（控制理论与控制工程专业论文）基于改进遗传算法的加热炉炉温控制研究.pdf

鬈妊：- 一 、 lr。卜v j 嗍。 、_ r e s e a r c ho ni m pr o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mf o rr e h e a t i n g f u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l i u r n a c e l e m p e r a t u r e 0 n t r o l b yz h a n g g u o h u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a o x i a n w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ，。如，； 参 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 l ，kf 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 ：一获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 | 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：昏旧懈 签字日期：邳0 扩；2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：张目辉 导师签名： 签字日期：z 口形岁2签字日期： u “ i k j 驴_ 弋 东北大学硕士学位论文摘要 基于改进遗传算法的加热炉炉温控制研究 摘要 加热炉是轧钢生产线上的关键设备，窑炉温度的稳定性对后续工序的正常进行和保 证产品质量至关重要。但是由于加热炉是一个大惯性、大滞后、时变的被控对象，这类 对象被公认为较难控制。其数学模型相对来说较难建立，采用常规理论和方法进行控制 效果不够理想，通常还需辅以操作工的看火经验来调节控制。因此采用新的控制方法改 善加热炉炉温的控制性能具有重要的理论和实际意义。 遗传算法是通过模拟自然界遗传机制和生物进化而形成的一种过程搜索最优解的 算法。其特点是几乎不需要所求问题的任何信息而仅需要目标函数的信息，不受搜索空 间是否连续或可微的限制就可找到最优解。因为它自身具有的并行性、鲁棒性、问题无 关性、自适应自学习，并可以以很高的概率获得全局最优解的特性，对于解决非线性， 多峰值的优化问题显示出很大的优越性。但标准遗传算法收敛速度慢，易陷入局部最优 解。为了克服这些弊端，本文尝试改进遗传算法。改进的遗传算法采用实数编码，对选 择策略、交叉策略进行了改进，又采取了一些加快收敛和提高运算效率的策略，改进策 略具有较大创新性。经过测试，改进的遗传算法在收敛速度和达优率方面都有明显的提 高。 本文首先通过理论分析方法建立了加热炉炉温对象的数学模型，明确这个模型可以 用带有纯滞后的一阶惯性环节来表示，并针对加热炉炉温是个大时滞、慢时变的对象这 个不利于控制的特点，设计了一种应用遗传算法在线辨识对象参数、实时优化带有s m i t h 预估补偿器的p i d 控制器的新策略，并仿真证明了这种策略的有效性。 关键词：加热炉；改进遗传算法；p i d 控制器；在线辨识；实时优化； 一一 髟唱 东北大学硕士学位论文 r e s e a r q , h i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mf o rr e h e a t i n g r e s e a r c h 0 ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mt o rr e h e a t i n g f u r n a c , t e m p e r a t u r ec o n t r o l n a c e 1e r a t u r e0 n a b s t r a c t r e h e a t i n gf u m a c ei sk e ye q u i p m e n ti ns t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n e t 1 1 es t a b i l i t yo f f u i t l a c et e m p e r a t u r ei se s s e n t i a lt of o l l o w - u pp r o c e s s e sa n de n s u r e sp r o d u c tq u a l i t y b u t r e h e a t i n gf u l t l a c ei s a no b j e c to fl a r g ei n e r t i a , l a r g et i m e - d e l a ya n dt i m ev a r y i n g ，b e e n r e c o g n i z e da sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 i t sm a t h e m a t i c a lm o d e lr e l a t i v e l yd i f f i c u l tt oe s t a b l i s h , c o n v e n t i o n a lt h e o r i e sa n dm e t h o d su s e dt oc o n t r o le f f e c t sn o ti d e a l t h e r e f o r et h ei n t r o d u c t i o n o fn e wm e t h