摘要：加熱爐燃燒過程具有非線性、慢時(shí)變、大滯后及含有許多不確定因素的特點(diǎn),本文針對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)爐溫控制精度不高而造成超調(diào)或調(diào)節(jié)速度慢的狀況，把基于經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行技術(shù)的人工智能引入控制系統(tǒng)中，利用模糊控制規(guī)則自適應(yīng)地在線對溫度控制回路PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，使控制器在生產(chǎn)運(yùn)行的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性之間做出最佳的控制參數(shù)設(shè)置，從而優(yōu)化整個溫控系統(tǒng)。
   

      關(guān)鍵字：自適應(yīng)控制；模糊控制；PlD

Optimize and application of the combustion system in Reheating Furnace
          

          Ma jing【1】  Ni wei【2】   Ren ying【3】   Yang minghua【1】

(Automation department of LaiWu iron and steel Shan Dong 271104)
      Abstract：According to the characteristics of reheating furnace combustion control system control precision which causing overshoot or adjusting slowly, the paper introduce the artificial intelligence basing on the experience and the operation technology, and use the fuzzy control rule to optimize self-adaptive PID adjustive parameter of temperature control circuit which make the best parameters setting between the production speed of response and accuracy and optimize the entire temperature control system
      Keywords：self-adaption control， fuzzy control，PID

      1.引言
      世界鋼鐵領(lǐng)域變革的步伐正在加快，對于加熱爐而言，在保障不減少產(chǎn)量的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理不同鋼種的坯料，使之具有靈活的操作性、良好的加熱質(zhì)量和加熱曲線已成為加熱爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨著所處理坯料的多樣化以及加熱爐容積和寬度的不斷增加，良好的控制系統(tǒng)最終帶來最大的生產(chǎn)效益和最低的生產(chǎn)成本。
    

      2.工藝簡介
      寬厚板加熱爐采用了雙爐門、雙步進(jìn)梁、雙排布料方式、全箱型結(jié)構(gòu)，即一個加熱爐相當(dāng)于兩個小加熱爐，進(jìn)出料互相獨(dú)立，互不影響；采用側(cè)燒嘴和頂部燒嘴供熱，分為10個控制段。在爐型結(jié)構(gòu)和外形上與熱軋帶鋼加熱爐相似，但厚板的生產(chǎn)具有批量少、坯料較短、品種規(guī)格多的特點(diǎn)，相應(yīng)的加熱板坯的品種多、厚度變化頻繁、出爐溫度的變化范圍大。因此，生產(chǎn)操作難度要更大、更復(fù)雜。
      厚板加熱爐不僅具有兩套步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)，特別重要的是，步進(jìn)爐加熱坯料抽出順序需要考慮采用臺車爐的加熱坯料抽出順序插入的影響，因此，步進(jìn)爐加熱坯料出爐節(jié)奏并不是只有步進(jìn)爐的影響，模型中抽出節(jié)奏和出爐時(shí)間計(jì)算變得更為復(fù)雜。當(dāng)軋線停軋或軋制節(jié)奏提高需要迅速的降溫和升溫時(shí)，固定的比例積分值就不能滿足生產(chǎn)的需求。萊鋼寬厚板加熱爐解決這一問題的方法是將模糊控制原理應(yīng)用到調(diào)節(jié)器比例與積分的動態(tài)調(diào)整上，在不同的生產(chǎn)狀況下計(jì)算出不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，來提高燃燒系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)燃燒控制與生產(chǎn)狀態(tài)的動態(tài)跟隨，實(shí)現(xiàn)各段溫爐設(shè)定值自修正、各段爐溫自協(xié)調(diào)、各參數(shù)在線自整定的自尋優(yōu)最佳燃燒控制，提高了生產(chǎn)率，同時(shí)有效的降低能耗。
 

