無縫鋼管連軋過程軋制規(guī)程多目標優(yōu)化

1、無縫鋼管連軋過程軋制規(guī)程多目標優(yōu)化隨著現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)鋼鐵生產(chǎn)過程的日益復(fù)雜，生產(chǎn)規(guī)模進i步擴大，企業(yè)間的克爭U益強烈，加之國內(nèi)外原材料和能源價格不斷走爲，企業(yè)對如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和節(jié)能減排等的要求越來越奇.無縫鋼管連軋過程軋制規(guī)程優(yōu)化是充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備及工藝的潛力，而且可以提高尺J精度和內(nèi)外表面質(zhì)量，軋制設(shè)備壽命等U這有助于改變目前鋼管企業(yè)徑新產(chǎn)品開發(fā)中的瓶頸問題，提離企業(yè)的創(chuàng)新能力和核心競爭力*軋制規(guī)程設(shè)崔(負荷分配及設(shè)定值)一向是組織生產(chǎn)的關(guān)鍵，其屮負荷分配決定了軋制過程的狀態(tài)特性(尺寸箱度和內(nèi)外表而質(zhì)量h其合理與否對產(chǎn)甜質(zhì)量的高低、軋制設(shè)備調(diào)整的難易、機組運轉(zhuǎn)的可靠性和生產(chǎn)過

2、程杓穩(wěn)定性等均有直接的影晌。因此本文采用軋機負戟均衡分配作為優(yōu)化目標。但是根據(jù)第二章的分析町知，連亂機組的特性，前四機架為變毎機架，最后兩臺軋機作為精椎機架。因此本文對于最后兩個機架還是作為精整機架，建立壁療優(yōu)精度優(yōu)化模型，其目標繪保證荒管的尺寸精度。對于萌四臺軋機為提高軋制過程的軋制狀態(tài)、設(shè)備壽命以及使用率等，建立負載均衡優(yōu)化模型：連軋過程軋制規(guī)程多冃標優(yōu)化框架如圖斗小對最后兩機架以壁厚稱度最高為目標，還是運用第章的迭代算法。由于各機架的延伸率處在一個連續(xù)空間£并且軋制過程是帶有約束的優(yōu)化問題，對于前四臺軋機，以連軋過程總負載均衡最小*運用群優(yōu)化聲法，進行軋制規(guī)程優(yōu)化設(shè)計.實現(xiàn)各機

3、架的延伸率以及軋制速度的優(yōu)化。4,2連軋過程軋制規(guī)程多目標優(yōu)化模型根據(jù)軋制力模型中的式(2-39),則第臺機架的軋制總功率為：站"才希心宀腔0(4-1)其中生為傳動效率，心為第i臺機架中一個電機的轉(zhuǎn)速，7；為第i臺機架的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述推理，可以得到軋制功率與延伸率、機架出口速度的關(guān)系，因此對于14#機架，用下列模型表示第i機架的軋制總功率與第i機架的機架延伸率、軋制速度的關(guān)系：N產(chǎn)Ng)(4-2)其中，M為第i機架的軋制總功率，人為第i臺機架的機架延伸率，耳為第i臺機架的的軋制速度。對于56#機架，根據(jù)式(2-8),可以將壁厚和延伸率的關(guān)系表示成：S,=S(人)(4-3)其中，&am

4、p;為第i機架鋼管出口壁厚，5<f<6o6機架連軋系統(tǒng)笫14#軋機第56#$L機3優(yōu)化模型負載優(yōu)化模型I壁厚優(yōu)化模型多目標優(yōu)化算法I粒子群優(yōu)化算法迭代優(yōu)化算法軋制約束條件機架廷伸率機架乳制速度圖41多目標優(yōu)化框架根據(jù)連軋過工藝特點、設(shè)備以及生產(chǎn)條件的限制.在設(shè)計時需要滿足下列的約束條件：(1) 軋線強度的約束：軋機的生產(chǎn)能力主要受機架強度、軋轆強度及軋制速度范圍等因素的限制要求。(4-4)%VV,mu./其中，E、/U分別為第i臺機架上實際軋制力和最大允許軋制力；見、分別為第i臺機架上實際軋制力矩、最大允許軋制力矩，片、卩昨八叫唄分別為第i臺機架上軋制速度、最小允許軋制速度和最大允

5、許軋制速度；(2) 電機能力的約朿：Mj>M.(4-5)其中，Mz為第1臺機架的電動機額定轉(zhuǎn)矩，為第*臺機架的傳動軋編所需力矩；(3) 各機架的出口速度、延伸率的約束：CoiVl=Co2V2=-C胡-=C°6%(46)(4-7)其中，COf.和分別為第i臺機架出口處鋼管橫截面積和軋制速度：入為連軋機的延伸率，人為第f臺機架的延伸率。負荷均衡分配優(yōu)化模型根據(jù)上述軋制總功率模型，對于1抽機架，負載均衡分配優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型可以表示為：minS=-3aNji=lS.t«Pt<(4-8)(4-8)<M»iGfVjc戒嚴co2v2二s二Co6v6；=i其中，&q

