本发明涉及一种冷轧带钢酸洗酸浓度控制方法 和装置。 背景技术

冷轧带钢生产中的一道重要工序就是酸洗， 酸洗是用化学方法除去金属表面氧化铁皮 的化学过程。 带钢表面上的氧化铁皮 （Fe ₂ O ₃ ， Fe , , FeO ) 都是不溶解于水的碱性氧 化物， 当它们浸泡在酸液里时， 这些碱性氧化物就与酸发生一系列化学反应。 碳素钢或低 合金钢表面上的氧化铁皮具有疏松、多孔和裂 紋的性质，这些氧化铁皮随同带钢一起矫直、 拉矫、 传送， 经过反复弯曲， 使这些缝隙进一步加大， 所以酸溶液与氧化铁皮反应的同时 也与大纲带钢的基体铁发生化学反应。 酸洗的目的是要清除带钢表面的氧化层， 常规的酸 洗普遍存在酸浓度控制的滞后性， 无法实现盐酸浓度的稳定控制， 实际生产过程中盐酸浓 度波动大， 造成带钢清洗质量不稳定， 并且酸的使用量偏大， 造成盐酸的浪费。 目前世界 上现有的酸洗机组大多采用手动酸浓度控制， 主要原因是酸浓度实时测量的准确性很难保 证， 没有成熟的测量及控制方案。 一般是人工定时采样并用滴定法（titration)对� �品的酸 浓度进行分析， 再根据实践经验进行补酸实施酸浓度手动控制 ， 这种方法的最大缺点是控 制的滞后性， 因为实际酸浓度的变化与许多因素密切相关， 例如机组的运行速度、 带钢的 宽度、 带钢表面的氧化程度及钢种等等， 所以人工的控制方法势必造成酸浓度忽高忽低 波 动大， 对带钢的清洗质量造成不稳定。

中国专利公开号 CN1462321公开了一种连续酸洗方法和连续酸洗装 置， 其连续酸洗方 法是， 一边分别向构成连续酸洗装置的多个酸洗槽中 两个以上酸洗槽内供给酸液， 一边对 输送的带钢进行酸洗时， 用所述的带钢上氧化铁皮的厚度、 所述的带钢的宽度和所述的带 钢的输送速度求出酸液总供给量， 用所述的带钢的酸洗模式和所述的带钢的输送 速度求出 向所述的两个以上酸洗槽中各自酸液供给量的 分配比例。 酸洗管路控制装置预测储存在连 续酸洗装置的第三槽和最终槽中的酸洗液酸洗 时消耗的酸量， 确定分别对第三槽和最终槽 中酸洗液的供给量， 使酸液供给系统供给酸液。 酸浓度连续测定装置对分别储存在被供酸 液的第三槽和最终槽中酸洗液的酸浓度作连续 测定， 并且根据连续测得的被测酸浓度值由

1

确认本 酸液供给系统向第三槽和最终槽供给酸液， 以便使储存在第三槽和最终槽中酸洗液的酸浓 度分别与目标值互相匹配。 这样可以使从最终槽排出酸洗液的、 受到限制的酸浓度增加到 12 % , 同时使储存在其他酸洗槽中酸洗液的酸浓度增 加。

中国专利公开号 CN1280633公开了一种酸浓度连续测定装置， 其中组合有设有能使酸 洗槽中容纳的酸洗液连续沿一个方向通过通路 的本体， 设置在本体上并以实际上连续测定 流经通路的酸洗液用的密度计、 温度计和电导率计， 以及根据这些测定结果计算酸洗液酸 浓度用的计算装置。 使用这种酸浓度连续测定装置， 反馈控制构成连续酸洗设备的数个酸 洗槽中最终酸洗槽内的盐酸浓度。

上述公开的文献中， 涉及了酸浓度测量装置， 所采用的测量方法涉及了温度测量、 密 度测量和电导率测量， 利用温度、 密度和电导率推算出酸浓度。 采用的是单变量控制酸浓 度的方法， 整个测量时间较长， 需要 1小时， 是一种间断测量法。 由于酸浓度控制的滞后 性， 无法实现盐酸浓度的稳定控制， 在实际生产过程中盐酸浓度波动大， 造成带钢清洗质 量不稳定， 并且酸的使用量偏大， 造成盐酸的浪费。 发明内容

