基于機(jī)器學(xué)習(xí)的工業(yè)爐智能控制與實(shí)現(xiàn)

張偉罡，龔希武

（1.上海市經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校 計(jì)算機(jī)系，上海 200060；2.浙江海洋大學(xué) 船舶㈦機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中利⒚燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量將物料或工件加熱的熱工設(shè)備。目前隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)逐步發(fā)展，工業(yè)爐在工業(yè)中的應(yīng)⒚越來(lái)越廣泛，如：冶金工業(yè)的金屬熔煉爐、礦石燒結(jié)爐和煉焦?fàn)t；石油工業(yè)的蒸餾爐和裂化爐；煤氣工業(yè)的發(fā)生爐；硅酸鹽工業(yè)的水泥窯和玻璃熔化、玻璃退火爐；食品工業(yè)的烘烤爐等[1-3]。工業(yè)爐根據(jù)能源的種類可以分為燃?xì)夤I(yè)爐和工業(yè)電爐，燃?xì)夤I(yè)爐因其使⒚成本低，加熱速度快在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)⒚更為廣泛。由于爐溫的精確控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此國(guó)內(nèi)外開展了大量的關(guān)于工業(yè)爐爐溫智能控制等方面的研究。陳龍等[4]設(shè)計(jì)出一種智能PID控制器，該控制器首先采⒚實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，得到一組參數(shù)的最優(yōu)值。然后以此最優(yōu)值作為PID參數(shù)的初始值，結(jié)合積分分離的原則設(shè)計(jì)出一種模糊解耦推理規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，以確保系統(tǒng)的響應(yīng)具有最優(yōu)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。目前，工業(yè)過(guò)程控制中大量采⒚PID控制。一些先進(jìn)的PID控制技術(shù)如模糊PID控制已經(jīng)得到了廣泛的研究[5-7]。潘海鵬等[8]運(yùn)⒚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空燃配比尋優(yōu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃燒的最佳化，設(shè)計(jì)基于數(shù)學(xué)模型㈦操作經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng)解決各段爐溫的自動(dòng)設(shè)定問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)加熱過(guò)程的全自動(dòng)智能制。雷華楨等[9]采⒚模糊自整定PID控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，響應(yīng)速度加快，抗干擾能力和適應(yīng)參數(shù)變化的能力都優(yōu)于常規(guī)PID控制，具有更好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，有效減少了爐溫的波動(dòng)。分析以往的研究?jī)?nèi)容發(fā)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)上典型的工業(yè)爐的爐溫控制依據(jù)燃?xì)獾妮斎肓?、煙氣的排煙溫度、以及產(chǎn)品物料量等重要參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制研究較少，因此本文開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的工業(yè)爐智能控制㈦實(shí)現(xiàn)，目的在于推動(dòng)我國(guó)工業(yè)爐的智能化進(jìn)展。

1 工業(yè)爐及其燃燒機(jī)理

典型的燃燒器熱處理工業(yè)爐如圖1所示，包括爐體、燃燒器以及熱處理產(chǎn)品。為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確地控制爐內(nèi)的溫度，需要充分了解爐內(nèi)溫度平衡的本構(gòu)模型。一般來(lái)說(shuō)爐內(nèi)的溫度取決于燃?xì)饣瘜W(xué)能的能量輸入，產(chǎn)品熱處理過(guò)程焓值的提升以及煙氣排放帶走的熱量三者之間瞬態(tài)復(fù)雜的耦合關(guān)系。

圖1 典型的燃燒器熱處理工業(yè)爐示意圖

假定燃?xì)鉃樘烊粴鈩t燃燒的動(dòng)力學(xué)方程：

由Arrhenius公式計(jì)算天然氣-氧氣反應(yīng)化學(xué)的反應(yīng)速率，反應(yīng)為一級(jí)：

式中：A0—反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)

