不銹鋼連退爐智能溫度控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁壽新　楊國(guó)星

摘 要：退火是不銹鋼冷軋生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，直接影響不銹鋼的生產(chǎn)和質(zhì)量。研究連續(xù)退火爐溫度控制系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約能源方面有著重要意義。針對(duì)退火爐溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于模糊控制理論的不銹鋼退火爐智能溫度控制系統(tǒng)，它包含了長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：不銹鋼；退火爐；智能溫度控制；模糊控制

1 引言

連續(xù)退火爐是不銹鋼冷軋酸洗生產(chǎn)線的主體設(shè)備，帶鋼在爐內(nèi)的退火是不銹鋼生產(chǎn)中的重要工藝環(huán)節(jié)，直接關(guān)系帶鋼的質(zhì)量及性能，其中的溫度控制極其關(guān)鍵。同時(shí)，退火爐爐內(nèi)工況復(fù)雜多變，爐內(nèi)溫度控制具有非線性、滯后性等特點(diǎn)，采用經(jīng)典的PID控制適應(yīng)性差，效果不甚理想。

本文以某不銹鋼廠冷軋酸洗線退火爐溫度控制為研究對(duì)象，基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，設(shè)計(jì)采用模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)退火爐加熱段智能溫度控制。

2 爐區(qū)設(shè)備組成與工藝要求

不銹鋼連續(xù)退火爐退火工藝是將帶鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理方法。某不銹鋼鋼廠退火爐為THERMTEC水平懸索式燃?xì)馔嘶馉t，最大TV值200，包括預(yù)熱段、加熱段、空氣冷卻段、水霧冷卻段、空氣冷卻段和熱風(fēng)干燥段。

退火爐設(shè)備和工藝示意圖如下：

該不銹鋼生產(chǎn)線設(shè)計(jì)生產(chǎn)300和400系列的不銹鋼產(chǎn)品，退火爐操作溫度750-1250℃。退火爐爐段內(nèi)帶鋼的加熱通過(guò)燒嘴實(shí)現(xiàn)，燒嘴在爐墻上下方向交錯(cuò)布置。燒嘴采用比例控制方式，即空氣/燃?xì)饬髁勘壤刂啤?/p>

每段空氣燃?xì)獾牧髁繉⒂蓽囟群土髁靠刂圃O(shè)備控制，每一區(qū)內(nèi)有獨(dú)立的流量檢測(cè)和空氣/燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)控制。為減小過(guò)火、時(shí)間滯后效應(yīng)以及空氣/燃?xì)獗壤x，控制區(qū)采用快速控制方式。

3 原退火爐溫度控制

某不銹鋼退火爐溫度控制系統(tǒng)包括區(qū)域溫度設(shè)定值計(jì)算、退火爐溫度控制器和燃?xì)馊紵刂迫糠?。溫度設(shè)定值計(jì)算是由數(shù)學(xué)模型完成。退火數(shù)學(xué)模型根據(jù)帶鋼在爐內(nèi)換熱模型計(jì)算得出區(qū)域溫度設(shè)定值，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

s0.F.S.（TF4-TB4） = LS.d.w.r.Cp. （TBi-TBo）

其中：

TF為退火爐爐溫（K）；

TB為帶鋼溫度（K）；

s0為常數(shù)；

F是輻射系數(shù)；

S為換熱面積（m2）；

LS為生產(chǎn)線速度（m/s）；

D為帶鋼厚度；

W為帶鋼寬度；

Cp為帶鋼比熱（J/kg.K）；

r為比重（kg/m3）；

TBi為入口帶鋼溫度（K）；

TBo為出口帶鋼溫度（K）。

原退火爐溫度控制器采用傳統(tǒng)PID控制，燃?xì)夂椭伎諝獠捎肞I控制。

控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

現(xiàn)有退火爐溫度控制系統(tǒng)魯棒性和適應(yīng)性差，是不銹鋼退火爐生產(chǎn)控制的一個(gè)難點(diǎn)。在退火爐爐溫度控制過(guò)程中，被控參數(shù)具有時(shí)變、非線性、不確定性等特點(diǎn)，現(xiàn)使用的常規(guī)PID控制精度低，適應(yīng)性差，本文通過(guò)研究退火爐溫控系統(tǒng)現(xiàn)有狀況，通過(guò)引入智能模糊穩(wěn)定控制來(lái)提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)退火爐溫度的精確控制。