本发明的目的在于提供一种本发明冷轧酸洗酸 浓度控制方法和装置， 该控制方法采用 多变量解耦控制方法实现酸浓度闭环控制， 从而节约盐酸用量， 减少废酸再生数量， 降低 环境污染。

为了实现上述目的， 本发明采用如下技术方案- 一种冷轧酸洗酸浓度控制方法， 在酸洗生产线的酸循环槽上配置三个加酸罐， 三个加 酸罐之间是互相连通的， 在每一个加酸罐与酸循环槽的酸溶液回流管道 上串联接一个酸浓 度测量装置， 通过酸浓度测量装置测量得到生产线上酸循环 槽内酸溶液的实际酸浓度值经 酸浓度分析器后馈给多变量控制器， 在多变量控制器内与工艺要求给定的酸浓度值 比较， 其差值作为多变量控制器模型的输入值； 由于三个加酸罐之间的酸浓度是互相影响的， 即 测量得到的酸浓度值是互相关联的， 因此必须找出三个测量点的酸浓度之间的耦合 关系， 建立生产线酸循环槽的数学模型， 并进行多变量解耦合计算， 将多变量控制系统转化为单 变量控制系统； 具体步骤是- 第一步， 建立酸洗生产线上被控对象的酸循环槽的多变 量数学模型

生产线酸循环槽的被控对象的加酸罐传递函数 矩阵 的表达式为 - 加酸罐传递函数矩阵 的逆函数 CT 表达式为:

式中:

^^，^是三个加酸罐的截面积， 三个加酸体积相同， ,Α,Α是工艺允许的加酸流 量的偏差量；

第二步： 根据第一步得到的加酸罐传递函数矩阵 设计预补偿器传递函数矩阵 K _p (s) , 使得 成为对角优势矩阵，其步骤如下-

1 )运行现有的绘制传递函数 G (^格稀高林带的软件， 在软件弹出的界面中输入传递 函数 G(s)，输入完成后点击运行，在界面上得到附� �格稀高林带的奈氏图，使得 G(s) 成为对角优势矩阵；

2 )利用现有的对角优势化软件，计算出预补偿� �传递函数矩阵 ^ ；绘制出 ρ ( 的 格稀高林带， 得到补偿后的开环系统己经达到对角优势；

第三步， 加酸罐传递函数矩阵 G^)单回路补偿设计， 由于 ρ^)已经达到对角优势， 因 此可以采用单变量的设计方法对三个单回路进 行补偿设计， 取 ^ = 1，2,3)为 ΡΙ调节器， 通过几次参数凑试， 得到动态补偿器传递函数矩阵^ (^值；

第四步， 绘制 附有格稀高林带的奈氏图， 根据奈氏稳定判据， 保证闭 环系统稳定， 得到酸浓度反馈增益值 E(^。

所述第一步中，三个加酸罐的截面积取值为： = ^ = « ₃ = 1.8«2 ² ， 工艺允许的加酸流 量的偏差量取值为：

.86

第二步， 计算出预补偿器传递函数矩阵

第三步， 通过几次参数凑试， 能得到:

0.0078 , 0.0021 ， 0.0038

K _v (s) = diag 1 + 1 + 1 + ( 10 ) 第四步， 得到酸浓度反馈增益 F(s)值： ^ (ϋ.82) ; ₂ = (0.78)； / ₃ = (0. ⁸⁹ )。

所述第四步中酸浓度反馈增益 F(s)取值为-

F(s) = diag[l .5 1.5 1.5]。 ( 11 ) 第五步， 调整酸浓度反馈增益 F^)， 作闭环系统的阶跃仿真曲线， 调整酸浓度反馈增 益 F(s)， 完成多变量闭环控制系统设计。

第六步， 闭环控制系统仿真， 通过现有的仿真软件能得到系统的单位阶跃响 应曲线， 调整系统参数： 包括输入参数设定值、 预补偿器传递函数矩阵 _p ( 、 动态补偿器传递函 数矩阵 _e (^和酸浓度反馈增益 E ), 使各个主通道没有超调现象， 满足系统的稳态误差 和响应速度要求。