o d st o i m p r o v et h ec o n t r o l o ft h er e h e a t i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l p e r f o r m a n c eh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e g e n e t i ca l g o r i t h mi sb ys i m u l a t i n gn a t u r a lg e n e t i cm e c h a n i s m sa n db i o l o g i c a le v o l u t i o n a n dt h ef o r m a t i o no fap r o c e s so ft h es e a r c ha l g o r i t h mf o rt h eo p t i m a ls o l u t i o n i th a sp a r a l l e l ， r o b u s t n e s s ，i n d e p e n d e n to fp r o b l e m ，a d a p t i v es e l f - l e a r n i n g ，a n dt h eh i g hr a t eo fo b t a i nt h e o p t i m a ls o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s o l u t i o nt h en o n l i n e a r , m u l t i p e a ko p t i m i z a t i o np r o b l e m s s h o wg r e a ts u p e r i o r i t y h o w e v e r , t h es t a n d a r dg e n e t i ca l g o r i t h ms l o wc o n v e r g e n c ea n de a s y t o 跚1i n t ot h el o c a lo p t i m a ls o l u t i o n t oo v e r c o m et h e s ed r a w b a c k s ，t h i sp a p e ra t t e m p t st o i m p r o v et h eg e n e t i ca l g o r i t h m i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m su s i n gr e a l c o d e d ，i m p r o v i n g s e l e c ta n dc r o s s o v e rs t r a t e g y , a n do t h e r a c c e l e r a t ec o n v e r g e n c ea n di m p r o v eo p e r a t i o n a l e f f i c i e n c ys t r a t e g y a r e rt e s t i n g ，i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi ns p e e do fc o n v e r g e n c ea n dt h e r a t eo fo b t a i nt h eo p t i m a ls o l u t i o ni m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y i nt h i sp a p e r , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h er e h e a t i n gf u r n a c et e m p e r a t u r eo 切e c tt h e e s t a b l i s h m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dc l e a r l yp r o v et h a tt h i sm o d e lc a l lb eu s e d f i r s t - o r d e rp l u sd e a dt i m e ( f o p d t ) t oe x p r e s s i o n r e h e a t i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ei sal a r g e t i m e d e l a ya n ds l o wt i m e v a r i a n to b j e c t ，i nv i e w o f t h i sc h a r a c t e ri sn o tc o n d u c i v et oc o n t r o l ， d e s i g no fan e ws t r a t e g ya p p l yg e n e t i ca l g o r i t h mo n l i n ei d e n t i f yo b j e c tp a r a m e t e r s ，r e a lt i m e o p t i m i z ep i d s m i t hc o n t r o l l e ra n ds i m u l a t i o np r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i ss t r a t e g y k e yw o r d s ： r e h e a t i n gf u r n a c e ；i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ；p i dc o n t r o l l e r ；o n l i n e i d e n t i f i c a t i o n ；r e a lt i m eo p t i m i z a t i o n i i i ，一吨 ，王 - i 、 ( 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创声明i 摘要： a b s t r a c t i i i 目录 第一章绪论。