热连轧轧后冷却的重要目的是为了改善钢材最终的组织状态,提高钢材性能。本文结合常规轧后冷却(层流冷却)系统的优化和新一代轧后冷却(超快速冷却+层流冷却)系统的研发,对冷却过程中的换热机理,温度场解析模型等理论模型以及带钢在各种冷却策略下的温度变化规律等工艺过程进行系统研究。分析和研究轧制速度对轧后冷却过程的影响,并设计升速轧制条件下轧后冷却前馈控制算法；根据冷却工艺的需要开发冷却路径控制策略,并应用基于Smith预估器的反馈控制算法和基于案例推理技术的长期自学习方法以提高轧后冷却过程的温度控制精度。在此基础上,开发了轧后冷却控制系统并应用于现场生产中,取得良好控制效果。主要研究内容如下：(1)对轧后冷却过程的理论模型进行深入研究。空冷时,带钢主要以辐射换热和对流换热的方式向环境散失热量。基于斯蒂芬—波尔茨曼定律,推导出了辐射换热的等效换热系数(即辐射换热系数)的计算公式；基于边界层理论,认为带钢空冷对流换热过程为外掠等温平板的换热过程,推导出了空冷对流换热系数的计算公式。基于射流冲击换热和沸腾换热理论,深入研究和分析了超快速冷却和层流冷却的冷却机理。根据轧后冷却过程中导热微分方程及其初始条件和边界条件,利用有限差分实现对带钢内部温度场的解析计算。分别对层流冷却过程、超快速冷却过程以及二者复合冷却过程中带钢温度变化规律进行了研究。分析了集管排布形式对带钢温度变化的影响,获得了各种冷却策略下带钢温度变化特点。(2)研究热连轧过程中轧制速度制度及其对轧后冷却过程的影响,并设计高精度的轧后冷却前馈控制算法。为了提高产量和保证终轧温度,现代热连轧一般采用升速轧制工艺,给轧后冷却的控制带来一定难度。为了保证轧后冷却的温度控制精度,对带钢进行分段控制,并对每个样本段进行精确设定和跟踪。根据TVD(Time-Velocity-Distance)曲线,计算带钢样本在各冷却区(集管组)下的运行速度和时间,并根据实测终轧温度和厚度等参数对即将进入冷却区的样本进行动态设定计算。如果预报带钢速度与实测速度偏差较大,则首先对TVD曲线进行修正,并修正带钢样本在各冷却区下的速度,然后采用修正后的速度对即将进入冷却区的样本进行动态设定计算,同时对处于冷却区的样本进行再设定计算,以补偿由于轧制速度的变化对轧后冷却温度控制造成的影响。(3)开发基于超快速冷却的冷却路径控制策略并应用在现场中。根据冷却工艺的需要,开发了以各个冷却阶段的终冷温度和冷却速度为控制目标的冷却路径控制策略,并以双相钢的工业试制为例,实现了冷却路径控制策略的现场应用,为新钢种开发和冷却工艺优化提供了强有力的技术手段。(4)采用基于Smith预估器的反馈控制算法以提高反馈控制的精度。轧后冷却控制系统是一个典型的大滞后系统,基于PID控制器的常规反馈控制有时很难达到理想的控制效果。推导出了基于Smith预估器的反馈控制算法的显式表达式,并应用在现场中。实际应用表明,当卷取温度偏离目标值时,基于Smith预估器的反馈控制能够较快稳定地将卷取温度调节到要求的范围内,保证了剩余带钢的卷取温度控制精度。(5)采用案例推理技术研究了轧后冷却数学模型中的长期自学习系数的确定方法。基于现场大量生产数据,从如何有效利用经验知识入手,通过案例构造、案例检索、案例重用或修正等案例推理技术对轧后冷却模型中的长期自学习系数进行决策。现场应用表明,对于轧制较多的钢种规格,该方法能够显著提高换规格后第一块带钢的头部温度设定精度。(6)建立轧后冷却控制系统。介绍轧后冷却控制系统的结构,以及基础自动化和过程自动化控制系统的具体功能。针对基于C/S架构模式的轧后冷却报表系统配置繁琐、维护和升级困难等问题,根据实际需要开发了基于B/S三层架构的轧后冷却报表系统,取得良好应用效果。本文的研究成果成功应用于常规轧后冷却过程和新一代轧后冷却过程中,实现了轧后冷却过程的高精度控制,并且能够满足不同钢种不同冷却工艺的要求,为企业创造了明显的经济效益。