一种冷轧酸洗酸浓度控制装置， 包括酸浓度分析器、 传感器、 仪表设定和显示系统、 控制器、 执行机构； 所述传感器包括电导率传感器和温度传感器， 电导率传感器测量生产 线酸循环槽出口端的溶液电导率， 温度传感器测量酸循环槽出口端的溶液温度； 温度传感 器和电导率传感器的信号输出给酸浓度分析器 ， 在酸浓度分析器中计算得到酸循环槽内溶 液的浓度， 这个浓度馈给控制器；

所述控制器为多变量控制器， 多变量控制器包括动态补偿控制器和预补偿控 制器， 多 变量控制器根据操作人员输入的酸浓度信号和 传感器测量得到的酸浓度实际值进行多变 量解耦计算， 计算出控制变量输出给执行机构； 执行机构分别控制各个加酸罐上的输液泵 和输液阀， 各个加酸罐是互相连通的， 对酸循环槽酸浓度进行输送酸液控制。

所述加酸罐为三个， 分别位于钢板进入酸循环槽的入口处、 出口处和酸循环槽的中间 位置。

本发明通过对冷轧酸洗生产线酸循环槽电导率 和温度的实时测量直接演算出酸浓度， 采用多变量解耦控制方法实现酸浓度闭环控制 及优化， 从而节约盐酸用量， 减少废酸再生 数量， 降低环境污染。 本发明的冷轧酸洗酸浓度控制装置采用多变量 控制器， 实现了无间断连续测量， 可以 实现自动连续控制； 装置结构简单， 酸循环槽浓度控制稳定， 不仅确保了带钢酸洗质量， 而且还可以节约酸的用量。 附图说明

图 1为冷轧酸洗酸浓度控制工艺流程示意图；

图 2为本发明的冷轧酸洗酸浓度控制装置示意图� �

图 3为本发明的酸浓度多变量控制器建模示意图� �

图 4为本发明的酸浓度多变量控制器原理图；

图 5为本发明的奈氏阵列法设计流程示意图；

图 6为本发明的酸浓度多变量闭环控制器系统框� �。

图中： 11- 117阀门， 21-23加热器， 31-311流量计， 41-411泵， 5、 51-53加酸罐； 1 轧辊， 2喷酸头， 3溢流管， 4带钢； 6传感器 （酸浓度测量装置） ， 7酸浓度分析器， 8执行 机构， 9预补偿控制器， 10动态补偿控制器， 100生产线酸循环槽 （酸槽、 酸洗槽） 。 具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步 说明。

参见图 1和图 2， 一种冷轧酸洗酸浓度控制装置， 包括酸浓度分析器 7、 传感器 6、 仪 表设定和显示系统、多变量控制器、执行机构 8;传感器 6包括电导率传感器和温度传感器， 电导率传感器测量生产线酸循环槽 100 (简称酸槽） 出口端的溶液电导率， 温度传感器测 量酸槽出口端的溶液温度。 温度传感器和电导率传感器的信号输出给酸浓 度分析器 7， 在 酸浓度分析器 7中进行分析计算得到酸槽 100内溶液的浓度， 这个浓度馈给多变量控制器， 多变量控制器包括动态补偿控制器 10和预补偿控制器 9。 生产操作人员通过仪表设定和显 示系统可对多变量控制器参数进行设定， 多变量控制器根据操作人员输入的酸浓度信号 和 传感器测量得到的酸浓度实际值进行多变量解 耦计算， 计算出控制变量输出给执行机构 8， 执行机构 8分别控制各个加酸罐 5上的输液泵和输液阀， 各个加酸罐 5是互相连通的， 对酸 循环槽 100酸浓度进行输送酸液控制， 并保持酸浓度一致。

