型鋼加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

1、 加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究摘 要加熱爐是一個(gè)典型的復(fù)雜的工業(yè)被控對(duì)象，它很顯著地具有多變量，時(shí)變，非線性，強(qiáng)藕合，大慣性和純滯后等特點(diǎn)，而且由于爐溫分布難以測(cè)量，外界擾動(dòng)因素多，很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確建模和控制。并且，隨著工藝要求的日益提高，以前的傳統(tǒng)控制方法己經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的社會(huì)需求。本設(shè)計(jì)將對(duì)加熱爐控制的關(guān)鍵問(wèn)題：燃燒控制、溫度控制以及空燃比優(yōu)化等進(jìn)行研究，因此，本設(shè)計(jì)主要涉及以下幾點(diǎn)：1.采用爐溫-燃燒串級(jí)控制方式實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。2.在現(xiàn)有幾種燃燒控制方法的基礎(chǔ)上，提出了雙邊限幅控制。3.提出了變空燃比的控制。4.運(yùn)用matlab軟件對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析。關(guān)

2、鍵詞：加熱爐；爐溫-燃燒串級(jí)控制；雙邊限幅控制；仿真the design and simulation of furnace temperature control systemabstractfurnace is atypical industrial complex object, it is notable to have a multi-variable, time-varying, nonlinear ,strong coupling, and the inertial characteristics of pure delay, and because the temperatur

3、e of furnace is difficult to measure, external disturbance factors, it is difficult to accurately modeling and control. and, with the increasing requirements of the process, the traditional control method has been unable to meet the current needs of the community. the design relates mainly to the fo

4、llowing points: 1. using combustion temperature cascade control method of temperature control.2. several of the existing combustion controlling methods on the basis of bilateral limiting controlled.3. change of the air-fuel ratio control.4. using matlab software on the temperature control system for

5、 a more comprehensive simulation and performance analysis. key words: furnace; combustion temperature cascade control; bilateral limiting control; matlab simulation 目 錄摘 要iiabstractiii第一章 緒論11.1概述11.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀11.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容21.4小結(jié)3第二章 加熱爐工藝及難點(diǎn)分析4.21加熱爐工藝流程42.2燃燒機(jī)理分析52.3加熱爐工藝要求72.3.1爐膛溫度72.3.2燃燒過(guò)程82.3.3爐膛壓力

6、82.3.4送風(fēng)管總壓力92.4加熱爐難點(diǎn)分析92.4.1被控對(duì)象特性92.4.2加熱爐控制難點(diǎn)102.5小結(jié)11第三章 加熱爐控制系統(tǒng)123.1加熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.2爐溫-燃燒串級(jí)控制133.2.1串級(jí)控制特點(diǎn)133.2.2爐溫-燃燒串級(jí)控制分析143.2.3主回路溫度控制策略選擇143.3常規(guī)模糊控制器結(jié)構(gòu)分析153.3.1控制器基本結(jié)構(gòu)153.3.2量化因子對(duì)控制器性能的影響173.3.3模糊推理183.4溫度模糊控制器設(shè)計(jì)203.4.1控制器參數(shù)確定203.4.2控制器具體設(shè)計(jì)方法223.5小結(jié)26第四章 燃燒控制策略研究274.1燃燒副回路的控制目標(biāo)274.2基于穩(wěn)定空燃比的

7、燃燒控制策略284.2.1單回路控制原理284.2.2串級(jí)比值控制原理284.2.3單邊限幅控制原理304.2.4雙邊限幅控制原理324.3加熱爐爐溫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析364.3.1單回路控制仿真結(jié)果分析374.3.2串級(jí)比值控制仿真結(jié)果分析394.3.3單邊限幅控制仿真結(jié)果分析404.3.4仿真結(jié)果分析比較424.3.5雙邊限幅控制仿真結(jié)果分析434.4小結(jié)44第五章 加熱爐爐溫模糊控制系統(tǒng)仿真465.1對(duì)象模型的建立465.2模糊控制器仿真475.3加熱爐爐溫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析485.3小結(jié)50參考文獻(xiàn)51附 錄52致 謝53第一章 緒論1.1概述隨著科技的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境面對(duì)著巨

8、大的挑戰(zhàn)。不可再生能源的枯竭，現(xiàn)代工業(yè)能源利用過(guò)低，環(huán)境污染嚴(yán)重，使人們意識(shí)到我們面對(duì)著一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了解決如今所面對(duì)的問(wèn)題，我們可以從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行改革。第一：尋求新的能源，探索世界未知領(lǐng)域是當(dāng)今科學(xué)研究的主流；第二提高工業(yè)能源的利用率、保護(hù)環(huán)境，沿著可持續(xù)發(fā)展的路線走下去是現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)務(wù)之急必須采取的改革措施。對(duì)于一個(gè)鋼鐵冶金企業(yè)來(lái)說(shuō)，能用最低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是其最重要的生產(chǎn)目標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)企業(yè)利潤(rùn)最大化的必由之路。隨著世界能源危機(jī)的逐漸加劇，各個(gè)國(guó)家都在加緊研究工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗問(wèn)題，作為能耗大戶的鋼鐵冶金行業(yè)對(duì)于節(jié)能降耗問(wèn)題起到了舉足輕重的作用，這個(gè)占整個(gè)冶金工業(yè)能耗四分之

9、一強(qiáng)的加熱爐能耗問(wèn)題走到了首當(dāng)其沖的位置，加熱爐節(jié)能降耗的問(wèn)題對(duì)于鋼鐵冶金企業(yè)的意義重大。加熱爐是熱軋生產(chǎn)過(guò)程的重要熱工設(shè)備，其能耗占到鋼鐵工業(yè)總能耗的25%,而其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡(jiǎn)單的人工控制或者通過(guò)電子儀表進(jìn)行手工電動(dòng)操作，這種操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對(duì)操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問(wèn)題的日益急迫，急需對(duì)加熱爐之類的工業(yè)爐窯實(shí)行自動(dòng)優(yōu)化控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低對(duì)環(huán)境的污染。因此，提高加熱爐控制水平，建立良好的爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀早在60年代初，世界上許

10、多國(guó)家如美國(guó)、前蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)家已開始研究加熱爐的優(yōu)化策略。最初，加熱爐控制一般采用常規(guī)儀表。由于受到常規(guī)儀表功能限制，很難組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展、成熟,使得加熱爐控制應(yīng)用復(fù)雜、先進(jìn)的控制策略成為可能。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步取代常規(guī)儀表，在加熱爐中得到應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也極大的促進(jìn)了控制策略的進(jìn)一步發(fā)展。日本是最早將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入加熱爐生產(chǎn)過(guò)程的國(guó)家之一，而且發(fā)展迅速。隨后，其它國(guó)家如英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、前蘇聯(lián)等也分別在六七十年代將計(jì)算機(jī)引入加熱爐生產(chǎn)過(guò)程。我國(guó)是從八十年代初期開始對(duì)加熱爐生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究，雖然起步較晚，但目前在控制

