钢坯加热炉炉温控制方法研究-测控技术毕业论文开题报告.doc

辽宁石油化工大学信息与控制工程学院毕业设计（论文）开题报告论文题目： 钢坯加热炉炉温控制方法研究 姓名： 高慧美 专业班级： 测控技术与仪器 学 号： 0803020324 指导教师： 张凯举 2012年3月9日填写说明：1题目的背景和意义 对题目的出处，背景和意义进行说明论述，不少于300字。2题目研究现状概述 通过调研和查阅文献，对题目所涉及的技术、理论和研究成果进行说明论述，不少于1000字。3题目要完成的主要内容和预期目标 对题目要完成的主要内容进行说明，并说明达到的预期目标，不少于300字4进度计划 从设计开始的教学周起，依据任务书的进度安排进行细化并以周为单位给出主要工作和完成的任务。5 参考文献 对2引用的资料、论文或著作按照引用顺序列出参考文献（格式同论文参考文献）。不少于10篇（其中近3年的文献占1/3以上），注：相应栏不够时自动加页。 排版要求：正文，宋体，小四，行距固定值20磅要求学生在毕业设计（论文）开始后的第2周末完成开题报告，并交到指导教师评阅（交电子稿和双面打印稿）。 辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 School of Information and Control Engineering1题目的背景和意义 钢铁工业是国家重要的基础工业，也是能源消耗的大户。而现代化的生产，人们对提高生产效率，提高产品质量，降低生产成本，减少能源消耗，强化环境保护的要求也日益提高。因此提高加热炉加热效率，降低能耗，对整个钢铁工业的节能具有重要的意义，同时对工业过程控制提出了更高的目标。我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、产量低、烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，钢坯断面温差较大，板坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送板坯，板坯之间可以留出空隙，板坯和步进梁之间没有摩擦，出炉板坯通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料，钢坯加热断面温差小温差小、加热均匀以及可出空炉料、炉长不受限制，产量高，生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求钢铁工业在现代工业体系中有举足轻重的地位，但也是能源消耗的大户。而加热炉控制研究对提高生产效率，提高产品质量，降低生产成本，减少能源消耗，强化环境保护有重要的意义，所以各国对加热炉控制研究非常重视。最新的研究成果都会很快在生产中应用，日本、欧美等国在加热炉控制方面积累了大量的经验和成果。随着科学技术的进步，钢铁冶金工业生产技术的高度自动化、高度智能化和全局综合优化是目前发展的大趋势。2题目研究现状概述计算机技术在近20多年中获得了突飞猛进的发展，对于结构复杂、计算量大的加热炉温度控制模型的实时处理成为可能，加热炉计算机控制系统也进入了实用阶段。我国从20世纪80年代初才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方面的开发和应用上与先进国家相比差距不是很大。加热炉是一具有随机、动态时变、非线性和分布式等复杂特性的控制系统，在轧钢生产中占据着很重要的位置，它的任务就是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，并目的在保证优质、高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗减少氧化烧损。对钢坯进行轧制前的加热，温度过高则浪费能耗，对钢坯表面的损耗也较大；温度过低则达不到轧制所需的温度值，产品质量会有所下降。因而，利用加热炉对钢坯进行加热，其对温度控制的要求较为严格。从发展顺序和控制水平两个方面归纳总结，轧钢连续加热炉的计算机控制水平可划分为如下3个层次:1、以提高燃料利用率、维持合理空燃比为目的，实现燃烧过程的基础自动化控制，即以炉温为控制对象的基础燃烧控制系统；2、在优化钢坯加热过程本身为目标，实现炉温或燃耗量的过程自动控制，即以钢温为控制对象的数模优化控制系统；3、在前后工序实现自动化的基础上，以协调优化整个生产系统为目标，实现加热工段的计算机自动化调度管理，即以全系统最优为控制目标的监督控制系统。