摘要：加熱爐燃燒過程具有非線性、慢時變、大滯后及含有許多不確定因素的特點,本文針對加熱爐燃燒控制系統爐溫控制精度不高而造成超調或調節速度慢的狀況，把基于經驗和運行技術的人工智能引入控制系統中，利用模糊控制規則自適應地在線對溫度控制回路PID調節參數進行優化整定，使控制器在生產運行的響應速度和準確性之間做出最佳的控制參數設置，從而優化整個溫控系統。
   

      關鍵字：自適應控制；模糊控制；PlD

Optimize and application of the combustion system in Reheating Furnace
          

          Ma jing【1】  Ni wei【2】   Ren ying【3】   Yang minghua【1】

(Automation department of LaiWu iron and steel Shan Dong 271104)
      Abstract：According to the characteristics of reheating furnace combustion control system control precision which causing overshoot or adjusting slowly, the paper introduce the artificial intelligence basing on the experience and the operation technology, and use the fuzzy control rule to optimize self-adaptive PID adjustive parameter of temperature control circuit which make the best parameters setting between the production speed of response and accuracy and optimize the entire temperature control system
      Keywords：self-adaption control， fuzzy control，PID

      1.引言
      世界鋼鐵領域變革的步伐正在加快，對于加熱爐而言，在保障不減少產量的情況下實現連續處理不同鋼種的坯料，使之具有靈活的操作性、良好的加熱質量和加熱曲線已成為加熱爐控制系統的關鍵。隨著所處理坯料的多樣化以及加熱爐容積和寬度的不斷增加，良好的控制系統最終帶來最大的生產效益和最低的生產成本。
    

      2.工藝簡介
      寬厚板加熱爐采用了雙爐門、雙步進梁、雙排布料方式、全箱型結構，即一個加熱爐相當于兩個小加熱爐，進出料互相獨立，互不影響；采用側燒嘴和頂部燒嘴供熱，分為10個控制段。在爐型結構和外形上與熱軋帶鋼加熱爐相似，但厚板的生產具有批量少、坯料較短、品種規格多的特點，相應的加熱板坯的品種多、厚度變化頻繁、出爐溫度的變化范圍大。因此，生產操作難度要更大、更復雜。
      厚板加熱爐不僅具有兩套步進梁機構，特別重要的是，步進爐加熱坯料抽出順序需要考慮采用臺車爐的加熱坯料抽出順序插入的影響，因此，步進爐加熱坯料出爐節奏并不是只有步進爐的影響，模型中抽出節奏和出爐時間計算變得更為復雜。當軋線停軋或軋制節奏提高需要迅速的降溫和升溫時，固定的比例積分值就不能滿足生產的需求。萊鋼寬厚板加熱爐解決這一問題的方法是將模糊控制原理應用到調節器比例與積分的動態調整上，在不同的生產狀況下計算出不同的調節參數，來提高燃燒系統的動態響應，以實現燃燒控制與生產狀態的動態跟隨，實現各段溫爐設定值自修正、各段爐溫自協調、各參數在線自整定的自尋優最佳燃燒控制，提高了生產率，同時有效的降低能耗。
 

      3. Fuzzy-PID復合控制
      3.1  模糊控制原理　常規的二維模糊控制器[1]是以誤差和誤差變化速率作為輸入變量，這種控制器具有Fuzzy 比例-微分控制作用，而缺少Fuzzy積分作用。這樣,模糊控制系統的動態性能較好，而穩態性能不能令人滿意。在線性理論中，積分控制作用能消除控制的穩態誤差，但動態響應慢，比例控制作用動態響應快，而比例積分作用既能獲得較高的穩態精度，又具有較快的動態響應。因此，把PID(PI)控制策略引入Fuzzy控制器，構成Fuzzy-PID(PI)復合控制，優勢互補，得到了較理想的控制效果，進一步提高了自動調節品質。這種復合控制策略是在大偏差范圍內采用Fuzzy控制，在小偏差范圍內轉換成PID(PI)控制，二者間切換采用跟蹤技術實現無擾動切換。　
      3.2  加熱爐溫度控制策略
      3.2.1  串級比值控制[2]   串級比值控制是爐溫控制最為基本的控制方法,也是一種目前現場使用最多的方法。它具有可克服煤氣、空氣壓力波動,保證空燃比,方案簡單易于實現等優點。
串級比值控制的原理圖如圖1。 