4 退火爐模糊溫度控制系統(tǒng)

退火爐控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、有噪聲干擾的系統(tǒng)。在退火爐的控制過(guò)程中，常規(guī)PID控制效果有時(shí)并不理想。而模糊控制有較強(qiáng)的適應(yīng)對(duì)象參數(shù)變化的能力，與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的主要優(yōu)點(diǎn)在于在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此，模糊控制特別適用于數(shù)學(xué)模型未知或不易于建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜、非線性系統(tǒng)的控制。

退火爐模糊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以爐區(qū)溫度檢測(cè)值與設(shè)定值偏差e和誤差改變量ec為系統(tǒng)輸入值，通過(guò)模糊控制器控制輸出燃?xì)饬髁孔鳛楸豢亓浚M(jìn)一步通過(guò)空燃比控制控制燃?xì)馀c助燃空氣量。燃?xì)饬靠刂坪涂諝饬靠刂撇捎肞I控制模式，雙交叉限幅確保燃?xì)獬浞秩紵Ａ硗馔ㄟ^(guò)實(shí)際燃?xì)饬颗c該規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)燃?xì)饣鶞?zhǔn)值的累積偏差量對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)正計(jì)算，消除溫度滯后偏差，提高模糊溫度控制器控制精度。

經(jīng)改造后，某不銹鋼退火爐溫度控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

4.1 溫度補(bǔ)正值計(jì)算

帶鋼流量定義為帶鋼厚度 [mm] 乘以帶鋼寬度 [mm]乘以帶鋼速度 [m/min]乘以帶鋼比重，是反映退火爐生產(chǎn)能力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)鋼流量代表的帶鋼帶走的熱量與退火爐燃?xì)獬浞秩紵龓?lái)的熱量保持平衡時(shí)，可以保證帶鋼連續(xù)退火工藝需求。理想情況下，當(dāng)退火爐燃?xì)饬髁勘３衷谠O(shè)計(jì)生產(chǎn)最大值時(shí)，退火爐生產(chǎn)能力最大化。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)鋼種和規(guī)格不同，鋼流量也不同。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定狀態(tài)下，即生產(chǎn)相同規(guī)格鋼種產(chǎn)品，退火爐溫度穩(wěn)定，燃?xì)饬髁繘](méi)有大的調(diào)整，此時(shí)根據(jù)鋼流量值不同，記錄下生產(chǎn)時(shí)的燃?xì)饬髁恐?，存放到?shù)據(jù)表中，作為基準(zhǔn)流量值。就可以得出一張基準(zhǔn)燃?xì)饬勘?，格式如?。

由表1可知，燃?xì)饬髁炕鶞?zhǔn)值是維持帶鋼生產(chǎn)時(shí)退火爐溫度穩(wěn)定的基準(zhǔn)值，那么實(shí)際流量值與基準(zhǔn)值的偏差量最終會(huì)反映到退火爐溫度上來(lái)，高于基準(zhǔn)值就會(huì)引起退火爐溫度逐漸升高，低于基準(zhǔn)值則會(huì)導(dǎo)致退火爐溫度下降，這部分累積的燃?xì)饬髁糠从车氖菧囟瓤刂茰蟛糠郑ㄟ^(guò)溫度補(bǔ)正計(jì)算避免超調(diào)。溫度補(bǔ)正計(jì)算控制流程圖如下：

由于實(shí)際工況不同，維持帶鋼生產(chǎn)時(shí)退火爐溫度的燃?xì)鈱?shí)際流量值與保持在數(shù)據(jù)表中的燃?xì)饬髁炕鶞?zhǔn)值可能存在較大偏差，退火爐溫度補(bǔ)正計(jì)算設(shè)計(jì)為大偏差輸入小輸出，并采用實(shí)際溫度變化對(duì)溫度補(bǔ)正值計(jì)算進(jìn)行修正，防止方向性錯(cuò)誤。

4.2 溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志，主要由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、清晰化四部分組成。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器為兩輸入一輸出的瑪達(dá)尼推理機(jī)模糊控制器，在PLC中編寫軟件進(jìn)行在線查表實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 模糊化