11、理論和關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方而作了大量工作。我國(guó)軋鋼企業(yè)的加熱爐很多，大型現(xiàn)代化爐子都配備了計(jì)算機(jī)監(jiān)控或控制系統(tǒng)，進(jìn)行了不同層次的控制，絕大多數(shù)控制系統(tǒng)以燃燒控制為主，有的控制系統(tǒng)具有優(yōu)化功能，而高級(jí)控制系統(tǒng)雖有研究但應(yīng)用還較少2?？傊?，我國(guó)的理論研究雖已趕上國(guó)際水平，但國(guó)內(nèi)加熱爐的控制水平與先進(jìn)國(guó)家相比還存在較大的差距，還有許多處于手工操縱階段。1.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)源于鋼鐵公司三段式推鋼側(cè)出加熱爐，燃料采用高爐焦?fàn)t混合煤氣。在參照相關(guān)理論的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了該加熱爐控制系統(tǒng)，包括加熱爐內(nèi)的爐溫燃燒串級(jí)控制、單邊限幅燃燒控制、雙邊限幅燃燒控制。很好地抑制了處于副環(huán)（煤氣熱值和壓力的波動(dòng)、

12、生產(chǎn)率的改變及爐內(nèi)參數(shù)的變化等）的干擾因素對(duì)加熱爐運(yùn)行的影響；同時(shí)高效的利用了能源和降低了環(huán)境的污染；提高了爐溫控制的快速性，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃燒過(guò)程的有效控制。具體來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)主要完成了以下幾個(gè)方面的工作: （1） 查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)國(guó)內(nèi)、外加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀作了詳細(xì)的綜述，指出了加熱爐控制存在的問(wèn)題和系統(tǒng)研究的意義。（2）對(duì)加熱爐的核心技術(shù)燃燒機(jī)理進(jìn)行了深入研究，闡述了燃燒效率與空燃比的關(guān)系。并且從工藝角度對(duì)加熱爐中關(guān)鍵技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，分析了加熱爐控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。（3）采用爐溫燃燒串級(jí)控制方式實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。詳細(xì)分析各段不同的升溫特性，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了爐溫模糊控

13、制器。（4）運(yùn)用matlab軟件對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析。1.4小結(jié)本章從節(jié)能、環(huán)境和出鋼品質(zhì)問(wèn)題入手，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，提出了改造加熱爐爐溫-燃燒控制系統(tǒng)的問(wèn)題。同時(shí)，基于國(guó)內(nèi)加熱控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和加熱爐本身的特性，本設(shè)計(jì)提出了三點(diǎn)：（1）從節(jié)能和環(huán)境問(wèn)題入手對(duì)燃燒控制系統(tǒng)提出了雙邊限幅控制。（2）從出鋼的品質(zhì)要求、加熱爐本身的大慣性和純滯后等特性、隨機(jī)因素干擾多等問(wèn)題入手對(duì)爐溫控制系統(tǒng)提出了串級(jí)控制。（3）將模糊控制與傳統(tǒng)pid相結(jié)合將有效的提高系統(tǒng)的魯棒性，改善pid的不足。燃燒控制系統(tǒng)和爐溫控制系統(tǒng)不是獨(dú)立的，沒(méi)有燃燒控制又何從談爐溫控制；只談燃燒控制而沒(méi)有爐溫控制又有何

14、意義。即燃燒控制決定了爐溫控制，爐溫是燃燒控制的一個(gè)重要的外在表象。則燃燒控制和爐溫控制是相互聯(lián)系相互影響的，在本設(shè)計(jì)中它們是處于一個(gè)大系統(tǒng)中的，即爐溫-燃燒串級(jí)控制系統(tǒng)。因此，節(jié)能、環(huán)境和出鋼品質(zhì)問(wèn)題是一個(gè)有待整體解決的問(wèn)題。第二章 加熱爐工藝及難點(diǎn)分析.21加熱爐工藝流程加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度3。在此溫度下進(jìn)行軋制既能保證燃料的合理利用又能使產(chǎn)品達(dá)到需要的品質(zhì)。 圖2.1 加熱爐結(jié)構(gòu)圖此加熱爐為三段式（即預(yù)熱段、加熱段、均熱段）端進(jìn)側(cè)出加熱爐，沿爐長(zhǎng)方向分為預(yù)熱段、ii 加熱段、i 加熱段和均熱段，如圖2.1所示。預(yù)熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來(lái)預(yù)熱爐中的鋼坯，從而提高

15、燃料的利用率，為了把鋼坯加熱到目標(biāo)溫度，加熱爐以高爐焦?fàn)t混合煤氣為燃料，分成五個(gè)控制區(qū)域?qū)訜釥t的燃燒過(guò)程和爐溫進(jìn)行控制，即預(yù) 熱段區(qū)，并將 i 加熱段和ii均熱段各分成上、下兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)控制，分別設(shè)置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控制器，預(yù)熱段內(nèi)由于沒(méi)有設(shè)置燒嘴而不參與控制4。為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然要求對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的控制使其保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過(guò)高既不必要且又導(dǎo)致鋼坯過(guò)多燒損和能源浪費(fèi)，甚至造成粘鋼的嚴(yán)重事故。過(guò)低則會(huì)使軋機(jī)軋制困難而影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量和軋機(jī)的使用壽命。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。另外，不同種類的

16、鋼坯對(duì)爐內(nèi)的氣氛有不同的要求， (這里氣氛主要是指氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定)如果氧化氣氛過(guò)重，會(huì)使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費(fèi)材料，而且嚴(yán)重的還會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。如果還原氣氛過(guò)重，不僅白白浪費(fèi)大量燃料，同時(shí)還污染了空氣，可見(jiàn)，燃燒過(guò)程是影響加熱爐系統(tǒng)的關(guān)鍵。2.2燃燒機(jī)理分析燃燒過(guò)程是燃料（固體、氣體、液體或者它們的混合燃料）的氧化過(guò)程，而氧化反應(yīng)生成的熱正是我們所需要的熱量。當(dāng)燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低并不由燃料數(shù)量的多少來(lái)決定，而取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過(guò)量。同時(shí)，從安全角

