（检测技术与自动化装置专业论文）轧钢加热炉炉温优化控制策略及实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文从工程实际出发，以无锡雪浪初轧厂的步进式轧钢加热炉为研究对 象，针对步进式加热炉的工艺特点，提出使用变空燃比的方式，以使加热炉获 得最佳燃烧；对加热炉进行炉温优化设定，以提高被加热钢坯的加热质量，并 且对其工程实现方法进行了研究。论文主要研究内容有如下几个方面： 1 ) 研究了无锡雪浪初轧厂步进式加热炉的工艺特点和燃烧情况，提出使用 试探法进行空燃比寻优，针对系统动态调节过程中难于保持空气燃料的相互跟 随关系，提出了炉温、燃料和空气流量交变串级变比值燃烧控制方案。 2 ) 研究加热炉炉温设定优化专家控制系统。该专家控制系统，以加热炉能 耗最小、钢坯出炉温度与期望温度之差最小为目标函数，采用惩罚函数方法进 行初始炉温优化设定，然后利用基于专家经验的炉温优化调整策略，对炉温设 定进行进一步优化，从而实现了炉温的优化设定，减少了加热能耗的浪费。 3 ) 研究了炉温优化设定专家控制器的开发，采用d d e ( d y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) 技术，实现了控制器与监控软件的数据交换，并对工况参数进行了集 中监视和实时控制。 工程初步调试结果表明，本系统可以对加热炉进行有效的炉温优化设定， 减少了燃耗和钢坯烧损，实现加热炉操作过程的集中监控。 关键词：轧钢加热炉空燃比炉温优化设定组态软件 v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 矾c t t h ew a l k i n gb e a mf u r n a c eo fx u e l a n gs t e e lr o l l i n gf a c t o r yi st h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i st h e s i s t h et h e s i sp r o p o s e dt h ea l t e r a b l ew a y o ft h er a t i ob e t w e e na i ra n df u e lt og e tb e t t e rc o m b u s t i o n ，a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a l k i n gb e a mr e h e a t i n gf u r n a c e ： o p t i m i z e dt h es e t p o i n to ff u r n a c et e m p e r a t u r et oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h es l a br e h e a t i n g ：r e s e a r c h e de n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h e p r o b l e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n a r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h et h e s i sp r e s e n t st h ep r o c e s s s p e c i a l t y a n dc o m b u s t i o n c h a r a c t e ro ft h ew a l k i n gb e a mf u r n a c eo fx u e l a n gs t e e lr o l l i n gf a c t o r y ， b e c a u s et h em u t u a lt r a c k i n gr e l a t i o no fa i ra n df u e li sh a r dt ok e e p d u r i n gs y s t e ma d j u s t i n gp r o c e s s ，t h e r e f o r et h et h e s i sp u t sf o r w a r dt h e s e r i e sr a t i oc o m b u s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo ff u r n a c et e m p e r a t u r e ，f u e l a n da i rf l u x 2 ) t h et h e s i ss t u d i e da ne x p e r tc o n t r o ls y s t e mo no p t i m i z i n gs e t p o i n t o ff u r n a c et e m p e r a t u r e f i r s tt h es y s t e mf o r ma no b