加熱爐溫度控制系統(tǒng)模糊智能實(shí)現(xiàn)

摘要: 傳統(tǒng)PID控制對于突然溫度變化控制不夠及時(shí)，因此加熱效果不好，采用模糊控制能夠很好解決各種工況干擾引起的溫度波動(dòng)問題，可以實(shí)現(xiàn)波動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。文章對于軋鋼加熱控制有著很大參考和借鑒意義。
關(guān)鍵字: 加熱區(qū) PID 模糊控制

Abstract: Due to traditional PID control’s lack of promptness control on sudden temperatureshift, heating-up effect is not good. By adopting fuzzy control, temperature fluctuation problem caused by various kinds of state of arts can be easily solved, and true time control on fluctuation can be achieved. This article has great meaning of reference on steel rolling heating-up control.
Keyword: Heating Zone, PID, Fuzzy Control

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。現(xiàn)在兩座加熱爐實(shí)際加熱能力300～450t/h,低于設(shè)計(jì)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(nèi)同類生產(chǎn)線加熱質(zhì)量指標(biāo)是，板坯爐間溫差≤15℃，同板溫差≤15℃。通過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)引進(jìn)的斯坦因加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與萊鋼現(xiàn)有的工況條件不能完全吻合，加之現(xiàn)場軋鋼節(jié)奏的頻繁改變，不能滿足現(xiàn)有工況條件的變化，并且在實(shí)際生產(chǎn)過程中缺少必要的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測手段。產(chǎn)量計(jì)劃、加熱鋼種、尺寸、坯料入爐溫度、待（停）軋時(shí)間、開軋溫度變化時(shí)，均需一段時(shí)間使得加熱爐溫度緩慢提升，以避免對整個(gè)煤氣系統(tǒng)的強(qiáng)烈沖擊，但由于現(xiàn)場節(jié)奏的提升，操作人員不能等到溫度的緩慢上升，更不能及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整加熱策略，同時(shí)受人為因素（經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心、白、夜班）的影響，以及四班、個(gè)人操作不統(tǒng)一，空燒時(shí)間長，最終會(huì)造成爐溫、鋼溫波動(dòng)，加熱質(zhì)量差，單位燃耗高，鋼坯氧化燒損多，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差。所以斯坦因程序不能適應(yīng)寬帶加熱爐的實(shí)際生產(chǎn)情況。因此，在加熱爐控制系統(tǒng)中引入模糊控制理論，簡化原程序，使之適應(yīng)寬帶實(shí)際生產(chǎn)需求。
2.加熱爐采用的控制實(shí)現(xiàn)
爐體由下述各加熱區(qū)構(gòu)成；預(yù)熱區(qū)；加熱區(qū)；保溫段。各區(qū)由燃燒燃?xì)馀c空氣加熱。可燃?xì)饬靼磾?shù)個(gè)控制回路中的設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1為加熱控制示意圖：

3. 傳統(tǒng)PID控制
傳統(tǒng)調(diào)控裝置的輸出信號(hào)形式如下：

其中：
Kp -比例增益
Ti -積分時(shí)間
Kp與Ti 為內(nèi)PI參數(shù)，由操作員調(diào)節(jié)一次。輸出信號(hào)u（t）按下式轉(zhuǎn)換成加熱需求：　　　