17、度考慮，空氣不足也會(huì)使燃料在爐子中聚集起來(lái)，而一點(diǎn)燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過(guò)程一般都是在空氣過(guò)量的情況下進(jìn)行的。但是空氣中的氮?dú)獠粌H不參與燃燒，而且還要起一種稀釋作用，從而降低了火焰的溫度，由此可見(jiàn)，在實(shí)際工況中，最高火焰溫度是發(fā)生在空氣微過(guò)量的情況下。根據(jù)熱力學(xué)的原理，輻射的能量與火焰絕對(duì)溫度的四次方成正比，所以爐子的最高效率總是在火焰溫度最高的情況下才能出現(xiàn)5。圖2.2 燃燒系統(tǒng)評(píng)估因素圖2.2表示了空氣過(guò)剩率與燃燒效率及污染之間的關(guān)系，可以看出，燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量跟空氣過(guò)剩率有很大的關(guān)系。同時(shí)，空氣過(guò)剩率還可以用空氣和燃?xì)獾呐浔?，即空燃比?lái)描述：設(shè) 為剩余空氣系數(shù)，r 為空燃比。其定義如

18、下: （2-1） （2-2）可知空燃比r 與剩余空氣系數(shù) 的關(guān)系為： （2-3） （2-4）為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。和分別為空氣流量的測(cè)量值和最大值。和分別為燃料流量的測(cè)量值和最大值。為理論空氣修正系數(shù)。從圖2.3可以看出，當(dāng) 為1時(shí)，是理論上達(dá)到合理空燃比所需要的空氣量；但在實(shí)際中， 1和1 1.02分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣過(guò)剩燃燒區(qū)域，在這兩個(gè)燃燒區(qū)中，會(huì)有不完全燃燒現(xiàn)象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會(huì)產(chǎn)生大量的黑煙，污染大氣。但是如果處于高過(guò)剩空氣燃燒區(qū)，即當(dāng) 1.10時(shí)，由于過(guò)多的過(guò)剩空氣，不但使出鋼時(shí)鋼坯表面的氧化鐵皮

19、增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過(guò)低，同時(shí)，過(guò)多的ox會(huì)使nox和sox增加，對(duì)環(huán)保也不利。因此，在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中，空氣過(guò)剩率設(shè)定在過(guò)剩空氣燃燒區(qū)1.02 1.1是最佳的燃燒方案，在此燃燒區(qū)域內(nèi)，可以得到如下的經(jīng)濟(jì)效果：（1）燃燒效率最高，綜合的熱損失最小，達(dá)到節(jié)能的目的。（2）減少燃燒空氣量和排風(fēng)量，節(jié)省風(fēng)機(jī)的動(dòng)力費(fèi)用。（3）既能避免黑煙的出現(xiàn)，又降低 no x的生成，減少空氣污染。（4）降低 sox 的生成，防止設(shè)備腐蝕，延長(zhǎng)了爐齡。（5）減少灰分，使除塵器小型化并節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。2.3加熱爐工藝要求加熱爐系統(tǒng)非常復(fù)雜，很多系統(tǒng)相互影響，為了達(dá)到工藝水平，

20、保證出鋼的質(zhì)量，對(duì)以下幾個(gè)部分做出了相應(yīng)的要求：爐膛溫度、煤氣和空氣流量(燃燒過(guò)程) 、爐膛壓力、送風(fēng)總管壓力等6。2.3.1爐膛溫度 在加熱爐系統(tǒng)中，爐溫的高低直接決定鋼坯的溫度。如果爐溫偏低，導(dǎo)致鋼坯溫度偏低，鋼坯軟度不夠?qū)?huì)損壞軋鋼機(jī)；如果爐溫偏高，鋼坯會(huì)在加熱爐中發(fā)生粘結(jié)，因此，對(duì)爐膛的溫度范圍有較高的要求。爐膛溫度是個(gè)復(fù)雜的被調(diào)量，受到很多因素的干擾，如各段之間溫度的相互影響，冷鋼進(jìn)入加熱爐導(dǎo)致的溫度降低，預(yù)熱空氣溫度的波動(dòng)，爐膛壓力的變化。對(duì)于爐膛溫度，我們的要求是，當(dāng)加熱爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定不變時(shí)，噴入爐內(nèi)的煤氣流量也能恒定不變；而當(dāng)爐溫受到外界擾動(dòng)作用偏離給定值時(shí)，則煤氣流量又必須作

21、相應(yīng)地變化，以使熱能的供需達(dá)到新的平衡，從而保持爐內(nèi)溫度恒定不變。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，必須要保證響應(yīng)的快速性和較高的魯棒性。2.3.2燃燒過(guò)程 燃燒的基本條件是燃料和空氣，通過(guò)燃燒器將燃料和空氣充分混合是燃料完全燃燒的關(guān)鍵，根據(jù)對(duì)燃燒機(jī)理的剖析，為了節(jié)能和保護(hù)環(huán)境，不管是在燃燒穩(wěn)定的狀態(tài)下還是在過(guò)渡狀態(tài)下，都必須將空氣流量和燃料流量的空燃比控制在正常值上。在通常的燃燒系統(tǒng)中，常常是根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)給出操作中應(yīng)遵循的空燃比要求，然后在燃燒中保持此空燃比，同時(shí)穩(wěn)定爐溫在設(shè)定范圍內(nèi)。但是加熱爐中使用的燃料性能不高，燃料的熱值的慢時(shí)變是不可避免的，當(dāng)燃料的熱值變化較大時(shí)，繼續(xù)保持預(yù)先設(shè)定的空燃比就沒(méi)有意義

22、了。這就意味著燃燒控制系統(tǒng)要根據(jù)燃料的具體情況使燃燒狀況符合一定的要求，在這種情況下如果仍然人為設(shè)定為一固定的空燃比顯然是無(wú)法使燃燒保持最優(yōu)的，所以，在要求較高的燃燒系統(tǒng)中最好具備動(dòng)態(tài)優(yōu)化空燃比的功能。因此，燃燒過(guò)程應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求: 7（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設(shè)定的空燃比實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。（2）在工藝要求和外界干擾的情況下，空燃比設(shè)定值能在線優(yōu)化。2.3.3爐膛壓力爐膛壓力是保證加熱爐良好燃燒狀況的一個(gè)重要因素，只有爐膛壓力適當(dāng)，才能保證燃燒的效果，對(duì)出鋼質(zhì)量有很大影響。以均熱段的爐膛壓力檢測(cè)點(diǎn)為準(zhǔn)。當(dāng)均熱段的爐膛壓力過(guò)高時(shí)，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴，造成很大一部分熱損失。當(dāng)然，均熱

