型钢加热炉温度控制系统设计及仿真研究.doc

57内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）加热炉温度控制系统设计及仿真研究摘 要加热炉是一个典型的复杂的工业被控对象，它很显著地具有多变量，时变，非线性，强藕合，大惯性和纯滞后等特点，而且由于炉温分布难以测量，外界扰动因素多，很难对其进行准确建模和控制。并且，随着工艺要求的日益提高，以前的传统控制方法己经不能满足现在的社会需求。本设计将对加热炉控制的关键问题：燃烧控制、温度控制以及空燃比优化等进行研究，因此，本设计主要涉及以下几点：1.采用炉温-燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。2.在现有几种燃烧控制方法的基础上，提出了双边限幅控制。3.提出了变空燃比的控制。4.运用matlab软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。关键词：加热炉；炉温-燃烧串级控制；双边限幅控制；仿真the design and simulation of furnace temperature control systemabstractfurnace is atypical industrial complex object, it is notable to have a multi-variable, time-varying, nonlinear ,strong coupling, and the inertial characteristics of pure delay, and because the temperature of furnace is difficult to measure, external disturbance factors, it is difficult to accurately modeling and control. and, with the increasing requirements of the process, the traditional control method has been unable to meet the current needs of the community. the design relates mainly to the following points: 1. using combustion temperature cascade control method of temperature control.2. several of the existing combustion controlling methods on the basis of bilateral limiting controlled.3. change of the air-fuel ratio control.4. using matlab software on the temperature control system for a more comprehensive simulation and performance analysis. key words: furnace; combustion temperature cascade control; bilateral limiting control; matlab simulation 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iiabstractiii第一章 绪论11.1概述11.2国内外现状11.3本设计的研究内容21.4小结3第二章 加热炉工艺及难点分析4.21加热炉工艺流程42.2燃烧机理分析52.3加热炉工艺要求72.3.1炉膛温度72.3.2燃烧过程82.3.3炉膛压力82.3.4送风管总压力92.4加热炉难点分析92.4.1被控对象特性92.4.2加热炉控制难点102.5小结11第三章 加热炉控制系统123.1加热控制系统结构设计123.2炉温-燃烧串级控制133.2.1串级控制特点133.2.2炉温-燃烧串级控制分析143.2.3主回路温度控制策略选择143.3常规模糊控制器结构分析153.3.1控制器基本结构153.3.2量化因子对控制器性能的影响173.3.3模糊推理183.4温度模糊控制器设计203.4.1控制器参数确定203.4.2控制器具体设计方法223.5小结26第四章 燃烧控制策略研究274.1燃烧副回路的控制目标274.2基于稳定空燃比的燃烧控制策略284.2.1单回路控制原理284.2.2串级比值控制原理284.2.3单边限幅控制原理304.2.4双边限幅控制原理324.3加热炉炉温控制系统仿真结果分析364.3.1单回路控制仿真结果分析374.3.2串级比值控制仿真结果分析394.3.3单边限幅控制仿真结果分析404.3.4仿真结果分析比较424.3.5双边限幅控制仿真结果分析434.4小结44第五章 加热炉炉温模糊控制系统仿真465.1对象模型的建立465.2模糊控制器仿真475.3加热炉炉温控制系统仿真结果分析485.3小结50参考文献51附 录52致 谢53内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1概述随着科技的飞速发展，能源与环境面对着巨大的挑战。