      3. Fuzzy-PID復(fù)合控制
      3.1  模糊控制原理　常規(guī)的二維模糊控制器[1]是以誤差和誤差變化速率作為輸入變量，這種控制器具有Fuzzy 比例-微分控制作用，而缺少Fuzzy積分作用。這樣,模糊控制系統(tǒng)的動態(tài)性能較好，而穩(wěn)態(tài)性能不能令人滿意。在線性理論中，積分控制作用能消除控制的穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應(yīng)慢，比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快，而比例積分作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又具有較快的動態(tài)響應(yīng)。因此，把PID(PI)控制策略引入Fuzzy控制器，構(gòu)成Fuzzy-PID(PI)復(fù)合控制，優(yōu)勢互補(bǔ)，得到了較理想的控制效果，進(jìn)一步提高了自動調(diào)節(jié)品質(zhì)。這種復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用Fuzzy控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID(PI)控制，二者間切換采用跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)無擾動切換。　
      3.2  加熱爐溫度控制策略
      3.2.1  串級比值控制[2]   串級比值控制是爐溫控制最為基本的控制方法,也是一種目前現(xiàn)場使用最多的方法。它具有可克服煤氣、空氣壓力波動,保證空燃比,方案簡單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
串級比值控制的原理圖如圖1。 

                                          圖1串級比值控制方法
      常規(guī)溫度控制回路采用靜態(tài)比例調(diào)節(jié)方式，采用固定的比例與積分參數(shù)，對設(shè)定值和反饋值進(jìn)行計(jì)算，得到對應(yīng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)在狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)運(yùn)行良好。若生產(chǎn)延時(shí)不但在生產(chǎn)起始時(shí)會觸發(fā)瞬態(tài)而且在延時(shí)起始時(shí)亦將觸發(fā)瞬態(tài)（煤氣流的急劇開關(guān)）。
加熱爐溫度調(diào)節(jié)的主要問題是工藝過程比例積分微分調(diào)控裝置（PID）系數(shù)的正確調(diào)整。加熱控制中不能用簡單傳遞函數(shù)模擬工藝過程的情況占絕大部分時(shí)候。由此可得出結(jié)論，傳統(tǒng)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?！　　　　　　　　　　　　　　?nbsp;
      3.2.2  PI（比例積分）參數(shù)模糊整定[3]  模糊管理程序適合用于調(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)。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。模糊調(diào)控為監(jiān)控級調(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。所考慮的變量如下：
      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。
模糊程序塊原理：
     為確保正常運(yùn)行，模糊邏輯控制器需要3種數(shù)據(jù)：
    （1）用模糊子集描述的輸入變量
　　誤差：設(shè)定值-測量值；
　  所測溫度的變化率；
　  該區(qū)段產(chǎn)品的重量；
　　實(shí)際出鋼節(jié)奏。
    （2）模糊子集描述的輸出
　　比例增益：Kp;
　　積分時(shí)間：Ki；
     （3）類型規(guī)則：如果<條件>，那么<結(jié)論>，此規(guī)則可使輸入語言變量與輸出語言變量相關(guān)聯(lián)。
       模糊管理程序塊原理模式見圖2所示。

      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)，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)，認(rèn)為系統(tǒng)就進(jìn)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，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(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，將用累加總穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)模式組的中間結(jié)果值，之后再乘以各步驟運(yùn)用的隸屬度（由模糊斷續(xù)器完成）的方法計(jì)算最終結(jié)果值。