                                          圖1串級比值控制方法
      常規溫度控制回路采用靜態比例調節方式，采用固定的比例與積分參數，對設定值和反饋值進行計算，得到對應現場執行機構的輸出信號，實現溫度的閉環調節。這種系統在狀態穩定時運行良好。若生產延時不但在生產起始時會觸發瞬態而且在延時起始時亦將觸發瞬態（煤氣流的急劇開關）。
加熱爐溫度調節的主要問題是工藝過程比例積分微分調控裝置（PID）系數的正確調整。加熱控制中不能用簡單傳遞函數模擬工藝過程的情況占絕大部分時候。由此可得出結論，傳統調節控制回路不能超越工藝過程復雜性與不確定性的限制。　　　　　　　　　　　　　　　 
      3.2.2  PI（比例積分）參數模糊整定[3]  模糊管理程序適合用于調控裝置按實際運行確定的傳統PI（比例積分）參數。模糊邏輯塊確定并適應比例積分調控裝置按輸入值確定的必要變更。模糊調控為監控級調控，調控時將聯機計算比例積分微分調控裝置的參數，該調控裝置是用于測定標準控制回路溫度的。所考慮的變量如下：
      設定值；所測溫度，所測定的、在規定時間步內的溫度變量；
瞬時區域負荷；實際定步值。
      模糊控制級僅用簡單的開／關指令就可以連通或斷開。如果斷開模糊控制級，比例積分微分參數就為按傳統方式調定的缺省值。
模糊程序塊原理：
     為確保正常運行，模糊邏輯控制器需要3種數據：
    （1）用模糊子集描述的輸入變量
　　誤差：設定值-測量值；
　  所測溫度的變化率；
　  該區段產品的重量；
　　實際出鋼節奏。
    （2）模糊子集描述的輸出
　　比例增益：Kp;
　　積分時間：Ki；
     （3）類型規則：如果<條件>，那么<結論>，此規則可使輸入語言變量與輸出語言變量相關聯。
       模糊管理程序塊原理模式見圖2所示。

      模糊控制器有兩種模式:“穩態模式”與“瞬態模式”。當測定值與設定值差距不大時，認為系統處于穩定狀態（模糊推理）；在穩定狀態時，Kp與Ki的調整是通過溫度誤差完成的，當誤差過大時，認為系統就進入瞬態。在此種場合，有必要動態地控制所測定的溫度，以便與爐子的響應一致。工作模式的轉變由模糊斷續器完成，這將確保從一種模式向另一種模式的平衡轉變。通過這些模式，可得到Kp與Ki的初始值。在第2個模式組中，將對這些數值進行調整，同時還將計算實際工作條件函數中的Kp與Ki偏差（重量與定步速度）。
      最后，將用累加總穩態與瞬態模式組的中間結果值，之后再乘以各步驟運用的隸屬度（由模糊斷續器完成）的方法計算最終結果值。

