加熱爐溫度控制系統(tǒng)模糊智能實現(xiàn)

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(xiàn)在兩座加熱爐實際加熱能力300～450t/h,低于設(shè)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(nèi)同類生產(chǎn)線加熱質(zhì)量指標是，板坯爐間溫差≤15℃，同板溫差≤15℃。通過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)引進的斯坦因加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計思想與萊鋼現(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，并且在實際生產(chǎn)過程中缺少必要的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場檢測手段。產(chǎn)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(tǒng)的強烈沖擊，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，更不能及時準確的調(diào)整加熱策略，同時受人為因素（經(jīng)驗、責任心、白、夜班）的影響，以及四班、個人操作不統(tǒng)一，空燒時間長，最終會造成爐溫、鋼溫波動，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)寬帶實際生產(chǎn)需求。
2.加熱爐采用的控制實現(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)由燃燒燃氣與空氣加熱?？扇細饬靼磾?shù)個控制回路中的設(shè)定值進行調(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)控裝置的輸出信號形式如下：

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

      其中：a,b=常數(shù)。
      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(shè)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(guī)定時間間隔內(nèi)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(fā)出的，其名稱為：Q燃氣（燃氣流率）與Q空氣（空氣流率）。
      本系統(tǒng)在狀態(tài)穩(wěn)定時運行良好。但是，下述因素都可干擾工藝過程：
      （1）生產(chǎn)延時（有計劃或無計劃），因不但在生產(chǎn)起始時會觸發(fā)瞬態(tài)而且在延時起始時亦將觸發(fā)瞬態(tài)燃氣流的急劇開關(guān)。
      （2）生產(chǎn)變更-這意味著不同類型的產(chǎn)品依次進入爐子，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、長延時、低火焰）等因素都造成轉(zhuǎn)換，而這在原調(diào)控中是沒有進行周密考慮的。通過工藝過程的傳遞函數(shù)和操作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗，獲取成套工藝過程比例積分微分調(diào)控裝置（PID）系數(shù)。用標準調(diào)整算式計算調(diào)控裝置的系數(shù)，使工藝過程數(shù)學模型的參數(shù)與調(diào)控裝置的參數(shù)相結(jié)合，與操作工的經(jīng)驗參數(shù)相結(jié)合，實現(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，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)控裝置按實際運行確定的傳統(tǒng)PI（比例積分）參數(shù)。從系統(tǒng)觀察、經(jīng)驗與過程認識中析取數(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)控級調(diào)控，調(diào)控時將聯(lián)機計算比例積分微分調(diào)控裝置的參數(shù)，該調(diào)控裝置是用于測定標準控制回路溫度的。所考慮的變量為設(shè)定值；所測溫度；所測定的、在規(guī)定時間步內(nèi)的溫度變量；瞬時區(qū)域負荷；實際定步值。
       模糊控制級僅用簡單的開／關(guān)指令就可以連通或斷開。如果斷開模糊控制級，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；所測溫度的動力學數(shù)據(jù)；該區(qū)段產(chǎn)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(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”。當測定值與設(shè)定值差距不大時，我們就認為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)（模糊推理）。在穩(wěn)定狀態(tài)時，Kp與Ki的調(diào)整是通過溫度誤差完成的。當誤差過大時，我們就認為系統(tǒng)就進入瞬態(tài)。在此種場合，有必要動態(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個模式組中，將對這些數(shù)值進行調(diào)整，同時還將計算實際工作條件函數(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)濟效益。