不可再生能源的枯竭，现代工业能源利用过低，环境污染严重，使人们意识到我们面对着一个很大的挑战。为了解决如今所面对的问题，我们可以从两个方面来进行改革。第一：寻求新的能源，探索世界未知领域是当今科学研究的主流；第二提高工业能源的利用率、保护环境，沿着可持续发展的路线走下去是现代工业当务之急必须采取的改革措施。对于一个钢铁冶金企业来说，能用最低的生产成本生产出高质量的产品是其最重要的生产目标，也是实现企业利润最大化的必由之路。随着世界能源危机的逐渐加剧，各个国家都在加紧研究工业生产的节能降耗问题，作为能耗大户的钢铁冶金行业对于节能降耗问题起到了举足轻重的作用，这个占整个冶金工业能耗四分之一强的加热炉能耗问题走到了首当其冲的位置，加热炉节能降耗的问题对于钢铁冶金企业的意义重大。加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的25%,而其温度控制性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量。目前，国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行自动优化控制以实现节能和降低对环境的污染。因此，提高加热炉控制水平，建立良好的炉温自动控制系统成为当务之急。1.2国内外现状早在60年代初，世界上许多国家如美国、前苏联、联邦德国等国家已开始研究加热炉的优化策略。最初，加热炉控制一般采用常规仪表。由于受到常规仪表功能限制，很难组成复杂的控制系统。同时，随着计算机技术的逐步发展、成熟,使得加热炉控制应用复杂、先进的控制策略成为可能。因此，计算机技术逐步取代常规仪表，在加热炉中得到应用，计算机技术的应用也极大的促进了控制策略的进一步发展。日本是最早将计算机技术引入加热炉生产过程的国家之一，而且发展迅速。随后，其它国家如英国、美国、法国、德国、加拿大、前苏联等也分别在六七十年代将计算机引入加热炉生产过程。我国是从八十年代初期开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究，虽然起步较晚，但目前在控制理论和关键技术的开发和应用方而作了大量工作。我国轧钢企业的加热炉很多，大型现代化炉子都配备了计算机监控或控制系统，进行了不同层次的控制，绝大多数控制系统以燃烧控制为主，有的控制系统具有优化功能，而高级控制系统虽有研究但应用还较少2。总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，还有许多处于手工操纵阶段。1.3本设计的研究内容本设计源于钢铁公司三段式推钢侧出加热炉，燃料采用高炉焦炉混合煤气。在参照相关理论的基础之上，设计了该加热炉控制系统，包括加热炉内的炉温燃烧串级控制、单边限幅燃烧控制、双边限幅燃烧控制。很好地抑制了处于副环（煤气热值和压力的波动、生产率的改变及炉内参数的变化等）的干扰因素对加热炉运行的影响；同时高效的利用了能源和降低了环境的污染；提高了炉温控制的快速性，实现了加热炉燃烧过程的有效控制。具体来说，本设计主要完成了以下几个方面的工作: （1） 查阅了大量的文献资料，对国内、外加热炉计算机控制系统发展及应用现状作了详细的综述，指出了加热炉控制存在的问题和系统研究的意义。（2）对加热炉的核心技术燃烧机理进行了深入研究，阐述了燃烧效率与空燃比的关系。并且从工艺角度对加热炉中关键技术提出了相应的要求，分析了加热炉控制系统的难点。（3）采用炉温燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。详细分析各段不同的升温特性，以此为依据设计了炉温模糊控制器。（4）运用matlab软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。1.4小结本章从节能、环境和出钢品质问题入手，根据国内现状，提出了改造加热炉炉温-燃烧控制系统的问题。同时，基于国内加热控制系统的现状和加热炉本身的特性，本设计提出了三点：（1）从节能和环境问题入手对燃烧控制系统提出了双边限幅控制。（2）从出钢的品质要求、加热炉本身的大惯性和纯滞后等特性、随机因素干扰多等问题入手对炉温控制系统提出了串级控制。（3）将模糊控制与传统pid相结合将有效的提高系统的鲁棒性，改善pid的不足。燃烧控制系统和炉温控制系统不是独立的，没有燃烧控制又何从谈炉温控制；只谈燃烧控制而没有炉温控制又有何意义。即燃烧控制决定了炉温控制，炉温是燃烧控制的一个重要的外在表象。则燃烧控制和炉温控制是相互联系相互影响的，在本设计中它们是处于一个大系统中的，即炉温-燃烧串级控制系统。因此，节能、环境和出钢品质问题是一个有待整体解决的问题。第二章 加热炉工艺及难点分析.21加热炉工艺流程加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度3。在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使产品达到需要的品质。 