（热能工程专业论文）加热炉ddc系统的模拟研究.pdf

东北大学硕士论文 摘要 摘要 为了详细研究加热炉d d c 系统的各种控制算法，建立了加热炉简化 的机理数学模型，以作为离线闭环模拟的调试环境。炉子模型以炉膛能 量平衡方程、钢坯和炉围的热传导方程为基础，通过三组方程耦合求解， 得到动态条件下的炉气温度，以及钢坯和炉围的温度场。 在实际系统中，炉温( 即炉膛热电偶温度) 可以连续测量，所以作 为被控量。为使离线模拟更接近于实际控制系统，将模型的解扩展到炉 温，从而实现了离线闭环模拟。为此，推导了一般条件下的炉温公式， 使之适用于动态条件，因而具有更普遍的意义。此外，本文的公式也比 较简洁，便于在线计算。 在各种控制策略研究中，以炉温设定值j p 的突变、钢坯产量的突变 和燃料低发热量的随机性变化作为典型扰动工况，进行动态模拟研究。 采取临界比例度法对p i d 控制参数进行工程整定，在p i d 算法中引 入了一系列改进措施，如抗积分饱和、智能积分等。 初步研究了模糊和p i d 的结合，模拟结果表明四种混合结构的动静 特性均比较好，其原因在于模糊控制加速了过渡过程，而积分作用则改 善了静态特性，这些策略可用于在线控制。 为克服基本模糊算法的缺点，采用一系列高级模糊控制算法，其中 包括“在线模糊推理合成算法”、“带修正因子模糊控制算法”和“自调 整模糊控制算法”等，以解决参数选取和参数适用范围方面的困难，较 全面改善系统的动态和稳态控制品质，从而满足加热炉大幅度动态操作 的控制要求。 在控制算法中对各种量进行了无因次化处理，使编制的软件具有较 好的灵活性和可移植性。 关键词：辐射交换面积吸收系数加热炉模型智能p i d 控制 算法程线接壤模糊控裁冀法巍调整模赣整篱l 算法 查! ! 叁芏堡生堕查 一一竺黧! 垒竖 a bs t r a c t i no r d e rt or e s e a r c ha l lk i n d so fc o n t r o la l g o r i t h m so fd d cs y s t e mo f r e h e a t i n gf u r n a c e ，as i m p l i f i e d m e c h a n i s mm a t h e m a t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e d ，w h i c hc a nb eu s e da sd e b u g g i n ge n v i r o n m e n to ft h eo f f - l i n e c l o s e d l o o p c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ee q u a t i o n so fg a se n e r g y c o n s e r v a t i o n s t e e lh e a tc o n d u c t i o na n dw a l lh e a tc o n d u c t i o n ，w h i c hi s s o l v e ds i m u l t a n e o u s l y , t h em o d e lc a no b t a i nt h eo n - l i n ef i e l d so fg a s t e m p e r a t u r e ，s t e e lt e m p e r a t u r ea n dw a l lt e m p e r a t u r e i np r a c t i c es y s t e m ，g a st e m p e r a t u r e ( n a m e l yt h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r e i nf u m a c ec h a m b e r ) i st r e a t e da sc o n t r o l l e dv a r i a b l e ，b e c a u s ei tc a nb e m e a s u r e d c o n t i n u o u s l y s o l u t i o n o ft h em o d e li se x t e n d e dt og a s t e m p e r a t u r e ，s ot h eo f f - l i n e r e s u l t sw i l la p p r o a c ht h er e a ls y s t e mm o r e c l o s e l y ，a n d t h eo f f - l i n ec l o s e d l o o p c o n t r o li sa c h i e v e d t h e g a s t e m p e r a t u r ef o r m u l a ea r ep r e s e n t e do ng e n e r a lc o n d i t i o n ，w h i c hc a nb e u s e do no n w l i n es y s t e m t h ef o r m u l a ep r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r