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加热炉炉温控制策略研究及仿真分析陆明伟

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：陆明伟1 白艳伟2 陈厶玮3

[导读] 摘要：加热炉是铸造、热处理中应用得最多的加热设备，也是最主要的能源消耗设备

        12 沈阳格竹科技有限公司辽宁沈阳 110000 3 沈阳鼓风机集团辅机成套工程有限公司辽宁沈阳 110000
        摘要：加热炉是铸造、热处理中应用得最多的加热设备，也是最主要的能源消耗设备。某公司二轧厂1号、2号加热炉为连续式推钢加热炉。炉温控制分为上加热、下加热、上均热、下均热4个控制段和1个预热段，炉膛温度为800～1200℃。在每个控制段和预热段均安装烧嘴，由烧嘴喷出孔送出的燃烧火焰，通过对流和辐射方式将热量传给钢坯。加热炉炉温的高质量控制关系到加热炉生产的高效性，同时影响后续轧制的产品质量。加热炉在钢坯加热期间，炉内气氛和炉温须调节得当，否则会出现加热温度不均匀、麻点、脱碳、氧化和过烧等各种缺陷。加热炉的轧制节奏和加热过程配合不好，除影响加热钢坯的质量外，还会造成大量能源消耗。要很好地解决这些问题，仅靠改造生产系统的自身工艺无法实现，故专家们在系统的自动控制上也作了大量的研究工作并付诸实践。基于此，本文主要对加热炉炉温控制策略研究及仿真进行分析，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。
        关键词：加热炉；炉温控制；策略研究
        引言
        热炉是轧钢生产线上的重要设备之一，也是轧线上的耗能大户，主要完成钢坯加热任务，通过加热改变钢的组织结构，提高钢材朔性，当温度达到轧机需要的轧制范围时进行轧制。加热炉用来对材料进行分段加热和冷却等，其温度参数对材料的制备和生产有很大影响，温度控制精度和稳定度直接影响着锻件的性能和能源利用的效率。有效地提高加热炉温度控制精度以及能源利用效率，增强企业竞争力，是铸造企业所面临的重要课题。
        1基于Fuzzy-PID的加热炉控制系统
        加热炉是一个多输入多输出、非线性和时变的复杂控制系统，只采用传统的经典PID控制算法，在炉况不稳定时，炉温会出现波动，并容易引起系统振荡。将模糊控制和PID控制两者有机结合起来，发挥各自控制优点，既有模糊控制策略适应性强且控制灵活的优点，又有经典PID控制策略精度高的特点。PID参数模糊控制策略简称Fuzzy－PID控制策略，其中Fuzzy代表模糊控制。模糊控制器（FuzzyController）是一种新型控制器，与PID控制器相比，其特点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而是有效利用工作人员长期操作控制所取得的操作经验，并将操作经验变换成模糊控制规则，根据控制规则组织控制决策表，然后由该表确定模糊控制器输出值的大小，其适用于加热炉等难以建立精确数学模型、大滞后和非线性的自动控制系统。系统结构由被控对象加热炉、检测变换部分、控制器部分和比较环节等组成，其中控制器由一个二维的模糊推理控制器和一个常规PID控制器串联而成，通过此复合控制器可实现无静差模糊控制。控制系统方框控制系统的工作过程：当加热炉炉温处于－40℃～+40℃变化时，Fuzzy－PID控制器被激活，根据当前测得的炉温偏差和偏差的变化率，Fuzzy－PID控制器计算煤气流量的给定值。模糊控制器根据控制系统输入变量的不同，有一维模糊控制器、二维模糊控制器和三维模糊控制器3种。从理论上讲，模糊控制器的输入维数高低决定了系统控制精确度的高低，但同时带来的缺点是模糊控制规律变得复杂，用计算机实现其模糊推理的控制算法也变得复杂。根据加热炉炉温控制系统的需要，选择二维模糊控制器。一是炉温偏差输入量，另是炉温偏差变化率输入量。模糊控制器的输出是比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD。
        2工艺需求
        加热炉的生产任务是将钢坯加热到轧钢工艺要求的温度范围，以保证正常轧制。保证钢坯加热质量，使钢坯出炉温度达到目标，满足轧制要求；实现燃料的合理燃烧，提高燃料利用率，降低能耗。