j e c t i v ef u n c t i o nw h o s e o b j e c t i r ei st om a k et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h er e h e a t i n gf u r n a c ea n d t h es l a bt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e c t a t i o nv a l u ea n da c t u a l v a l u ea tt h ee x i to ft h ef u r n a c em i n i m i z e d ，a n dg e tt h ei n i t i a ls e t p o i n t b yt h ep e n a l t yf u n c t i o nw a y ，s e c o n daf u r n a c et e m p e r a t u r eo p t i m i z i n g a d j u s t m e n ts t r a t e g yb a s e do nt h ee x p e r t i s eo fs k i l l e dw o r k e r si su s e d t oh u n tam o r eo p t i m i z e ds e t p o i n t ，a n dt h e nt h eo p t i m i z i n gs e t t i n go f f u r n a c et e m p e r a t u r ei sr e a l i z e d ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fh e a t i n g p r o c e s si sr e d u c e d 3 ) t h et h e s i ss t u d i e dt h ed e v e l o p i n go fo p t i m i z a t i o ns e t p o i n te x p e r t v i 上海大学硕士学位论文 c o n t r o l l e rf o rr o l l i n gr e h e a tf u r n a c et e m p e r a t u r e ，a n da d o p t e dt h e d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) t e c h n i q u et or e a li z e t h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e nt h e c o n t r o l l e r a n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n dr e a l i z e i n t e g r a t e dm o n i t o ra n dr e a l t i m ec o n t r o lo nt h es t a t i o np a r a m e t e r s t h ep r a c t i c a l o p e r a t i o nr e s u l ti nt h ep r o j e c tp r o v e dt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mc a no p t i m i z et h es e t p o i n to ft h ef u r n a c et e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y ， a n dc a nb eu s e dt or e d u c et h eb u r n i n gc o n s u m p t i o na n dt h eb i l l e t c o m b u s t i o nl o s s a sar e s u l t ，i te l e v a t e st h ep r o d u c t i v e c a p a c i t yo f f u r n a c e ，f u l f i l l st h ei n t e g r a t e dm o n i t o ri nt h eo p e r a t i o np r o c e s so f f u r n a c e k e y w o r d s ：r o l l i n gr e h e a t i n gf u r n a c e ，r a t i oo fa i rt of u e l ，o p t i m i z i n g s e t p o i n tf o rf u r n a c et e m p e r a t u r e ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：狃略日期：塑i ：! ：茸 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：独主睡导师签名：缝- 醢日期：兰：! ：! 