图2.1 加热炉结构图此加热炉为三段式（即预热段、加热段、均热段）端进侧出加热炉，沿炉长方向分为预热段、ii 加热段、i 加热段和均热段，如图2.1所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热炉中的钢坯，从而提高燃料的利用率，为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料，分成五个控制区域对加热炉的燃烧过程和炉温进行控制，即预 热段区，并将 i 加热段和ii均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独控制，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量控制器、煤气流量控制器，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制4。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然要求对加热炉内的温度进行有效的控制使其保持在某一特定的范围内，出钢温度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源浪费，甚至造成粘钢的严重事故。过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求， (这里气氛主要是指氧化气氛和还原气氛，具体要求视加热工艺要求而定)如果氧化气氛过重，会使被加热金属表面生成较厚的氧化皮，不仅浪费材料，而且严重的还会影响产品表面质量。如果还原气氛过重，不仅白白浪费大量燃料，同时还污染了空气，可见，燃烧过程是影响加热炉系统的关键。2.2燃烧机理分析燃烧过程是燃料（固体、气体、液体或者它们的混合燃料）的氧化过程，而氧化反应生成的热正是我们所需要的热量。当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低并不由燃料数量的多少来决定，而取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。但是空气中的氮气不仅不参与燃烧，而且还要起一种稀释作用，从而降低了火焰的温度，由此可见，在实际工况中，最高火焰温度是发生在空气微过量的情况下。根据热力学的原理，辐射的能量与火焰绝对温度的四次方成正比，所以炉子的最高效率总是在火焰温度最高的情况下才能出现5。图2.2 燃烧系统评估因素图2.2表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的配比，即空燃比来描述：设 为剩余空气系数，r 为空燃比。其定义如下: （2-1） （2-2）可知空燃比r 与剩余空气系数 的关系为： （2-3） （2-4）为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量。和分别为空气流量的测量值和最大值。和分别为燃料流量的测量值和最大值。为理论空气修正系数。从图2.3可以看出，当 为1时，是理论上达到合理空燃比所需要的空气量；但在实际中， 1和1 1.02分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当 1.10时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低，同时，过多的ox会使nox和sox增加，对环保也不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.02 1.1是最佳的燃烧方案，在此燃烧区域内，可以得到如下的经济效果：（1）燃烧效率最高，综合的热损失最小，达到节能的目的。（2）减少燃烧空气量和排风量，节省风机的动力费用。（3）既能避免黑烟的出现，又降低 no x的生成，减少空气污染。（4）降低 sox 的生成，防止设备腐蚀，延长了炉龄。（5）减少灰分，使除尘器小型化并节省维护费用。2.3加热炉工艺要求加热炉系统非常复杂，很多系统相互影响，为了达到工艺水平，保证出钢的质量，对以下几个部分做出了相应的要求：炉膛温度、煤气和空气流量(燃烧过程) 、炉膛压力、送风总管压力等6。2.3.1炉膛温度 在加热炉系统中，炉温的高低直接决定钢坯的温度。如果炉温偏低，导致钢坯温度偏低，钢坯软度不够将会损坏轧钢机；如果炉温偏高，钢坯会在加热炉中发生粘结，因此，对炉膛的温度范围有较高的要求。炉膛温度是个复杂的被调量，受到很多因素的干扰，如各段之间温度的相互影响，冷钢进入加热炉导致的温度降低，预热空气温度的波动，炉膛压力的变化。对于炉膛温度，我们的要求是，当加热炉内的温度稳定不变时，喷入炉内的煤气流量也能恒定不变；而当炉温受到外界扰动作用偏离给定值时，则煤气流量又必须作相应地变化，以使热能的供需达到新的平衡，从而保持炉内温度恒定不变。在动态过程中，必须要保证响应的快速性和较高的鲁棒性。2.3.2燃烧过程 燃烧的基本条件是燃料和空气，通过燃烧器将燃料和空气充分混合是燃料完全燃烧的关键，根据对燃烧机理的剖析，为了节能和保护环境，不管是在燃烧稳定的状态下还是在过渡状态下，都必须将空气流量和燃料流量的空燃比控制在正常值上。在通常的燃烧系统中，常常是根据大量的经验总结给出操作中应遵循的空燃比要求，然后在燃烧中保持此空燃比，同时稳定炉温在设定范围内。但是加热炉中使用的燃料性能不高，燃料的热值的慢时变是不可避免的，当燃料的热值变化较大时，继续保持预先设定的空燃比就没有意义了。这就意味着燃烧控制系统要根据燃料的具体情况使燃烧状况符合一定的要求，在这种情况下如果仍然人为设定为一固定的空燃比显然是无法使燃烧保持最优的，所以，在要求较高的燃烧系统中最好具备动态优化空燃比的功能。