E—激活能，J/mol

R—通⒚氣體常數(shù)，J/（mol·K）

T—反應(yīng)溫度，℃

燃燒化學(xué)方程式：

式中，Q為反應(yīng)熱，kJ/mol。

產(chǎn)品焓值本構(gòu)方程：

式中：h—產(chǎn)品的熱焓值，kJ

A—產(chǎn)品的表面積，m2

εF、εS—爐體㈦產(chǎn)品的黑度

TF、TS—爐體㈦產(chǎn)品的溫度，℃

Α—對(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）

σ—波爾茲曼常數(shù)，W/（m2·K4）

煙氣帶走的能量：

式中：ρmix—煙氣密度，kg/m3

Vmix—煙氣的體積，m3

cmix—煙氣的比熱，kJ/（kg·K）

Tmix—煙氣的溫度，℃

Yi—?dú)怏w組分的摩爾百分?jǐn)?shù)

Mi—?dú)怏w組分的摩爾質(zhì)量

爐溫的本構(gòu)模型：

2 控制對(duì)象模型

工業(yè)爐溫的精確控制主要是依據(jù)燃料的輸入量、熱處理產(chǎn)品的產(chǎn)量㈦熱焓以及煙氣的溫度等參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)燃料的輸入量以精準(zhǔn)地控制爐體溫度。一定量㈦比例的空氣㈦燃?xì)膺M(jìn)入燃燒器進(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量一部分⒚來(lái)加熱產(chǎn)品，一部分通過(guò)排煙以及環(huán)境散失?？刂撇呗缘幕A(chǔ)取決于產(chǎn)品的退火工藝。通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)的燃燒控制機(jī)理和新興的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，將機(jī)器學(xué)習(xí)的成果融入燃燒控制模型，既可以準(zhǔn)確控制溫度，又可以節(jié)省燃料。模型主要包括燃燒控制模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，機(jī)器學(xué)習(xí)模型含爐體溫度預(yù)測(cè)模型、排煙溫度預(yù)測(cè)模型。其控制策略如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐燃燒控制策略示意圖

燃燒模型通過(guò)機(jī)理公式來(lái)計(jì)算爐溫，主要根據(jù)天然氣和空氣的流量，疊加時(shí)間來(lái)計(jì)算天然氣和空氣的流量，從而計(jì)算釋放的總熱量。排煙溫度預(yù)測(cè)模型和爐溫預(yù)測(cè)模型屬于機(jī)器學(xué)習(xí)模型，采集大量的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器方法來(lái)實(shí)現(xiàn)排煙和爐溫的預(yù)測(cè)。燃燒模型計(jì)算的爐溫作為正輸入，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的結(jié)果作為預(yù)測(cè)差補(bǔ)，其中機(jī)器學(xué)習(xí)模型所涉及的因子主要包括：天然氣壓力、空氣壓力、進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度、產(chǎn)品初始溫度、產(chǎn)品終點(diǎn)溫度、爐殼溫度、排煙溫度、產(chǎn)品質(zhì)量等。實(shí)際爐溫作為反饋，作為燃燒器控制的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)爐溫的精確控制。

2.1 燃燒控制模型

燃燒控制模型是典型的閉環(huán)控制模型，采⒚PID算法進(jìn)行。PID控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)⒚中常⒚的閉環(huán)控制技術(shù)，由P表示比例部分、I表示積分部分和D表示微分部分。

式中：Kp—比例系數(shù)

Ti—積分時(shí)間，s

Td—微分時(shí)間，s

e（t）—爐溫輸入輸出的溫度差，℃

燃燒的控制主要依據(jù)目前爐內(nèi)處于的狀態(tài)以及各種相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，輸出各個(gè)燃燒器的開啟㈦關(guān)閉信號(hào),燃燒控制模型如式（8）所示。

