蓄熱式加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)的研究

周輝

【摘要】本文以宣化鋼鐵集團(tuán)有限公司一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐為研究背景，根據(jù)蓄熱式加熱爐的工藝流程和工藝要求，詳細(xì)闡述了溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中對(duì)爐溫采用分段控制，即P-模糊-PI控制，綜合了PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)快、超調(diào)小、無(wú)靜差、抗干擾。將該控制系統(tǒng)用PLC軟件編程，直接應(yīng)用在加熱爐PLC控制系統(tǒng)中，大大降低了控制系統(tǒng)改造成本。在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中該系統(tǒng)的控制效果十分理想，能夠很好地抑制冷熱坯混裝、煤氣壓力的隨機(jī)變化及煤氣熱值波動(dòng)對(duì)爐溫的影響，爐溫偏差能夠控制在20℃以內(nèi)，在沒(méi)有干擾因素的情況下能控制爐溫偏差在5℃以內(nèi)，完全滿足生產(chǎn)要求。

【關(guān)鍵詞】加熱爐；溫度；模糊控制；PLC

1、宣鋼蓄熱式加熱爐工藝概述

本文是以宣鋼一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐為項(xiàng)目進(jìn)行的研究。型材車間是一條年產(chǎn)70萬(wàn)噸型鋼的生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)圓鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼和礦用U型鋼等產(chǎn)品。其加熱爐是懸臂輥道側(cè)進(jìn)料、側(cè)出料，單排布料的步進(jìn)梁式蓄熱加熱爐，用于坯料軋制前的加熱。

2、存在的問(wèn)題分析

該加熱爐在使用初期爐溫控制上采用PID控制，應(yīng)用SIEMENS S7-400 PLC自帶PID功能塊。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這種控制方式確實(shí)無(wú)法滿足工藝要求，爐溫偏差最大可達(dá)±40℃。主要原因是該加熱爐的燃料是轉(zhuǎn)爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品，雖然其熱值較高，但由于煉鋼過(guò)程中無(wú)法連續(xù)收集轉(zhuǎn)爐煤氣，造成轉(zhuǎn)爐煤氣的壓力和熱值都很不穩(wěn)定；其次是該加熱爐進(jìn)爐鋼坯冷熱混裝，不同溫度的鋼坯入爐后需要的加熱量不同，要求煤氣流量控制必須及時(shí)；另外，軋鋼生產(chǎn)的節(jié)奏也是影響爐溫控制的因素。由此可見(jiàn)蓄熱式加熱爐的燃燒過(guò)程是受隨機(jī)因素干擾復(fù)雜過(guò)程，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)PID控制難以達(dá)到滿意的控制效果。

3、改進(jìn)方法設(shè)計(jì)

對(duì)于蓄熱式加熱爐這種受隨機(jī)因素干擾的具有大慣性、非線性、純滯后的復(fù)雜控制對(duì)象采用單純的PID控制不能取得良好的控制效果。因?yàn)镻ID算法只是在系統(tǒng)模型參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，才能獲得理想的效果。當(dāng)一個(gè)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)隨機(jī)變化的系統(tǒng)時(shí)，控制效果會(huì)變差。而模糊控制，面對(duì)200-300℃的溫度變化范圍，要提高基本模糊控制器的控制精度，分檔越細(xì)，性能越好，不過(guò)模糊控制規(guī)則數(shù)以及系統(tǒng)的計(jì)算量也大大地增加，從而使模糊控制規(guī)則表變得難以把握，調(diào)試時(shí)會(huì)更加困難。而減少分檔數(shù)，則會(huì)控制粗略，控制效果難以保證。在以往諸多理論研究和工程實(shí)踐中也證明了對(duì)于蓄熱式加熱爐這樣復(fù)雜的系統(tǒng)采用單純的PID控制或模糊控制是不能取得良好的控制效果的。