型 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海华精高科工业技术工程有限公司委托的项目“钢坯加热 炉智能控制系统开发”。 1 2 课题研究背景及意义 i 2 i 课题研究背景 钢铁工业在国民经济中具有举足轻重的地位，新中国成立以来得到了飞速 的发展，截止2 0 0 5 年我国的钢铁年产量已经达到了3 4 亿吨，连续多年居世界 第一位，成为世界第一产钢大国。我国虽然是产钢大国，但是并不是一个钢铁 强国。我国钢铁工业的能耗很高，日本、美国生产一吨钢的能耗分别是6 5 6 公 斤和7 8 5 公斤标准煤，而我国1 9 9 8 年大中型钢铁企业的平均吨钢的能耗却达到 1 0 2 5 公斤标准煤。随着国民经济的持续快速发展，国家建设对能源的需求日益 增长。这与我国目前的能源短缺状况存在巨大的矛盾，已经严重地制约了我国 现代化的进程。要使我国的钢铁工业在国际上具有竞争力，就必须降低生产能 耗。 就钢铁冶金工业而言，该行业一直都是耗能大户。据有关统计显示，其能 耗在各行业中首屈一指，占了总能耗的2 0 强，而加热炉的能耗又占整个钢铁 冶金行业能耗的2 5 “1 。对于轧钢厂而言其能耗主要为两部分：钢坯加热工序的 加热能耗和轧制工序的轧制能耗。钢坯加热温度参数的合理确定，要综合考虑 加热能耗与轧制能耗，随着轧制温度的降低，轧制能耗会增加，而加热能耗要 显著降低，二者之间存在一定的比例关系。生产实际表明，两者一般是1 0 ：l 的 关系，即降低开轧温度会使轧制能耗增加1 ，同时会使加热能耗降低1 0 。基 于此，低温轧制工艺在钢铁生产中得到广泛应用。1 。针对这种加热能耗和轧制 上海大学硕士学位论文 能耗的权重比例关系，在保证生产正常进行的前提下，尽可能地降低钢坯的加 热能耗可以使轧钢生产的总能耗得到最大程度的降低，因此如何提高加热炉的 加热效率，优化加热炉的炉温控制和钢坯的加热过程对于冶金工业的节能降耗、 降低生产成本、提高产品质量具有重要的现实意义，已经成为目前冶金工业控 制技术的重点闯题和主要的研究方向。 希望降低钢坯的加热能耗，必须要从轧钢加热炉的生产目标着手。加热炉 的生产目标主要是以下几个方面。1 ：1 ) 轧钢加热炉必须加热钢坯到符合轧制工 艺要求的温度分布，即一方面要使钢坯表面温度达到轧制工艺的要求，另一方 面要使钢坯的断面温差( 钢坯表面温度和中心温度之差) 在允许的最大范围之 内；2 ) 配合好轧机的轧制节奏，提高加热炉的生产效率：3 ) 要提高铜坯的加 热质量，既要使钢坯的温度符合工艺要求又要减少钢坯的氧化烧损，防止过烧； 4 ) 在不损坏加热炉前提下尽可能提高燃料的燃烧效率，以降低加热炉的能耗。 1 2 2 课题研究意义 轧钢加热炉是一个典型复杂工业过程控制系统。它具有多变量、时变、非 线性、耦合、大惯性兼滞后等特征。因此对其进行准确地建模和控制是比较困 难的1 。工程实践证明，对于这样一个复杂系统，常规控制方法难以取得理想 的效果。因此，世界各国的从事冶金自动控制技术研究的专家、学者一直持续 着对钢铁工业控制先进技术的研究和应用工作，从不同的角度提出了新的控制 理论和方法，这也为其他的复杂工业过程的控制方法研究提供了参考和借鉴。 所以，对加热炉控制技术的研究不仅有节能降耗的实际需要，也是控制理论自 身发展的需要。同时，加热炉控制技术的研究也是对计算机控制技术和智能控 制方法的综合应用与实践。 对于钢铁冶金企业，降低成本以及提高产品质量是其增加利润的必由之路。 而如果能够对轧钢加热炉这样一个耗能大户进行有效的控制，降低能耗，减少 氧化烧损，提高加热质量对于钢铁冶金企业来说具有现实意义。因此，以节能 降耗为目标的加热炉控制新方法的研究已经成为钢铁冶金工业控制技术研究课 题的一个主要方向和发展趋势，这一点对国内老钢铁企业的技术改造和创新尤 2 上海大学硕士学位论文 其重要。 随着现代轧钢技术的不断进步，轧钢机向着大型化，高速化发展，轧制精 度也越来越高，技术也日趋成熟。轧钢加热炉作为轧机的前道设备，其目的就 是为了配合轧机的正常工作，为轧机提供符合工艺要求的加热过的钢坯。所以， 轧机新技术的产生和使用“。”也对轧钢加热炉的控制提出了更高的要求。此时再 使用传统的燃烧控制和炉温控制已经很难胜任新的生产要求了。要使我国的钢 铁工业在世界立足，就必须改变传统工艺，提高控制技术。而随着计算机技术 的进步，智能控制技术( 专家控制，模糊控制，神经网络等) 得到了快速的发 展，智能化技术的发展为解决复杂工业过程建模和优化控制问题提供了一条很 好的解决途径，已经成为工业过程控制研究的热点。智能化技术能对类似加热 炉这样的复杂系统进行有效的全局控制，并且智能控制技术有较强的容错能力： 定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制，具有以知识表示的非数学广义 模型和以数学模型表示的混合控制过程，人的知识在控制中起着重要的协调作 用，系统在信息处理上既有数学运算，又有逻辑和知识推理。大量的智能控制 方案应用在加热炉控制中，取得了一定的成果。