（检测技术与自动化装置专业论文）基于模糊控制的箱式炉远程监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 金属热处理炉是冶金行业中重要的组成部分，热处理炉的控制水 平直接影响着产品的质量和能耗。随着工业自动化水平的提高，降低 生产成本、提高品质、减少污染已成为企业改造的重要目标。 模糊控制具有不依赖于对象的精确模型、鲁棒性好等特点，已经成 为解决工业生产过程非线性、大滞后、多变量、不确定性等难控问题 的一种重要方法。 从理论角度系统的总结了模糊控制器的设计方法，通过对各种模 糊控制器的选择分析和比较，根据实际情况对控制器进行改进和优化， 建立了箱式炉几种基本控制对象的模糊系统模型，并在实际控制中加 以运用。 以箱式炉控制系统设计为背景，分析了热处理行业的现状和工艺 特点。在查阅了大量相关文献和收集现场操作数据后，以p l c 为控制 核心，模糊控制理论为手段，结合脉冲燃烧控制和变频技术，完成了 热处理过程的温度和压力控制，保证了温场的均匀和炉压的稳定。并 使用模糊自寻优化算法，调节空燃比，寻求最佳燃烧效率，提高系统 运行的经济效益。 采用组态王6 5 设计了箱式炉控制系统的上位机监控界面，给用户 提供了良好的操作平台，并通过网络配置实现了监控画面的远程共享， 提高了系统的信息化水平。 关键词：模糊控制，p l c ，脉冲燃烧，变频，组态王 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o rs y s t e mf o rb o xf u r n a c e b a s e do nf u z z yc o n t r o l a b s t r a c t m e t a l h e a t i n g f u r n a c ei sas i g n i f i c a n tc o m p o n e n to fm e t a l l u r g y i n d u s t r y ，t h ec o n t r o le f f e c to f h e a t i n gf u r n a c ei n f l u e n c et h ep r o d u c tq u a l i t y a n de n e r g y c o n s u m p t i o nd i r e c t l y w i t h t h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y a u t o m a t i o n ，r e d u c i n gc o s t ，e n h a n c i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c ta n dl e s s e n i n g p o l l u t i o nh a v e b e e nb e c o m i n gt h ec h i e ft a r g e to fm a n u f a c t o r yp r o g r e s s f u z z yc o n t r o lh a sc h a r a c t e r i s t i c so fd i s p e n s i n gw i t hk n o w i n ge x a c t m a t h e m a t i c sm o d e l sa n dp r e f e r a b l er o b u s t n e s s i tb e c o m e sai m p o r t a n t ， a p p r o a c ht os o l v ed i f f i c u l t i e si ni n d u s t r i a lp r o c e s sw i t hn o n - l i n e a r i t y ，b i g i n e r t i a ，m o r ev a r i a b l ea n ds oo n t h ed e s i g np r o c e d u r eo ff u z z yc o n t r o l l e ri ss u m m a r i z e df r o mt h e o r y a s p e c ts y s t e m a t i c a l l y w i t ha n a l y s i sa n dc o m p a r i n gt ov a r i o u sc o n t r o l l e r s ， t h ec o n t r o l l e r sa r ei m p r o v e da n do p t i m i z e da c c o r d i n gt oa c t u a lc o n d i t i o n ， t h es y s t e mm o d e l sf o rs e v e r a lk i n d so ff u n d a m e n t a lc o n t r o l l e dm e m b e r s h a v eb e e nb u i l t ，f u r t h e rm o r e ，t h e yh a v eb e e na p p l i e di nr e a l i t yo p e r a t i o n t h ed e s i g nt a k e st h eb o xf u r n a c ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma s b a c k g