其中：a,b=常數(shù)。
此值不會(huì)超過所定限值。«y»值用于確定燃?xì)忾y開啟控制回路的設(shè)定值。«y1»值（空氣流量控制回路）系用«y»值計(jì)算得到的，其用途是為保持規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)的空氣／燃?xì)獗嚷省４藘煞N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(hào)是從這兩個(gè)控制回路發(fā)出的，其名稱為：Q燃?xì)猓ㄈ細(xì)饬髀剩┡cQ空氣（空氣流率）。
本系統(tǒng)在狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)運(yùn)行良好。但是，下述因素都可干擾工藝過程：
（1）生產(chǎn)延時(shí)（有計(jì)劃或無計(jì)劃），因不但在生產(chǎn)起始時(shí)會(huì)觸發(fā)瞬態(tài)而且在延時(shí)起始時(shí)亦將觸發(fā)瞬態(tài)燃?xì)饬鞯募眲￠_關(guān)。
（2）生產(chǎn)變更-這意味著不同類型的產(chǎn)品依次進(jìn)入爐子，也就是形成不同的加熱需求。
（3）爐內(nèi)產(chǎn)品重量變更調(diào)步。
4. 改進(jìn)的模糊控制
將模糊控制引入加熱爐智能控制系統(tǒng)。原調(diào)節(jié)控制回路不能超越工藝過程復(fù)雜性與不確定性的限制，比例積分調(diào)控裝置（PI）不能正確控制工藝過程的發(fā)展。生產(chǎn)變更中的干擾，調(diào)步變化、產(chǎn)品（類型、尺寸、數(shù)量）、使用不同的生產(chǎn)方式（短延時(shí)、長延時(shí)、低火焰）等因素都造成轉(zhuǎn)換，而這在原調(diào)控中是沒有進(jìn)行周密考慮的。通過工藝過程的傳遞函數(shù)和操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，獲取成套工藝過程比例積分微分調(diào)控裝置（PID）系數(shù)。用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整算式計(jì)算調(diào)控裝置的系數(shù)，使工藝過程數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與調(diào)控裝置的參數(shù)相結(jié)合，與操作工的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn) PI參數(shù)的可調(diào)節(jié)控制，找到可以兼顧調(diào)節(jié)回路控制的快速與精確的平衡點(diǎn)，滿足寬帶鋼不同的生產(chǎn)節(jié)奏的要求。
使用模糊管理程序，調(diào)控裝置按實(shí)際運(yùn)行確定的傳統(tǒng)PI（比例積分）參數(shù)。從系統(tǒng)觀察、經(jīng)驗(yàn)與過程認(rèn)識(shí)中析取數(shù)據(jù)，形成模糊邏輯管理程序特殊數(shù)據(jù)庫，模糊邏輯塊確定并適應(yīng)比例積分調(diào)控裝置按輸入值確定的必要變更。
系統(tǒng)示意圖如圖2：

模糊調(diào)控為監(jiān)控級(jí)調(diào)控，調(diào)控時(shí)將聯(lián)機(jī)計(jì)算比例積分微分調(diào)控裝置的參數(shù)，該調(diào)控裝置是用于測定標(biāo)準(zhǔn)控制回路溫度的。所考慮的變量為設(shè)定值；所測溫度；所測定的、在規(guī)定時(shí)間步內(nèi)的溫度變量；瞬時(shí)區(qū)域負(fù)荷；實(shí)際定步值。
模糊控制級(jí)僅用簡單的開／關(guān)指令就可以連通或斷開。如果斷開模糊控制級(jí)，比例積分微分參數(shù)就為按傳統(tǒng)方式調(diào)定的缺省值。
為確保正常運(yùn)行，模糊邏輯控制器需要數(shù)據(jù)為用模糊子集描述的輸入變量；誤差；所測溫度的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；該區(qū)段產(chǎn)品的重量；實(shí)際定步速度；模糊子集描述的輸出；比例增益：Kp;積分時(shí)間：Ki；類型規(guī)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(wěn)態(tài)模式”與“瞬態(tài)模式”。當(dāng)測定值與設(shè)定值差距不大時(shí)，我們就認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)（模糊推理）。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Kp與Ki的調(diào)整是通過溫度誤差完成的。當(dāng)誤差過大時(shí)，我們就認(rèn)為系統(tǒng)就進(jìn)入瞬態(tài)。在此種場合，有必要?jiǎng)討B(tài)地控制所測定的溫度，以便與爐子的響應(yīng)一致。工作模式的轉(zhuǎn)變由模糊斷續(xù)器完成，這將確保從一種模式向另一種模式的平衡轉(zhuǎn)變。通過這些模式，我們可得到Kp與Ki的初始值。在第2個(gè)模式組中，將對這些數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)還將計(jì)算實(shí)際工作條件函數(shù)中的Kp與Ki偏差（重量與定步速度）。最后，將用加總穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)模式組的中間結(jié)果。
5.結(jié)論
采用模糊控制使系統(tǒng)控制更加可靠穩(wěn)定，溫度誤差得到明顯減少，取得了極佳控制效果，為后續(xù)軋制工序提供了保證，減少了堆鋼，大大提高了提高了經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):
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