“”1 通过对加热炉燃烧过程智能控制技术的这些研究，可以有效地解决具有非 线性、强耦合、不确定性、高度复杂的工业过程控制问题、实现多目标、多约 束参数的优化。我国冶金工业拥有大量的加热炉，在节能降耗上潜力巨大。本 文针对钢坯加热过程，提出专家控制用于轧钢加热炉炉温设定优化控制，将具 有广阔的市场应用前景，对我国冶金工业的发展会起到一定的推动作用。 1 3 国内外加热炉控制技术研究现状 国外对加热炉的研究开始于上世纪7 0 年代，盛行于8 0 年代，而国内是从 8 0 年代开始主要从设备和自动控制两方面采取措施以降低加热炉的能耗并提高 产品质量。这可以概括为三个方面：炉温自动控制、钢坯升温过程模型和炉温 优化设定策略。 ( 1 ) 炉温自动控制 美国l u k e n s 钢铁公司两座加热炉配置一套计算机控制系统侧。该系统由加 3 上海大学硕士学位论文 热炉计算机和s l c 目j 计算机监控两个炉子的加热过程。第一级控制系统实现加热 炉各个区的空燃比、炉压、空气压力和热风放散等控制，并实现包括燃料选择 在内的全部逻辑功能。为保证加热炉的最佳推出速度和生产调度，模型程序将 增速、减速、速度保持以及停止和恢复生产等一系列信息传递给轧机自动化计 算机。为了及时不断地向轧机提供温度适宜的热钢坯，对钢坯加热速度和轧机 s l $ l j 速度进行比较，以决定加热炉向轧机传送钢坯的间距。系统根据此间距的 极限速度值计算温度设定值，设定值选择程序根据生产率、产品尺寸、预测产 品温度等信息进行温度设定的选择，把钢坯有效地加熟到要求的出炉温度。该 系统的关键是实时的一维热传导机理模型。为了精确地得到加热炉的温度曲线， 每个炉子沿炉长方向规则地安装九根热电偶进行温度测量。两级计算机系统投 入运行后，在节能、高产、高质量等方面均取得了较好的效果。 武汉钢铁公司多年来一直在从事智能控制系统的开发研究。“，近年来已在 广州轧钢厂，韶关钢铁厂和韶关特钢厂等1 0 多座加热炉上得到了良好的应用。 该系统避开了加热炉控制中遇到的参数难测及建模困难等因素，而直接根据容 易检测的炉膛温度，然后依据炉膛温度与炉壁温度、钢坯表面温度以及钢坯中 心温度之间的升降关系来模糊推知后三者的温度，这就大大降低了检测和建模 的难度。同时将模糊控制技术用于常规p i d 控制器参数的自动整定，这样就能 保持最佳的工作参数和良好的控制品质。那些原本设备陈旧、手工操作的加热 炉经过采用这些技术后，整个加热炉实现了全自动控制，自动寻优并跟踪最佳 燃烧，各段炉温自动协调，各设定值自动修正，各参数在线自动整定。改造后 的加热炉，其控温精度小于百分之一，氧化烧损减少了3 0 ，年创经济效益在 2 0 0 万以上。这项技术的成功应用，是轧钢加热炉控制技术的一大突破。 ( 2 ) 钢坯升温过程模型 由于钢坯加热温度是很难直接测量的，通常用计算机对钢坯在炉内的升温 过程进行计算，多采用加热过程机理建模或者是多元回归的方法。武钢引进的 热连轧加热炉钢坯升温控制的数学模型。p i k e 嘶1 应用分布参数理论建立了数学 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，r a y 应用分布 参数理论实现对钢坯温度分布的估计，w i c k 应用卡尔曼滤波器技术实现了对钢 4 上海大学硕士学位论文 坯在均热炉中温度分布的估计，其他还有a r x 输出数学模型以及一些状态空间 模型等。以上模型往往需要测量钢坯在炉内的表面温度，并且复杂度高，关键 系数难以获得，难以在实际工程中使用。文献提出了通过步进梁加热炉过程 机理的分析研究，推导了一种步进梁式加热炉钢坯温度预报的动态数学模型。 仿真实验证明，该模型结构简单，计算量小，适合于在线运行，且能够满足精 度。但是该方法仅适用于特定的炉型，而且缺乏实际的工程应用的实践检验， 其实用性待考。 ( 3 ) 炉温优化设定策略 炉温优化设定为典型的最优控制策略问题，根据己知的钢坯规格、种类、 目标出炉温度、装炉温度和轧制节奏等工况，设定加热炉各段的炉温，使钢坯 在规定时间内加热到适当的工艺温度和断面温差，而且能耗与氧化烧损最少。 瑞典a b b 公司与荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司合作，成功研制了带钢热轧机使 用的在线过程模型1 。这些模型对带钢热轧机所需要的各种控制功能，执行预 设定和优化控制，包括板坯加热最佳加热曲线的计算和燃烧控制计算以及优化 控制。用过程模型确定氧化层表面的实际温度，钢坯温度离线静态与动态模型 仿真推导出对所有可用板坯确定最佳加热曲线。测量粗轧机的出口温度，对炉 子的每个区段进行反馈，然后将反馈值换算成出炉温度。此加热炉在线控制过 程已经成功地应用于瑞典d o m n r v e t 钢铁厂，加热炉实行计算机分级控制后，燃 料节约达到6 1 。 刘日新，宁宝林在加热炉内钢坯加热过程数学模型的基础上，首次提出 了一种以钢坯焓增过程积分值为目标函数求取加热炉最优炉温制度的方法。该 方法体现了最佳升温曲线的实质和快速加热的原则，提出了优化炉温不仅最大 程度地节约了燃料，而且最大程度地减少了钢坯的氧化烧损，使减少燃耗与降 低氧化烧损获得了统一。 文献根据钢坯的种类、规格、入炉温度和轧制节奏的组合，生成加热炉 的全部工况空间。