6、uot;,為第i臺機架主電機的額定功率，乞為第i臺機架主電機的主電機負荷系數(shù)，N,為第臺機架的軋制總功率，其中約束條件包括：軋輾強度的約束、電機能力的約束、各機架的出口速度、延伸率的約束。壁厚精度優(yōu)化模型根據(jù)第二章的壁厚模型，對于56#機架，壁厚優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)表示為:min(4-9)(4-9)s.t.%uV片<Vmax,-Co$V5=Cc6V6其中，目為第i臺機架的出口壁厚，S。為連軋機的出口壁厚，5GV6。43連軋過程軋制規(guī)程多目標優(yōu)化方法對最后兩機架以壁厚精度最高為目標，還是運用第二章的迭代算法求解。由于各機架的延伸率處在一個連續(xù)空間，并且軋制過程是帶有約束的優(yōu)化問題,對于前四臺軋機，

7、以連軋過程總負載均衡最小，運用粒子群優(yōu)化算法求解。43.1面向壁厚精度的迭代優(yōu)化算法計算基準孔型的外部輪廓計算調(diào)節(jié)后"6機架下鎧管的內(nèi)外輪魂，璧陽二心+0.0001對于壁厚精度采用迭代優(yōu)化算法，迭代終止條件為|S/-5o|<0.001,基準輾調(diào)節(jié)的步長為0.001,其基本流程圖如圖42,具體過程見機架輾縫模型建立步驟。面向負載均衡的粒子群優(yōu)化算法對于前四機架，由于在(46)的約束條件下，本文只需要前3機架的延伸冷以及第四機架的軋制速度，故粒子群的維數(shù)為4,它的位置表示為：r=(AAA.v4)(4-io)(4-11)其中，q和匕分別為第i臺機架岀口處鋼管橫截面積和軋制速度，1GV

8、6。圖4-3粒子群優(yōu)化流程圖基于懲罰函數(shù)粒子群的優(yōu)化算法的流圖如圖4-3,其具體步驟如下：Step1：根據(jù)優(yōu)化模型目標函數(shù)和約束條件采用罰函數(shù)方法構(gòu)造粒子群適應(yīng)度函數(shù)F,將約束優(yōu)化模型轉(zhuǎn)變成為無約束優(yōu)化模型；其中懲罰因子p為loooooooo,G為約束條件；F=S+(4-12)M4s二(4-13)C嚴(/U)+(M”-M“)+(%廠片)+(fg)+(M加-Mj)(44)at=0.9(4-15)IGV4(4-16)Slept：粒子群規(guī)模厶“加=100,丿為粒子數(shù)目循環(huán)變量甘0：最大循環(huán)次數(shù)K=10000,隨機產(chǎn)生初始化粒子群位置H前三機架的延伸率、末機架的出口速度)和粒子群初始速度X它范圍0,2

9、.5；Tj=(417)Tj(k)=入丿伙),(切,尙(町,v4J伙)(4-18)耳=%也，勺兒(4伽=%仗),乙仗),勺(切,乙伙)巴0,2.5(4-20)<j<>Lum(4-21)記錄個體最優(yōu)值pIbsetj(k)=Tj(k)；Step3：根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)F計算每個粒子的適應(yīng)度值，找到適應(yīng)度值最大的粒子位置，并記錄為全局最優(yōu)值Step4：根據(jù)以下公式更新粒子群位置和速度：匕伙+1)=伙)+C.R,plbestk)-T伙)+cpGbest伙)-7；(燈(4-22)T&+1)=7；伙)+P；伙+1)(4-23)其中，w為慣性系數(shù)，取值0.8,6=6=2,&與$為區(qū)

10、間0,1內(nèi)的獨立隨機數(shù)。Step5：根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)F更新個體最優(yōu)值plbsetk)和群體最優(yōu)值pGbest(k)；Step6：匕奸1,判斷*K,尼否成立，或者是否充分收斂，若是，轉(zhuǎn)入S"p4,否則轉(zhuǎn)入Step7：Step1,輸出pGbestk),即前三機架延伸率和第四機架的出口軋制速度，再根拯總延伸率和金屬秒流量相等原則，得到14#機架延伸率以及軋制速度.4.4仿真及結(jié)果分析以某鋼鐵廠一次軋制過程為例進行仿真。參數(shù)如表和材料參數(shù)如表d2。表41軋鋼卻CK參數(shù)入口壁序(mm)出口壁厚(mm)入口外徑(mm)芯樺直徑(mm)鋼種數(shù)值14.854.00235189320#鋼a</MP

11、aai»2»3a5152.7-2.6093.3210.2098013320.38981.454A4-220"鑰的變形抗力回歸系數(shù)140012001000800600400連軋機最大的軋制速度為5000mm/s,最小的軋制速度為0.入口最大軋制速為1500mm/s,14#機架最大軋制力250T,56#機架的最大軋制力110T。1#、5#、6#機架的額定功率1400KW,24#機架的額定功率1900KW。14#機架的最大軋制力矩3400Nm,56#機架的最大軋制力矩2200Nm.K5、6號機架的電機額定轉(zhuǎn)矩1146Nm,24#機架的電機額定轉(zhuǎn)矩為764Mn。!Y優(yōu)化口'cIe優(yōu)化$-MB4»Qa34567機架號圖44表明，除6#機架外其它機架軋制功率更接近與額定值，體現(xiàn)了優(yōu)化后的結(jié)果可以更充分發(fā)揮連軋機組的能力。表42表明，各機架軋制速度都所有提高，從而提髙了軋制節(jié)奏，提高產(chǎn)So優(yōu)化后的負載均衡值2448KW較優(yōu)化前有顯著降低，充分發(fā)揮PQ