蓄熱式加熱爐溫度模糊控制系統(tǒng)的研究
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【摘要】本文以xxx鋼鐵集團有限公司一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐為研究背景，根據(jù)蓄熱式加熱爐的工藝流程和工藝要求，詳細(xì)闡述了溫度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中對爐溫采用分段控制，即P-模糊-PI控制，綜合了PID控制和模糊控制的優(yōu)點，響應(yīng)快、超調(diào)小、無靜差、抗干擾。將該控制系統(tǒng)用PLC軟件編程，直接應(yīng)用在加熱爐PLC控制系統(tǒng)中，大大降低了控制系統(tǒng)改造成本。在實際應(yīng)用測試中該系統(tǒng)的控制效果十分理想，能夠很好地抑制冷熱坯混裝、煤氣壓力的隨機變化及煤氣熱值波動對爐溫的影響，爐溫偏差能夠控制在20℃以內(nèi)，在沒有干擾因素的情況下能控制爐溫偏差在5℃以內(nèi)，完全滿足生產(chǎn)要求。
【關(guān)鍵詞】加熱爐;溫度;模糊控制;PLC
1、宣鋼蓄熱式加熱爐工藝概述
本文是以xxx一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐為項目進行的研究。型材車間是一條年產(chǎn)70萬噸型鋼的生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)圓鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼和礦用U型鋼等產(chǎn)品。其加熱爐是懸臂輥道側(cè)進料、側(cè)出料，單排布料的步進梁式蓄熱加熱爐，用于坯料軋制前的加熱。
2、存在的問題分析
該加熱爐在使用初期爐溫控制上采用PID控制，應(yīng)用SIEMENS S7-400 PLC自帶PID功能塊。在使用過程中發(fā)現(xiàn)這種控制方式確實無法滿足工藝要求，爐溫偏差最大可達±40℃。主要原因是該加熱爐的燃料是轉(zhuǎn)爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣是煉鋼生產(chǎn)的副產(chǎn)品，雖然其熱值較高，但由于煉鋼過程中無法連續(xù)收集轉(zhuǎn)爐煤氣，造成轉(zhuǎn)爐煤氣的壓力和熱值都很不穩(wěn)定;其次是該加熱爐進爐鋼坯冷熱混裝，不同溫度的鋼坯入爐后需要的加熱量不同，要求煤氣流量控制必須及時;另外，軋鋼生產(chǎn)的節(jié)奏也是影響爐溫控制的因素。由此可見蓄熱式加熱爐的燃燒過程是受隨機因素干擾復(fù)雜過程，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)PID控制難以達到滿意的控制效果。
3、改進方法設(shè)計
對于蓄熱式加熱爐這種受隨機因素干擾的具有大慣性、非線性、純滯后的復(fù)雜控制對象采用單純的PID控制不能取得良好的控制效果。因為PID算法只是在系統(tǒng)模型參數(shù)不發(fā)生變化的情況下，才能獲得理想的效果。當(dāng)一個調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)隨機變化的系統(tǒng)時，控制效果會變差。而模糊控制，面對200-300℃的溫度變化范圍，要提高基本模糊控制器的控制精度，分檔越細(xì)，性能越好，不過模糊控制規(guī)則數(shù)以及系統(tǒng)的計算量也大大地增加，從而使模糊控制規(guī)則表變得難以把握，調(diào)試時會更加困難。而減少分檔數(shù)，則會控制粗略，控制效果難以保證。在以往諸多理論研究和工程實踐中也證明了對于蓄熱式加熱爐這樣復(fù)雜的系統(tǒng)采用單純的PID控制或模糊控制是不能取得良好的控制效果的。