对于一个特定的加热炉来说，钢坯的入炉温度必然是已知且 固定的，所以工作点上的参数仅仅为钢坯的种类、规格和轧制节奏。首先按照 这三个参数确定若干个准稳态工作点，再由预计算模型完成初试炉温的设定， 5 上海大学硕士学位论文 并把其结果作用于加热过程，使过程处于准工作状态下，当过程的预想输入参 数和实际输入参数之间有偏差时，启用前馈模型对此偏差进行补偿，当前馈模 型不确定或系统存在其它不可测干扰时，对于一次加热过程会带来较大的误差， 则用反馈模型对此偏差进行修正，实现一次加热过程的闭环控制。每次钢坯粗 轧完成后，钢坯温度预报修正模型完成对钢温的模型的修正，用以实现整个加 热过程的闭环控制。 文献”研究了步进加热炉钢坯温度预报模型，各段炉温优化设定策略和动 态补偿方法，模型基于描述钢坯不稳定导热的二维偏微分方程和相应的边界条 件，稳态优化采用h o o k e j e e v e 模式搜索法，动态补偿采用p i d 调节和专家经 验相结合的方法，仿真研究表明该优化策略是有效的。 其他还有如日本川崎钢铁厂开发的加热炉燃烧控制专家系统，与数学模型 相结合，系统采用线性规划、优化模型计算满足出钢温度和时间的升温模式， 用专家系统选择优化模型的目标函数和约束条件来定设定温度；e s s a r 钢厂开 发了加热炉温度控制模型r t c 系统，可在线模拟钢坯升温与降温过程，完成加 热炉与轧机的节奏匹配、钢坯加热过程优化、各加热区温度设定点计算及制定 待轧策略等功能；马鞍山钢铁公司开发的采用分区控制策略，把p i d 控制、强 比例控制与模糊控制相结合的复合控制系统，三者之间的转换条件是炉温设定 值与实际值的温度偏差e ，温差上下限通过分析现场数据确定；莱芜特钢厂以 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 网络中带阻尼反馈的 r e c u r r e n t 网络的寻优功能寻找最佳空燃比，投入运行后取得良好控制效果， 炉温控制精度在设定值的l o 内等实际的工程应用实例。 上述这些优化方法基本上是从优化求解问题中引申出来的一种最直观的方 法，但是实际应用中存在一些问题，如模型中很多关键参数无法获取，加热炉 精确模型难以建立等等。这些问题的存在都限制了炉温优化策略在工业生产中 的广泛应用。 1 4 论文的内容安排 本文以无锡雪浪初轧厂的步进式加热炉为控制对象，开发一个专家控制系 6 上海大学硕士学位论文 统。用以实现加热炉炉温的优化设置，待钢管理功能，以及空燃比的自动调节。 使之能够达到节能与钢坯加热优化的目的。 论文的结构安排如下： 本章为绪论，主要介绍课题来源，课题研究背景及其意义，国内外相关技 术的研究现状与发展趋势等： 第二章介绍加热炉的情况，并提出了空燃比寻优的控制算法； 第三章提出加热炉炉温优化方案，并进行了仿真模拟； 第四章介绍工程应用状况； 第五章总结。 7 上海大学硕士学位论文 第二章加热炉状况介绍及其燃烧控制 2 1 加热炉基本情况介绍 加热炉是轧钢机的前道设备，它的生产任务是按照轧钢机的轧制节奏将钢 坯加热到工艺要求的温度和加热质量( 要求的钢坯平均温度和一定范围内的钢 坯截面温差) 。在满足钢坯轧制要求的前提下，尽量降低加热炉各段炉温的设定 值，不但能够降低燃料的消耗，而且能够减少钢坯的氧化烧损。雪浪初轧厂的 加热炉是一台步进式加热炉。 2 1 1 步进加热炉的工作原理 步进式加热炉是轧钢工业中应用比较广泛的一种加热炉。在步进式加热炉 里，待加热钢坯通过固定梁和移动梁在加热炉内由炉尾向炉头步进式运动。固 定梁上的钢坯，通过移动梁的反复上升、前进、下降、后退做矩形的运动，每 完成这样一次循环运动的过程，钢坯就在炉内前进了一步。传动机构的上下运 动和前后运动分别由独立的机构完成。步迸梁的运动大多采用油压传动方式。 炉子装钢时要保持规定的间隔，用推钢机或者输送机将钢坯依次装入加热炉。 另外，加热炉的钢坯的出钢一般用出钢装置先把钢坯托起然后送出，再放到辊 道上，传送往下一个工序。 2 1 2 控制对象介绍 无锡雪浪初轧厂的步迸式加热炉采用的是端迸侧出的装出钢方式，其有效 炉长为3 2 4 3 2 m ，其中预热段长1 5 4 3 2 m ，i 加热段长5 7 0 0 m m ，i i 加热段长 6 8 0 0 r i o n ，均热段长4 5 0 0 m ；炉宽为6 6 1 2 m m ，有效炉底面积为2 1 7 8m 2 ，标准产 量为8 0 t h ，最大产量为1 0 0 t h ，步进梁的步距为2 3 0 3 2 0 m m ，步进周期为3 4 s 。 加工钢种主要包括低合金钢，普碳钢，碳素结构钢和优质碳素结构钢等。所使 用的燃料为重油。 该加热炉沿炉长方向分为预热段、i 加热段、i i 加热段以及均热段，其结 上海大学硕士学位论文 构如图2 1 所示。预热段长度较长，其目的是为了能够充分利用尾气预热装炉 钢坯，提高燃料的利用率。预热段中没有设置烧嘴，所以它的温度是由其他各 段间接控制的。加热段是钢坯加热的主要场所，在该段，钢坯被加热到要求的 出炉温度，炉温范围在1 1 0 0 一1 3 8 0 度之间。均热段的设置是为了使被加热 钢坯内外温度均匀，符合钢坯出炉断面温差的要求。炉温控制上共分为加上，i 加下，i i 加下，均上，均下5 个控制区域。 