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        3总体方案
        系统设计原则是在加热炉原系统的基础上，通过外接热备控制系统完成对加热炉的节能优化控制。通过实时数据服务器，与原PLC控制系统进行数据交换，炉温预设定优化系统是通过读取实时数据服务器数据和红外温度检测系统，检测到的钢坯表面温度，得到最优炉温设定值，并发给燃烧控制系统，计算得到流量的阀门开度下发给原PLC控制系统。燃烧控制系统是通过分支总管煤气压力控制系统保持煤气压力稳定；并采用炉温—煤气流量串级控制、煤气流量—空气流量比值控制，残氧控制调节最佳空燃比，根据煤气热值的波动对煤气阀门进行补偿的综合控制系统。
        4炉温预设定优化系统
        炉温预设定优化系统主要完成对炉内钢坯温度分布的实时跟踪与炉温的在线优化，实时为燃烧系统提供最佳的炉温设定值。（1）炉温拟合。钢坯的升温过程由炉温来决定，钢坯进入加热炉后，以一定的速度在炉内移动，所以进行钢坯温度计算时需要首先确定钢坯所在位置的炉温。因此需要根据热电偶分布状况和实时测得的炉温，拟合得到沿炉长方向的炉温分布曲线。（2）钢坯跟踪模型。该模型实时跟踪每块入炉钢坯的位置与该位置的钢坯温度分布。并可预测在当前炉温分布条件下，到达出炉位置时该钢坯内部温度分布，以给出钢坯表面预测温度、钢芯预测温度及钢坯断面温差。5DOE试验设计在量化高炉炉温控制中的应用高炉操作者都有深切的体会，顺行是高炉正常操作的前提，而在正常原料条件下，炉温稳定可以说又是顺行的基础。由于高炉生产过程复杂，测量困难，一般都是通过铁水的硅含量来间接获得对炉温的评价，但由于铁水硅含量的测量往往都在出铁后才能进行，在时间上滞后很大，因此，如何对铁水含量进行量化控制，对稳定高炉生产及强化冶炼意义重大。目前大多数钢企炉温的控制全凭工长的经验积累，如利用下料情况、顶温变化、风口工作状况及渣铁流动、温度及成分变化等信息，对炉况作出大概的判断，并采用相应的措施，很少有人对这些动作的效果进行过真正的量化处理，基于高炉专家智能控制系统由于成本及操作水平要求高等因素，应用企业较少。DOE试验设计作为六西格玛众多方法工具当中的一种，能够快速寻找最优解的方法，减少盲目试验次数，大幅度减少试验成本和时间。在炉温控制上引入DOE试验设计，建立炉温量化控制模型，无成本投入且应用方便，在生产实践中具有重要的指导意义。
        5对PI模糊控制系统仿真
        通过simulink工具箱，搭建控制系统自适应FUZZY－PI仿真数学模型，模型建好后运行控制系统，系统仿真结果通过示波器输出。运行系统后，示波器Scope输出的系统响应。可以通过使用plot绘图命令在单独窗口中将曲线画出来，也可通过仿真模型中的toWorkspace2将数据存储到MATLAB的工作空间中，对数据进行精准的分析。
        结语
        总而言之，在同样控制精度要求下，系统动态调整过程中的调节时间变短，这在实际的控制系统中具有重大意义。
        参考文献：
        [1]许玉忠.基于自适应模糊PID控制的电阻炉温度控制系统[J].华北水利水电学院学报：自然科学版，2011，32（2）：83-86.
        [2]黄斌，谢国进，梁武三，等.基于混合型模糊PID的加热炉温度控制系统应用[J].电气传动，2018，48（2）：43-46.
        [3]华磊，张成涛，陆文祺，等.模糊自适应PID控制在电阻炉温控中的应用仿真[J].广西科技大学学报，2018，29（1）：37-42.
        [4]袁建平，施一萍，蒋宇，等.改进的BP神经网络PID控制器在温室环境控制中的研究[J].电子测量技术，2019，42（4）：19-24.