因此，燃烧过程应满足以下两点要求: 7（1）保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节。（2）在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值能在线优化。2.3.3炉膛压力炉膛压力是保证加热炉良好燃烧状况的一个重要因素，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果，对出钢质量有很大影响。以均热段的炉膛压力检测点为准。当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷，造成很大一部分热损失。当然，均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其他开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且由于其必须被加热到炉温后才能排除，这样造成了燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料，且给炉膛温度控制系统带来很大的麻烦，是绝对不允许的。可见，这两种情况对炉内热工过程均不利。从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调节炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。而在炉内压力发生波动时，根据炉膛压力检测结果，改变炉压调节器的输出，即通过烟道阀门开度的大小，改变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值上，以维持炉内微正压。2.3.4送风管总压力为了保证燃烧充分，要使烧嘴喷出的煤气和空气有一定的速度且能充分混合，就必须使供风压力达到一个合理的值。因此，要保证炉温控制的顺利进行，必须对送风总管的压力进行有效的调节。同时，供风压力必须和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调节的灵敏度。若煤气压力过低，必须相应调低供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调节行程大致相同，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。反之，若煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调节更为准确，以免在调节过程中出现黑烟。2.4加热炉难点分析2.4.1被控对象特性加热炉难以用严格的数学表达式来描述其特性，是具有大惯性、时变性、严重非线性等特性的对象，其结构复杂，受许多干扰因素的影响，燃料的发热值又很难在线准确测量，且炉内参数多变。因此，一般线性调节器不能满足对象及工艺控制的要求，而对于燃烧控制系统，采用pid算法双交叉限幅效果较好。从上述可归纳出被控对象有以下特性8:（1）系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；（2）系统滞后的未知性和时变性；（3）系统严重的非线性；（4）系统各变量间的关联性；（5）环境干扰的未知性、多样性和随机性。由此可见，加热炉系统是具有不确定性的复杂控制对象。2.4.2加热炉控制难点我国的加热炉自动化系统，大多还处于第1代的水平，只有10%左右用上了第2代plc/dcs系统9。由于加热炉复杂的工艺对象特性以及检测/驱动设备较差，给加热炉实施全面自动控制带来种种困难。具体表现在:（1）工艺粗糙复杂首先，加热炉是一个复杂对象。钢坯加热炉一般是多段式复合结构，分段加热，各段之间温度相互影响。其燃烧升温过程是一个典型的具有时变性、非线性、滞后性等特性的过程。要描述炉内热交换机理除包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很多不确定因素。因此，要以数学方法建立加热炉这种复杂、粗糙对象的模型是十分困难的。其次，燃料波动大。由于煤气是供应全厂区生产，每一处使用都会对其他地方产生影响，故压力波动非常大（在该课题中实测为2.510kpa）,且混合煤气的成分也在发生变化，使煤气的燃值也发生变化，进而引起炉温的波动。第三是生产节奏波动。由于加热炉车间是为轧钢生产线服务的从属车间，故轧钢生产线故障及生产节奏的变化对加热炉生产影响较大，造成加热生产节奏经常波动。（2）检测/驱动设备不良检测/驱动设备是加热炉自动控制系统的重要设备，其检测数据是否准确、控制信号能否得到顺利执行将直接影响到调节效果。但目前国内加热炉大多存在如下问题:调节阀线性不好，有时煤气堵塞，致使控制不灵；有些流量检测环节设计不好，流量难以计测。这些给加热炉控制带来很多困难，造成炉子的大惯性以及阀的非线性，传统pid难以克服；流量测量不准确，双交叉限幅响应速度慢，基础自动化无法投运；数学模型虽功能齐全，但由于假设过多，与实际模型相差甚远，不能真正投运；残氧检测不合实际，无法克服热值波动影响，无法进行空燃比寻优。2.5小结对加热炉的工艺流程作了简单的介绍，最后提出了工艺要求，即炉膛温度、煤气和空气流量(燃烧过程) 、炉膛压力、送风总管压力是必须控制的。