2 2 加热炉燃烧控制 图2 一l 加热炉结构图 轧钢加热炉的燃烧控制对于其燃耗、氧化烧损、生成物中的氮氧化物的含量 都有直接的关系。所以加热炉要节能降耗，减少氧化烧损就必须进行空燃配比动 态寻优。这是由于加热炉内负荷、状况的不同，只有采取不同的空燃配比策略， 才能最大化热效率。 2 2 i 燃料的波动 无锡雪浪初轧厂供应的燃料为重油。在供应正常的情况下，重油的流量和压 力也有很大的波动。此外，燃料质量( 热值) 也会受轧钢过程的周期性的影响而 随之波动。即使供应量不发生明显变化，但由于热值波动的影响，其燃烧效果也 9 上海大学硕士学位论文 会有明显的变化。 2 2 2 加热钢种的变更 雪浪初轧厂加热钢种主要有低合金钢、低碳钢、中碳钢和高碳钢等，当加 热钢坯的钢种或厚度发生改变变更时，加热炉各段炉温设定值要相应地改变。 此时燃料流量会发生变动，必须相应地寻找到又一个最优的空燃比工作点。 2 2 3 生产节奏的变化 由于加热炉是轧钢机的前道设备，所以当轧钢速度加快时，必须相应的提 高加热炉各段炉温，当轧钢速度减慢时，又要相应的降低各段炉温。在这种情 况下，炉温设定值的变更造成燃料流量的变化，此时重新调整空燃比使燃烧效 率达到最佳。 2 2 4 空气预热温度的变化 由于一般加热炉对空气进行预热，受到多方因素的影响，风温也会发生一 定的变化，在燃料流量不变的情况下，空气消耗系数与温度的变化如下式所示 n = 1 3 ( t 。t 2 ) “2 嘲1 。式中t 、t ：分别为变化前后的空气绝对温度，n 、i i 分别 为变化前后的空气消耗系数。所以在这种情况下必须对空燃比做出相应的变化， 以适应这种新情况。 正是由于以上这些原因，必须对空燃比进行动态的寻优，以在不同情况下 达到燃料的最佳燃烧。 2 3 空燃比寻优原理 由燃烧学可知，在燃烧过程中空气过剩系数。的大小直接反映燃烧情况； 当a 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 1 0 上海大学硕士学位论文 加，加热炉热效率下降，而且多余的过量空气会和炉内的钢坯反应，增大加热炉 内钢坯的氧化烧损。因此寻找一个合理的空燃比，既要让燃料能充分燃烧，同 时也不会造成过度的氧化烧损。 空燃比与燃烧温度有如图2 2 所示的关系。燃料发热值为曲线i 时，假设 燃料的初始空燃比为a 点，此时加大空燃比，发现燃烧温度较a 点有所提高， 继续加大空燃比到c 点，发现温度比原先有所下降，此时减小空燃比，多次寻 优后燃烧温度将稳定在最优值b 点上。当燃料的发热值发生波动，燃料发热曲 线跳至i i ，原先的最优工作点b 点变为非最优工作点a ，于是重复以上的过 程，再次寻优，最终会再一次找到另一个最优的空燃比工作点b 。如此反复， 无论燃料或工况发生变化时，都能通过寻优，找到一个最佳的空气与燃料的比 值，使燃料燃烧效率最佳。 图2 - 2 空燃比燃烧温度示意图 2 4 空燃比寻优控制方案 鉴于以上这些原因，本文提出如图2 3 所示的串级变比值控制的方案。当 炉温被设定后，首先是根据实验结果，设定好燃料重油的流量，然后根据燃料 的流量乘上空燃比b ，以求出空气流量的设定值。 雠娼破鬃 上海大学硕士学位论文 图2 - 3 串级变空燃比比值控制 雪浪初轧厂所使用的燃料是重油，所以，在使用同一批燃料的情况下，燃 料的发热值还是比较稳定的。在使用之前要先实验以确定燃料的默认空燃比值。 由于加热炉的燃烧情况与实验室是不同的，所以该比值并非是一个最优值，必 须进一步修正。 一般工业控制，空燃比都使用烟气残氧检测的方法来测定空燃比是否合适。 但是工业现场往往燃料结构复杂，使用氧化锆传感器检测炉内的氧气含量时存 在这样一些问题。一方面氧化锆传感器价格昂贵，另一方面氧化锆容易中毒， 而影响空燃比的调整。而一般情况下，在工况稳定( 轧制节奏稳定，钢种规格 不变，燃料热值不边) 的情况下，燃料燃烧得越充分，其产生的燃烧温度就越 高。而空气不足或者过量的情况下，燃烧温度都不会是最高值。所以基于这一 原因，只需在燃料量固定的情况下，反复试探空气的供给量，温度最高时的空 燃比就是空燃比的最优值。从图2 - 2 可以发现，燃烧温度与空燃比之间的函数 关系是一个单峰函数，而且我们可以事先大致确定包含最佳空燃比的区间，所 以决定使用试探法来进行空燃比的寻优。试探法的思路参见文献。1 。修正过程 如以下流程图( 图2 - 4 ) 所示。 上海大学硕士学位论文 给定空燃比初始点_ 1 初 始步长为h = 1 * a l ，并且 记录此时的炉温为t ( a l l 优化次数k = o 设置新的空燃比为 a 2 = a ! h 记录此时的 炉温t ( a 2 ) t ( 虹) t ( | 1 ) ? k e 3 7 汇 n 墨6 ( 1 2 m ( a 1 ) 、 a l = a 2 ； t ( a 1 ) = t ( a 2 ) k - - i 【+ l l 兰竺竺7 图2 - 4 空燃比寻优流程图 出于环保的考虑，空燃比的初值略大于最优值，以保证燃料充分燃烧；由 于频繁的变化阀门的开度，会让阀门的使用寿命缩短。所以应该设定好空燃比 的最大寻优次数为3 次，这样寻优得到的空燃比优化值即使不是最优值，但是 相对于初始的设定值依然是一个次优值，燃烧的状况较之初始空燃比时的燃烧 状况一定是有所改善的。 