钢坯加热过程非稳态温度场热性能预测与随机干扰主动补偿控制方法

The project is intended to meet the urgent need of energy saving in the steel industry. It aims to propose an improved Monte Carlo Ray Tracing method used for radiation analysis and calculation in reheating furnaces that non-gray gases present and an isothermal CFD simulation approach used to predict dynamic mass flow pattern in the furnaces under different operating conditions of fuel input. Based on those proposed method and approach, further investigation will be carried out to develop a low-cost and high-precision real-time mathematic model used to predict the thermal performance of reheating furnaces under both steady- or non-steady-state conditions, which is also able to predict the temperature distribution for the furnaces with complex structure and operating conditions. Based on the idea of equivalent input disturbance compensation, a new active disturbance suppression compensation control approach for billet heating process will be proposed to achieve the effective suppression of random disturbances. An experimental system will be set up to further validate the proposed approach. These combined approaches of advanced model prediction and control techniques will result in better understanding of novel heating strategies to improve billet temperature homogeneity and the link between furnace and rolling mill, whilst initiating the evolution of the next generation of supervisory reheating furnace.

本项目面向钢铁行业节能降耗的迫切需求，针对含有非灰辐射气体环境的钢坯加热过程辐射换热分析计算问题，提出基于改进蒙特卡罗射线迹踪法的加热炉辐射换热角系数计算方法用于辐射换热分析，并通过等温CFD质量场模拟研究多场耦合条件下加热炉内质量传递特性，揭示不同燃料输入条件下炉内质量传递的非线性影响规律。在此基础上，进一步研究提出基于区域模型的低成本高精度加热炉热性能预测与非稳态温度场分布实时模拟方法，实现对复杂炉内结构和非稳态操作模式下炉内温度场分布的高效快速准确计算和瞬态实时模拟。基于等价输入干扰补偿的基本思想，提出一种随机干扰主动补偿控制方法，实现对随机干扰的有效抑制。通过构建计算机仿真与实验系统，验证所提方法的正确性、有效性和优越性。通过研究，将建立一种有效的钢坯加热过程非稳态温度场热性能预测与随机干扰主动补偿控制新方法，对于钢铁行业实现节能降耗、提高产量质量具有重要的科学意义和实际应用价值。

本项目针对含有非灰辐射气体环境的钢坯加热过程中辐射换热分析、热性能预测问题和燃气热值、燃气压力与流量、空气压力与流量的随机性干扰抑制等相关问题，围绕钢坯加热过程非稳态温度场热性能预测与随机干扰主动补偿控制方法开展深入研究，取得了以下创新性成果：.（1）通过考虑含氧燃料燃烧条件下炉内非灰辐射气体环境，建立了基于辐射分析区域法的综合数学模型，分析了多场耦合条件下钢坯加热过程炉内质量传递特性，研究了无焰含氧燃料燃烧对中试规模加热炉热性能的影响。.（2）在详细描述实际加热炉瞬态操作的基础上，提出了基于区域模型的大型加热炉运行非线性动态仿真与控制方法。该方法利用基于区域模型，实现了具有自适应预测控制的非线性炉膛操作动态模拟，该模型能够动态地响应加热炉运行中发生的变化，改善加热炉的运行状况。.（3）为了估计步进梁式加热炉内的钢坯热性能，基于蒙特卡罗射线追踪（Monte Carlo Ray-Tracing, MCRT）法建立了一种二维数值模型进行辐射分析，该模型预测值与经验数据一致，并且在保证计算精度的同时，减少了计算量，实现了高效快速准确计算。.（4）提出一种基于Hooke-Jeeves直接搜索算法的多目标优化策略，通过Hooke-Jeeves直接搜索算法求解出的设置温度，将Hooke-Jeeves直接搜索算法模块和步进梁式钢坯加热炉仿真模块结合，提高了钢坯加热炉出炉钢坯温度的控制精度，减少了能源消耗。.（5）提出了基于重置状态观测器的加热炉随机扰动自抗扰控制方法，从钢坯加热过程随机干扰抑制性能与等价输入干扰估计器内部参数之间的关系、随机干扰控制系统性能与反馈控制器之间的关系出发，利用线性矩阵不等式方法，进行等价输入干扰估计器和反馈控制器的参数整定，并通过仿真实验验证了所提出方法的有效性和优越性。