設(shè)計采用一種分段控制算法，即P-模糊-PI控制，來綜合比例、模糊和比例積分控制的優(yōu)點。當(dāng)偏差大于某一個閾值時，采用比例控制，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度;當(dāng)偏差小于閾值時，切換到模糊控制，用來增強系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。采用這樣的方法用來壓縮模糊控制的論域，使其只是整個論域的一部分，也就是相當(dāng)于模糊空間的分級數(shù)增加，提高了模糊控制的精度和靈敏度。當(dāng)模糊控制過程中偏差的語言變量值為“零”時，由于沒有積分環(huán)節(jié)，必然會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點附近存在小幅震蕩，因而在此時投入PI控制，利用其積分作用消除穩(wěn)態(tài)誤差，在小范圍內(nèi)PI控制的效果是最理想的。整個過程可簡單描述為：設(shè)X為某一閾值，E為絕對偏差，ZE表示模糊控制器語言值為“零”，則控制開關(guān)選擇為
P-模糊-PI控制可以發(fā)揮三種控制方式的優(yōu)點，使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、抗干擾變化的適應(yīng)性及較高的控制精度。三種控制方式在控制過程中依據(jù)偏差的變化分段切換使用，不會同時起作用而相互干擾。P-模糊-PI控制器切換閾值的設(shè)定非常關(guān)鍵。從比例控制向模糊控制切換的閾值選擇必須恰當(dāng)，如果選得過小，在非常接近目標(biāo)值時才切換，就可能出現(xiàn)較大的超調(diào)，并且模糊控制的優(yōu)點難以體現(xiàn);如果選得太大，就會過早的切換到模糊控制，可能會影響系統(tǒng)的`響應(yīng)速度，同時也使得模糊論域變大，若不增加模糊空間分級數(shù)，控制精度變差。只有根據(jù)系統(tǒng)的特點及控制目標(biāo)的要求才能選擇出較為恰當(dāng)?shù)拈撝�。在從模糊控制向PI控制切換時，一般都選在偏差語言變量的語言值為“零”時，切換至PI控制，用PI算法：
其中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分時間，U為PI輸出控制量。
當(dāng)模糊控制中語言變量的語言值為“零”時，其絕對偏差可能并不為零，所以應(yīng)當(dāng)應(yīng)用積分器的作用來消除偏差，提高穩(wěn)態(tài)性能。
蓄熱式加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)中，P-模糊-PI控制器的輸入量為設(shè)定爐溫T0與實際爐溫T(k)的偏差E(k)，輸出量控制煤氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)煤氣流量;空燃比由在線氣體分析系統(tǒng)的結(jié)果經(jīng)過計算得出;煤氣流量孔板檢測出的煤氣實際流量乘以空燃比就可計算出煤氣完全燃燒所需的空氣流量;空氣調(diào)節(jié)閥由PID調(diào)節(jié)器控制，調(diào)節(jié)空氣流量跟隨煤氣流量。
結(jié)束語
宣鋼型材加熱爐原有的溫度檢測，流量檢測，氣體分析，煤氣、空氣調(diào)節(jié)閥均可應(yīng)用于該設(shè)計中。P-模糊-PI控制器的P控制和PI控制，空氣流量調(diào)節(jié)的PID控制均可應(yīng)用加熱爐燃燒控制PLC自帶的PID模塊實現(xiàn)。完成該設(shè)計下一步最重要的工作就是總結(jié)加熱爐人工控制過程中一些好的控制經(jīng)驗，應(yīng)用模糊控制理論，完成模糊控制器的設(shè)計。進一步將模糊控制器用PLC編程制作控制功能塊，應(yīng)用在加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)中，并在實驗中細(xì)化P-模糊-PI控制器的參數(shù)，力爭將爐溫控制在突發(fā)情況下偏差小于20℃，在正常情況下偏差小于5℃。這個目標(biāo)如果得以實現(xiàn)，不僅可以提高型材的產(chǎn)品質(zhì)量，減少煤氣消耗和污染排放，而且對宣鋼其他的軋鋼加熱爐的溫度控制有借鑒意義，進而整體提高宣鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)節(jié)能降耗，為宣鋼的挖潛增效做出貢獻。
參考文獻
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