模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過(guò)程，它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。對(duì)于模糊控制器的輸入誤差e及其變化率ec，采用“大”、“中”、“小”三個(gè)量化等級(jí)的模糊概念。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，對(duì)于誤差、誤差變化率和控制量的變化等語(yǔ)言變量，使用“正大”（PL）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（ZO）、“負(fù)小”（NS）、“負(fù)中”（NM）和“負(fù)大”（NL）這7個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描述。

某不銹鋼退火爐設(shè)計(jì)操作溫度為750-1250℃，退火爐最大設(shè)計(jì)升溫為400℃/Hour。按溫度偏差±30℃、溫度變化率400℃/Hour均勻映射到溫度輸入偏差模糊集論域（PL、PM、PS、ZO、NS、NM、NL）上，調(diào)試時(shí)，通過(guò)調(diào)整模糊控制器輸入比例因子Ke、Kc調(diào)整基本論域到模糊集論域的映射關(guān)系。

示意圖如圖5、圖6所示。

4.2.2 模糊控制器

模糊變量是一個(gè)模糊子集，最終通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)描述，本文使用的隸屬度函數(shù)均勻分布，模糊集論域?yàn)閇-6，6]。

模糊控制器輸入、輸出隸屬度函數(shù)如下圖7、圖8、圖9所示。

對(duì)溫度模糊控制器的輸入、輸出隸屬度函數(shù)曲線，可以轉(zhuǎn)換為下面的隸屬度矢量表存放到PLC系統(tǒng)中，如表2所示。

知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求控制目標(biāo)。它由數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)言控制規(guī)則組成。模糊推理是模糊控制器的核心，該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。針對(duì)本文論述的模糊控制器，采用瑪達(dá)尼推理機(jī)，基于數(shù)據(jù)和模糊語(yǔ)言控制規(guī)則的模糊推理結(jié)果以模糊控制器控制規(guī)則表的形式存放在PLC軟件數(shù)據(jù)中，實(shí)際PLC控制時(shí)，通過(guò)查表可以直接獲得模糊推理的結(jié)果。

不銹鋼溫度模糊控制器控制規(guī)則表如表3所示。

4.2.3 清晰化

清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于控制的清晰量，也就是從退火爐模糊控制器輸出的模糊論域到實(shí)際輸出的燃?xì)飧淖兞康膶?duì)應(yīng)關(guān)系。調(diào)試時(shí)，通過(guò)調(diào)整模糊控制器輸出比例因子Ku調(diào)整映射關(guān)系。

示意圖如下：

根據(jù)退火爐模糊控制器輸出到實(shí)際燃?xì)飧淖兞康挠成?，得到明確的燃?xì)飧淖兞浚俪艘暂敵鋈細(xì)飧淖兞肯禂?shù)，就得到實(shí)際的模糊控制器控制輸出值。

4.3 效果分析

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的不銹鋼溫度控制系統(tǒng)基于長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)針對(duì)帶鋼鋼種、規(guī)格等信息對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試優(yōu)化后，取得了較好的控制效果。

針對(duì)不銹鋼AISI304，規(guī)格從1.0×1250mm到1.2×1250mm帶鋼的過(guò)渡，退火爐設(shè)定溫度相同和溫度升高。

原溫度控制系統(tǒng)控制曲線與優(yōu)化后的控制曲線對(duì)比如下圖11、圖12所示。

對(duì)優(yōu)化前后圖形曲線比較分析，采用優(yōu)化后的模糊溫度控制系統(tǒng)的控制曲線調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，與原系統(tǒng)比較，具有較好的控制效果。

5 小結(jié)

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度的日益提高，運(yùn)行方式的不斷變化，傳統(tǒng)的基于PID控制的方法日益暴露出其不足。工場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員依靠長(zhǎng)期生產(chǎn)的觀察和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，通過(guò)手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)良好的控制。本文基于操作人員生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)提煉，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了不銹鋼退火爐模糊溫度控制系統(tǒng)，減少了操作人員操作的任務(wù)和強(qiáng)度，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，取得了較好的效果，對(duì)同類系統(tǒng)具有借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

袁壽新（1966- ），女，副教授，現(xiàn)主要從事自動(dòng)化儀表專業(yè)及相關(guān)科目的教學(xué)與研究工作。

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2017年度甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研課題：“《模擬電子技術(shù)》理實(shí)一體化教學(xué)改革研究與實(shí)踐”，項(xiàng)目編號(hào)：Y17006