同时，对需要控制的对象作了介绍，为后续的设计提供了依据和明确了工作。特别的介绍了炉温对象的特性和期望达到的控制目标；也从多个方面指出燃烧控制是一个关键。因而本章为后续的设计思路指明了方向。第三章 加热炉控制系统3.1加热控制系统结构设计根据对加热炉工艺的深入分析，最终建立的加热炉控制系统结构框图如图3.1所示： 图 3.1 加热炉控制系统框图整个系统由以下几个部分构成11：（1）供风压力单回路 pid 控制系统；（2）汽包液位单回路 pid 控制系统;（3）炉膛压力单回路 pid 控制系统;对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位，由于被控对象单一，所以仅需要采用单回路 pid 就能达到较好的效果。（4）炉温燃烧串级控制系统；炉膛温度和燃烧系统紧密联系，温度控制器输出量作为燃烧控制器的给定值，而燃烧控制的结果，空气流量和燃料流量的配比，直接影响炉膛的温度高低，从结构上看，二者串联在一起，共同影响炉膛温度。因此，本文选用炉温-燃烧串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。3.2炉温-燃烧串级控制3.2.1串级控制特点 所谓串级控制系统是指一个调节器的输出用来改变另一个调节器的设定值，两台控制器从结构上看是串联在一起的控制系统。串级控制的特点在于12：（1）改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量。（2）由于发生于副回路内部的干扰，通常在它影响主被调量之前，就被副调节器校正了，故具有较强的抗扰动性能。（3）对负荷变化具有一定的自适应能力。（4）副回路可以按照主回路的需要对质量流量或能量流量实施精确控制。3.2.2炉温-燃烧串级控制分析 加热炉的温度控制一共分为五部分，每一部分单独设置一串级系统来实现炉膛温度的自动控制。在此系统中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即燃烧控制器的设定值，通过燃烧控制器去决定煤气阀门和空气阀门的开度。而煤气压力波动等变化剧烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。在稳定状态下，炉温控制器和燃烧控制器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。当稳定状态被破坏时，炉温控制和燃烧控制的串级控制开始作用。（1）煤气压力波动。当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。在初始阶段，由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温控制器的输出暂时不变，即煤气流量的设定值不变。由于误差的产生，煤气流量控制器发生作用，经过副回路的调节作用，会大大削弱它对炉温的影响，而此时炉温控制器开始工作，不断改变的副控制器的设定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。（2）炉温变化。当炉温降低时，温度控制器开始动作，控制输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量控制器输出增大，阀门增大开度，炉温逐渐升高，直到重新恢复设定值。可见，串级控制系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案，在本章中首先分析炉膛温度控制器的设计方法。3.2.3主回路温度控制策略选择 本设计对加热炉炉温采用 pid 控制。所谓 pid 控制，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算确定输出量，对被控对象进行控制的方法。当 p、i、d 三个参数达到最佳系数组合， pid 的控制效果是很好的。然而，pid 控制的难点是 p、i、d 三者系数的整定问题。方法如下：控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要讲解工程整定方法，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法13。临界比例度法 在系统闭环情况下，将控制器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改变，直到过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。衰减曲线法 此法与临界比例度法有些类似。不同的是让过渡过程最终呈现4：1衰减振荡为止。此时的比例度（s）和振荡周期（ts）即是我们需要的。因此，在纯比例情况下，系统不会出现等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减曲线法在此种情况下也同样能用。因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进行整定。对系统进行整定，用衰减曲线法4：1衰减振荡时，控制器参数经验公式如表3.1：表3.1 控制器参数经验公式反应曲线法在此也不再做介绍。 3.3常规模糊控制器结构分析3.3.1控制器基本结构模糊控制系统原理框图如图3.2所示，从图中可以看出，模糊控制系统与通常的数字控制系统的主要差别是以虚线框内的模糊控制器代替了传统的控制器19。