参见图 1，在冷轧酸洗生产线上，一般通过控制生产� �酸循环槽 100上三个点的酸浓度， 来保证整条生产线上酸槽中溶液的浓度满足以 生产工艺的要求， 为此在酸洗生产线上配置 了三个加酸罐 51、 52、 53， 每一个加酸罐 51、 52、 53与生产线上的酸洗槽 100之间的酸溶 液回流的管路上， 即溢流管 3中串联一个酸浓度测量装置 6 (即传感器）， 通过这个酸浓度 测量装置 6测量得到生产线上酸槽 100内部酸溶液的实际酸浓度值经酸浓度分析器 7后馈给 多变量控制器， 在控制器内部与工艺要求给定的酸浓度值比较 ， 其差值作为控制器模型的 输入值。 测量点一般选择在带钢 4进入酸槽 100的入口处、 出口处和酸洗槽的中间位置。 由 于带钢 4是从入口进入酸洗槽 100， 以一定的速度从出口输出， 因此酸槽 100内部的酸溶液 是从入口向出口方向流动。 三个加酸罐 51、 52、 53是互相连通的， 原酸从三号加酸罐 53中 流入， 在三号加酸罐 53中稀释后分别流向酸槽 100入口处和二号加酸罐 52， 在二号加酸罐 52中再次稀释后分别流向酸槽 100的中间部位和一号加酸罐 51， 在一号加酸罐 51中再次稀 释分别流向酸洗槽 100和废酸罐。 因此三个加酸罐 51、 52、 53之间的酸浓度是互相影响的， 即测量得到的酸浓度值是互相关联的， 表明酸浓度控制器是一个多变量控制器， 参见图 4。

为了能够精确控制生产线酸循环槽 100内部的酸浓度， 本发明通过找出三个测量点的 酸浓度之间的耦合关系， 建立生产线酸循环槽的数学模型， 并进行多变量解耦合计算， 将 多变量控制系统转化为单变量控制系统。 本发明为了建立数学模型， 将图 1冷轧酸洗酸浓 度控制工艺流程图， 结合图 2的冷轧酸洗酸浓度控制装置示意图， 等效为图 3的酸浓度多变 量控制器建模示意图， 根据图 3得到被控对象的数学模型 G^)， 利用 进行多变量控制 器设计。 在多变量控制器设计中釆用奈奎斯特阵列法， 基本设计思想是： 先在被控对象前 面引入一个预补偿器 ^(^， 来减弱各个回路之间的耦合作用， 使系统的开环传递函数矩 阵成为对角优势矩阵， 将整个多变量系统的设计简化为一组单变量系 统的补偿设计； 其次 按照单变量的设计方法， 设计动态补偿器 )。 参见图 4， 图 4为酸浓度多变量控制器原 理图。 经过多变量控制器运算处理后， 计算出控制变量输出给执行机构， 执行机构分别控 制各个加酸罐上的输液泵和输液阔， 对酸循环槽酸浓度进行控制。

一种冷轧酸洗酸浓度控制方法， 其步骤是：

第一步， 建立酸洗生产线上被控对象酸洗槽的多变量数 学模型

参见图 3， 图 3为酸浓度多变量控制器建模示意图， 图中：

α,为第 i个加酸罐的截面积， 已知加酸罐的截面积是均匀的；

h' (t)为在 t时刻加酸罐 i中液面高度；

f, (t)为在 t时刻加酸罐 i到加酸罐 i + 1的流量；

(t)为在 t时刻加酸罐 输出的液体的流量； 为在 t时刻输入到加酸罐 的液体的 流量； 取： 流入加酸罐液体的流速 (1< < 为系统的输入量；

加酸罐的液面高度/ 2,(t) (l< < 为系统的输出量；

加酸罐输出液体的流量 (t)(l < i≤ 为系统的外界干扰量；

于是， 由物理的基本定律， 可以推导出描述该系统的微分方程的一般表达 式:

«, h, if) = q, (t) - d, (t) -/,(/)+ J\— (t)(\≤i≤m) (1) 其中：

令

h _l {t) = h _i0 +x _t {t) (l < < m)

( ,o +",(,) (\≤i≤ m)

d _l (t) = d _l0 +l _l (t) (l≤i≤m) f, (t) = f _i0 + A k ( -χ _Μ ( ] (1≤ ≤ - 1)

其中- h'。 , q'o, ^d 'o， 。分别为 ^ ^J ' )， 的额定稳态值；

X,(t)， _W ,(t),/,(t), c,(t)-X,— ,(t)]，分别为 /2,(t ,(t),i,(t)和 /,(t)相对于额定稳态值的 变化量； β, >0, (l≤i≤m);

于是， 可以得到相对于额定稳态值小偏差微分方程：

(0 = (t) - A ( - A k ( -^( 1 ( 2 )

(ή = ", (0 - (ή-Α [Χ, (0 - {ή] + β>―、 _Μ (0 (2≤i<m- 1)

为了方便， 设干扰 /,(t)(l≤ ≤ )为零。 额定稳态值小偏差微分方程 (2)可以写成:

