加熱爐溫度控制系統模糊智能實現

1.簡介

??????目前萊鋼1500中寬帶加熱爐存在的主要問題是加熱溫度不均，加熱能力不足?，F在兩座加熱爐實際加熱能力300～450t/h,低于設計能力480～520t/h（冷坯～熱坯）。板坯爐間溫差25-35℃，同板溫差20-45℃。而國內同類生產線加熱質量指標是，板坯爐間溫差≤15℃，同板溫差≤15℃。通過深入調研發現引進的斯坦因加熱爐控制系統設計思想與萊鋼現有的工況條件不能完全吻合，加之現場軋鋼節奏的頻繁改變，不能滿足現有工況條件的變化，并且在實際生產過程中缺少必要的統計分析數據和現場檢測手段。產量計劃、加熱鋼種、尺寸、坯料入爐溫度、待（停）軋時間、開軋溫度變化時，均需一段時間使得加熱爐溫度緩慢提升，以避免對整個煤氣系統的強烈沖擊，但由于現場節奏的提升，操作人員不能等到溫度的緩慢上升，更不能及時準確的調整加熱策略，同時受人為因素（經驗、責任心、白、夜班）的影響，以及四班、個人操作不統一，空燒時間長，最終會造成爐溫、鋼溫波動，加熱質量差，單位燃耗高，鋼坯氧化燒損多，產品質量穩定性差。所以斯坦因程序不能適應寬帶加熱爐的實際生產情況。因此，在加熱爐控制系統中引入模糊控制理論，簡化原程序，使之適應寬帶實際生產需求。

2.加熱爐采用的控制實現

??????爐體由下述各加熱區構成；預熱區；加熱區；保溫段。各區由燃燒燃氣與空氣加熱。可燃氣流按數個控制回路中的設定值進行調節。圖1為加熱控制示意圖：

3.?傳統PID控制

??????傳統調控裝置的輸出信號形式如下：

??????其中：

??????Kp???-比例增益

??????Ti????-積分時間

??????Kp與Ti?為內PI參數，由操作員調節一次。輸出信號u（t）按下式轉換成加熱需求：　　　

??????其中：a,b=常數。

??????此值不會超過所定限值。?y?值用于確定燃氣閥開啟控制回路的設定值。?y1?值（空氣流量控制回路）系用?y?值計算得到的，其用途是為保持規定時間間隔內的空氣／燃氣比率。此兩種回路是用交叉控制方式裝配的，其目的是為檢查此一比率。直接控制工藝流程的信號是從這兩個控制回路發出的，其名稱為：Q燃氣（燃氣流率）與Q空氣（空氣流率）。

??????本系統在狀態穩定時運行良好。但是，下述因素都可干擾工藝過程：

??????（1）生產延時（有計劃或無計劃），因不但在生產起始時會觸發瞬態而且在延時起始時亦將觸發瞬態燃氣流的急劇開關。

??????（2）生產變更-這意味著不同類型的產品依次進入爐子，也就是形成不同的加熱需求。

??????（3）爐內產品重量變更調步。

4.?改進的模糊控制

???????將模糊控制引入加熱爐智能控制系統。原調節控制回路不能超越工藝過程復雜性與不確定性的限制，比例積分調控裝置（PI）不能正確控制工藝過程的發展。生產變更中的干擾，調步變化、產品（類型、尺寸、數量）、使用不同的生產方式（短延時、長延時、低火焰）等因素都造成轉換，而這在原調控中是沒有進行周密考慮的。通過工藝過程的傳遞函數和操作人員的現場經驗，獲取成套工藝過程比例積分微分調控裝置（PID）系數。用標準調整算式計算調控裝置的系數，使工藝過程數學模型的參數與調控裝置的參數相結合，與操作工的經驗參數相結合，實現?PI參數的可調節控制，找到可以兼顧調節回路控制的快速與精確的平衡點，滿足寬帶鋼不同的生產節奏的要求。

??????使用模糊管理程序，調控裝置按實際運行確定的傳統PI（比例積分）參數。從系統觀察、經驗與過程認識中析取數據，形成模糊邏輯管理程序特殊數據庫，模糊邏輯塊確定并適應比例積分調控裝置按輸入值確定的必要變更。

??? 系統示意圖如圖2：

??????模糊調控為監控級調控，調控時將聯機計算比例積分微分調控裝置的參數，該調控裝置是用于測定標準控制回路溫度的。所考慮的變量為設定值；所測溫度；所測定的、在規定時間步內的溫度變量；瞬時區域負荷；實際定步值。

???????模糊控制級僅用簡單的開／關指令就可以連通或斷開。如果斷開模糊控制級，比例積分微分參數就為按傳統方式調定的缺省值。

??????為確保正常運行，模糊邏輯控制器需要數據為用模糊子集描述的輸入變量；誤差；所測溫度的動力學數據；該區段產品的重量；實際定步速度；模糊子集描述的輸出；比例增益：Kp;積分時間：Ki；類型規則。

??????模糊程序塊原理模式圖如圖3：

??????模糊控制器有兩種模式:“穩態模式”與“瞬態模式”。當測定值與設定值差距不大時，我們就認為系統處于穩定狀態（模糊推理）。在穩定狀態時，Kp與Ki的調整是通過溫度誤差完成的。當誤差過大時，我們就認為系統就進入瞬態。在此種場合，有必要動態地控制所測定的溫度，以便與爐子的響應一致。工作模式的轉變由模糊斷續器完成，這將確保從一種模式向另一種模式的平衡轉變。通過這些模式，我們可得到Kp與Ki的初始值。在第2個模式組中，將對這些數值進行調整，同時還將計算實際工作條件函數中的Kp與Ki偏差（重量與定步速度）。最后，將用加總穩態與瞬態模式組的中間結果。

5.結論

?????采用模糊控制使系統控制更加可靠穩定，溫度誤差得到明顯減少，取得了極佳控制效果，為后續軋制工序提供了保證，減少了堆鋼，大大提高了提高了經濟效益。