模糊控制器是模糊控制的核心。一个模糊控制系统的优劣，主要是取决模糊控制器的结构，所采用的模糊规则，合成推理法，以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器（fussy controller，fc），也称为模糊逻辑控制器（fussy logical controller，flc），它是基于模糊语句描述的语言控制规则，所以又称为模糊语言控制器（fussy language controller，flc），一般的模糊控制器由四部分组成：模糊化、模糊推理机、解模糊、知识库。其中模糊推理是模糊控制器的核心部分，同时模糊量化也是影响控制器性能的关键因素。图3.2 模糊控制系统原理框图下面分别对四部分说明。（1）模糊化接口测量输入变量（设定输入）和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的响应论域的量程，然后，精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。本单元可视为模糊集合的标记。（2）知识库涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语言（模糊）控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义。语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。（3）推理机推理机是模糊控制系统的核心。以模糊概念为基础，模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取，并可实现拟人决策过程。根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。（4）模糊判决接口模糊判决接口起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制作用。此精确控制作用必须进行逆定标（输出定标），这一作用是在对受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的。反模糊化有很多种方法，最常用的有最大隶属度法、重心法、系数加权平均法等。3.3.2量化因子对控制器性能的影响在模糊控制器中，影响其性能的主要因素除了控制规则的制定外，合理地选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出变量的量化因子也是非常重要的。实验结果表明，量化因子和比例因子的大小及不同量化因子之间大小的相对关系，对模糊控制器的控制性能影响极大15。输入量的量化因子： ke = e /e； kec =ec /ec输出量的比例因子： ku =u /u上式中：e，ec，u 分别为误差、误差变化以及控制输出量的基本论域：e ，ec ，u 分别为误差、误差变化，控制输出量的模糊论域。系统 nt 时刻的响应，既取决于e（nt）和ec（nt），同时也取决于ke 、kec和ku 的大小，显然改变系统的量化因子就能够改变系统的响应。（1）量化因子ke 对系统响应的影响在量化因子的三个因子中，ke 的变化直接影响模糊控制查询表的垂直覆盖域的大小。ke 增大，相当于缩小了误差变量的基本论域，增强了对误差的控制作用。实际控制系统所采用的模糊论域是离散论域，当输入精确量在（-0.5/ke ，0.5/ke ）变化时，控制系统察觉不到输入量的变化，这个区域被称为模糊控制的控制死区。该死区的存在是系统进入稳态区后产生稳态误差的主要原因之一。ke 增大，减少了控制死区的范围，从而减少了系统稳态误差。但ke 过大会引起较大的超调，系统响应收敛缓慢，严重时会引起振荡。所以ke 变化对控制系统产生的影响是非单调的，ke 在稳定区域的最佳值和过渡区的最佳值有较大差别，如全程取同一个值很难兼顾过渡区的超调和稳定区的稳态误差。（2）量化因子kec对系统响应的影响kec 的变化影响模糊控制查询表的水平覆盖域的大小。 kec 增大，相当于缩少了误差变化量的基本论域。kec的增加会造成了系统响应的时间加长。而kec太小又容易引起系统的震荡，所以kec的变化同样也是非单调的。增大ke 和kec可以有效的减少系统响应的稳态误差，但是ke 和kec过大会引起系统的超调并降低收敛速度。ku 的变化是对控制查询表的修正，在保持 ke 和 kec 不变的条件下，增大 ku值一方面可以减少系统的动态响应过程，另一方面ku 的增大会导致系统震荡。适当选择ku 可以使控制器的输出与热负荷接近相等，从而使系统处于平衡状态，温差和温差变化都达到最小。3.3.3模糊推理 当推理所用的判断具有模糊性时，也就是在推理规则和事实中含有模糊命题，称之模糊推理。目前，模糊推理有很多种方法，常用的是mamdani方法和zadeh方法。尽管他们的数学基础不是非常严密，但推理所得结论与人类的推理思想结论是接近的，并能很好的用于解决实际问题。模糊控制是用ifthen形式的规则表示的控制系统输入输出关系。模糊模型主要有mamdani模型和sugeno模型。