r o u n d ，a n a l y z e st h ea c t u a l i t ya n dt e c h n i c st r a i t o fh e a tt r e a t m e n t i n d u s t r y h a v eb e e nl o o k i n gu pl a r g ea m o u n to fr e l e v a n td o c u m e n ta n d c o l l e c t i n gt h ef i e l dd a t a ，u s e sp l c a sc o n t r o lc o r e ，r e s o r t st of u z z yc o n t r o l t h e o r y , c o m b i n e sw i t hf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt h ep u l s ec o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ，a c h i e v e st h et e m p e r a t u r ea n d t h ep r e s s u r ec o n t r o l l e di nh e a t i n g t r e a t m e n t ，e n s u r e st h es y m m e t r yo ft e m p e r a t u r ea n ds t a b i l i t yo fp r e s s u r e a tt h es a m et i m e ，f u z z ys e l f - o p t i m i z ea r i t h m e t i ci su t i l i z e dt oa d j u s tt h e r a t i oo fa i r f u e la n dl o o kf o rp r i m eb u r n i n ge f f i c i e n c y ，i tc a ne n h a n c et h e b e n e f i to fs y s t e mr u n n i n g 武汉工程大学硕士学位论文 k i n g v i e w6 5i su s e dt od e s i g nt h em a i n f a m em o n i t o ri n t e r f a c eo fb o x f u r n a c ec o n t r o ls y s t e m , t h es u p e r v i s o r yi n t e r f a c ep r o v i d e saf i n eo p e r a t i o n p a n e l f o rc o n s u m e r f u r t h e r m o r e ，i t h a sb e e nf u l f i l l e dr e m o t es h a r e r e s o r t i n g t on e t w o r kc o n f i g u r e ，e n h a n c e st h ei n f o r m a t o r yl e v e lo ft h e s y s t e r n k e y w o r d ：f u z z yc o n t r o l ；p l c ；p u l s ec o m b u s t i o n ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ； k i n g v i e w n l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鬟盔月学 2 叩年朋z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密衫 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：鬃友孵 1 年5 乒爷 指导教师签名：彳殇挑 叩钳月歹日 第l 章绪论 1 1 现状和技术特点 第1 章绪论 加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备，它在钢铁生产中 占有十分重要的地位。加热炉的生产任务是将钢材进行加热处理来改 善钢材的性能，并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗， 减少氧化烧损。加热炉的操作水平直接影响产品的质量、产量和生产 消耗指标，所以国内外对于加热炉自动控制的研究一直比较重视，发 展比较快，也取得了较为丰硕的成果。 加热炉控制系统本身是一个较为复杂的被控对象。在实际热工过 程中，由于被加热金属的热导率、装入量以及产品处理温度等因素的 不同，直接影响着控制算式参数的变化，加热炉本身具有很大的不确 定性。对这样一个大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象的控制， 至今仍是一个热点和难点。 1 1 1 加热炉控制的特点 加热炉的主要目的是将钢材进行加热再处理1 ，使坯料内外温度均 匀，改变钢的结晶组织，以提高钢材的机械性能。烧嘴喷出的高温火 焰，以辐射和对流方式向钢坯传热。在坯料加热过程中，加热炉的温 度和炉内气氛必须调整得当，不当的操作，会出现各种缺陷，诸如氧 化、麻点、过烧、脱碳以及加热温度不均匀等，同样也会造成能源的 大量消耗及严重的氧化烧损等现象。