23、段的爐膛壓力也不能過(guò)低，尤其是當(dāng)出現(xiàn)負(fù)爐壓時(shí)，冷空氣通過(guò)爐門、爐襯裂縫以及其他開口進(jìn)入爐內(nèi)，這些漏入的冷空氣不僅會(huì)降低爐膛溫度，而且由于其必須被加熱到爐溫后才能排除，這樣造成了燃燒系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費(fèi)大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來(lái)很大的麻煩，是絕對(duì)不允許的?？梢?jiàn)，這兩種情況對(duì)爐內(nèi)熱工過(guò)程均不利。從工藝設(shè)計(jì)上，煙道口的排煙閥功能是用來(lái)調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時(shí)，煙道閥門的開度大小適當(dāng)。而在爐內(nèi)壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，根據(jù)爐膛壓力檢測(cè)結(jié)果，改變爐壓調(diào)節(jié)器的輸出，即通過(guò)煙道閥門開度的大小，改變排煙量來(lái)獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上，以維持爐內(nèi)微正壓。2.3.4送風(fēng)管總

24、壓力為了保證燃燒充分，要使燒嘴噴出的煤氣和空氣有一定的速度且能充分混合，就必須使供風(fēng)壓力達(dá)到一個(gè)合理的值。因此，要保證爐溫控制的順利進(jìn)行，必須對(duì)送風(fēng)總管的壓力進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。同時(shí)，供風(fēng)壓力必須和當(dāng)前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調(diào)節(jié)的靈敏度。若煤氣壓力過(guò)低，必須相應(yīng)調(diào)低供風(fēng)壓力，使得空氣閥門和煤氣閥門調(diào)節(jié)行程大致相同，否則，空氣壓力過(guò)高，空氣閥門的微小動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致剩余空氣過(guò)多。反之，若煤氣壓力過(guò)高，也要相應(yīng)提高供風(fēng)壓力，使得流量的調(diào)節(jié)更為準(zhǔn)確，以免在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)黑煙。2.4加熱爐難點(diǎn)分析2.4.1被控對(duì)象特性加熱爐難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述其特性，是具有大慣性、時(shí)變性、嚴(yán)重非線性等特性的對(duì)象，

25、其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受許多干擾因素的影響，燃料的發(fā)熱值又很難在線準(zhǔn)確測(cè)量，且爐內(nèi)參數(shù)多變。因此，一般線性調(diào)節(jié)器不能滿足對(duì)象及工藝控制的要求，而對(duì)于燃燒控制系統(tǒng)，采用pid算法雙交叉限幅效果較好。從上述可歸納出被控對(duì)象有以下特性8:（1）系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性；（2）系統(tǒng)滯后的未知性和時(shí)變性；（3）系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性；（4）系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性；（5）環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。由此可見(jiàn)，加熱爐系統(tǒng)是具有不確定性的復(fù)雜控制對(duì)象。2.4.2加熱爐控制難點(diǎn)我國(guó)的加熱爐自動(dòng)化系統(tǒng)，大多還處于第1代的水平，只有10%左右用上了第2代plc/dcs系統(tǒng)9。由于加熱爐復(fù)雜的工藝對(duì)象特性以及檢測(cè)

26、/驅(qū)動(dòng)設(shè)備較差，給加熱爐實(shí)施全面自動(dòng)控制帶來(lái)種種困難。具體表現(xiàn)在:（1）工藝粗糙復(fù)雜首先，加熱爐是一個(gè)復(fù)雜對(duì)象。鋼坯加熱爐一般是多段式復(fù)合結(jié)構(gòu)，分段加熱，各段之間溫度相互影響。其燃燒升溫過(guò)程是一個(gè)典型的具有時(shí)變性、非線性、滯后性等特性的過(guò)程。要描述爐內(nèi)熱交換機(jī)理除包括有關(guān)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的關(guān)系式外，還有很多不確定因素。因此，要以數(shù)學(xué)方法建立加熱爐這種復(fù)雜、粗糙對(duì)象的模型是十分困難的。其次，燃料波動(dòng)大。由于煤氣是供應(yīng)全廠區(qū)生產(chǎn)，每一處使用都會(huì)對(duì)其他地方產(chǎn)生影響，故壓力波動(dòng)非常大（在該課題中實(shí)測(cè)為2.510kpa）,且混合煤氣的成分也在發(fā)生變化，使煤氣的燃值也發(fā)生變化，進(jìn)而引起爐溫的波動(dòng)。第三是生

27、產(chǎn)節(jié)奏波動(dòng)。由于加熱爐車間是為軋鋼生產(chǎn)線服務(wù)的從屬車間，故軋鋼生產(chǎn)線故障及生產(chǎn)節(jié)奏的變化對(duì)加熱爐生產(chǎn)影響較大，造成加熱生產(chǎn)節(jié)奏經(jīng)常波動(dòng)。（2）檢測(cè)/驅(qū)動(dòng)設(shè)備不良檢測(cè)/驅(qū)動(dòng)設(shè)備是加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要設(shè)備，其檢測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、控制信號(hào)能否得到順利執(zhí)行將直接影響到調(diào)節(jié)效果。但目前國(guó)內(nèi)加熱爐大多存在如下問(wèn)題:調(diào)節(jié)閥線性不好，有時(shí)煤氣堵塞，致使控制不靈；有些流量檢測(cè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不好，流量難以計(jì)測(cè)。這些給加熱爐控制帶來(lái)很多困難，造成爐子的大慣性以及閥的非線性，傳統(tǒng)pid難以克服；流量測(cè)量不準(zhǔn)確，雙交叉限幅響應(yīng)速度慢，基礎(chǔ)自動(dòng)化無(wú)法投運(yùn)；數(shù)學(xué)模型雖功能齊全，但由于假設(shè)過(guò)多，與實(shí)際模型相差甚遠(yuǎn)，不能真正投運(yùn)；

28、殘氧檢測(cè)不合實(shí)際，無(wú)法克服熱值波動(dòng)影響，無(wú)法進(jìn)行空燃比尋優(yōu)。2.5小結(jié)對(duì)加熱爐的工藝流程作了簡(jiǎn)單的介紹，最后提出了工藝要求，即爐膛溫度、煤氣和空氣流量(燃燒過(guò)程) 、爐膛壓力、送風(fēng)總管壓力是必須控制的。同時(shí)，對(duì)需要控制的對(duì)象作了介紹，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和明確了工作。特別的介紹了爐溫對(duì)象的特性和期望達(dá)到的控制目標(biāo)；也從多個(gè)方面指出燃燒控制是一個(gè)關(guān)鍵。因而本章為后續(xù)的設(shè)計(jì)思路指明了方向。第三章 加熱爐控制系統(tǒng)3.1加熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)加熱爐工藝的深入分析，最終建立的加熱爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示： 圖 3.1 加熱爐控制系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成11：（1）供風(fēng)壓力單回路