l 1 1 引言：l 1 2 研究现状及发展趋势2 1 3 本文主要工作：3 第二章加热炉炉温模型5 2 1 引言。5 2 2 加热炉的种类。5 2 3 加热炉的工艺7 2 4 加热炉的炉温模型：7 2 4 1 建立加热炉模型的复杂性7 2 4 2 建立热平衡方程式9 2 4 3 炉温对象的数学模型1 1 2 5 小结1 2 第三章实数编码遗传算法的改进1 3 3 1 引言13 3 2 遗传算法基本原理 一13 3 3 改进的遗传算法。1 8 3 3 1 编码方式。1 8 3 3 2 初始群体生成18 3 3 3 评估、选择方式1 8 3 3 4 交叉策略。2 0 3 3 5 变异策略2 0 3 3 6 附加高斯变异2 1 3 3 7 终止条件2 1 3 3 8 提高计算速度的其他方法：2 1 3 3 9 算法的对比分析2 2 3 4 ，j 、结：2 6 一一 东北大学硕士学位论文 目 录 第四章基于改进遗传算法的炉温对象辨识2 7 i 、 4 1 引言2 71 4 2 系统辨识一j 2 7 4 3 经典系统辨识方法2 9” 4 3 1 阶跃响应法系统辨识2 9 k 4 3 2 最小二乘法系统辨识：。2 9 4 3 3 经典系统辨识方法的不足2 9 a 。 4 4 加热炉炉温对象的系统辨识3 0 4 4 1 遗传算法辨识的优缺点3 0 4 4 2 差分方程形式的数学模型。31 4 4 3 加热炉炉温对象辨识的适应度函数确定3 2 4 5 基于改进遗传算法的系统辨识仿真研究3 3 4 6 ，j 、l 右：3 5 第五章基于改进遗传算法的p i d 参数优化3 7 5 1 引言一3 7 5 2p i d 控制器及整定方法。3 7 5 3 遗传算法整定p i d 参数的意义j 38 5 4p i d 参数优化的适应度函数确定4 0 5 5p i d 参数优化的仿真研究：。4 2 5 6 ，j 、结4 4 第六章炉温控制系统的设计与仿真研究，4 5 6 1 引言4 5 6 2 加热炉炉温控制系统的总体控制方案4 5 6 3 加热炉炉温控制系统的仿真及软件实现。4 6 6 3 1 仿真软件4 6 6 3 2 加热炉炉温控制系统的仿真对象4 7聱 6 3 3 遗传算法的参数设置4 7 6 3 4 仿真的步骤及程序的编写4 8 6 4 加热炉炉温控制系统仿真研究4 8 。 6 5 仿真结果分析：5 1 6 6 、结51 第七章结论5 3 参考文献5 5 致谢5 9 一v 一 1 。、- 吨 东北大学硕士学位论文 目 录 附录6 1 一一 、 v i - 曲 | 水 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国家大规模基础建设的不断发展，国内对钢铁制品，特别是高附加值的钢板需 求量不断加大。而加热炉作为轧钢生产线重要的生产设备，对轧钢生产具有重要影响和 意义。随着现代轧机向连续、高速、大型、高精度、多品种方向发展，对待轧钢坯的加 热质量提出了越来越高的要求。而提高钢坯的加热质量，只有通过加热炉高精度的控制 来实现。在钢铁企业中，加热炉是轧钢生产线的重要设备之一，其自动控制水平直接影 响到能耗、烧损率、废钢率、产量和质量等指标，而钢坯加热占钢铁工业总能耗的2 5 ， 因此对加热炉控制过程进行优化，可以提高加热炉的热效率、降低能耗，对整个钢铁工 业乃至整个国民经济都具有重要意义。 加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。它在轧钢生产中占有十分重要的地 位，它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量， 并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料的消耗，减少氧化烧损。加热炉是钢铁工 业轧钢生产线关键设备之一，也是主要的耗能设备。冶金工业是耗能大户，其中钢坯加 热炉就占钢铁工业总能耗的2 5 。因此，提高加热炉热效率、降低能耗，对整个钢铁工 业节能具有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。 加热炉炉温对象具有大惯性、大滞后、慢时变、强干扰特性，是一个比较复杂的工 业过程。钢坯加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗和轧机寿命，加热炉 温度控制技术成为钢铁企业研究的重要课题之一。目前在加热炉控制中，传统的控制难 以适应多变的加热炉工况，基于数学模型的控制方法在应用上也受到了很大的限制，难 以满足温度控制精度和升降温实时性要求。现场存在炉温控制不均匀、炉温设定不合理、 煤气热值和压力波动、空燃比不能自动寻优等问题，这些问题的存在影响了钢坯加热质 量，造成钢坯氧化现象严重，煤气资源浪费，并最终影响了企业的效益。因此，需要综 合考虑工艺要求、节能、环保以及安全性等因素，研究新的方法以解决钢坯加热过程的 产量、质量和能耗等多目标非线性问题。这些指标或多或少的受到温度控制性能的影响。 加热炉有如下控制要求： ( 1 ) 减少钢坯在炉内的氧化烧损 钢坯在加热炉内停留时间一定时，造成氧化烧损偏高的原因主要是空气过剩系数过 大和金属表面温度过高。