在mamdani模型中，系统映射可以写成：ri：if y(k) is ai1 and and y(k-n+1) is ain1 and u(k) is bi1 and u(k-m+1)is b1mtheny(k+1)isci (3-1)按buckley地mamdani推理，用重心法进行模糊判决，则系统地推理输出 (3-2)其中，为前提条件下的模糊蕴含，这种带模糊判决和mamdani型的模糊模型是对连续函数的一种完备映射。模糊控制中有几种常见的模糊推理，下面分别说明：（1）第一种模糊推理模糊蕴含运算采用mamdani的最小运算规则，这种模糊蕴含运算采用rc，从而有 (3-3) (3-4) （2）第二种模糊推理模糊蕴含运算采用larsen的积运算规则 (3-5) (3-6) （3）第三种模糊推理规则的结论是输入语言变量的函数在这种推理方法种，模糊控制规则具有如下形式：ri：如果（x是ai且y是bi）则 zfi（x，y）其中x，y表示过程状态变量和控制变量，ai，bi为过程变量的语言变量值。为了简单起见，假定有两条控制规则：r1：如果x是a1且y是b1则 zf1(x，y)r2：如果x是a2且y是b2则 zf2(x，y)根据第一条规则，控制作用的推断值为，第二条规则的推断值为，总的控制作用是和的加权组合，即 (3-7)3.4温度模糊控制器设计如图 2.1 所示，加热炉炉膛温度控制主要分为三段，即二加热段，一加热段和均热段，其中后两段分成上下两部分，每部分单独控制，即共设五个温度控制器。在设计控制器时，需要根据各段的不同特性，选取不同的论域和不同的量化因子。而隶属函数的形状也会很微妙地影响着整个模糊系统的过程16，因此，同样需要根据对象特性区别选择。3.4.1控制器参数确定下面通过钢坯三种不同的升温方式比较，如图 3.3 所示，来说明加热炉炉温在各段的分布特性，以确定不同段的模糊控制参数。（1）加热二段预热段和加热二段的作用是对初入炉的钢坯进行预热，因此要求把握好升温速度。如果升温过于缓慢，如图 3.3 方式 1，随后的加热段不得不加大燃料消耗量，提高钢坯的升温速度，致使钢坯温度梯度过大，导致钢坯的内外温度分布无法达到均衡，钢坯出炉时没有烧透，不利于进行轧制；相反如果升温过快，如图 3.3方式 3，断面温差较大，不仅燃料消耗量大大增加，而且使绝大多数钢坯种类处于弹性状态，使钢坯内部产生较大的热应力和加热缺陷，导致板带成品率降低。所以应使钢坯在低温区域预热时，加热速度适中，温度应力小，如图 3.3 方式 2，按此要求，应选择相对较小的ke 和较大的kec，而语言变量词集的选择应该较多，隶属函数应该是级数多而中心区域覆盖范围较大的隶属函数。（2）加热一段经过预热段和二加热段升温后的钢坯进入塑性范围，要求明显加快加热速度，使钢坯表面温度迅速上升到出炉所要求的温度，尽量减少钢坯在高温区域停留的时间，降低燃料消耗，同时使钢坯的氧化烧损程度减至最小。所以控制的重要指标是升温的快速性。如图 3.3 所示，三种加热方式在该段都是以最快的速度加热。因此该段选取相对较大的ke 和较小的 kec ，而语言变量词集的选择应该较少，据此应该选择中心覆盖区域较小，两端覆盖区域大的隶属函数。图3.3钢坯不同升温方式比较（3）均热段均热段的主要作用是使钢坯的断面温差达到轧制工艺要求。如图3.3 所示，进入均热段后，钢坯的表面温度不再升高，中心温度逐渐上升，内外温度达到平衡。所以该段控制的重要指标是炉膛温度的稳定性。因此，需要加强抑制扰动的能力，ke 和kec的选择应该兼顾快速性和稳态精度。而该段隶属函数的选择尽量均衡，变化缓慢，使控制特性也较为平缓。表 3.1 不同段间的参数选3.4.2控制器具体设计方法通过对各段特性的分析，对于模糊控制器的重要参数的选取有了很清楚的指导，下面以加热段为例，给出模糊控制器的具体实现方法18。（1）选择模糊控制器的结构作为设计工作的第一部分，进行系统分析，然后确定模糊控制器的输入及输出变量，包括他们的数值变化范围，以及要求达到的控制精度等。本文以加热炉温度为控制目标，燃料流量为副控制对象设计单变量二维模糊控制器。以温度误差e和误差变化率ec为模糊控制器的输入，以燃料流量控制电压u为模糊控制器的输出量。 （2）求取模糊控制表控制表是以整数表示输入量和控制量，在cri法中，通常把语言变量的论域转换成有限整数的论域。本质上是把连续论域离散化后产生离散论域。在此，我们再次引入量化因子这个概念，例如，若实际的输入量，其变化范围为,要求的论域为,，且采用线性变换，则 （3-8） （3-9）式中，k为比例因子。若在x；论域中有值a，则可以找到论域n中的元素b与之对应：b=q*a.其中q为量化因子。如果求出的b含有小数，则可采用四舍五入方法对b取整数。（3）确定模糊控制器输入输出模糊变量、模糊状态及论域等级对应e、ec、u 相应的模糊变量分别为e， e c， u。每个模糊变量可以分若干个模糊状态，如 nb（负大）、nm（负中）、ns（负小）、zo（零）、ps（正小）、pm（正中）、pb（正大）等。模糊状态数量选择取决于实际问题的要求，如控制精度、变量性质等，根据表 3.1 的分析，e 的模糊变量设为nb，nm，ns，no，po，ps，pm，pb；ec 的模糊变量设为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb；u 的模糊变量设为nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb；e ,ec ,u ,的论域为-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6：设偏差e的基本论域为-50,+50,通过量化变化到偏差语言变量e的整数论域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，则偏差e的量化因子应为。