29、pid 控制系統(tǒng)；（2）汽包液位單回路 pid 控制系統(tǒng);（3）爐膛壓力單回路 pid 控制系統(tǒng);對(duì)于爐膛壓力，送風(fēng)總管壓力以及汽包水位，由于被控對(duì)象單一，所以僅需要采用單回路 pid 就能達(dá)到較好的效果。（4）爐溫燃燒串級(jí)控制系統(tǒng)；爐膛溫度和燃燒系統(tǒng)緊密聯(lián)系，溫度控制器輸出量作為燃燒控制器的給定值，而燃燒控制的結(jié)果，空氣流量和燃料流量的配比，直接影響爐膛的溫度高低，從結(jié)構(gòu)上看，二者串聯(lián)在一起，共同影響爐膛溫度。因此，本文選用爐溫-燃燒串級(jí)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱爐爐膛溫度的自動(dòng)控制。3.2爐溫-燃燒串級(jí)控制3.2.1串級(jí)控制特點(diǎn) 所謂串級(jí)控制系統(tǒng)是指一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出用來(lái)改變另一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，兩

30、臺(tái)控制器從結(jié)構(gòu)上看是串聯(lián)在一起的控制系統(tǒng)。串級(jí)控制的特點(diǎn)在于12：（1）改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。（2）由于發(fā)生于副回路內(nèi)部的干擾，通常在它影響主被調(diào)量之前，就被副調(diào)節(jié)器校正了，故具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性能。（3）對(duì)負(fù)荷變化具有一定的自適應(yīng)能力。（4）副回路可以按照主回路的需要對(duì)質(zhì)量流量或能量流量實(shí)施精確控制。3.2.2爐溫-燃燒串級(jí)控制分析 加熱爐的溫度控制一共分為五部分，每一部分單獨(dú)設(shè)置一串級(jí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的自動(dòng)控制。在此系統(tǒng)中，爐溫控制器為主控制器，它的輸出作為副控制器即燃燒控制器的設(shè)定值，通過(guò)燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開度。而煤氣壓力波動(dòng)等變化劇烈的擾動(dòng)包含在

31、副回路當(dāng)中，利用副回路的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能來(lái)抑制這些擾動(dòng)對(duì)爐膛溫度的影響。在穩(wěn)定狀態(tài)下，爐溫控制器和燃燒控制器的輸出都處于相對(duì)穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門的開度也保持不變。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)被破壞時(shí)，爐溫控制和燃燒控制的串級(jí)控制開始作用。（1）煤氣壓力波動(dòng)。當(dāng)煤氣壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會(huì)馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時(shí)不變，即煤氣流量的設(shè)定值不變。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經(jīng)過(guò)副回路的調(diào)節(jié)作用，會(huì)大大削弱它對(duì)爐溫的影響，而此時(shí)爐溫控制器開始工作，不斷改變的副控制器的設(shè)定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，爐溫將很快恢復(fù)到設(shè)定值。（2）爐溫變化

32、。當(dāng)爐溫降低時(shí)，溫度控制器開始動(dòng)作，控制輸出量增大，即煤氣流量設(shè)定值增大，而此時(shí)煤氣實(shí)際流量沒(méi)有變化，煤氣流量控制器輸出增大，閥門增大開度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復(fù)設(shè)定值。可見(jiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動(dòng)等特點(diǎn)的過(guò)程，是一種很好的解決方案，在本章中首先分析爐膛溫度控制器的設(shè)計(jì)方法。3.2.3主回路溫度控制策略選擇 本設(shè)計(jì)對(duì)加熱爐爐溫采用 pid 控制。所謂 pid 控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對(duì)測(cè)量參數(shù)的偏差進(jìn)行運(yùn)算確定輸出量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的方法。當(dāng) p、i、d 三個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳系數(shù)組合， pid 的控制效果是很好的。然而，pid 控制的難點(diǎn)是 p、i、d

33、三者系數(shù)的整定問(wèn)題。方法如下：控制器參數(shù)整定的方法很多，歸結(jié)起來(lái)可以分為兩大類：一類是理論計(jì)算方法，另一類是工程整定方法。本設(shè)計(jì)主要講解工程整定方法，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法13。臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改變，直到過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。此時(shí)的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱臨界周期。衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。不同的是讓過(guò)渡過(guò)程最終呈現(xiàn)4：1衰減振蕩為止。此時(shí)的比例度（s）和振蕩周期（ts）即是我們需要的。因此，在純比例情況下，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等

34、幅振蕩，臨界比例度法就無(wú)法應(yīng)用，而衰減曲線法在此種情況下也同樣能用。因此衰減曲線法應(yīng)用較為廣泛，本設(shè)計(jì)也將使用該方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定，用衰減曲線法4：1衰減振蕩時(shí)，控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如表3.1：表3.1 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式反應(yīng)曲線法在此也不再做介紹。 3.3常規(guī)模糊控制器結(jié)構(gòu)分析3.3.1控制器基本結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.2所示，從圖中可以看出，模糊控制系統(tǒng)與通常的數(shù)字控制系統(tǒng)的主要差別是以虛線框內(nèi)的模糊控制器代替了傳統(tǒng)的控制器19。模糊控制器是模糊控制的核心。一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要是取決模糊控制器的結(jié)構(gòu)，所采用的模糊規(guī)則，合成推理法，以及模糊決策的方法等因素。模糊

35、控制器（fussy controller，fc），也稱為模糊邏輯控制器（fussy logical controller，flc），它是基于模糊語(yǔ)句描述的語(yǔ)言控制規(guī)則，所以又稱為模糊語(yǔ)言控制器（fussy language controller，flc），一般的模糊控制器由四部分組成：模糊化、模糊推理機(jī)、解模糊、知識(shí)庫(kù)。其中模糊推理是模糊控制器的核心部分，同時(shí)模糊量化也是影響控制器性能的關(guān)鍵因素。圖3.2 模糊控制系統(tǒng)原理框圖下面分別對(duì)四部分說(shuō)明。（1）模糊化接口測(cè)量輸入變量（設(shè)定輸入）和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變換為適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊

36、集合的標(biāo)識(shí)符。本單元可視為模糊集合的標(biāo)記。（2）知識(shí)庫(kù)涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)的相關(guān)知識(shí)，它由數(shù)據(jù)庫(kù)和語(yǔ)言（模糊）控制規(guī)則庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)為語(yǔ)言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要的定義。語(yǔ)言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗?。?）推理機(jī)推理機(jī)是模糊控制系統(tǒng)的核心。以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通過(guò)模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來(lái)獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過(guò)程。根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出。（4）模糊判決接口模糊判決接口起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制作用。此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo)（輸出定標(biāo)），這一作用是在對(duì)受控過(guò)程進(jìn)行控制之前

37、通過(guò)量程變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反模糊化有很多種方法，最常用的有最大隸屬度法、重心法、系數(shù)加權(quán)平均法等。3.3.2量化因子對(duì)控制器性能的影響在模糊控制器中，影響其性能的主要因素除了控制規(guī)則的制定外，合理地選擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出變量的量化因子也是非常重要的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量化因子和比例因子的大小及不同量化因子之間大小的相對(duì)關(guān)系，對(duì)模糊控制器的控制性能影響極大15。輸入量的量化因子： ke = e /e； kec =ec /ec輸出量的比例因子： ku =u /u上式中：e，ec，u 分別為誤差、誤差變化以及控制輸出量的基本論域：e ，ec ，u 分別為誤差、誤差變化，控制輸出量的模糊論域。

38、系統(tǒng) nt 時(shí)刻的響應(yīng)，既取決于e（nt）和ec（nt），同時(shí)也取決于ke 、kec和ku 的大小，顯然改變系統(tǒng)的量化因子就能夠改變系統(tǒng)的響應(yīng)。（1）量化因子ke 對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響在量化因子的三個(gè)因子中，ke 的變化直接影響模糊控制查詢表的垂直覆蓋域的大小。ke 增大，相當(dāng)于縮小了誤差變量的基本論域，增強(qiáng)了對(duì)誤差的控制作用。實(shí)際控制系統(tǒng)所采用的模糊論域是離散論域，當(dāng)輸入精確量在（-0.5/ke ，0.5/ke ）變化時(shí)，控制系統(tǒng)察覺(jué)不到輸入量的變化，這個(gè)區(qū)域被稱為模糊控制的控制死區(qū)。該死區(qū)的存在是系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)后產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的主要原因之一。ke 增大，減少了控制死區(qū)的范圍，從而減少了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤

39、差。但ke 過(guò)大會(huì)引起較大的超調(diào)，系統(tǒng)響應(yīng)收斂緩慢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起振蕩。所以ke 變化對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是非單調(diào)的，ke 在穩(wěn)定區(qū)域的最佳值和過(guò)渡區(qū)的最佳值有較大差別，如全程取同一個(gè)值很難兼顧過(guò)渡區(qū)的超調(diào)和穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)態(tài)誤差。（2）量化因子kec對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響kec 的變化影響模糊控制查詢表的水平覆蓋域的大小。 kec 增大，相當(dāng)于縮少了誤差變化量的基本論域。kec的增加會(huì)造成了系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間加長(zhǎng)。而kec太小又容易引起系統(tǒng)的震蕩，所以kec的變化同樣也是非單調(diào)的。增大ke 和kec可以有效的減少系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是ke 和kec過(guò)大會(huì)引起系統(tǒng)的超調(diào)并降低收斂速度。ku 的變化是對(duì)控制查詢

40、表的修正，在保持 ke 和 kec 不變的條件下，增大 ku值一方面可以減少系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，另一方面ku 的增大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩。適當(dāng)選擇ku 可以使控制器的輸出與熱負(fù)荷接近相等，從而使系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，溫差和溫差變化都達(dá)到最小。3.3.3模糊推理 當(dāng)推理所用的判斷具有模糊性時(shí)，也就是在推理規(guī)則和事實(shí)中含有模糊命題，稱之模糊推理。目前，模糊推理有很多種方法，常用的是mamdani方法和zadeh方法。盡管他們的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不是非常嚴(yán)密，但推理所得結(jié)論與人類的推理思想結(jié)論是接近的，并能很好的用于解決實(shí)際問(wèn)題。模糊控制是用ifthen形式的規(guī)則表示的控制系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系。模糊模型主要有mamdani

41、模型和sugeno模型。在mamdani模型中，系統(tǒng)映射可以寫成：ri：if y(k) is ai1 and and y(k-n+1) is ain1 and u(k) is bi1 and u(k-m+1)is b1mtheny(k+1)isci (3-1)按buckley地mamdani推理，用重心法進(jìn)行模糊判決，則系統(tǒng)地推理輸出 (3-2)其中，為前提條件下的模糊蘊(yùn)含，這種帶模糊判決和mamdani型的模糊模型是對(duì)連續(xù)函數(shù)的一種完備映射。模糊控制中有幾種常見(jiàn)的模糊推理，下面分別說(shuō)明：（1）第一種模糊推理模糊蘊(yùn)含運(yùn)算采用mamdani的最小運(yùn)算規(guī)則，這種模糊蘊(yùn)含運(yùn)算采用rc，從而有 (3-

42、3) (3-4) （2）第二種模糊推理模糊蘊(yùn)含運(yùn)算采用larsen的積運(yùn)算規(guī)則 (3-5) (3-6) （3）第三種模糊推理規(guī)則的結(jié)論是輸入語(yǔ)言變量的函數(shù)在這種推理方法種，模糊控制規(guī)則具有如下形式：ri：如果（x是ai且y是bi）則 zfi（x，y）其中x，y表示過(guò)程狀態(tài)變量和控制變量，ai，bi為過(guò)程變量的語(yǔ)言變量值。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定有兩條控制規(guī)則：r1：如果x是a1且y是b1則 zf1(x，y)r2：如果x是a2且y是b2則 zf2(x，y)根據(jù)第一條規(guī)則，控制作用的推斷值為，第二條規(guī)則的推斷值為，總的控制作用是和的加權(quán)組合，即 (3-7)3.4溫度模糊控制器設(shè)計(jì)如圖 2.1 所示，加熱

43、爐爐膛溫度控制主要分為三段，即二加熱段，一加熱段和均熱段，其中后兩段分成上下兩部分，每部分單獨(dú)控制，即共設(shè)五個(gè)溫度控制器。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，需要根據(jù)各段的不同特性，選取不同的論域和不同的量化因子。而隸屬函數(shù)的形狀也會(huì)很微妙地影響著整個(gè)模糊系統(tǒng)的過(guò)程16，因此，同樣需要根據(jù)對(duì)象特性區(qū)別選擇。3.4.1控制器參數(shù)確定下面通過(guò)鋼坯三種不同的升溫方式比較，如圖 3.3 所示，來(lái)說(shuō)明加熱爐爐溫在各段的分布特性，以確定不同段的模糊控制參數(shù)。（1）加熱二段預(yù)熱段和加熱二段的作用是對(duì)初入爐的鋼坯進(jìn)行預(yù)熱，因此要求把握好升溫速度。如果升溫過(guò)于緩慢，如圖 3.3 方式 1，隨后的加熱段不得不加大燃料消耗量，提高鋼坯