es i m p l e ，s o t h e ya r ec o n v e n i e n tf o ro n l i n ec a l c u l a t i o n i nt h er e s e a r c ho fv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ec h a n g eo fu p s t r e a m t h e r m a ll o a dt h ef l u c t u a t i o no fp r o d u c t i o nr a t ea n dr a n d o mv a r i a t i o no ff u e l c a l o r i f i cv a l u ea r et r e a t e da st y p i c a lf l u c t u a t i o nc o n d i t i o nt ot h eo n - l i n e s i m u l a t i o n t h ec r i t i c a lt o l e r a n c es c a l em e t h o di su s e dt or e g u l a t et h ep i d p a r a m e t e r v a r i o u si m p r o v e m e n t sa r ei n t r o d u c e di nt h ep i da l g o r i t h m ，s u c ha s c o u n t e r c h e c ki n t e g r a ls a t u r a t i o n ，i n t e l l i g e n c ei n t e g r a l t h ec o m b i n a t i o no ff u z z yt op i di ss t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r so ft h ef o u rm i x t u r es t r u c t u r e sa r eq u i e t w e l l ，b e c a u s eo ff u z z yc o n t r o la c c e l e r a t e dt h et r a n s i t i o np r o c e s s ，w h i l e i n t e g r a le f f e c ti m p r o v e dt h es t a t i cc h a r a c t e r a l lt h es t r a t e g i e sc a nb eu s e d 东北大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h eo n l i n ec o n t r 0 1 as e r i e so fa d v a n c e df u z z ya l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e dt oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so ft h ef u n d a m e n t a lf u z z ya l g o r i t h m ，i n c l u d i n gr e a l - t i m e f u z z yl o g i c a lr e a s o n i n g c o n t r o l a l g o r i t h m ， m o d i f i e d - f a c t o r f u z z y c o n t r o l l i n ga l g o r i t h m sa n ds e l f - t u n i n gf a c t o r sf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h e s ea d v a n c e da l g o r i t h m sc a ns o l v et h ep r o b l e m so fp a r a m e t e r sc h o o s e a n da p p l i c a b l er a n g e ，c a ni m p r o v et h es t a t i ca n dd y n a m i cq u a l i t i e so ft h e s y s t e m ，a n dc a ns a r i s f yt h er e q u i r e m e n to fd y n a m i co p e r a t i o no fr e h e a t i n g f u m a c e v a r i o u sv a r i a b l e si nt h ec o n t r o la l g o r i t h ma r es c a l e d ，s ot h ew r i t t e n s o f t w a r ei sm o r ef l e x i b l e k e yw o r d s ：d i r e c tr