要很好地解决这些问题，仅靠工 艺自身的改造是满足不了要求的。在自动控制上，人们也作了大量的 工作。但由于加热炉是一个具有大惯性、大滞后、非线性的时变系统， 炉内的热加工状态非常复杂，有热辐射、热传导、热对流，加上工艺 武汉工程大学硕士学位论文 参数的频繁波动，给建立加热炉的数学模型造成了很大的困难，其实 经过较多化简的数学模型也没有太大的实用价值。因此，传统的控制 手段是很难满足要求的。目前，加热炉控制遇到的难题主要有以下几 个方面： ( 1 ) 炉膛温度的自动控制 由于加热炉内热工过程的复杂性，常规的p i d 控制，或炉温、燃料 流量、空气流量并行串级控制等，控制精度低、超调量大，控制参数 难以整定，很难达到控制要求。 ( 2 ) 空气燃料最佳配比的控制 空气燃料的最佳配比，是加热炉燃烧控制的重要内容。大风量操 作会产生过多的废气，过多的空气不仅会带走大量的热能，而且会导 致炉内气氛中含有过多的氧进而造成钢坯的严重烧损。过燃料操作会 造成燃料燃烧不完全，降低热效率，而且会产生大量黑烟，污染环境。 这些都严重影响了加热炉加热质量，甚至影响正常的生产。常规的控 制系统，很难较好地实现最佳空燃比的控制。 ( 3 ) 炉膛压力的稳定 为了生产的安全和保证产品质量，炉膛压力必须严格控制在允许 的范围之内，保持炉膛压力为微正压。由于热负荷的变化，炉膛内压 力容易造成突变，加大了燃烧控制的难度。 加热炉是一个复杂的被控对象，不能用一个简单的环节来描述， 而是要用若干个环节的串联才能描述它的系统特性。加热炉经简化后 可以看成三个环节的串联。加热炉特性瞳1 示意图如图1 1 所示。 惯性环节b ：延迟环节c ：非线性环节 图1 1 加热炉特性图 加热炉和许多大容量的对象一样，在对象的输出端具有很大的惯 性，它是个惯性环节。我们可以用一阶惯性环节k ( t s + 1 ) 来描述它的 第1 章绪论 输出特性。 加热炉本身有一定的延时性。炉内所有检测量和控制量，如温度、 流量、压力、废气含氧量等，以及执行器阀门的开关等，都有一定的 延时。这表示加热炉对象中含有一个e 4 延时环节。 在加热炉中，许多熟工参量的变化，如燃料效率、传热速度、流 量开度等都具有非线性。而且这种非线性还很复奈，有的还是漂移不 定的，具有很多不确定因素。 由上述可见，对于加热炉的燃烧调节，用一般线性调节规律是不 能满足要求的。采用常规控制理论和方法进行控制，必须知道其准确 的数学模型，而加热炉这种大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统， 结构复杂，各变量之间相互耦合。加上各种干扰因素的影响，难以建 立其精确的数学模型，因此也就无法收到预期的控制效果。基于上述 原因，对于这种用一般线性调节规律不能满足要求的调节系统，且在 燃料热值和残氧难以检测的情况下，我们根据易于检测的各种流量、 压力和温度三组物理量，采用模糊逻辑技术，按照人工智能的方法加 以控制，自动搜索、并确定最佳空燃比，实现最佳燃烧和综合自动控 臻0 ，有着极为广阔的应用前景。 1 。1 2 主要关键技术 近年来，国内外的工业窑炉技术发展很快，工业炉窑残氧量控制 常用的基本原理和方法主要有以下四种： ( 1 ) 测出燃料的发热值变化，进行前馈控制： ( 2 ) 测出废气中含氧量变化，进行反馈控制： ( 3 ) 单回路模拟仪表流量交叉限幅控制： 一， ( 4 ) 根据模糊逻辑方法进行人工智能控制。 在以上四种方法中，第一种因检测发热值困难，而很少使用。第 二种随着氧化镐的种种局限性，而使自控系统很难长期连续运行。第 三种仿仪表的控制，设备复杂而适应能力不强。第四种是近年来发展 的有强大生命力的控制方法。国外也正处在研制和试验的阶段，国内 武汉工程大学硕士学位论文 也有不少院校科研机关都在向这方面发展，它是今后一个时期窑炉控 制的发展方向。 工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，例如：产品 质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形 式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气 氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的 调节和测量等环节的制约，所以目前大多数工业炉的控制效果不佳。 随着工业炉工业的迅猛发展，9 0 年代中期，脉冲式燃烧控制技术应运 而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。但 相应的脉冲控制器件价格昂贵，且需要配备专门的燃烧控制器，一定 程度上限制了其发展。 1 2 实现热处理炉自动控制的意义 科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展。人类对能源的需求 不断增加，世界上发达国家为了缓解能源紧张问题，在努力开发新能 源的同时，都致力于节能新方法的研究。我国地大物博，人口众多， 对能源的需求量很大，但我国人均能耗低于世界平均水平，而单位产 值的能耗却为发达国家的二倍。这在能源供应日益缺乏的今天，应该 引起人们的足够重视，同时也说明我国节能潜力很大，应该努力寻求 节能的新途径口1 。 由于一些年久的钢铁企业设备陈旧，自动化程度低下，不仅工人 劳动条件差，劳动强度大，而且窑炉的热效率低。因此，在满足工艺 要求的前提下，提高窑炉的热效率，降低能量消耗，把工人从繁重的 劳动中解放出来，促进文明生产，窑炉实现自动控制是一个急待解决 的问题。 目前，国内外针对工业窑炉燃烧控制要实现的主要任务，采用大 量的方法和手段力图实现窑炉系统的最优控制。 ( 1 ) 采用先进控制设备 随着工业控制机、可编程控制器及集散控制系统等先进控制技术 第1 章绪论 的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式仪表单回路控制。 无论是p l c 还是d c s ，稳定性和可靠性都得到很大得提高，此外不但能 独立使用，且其通讯能力较强，便于联网。 ( 2 ) 现代控制理论的应用 越来越多的控制系统采用现代控制理论，最优控制、自适应控制、 自校正控制器、自整定p i d 参数的控制器，有些己成功地在工业中应用。 ( 3 ) 管理系统的应用 除了传统的现场过程级闭环控制以外，箱式炉也使用上位机进行 管理。上位机应用程序包括监控界面、数据存储、报警记录、报表生 成、优化控制等主要功能。管理系统应用的扩展，大大提高了箱式炉 控制系统的应用性能和实用价值，提高了生产过程的效率。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括 三个部分：测量、比较和执行。传统的自动控制，包括经典理论和现代 控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控 对象准确的数学模型( 如微分方程、传递函数或状态方程) 的基础上， 但是在实际工业生产中，系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确 的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞 生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输 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 实时控制。模糊控制h 1 实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范 畴。 1 3 本课题的内容与意义 由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，自6 0 年代末第一台 p l c 问世以来，已广泛被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个 领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支 柱之一吲。 本课题来源于无锡特钢材料有限公司的箱式炉二期自动控制系统 设计工程，由于一期该热处理炉采用传统p i d 控制，控制效果不佳，另 武汉工程大学硬士学位论文 外没有对燃烧效率进行专门的控制，所以燃料浪费问题较为突出。本 次设计就是针对箱式炉控制系统的工艺流程特点和控制要求，进行了 控制系统的总体结构和功能设计，并介绍了控制系统中所使用的硬件 及组态软件的功能和特点。在完成原有控制要求的前提下，采用脉冲 控制技术，利用模糊算法，克服对象特性的多变性、非线性、噪声、 不对称的增益特性，较大的滞后等因素的影响，实现较为精确的温度 和压力控制，并在此要求上寻求最佳的燃烧效率，提高热效率和电能 利用率，以达到节约能源和提高产品质量的目的。 本课题的主要研究内容包括模糊控制理论研究及其在箱式炉上的 应用两方面，具体如下： ( 1 ) 模糊控制的理论研究。 ( 2 ) 基本模糊控制器的设计。 ( 3 ) 基于p l c 的时序脉冲控制器设计。 ( 4 ) 加热炉空气燃料自寻优配比控制研究，运用模糊控制理论、 变频技术、计算机技术，从理论体系、算法结构和软硬件方面实现箱 式炉温度、压力的自动控制，为金属热处理行业带来潜在的经济效益。 目前，模糊控制正处在一个迅速发展阶段，模糊控制技术乃至智 能控制理论，目前仍处在一个发展完善阶段，理论与实践的相互促进 作用，将智能模糊控制技术的进一步推广应用，并在实践中不断地探 索完善，无论是从技术理论上还是实践上都具有较好的发展前景。 第2 章工艺条件 第2 章工艺条件 在化工，石油，冶金等工程中，耐高温、高压、腐蚀的特殊型钢 铁材料得到了广泛的应用。现在国内外大多采用冷模法生产铸管，冷 模法生产的毛管硬而且脆，必须进行退火处理，其目的是将毛管硬而 脆的渗碳体组织转化为以铁素体为主的组织，从而使球墨铸铁管的机 械性能达到国际标准。即使采用冷轧工艺，往往也需要对金属进行热 处理，使它具有一定的可塑性，才能进行轧制。 加热炉有多种分类方法，从加热制度角度可分为两段式加热炉、 三段式加热炉、箱式加热炉；从钢坯在炉内移动方式看有步进式加热 炉、推钢式加热炉和环型加热炉；从加热介质种类分有煤气加热炉、 重油加热炉、电加热炉以及刚刚兴起的天然气加热炉等。 2 1 箱式炉结构及工艺特点 2 1 1 箱式炉结构 无锡特钢材料有限公司箱式炉，用于合金钢、高合金钢材调质生 产线退火热处理，采用封闭式加热方式，依靠炉膛空间各区段炉温均 衡控制，实现原料在炉内加热处理。 箱式炉主要由炉壳、炉衬、炉门、传动机构、燃烧装置及电气控 制装置组成。炉壳由钢板及型钢焊接而成，炉衬一般由轻质高铝砖、 轻质黏土砖、耐火纤维、保温砖以及填料组成。加热设备为天然气燃 烧装置，其结构如图2 1 所示。 武汉工程大学硕士学位论文 图2 1 箱式炉结构图 箱式炉有效长度1 0 0 0 0 m m ，炉膛内宽1 9 8 0 m m ，高2 0 0 0 0 m m 。采用 天然气为燃料，退火热处理最高温度8 6 0 。一次热处理钢材约为1 2 t ， 燃烧所使用的天然气和空气均要经过减压阀减压以后才能使用。