目前国内加热炉控制水平基本处于前两个水平，且大多数处于燃烧控制水平。实现以数学模型为基础的钢坯温度控制系统很少，而这些系统又以离线数学模型和局部在线数学模型占绝大多数，因此，适用范围窄、控制精度低。能够划归到第三层次的仅有少数几家大型企业，但目前控制功能尚不够完备，要达到系统最优的控制还需要不断改进和完善。随着计算机软、硬件技术与智能控制技术的发展，一些先进的科技手段已成功地应用于加热炉的炉温控制中。目前，计算机自动控制系统在国内外的各钢铁企业得到了非常广泛的应用，而且，作为钢铁工业强国的日本、美国等国家已有了将专家系统和模糊控制应用于钢厂加热炉燃烧控制和炉温控制的报道。国内这方而的研究起步较晚，但开展速度很快，已经取得了能够进行实际应用的研究成果。从上世纪60年代以来，由于工业现代化的需要，由其是在计算机技术和电子技术的迅猛发展以及自动控制理论的发展推动下，国外的加热炉控制系统发展十分迅速，在智能化、自适应等方面取得显著成果，在这些方面美国、口本、德国、瑞典等国家的技术比较领先，他们已经有很多商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并占领了我国的大部分市场。他们主要具有如下的特点:1、能够适应大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2、能够适应被控对象数学模型难以建立的温度控制系统。3、这些温度控制系统普遍采用运用先进控制算法如:自适应控制、预测控制、模糊控制、神经网络和人工智能等理论及计算机技术。4、这些控制器普遍具有参数自整定功能。有的还有自学习功能，借助计算机技术，主要根据控制对象的变化和历史经验来自动调整相关控制参数，以随时保证控制效果的最优化。5、普遍看来这些温度控制器具有精度高、智能性强、鲁棒性好等特点。加热炉控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的美国、口本、德国等国家相比，仍然有着一定的差距。目前，我国在这方理论研究已经达到国际水平但在总体技术应用方面很落后。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，而在面对滞后、复杂、时变温度系统控制的时候就有些无能为力了。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内产品还不成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。 国内先进控制比较典型的有韩志刚教授创立的无模型控制理论，设计并制造了无模型控制系列产品，对大时滞、非线性、时变、强干扰、强藕合环节有很好的控制功能，它对我国生产过程控制中半个世纪以来PID控制方法的统治地位提出了挑战。目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、高速度、智能化、小型化、等方面发展。 事实上，我国大部分钢铁企业的加热炉温度计算机控制系统基本上都是引进国外的成套设备，技术上受到制约，设备维护费用较高，其运行效率取决于对设备的消化吸收及在此基础上的开发创新程度。目前我国这方面的工作做的不够，温度控制系统的潜能没能很好的开发出来，加热炉的计算机控制效果不很理想。我国大部分钢铁生产企业的钢坯加热工段的温度控制与轧制工段脱节。钢坯出炉温度设定值根据轧制工段操作工经验的要求确定，而不是根据钢坯的具体轧制状况由计算机控制系统自动确定，这样做的结果不是加热能耗过高就是轧制负荷过大，轧制设备使用寿命降低，因此，开发将钢坯的温度控制与钢坯轧制负荷控制结合起来的集成控制系统已成为钢铁企业实现基础自动化和加热炉综合集成控制技术的当务之急，国内类似的研究较少。 总之，国内与国际先进的加热炉温度控制技术还有一定的差距，但是，也应该看到我国的优势。比如，手动控制曾是我国钢铁企业加热炉温度控制和轧制负荷控制的主要手段，而目前某些钢厂现在仍在使用，这些人工经验经过多年积累已经非常丰富，由于近年来模糊控制技术、神经网络技术与专家系统的研究已经取得了长足的发展，因此将已有的人工控制经验与上述以经验为基础的控制技术相结合，可对将钢坯温度控制与轧制负荷控制结合起来的集成控制系统的研究提供一种新的研究手段。如表1.2所示，其实国内已经开始了这方面的研究和应用，并且得到很好的效果。3题目要完成的主要内容和预期目标本文以三段式步进式加热炉为研究对象，并采用了三种控制方法对其进行仿真研究。