a d i a t i v ee x c h a n g ea r e a ， a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ， r e h e a t i n g f u r n a c em o d e l ， i n t e l l i g e n c e p i dc o n t r o l a l g o r i t h m ， r e a l t i m ef u z z y r e a s o n i n ga l g o r i t h m ，s e l f - t u n i n gf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m 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 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得学位而使用过的其他材料。与本人一起工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：引、芭冈j 日期：2 0 0 5 年0 1 月 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 第一章绪论 轧钢加热炉自动控制萌先要求快速、稳定，氍此基础上方能实现更高级的控 制，从丽翼好姥保证轧割馁务的实现群保证炉内具有良好的加热条件，以满 足钢坯的轧制要求，同时最大程度地降低燃料消耗，提高缀济效蘸。然而，由于 妒内钢坯漩度分耀静不可检测性，加热炉静大燕容薰和多扰动、时变、菲线性等 特征，以及现代大跫轧机高速化、自动化、高精度和多品种的要求，使得加热炉 热工遂程静簧绞控蠲难戳达到满意静效采珏】。 随着计算机拽术的迅速发展以及现代控制理论的不断完善和镏能控制理论 熬瘦弱，綦予诗冀梳豹王鼗过程鑫渤控稍爱在目蔻蛰及。遴过诗霎毫 实瑗菜耱优 选的控制规律( 也称为控制算法、控制策略) ，可以取得明屉的经济效益和节能 效聚。为恁，建立疑够撵示炉子缝稷参数、操露参数、热王蓬翟参数弱生产捂 标之间相甄联系的数学模测，以此为基础详尽研究直接数字控制( d d c ) 系统 的幼羚特瞧，是热热炉控剁黪一个鏊礁谖磁嘲。 1 1 研究意义 钢铁树料是稀代化生产中最羹要酌骧材料之一，钢铁产量和质璧是一个圈家 发这程度鞠经济实力豹耋簧标恚。嚣颦来，我国冶金工韭迅猛发袋，锈铁产爨己 慧毯器善继。餐我莺锈铁企菠邃稍麓耗较键释发遮国家有较大差躐，生产过程中 8 源利用率低，g 灏损失过糍。1 9 9 8 年，我国太中戮钢铁垒韭平均霹跑堍销能 越蕊9 0 1k g c e t ，魄强本疑籁露莛镄辘耗裹爨3 7 。虽然经过节麓工俸者的派蕾努 力，我国单使吨镪s & 糕已鸯载显下黪，但现程每霉钢铁垒渡耗遐1 , 3 钇避掇难 蠼，豹占全謦用能愍霪的1 0 ，繇戳冶金金鼗是繁裁降耗豹蘸点抒效 4 l 。 在钢铁企业中，加热炉越轧钢工序的最大耗能设罄，历以，加热炉自动控测 的研究，慰予提意炉子热效率积改善加热震爨，邀薅提毫钢铁糖鹋黥蒺量势黪低 能耗。具有十分重要的意义。 模塑化方法是深入研究炉子热过程的蠢散方法。模型烈缱i 括物理壤型嬲数学 模型两个方面。在这爨，炉子数学模型是指建立在炉予热工理论基础之上的机理 健简化筷黧，它能定麓墟搦述发生在炉内的热过程。对于d d c 的磅究，炉予模 型可作为软件平台，从而使在绒控制算法得以在离线的条件下实现闭环的仿真研 究。瑟对予s c c 辑究，炉予模型则蔻控制算法的核心。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 文献综述 1 2 1 加热炉热过程数学模型的发展 加热炉系统是具有强耦合、大滞后及非线性等特点，建模较为困难，较实 用的是通过分析加热炉内的热交换机理建立实时控制模型。a v e s i o c k i t 5 】采用 动态热传导分析的方法，将整个加热炉内区域细分成一系列节点，通过分析钢坯 各节点的热交换机理的方法对钢坯温度进行控制。采用分布参数理论与热交换机 理分析相结合的手段，也是常用的建模方法，比较典型的有h e p i k e 和s j c i t r o n 6 1 应用参数分布理论所建立的数学模型，并通过近似集中参数模型研究加 热炉的静态、动态优化控制。gk l a u s t e r 、wh r a y 与h r m a r t e n s 7 1 应用分 布参数理论实现了对钢坯温度分布的估计，所用估计钢坯温度分布的数学模型也 是建立在换热机理基础上的。此外，d a r r y lg c a r p e n t e r 等人提出了“生产率控制” 的概念1 8 】，认为通过钢坯的物性参数将炉内各加热区的加热温度与生产率联系起 来，在此基础上对加热炉实行分段温度控制，实际上也是一种参数分布系统。 加热炉数学模型分类方法很多，按照所模拟加热工况分为静态数学模型和 动态数学模型；按照在实际中应用分为离线数学模型和在线数学模型。离线模型 是指在控制系统外所进行的分析和研究，而在线模型则是作为一个组成部分被嵌 入控制系统中。在研究加热炉数学模型时，通常按照控制精度需要将其分为机理 模型、经验模型和半经验模型9 1 。