設(shè)計(jì)采用一種分段控制算法，即P-模糊-PI控制，來(lái)綜合比例、模糊和比例積分控制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)偏差大于某一個(gè)閾值時(shí)，采用比例控制，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)偏差小于閾值時(shí)，切換到模糊控制，用來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過(guò)程中的超調(diào)。采用這樣的方法用來(lái)壓縮模糊控制的論域，使其只是整個(gè)論域的一部分，也就是相當(dāng)于模糊空間的分級(jí)數(shù)增加，提高了模糊控制的精度和靈敏度。當(dāng)模糊控制過(guò)程中偏差的語(yǔ)言變量值為“零”時(shí)，由于沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，必然會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近存在小幅震蕩，因而在此時(shí)投入PI控制，利用其積分作用消除穩(wěn)態(tài)誤差，在小范圍內(nèi)PI控制的效果是最理想的。整個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：設(shè)X為某一閾值，E為絕對(duì)偏差，ZE表示模糊控制器語(yǔ)言值為“零”，則控制開關(guān)選擇為

P-模糊-PI控制可以發(fā)揮三種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、抗干擾變化的適應(yīng)性及較高的控制精度。三種控制方式在控制過(guò)程中依據(jù)偏差的變化分段切換使用，不會(huì)同時(shí)起作用而相互干擾。P-模糊-PI控制器切換閾值的設(shè)定非常關(guān)鍵。從比例控制向模糊控制切換的閾值選擇必須恰當(dāng)，如果選得過(guò)小，在非常接近目標(biāo)值時(shí)才切換，就可能出現(xiàn)較大的超調(diào)，并且模糊控制的優(yōu)點(diǎn)難以體現(xiàn)；如果選得太大，就會(huì)過(guò)早的切換到模糊控制，可能會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也使得模糊論域變大，若不增加模糊空間分級(jí)數(shù)，控制精度變差。只有根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制目標(biāo)的要求才能選擇出較為恰當(dāng)?shù)拈撝?。在從模糊控制向PI控制切換時(shí)，一般都選在偏差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為“零”時(shí)，切換至PI控制，用PI算法：

其中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時(shí)間，U為PI輸出控制量。

當(dāng)模糊控制中語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為“零”時(shí)，其絕對(duì)偏差可能并不為零，所以應(yīng)當(dāng)應(yīng)用積分器的作用來(lái)消除偏差，提高穩(wěn)態(tài)性能。

蓄熱式加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，P-模糊-PI控制器的輸入量為設(shè)定爐溫T0與實(shí)際爐溫T（k）的偏差E（k），輸出量控制煤氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)煤氣流量；空燃比由在線氣體分析系統(tǒng)的結(jié)果經(jīng)過(guò)計(jì)算得出；煤氣流量孔板檢測(cè)出的煤氣實(shí)際流量乘以空燃比就可計(jì)算出煤氣完全燃燒所需的空氣流量；空氣調(diào)節(jié)閥由PID調(diào)節(jié)器控制，調(diào)節(jié)空氣流量跟隨煤氣流量。

結(jié)束語(yǔ)

宣鋼型材加熱爐原有的溫度檢測(cè)，流量檢測(cè)，氣體分析，煤氣、空氣調(diào)節(jié)閥均可應(yīng)用于該設(shè)計(jì)中。P-模糊-PI控制器的P控制和PI控制，空氣流量調(diào)節(jié)的PID控制均可應(yīng)用加熱爐燃燒控制PLC自帶的PID模塊實(shí)現(xiàn)。完成該設(shè)計(jì)下一步最重要的工作就是總結(jié)加熱爐人工控制過(guò)程中一些好的控制經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用模糊控制理論，完成模糊控制器的設(shè)計(jì)。進(jìn)一步將模糊控制器用PLC編程制作控制功能塊，應(yīng)用在加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，并在實(shí)驗(yàn)中細(xì)化P-模糊-PI控制器的參數(shù)，力爭(zhēng)將爐溫控制在突發(fā)情況下偏差小于20℃，在正常情況下偏差小于5℃。這個(gè)目標(biāo)如果得以實(shí)現(xiàn)，不僅可以提高型材的產(chǎn)品質(zhì)量，減少煤氣消耗和污染排放，而且對(duì)宣鋼其他的軋鋼加熱爐的溫度控制有借鑒意義，進(jìn)而整體提高宣鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，為宣鋼的挖潛增效做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]汪小澄，方強(qiáng).基于PLC的模糊控制研究.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35（3）：79-81.

[2]張持健，王元航，方明星.高精度模糊PID控制器及其在溫度控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2002（7）：21-23

[3]孫奉昌，樂(lè)愷，姜澤毅，張欣欣.智能控制算法對(duì)加熱爐溫度控制研究[J].熱能動(dòng)力工程，2009，24（3）：337-341.