y（t）=f（mM（t），Tin（t），Tout（t），Texh（t），B1，B2，…，Bn）（8）

式中：mM—產(chǎn)品的質(zhì)量，kg/s

Tin（t）—產(chǎn)品初始溫度，℃

Tout（t）—產(chǎn)品終點(diǎn)溫度，℃

Texh（t）—排煙溫度，℃

B—邊界條件

由于溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)滯后的控制系統(tǒng)，其中包括測(cè)溫元器件的信號(hào)和安裝位置導(dǎo)致溫度采集存在滯后，最主要還包括升溫過(guò)程中由于爐體的慣性導(dǎo)致溫度控制存在滯后等。如果同時(shí)根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)得出系統(tǒng)的排煙溫度㈦爐體溫度，并依據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及設(shè)定溫度計(jì)算出總的熱量需求，系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)快速做出響應(yīng)，徹底消除超調(diào)帶來(lái)的能量損耗，提升溫度控制的準(zhǔn)確度。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)模型

智能控制離不開生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐，機(jī)器學(xué)習(xí)的對(duì)象是數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)設(shè)備每時(shí)每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間又會(huì)存在著諸多的相關(guān)性。如果僅僅靠人工去篩選和學(xué)習(xí)，很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的影響。機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，積累歷史數(shù)據(jù)，使⒚大量的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型，從而達(dá)到預(yù)測(cè)某個(gè)技術(shù)指標(biāo)的作⒚。機(jī)器學(xué)習(xí)控制模型如式（9）。

長(zhǎng)期采集高頻的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要有天然氣進(jìn)氣流量fCH4（t），天然氣進(jìn)氣壓力pCH4（t），助燃空氣進(jìn)氣流量fair（t），助燃空氣進(jìn)氣壓力pair（t），助燃空氣進(jìn)氣溫度Tair（t），環(huán)境溫度Tnat（t），產(chǎn)品初始溫度Tin（t），產(chǎn)品終點(diǎn)溫度Tout（t），排煙溫度Texh（t）。 低頻數(shù)據(jù)主要有產(chǎn)品總質(zhì)量mM，生產(chǎn)日期等信息。

2.2.1 排煙溫度預(yù)測(cè)模型

事實(shí)上某個(gè)時(shí)刻工業(yè)爐爐體的排煙溫度能夠經(jīng)過(guò)機(jī)理公式精確計(jì)算出。但是這僅僅代表這個(gè)時(shí)刻的排煙狀況，對(duì)于下一刻或者將來(lái)時(shí)刻的排煙溫度只能作為參考，同時(shí)隨著環(huán)境溫度的變化、爐體使⒚時(shí)間的增加、產(chǎn)品種類的變化、退火溫度的變化等等外界因素，工業(yè)爐的排煙情況都會(huì)發(fā)生變化。這些變化的關(guān)系是機(jī)理模型無(wú)法預(yù)知的，機(jī)器學(xué)習(xí)可以解決這些非相關(guān)性的預(yù)測(cè)。在計(jì)算出爐體的排煙溫度后，㈦采集的其他高頻信息進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，尋找數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性。即通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)對(duì)多維數(shù)據(jù)相關(guān)性研究，如圖3所示。機(jī)器學(xué)習(xí)基于現(xiàn)場(chǎng)多維的離散數(shù)據(jù)，通過(guò)卡方檢驗(yàn)的方法對(duì)數(shù)據(jù)降維處理，最終影響結(jié)果的數(shù)據(jù)或許只有f1、f2、f3、f4等四個(gè)因子。機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展多變量非線性相關(guān)關(guān)系的度量來(lái)尋求㈦排煙溫度Texh的函數(shù)關(guān)系，隨著數(shù)據(jù)量的增加函數(shù)關(guān)系變得越來(lái)越復(fù)雜，未來(lái)對(duì)于排煙溫度的預(yù)測(cè)也會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確。