天然 气压力控制在2 0 0 0 3 0 0 0 p a ，空气压力控制在1 5 0 0 2 5 0 0 p a 。这样可 以防止高压脱火、易于点燃。 箱式炉炉区的设备主要有：炉外上料吊车，拖车，拖车轨道，天 然气管道和助燃空气管道系统，助燃系统以及排烟系统，炉区操作平 台等。本炉还设置了必要的热工检测仪表和自动控制系统以及安全装 置，以便生产操作人员及时掌握工况，保证窑炉安全正常的生产。 ( 1 ) 传动机构 传动机构由拖车传动装置和炉门传动装置两部分组成，两部拖车 在同一传动轨道上互连，负责钢管的进料和出料。炉门传动装置负责 炉门的开启关闭和锁紧。 ( 2 ) 燃烧装置 燃烧装置由燃烧控制器( b c u ) 、电磁阀、比例阀、点火器和烧嘴 组成，结构框图如图2 2 所示。燃烧控制器接收p l c 指令，控制阀门动 作，并且将检测到的火焰信号返回p l c 进行处理。 第2 章工艺条件 图2 2 燃烧装置框图 ( 3 ) 控制装置 控制装置负责排烟和助燃风机的变频控制、现场信号的检测、传 动机构的执行操作以及燃烧装置的启动。 箱式炉炉膛两侧均匀分布着2 0 支燃气烧嘴，相对立的两支烧嘴供 气管道由一组执行机构控制，箱式炉分6 个温度控制段进行炉温与燃烧 控制，每个温区由一支s 分度热电偶进行温度检测。采用高速脉冲燃气 烧嘴供热，更好的实现了坯料的热处理加热要求。左右炉门下方各设 一个排烟口，烟气经地下分烟道，汇总到主烟道，通过排烟机由烟囱 排入大气。在各分烟道设有手动烟道转动阀门，调节两个烟道气流的 平衡。在主烟道末端装有一台3 0 k w 变频排烟风机，用于调节炉膛压力。 空气主管道进口处设有一台2 7 k w 变频助燃风机，用于稳定空气主管的 压力，同时，保持一台工频电机备用。排烟管道和空气管道之间安装 换热设备，提高能源利用率。 2 1 2 热处理工艺 热处理是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓 慢冷却的工艺。其目的是改变材料的内部组织结构，以改善材料的性 能。通过适当热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使 用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热工工艺造成的各 种缺憾，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使金属的组织和性能更 武汉工程大学硕士学位论文 加均匀。此外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特 殊物理化学性能7 “”。 钢铁的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢铁的 组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工技术。钢铁在加热和冷 却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据， 根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢铁热处理工艺可 分为普通热处理( 退火、正火、淬火和回火) ，表面热处理( 表面淬火和 化学热处理) 及形变热处理等。 箱式炉可实现正火和退火两种工艺要求。 热处理温度控制一般可分为升温、降温和保温三个阶段，可根据 钢材种类和性能制定工艺温度曲线。温度曲线如图2 3 所示。 温度( ) o 图2 3 温度曲线图 时闻o 心 热处理通常从主原料装入开始。箱式炉采用双托料小车结构，两 部小车在同一传动轨道上互连，一部小车托载铸管在炉内进行热处理， 另一部在炉外完成已：j n _ 1 - 完毕铸管的下料和毛管的上料。这样可以提 高箱式炉利用效率，节约能源。托料小车进炉后，炉门关闭，当炉门 锁紧后才能启动点火器电源。热处理完成后，燃气自动切断，锁紧装 置打开，炉门开启，托车出炉。托车、炉门和锁紧装置都设置限位开 关，避免机械装置运行不到位造成炉体的损坏和危害现场操作人员安 全。 箱式炉控制中需要考虑的因素主要有以下几个方面： ( 1 ) 炉膛压力的影响 炉压的高低直接影响着炉子的热效率和成材率。如果炉压太高， 第2 章工艺条件 炉子开口处向外喷火，热损失大，热效率低；反之，若炉压太低，炉 子吸入冷空气，也降低了热效率。更值得注意的是，当冷空气吸入炉 内后，使得炉内氧气量升高，增大了钢坯氧化铁皮的生成，使成材率 降低，经济效益下降。所以，必须控制炉膛压力为微正压，并且只能 在一个合适的区间内变化。 ( 2 ) 空气、燃料流量的影响 加热炉炉温的高低主要是由加热炉中空气、燃料混合燃烧所产生 的热量及其热负荷的大小决定的。在生产中空气、燃料的流量及热负 荷是随时变化的。在热负荷一定的条件下，如果空气、燃料的流量不 稳定，将直接影响加热炉炉温的稳定。空气、燃气比例是否合适将影 响钢坯的加热效果，降低炉温控制的意义。 2 2 脉冲燃烧控制理论 2 2 1 燃烧效率 为了满足生产工艺、节能、环保及经济效益等要求，就需要对加 热炉提出一些指标，如生产率、加热质量、燃料消耗、劳动条件等。 这是对加热炉的总体要求，其中，生产率是衡量加热炉好坏的一个非 常重要的技术指标。 生产率：g ：r q _ - o r ( 2 1 ) 出 式中g 一炉子生产率，k g h q 一炉子的供热强度，k j h ，7 一燃料利用系数， q 戋一炉子的热损失，k j h 出一金属热焓的增量，k j k g 热负荷增大以后，炉子的温度水平提高，向金属传热的能力加强， 产量必然提高。