加熱爐內(nèi)所有鋼坯的位置，即對于所有的ps(k)＝ps(k-1)+v(k)·Δtc，進(jìn)而可以判斷鋼坯s所在的加熱爐爐區(qū)n；步驟S12：根據(jù)該爐區(qū)爐溫值上一時刻計算得到的鋼坯s溫度分布Ts(k-1)，當(dāng)前的加熱爐內(nèi)鋼坯移動速度v(k)，以及鋼坯升溫模型Mods，計算得到當(dāng)前時刻鋼坯s的溫度分布Ts(k)；步驟S13：同時根據(jù)最近幾個控制周期的移動速度值v(k)、v(k-1)、v(k-2)…v(k-q)，其中q為預(yù)先給定的值，計算最近一段時間內(nèi)爐內(nèi)鋼坯平均移動速度具體實施例中，步驟S2進(jìn)一步包括：步驟S21：依次檢查每一個溫度檢測裝置下面是否有鋼坯經(jīng)過；步驟S22：假設(shè)有鋼坯s正好經(jīng)過某個溫度檢測裝置，且檢測到其表面溫度值為則利用對溫度分布計算值Ts(k)進(jìn)行修正。進(jìn)一步的，步驟S22中針對鋼坯不同位置的溫度值進(jìn)行如下校正：鋼坯上表面溫度鋼坯內(nèi)部及下表面溫度具體實施例中，步驟S3進(jìn)一步包括：步驟S31：判斷是否有新的鋼坯進(jìn)入加熱爐，如有，則將其鋼坯號s加入Slab，置ps(k)＝0，Ts(k)＝T0；步驟S32：根據(jù)平均移動速度目標(biāo)出爐溫度和鋼坯升溫模型Mods，結(jié)合出爐溫度偏差、斷面溫度偏差和最大溫升幅度的因素，求解優(yōu)化問題，計算得到該鋼坯最優(yōu)升溫曲線hcs，典型的最優(yōu)升溫曲線如附圖2所示，該曲線確定了鋼坯在加熱爐內(nèi)各時刻的目標(biāo)溫度，另外，記錄下該鋼坯升溫曲線對應(yīng)的平均移動速度具體實施例中，步驟S4進(jìn)一步包括：步驟S41：對于Slab集合中包含的所有鋼坯，即逐一判斷是否滿足Δv為預(yù)先給定的閾值；步驟S42：如果滿足則說明鋼坯實際移動的速度與生成最優(yōu)升溫曲線時的平均移動速度相差較大，工況改變較大，因此需要重新計算其最優(yōu)升溫度曲線。進(jìn)一步的，步驟S42具體包括：根據(jù)目前的平均移動速度當(dāng)前鋼坯位置ps(k)、當(dāng)前鋼坯的溫度分布計算值Ts(k)、目標(biāo)出爐溫度和鋼坯升溫模型Mods，結(jié)合出爐溫度偏差、斷面溫度偏差和最大溫升幅度的因素，重新計算得到該鋼坯最優(yōu)升溫曲線，更新hcs，同時更新該鋼坯升溫曲線對應(yīng)的平均移動速度具體實施例中，步驟S5中，首先建立如下多目標(biāo)優(yōu)化問題：設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)：首先考慮加熱爐內(nèi)任意的一塊鋼坯s，在給定優(yōu)化時域P內(nèi)，要盡量使其計算升溫曲線逼近最優(yōu)升溫曲線，即實現(xiàn)偏差最小，即：其中，表示計算得到的鋼坯平均溫度，wκ是控制時域內(nèi)各周期偏差的加權(quán)系數(shù)，考慮加熱爐中所有的鋼坯，需要針對每一塊鋼坯建立公式(3)所示的優(yōu)化目標(biāo)，共同構(gòu)成了一個多目標(biāo)優(yōu)化問題；約定決策變量：各爐區(qū)的爐溫設(shè)定值n＝1,2,...,N；確定約束條件：反應(yīng)各爐區(qū)的爐溫設(shè)定值與鋼坯計算升溫曲線之間的關(guān)系，根據(jù)公式(2)可以得到：Fors∈Slab，κ＝0,1,...,P-1,n＝1,2,...,N其中，ps(k+κ)為k+κ時刻鋼坯以當(dāng)前平均速度移動到的位置，采用下式計算得到：Fors∈Slab，κ＝0,1,...,P-1另外，需要對控制時域內(nèi)各周期的各鋼坯溫度分布求平均值以得到鋼坯平均溫度，采用符號Γ表示平均計算函數(shù)，則：Fors∈Slab，κ＝1,2,...,P執(zhí)行極值優(yōu)化算法，得到各爐區(qū)的爐溫最優(yōu)設(shè)定值。進(jìn)一步的，執(zhí)行極值優(yōu)化算法，具體步驟如下：步驟A：進(jìn)行初始化，定義一個大小固定的解倉庫，令其為空，并設(shè)置迭代次數(shù)iter＝0；步驟B：隨機(jī)產(chǎn)生一個初始解步驟C：對當(dāng)前解的各個變量j＝1,2,...,N依次實施變異，即在變異某個變量時，保持其余組元不變，得到N個鄰域解；步驟D：對N個鄰域解進(jìn)行支配排序，從而得到其支配排序數(shù)rj∈[0,N-1]，j∈{1,...,N}；步驟E：令各個變量的適應(yīng)度值λj等于其對應(yīng)的鄰域解的支配排序數(shù)，即λj＝rj，j∈{1,...,N}；步驟F：如果只有一個變量的適應(yīng)度為0，則該變量被認(rèn)為是當(dāng)前解中的最差變量；如果有兩個以上適應(yīng)度為0的變量，則