      4 控制方法的應(yīng)用
      萊鋼寬厚板加熱爐燃燒控制就采用了串級、雙交叉限幅及模糊控制相結(jié)合的辦法，針對具體情況采用不同控制辦法，取得了很好的應(yīng)用效果。
      4.1 控制算法的應(yīng)用分析  串級控制克服了煤氣、空氣壓力波動,保證空燃比,方案簡單易于實(shí)現(xiàn)。串級控制主要應(yīng)用于對象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大、干擾作用強(qiáng)而頻繁、負(fù)荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。
雙交叉限幅有效控制了動態(tài)空燃比，缺點(diǎn)是限幅犧牲了系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化的速度，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；另外，在實(shí)際應(yīng)用中易使控制系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。因此它僅在溫度調(diào)整范圍較小、速度不快的均熱段控制時(shí)有使用實(shí)例。為了進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，改進(jìn)型雙交叉方法還將限幅系數(shù)設(shè)為可根據(jù)溫度偏差自動修正，以便在溫度偏差較大時(shí)減弱或取消限幅功能。
PID控制與模糊控制相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得整個燃燒系統(tǒng)具有模糊控制靈活、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過對偏差的智能化處理，以及引入最大最小限幅值，智能分段控制等概念，實(shí)現(xiàn)對數(shù)學(xué)模型不確定的控制對象的滿意控制，使系統(tǒng)具有可靠性高、使用壽命長等適合實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的特性。
萊鋼寬厚板加熱爐模糊邏輯調(diào)控裝置由數(shù)個模塊構(gòu)成，模塊按情形使用。其中有：
穩(wěn)態(tài)程序（ST），適用于準(zhǔn)穩(wěn)過程；
瞬態(tài)程序（TR），適用于過渡過程；
通過程序，適用于過程從穩(wěn)定到瞬態(tài)或從瞬態(tài)到穩(wěn)定的起始時(shí)段；
偏差程序，用于按照區(qū)域的產(chǎn)品質(zhì)量與實(shí)際節(jié)奏計(jì)算參數(shù)更正值。
      4.2廢氣殘氧閉環(huán)修正空燃比  這種方法是利用測量煙氣中含氧量的辦法來控制空氣和煤氣的配比，其優(yōu)點(diǎn)是燃燒控制不受煤氣熱值與壓力波動以及流量計(jì)不準(zhǔn)的影響，缺點(diǎn)是氧化錯探頭壽命短、價(jià)格貴，限制了此方法的推廣使用。加 熱爐 的優(yōu)化控制是在滿足鋼坯出爐時(shí)，達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)溫度、斷面溫差和鋼坯的整個加熱過程能耗最低的條件下，根據(jù)軋機(jī)與加熱爐的生產(chǎn)情況以及爐內(nèi)加熱鋼坯的品種和規(guī)格，綜合給出加熱爐各段爐溫的設(shè)定值，使?fàn)t內(nèi)熱工制度達(dá)到最優(yōu)。由于爐內(nèi)熱工制度的核心是爐溫制度和供熱制度。因而加熱爐的優(yōu)化控制可以是控制爐溫制度為最佳，也可以是控制供熱制度為最佳。 
      4.3 控制算法的自學(xué)習(xí)  對于整定后模型數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，通過記錄上支鋼的數(shù)據(jù)，在下支鋼燃燒時(shí)自適應(yīng)修正模型數(shù)據(jù)，這樣的自學(xué)習(xí)技術(shù)使控制精度和控制實(shí)時(shí)性很好。加熱爐在線優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型包括爐內(nèi)鋼坯溫度場的計(jì)算、最優(yōu)化爐溫。數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果圖3 、圖4、圖5和圖6分別表示了當(dāng)鋼種為碳素結(jié)構(gòu)鋼、規(guī)格為200x345x17000mm時(shí)各部爐溫為:上加熱段1180℃，上均熱段1170℃，下加熱段1160℃，下均熱段1160℃的情況下，由模型計(jì)算的鋼坯各斷面溫度分布、最大斷面溫差分布、鋼坯氧化燒損量分布和鋼坯表面熱流分布曲線。設(shè)定值計(jì)算、動態(tài)補(bǔ)償和待軋策略等幾個部分，其中爐內(nèi)鋼坯溫度計(jì)算是實(shí)現(xiàn)加熱爐最優(yōu)控制的基礎(chǔ)。

      5.總結(jié)
      鋼鐵工業(yè)是耗能大戶，其中鋼坯加熱爐就占鋼鐵工業(yè)總能耗的25%。因此，提高加熱爐熱效率、降低能耗，對整個鋼鐵工業(yè)節(jié)能具有重要意義，本系統(tǒng)中控制回路參數(shù)模糊整定及溫度優(yōu)化設(shè)定大大提高控制精度、提高鋼坯加熱質(zhì)量、減少氧化燒損、減少脫碳層厚度、減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

      參考文獻(xiàn)：
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      [2]、杜佳璐,林葉錦. 加熱爐最小能耗優(yōu)化控制策略的研究[J]。自動化與儀器儀表，2000，88(2)：9211
      [3]、張立志，王玲，廖東梅。加熱爐的模糊控制及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[J]。節(jié)能技術(shù)，1997，81(1)：92210
作者簡介：
     馬凈（1977—  ），女，工程師，學(xué)士，山東人，畢業(yè)于山東大學(xué)計(jì)算機(jī)，主要研究方向?yàn)檐堉瓶刂婆c人工智能。
     通訊地址：山東省萊鋼自動化部工程所  馬凈
     郵編：271104
     電話：0634-6921368