由公式( 2 1 ) 可以清楚的看到这一点，为了提高生产率， 武汉工程大学硕士学位论文 还应减小炉子的热损失，对一个特定的加热炉，当q 增大时，生产率g 也增大。对于热负荷低的炉子，提高供热强度效果比较显著，但供热 强度过大会造成燃料浪费、烧损增加、炉体损坏加速，所以，炉子应 当有一个合适的供热强度。 提高热负荷的一个重要的先决条件是必须保证燃料的完全燃烧， 如燃料在炉内有2 0 不能完全燃烧，则炉子产量将降低2 5 一3 0 ，由此 可见完全燃烧的必要性。 在实际燃烧过程中，燃料燃烧时所需要的空气量并非与理论空气 量完全一致，因为燃料不可能与空气中的氧均匀地混合而完全燃烧， 因此，在实际燃烧时为了使燃料能够完全燃烧，就必须使实际空气量 略大于理论空气量，造成一个适当的低过剩空气条件。过剩空气系数口 通常表示为： 实际空气流量， 、 口2 面醣孺 。z z 7 空燃比是反映自动控制系统的能源利用率的重要指标。在燃烧过 程中，空气过剩系数口的大小直接反映燃烧情况，当口 1 1 0 时，加热 炉处于过氧燃烧状态，燃烧之外多余的空气被加热后从烟道冒出造成 热损失增加，加热炉热效率下降。 热效率热损失 o = 1 0 2 = 1 1 0 空气过剩系数。 图2 4 燃烧效率 第2 章工艺条件 由此可见，在上述两种情况之间存在着一个热损失和污染最小、 热效率最高的低过剩空气燃烧区，即最佳燃烧带，燃烧热效率如图2 4 所示”。 传统的连续燃烧控制方式，即通过调节燃气及助燃空气流量的大 小来控制炉内温度和燃烧气氛以达到工艺要求。由于这种控制方式往 往受到燃气、空气流量测量精度的制约及调节系统中控制环节的影响， 目前，大多数窑炉的控制效果不佳，制约产品质量的提高和能源消耗 的降低。近年来，在国内外同行业中产生一种新型的技术一脉冲燃烧 控制技术，随着工业炉窑和控制技术的迅猛发展，该技术得到了一定 程度的应用，并取得了较好的效果。 2 2 2 脉冲燃烧控制技术的工作原理 脉冲燃烧控制1 采用的是一种间断燃烧的方式，它使用脉宽调制 技术，通过调节燃烧时间的占空比( 通断比) 实现工业窑炉的温度控 制。烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口 速度不变。通过调整燃烧和不燃烧两种状态的时间进行温度调节。也 就是说，当需要升温时，烧嘴燃烧时间长，熄火时间短；相反，需要 降温时，烧嘴燃烧时间短，熄火时间长。通断占空比示意图如图2 5 所示。 图2 5 通断占空比 武汉工程大学硕士学位论文 2 2 。3 脉冲燃烧控制技术的优点 空燃比是工业炉窑一个非常重要的控制参数，它关系到炉内气氛、 能源消耗等重要指标。但空燃比并不是线性关系，而是一条曲线，以 往在连续控制系统中，采用一台比例跟随器，使助燃空气的流量与燃 气的流量成固定的比例，但这种方法很难找到一个最佳空燃比值，有 时还会将助燃空气的富余量留得很大，达不到最佳的节能和控制过剩 氧含量( 或过剩空气系数) 的要求。而采用脉冲燃烧控制方式，它燃 烧时就一种状态，流量、压力都是很稳定的，可以找到处于满负荷状 态下的空燃比关系值，一次性调好即可投运，使燃烧效果达到最佳， 并且炉内气氛达到工艺要求，运行时只需保持燃气和助燃空气压力的 稳定就可以达到控制效果。这样，大大提高了燃烧效率，降低了能耗， 提高了产品质量。 温场均匀性也是工业炉窑控制一个重要参数，它直接关系到产品 的质量。连续燃烧方式燃烧时，炉内主要靠火焰辐射，离火焰近的地 方温度高，离火焰远的地方温度低。它们之间的温差也较大。另外， 烧嘴未处于满负荷时特别流量接近最小流量时，燃气流速大大降低， 火焰形状达不到要求，温差也较大。而采用脉冲燃烧，在任何时候， 只要烧嘴燃烧，烧嘴就处于满负荷状态，燃气流速、火焰形状都处于 最佳。燃气速度快，使周围形成负压，而且使炉内形成环流，加上两 侧烧嘴交替燃烧，使炉内充分搅拌，炉内温场均匀性大大增加，降低了 能耗。避免了控制阀在小范围里调节的“非线性”和“死区”特性， 保证控制系统始终运行在最佳状态”，。 2 3 变频技术 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力 技术、微电子技术和计算机技术的基础上。与传统的交流拖动系统相 比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，可以容易实现对现有电 1 4 第2 章】：艺条件 动机的调速控制、实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精 确控制，同时可以显著的节约电力能源。 变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器v v v f l ( v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e 丘e q u e n c yi n v e r t e r ) ，是利用电力半导体器件的通断作 用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它采用大功率晶体管 g t r 作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用s p w m 正弦脉宽 调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。变频 器结构图如2 6 所示。 图2 6 变频器结构图 在实际生产中，风机的风量q 、风压h 、轴功率尸随转速n 的变化 关系为m 1 ： 出国肌h ( 才儿柑 3 ) 由公式( 2 3 ) 可知，风量与转速成正比，风压与转速二次方成正 比，轴功率与转速三次方成正比。