44、的升溫速度，致使鋼坯溫度梯度過(guò)大，導(dǎo)致鋼坯的內(nèi)外溫度分布無(wú)法達(dá)到均衡，鋼坯出爐時(shí)沒(méi)有燒透，不利于進(jìn)行軋制；相反如果升溫過(guò)快，如圖 3.3方式 3，斷面溫差較大，不僅燃料消耗量大大增加，而且使絕大多數(shù)鋼坯種類處于彈性狀態(tài)，使鋼坯內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和加熱缺陷，導(dǎo)致板帶成品率降低。所以應(yīng)使鋼坯在低溫區(qū)域預(yù)熱時(shí)，加熱速度適中，溫度應(yīng)力小，如圖 3.3 方式 2，按此要求，應(yīng)選擇相對(duì)較小的ke 和較大的kec，而語(yǔ)言變量詞集的選擇應(yīng)該較多，隸屬函數(shù)應(yīng)該是級(jí)數(shù)多而中心區(qū)域覆蓋范圍較大的隸屬函數(shù)。（2）加熱一段經(jīng)過(guò)預(yù)熱段和二加熱段升溫后的鋼坯進(jìn)入塑性范圍，要求明顯加快加熱速度，使鋼坯表面溫度迅速上升到出爐

45、所要求的溫度，盡量減少鋼坯在高溫區(qū)域停留的時(shí)間，降低燃料消耗，同時(shí)使鋼坯的氧化燒損程度減至最小。所以控制的重要指標(biāo)是升溫的快速性。如圖 3.3 所示，三種加熱方式在該段都是以最快的速度加熱。因此該段選取相對(duì)較大的ke 和較小的 kec ，而語(yǔ)言變量詞集的選擇應(yīng)該較少，據(jù)此應(yīng)該選擇中心覆蓋區(qū)域較小，兩端覆蓋區(qū)域大的隸屬函數(shù)。圖3.3鋼坯不同升溫方式比較（3）均熱段均熱段的主要作用是使鋼坯的斷面溫差達(dá)到軋制工藝要求。如圖3.3 所示，進(jìn)入均熱段后，鋼坯的表面溫度不再升高，中心溫度逐漸上升，內(nèi)外溫度達(dá)到平衡。所以該段控制的重要指標(biāo)是爐膛溫度的穩(wěn)定性。因此，需要加強(qiáng)抑制擾動(dòng)的能力，ke 和kec的選擇

46、應(yīng)該兼顧快速性和穩(wěn)態(tài)精度。而該段隸屬函數(shù)的選擇盡量均衡，變化緩慢，使控制特性也較為平緩。表 3.1 不同段間的參數(shù)選3.4.2控制器具體設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)各段特性的分析，對(duì)于模糊控制器的重要參數(shù)的選取有了很清楚的指導(dǎo)，下面以加熱段為例，給出模糊控制器的具體實(shí)現(xiàn)方法18。（1）選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)工作的第一部分，進(jìn)行系統(tǒng)分析，然后確定模糊控制器的輸入及輸出變量，包括他們的數(shù)值變化范圍，以及要求達(dá)到的控制精度等。本文以加熱爐溫度為控制目標(biāo)，燃料流量為副控制對(duì)象設(shè)計(jì)單變量二維模糊控制器。以溫度誤差e和誤差變化率ec為模糊控制器的輸入，以燃料流量控制電壓u為模糊控制器的輸出量。 （2）求取模糊控制

47、表控制表是以整數(shù)表示輸入量和控制量，在cri法中，通常把語(yǔ)言變量的論域轉(zhuǎn)換成有限整數(shù)的論域。本質(zhì)上是把連續(xù)論域離散化后產(chǎn)生離散論域。在此，我們?cè)俅我肓炕蜃舆@個(gè)概念，例如，若實(shí)際的輸入量，其變化范圍為,要求的論域?yàn)?，且采用線性變換，則 （3-8） （3-9）式中，k為比例因子。若在x；論域中有值a，則可以找到論域n中的元素b與之對(duì)應(yīng)：b=q*a.其中q為量化因子。如果求出的b含有小數(shù)，則可采用四舍五入方法對(duì)b取整數(shù)。（3）確定模糊控制器輸入輸出模糊變量、模糊狀態(tài)及論域等級(jí)對(duì)應(yīng)e、ec、u 相應(yīng)的模糊變量分別為e， e c， u。每個(gè)模糊變量可以分若干個(gè)模糊狀態(tài)，如 nb（負(fù)大）、nm（負(fù)中

48、）、ns（負(fù)?。?、zo（零）、ps（正?。?、pm（正中）、pb（正大）等。模糊狀態(tài)數(shù)量選擇取決于實(shí)際問(wèn)題的要求，如控制精度、變量性質(zhì)等，根據(jù)表 3.1 的分析，e 的模糊變量設(shè)為nb，nm，ns，no，po，ps，pm，pb；ec 的模糊變量設(shè)為nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb；u 的模糊變量設(shè)為nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb；e ,ec ,u ,的論域?yàn)?6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6：設(shè)偏差e的基本論域?yàn)?50,+50,通過(guò)量化變化到偏差語(yǔ)言變量e的整數(shù)論域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，則偏差e的量化因子應(yīng)

49、為。設(shè)偏差變化率ec的基本論域?yàn)?5,+5, 通過(guò)量化變化到偏差語(yǔ)言變量ec的整數(shù)論域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，則偏差ec的量化因子應(yīng)為。設(shè)輸出量u的基本論域?yàn)?v,20v, 通過(guò)量化變化到偏差語(yǔ)言變量u的整數(shù)論域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，則偏差u的量化因子應(yīng)為。（4）確定隸屬函數(shù)根據(jù)表 3.1 的分析可知，對(duì)加熱段的控制可以取模糊量的隸屬度函數(shù)為等腰三角形，三角形的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)該隨機(jī)數(shù)的均值，底邊的長(zhǎng)度等于2。表示該隨機(jī)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。隸屬度函數(shù)取為三角形，主要是考慮其表示方便，計(jì)算簡(jiǎn)單選取分布均勻，變化緩慢的隸屬函數(shù)