另外，为了防止发生冒黑烟的现象，当加热炉负荷加大，需要增加燃料时， 应先加大空气量然后再加大燃料量，避免因空气不足而造成不完全燃烧，污染 环境；反之，当负荷减小，需要减少燃料时，应该先减少燃料量然后再减小空 气量，防止燃料缺氧燃烧。所以笔者最终采用如下图所示的交变串级变比值燃 烧调节过程。 1 3 盎一 上海大学硕士学位论文 图弘5 交变串级变比值燃烧控制原理 稳定情况下，炉温被控制在设定值。当出现扰动，温度测量值低于设定值 时，温度控制器的输出开始增大，通过最大值选择模块选择最大值x 2 输出，乘 上空燃比b ，使空气流量控制器的给定值增大，在控制器的作用下，空气流量 就先开始增大，同时，在最小值选择模块的作用下选择x 1 输出，除以空燃比b ， 空气流量信号就变为相对燃料流量的设定值，随着空气流量的增大，也即增大 了燃料设定值，在燃料控制器的作用下，使燃料流量随着空气流量增大之后增 大，直到三量均衡，测量值回到设定值。丽当温度测量值高于设定值时，温度 控制器的输出开始减小，通过最小值选择模块选择最小值x 2 输出，作为燃料流 量控制器的设定值，在控制器的作用下，燃料流量就先开始减小，同时，在最 大值选择模块的作用下选择最大值x l 输出，燃料流量信号就变为相对空气流量 的设定值，随着燃料流量的减小，也即减小了空气设定值，在空气控制器的作 用下，使空气流量随着燃料流量减小之后减小，直到三量均衡，测量值回到设 定值。 加热炉共有五段，在工况稳定的条件下运行本优化程序，逐段调整。当工 况发生变动后，待其稳定以后再次运行。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先具体分析了控制对象无锡雪浪初轧厂步进式加热炉的工艺特 点及其燃烧过程的燃烧状况，阐明了加热炉燃烧过程控制的主要任务和难点所 在。提出了空燃比寻优的控制方案，该方案有利于燃料的充分燃烧，节约加热 炉的燃耗。 1 5 上海大学硕士学位论文 第三章加热炉炉温设定优专家控制 3 1 钢坯温升曲线优化 3 1 1 钢坯温升曲线优化的必要性 钢坯在进入粗轧机之前通常都要经过加热炉再加热，这道工序( 连铸连轧 的情况除外) ，的目的就是为了通过加热炉使得钢坯的温度达到粗轧机组可以轧 制的温度分布，以便于生产的继续。在加热过程中，加热炉需要按照粗轧机的 要求向钢坯提供足够的热量以保证钢坯能够被加热到指定的温度范围。在这个 过程中，加热炉是有其最优控制目标的，即在保证出炉时钢坯的表面温度和中 心温度达到要求的同时，兼顾加热炉的燃料消耗最小、钢坯的氧化烧损最小等 指标。对于钢坯的温升过程来说，每一块钢坯在理论上都唯一地对应着一条自 己的最优温升曲线，只有钢坯的温度沿着这条温升曲线上升，才能保证钢坯的 加热性能最好，钢坯消耗的热量最少。 但是实际上在生产中，加热炉的最大加热能力大多小于轧机的生产能力， 所以企业为了快速生产大多采取高烧法，即在燃料充足的前提下，按照钢坯加 热温度的上限烧钢，以实现多烧快烧以满足与轧机生产能力的匹配，提高轧钢 产量。 这种生产方式虽然也满足了钢坯加热的生产要求，但是它的缺点也是显而 易见的，造成了燃料的大量浪费。同时由于是按照钢坯加热温度的上限烧钢， 所以钢坯的氧化烧损比较严重，同时也会缩短加热炉的使用寿命。所以必须使 用优化加热炉温度的方法，找到钢坯的一条优化的加热曲线，既能满足生产的 工艺要求，同时又能够使燃料最节约。 3 1 2 不同加热方式比较 在给定工况的条件下，钢坯的加热有如图3 - 1 所示的三种方式。按照方式 i 加热时，钢坯在加热的开始阶段升温速度比较缓慢，所以随后的加热段不得 1 6 上海大学硕士学位论文 不加大燃料消耗量，来提高钢坯的升温速度，造成钢坯的内外温度分布不均衡， 出炉时钢坯不能被烧透，不利于钢坯的轧制。如果采用方式i i i 加热，则可以 发现钢坯在加热的开始阶段温度升速太快，钢坯的断面温差过大。如此生产， 不仅燃料的消耗量大为加大，同时由于普通钢坯在5 0 0 到6 0 0 摄氏度以下时还 处于弹性状态，在这种条件下，如果加热的速度过快，钢坯的内部会产生较大 的热应力，容易产生加热缺陷，使钢坯的成品率降低。如果按照方式i i 加热， 钢坯在预热时，加热的速度比较适中，产生的热应力比较小，在钢坯中心温度 超过6 0 0 c 以后，钢坯进入了塑性范围，可以进行快速加热，钢坯的表面温度 会迅速上升到出炉所要求的温度，同时由于钢坯温度超过8 0 0 ，氧化铁皮会 快速增加，而由于该种加热方式尽量减少了钢坯在高温区域停留的时间，钢坯 的氧化烧损程度也比较低，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，均热段出口处，钢坯的断面温差已经达到了轧制的工艺要求，可 以进行轧制了。 由上述分析可以知道，采用方式i i 加热，一方面考虑了加热初期温度应力， 另一方面考虑了中期快速加热和最后温度的均匀性，达到了加热质量和产量两 方面的要求，同时加热炉的热能利用率比较高，单位燃耗低，因此在实际生产 中都采用方式i i 的加热方法。 t 5 l o 等 ， - ， i o 翟 ， l ， i o 譬 圈3 1 不同加热方式比较 1 7 上海大学硕士学位论文 3 2 炉温设定专家控制系统 由以上的内容可以了解到，要使钢坯能够按照优化的曲线加热，必须给出 一条适当的加热炉温度设定曲线，但是轧钢加热炉工况复杂，很难用传统的控 制方法进行有效的控制。