当所要求的风量q 减少时，可以调节 变频器输出频率，使风机的转速玎按比例降低，风机功率将按照三次方 比例大幅度降低。相比传统的风门、挡板传统方案，可以降低电机功 耗，达到系统高效节能运行的目的。 2 4 本章小结 本章介绍了箱式炉的结构和工艺特点，以及实际热处理生产中的 影响因素。炉膛温度均衡性和燃烧效率是衡量控制系统运行状况的重 要指标，也是影响产品质量的关键。系统设计中使用的新型脉冲燃烧 武汉工程大学硕士学位论文 和变频控制技术，为克服了传统控制方式的不足之处，保证系统安全、 有效的运行打下了基础。 第3 章控制理论 3 i 模糊控制理论 第3 章控制理论 传统的控制理论( 包括经典控制理论及现代控制理论) 是利用受控 对象的数学模型( 即传递函数模型或状态空间模型) 对系统进行定量分 析，而后设计控制策略。在日益复杂的被控过程面前，由于难以得到 过程的精确数学模型，受到严峻挑战。智能控制通过在系统控制和决 策中引入人工智能，实现了对这些用传统控制理论难以控制的过程的 有效控制。智能控制理论覆盖的范畴十分广泛，其主要分支有模糊控 制、专家控制、神经网络控制等。模糊控制是一种以模糊集合论、模 糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。 3 1 1 模糊控制理论的提出 在自动控制技术产生之前，人们在生产过程中只能采用手动控制 方式。手动控制过程首先是通过观测被控对象的输出，其次是根据观 测结果做出决策，然后手动调整输入，操作工人就是这样不断地观测 一决策一调整，实现对生产过程的手动控制。这三个步骤分别是以人 的眼一脑一手来完成的。后来，由于科学和技术的进步，人们逐渐采 用各种测量装置( 如测量仪表、检测装置、传感器等) 代替人的眼，完 成对被控制量的观测任务。利用各种控制器 如直流运算放大器加阻 容反馈网络构成的p i d 调节器等) 部分地取代人脑的作用，实现比较、 综合被控制量与给定量之间的偏差，控制所给出的输出信号相当于手 动控制过程中人脑的决策，使用各种执行机构( 主要是电动的、气动的， 如伺服电机、气动调节阀等) 对被控对象( 或生产过程) 施加某种控制作 用，这就起到了手动控制中手的调整作用。上述由测量装置、控制器、 武汉工程大学硕士学位论文 被控对象及执行机构组成的自动控制系统，就是人们所悉知的常规负 反馈控制系统。手动控制和负反馈控制的方框图分别如图3 1 和3 2 所 示。 图3 1 手动控制 图3 2 负反馈控制 但是，无论采用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系 统，都需要事先知道被控对象( 或生产过程) 精确的数学模型，然后根 据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系 统设计。然而，在许多情况下被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型 很难建立。还有一些生产过程缺乏适当的测试手段，或者测试装置不 能进入被测试区域，致使无法建立过程的数学模型。例如建材生产中 的水泥窑、玻璃窑，陶粒窑，林业生产中的木材干燥窑，化工生产中 的化学反应过程，轻工生产中的造纸过程，食品工业生产中的各种发 醉过程。诸如此类的过程的变量多，各种参数又存在不同程度的时变 性，且过程具有非线性、强耦合等特点，因此建立这一类过程的精确 数学模型困难很大，甚至是办不到的。这样一来，对于这类对象和过 程就难以进行自动控制。 与此相反，对于上述难以实现自动控制的一些生产过程，有经验 的操作人员进行手动控制，却可以得到令人满意的效果。在这样的事 实面前，人们又重新研究和考虑人的控制行为有什么特点，能否对于 无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。 1 9 6 5 年美国的控制论专家l a z a d e h 教授创立了模糊集合论比“2 “， 第3 章控制理论 从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用 模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法一模糊控制 也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制 策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算 法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法 构造数学模型的被控对象进行有效的控制。 3 1 2 模糊控制的基本思想 模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验。而人 的控制经验一般是用语言来表达的，这些语言表达的控制规则又带有 相当的模糊性。如人工控制的炉温经验可以表达为： ( 1 ) 若炉温偏低时，则开大燃气阀门； ( 2 ) 若炉温和要求的炉温相差不太大，则把阀门关小； ( 3 ) 若炉温快接近要求的温度时，则把阀门关得很小； 在描述控制规则的条件语句中的一些词，如“较大”、“稍小”、 “偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条 件语句，即组成了所谓的模糊控制器。可以用模糊数学的方法来描述 过程变量和控制作用的这些概念及它们之间的关系，又可以根据这种 模糊关系及某时刻过程变量的检测值( 需化成模糊量) ，用模糊逻辑推 理的方法得出此时刻的控制量。