由于加热炉是热轧钢坯生产线上主要的耗能设备，具有多变量、时变、非线性、强耦合、大惯性和纯滞后等特点，所以发展先进的控制方法来改善系统的响应性能，从而保证其控制质量和减小能源消耗是重要的研究课题。总结全文，本文的主要工作和所得的结论如下：1、简述了自适应控制和先进PID控制及其关系，并列举了它们在工业生产，尤其是在加热炉方面的应用，同时指出了其在应用中存在的问题。2、介绍了热轧钢坯的生产过程和三段式步进式加热炉的工作特点，将三段式步进式加热炉分为预热段、加热段和均热段三个子系统进行研究。3、Ziegler-Nichols方法可以很容易的得到PID参数，并使各子系统达到稳定，但是峰值时间，超调量，调节时间等性能指标可能都不太理想。但是这种方法为PID参数的调节提供了参考，实际中可以通过Ziegler-Nichols方法和凑试法相结合来得到较为满意的响应性能。4、Smith预估控制中的PID参数与Ziegler-Nichols方法的一样，但是与Ziegler-Nichols方法相比，可以看出Smith预估控制很好的改善了超调量，但是对于峰值时间，调节时间则没有明显的改善，由图7.3可以看出，峰值时间，调节时间性能甚至还变差了。所以Smith预估控制对系统性能的改善是很有限的，它毕竟只是一种传统控制策略。5、与Ziegler-Nichols方法和Smith预估控制相比，自适应模糊PID控制（Fuzzy-PID复合控制）的优势是很明显的。系统的响应速度快、调节精度高;稳态性能好,而且没有超调和振荡,具有较强的鲁棒性。这是传统的PID控制难以实现的,它的一个显著特点就是在同样精度要求下,系统的过渡时间变短,这在实际的过程控制中将有重大的意义。更为重要的是，由于建立精确的加热炉数学模型是非常困难的，目前所取得的模型都是建立在一定的假设基础上的，可见所建立的数学模型并不能真正意义上来描述系统，仅仅是一种估计。而自适应模糊PID控制正是一种不依赖数学模型的控制方法，根据实际系统输入、输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验就可对系统进行控制。模糊PID控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。相较常规PID控制方法要建立数学模型，用复杂的算法计算PID参数，自适应模糊PID控制不仅方便，而且控制效果更好。 4进度计划第3周（12/318/3） 调研、查阅文献第4周（19/325/3） 阅读文献、撰写开题报告第5周（26/3 1/4） 分析设计的基本要求第6周（2/4 8/4） 确定任务、拟制系统方案第7周（9/4 15/4） 完成总体设计第8周（16/422/4） 炉温控制系统设计第9周（30/ 46/5） PID炉温控制方法设计第10周（7/513/5） 进行控制方法的设计改进第11周（14/520/5） 模糊PID控制方法设计第12周（21/527/5） 模糊PID控制方法设计第13周（28/5 3/6） 仿真程序调试第14周（4/6 10/6） 仿真程序调试、撰写论文第15周（11/617/6） 仿真程序调试、打印、装订第16周（18/624/6） 装订、准备答辩5参考文献参考文献01 步进式加热炉控制技术应用研究，宋德福，重庆大学硕士学位论文，200902 预测控制在步进梁加热炉先进控制中的应用研究，汪开红，陈治纲，李长红，胡立生，邵惠鹤，上海交通大学，测控技术2003年第22卷第1期03 步进式加热炉炉温的优化控制方法研究，王为晓，大连理工大学硕士学位论文，2008.1204 钢铁工业加热炉温度控制技术及其发展，肖蒲云，杨公训，和楠，王学雷，中国矿业大学，冶金自动化2006年增刊(S1)05 钢铁工业加热炉先进控制技术及其发展，张凯举，邵诚，大连理工大学，冶金自动化2003年第1期06 工业加热炉控制方法的研究，杨易朋，黑龙江大学硕士研究生学位论文，200807 自适应控制M，韩曾晋，北京：清华大学出版社，1995(6):1-608 张力，于政军，陈雪波.加热炉自适应钢坯温度预报模型J. 石油化工高等学校学报2007(9)09 王中杰,关守平,柴天佑. 加热炉自适应钢坯温度预报模型的开发J . 钢铁研究学10 炼油技术与工程，高海山，钱广华，郑战利，李扶山，201011 梁军. 冶金加热炉自适应控制系统的设计D.中国控制与决策年会论文集, 199612 周建平，杨君玲. 自适应控制技术在加热炉中的应用仿真分析J. 重庆科技学院学报2005(9)13 钟诚,尧武平,章庆,等. 焦炉加热智能自适应控制系统的研究与应用J. 中国仪器仪表