炉内换热由炉膛辐射换热和被加热金属内部导 热两部分组成，在求解时，这两部分是相互耦合，互为边界条件的，如果描述这 两部分的模型都以能量平衡为基础，在这个意义上称为机理模型( t g 称为完全模 型) ，这类模型通常只用于离线分析。如果对炉膛换热进行充分简化，而只保留 金属内部导热以能量平衡为基础来描述，则称之为半经验模型( 即不完全模型) ， 目前的在线模型大多属于此类模型【1 0 】。 早期的模型仡研究主要是经验模型。例如1 9 7 5 年任世铮 h i 根据炉料在炉内 获得的热量躐燃料供入点位键有关的特点，采用逆流式换热器的基本方程，对工 盈妒等熬工设备蠹部的燕过程进行了分耩和醑究，对加热炉静热工揉作提岛了指 导性意见。辩如，1 9 7 9 年陆钟武 1 2 l 蒋人通过对炉子物理模型的模拟实验以及现 场实验，捷爨了天筠炉炉建热工基本方程式，箍示了炉子熬负荷与玺产率、荦经 热耗与生产率之间关系的q - p 方程和b - - p 方程，并指出了炉子在经济点工作 露，攀耗最繇，熬效率最毫，势在文熬【1 3 】豢邂：舍纛兹筷热应遵循“溱头供熬” 的加热原则，此原则定性地指出了加热炉节能操作的努力方向。1 9 8 2 年，陆钟 武霹糖寒由等4 j 还磅究了炉子产量、熬受蘩、废气娃 炉遗发、空气镶熬湿麓及 过剩系数相互之间的关系，这些理论成果对加热炉热工操作具有指导意义。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 随着控制论和计算机技术的发展，近2 0 年来，各国学者对加热炉优化设计 郄伐诧控制的数学模型进括了丈量磅究，葵核心翘遂是怼炉膛建热互过程遴嚣数 学描述并求解炉内热交换场，他们究全或部分地以能量平衡原理为基础建立的模 型，属于枧理模型越畴。炉内热交换场可分为钢蟋内部热转导和外韶( 炉溅) 热 交换两部分。内部热传导避简单的非稳态导热问题，它直接描述钢坯在炉内的升 温过程，过去常采用多元网归法求解，如武钢引进的热连辜b 加热炉钢坯升瀵控铡 酌数学模激p j 。但是，多元回归法准确性麓，回归系数多鼠难以确定，而脯这些 系数大多没有直接物理意义，所以目前通常采用肖限差分法或有限元法【”“卫以 及边赛积分法求辩。吴彩i l 挪对锯嚣内部热传导酌一维菲稳态导热提出了逡续状 态变量解滋，该方法在时间上是连续的，所以不存在关于时间离散的截断误藏( 也 藏爱该方法可获褥关于辩麓约精确解) ，这对于嵇诗有限麓分静误箍和提裔其解 的精度都烧有益的。此外，连续状态变量解法也不存在求解中的稳定性问题。 文羧 l 朝戳熬爨炉实辩诗雾裁控翱鸯强戆，飘描述锅坯内部不稳定等熬酌 = 维偏微分方程及相应的边界条件出发，把炉内的钢坯视为加热的物料流，并按 尼鳄位置分鳐戈一系列攘纛关联戆予系统，姣瑟开发密摇这镶坯熬状态静大趱模 离散状态空间模型，为实时计算机掇制奠定了基础。这类机理模型现在用得较为 普遍 2 0 1 ，农国痰黪大多数宓鞋热炉谤雾极控涮系统枣，铡魏在重镪叛褒燕熬妒戮l 和天津轧钢五厂步进式加熟炉1 2 2 1 等都有过不同程度的应用。 与钢坯内部热传导相比，步 部热交换爨为复杂，其愿因主要是炉筵建部气傣 流动场、燃烧析热场与热交换场的耦合作用。加热炉作为直接燃用燃料的工业炉 窑，炉内火焰温度和烟气濑度都缀建，是典型酶离溆设各，辐魁在炉膛内热交换 中蠢据主静地位，约占9 0 以上【2 甜，所以炉子热邂程数学模型以求解辐射换热 为主。 从2 0 整怒2 0 年捷醚寒，舞充分鞭示妒巍辐射换稳，虢实现工泣妒窑豹躐佳 设计，辐射换热工程计算越采越受至4 人 | 、】麓援。早期瓣辐射换热磷究是以爨予瑾 谂为基础的，计雾疆射按热努法怒射线跟黥法 2 4 1 ( r a y - t r a c i n g ) ，繇舔踪瓣溺系 统中某一个袭面发射的辐射线，然羼耀无穷级数表示凌西闼的多次反射，最终礁 定器袭耍阕魏辐射换热。1 9 5 3 年p o t j a k t 3 提爨了冷疆射法辫e t r a d i a t i o n m e t h o d ) ， “净辐射”包括自身辐射和投来辐射的反射，避免了射线跟踪无穷级数的计舞， 馒衰落间的辍射抉热可以用一个封闭的线性方程缀来表示，即h o t t c l 赝豁佟戆 “热网络法”( 2 6 1 。当系统中有参与性介质时，h o t t e l 针对等温吸收性介质提出的 平均兜程法( m e a nb e a m1 铡妯m e t h o d ) 怒辩较好的工程近似方法1 2 7 0 埘。 实际燃烧系统内辐射换热的求解十分复杂，目前还没有一种模擞对于不同 酌系统和不阐酌燃烧模式郝邋靥。因就，辎射换热的模型化磷究较其绝传热方式 显褥鼹为多样纯，最谶几十年发展起来的备种辐射模激，一般都有各自的通用对 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 象和侧重点不同的简化。求解辐射场的基本辐射能量交换方程但圳为 k， ( n v ) l ( 吒+ 赶) ，+ 吒凡+ 。i l d c o ( 1 1 ) 斗刀三f 在高温热交换中，方程( 1 1 ) 可为能量方程 _ 舟 - 5 - ( p c t ) + v ( p c t v ) = v ( 2 v t ) + s ( 1 - 2 ) d f 提供源项s 的辐射分量s ，这是各种辐射模型的共同点。对s ，采用不同描述手 段，就形成了不同的数学模型方法。