这正是模糊控制的基本思路。 模糊控制的基础是模糊数学，模糊控制的实现手段是计算机。以 下内容简要模糊控制器的组成及其设计方法，以及模糊控制器的主要 特点。 3 2 模糊控制器设计方法 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形 式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础，采用计算机控制技术构 武汉工程大学硕士学位论文 成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。因此，模糊控制 系统的组成具有常规计算机控制系统的结构形式，如图3 3 所示，模糊 控制系统通常由输入输出接口、模糊控制器、执行机构、被控对象和 测量装置等五个部分组成。 模期控制罂 图3 3 模糊控制系统 模糊控制器是模糊控制系统的核心，也是模糊控制系统区别于其 它自动控制系统的主要标志。模糊控制器的设计主要包括模糊化策略、 规则库的设计、模糊推理机制和解模糊化的策略几个部分。 3 2 1 模糊化策略 在模糊控制系统运行中，控制器的输入值、输出值是有确定数值 的清晰量，而在进行模糊控制时，模糊推理过程是通过模糊语言变量 进行的，在清晰量和模糊量之间有一定的对应关系。这种把物理量的 清晰值转换成模糊语言变量值的过程称为模糊化过程。模糊化接口主 要完成以下两项功能： ( 1 ) 论域变换：在模糊控制器中，真实论域要变换到内部论域。 对于实际的精确输入量，第一步首先需要进行论域变换，将输入 量变换到要求的论域范围。变换的方式可以是线性，也可以为非线性。 若实际的输入量为，其变化范围为 工。，工一 ，控制系统要求的论域 为 _ ) ，。， ，若采用线性变换，则y 。由式( 3 1 ) 决定。 = 堕产+ 七一k ) ( 3 1 ) 第3 章控制理论 式中k = 监堕二堑，称为量化因子。 j 一石曲 同理，内部论域变化到实际输出变化量“的因子k 。称为比例因子。 论域可离散，也可连续。如要求离散，则需将连续的论域离散化 或量化。量化可均匀，也可非均匀。 ( 2 ) 模糊化：论域变换后，分别定义若干个模糊集合，并在其内 部论域上规定各个模糊集合的隶属函数。 模糊控制规则中前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言 变量构成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言名称， 它们构成了语言名称的集合。每个语言名称对应一个模糊集合。对于 每个语言名称，其取值的模糊集合具有相同的论域。这些语言名称通 常具有一定的含义，如：p b ( 正大) ，p m ( 正中) ，p s ( 正小) ，z o ( 零) ， n s ( 负小) ，n m ( 负中) ，n b ( 负大) 。 在模糊划分时，应注意满足规则的完备性，所以相邻基本模糊子 集的交点的隶属度应该大于，在实际中可取为0 4 o 8 。设隶属度函 数的形状为三角形，则图3 4 表示了模糊划分的情况。 图3 4 模糊子集交点 1 ) 常用的隶属函数 隶属函数形式有多种，可根据实际要求来确定。在实际应用中方 便起见，常采用三角形、正态形、梯形。以下是这3 种隶属函数的解析 式及曲线图。 三角形隶属函数解析式为式( 3 2 ) ： 武汉工程大学硕士学位论文 ( x ) = o 正态型解析式为式( 3 3 ) ： 儿( 功。8 - ( 等，b 。 梯形解析式为式( 3 4 ) ： t _ ( 功= 0 x 一4 b a 1 d 一石 d o o ( 3 2 ) ( 3 3 ) 工 口 a x b b 工c( 3 4 ) c d 常见的隶属度函数曲线图如图3 ，5 所示： 梯形 正态型三角形 圈 图3 5 常见的录属厦函数 2 ) 定义模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属度函数曲线 的形状。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属 度，便构成了一个相应的隶属变量的模糊子集。如图3 6 所示的隶属度 函数曲线表示论域x 中的元素x i 对模糊变量a 隶属程度。 第3 章控制理论 2j456x 图3 6 的隶属度函数 设定：x = 6 , - 5 ，4 ，3 ，2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 则有： l a ( 2 ) = g a ( 6 ) = o 2 ，j x a ( 3 ) = p a ( 5 ) = 0 7 ， l a ( 4 ) = 1 。 论域x 内除了i = 2 ，3 ，4 ，5 ，6 外各点的隶属度均取为零，则模糊 变量a 的模糊子集为式( 3 5 ) 所示。 ：丝+ 翌+ 三+ 竖+ 塑 ( 3 5 ) 23 4 56 不难看出，确定了隶属函数曲线后，很容易定义一个模糊变量的 模糊子集。 3 2 2 模糊控制规则的设计 模糊控制规则是模糊系统的核心部分，系统其它部分的功能在于 解释和利用这些模糊规则来解决具体问题。通常模糊规则具有如下的 形式： i f ( 条件满足) t h e n ( 得出结论) 其中的条件和结论都是模糊量，条件句的前件为输入和状态，后 件为控制变量。模糊控制规则的建立非常重要，规则是否正确地反映 操作人员和有关专家的经验和知识，是否能适应被控对象的特性，直 接关系到整个控制器的性能和控制效果。实质上，该语句表达了条件 与