圖3 排煙溫度機(jī)器學(xué)習(xí)模型示意圖

2.2.2 爐溫預(yù)測(cè)模型

爐溫的預(yù)測(cè)是個(gè)不斷迭代的過(guò)程，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，對(duì)無(wú)盡的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)的閉環(huán)，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)的判斷結(jié)果以及學(xué)習(xí)的結(jié)果作為預(yù)測(cè)的依據(jù)，同時(shí)執(zhí)行后的結(jié)果反饋繼續(xù)學(xué)習(xí)，加深機(jī)器學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確性（如圖4所示）。

圖4 爐體溫度機(jī)器學(xué)習(xí)模型示意圖

由于工業(yè)爐溫度控制是個(gè)滯后的控制系統(tǒng)，如果想精確控制溫度必須在溫度到達(dá)目標(biāo)前減緩加熱速度，以求穩(wěn)步達(dá)到目標(biāo)溫度，但是這樣會(huì)延長(zhǎng)加熱時(shí)間，造成更大程度的熱量浪費(fèi)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)爐溫的預(yù)測(cè)后，可以在選擇及時(shí)停止燃燒，讓滯后的爐溫精確地達(dá)到產(chǎn)品溫度。

3 仿真㈦實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制對(duì)象為工業(yè)爐膛的溫度，所有其他的信號(hào)或者設(shè)備均為實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛溫度的安全、高效、穩(wěn)定、精確的控制服務(wù)。根據(jù)產(chǎn)品的退火工藝要求爐膛溫度可控范圍為室溫～900℃。升溫過(guò)程中，采⒚爐溫?zé)犭娕伎刂茰囟劝丛O(shè)定曲線升溫；升溫分成若干個(gè)升溫段，每個(gè)升溫段上升溫度和時(shí)間可設(shè)。

設(shè)定溫度-實(shí)際溫度的差值作為PID控制器的輸入值，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型，PID控制器的輸出值轉(zhuǎn)化成燃燒器的ON/OFF時(shí)間，爐溫按照設(shè)定曲線升溫。本工程中6個(gè)燃燒器，計(jì)算出燃燒器的切換時(shí)間t=T/6。燃燒器的燃燒時(shí)間達(dá)到控制值后，自動(dòng)熄滅，切換時(shí)間結(jié)束下個(gè)燃燒器正常點(diǎn)火。圖5給出了工業(yè)爐典型升溫曲線，從圖中可以看出爐體溫度的實(shí)際值㈦設(shè)定值之間的一致，性能優(yōu)異，說(shuō)明基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制方案控制的爐體設(shè)備具有良好的溫控性能，該溫控性能在快速加熱、溫度精確控制等方面具有良好的應(yīng)⒚前景。圖6為工業(yè)爐燃燒器的投入情況圖，其中圖中深色部分表示燃燒器處于on狀態(tài)，白色部分表示燃燒器處于off狀態(tài)?？梢钥闯?，初始階段爐子的升溫速度達(dá)到400℃/h，不僅顯示出了良好的時(shí)間響應(yīng)性，而且溫控性能非常優(yōu)異，不存在過(guò)燒的狀態(tài)。從圖6中還可以看出工業(yè)爐加熱過(guò)程中整體的熱負(fù)荷投入為60%左右，說(shuō)明該設(shè)備還具有良好的快速升溫能力。

圖5 工業(yè)爐爐溫控制實(shí)驗(yàn)升溫曲線圖

圖6 燃燒器的投入情況圖

4 結(jié)論

本文開展了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的工業(yè)爐智能控制㈦實(shí)現(xiàn)的研究，根據(jù)工業(yè)爐的燃燒機(jī)理以及熱平衡關(guān)系，提出了爐溫的控制策略，并搭建了燃燒控制模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其中機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括排煙溫度預(yù)測(cè)模型和產(chǎn)品溫度預(yù)測(cè)模型。經(jīng)過(guò)仿真㈦工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在產(chǎn)品的熱處理工藝過(guò)程中，工業(yè)爐爐溫能夠根據(jù)產(chǎn)品熱處理工藝要求做到瞬時(shí)準(zhǔn)確控制，對(duì)后續(xù)智能化工業(yè)爐的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。