例如，段法( z o n e m e t h o d ，或称区域法) 3 0 , 3 1 1 以积分方程的形式进行描述；流法( f l u xm e t h o d ，或称通量法) 1 3 2 、球谐法 ( s p h e r i c a lh a r m o n i c s ) 3 3 1 和离散坐标法( d i s c r e t eo r d i n a t e sm e t h o d ) 3 4 1 以微分方程 的形式来描述，这类方法统可归为微分近似法；蒙特卡洛法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 和离散传递法( d i s c r e t et r a n s f e rm e t h o d ) 【3 6 】用概率模拟方式描述。针对辐射换 热的复杂性和特殊性，v i s k a t a 3 ”将各种求解辐射换热的数学模型分为四大类：精 确解法、段法、流法和蒙特卡洛法。 段法是h c h o t t e l 2 7 1 于1 9 5 8 年提出的辐射模型全交换面积的计算方法， 现己成为应用最广泛的数学模型方法之一。段法模型描述机理严谨，计算结果较 为理想，常被当作检验其他辐射模型的标准。尽管如此，段法也有自身的局限性， 例如因辐射交换面积计算量大而占用过多的计算机内存和计算时间，难以与其他 传输方程的数值方法相耦合，高次非线性能量平衡方程组的求解对初值要求较高 等。 必克服段法的缺点，研究者将段法与其他辐射羧热模型结合，勰决段法在 求算交换面积时计算量过大的问题，典型的例子是段法与蒙特卡洛法结合踯j 。 鉴予蒙特卡洛法的灵活性，可直接用于计算交换面积，特别是当介质的辐射特性 不隧温度改变时，可用蒙特卡洛法一次性计算辐射全交换面积，然螽供段法旋复 使用，这样可大大降低段法的计算时间。陈海耿和宁宝林【39 】用流法辐射换热量 静反算法确定全交换磊积，并提出流法全交换面积鬣阵静分涎修正法，以提搿模 型整体精度。s a s s e 4 0 提出的混合六通量段法模型( h y b r i ds i x f l u x z o n em o d e l ) ， 综合了段法鞠六逶量模型豹特点，逶过对稳邻段辐蓊传播方内特性静修正，来提 高算法精度并减少计算时间。另外，计算段法的辐射交换面积的方法还有数论网 格法 4 ”、逐次蜀部嚣分法圈淤及缘訇离教瓣线法等 4 3 , 4 4 。 流法将微元面上的半球空间辐射，简化为只沿搬标轴方向变化的辐射热流， 然嚣求艇逶爝魏竣运微分方程。垂予滤法楚便易掌爨，嚣忿嚣羯予工程诗算。它 的一个最大特点就是网格的划分与脊限差分法、有限元法一效，且得到的热流方 程与通用方稷形式一致，因露可以缀方便圭| 塾与动量方程、能鬟方程联立求鳃。流 法所需的计算时间比较少，倪它采用“接力”的方式来描述辐射，机理上有缺陷， 一d 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 因而误差较大a 蒙特卡洛法的雏形可以追溯到1 7 7 7 年b u f f o n 随机投针试验。这种方法是 以概率统计的方法来描述热辐射，其基本思想是发射的离散化、发射的随机化 和吸收的随机化。它对非均匀介质及复杂几何炉型有较好的适应性，而且处理多 重积分时，误差与积分重数无关，便于求解交换面积。当计算精度要求不是很高 时，其计算量很小。但由于所发射能束的方向和位置是由计算机所产生的伪随机 数决定的，因而蒙特卡洛法不可避免的存在统计误差。为了减少计算工作量和提 高精度，出现了能差迭代和重点抽样等改进的蒙特卡洛法【4 5 1 。 由于辐射求解的复杂性，上述基于区域能量平衡的模型一般在离线分析中 使用。为实现模型在线控制，一些研究对外部热交换场进行简化，其中广泛采用 的是总括热吸收率法( t o t a l h e a t e x c h a n g e f a c t o r m e t h o d ) 附 ，即c g 法或尤f 法， 对于以炉温为基础的体系，称为。，法比较确切。该法将影响炉内传热的众多因 素通过实测反算的一个( 或一组) 无因次系数总括热吸收率。来概括。庐。 的实验研究方法( 如焓增法、断面温差法和表面温度梯度法) ，实质上是参数辨 识。九，的测算不仅受炉子结构参数和操作参数的影响，而且实验是在一定的稳 态工况下进行的，具有较大片面性。根据日本钢铁学会加热炉小委员会的报告， 在众多炉子上的研究表明：九，几乎无规律可循【4 7 1 。虽然如此，对庐。的在线补 偿和理论求算的研究在不断深入，石伟、陈海酬4 6 , 4 s , 4 9 1 等a 将段法全交换面积推 广到热电偶上，以理论方法计算了如，这种方法还可推广用于先，的动态补偿。 一些工程磅究瓣辐射漾孬了籍纯，懿懿落袋锅炉熟力诗舞标准中麴寒多尔分 段算法【5 m ，将辐射屏蔽在一个段内求解；维分暖计算法采用假想面简化段间 壤麓。又魏，吴彬、黪海漱l 档l 提窭了连续燃热炉“三元模熬”，聚趱段闯壤袈解 耦的方法实现了能蔗平衡方程组的在线求解，并实现了全变换面积的动态补偿。 总之，炉子热过程数学模型磅究主要露以下凡方嚣的意义： ( 1 ) 对已有设备迸行离线分析，为降低燃料消耗、优化操作提供依据，也 为旧设蓊的改进提供优化措施。 ( 2 ) 对于新设备的投建，通过数学模型的模拟实验，寻求最佳设计方案。 本文研究与上述两点的关系比较密切。此外，模型的研究还可用于： ( i ) 通过对炉内热道程的精确数值禳拟，为加熟炉韵在线控制创造条件。 ( 2 ) 合理组织燃烧过程，减少对大气中有害气体的排放，保护环境。 东北火学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 加热炉计算机控制技术的发展 早期的加热炉控制主要是常规燃烧控制，其直接目标是获得较为稳定的炉子 工擞并追求绶佳燃烧。2 0 世纪7 0 年代以后，国际上对加热妒最优按巷进嚣了广 泛研究，并鼠随着微型计算机技术的发展，加热炉计算机控制逐步j 藏入实用化阶 段【5 n 。但总的来说，关于加热炉计棼机控制的高级策略还露许多毳瑾究工幸筝鸯待 予深入进行。 随着现代轧机向着连续、大型、高速、离精度与多品种等方向的发展，以及 对镶垤加热旗重要求的目益提高，对加燕妒控南l 也掇出更高和更新的要求，这就 促使人们去研究以计算机为控制工舆的加热炉控制系统 5 ”。 在趣热炉诗算税控剃技术静磅究中，p i e r g i o r g i of o n t a n a 等入i 5 2 1 较翠逾对加热 炉的过程计算机控制系统进行了研究，提出了计算机控制系统的总体结构，主要 篷括：钢坯攘热数学模鍪模块、侯熬调节模涣、热平衡模块、秀霸燕炉供坯节餐模 块和故障诊断模块。数学模型采用傅立叶热传导方程计算加热炉内钢坯的实际加 热状态，连续麴钢矮滋凄努毒矮掰x n 矩箨浚示。y o s h i s u k e 、m i s a k a 等久 9 , s s l 对 加热炉计算机控制系统各组成部分的数学模型进行了讨论，并给出了相应的模型 公式；在最健炉温瓣汁算方法上摈癸了煌绞熬按照攀先确定撂准遴雩亍热蒸鹣方 式，采用基于满足加热约束条件的实时计算方法：在保证钢种加热要求的前提下， 最大限度地降低预热段炉澄，从恧减少了热能损耗。 随着控制研究的进展，多级计算机控制系统被逐渐, m j n 热炉温度控制领 域，媛典型魄是二级控制系统。二级计算虮擦裁系统的发展大致经弱了基予爨嚣 的系统、基予换热模型的系统和基于温度策略的控制系统三个阶段。一般而吉， 上级计算机控制系统完成监擦管理盼功能，包括完成加热炉激度控制羁标所黉的 策路和主程謦，这一级的输渤主要是各加热隧的温度设定值及钢坯出炉命令锌。 下级计算机控制系统主要进彳亍炉内各加热区温度闭环控制，炉内燃料空气流量串 缀控甍霭帮炉内燃气匿力控割；诧耱，下级控制系统还控割加热炉各部分的启动顺 序及钢坯在炉内的移动等1 5 。 虫子诗舆投技术以及鸳& 控蒜技术载遂遽发震，熬热炉诗冀凝按裁熬盛爝瓣 趋广泛，控制水平脊咧显的提蕊。在试验研究的基础上，把加热炉的工艺特点觏 试验数据有效媳结合起来，形成一种瓤的模烈缝毒句，劳利用枫爨模型积热乎糖诗 算来修正实验模型使之适应工况，在此基础上还可以引入加热炉的最优控制模 型，敛实现最伉计算机益督控制，取得了良好的应用成果，铡如在数学模型的揍 础上实现操纵缴的鬣接数字控制( 简称d d c ，即d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 和计算 视蕊督控铺( 简称s c c ，酃s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) 1 3 1 0 目前，计算机巍 动控翩系统在阐内井的各钢铁企业褥劐了广泛的应用，而且，伟为钢铁工业强困 查i ! 查兰翌主鲎竺笙墨筮二主堑垒 的日本、美困等国家已有将专家系统和模糊控制应用于钢厂加热炉燃烧控制和炉 浸控毒l 匏羰道。 国内在加热炉控制技术这方面的研究怒步较晚，和发达国家相比还存在定 懿菠距。瞧蓉诗算热软硬 孛技术与键g l 控制技术的发展，一撩先进熬秘技手段已 成功地应用于加热炉的炉温控制中。表1 和袭2 分别对国外和国内加热炉温度控 制技术的应用现状遴行了憨裂”。”。 液1国外钢铁企业加热炉温度控制技术的应用情况 钢厂 采用的浓度控巷q 技术及应用情况 e s s a r 钢厂 目本川崎钢铁厂 新蹰兰h o o 。 g o v c n s 钢厂 瑞熟d o m - n a r v e t 钢厂 美溪y a m a t a k e h o n e y w e l l 公司 开发了加热炉温度控制模型r t c 系统，可程线模拟钢坯升温与降温 过程，完成加热炉与轧机的节奏匹百已，钢坯加热过程优化，各加热区 温度设宠焘诗雾及裁定缚# l 策略等凌能 开发了加热炉燃烧控制专家系统，该系统与数学模型桐结合，系统采 用线性规划、优化模型计算满足出锕温度和出钢时闻的升温模式，用 专家系统选择撬纯模型静嚣标函数鞠约束条梅，确定设定温度 采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制、推 钢速率按常和壹接燃烧控攒 实现了计算机在线最优控制，包括鼹佳加热曲线的确定和最伉炉温 控制 箕步避辗封式热热炉全鑫动燃浇控翻系统其毒遘程瀑嶷控裁、 譬整颓 序管理、钢坯跟踪及生产管理功能 表2 国内钢铁企北加热炉温度控制技术的盥硐情况 钢厂采用的温度控制技术及应用情况 马鞍山钢铁公司 莱荛特钢厂 上海宝山钢铁公司 1 5 8 0 热轧厂 武汉镪铁公竭 采用分区控制策略，采取p i d 控制、强比碗f 控制与f u z z y 控制确结合 的复合控制系统，三者之间的转换条件是炉温设定值与实际值的温度 镳差# ，滋差上下隈逶过分耩现场数攒确定 以n e u r o s h e l l 神经元网络为基本控制平台，采用b p 中带阻尼反馈 的r e c u r r e n t 网络的寻优功能寻找最镁空燃比。