其中:

…(神 )〖"],

Ό

0 0 0

0 — T o0 o

=8

0 0 T ο 0 0

ΐ

68ΐ丽 ΟΖ OAV 将 ¹ ， A和 C- ¹ 代入式 （5) 得到一般表达式-

描述了加酸罐开环系统的动态特性。

当 m = 3时:

可以得到加酸罐传递函数:

a _x a ₂ a^s + α ₃ Α («ι + α ₂ ))s ² +{β ₂ + \^\ ^a 2 ^s + A ( ^α \ + ^α ι )) ^s

其中： ^，^是三个加酸罐的截面积， 三个加酸体积相同， =^ =« ₃ =1.8 =0.5;A=0.36是工艺允许的加酸流量的偏差量， 代入式 （7)， 则 .86

第二步： 根据第一步得到的数学模型 G^)设计预补偿器传递函数矩阵^: ^^， 使得 (^(^)成为对角优势矩阵,参见图 4和图 5， 图 4为酸浓度多变量控制器原理图， 图 5为奈 氏阵列法设计流程示意图； 步骤如下-

1)运行绘制 格稀高林带的软件（该软件市场上有售， 是现有技术）， 在软件弹出 的界面中输入数学模型 输入完成后点击运行， 在界面上得到附有格稀高林带的奈氏 图， 使得^ (^成为对角优势矩阵；

2)利用对角优势化软件（该软件市场上有售， 是现有技术）， 计算出预补偿器传递函 数矩阵 » _:

-82.0325 67.2212 0

66.3421 -18.2674 55.9562 (9)

0 57.3965 -17.5638 绘制出 /^(^G (^的格稀高林带， 得到补偿后的开环系统已经达到对角优势。 第三步， G (^单回路补偿设计。 由于 已经达到对角优势， 因此可以采用单 变量的设计方法设计对三个单回路进行补偿设 计。 根据生产工艺要求， 酸浓度的超调量要 小， 暂态响应过程要短， 闭环稳态误差为零。 所以取 ^^ 为！^调节器。 通过几次 参数凑试， 得到-

, 0.0078 , 0.0021 , 0.0038

K _c (s)=diag 1 + 1 + 1 + (10) s s s

第四步， 绘制 附有格稀高林带的奈氏图。 根据奈氏稳定判据， 保证闭 环系统稳定， 酸浓度反馈增益 取值： /i =(0.82) _{; 2} =(0.78)； / ₃ =(0.89)。 为了使系 统有较大的稳定裕度， 酸浓度反馈增益 E( 取-

F(s) = diag[l.5 1.5 1.5]。 （11) 第五步， 调整酸浓度反馈增益 F(s)。 作闭环系统的阶跃仿真曲线， 调整酸浓度反馈增 益 F(s)， 完成多变量闭环控制系统设计。 完成后的闭环控制系统框图如图 6所示。

第六步，闭环控制系统仿真。通过现有的仿真 软件可以得到系统的单位阶跃响应曲线， 调整系统参数： 包括输入参数设定值、 预补偿器传递函数矩阵 ^ )、 动态补偿器传递函 数矩阵 和酸浓度反馈增益/ ， 使各个主通道没有超调现象， 满足系统的稳态误差 和响应速度要求。

本发明的冷轧酸洗酸浓度控制方法中的主要创 新点最终归结为对于酸浓度多变量控 制器模型中各参数的确定， 参数包括被控制对象加酸罐传递函数矩阵 G^)、 预补偿器传递 函数矩阵 : _P )、动态补偿器传递函数矩阵 i^ )和酸浓度反馈增益 多变量控制器运 算器， 酸浓度多变量控制器的参数确定后的闭环控制 系统框图参见图 6。

通过三个酸浓度测量装置测量得到生产线上酸 槽内酸溶液的实际酸浓度值， 经酸浓度 分析器后馈给多变量控制器， 在多变量控制器内与工艺要求给定的酸浓度值 比较， 其差值 作为多变量控制器模型的输入值； 经过多变量控制器运算处理后， 计算出控制变量输出给 执行机构， 执行机构分别控制各个加酸罐上的输液泵和输 液阀， 对酸循环槽酸浓度进行控 制。

以上仅为本发明的较佳实施例而已， 并非用于限定本发明的保护范围， 因此， 凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范 围之内。