50、。一般隸屬函數(shù)的形狀越陡，分辨率越高，控制靈敏度也越高；相反，若隸屬函數(shù)的變化很緩慢，則控制特性也比較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過(guò)上面的分析并在查閱相關(guān)資料后，在試驗(yàn)過(guò)程中將這些知識(shí)不斷進(jìn)行修正和完善，最終建立了基于產(chǎn)生式規(guī)則的控制規(guī)則表，如表 3.2 所示表 3.2 溫度模糊控制規(guī)則表在matlab仿真模糊工具箱中按照上文中所示輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)就得到模糊推理系統(tǒng)如圖3.4所示，以及輸入偏差隸屬函數(shù)和偏差變化率隸屬函數(shù)如圖3.4和3.5所示，控制輸出隸屬函數(shù)如圖3.6所示。圖3.4 模糊推理系統(tǒng)圖 3.5 模糊變量 e 的隸屬函數(shù)圖 3.6 模糊變量 ec 的隸屬函數(shù)圖 3.7 輸出量u的隸屬函數(shù)

51、3.5小結(jié)在前兩章的基礎(chǔ)上本章最終設(shè)計(jì)出了加熱爐的整個(gè)控制系統(tǒng)，包括爐溫-燃燒串級(jí)控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)、空氣總管壓力控制系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)爐溫-燃燒串級(jí)控制系統(tǒng)作了詳細(xì)的分析，對(duì)其分析分為兩步，一是爐溫控制的分析，二是燃燒控制的分析。對(duì)爐溫控制主要講了串級(jí)控制的特點(diǎn)，以及是怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的抑制，還說(shuō)了主控制器算法的選取和參數(shù)的整定；對(duì)燃燒控制首先提出了必須達(dá)到的兩個(gè)目標(biāo)，即空燃比必須得到快速的調(diào)節(jié)和時(shí)時(shí)的處于設(shè)定范圍，然后，選用模糊控制技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)溫度控制器。通過(guò)分析各段不同的升溫特性，給出了不同段模糊控制器參數(shù)選取的原則。并以加熱段為例，建立了模糊控制系統(tǒng)，對(duì)模糊系統(tǒng)的輸入輸出變量進(jìn)行選取與量

52、化；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)建立了模糊控制規(guī)則集合（共48條規(guī)則），完成了控制系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)；采用最小-最大-加權(quán)平均法進(jìn)行模糊推理與解模糊。最后詳細(xì)的講了燃燒控制確定的過(guò)程，即對(duì)方案的逐一改進(jìn)，最后確定出較優(yōu)的方案用于本設(shè)計(jì)。第四章 燃燒控制策略研究4.1燃燒副回路的控制目標(biāo)燃燒系統(tǒng)作為串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路，主要是用來(lái)按照主回路溫度控制器的輸出流量要求為燃燒過(guò)程提供合理的空氣和煤氣的流入量，在保證最佳燃燒效率的基礎(chǔ)上，盡快響應(yīng)主回路的輸出變化。在該系統(tǒng)中，可以克服流量回路壓力變化、閥門摩擦及非線性特性等造成的困難。根據(jù)對(duì)燃燒機(jī)理的剖析，不管是燃燒的穩(wěn)定狀態(tài)還是在過(guò)渡狀態(tài)下，只有當(dāng)爐內(nèi)燃燒效率最高，才能

53、保證主回路溫度控制器輸出的煤氣流量變化能夠以最快的速度準(zhǔn)確地反映到爐溫的變化上。由公式(2-3)，可知空燃比與空氣過(guò)剩系數(shù)成正比，故空燃比與熱效率也存在一個(gè)極值關(guān)系，因此，提高爐內(nèi)的熱效率，就轉(zhuǎn)化成為尋找爐內(nèi)最佳空燃比。通過(guò)上述分析，可知燃燒控制系統(tǒng)主要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設(shè)定的空燃比實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)空氣回路和燃料回路的特性(如調(diào)節(jié)閥的形式及流體特性等)有所不同，兩個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性也有很大的差異，空氣回路往往滯后于煤氣回路，使得動(dòng)態(tài)過(guò)程中空燃比難以保持一致。因此，使兩個(gè)回路按照設(shè)定的空燃比以最快的速度響應(yīng)爐溫控制器的調(diào)節(jié)，是燃燒系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題之一。（2）在工藝

54、要求和外界干擾的情況下，空燃比設(shè)定值的在線優(yōu)化，包括兩方面的內(nèi)容：1）在煤氣熱值發(fā)生漂移時(shí)，空燃比的波動(dòng)很大，必須重新尋找空燃比的極值曲線，找到平衡關(guān)系。2）加熱爐系統(tǒng)參數(shù)多變(如爐內(nèi)熱損失，負(fù)荷發(fā)生大變動(dòng))，會(huì)對(duì)空燃比設(shè)定值產(chǎn)生較大的影響，這時(shí)就要求系統(tǒng)通過(guò)尋優(yōu)找到最佳的空燃比設(shè)定值。這也是當(dāng)前加熱爐系統(tǒng)有待解決的難題。4.2基于穩(wěn)定空燃比的燃燒控制策略4.2.1單回路控制原理該系統(tǒng)如圖4.1所示，通過(guò)加熱爐溫度調(diào)節(jié)器tc直接控制進(jìn)入燒嘴的燃料量，而助燃空氣量則由比例調(diào)節(jié)型燒嘴自動(dòng)按比例改變。通過(guò)調(diào)整燒嘴進(jìn)風(fēng)口的大小，可改變空氣和燃料的配比關(guān)系。該系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，但助燃效果不理想，只適用于小型

55、鍋爐。圖4.1爐溫單回路控制系統(tǒng)圖4.2.2串級(jí)比值控制原理該系統(tǒng)圖3.2所示，加熱爐溫度主調(diào)節(jié)器tc的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器ffc 的給定值，同時(shí)經(jīng)過(guò)空燃比運(yùn)算器r運(yùn)算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器fac的給定值。通過(guò)調(diào)整r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。圖4.2爐溫燃料空氣流量并行串級(jí)控制系統(tǒng)圖加熱爐的燃料燃燒過(guò)程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)情況下的剩余空氣系數(shù) 一定，更重要的是在加熱爐負(fù)荷發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)情況下，保證 仍保持在合理的范圍內(nèi)。事實(shí)上，由于空氣流動(dòng)管道特性與燃料流動(dòng)管道特性的差異，燒嘴特性的變化，流量測(cè)量的誤差等，上個(gè)控制方案，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，空氣和燃料之間配比關(guān)系也難以保證，在動(dòng)態(tài)情況下就更不用說(shuō)了。當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，如爐溫給定值st從1150升到