投入运行后取得岚好控 镣赣采，炉温控鬣精度在设定擅的l o 内 攘个钢坯加热过程实现了数学模型网络控制，根据粗轧出口带钢要求 的巨瞌温度，采用炉温或滚爨设定方法，对扳坯温度周期邀进行计箕。 道过加热炉控箭模激中的数据层剐，实现了对新增的不同规格与钢种 的板坯出炉温度的准确控制 滋摸鞭控髑援寒用予掌援p i d 控剿器参鼗戆蠡稳整定，整个热热炉实 现了全自动控制，自寻优并跟踪最往燃烧，各段炉温自动协调，最大 限度地修避各设定馕，各参数在线自动饕定，控温精度l ，氧化烧损 减少3 0 激上 餐l 控簇菝术臻究在我嚣起步较浚，在工鲎特翻是钢铁工堑应阕方瑟，氇投 入不少资金，做了大量工作。因此进行智能控制理论的研究，并使之在工业控制 7 一 查! ! 垄芏堡主兰堡笙查笙二主! 兰垒 中得到成功应用，已成为当务之急，并引起很多学者和工程技术人员的关注。 近几年来，神经网络因其较快的学习能力和逼近任意非线性映射的能力而被 用于系统建模的研究中。在加热炉温度控制中应用最广泛的是b p 网络，b p 网 络有结构简单、抑制样本噪声等优点，但也有易陷入局部极小点导致网络训练速 度缓慢的缺点5 6 1 。因此，近年来也出现了一些改进的神经网络模型，例如r b f 网络模型仅在输入空间的局部范围内非零，而且其参数调整律可采用线性调整技 术，因而有更快的学习速度，逼近能力很强，在钢坯温度预报方面得到了很好的 应用 5 8 1 。 模糊逻辑控制技术能够有效地利用人工控制所取得的操作经验，把人工经验 变换成模糊控制规则，在像加热炉这样的非线性、大惯性、时变的复杂系统的控 制中获得了成功的应用。加热炉温度控制的模糊控制器设计包括模糊化、模糊推 理决策和解模糊化三个过程【5 ”。将模糊控制同其他控制技术相结合对炉温进行 控制的情况比较普遍，例如将模糊控制同比例控制、p i d 控制相结合的分区控制 策略，以模糊规则实时调节p i d 参数的模糊p i d 控制技术等。模糊控制规则是 对受控过程认识的归纳与控制经验的总结，当前存在的主要问题是测试参考模糊 集隶属函数的选择、模糊量化以及控制规则的固定等。因此，出现了采用具有学 习功能的神经网络对模糊控制规则进行训练的加热炉炉温的模糊控制及神经网 络控制口9 1 。可以预见，智能控制技术在将来的加热炉集成控制领域将占有举足 轻重的地位。 1 2 3 加热炉d d c 系统各种控制算法的发展与应用 在生产过程自动控制的发展历程中，经典控制理论的p i d 控制是历史最久、 生命力最强的基本控制方式，在2 0 世纪4 0 年代以前，除在最简单的情况下可采 用开关控制以外，它是惟一的控制方式。此后，随着科学技术的发展，特别是电 子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，p i d 控制由 于它自身的优点，仍然是最广泛应用的基本控制方式，在加热炉d d c 系统中， 目前也大多是如此。总之，p i d 控制具有以下优点： ( 1 ) 原理简单，使用方便。 ( 2 ) 适应性强，可广泛用于各工业部门。 ( 3 ) 鲁棒性强，其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 由于这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是p i d 控制。一个大型 的现代化生产装置，其控制回路可能多达一二百个甚至更多，其中绝大部分都采 用p i d 控制。例外的情况有如下两种：一是被控对象易于控制而控制要求又不 高，可以采用更简单的开关控制方式。二是被控对象特别难以控制，而控制要求 又特别高，如果p i d 控制难以达到生产要求，此时就要考虑采用更先进的控制 查! ! 查兰堡生量堡垒查 苎二皇! 芝堡 方法。 尽管爨2 0 世缌6 0 年裁鞋来，经典控囊理谂鼗溪饯控制理论邕在工业奎产过 程、军事科学以及航空航天等许多领域取得了成功的运用，但是它们只能透用于 糖密因素怒主要佟蹋的场念。当被控对象竣过程爻a 线性、鞋变蠖、多参数闯兹 强耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测擞条件不定时，则不可 能建立被控对象或过程的糖确数学模型，采用经典撩制理谂窝现代控割理论的效 粟往往不蔟理想。正如某俄控制专家所言，精确发离到一畿程度，橱能性便随之 降低。一般说来，妇于字或句没有数那么精确，故语言变爨概念适用于提供一静 遥似方法，隗裹征碧e 些过予复杂或定义不够完善而不宜用通常盼量化术语加阻描 述的现象。因此，可以将人工经验上升为数值运算，使以往凭经验实现的手动控 鬣运遘飘嚣实现自动控铡袋为可懿。在实际应弱中，往往采孀传统的控镪方法不 如一个有实践经验的操作人员用手劝进行控制的效果好，这种现象激发了不少科 学家去搽索令中究嚣，并爨密了各骜释决方法鄂l 。 1 9 6 5 年，美国l a z a d e h 6 1 】把经典集合与多德逻辑融为一体，创立了一种 完全不固予转统数学与控裁理论懿攘凝集合理论，开辟了菸决穰翻阀遂静j i ； 学途 径。其核心思想是对复杂的系统或过程建立一种语畜分析的数学模式，使人们日 露生活中的盎然语骞戆壹羧转纯秀诗算规联戆接受懿算法港言。