運(yùn)用多樣性保持機(jī)制來決定哪個是當(dāng)前解中的最差變量，假設(shè)最差變量為其適應(yīng)度λw＝0，通過變異產(chǎn)生新的解為Sw，w∈{1,...,N}；步驟G：無條件地用Sw取代當(dāng)前個體S，即Sw→S；步驟H：判斷是否要將S加入到解倉庫中；進(jìn)一步的，步驟H中將S與解倉庫中所有的解進(jìn)行Pareto支配比較：如果解倉庫中存在被S支配的解，則將其刪除，并將S添加到解倉庫中；如果解倉庫中存在至少一個解能支配S，則不更新解倉庫；如果S與解倉庫中任意一個已有解都互不支配，則根據(jù)下面三種情況對解倉庫進(jìn)行更新操作；a)如果解倉庫還沒有滿，則將S添加到解倉庫中；b)如果解倉庫已滿，并且S位于存檔中最密集的地方，則S不加入到解倉庫中；c)如果解倉庫已滿，并且S不位于解倉庫中最密集的地方，則用S替代解倉庫中位于最密集地方的非劣解。步驟I：如果迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的終止迭代次數(shù)，則進(jìn)入步驟J，否則，令iter＝iter+1，進(jìn)入步驟C；步驟J：選取解倉庫中保存的任一解作為多目標(biāo)優(yōu)化問題的解輸出。由于本發(fā)明所提方法對爐內(nèi)溫度設(shè)定值進(jìn)行時間和長度兩個維度的優(yōu)化，同時，本發(fā)明將所有鋼坯的溫度偏差作為優(yōu)化目標(biāo)，導(dǎo)致優(yōu)化的目標(biāo)和優(yōu)化變量的數(shù)量大大增加，傳統(tǒng)的確定性方法難以在有限時間內(nèi)獲得可以滿足約束的解，也難以對多個目標(biāo)之間的優(yōu)劣進(jìn)行取舍，本發(fā)明采用多目標(biāo)極值優(yōu)化算法進(jìn)行求解，有效地解決了上述問題。以下以實際生產(chǎn)過程為例，說明本發(fā)明所取得的有益效果：采用本發(fā)明中所述的基于時間和爐長雙坐標(biāo)軸的步進(jìn)式加熱爐升溫曲線優(yōu)化設(shè)定方法對某加熱爐進(jìn)行仿真運(yùn)行，該步進(jìn)式加熱爐具有預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段四個爐區(qū)，鋼坯入爐溫度為0℃，出爐目標(biāo)溫度根據(jù)各鋼坯鋼種工藝要求不同分布在1050℃～1150℃之間。統(tǒng)計一段時間內(nèi)加熱爐生產(chǎn)的20個鋼坯，對采用原設(shè)定方法和本優(yōu)化設(shè)定方法后鋼坯溫度控制效果進(jìn)行比較，結(jié)果如下表所示：平均鋼坯出爐溫度偏差平均斷面溫差原設(shè)定方法18.23℃6.47℃優(yōu)化設(shè)定方法7.54℃5.79℃其中，對于k時刻任意一塊鋼坯s，其斷面溫差定義為鋼坯上下表面溫度與其中心溫度之差，即：該指標(biāo)反應(yīng)了鋼坯內(nèi)部加熱是否均勻的程度。仿真結(jié)果表明，和原設(shè)定方法相比，采用本優(yōu)化設(shè)定方法能夠大幅度減小鋼坯出爐溫差及斷面溫差。下面以一個典型的連續(xù)生產(chǎn)過程為例，說明本發(fā)明所取得的有益效果：其中，加熱爐連續(xù)加熱六個鋼坯，如附圖4所示，鋼卷1、2的目標(biāo)出爐溫度為1050℃,鋼卷3、4的目標(biāo)出爐溫度為1110℃,鋼卷5、6的目標(biāo)出爐溫度為1080℃。原設(shè)定方法與本發(fā)明方法控制下各鋼坯加熱升溫效果如附圖5所示，可見在原設(shè)定方法控制下，鋼坯1、2、5、6出現(xiàn)一定程度的過燒，而鋼坯3、4出現(xiàn)加熱不足的現(xiàn)象，這是因為幾個鋼坯的目標(biāo)出爐溫度存在較大的差異，傳統(tǒng)沿爐長方向的單維曲線優(yōu)化設(shè)定方法無法根據(jù)鋼坯的差異實現(xiàn)爐溫設(shè)定的快速動態(tài)調(diào)整。而在本發(fā)明設(shè)定方法控制下，六個鋼坯的出口溫度均能達(dá)到目標(biāo)出爐溫度附近。從具體原理上分析,加熱爐均熱段的爐溫設(shè)定變化曲線如附圖6所示，由于鋼坯3、4的目標(biāo)出爐溫度達(dá)到1110℃，相比鋼坯1、2的1050℃明顯提高，而本發(fā)明方法能根據(jù)未來鋼坯的目標(biāo)出爐溫度變化提前實現(xiàn)對爐溫設(shè)定值的快速動態(tài)調(diào)整，充分利用了加熱爐的動態(tài)調(diào)節(jié)能力，相比而言，傳統(tǒng)沿爐長方向的單維曲線優(yōu)化設(shè)定方法滯后且緩慢，因此本發(fā)明方法取得了更佳的控制效果。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3