实验表明，1 0 号碳素钢表面温度由1 2 0 0 降为1 0 5 0 c ，加热 时间相同时，其氧化烧损减少3 7 1 。因此，实现加热炉温度的优化控制，可提高控制 精度，改善产品质量。 ( 2 ) 改善钢材的性能，从而提高产品质量 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 加热炉中的钢坯加热温度、时间和速度必须严格控制，否则就会产生氧化、脱碳、 过热、过烧等缺陷。如果温度过高，极有可能发生过热或过烧现象，氧化和脱碳现象也 将加重。因此，对加热炉炉温的精确控制可以减少钢坯加热缺陷，保证钢坯加热质量， 从而保证轧钢产品的质量【l 】。 。 1 2 研究现状及发展趋势 加热炉作为工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后的一个系统，其数学模型 相对来说较难建立，现阶段对其描述多靠定性和局部的定量表达来完成。而其中的许多 不稳定因素，如空气、煤气压力值和燃料发热值的频繁波动，各变量之间相互耦合、相 互干扰，虽不占主导地位，但对加热炉的正常生产不可忽略。采用常规理论和方法进行 控制效果不够理想，通常还需辅以操作工的看火经验来调节控制【2 】。在一定程度上，操 作工的经验成为一种不可缺少的控制因素。目前，炉温优化控制绝大多数还是采用温度 流量双闭环p i d 控制器，控制精度差，超调严重，升降温速度慢。神经网络、模糊控制、 专家系统、自适应控制等智能化技术的出现为加热炉炉温控制提供了新的方法和思路， 但多停留在理论研究和仿真研究阶段。 t 一 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的 迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并 在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞 典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在 各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： ( 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 ( 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 ( 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 ( 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理 论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 ( 5 ) 普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象 控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史 经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 ( 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 温度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，7 同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有 着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于2 0 世纪8 0 年代中后期水平，成 熟产品主要以“点位 控制及常规的p i d 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制， 一2 一 t 妒 ， k h _ 吨 一 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制器， 国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制器较少【3 j 。 目前对加热炉对象的研究集中于空燃比控制和钢温的预测控制，加热炉的温度对象 因为可以近似认为是一阶惯性环节，所以现场广泛应用p i d 控制方法。虽然近年来很少 有人再研究加热炉的炉温控制，但这并不表明炉温控制不存在问题，控制算法已经没有 改进空间。相反，因为加热炉的炉温对象是一个大惯性、大滞后、强干扰、慢时变的系 统，用传统p i d 控制的效果差强人意，但还存在控制精度差、超调量大等问题，有待于 进一步改进。 1 3 本文主要工作 本论文研究的主要内容是遗传算法的改进及其在加热炉炉温控制中应用。一般p i d 控制方法对于加热炉这样的大滞后、非线性，时变系统不适用，控制效果比较差。应用 遗传算法对加热炉的特性进行辨识，并用遗传算法对p i d 参数进行优化，实现p i d 控制 器的自适应控制，以改善控制效果。本文的研究有如下前提：加热炉的空燃比问题已经 解决，且炉温控制量只有燃料流量一项；钢温的控制通过调节炉温设定值实现。通过查 阅文献及自己的工作，主要完成了以下内容： ( 1 ) 分析了遗传算法的基本流程，体现遗传算法的优越性并发现不足之处。 ( 2 ) 针对基本遗传算法( s g a ) 在使用过程中存在的缺点和不足提出改进方法，形成改 进遗传算法，并仿真比较。 ( 3 ) 通过理论推导证明加热炉炉温对象可以用一阶纯滞后模型来概略的表述，而模型 中的参数具有时变的特性。 ( 4 ) 研究了基于改进遗传算法的系统辨识方法，以加热炉的炉温为对象仿真分析这种 方法的有效性。 ( 5 ) 研究了基于改进遗传算法的p i d 参数优化，实现p i d 参数的在线自整定。建立 加热炉炉温对象的p i d 控制器，使用改进遗传算法优化其参数，分析控制效果。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一4 一 - - 、 、 幽 - k 0 “ 0 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉炉温模型 第二章加热炉炉温模型 2 1 引言 加热炉是冶金行业的重要热工设备，种类很多，特性各异。加热炉的作用就是将工 件加热到一定的温度，以备后面的工序使用。加热炉一般分为预热段、加热段、均热段， 各段温度设定值不同，所起的作用也略有差异。虽然加热炉种类很多，但燃料发热，工 件和炉气吸热的物理过程是相似的，因此可以用统一的模型来描述。加热炉具有非线性、 大时滞、不对称等不利于建模的特点，但是工程中一般将其等效为一阶纯滞后对象。加 热炉本身就具有时变性，非线性和不对称性也可以在一定程度上归结为参数的变化。因 此建立一个时变的一阶纯滞后模型基本可以描述加热炉炉温对象的实际行为。 2 2 加热炉的种类 加热炉( r e h e a t i n gf u r n a c e s ) 是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热 炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热 处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。 以下介绍的是冶金行业中常见的几种加热炉。 在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制或锻造温度的工业炉，包括连 续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉，初轧前加热钢锭或 使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。 连续加热炉从结构、热t n 度等方面看，连续加热炉可按- f y u 特征进行分类【4 】： ( 1 ) 按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。 ( 2 ) 按被加热金属的形状可分为：加热方坯的、加热板坯的、加热圆管坯的、加热 异型坯的。 ( 3 ) 按所使用的燃料种类可分为：使用固体燃料的、使用重油的、使用气体燃料的、 使用混合燃料的。 ( 4 ) 按空气和煤气的预热方式可分为：换热式的、蓄热式的、不预热的。 ( 5 ) 按出料方式可分为：端出料的和侧出料的。 ( 6 ) 按物料在炉内运动的方式可分为：推送式连续加热炉、步迸式炉、辊底式炉、 转底式炉、链式炉等。 连续加热炉多数用于* l n 前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。主要特点是： 料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面 尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时 东北大学硕士学位论文第二章加热炉炉温模型 间变化而仅沿炉子长度变化。 按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预 热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温 度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小， 保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯 上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式， 以至五段式、六段式等。5 0 - - - 6 0 年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢 长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单 位炉底面积的生产率。用这种炉子加热板坯，炉底的单位面积产量达9 0 0 - - , 1 0 0 0 公斤 ( h e2 时) ，热耗约为( o 5 - - 0 6 5 ) x1 0 6 千卡吨。7 0 年代以来，由于节能需要，又由 于新兴的步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段，最佳的炉底单位面 积产量在6 0 0 - 6 5 0 公斤( 米2 时) ，热耗约为( o 3 o 5 ) x1 0 6 千卡吨。 连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。为了有效地利用废气热 量，在烟道内安装预热空气和煤气的换热器，或安装余热锅炉。 在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃 烧的还原性火焰( 即“自身保护气氛) 来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目 的。这种加热方式称为明火式或敝焰式无氧化加热，成功地应用于转底式加热炉和室式 加热炉。 加热炉中最常见的是推钢式加热炉和步进梁式加热炉，下面详细介绍这两种加热 炉。 推钢式连续加热炉是靠推钢机完成炉内运料任务的连续加热炉。料坯在炉底或在用 水冷管支撑的滑轨上滑动，在后一种情况下可对料坯实行上下两面加热。炉底水管通常 用隔热材料包覆，以减少热损失。