至魏，模裁控翱 的数学基础便建立起来并逐步完善。而且广泛运用于工程问题中。 1 9 7 4 每，e 。h m a m d a n i 6 2 j 用“i 卜t h e n ”形式夔模嬲接理援粥酸素l 域第一 个模糊控制器。其优点是简单，抗干扰性强( 即好的鲁棒性) ，而鼠不需要建立 控制过程的数学模型，该方法成功用于锅炉秘蒸汽机的控制。随蜃农靖兰、丹麦、 英、美等篱，应用模糊集含理论对热交换器、烧结工厂原料混合渗遁率、压力容 器以及炼钢过程进行控制，也都获得良好的效果。1 9 7 7 年，英国p a p p i s 和m a m d a n i 对十字路豳的交通管理采瘸模糊控制，使平均等待时间比原来减少7 。1 9 7 6 年， 日本大阪大学的三位学者对机器人避行模糊控带4 研究，通过计算机接口，给机器 a 下达模颧控裁指令，辊嚣久赣按一张稹掇静城市筒图到达了目的缝。1 9 7 4 1 9 7 9 年间，英、西德、日本、美国、加拿大等国，都曾先后对蒸汽机、锅炉、 薅镪设备激及汽轮发电撬缀等透露了模獭控锱懿诗箨权傍粪，并与缀典韵传递函 数算法的计算机仿真进行比较，结果都表明，模糊控制比传统的经典控制性能稳 定，效鬃嶷好。在奉震主，模糊整簇矮燕i 楚簿线性秘，对予瓣象参数交往的逶应 性强，即所谓的鲁棒性( r o b u s t ) 好。1 9 8 0 年，模糊控制的工业应用产品问馓一 一漤法水淀炉窑蛉模凝控裁。1 9 8 5 牮，摸糕镞照毽器诞生。1 9 8 7 零，模糊控裁 的倒立摆在日本试玻成功。 蠡1 9 7 9 年戳来，我冒在模稻拄锖理论和技术酌研究及戚用方谣，做了大量 工俸。1 9 8 0 年，汪堵座、楼糙博绘戳模糊控桶器的数学定义，并提出可响应问 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 题。李宝绥、刘志俊等人用数字仿真方法，研究典型模糊控制器的性能，并与常 用的p i 控制器进行比较，实验表明，模糊控制器对单位阶跃响应具有速度较快， 过渡过程时间短，精度较高，对参数变化不敏感等优点。龙升照、何开源等用实 验的方法，确定人一机系统中人的模糊概念及模糊变量的隶属函数，实验表明， 用正态型模糊变量来对这些模糊概念加以描述是适宜的。1 9 7 9 1 9 8 0 年，陈国 权把模糊逻辑蕴含的句义和推理合成规则扩展到n 元模糊关系上，并指出利用这 些性质可以大大简化模糊控制器的算法实现过程，从而简化控制器的硬件结构。 上述模糊控制的工程应用实例，大多适用于常规控制不易获得精确数学模型 和数学模型不确定或多变的场合。但是，如果人们对生产过程总结不出成熟的经 验，或者生产过程有较大的随机干扰和较大的非线性以及时滞等特征，即控制规 则难以描述，在这种情况下，一些具有自适应、自组织和自调整的高级模糊控制 器便应运而生。 1 9 7 9 年，tj p r o c y k 和e h m a m d a n i 发表了关于自组织模糊控制器的研究 成果。1 9 7 9 年，李宝绥和刘志俊提出用模糊理论测辩系统模型，论述了如何根 据系统输入一输出的量测值来测辩系统的模糊模型，改进了r m t o n g 所提出的 测辩模糊模型的方法，得到了更精确的结果。1 9 8 2 年，龙升照和汪培庄研究了 模糊控制规则自调整问题，对模糊控制器的控制规则提出了一种带修正因子的量 化描述方法，为模糊控制系统的参数寻优和自适应控制系统的参数调节提供了新 途径。1 9 8 1 年，洪钟威、邵世煌等人对自组织模糊控制器进行了计算机仿真研 究。1 9 8 2 年，宋大鹤研究了模糊控制器的数学模型，指出极大极小合成运算存 在缺陷，并提出了新算法。1 9 8 3 年，邓聚龙【6 3 】研究了模糊控制稳定性问题，利 用模糊数定义了模糊控制率和六种典型控制过程，并在此基础上提出了模糊自动 稳定性条件，着重分析了采样间隔f 及控制输出信息u 合理选择的重要性，并 给出了计算实例和试验结果。同年，冯德益等在他们编著的“模糊数学方法与应 用”一书中，也探讨了模糊控制的稳定性问题。 总之，模糊控制理论及其在工业生产过程中应用的研究取得了巨大成功，而 且在控制理论领域中很有发展前途，这是因为，与传统控制正比模糊控制具有一 系列优势，其中主要有： ( 1 ) 使用语言方法，不需要掌撩过程的精确数学模型。 ( 2 ) 对予寿一定操 睾经验、蔼不是控裁专监嚣工箨者谎，禳獭控裁方法 易于掌握。 ( 3 ) 搽作太员耱予逶过久戆垂然语言遴行天撬逶禳，觚瑟瑟予秘入至l 遥稷 的控制环节中去。 慈之，程菜些场合，逶避模糊按期，过程的动悫穗应菇葳爨予露援懿p i d 控制，并对过程的控制参数变化具有较强的自适应性。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 总之，对于加热炉d d c 系统而言，实现控制的算法魑多种多样的，但是鉴 予器秘算法之阕存在差异，霆越鸯必要对象l 】进程深入硬究。 1 3 研究内容和方法 在研究加热炉赢接数字控制( d d c ) 控制算法时，建立较为严谨的机理数 学模型，实现多种冀法分柝謦比较研究，然而寻求一种簿台具体工装要求的控制 算法并菲翳事。困此，在离线分祈d d c 级控镪| 算法中，主要研究内容如下； ( 1 ) 建立炉子热过程数学模型，根搬炉膛能摄平衡方程和钢坯、炉围的导 热方程三者联立求解瀛度场和热流场。 ( 2 ) 建立以炉子热过程数