而有经验的操作人员却能够根据实际工况，很好地调 整好各段炉温，使得加热炉所生产出的钢坯不但符合轧钢工艺要求，而且加热 炉的燃料损耗最低。把专家的经验总结出来，并采用适当的表述形式，形成专 家炉温设定系统。，这样，一方面降低了司炉工的工作强度，另一方面也降低了 加热炉的燃耗。 所设计的专家控制系统的结构如图3 2 所示： r 一一一一1 ：专家系统l 3 2 1 专家控制概述啪p 图3 - 2 炉温设定专家控制系统 专家控制是基于知识的智能控制。它是人工智能、专家系统、自动控制、 模糊技术相结合的产物。它利用专家系统的推理机制决定控制方法的灵活选用， 实现解析规律与启发式逻辑的结合、知识模型与控制模型的结合：它模仿人的智 能行为，采取有效的控制策略，从而使控制性能的满意实现成为可能。专家控 制系统的设计与实现关键在于复杂、多样的控制知识的获取和组织方法及其实 上海大学硕士学位论文 时推理的技术。一方面，专家控制技术的进展需要更多的引入知识工程的方法： 另一方面，专家控制系统的开发与实用化要借助于专家系统辅助开发软件和快 速的计算机硬件。 3 2 1 1 专家控制的基本思想 专家控制的基本思想是：专家控制= 自动控制理论和方法+ 人工智能专家系 统技术。 实际控制系统中存在的启发式逻辑本质上是实现控制目标的各种规律性的 经验知识。这些经验知识难以用一殷的数值形式表达，而适宜于用符号形式加 以描述：再者，这些经验知识既不能简单的罗列，又难以用解析的方法综合，因 此必须给予恰当的组织，并能自动的进行推理。人工智能中的专家系统技术恰 恰为这类经验知识的表示和处理提供了有效的方法。 人工智能领域中发展起来的专家系统是一种基于知识的、智能的计算机程 序系统。专家系统有两个要素： ( 1 ) 知识库 知识库是用以存储某个专门领域中经过事先总结的，按照某种格式表示的 专家水平的知识条目。 ( 2 ) 推理机 推理机是指按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行 推理、判断和决策。 总而言之，专家系统把领域内的问题求解思路、经验、方法组织成一个实 际运行的形式系统，表现出一种拟人的智能能力，它与传统的自动控制理论和 方法相结合，形成了专家系统控制的基本思想。 与专家系统相类似，整个控制问题领域的知识库和一个体现知识决策的推 理机就构成了专家控制的主体。 知识库内部的组织结构可采用人工智能中知识表示的合适方法。其中一部 分知识可称为数据，例如事实、证据、假设和目标，数据常常用一种框架结构 1 9 上海大学硕士学位论文 组织在一起，形成数据库。另一部分可称为规则，即定性的推理知识，它们往 往表示为产生式规则，组成规则库。在专家控制中，定量知识，即各种有关的 解析算法，一般都独立编码，按常规的程序设计方法组织。 推理机的基本功能在于按某种策略选用推理规则，对于专家控制，同样可 采用人工智能中的正向推理，反向推理，双向推理这三种推理策略。 3 2 i 2 专家控制的目标 专家控制的理想目标是要实现这样一个控制器或控制系统： ( 1 ) 满足复杂动态过程控制的需要，如任何时变的、非线性的、受到各种干 扰的受控系统。 ( 2 ) 控制系统的运行可以利用一些先验知识而且只需要最少量的先验知识。 ( 3 ) 用户可以访问系统内部的信息，进行交互，例如受控过程的动态特性， 控制性能的统计分析，以及对当前采用的控制作用的解释等。 ( 4 ) 用户可以对控制系统的性能进行定性的说明，例如“温度的上升速度要 尽可能的快”等。 ( 5 ) 潜在的控制知识以透明的方式存放，易于修改和扩充。 ( 6 ) 有关受控过程的知识可以不断的增加、积累，以此来改进控制性能。 从上述目标可以发现，专家控制虽然引用了专家系统的思想和技术，但它 与一般的专家系统还是有差别的。主要是专家控制要求能对控制动作进行独立 的自动的决策，其推理结果可以是某种解析算法激活。专家系统一般处于离线 工作方式，而专家控制则要求在线地获取动态信息，实时地进行控制。 3 2 1 3 炉温设定专家控制 由以上的介绍可知，专家控制系统最主要的部分就是知识库的建立以及推理 机的推理策略，以下是选用的方案。 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 知识库建立 建立知识库首先遇到的问题就是知识的获取。第一、我们要总结需要获取哪 些知识。加热炉主要获取的是被加热的钢种类型所需要的加热温度，不同步进速 度下的加热要求，燃料热值不同的情况下如何处理，轧机停机时如何处理。第二、 确定知识来源。知识库储备的知识分为两类，一类是专业基础知识，另一类是经 验知识。轧钢，加热炉，燃烧控制等专业书籍以及轧钢专家的专业知识是专业基 础知识的主要来源。加热炉操作人员的经验和大量的操作记录历史数据经过总 结、提取可以提供大量的经验知识。第三、知识的获取。针对需要获取的不同类 型的知识，设计启发式的问题对加热炉专家提问，将专家提供的知识整理成文本。 在形成文本后，还要对专家提供的知识和经验进行提炼，去掉重复的和相互矛盾 的知识，并对知识进行逐一验证。最后，对知识进行规范化处理，将其转化为知 识库能够识别的模式，将知识存储在知识库中。 建立知识库的主要问题是如何表