设偏差变化率ec的基本论域为-5,+5, 通过量化变化到偏差语言变量ec的整数论域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，则偏差ec的量化因子应为。设输出量u的基本论域为4v,20v, 通过量化变化到偏差语言变量u的整数论域-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6中，则偏差u的量化因子应为。（4）确定隶属函数根据表 3.1 的分析可知，对加热段的控制可以取模糊量的隶属度函数为等腰三角形，三角形的顶点对应该随机数的均值，底边的长度等于2。表示该随机数据的标准差。隶属度函数取为三角形，主要是考虑其表示方便，计算简单选取分布均匀，变化缓慢的隶属函数。一般隶属函数的形状越陡，分辨率越高，控制灵敏度也越高；相反，若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也比较平缓，系统的稳定性较好。通过上面的分析并在查阅相关资料后，在试验过程中将这些知识不断进行修正和完善，最终建立了基于产生式规则的控制规则表，如表 3.2 所示表 3.2 温度模糊控制规则表在matlab仿真模糊工具箱中按照上文中所示输入相应数据就得到模糊推理系统如图3.4所示，以及输入偏差隶属函数和偏差变化率隶属函数如图3.4和3.5所示，控制输出隶属函数如图3.6所示。图3.4 模糊推理系统图 3.5 模糊变量 e 的隶属函数图 3.6 模糊变量 ec 的隶属函数图 3.7 输出量u的隶属函数3.5小结在前两章的基础上本章最终设计出了加热炉的整个控制系统，包括炉温-燃烧串级控制系统、炉膛压力控制系统、空气总管压力控制系统。重点对炉温-燃烧串级控制系统作了详细的分析，对其分析分为两步，一是炉温控制的分析，二是燃烧控制的分析。对炉温控制主要讲了串级控制的特点，以及是怎样实现对扰动的抑制，还说了主控制器算法的选取和参数的整定；对燃烧控制首先提出了必须达到的两个目标，即空燃比必须得到快速的调节和时时的处于设定范围，然后，选用模糊控制技术来设计温度控制器。通过分析各段不同的升温特性，给出了不同段模糊控制器参数选取的原则。并以加热段为例，建立了模糊控制系统，对模糊系统的输入输出变量进行选取与量化；结合专家经验建立了模糊控制规则集合（共48条规则），完成了控制系统规则库的设计；采用最小-最大-加权平均法进行模糊推理与解模糊。最后详细的讲了燃烧控制确定的过程，即对方案的逐一改进，最后确定出较优的方案用于本设计。第四章 燃烧控制策略研究4.1燃烧副回路的控制目标燃烧系统作为串级控制系统的副回路，主要是用来按照主回路温度控制器的输出流量要求为燃烧过程提供合理的空气和煤气的流入量，在保证最佳燃烧效率的基础上，尽快响应主回路的输出变化。在该系统中，可以克服流量回路压力变化、阀门摩擦及非线性特性等造成的困难。根据对燃烧机理的剖析，不管是燃烧的稳定状态还是在过渡状态下，只有当炉内燃烧效率最高，才能保证主回路温度控制器输出的煤气流量变化能够以最快的速度准确地反映到炉温的变化上。由公式(2-3)，可知空燃比与空气过剩系数成正比，故空燃比与热效率也存在一个极值关系，因此，提高炉内的热效率，就转化成为寻找炉内最佳空燃比。通过上述分析，可知燃烧控制系统主要解决以下两个问题：（1）保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节空气回路和燃料回路的特性(如调节阀的形式及流体特性等)有所不同，两个系统的响应特性也有很大的差异，空气回路往往滞后于煤气回路，使得动态过程中空燃比难以保持一致。因此，使两个回路按照设定的空燃比以最快的速度响应炉温控制器的调节，是燃烧系统需要解决的主要问题之一。（2）在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值的在线优化，包括两方面的内容：1）在煤气热值发生漂移时，空燃比的波动很大，必须重新寻找空燃比的极值曲线，找到平衡关系。2）加热炉系统参数多变(如炉内热损失，负荷发生大变动)，会对空燃比设定值产生较大的影响，这时就要求系统通过寻优找到最佳的空燃比设定值。这也是当前加热炉系统有待解决的难题。4.2基于稳定空燃比的燃烧控制策略4.2.1单回路控制原理该系统如图4.1所示，通过加热炉温度调节器tc直接控制进入烧嘴的燃料量，而助燃空气量则由比例调节型烧嘴自动按比例改变。通过调整烧嘴进风口的大小，可改变空气和燃料的配比关系。该系统原理简单，但助燃效果不理想，只适用于小型锅炉。图4.1炉温单回路控制系统图4.2.2串级比值控制原理该系统图3.2所示，加热炉温度主调节器tc的输出直接作为燃料流量副调节器ffc 的给定值，同时经过空燃比运算器r运算后，作为空气流量副调节器fac的给定值。通过调整r，可以改变空气和燃料的配比关系。图4.2炉温燃料空气流量并行串级控制系统图加热炉的燃料燃烧过程中，不仅要保证稳态情况下的剩余空气系数 一定，更重要的是在加热炉负荷发生变化的动态情况下，保证 仍保持在合理的范围内。事实上，由于空气流动管道特性与燃料流动管道特性的差异，烧嘴特性的变化，流量测量的误差等，上个