      4 控制方法的應用
      萊鋼寬厚板加熱爐燃燒控制就采用了串級、雙交叉限幅及模糊控制相結合的辦法，針對具體情況采用不同控制辦法，取得了很好的應用效果。
      4.1 控制算法的應用分析  串級控制克服了煤氣、空氣壓力波動,保證空燃比,方案簡單易于實現。串級控制主要應用于對象的滯后和時間常數很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。
雙交叉限幅有效控制了動態空燃比，缺點是限幅犧牲了系統跟蹤負荷變化的速度，降低了系統的響應速度；另外，在實際應用中易使控制系統出現震蕩現象。因此它僅在溫度調整范圍較小、速度不快的均熱段控制時有使用實例。為了進一步提高響應速度，改進型雙交叉方法還將限幅系數設為可根據溫度偏差自動修正，以便在溫度偏差較大時減弱或取消限幅功能。
PID控制與模糊控制相結合的智能控制系統的應用，使得整個燃燒系統具有模糊控制靈活、響應快、適應性強等優點，又具有PID控制精度高的特點。該系統采用PLC作為控制系統的核心，通過對偏差的智能化處理，以及引入最大最小限幅值，智能分段控制等概念，實現對數學模型不確定的控制對象的滿意控制，使系統具有可靠性高、使用壽命長等適合實際工業現場的特性。
萊鋼寬厚板加熱爐模糊邏輯調控裝置由數個模塊構成，模塊按情形使用。其中有：
穩態程序（ST），適用于準穩過程；
瞬態程序（TR），適用于過渡過程；
通過程序，適用于過程從穩定到瞬態或從瞬態到穩定的起始時段；
偏差程序，用于按照區域的產品質量與實際節奏計算參數更正值。
      4.2廢氣殘氧閉環修正空燃比  這種方法是利用測量煙氣中含氧量的辦法來控制空氣和煤氣的配比，其優點是燃燒控制不受煤氣熱值與壓力波動以及流量計不準的影響，缺點是氧化錯探頭壽命短、價格貴，限制了此方法的推廣使用。加 熱爐 的優化控制是在滿足鋼坯出爐時，達到規定的目標溫度、斷面溫差和鋼坯的整個加熱過程能耗最低的條件下，根據軋機與加熱爐的生產情況以及爐內加熱鋼坯的品種和規格，綜合給出加熱爐各段爐溫的設定值，使爐內熱工制度達到最優。由于爐內熱工制度的核心是爐溫制度和供熱制度。因而加熱爐的優化控制可以是控制爐溫制度為最佳，也可以是控制供熱制度為最佳。 
      4.3 控制算法的自學習  對于整定后模型數據建立數據庫，通過記錄上支鋼的數據，在下支鋼燃燒時自適應修正模型數據，這樣的自學習技術使控制精度和控制實時性很好。加熱爐在線優化控制數學模型包括爐內鋼坯溫度場的計算、最優化爐溫。數學模型仿真結果圖3 、圖4、圖5和圖6分別表示了當鋼種為碳素結構鋼、規格為200x345x17000mm時各部爐溫為:上加熱段1180℃，上均熱段1170℃，下加熱段1160℃，下均熱段1160℃的情況下，由模型計算的鋼坯各斷面溫度分布、最大斷面溫差分布、鋼坯氧化燒損量分布和鋼坯表面熱流分布曲線。設定值計算、動態補償和待軋策略等幾個部分，其中爐內鋼坯溫度計算是實現加熱爐最優控制的基礎。

      5.總結
      鋼鐵工業是耗能大戶，其中鋼坯加熱爐就占鋼鐵工業總能耗的25%。因此，提高加熱爐熱效率、降低能耗，對整個鋼鐵工業節能具有重要意義，本系統中控制回路參數模糊整定及溫度優化設定大大提高控制精度、提高鋼坯加熱質量、減少氧化燒損、減少脫碳層厚度、減少環境污染，實現節約能源的目的，具有良好的經濟效益和社會效益。

      參考文獻：
      [1]、王中杰,關守平,柴天佑. 加熱爐自適應鋼坯溫度預報模型的開發[J]。 鋼鐵研究學報，1999，11 (2)：70274
      [2]、杜佳璐,林葉錦. 加熱爐最小能耗優化控制策略的研究[J]。自動化與儀器儀表，2000，88(2)：9211
      [3]、張立志，王玲，廖東梅。加熱爐的模糊控制及其神經網絡實現[J]。節能技術，1997，81(1)：92210
作者簡介：
     馬凈（1977—  ），女，工程師，學士，山東人，畢業于山東大學計算機，主要研究方向為軋制控制與人工智能。
     通訊地址：山東省萊鋼自動化部工程所  馬凈
     郵編：271104
     電話：0634-6921368