为减小水冷滑轨造成的料坯下部的“黑印 ，近年来 采用了使料坯与水管之间具有隔热作用的“热滑轨 。有的小型连续加热炉采用了由特 殊陶质材料制成的无水冷滑轨，支撑在由耐火材料砌筑的基墙上，这种炉子叫“无水冷 炉”。 ： 步进式连续加热炉靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一 步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步迸梁。 前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。 步迸梁式炉可对料坯实现上下双面加热。7 0 年代以来，由于轧机的大型化，步进梁式炉 得到了广泛应用。同推钢式炉相比，它的优点是：运料灵活，必要时可将炉料全部排出 炉外；料坯在炉底或梁上有间隔地摆开，可较快地均匀加热；完全消除了推钢式炉的拱 钢和粘钢故障，因而使炉的长度不受这些因素的限制。 、 t h _ 由 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉炉温模型 2 3 加热炉的工艺 一n 叩 加热炉炉体在物理上可分为预热段，加热段，均热段。划分依据是各段的加热作用， 段与段之间没有明确的界限。钢坯进入加热炉后经预热、加热、均热达到轧制目标温度， 完成全过程。预热段主要是将刚送进炉1 2 1 的钢坯预热。温度一般应保持在8 5 0 - 1 1 0 0 。c 。 钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经过预热段 预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了 钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。一般，温度应保持在1 1 5 0 - 1 2 2 0 。c 。均热段主 要将钢坯均匀加热到1 2 0 0 - 1 3 0 0 。c 。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过 低，则不能出钢。这三段的温度互相耦合，互相影响。另外，进入炉口的钢坯温度也会 影响钢坯烧透所需要设定的温度，进冷坯，则设定温度应该要高些。进热坯，则设定温 度应低些。烧嘴分布在加热段、均热段的侧面炉墙的上下部，而预热段为了充分利用能 源，没有烧嘴加热。 钢坯运动方向热电偶。 烧嘴 图2 1 三段式加热炉结构图 f i g 2 1t h r e ep h a s er e h e a t i n gf u l t l a c es t r u c t u r e 2 4 加热炉的炉温模型 2 4 1 建立加热炉模型的复杂性 钢铁行业使用的加热炉以焦炉煤气、高炉煤气、天然气、重油等为燃料，利用燃料 燃烧产生的热量将钢锭加热到需要的温度。加热炉是轧钢生产线上的关键设备，窑炉温 度的稳定性对后续工序的正常进行和保证产品质量至关重要。但是由于加热炉是一个多 干扰通道的分布参数系统，且有些参数无法测量，有些参数会缓慢变化，随着窑炉运行 工况的不同某些参数还可能会快速变化，因而是一个大惯性、大滞后、时变的被控对象 5 1 1 6 1 。这类对象被公认为较难控制。因此对加热炉的温度控制方法进行研究具有较大的 现实意义。 东北大学硕士学位论文第二章加热炉炉温模型 加热炉炉温对象具有以下不利于控制的特点： ， ( 1 ) 大滞后特性 对于加热炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着 滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题( 容积滞后时间就是级 联的各个惯性环节的时间常数之和) 。纯滞后产生的根源也要从整个测量系统 来考虑，并且与温度的高低有关。热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻 与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞。随着温度 的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短，传热速度 加快。故纯滞后时间随温度升高而减小。 ( 2 ) 非线性 在三种传热方式中，只有一维的导热可以认为基本是线性的；辐射热量是 绝对温度的四次方函数，对流传热受多种因素的影响，一般是自然对流，都是 非线性的。从模型参数上看，在窑炉的整个温度调节范围内，对象的增益、容 积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数，而且参 数变化量与温度变化量之间是非线性关系。如在高温段，其纯滞后时间和过程 增益将比低温段有显著减少，而时间常数则显著增大。 ( 3 ) 时变性 随着使用时间的增长，炉子的保温隔热材料会逐渐老化，尤其是窑炉处于 中、后期，烧损严重，使窑炉保温、密封性能变差，通过窑体向外散失的热量 增大；窑炉运行的环境温度也是经常变化的。如此种种因素都会引起炉温特性 的变化，但变化的速度十分缓慢而不明显。炉子初次使用以及久停后再用时， 由于绝热保温材料中的水分大，炉温特性差别也是很大的。 ( 4 ) 不对称性 温度上升靠强迫加热，温度下降靠自然冷却，一般不用强迫散热。这是绝 大多数窑炉的共性。从节能的观点看，要求所有的加热炉都应当尽可能地具有 良好的保温特性而不是要求它的散热性能好；从提高生产率出发，又希望升温 时间尽量缩短，因而在设计炉体时所考虑的加热功率都有很大的余量。由于炉 体设计上的这些特点，造成炉子升、降温速度上的巨大差异，升温时响应快， 而降温时响应慢。从模型参数上看，在低温状态时，传递函数中的对象增益和 容积滞后时间在升降温两个方向上差别很大，而在高温状态则很接近。 ( 5 ) 结论 加热炉具有大惯性、大滞后特性。在炉子的整个温度范围内，对象的增益、 容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。从传热原理可知， 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉炉温模型 这些参数也与负荷变化有关。在炉子设计的工作温区，在工作点附近的小范围 内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的p i d 调节器也能控制得很好， 但不能经受太大的扰动，也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号。对于常 规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动。 a 根据以上分析，可以认为加热炉是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对 象。在整个炉子的温区内，其动态参数随炉子的工作温度变化，在工作点附近 的小温度范围内，炉子的动态特性近似线性的川。 上述分析说明，加热炉的动态特性比较复杂，用先进的控制策略来对窑炉进行控制 显然是必要的【引。 加热炉内钢锭的加热过程是相当复杂的，影响钢锭温度的主要因素是各段炉温和推 钢节奏，而推钢节奏由轧钢要求而定，因此炉温就是唯一可控因素。影响炉温的原因是 燃料流量的变化，因此，炉温数学模型即为燃耗与炉温的函数关系。为此，必须建立炉 子的热平衡方程式。 2 4 2 建立热平衡方程式 加热炉虽然种类繁多，但是它们的基本物理过程是一致的，因此就可以通过建立热 平衡方程建立统一的加热炉炉温对象数学模型。 影响加热炉热平衡的因素很多，必须进行合理假设和简化，以确保既有一定的精度 又可简化分析与计算。 ( 1 ) 假定炉内各段燃料完全燃烧，剩余空气系数保持恒定； ； ( 2 ) 燃气是从前向后单向流动，没有回流，不可压缩；后段炉温不会影响前段钢坯温 度； ( 3 ) 相邻两个区段进行热交换是前段炉气流人该段带入热量，该段炉气流入后段带走 热量； ( 4 ) 钢坯断面温度为均匀分布。 、“ 0 在炉区的某一段，其热平衡方程式为：q ，= q 。 4 1 2 4 2 1 加热炉放热项计算 输人热量q ，= q l + q ：+ q 3 + g + 珐 式中q 1 为燃料燃烧的化学热 q 。= b q d u h ) b 燃料消耗量( k g h ) ，q 广燃料的发热量( j k g ) ； q 2 为燃料带人物理热 一o 一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉炉温模型 q 2 = b c ，t h )( 2 3 ) c 广燃料的平均比热( j 瓜g ) ，卜燃料的平均温度( ) ； 幺为空气预热带人物理热 g = n b c k 瓦v h )( 2 4 ) n 空气消耗系数，c k _ 空气平均比热( j k g 。c ) ，t 广空气的平均温度( ) ； 幺为金属氧化放热 级= 1 3 5 0 a g ( j h )( 2 5 ) 1 3 5 卜每蚝钢氧化放热( j k g ) ，卜产量( k g h ) ，a - _ 烧损率，当a 1 时 可忽略此项； 珐为金属带入的物理热 q 5 = g c g r ；( ：h ) ( 2 6 ) g 一产量( k g h ) ，q 钥坯在加热开始时的比热( j k g * c ) ，乏钥坯在加 热开始时的温度( ) ； a k t ， t t 东北大学硕士学位论文 第二章加热炉炉温模型 么为炉门及孔溢气热损 珐= v o c 。t h ) ( 2 1 2 ) v 0 _ 溢气量( k g h ) ，c 广炉气平均比热( j k g * c ) ，t 厂炉气平均温度( ) ； 或为水冷件冷却水带出的物理热 或= g ，( c ；巧一c ，i ，1 ) ( 2 1 3 ) g 。冷却水消耗量( k g h ) ，c ：，口冷却水开始与终了时的比热( j k g * c ) ， z ，巧冷却水开始与终了时的温度( ) ； 根据以上分析，稳态时q i - q o ，炉内各点温度及钢坯温度不变，炉内传热为稳态传 热，属于稳态温度场。动态时，单位时间内，输人热量q i 与输出热量q o 之差则等于 炉内炉气与钢坯储存的热量的变化率，即： q t q o = g g c g d tf 斑+ g e c t d t d t q 1 4 ) 即为动态热平衡方程式f 9 】【1 0 1 。 2 4 3 炉温对象的数学模型 假设烧损率a 1 ，故q 4 _ 0 ；无水冷件，置q 6 = o ；根据实践经验，么+ 众= 5 q o ， 即q o = ( i 0 9 5 ) ( q i + q ：+ 珐) ( 2 1 5 ) 将2 1 5 代入2 1 4 得 ( q + q 2 + q + q 5 ) - ( i 0 9 5 ) ( q i + 鲮+ 幺) = g g q 刀西+ q e 打西( 2 1 6 ) 当燃料量发生变化有一增量a b 时，2 1 6 的增量微分方程式为： 9 + q 2 + 0 3 - ( i 0 9 5 ) ( a q i + 鲮+ 翻) = g ：c s d a t d t + g , c , d a t d t ( 2 1 7 ) 将2 - 2 ，2 3 ，2 4 ，2 8 ，2 - 9 ，2 1 0 代入2 1 7 得 ( q d + c r z + ，z c ) 衄一( i o 9 5 ) ( g g c g a t + + 1 ) c e 瓦衄 ( 2 1 8 ) + a a t ( s 1 + s 2 如十+ 0 0 6 ) ) = ( g g c g + g 。c 。) d a t d t 、。 合并同类项得 ( q d + c r 乃+ ，z o 瓦一( i 0 9 5