PDF《基于分离方法的加热炉模糊专家控制策略》

・102 ・ 计算机测量与控制 .

2009 .

17 ( 1) Computer Measurement &

Control 控制技术 收稿日期 :2008205210 ;

修回日期 :2008206211 . 基金项目 :国家杰出青年科学基金项目 (60425310) ;

国家

863 计划 课题(2006AA04Z172) 作者简介 :吴敏(19632) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事鲁棒控 制、 智能控制与过程控制等方向的研究. 文章编号 :167124598(2009)

0120102203 中图分类号 : TP27315 文献标识码 :B 基于分离方法的加热炉模糊专家控制策略 罗麦丰1 ,2 , 吴敏2 , 曹卫华2 (1. 株洲职业技术学院 , 湖南 株洲

412000 ;

2. 中南大学 信息科学与工程学院 , 湖南 长沙 410083) 摘要 : 对某轧钢加热炉燃烧过程控制中存在的问题 , 提出了一种基于分离方法的模糊专家控制策略 ;

根据炉温偏差和偏差变化率获 得燃气流量的设定值 , 在温度偏差较小时使用模糊控制 , 保证较好的控制精度 , 在温度偏差较大时采用专家控制 , 保证快速的升温和降 温效果 , 同时按照生产率模型调节空气流量 , 克服了传统控制策略中无法解决的燃气热值波动时空气燃料比难以自动修正的缺陷 ;

实际 应用表明 , 文章提出的控制策略获得了较好的控制效果. 关键词 : 加热炉 ;

分离控制 ;

模糊控制 ;

专家控制 Separation - based Fuzzy Expert Control Strategy for Reheating Furnace Luo Maifeng1 ,2 , Wu Min1 , Cao Weihua1 (11 Zhuzhou Professional Technology College , Zhuzhou

412000 , China ;

21 School of Information Science and Engineering , Central South University , Changsha

410083 , China) Abstract : Aimed at the existing problem in the steel rolling reheating furnace combustion process control , a Separation - based fuzzy ex2 pert control strategy for reheating furnace is presented. According to the error of the reheating furnace temperature and its variety rate ac2 quire the enactment value of the gas flow rate. When the error of the temperature is smaller , the fuzzy control is applied to ensure higher con2 trol precision. When the temperature deviation appears greatly , the expert control is employed to realize quick increase or decrease of the temperature. At the same time , according to productivity model adjust air current. The disadvantage that the air/ fuel ratio can not auto - turn along with fuel caloric capacity change of traditional control strategy is overcome. The actual application shows , this control strategy has acquired better control result. Key words : reheating furnace ;

separation control ;

fuzzy control ;

expert control

0 引言 轧钢加热炉是钢铁工业中最重要的热加工设备之一 , 其控 制的任务是在获得满足轧机开轧所要求的钢坯温度分布的前提 下,保持燃气和助燃空气流量的合理比值 , 使其充分燃烧 , 取 得最佳的燃烧效率 , 实现最小的钢坯表面烧损和能耗 , 提高产 品的产量和质量 , 达到环保和节能的目标.由于轧钢加热炉本 质上是一个具有大惯性、纯滞后、多变量、时变的非线性系 统,工作机理复杂 , 因此难以建立精确的数学模型 , 用常规的 控制方法难以达到满意的控制效果[1 ] .同时目前国内运行的加 热炉大都采用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气 , 由于混合煤气 的热值受高炉和焦炉工况的影响而产生波动 , 此时加热炉原有 空燃比应随之进行相应的调节 ;

而这种自动调节是目前燃烧控 制系统难以实现的. 温度流量双闭环 PID 控制、串级控制、双交叉限幅控制 仍然是目前加热炉燃烧控制中最常用的控制方案 , 但该方案是 建立在燃气热值稳定的基础之上 , 当燃气热值波动时 , 必然导 致燃气与空气流量的不匹配[2 ] , 导致了超调严重、升降温速度 慢;

文献[3 ] 等提出的空燃比自寻优方法在理论上虽然可行 , 但 在实际应用中因随机波动和干扰的存在 , 很难长期稳定运行 ;

根据烟气中氧含量闭环校正空燃比 , 因分析仪器的耐久稳定性 而鲜有应用[4 ] ;

因此在实际应用中 , 大多数加热炉还是通过调 火工人凭个人的实际经验进行手工操作. 智能控制技术的发展为解决复杂工业过程控制问题提供了 一种很好的方法 , 如陈书瀚将智能模糊控制成功地应用于工业 炉窑自动控制之中[5 ] ;

窦震海等人将模糊专家控制成功地解决 了原油加热炉的温度控制问题[6 ] ;

葛芦生等运用神经网络方法 在线建立了加热炉当前工况平衡工作点 , 在此基础上通过模糊 控制策略实现蓄热式加热炉温度控制[7 ] . 本文提出了一种将模糊控制、专家控制与分离控制相结合 的基于分离方法的模糊专家控制策略 , 从结构上将燃气和空气 流量分开进行控制 ;

根据炉温偏差和炉温偏差变化率获得燃气 流量的设定值 , 提高了炉温控制精度和升降温速度 ;

同时按照 生产率模型和出钢温度调节空气流量 , 克服了以往无法解决的 燃气热值波动时空气燃料比难以自动修正的缺陷.实际应用结 果表明 , 本文提出的控制策略取得了较好的控制效果.

1 控制系统结构 控制系统结构如图

1 所示 , 该控制系统解开了燃气和空气 固定的配比关系 , 将燃气和空气分开进行控制 ;

图中的模糊规 则煤气流量模块和专家规则煤气流量模块即为该段炉温的温度 控制器 ;

当炉温偏差在 - 40~ +

40 ℃ 变化时采用模糊控制 , 模 糊规则煤气流量模块根据炉温偏差和炉温偏差变化率获得燃气 流量的设定值 , 以提高炉温的控制精度 ;

当炉温偏差小于 -

40 ℃ 或大于 +

40 ℃ 时采用专家控制 , 通过专家规则煤气流量模 第1期罗麦丰 , 等:基于分离方法的加热炉模糊专家控制策略 ・103 ・ 图1加热炉温度控制系统 块获得燃气流量的设定值 , 以提高升降温速度 ;

燃气流量控制 环节仍然采用温度流量双闭环 PID 控制 ;

空气流量设定值则 跟随生产率和出钢温度设定值模型而变化 , 空气流量控制环节 采用 PID 闭环控制.

2 分离控制原理 根据加热炉燃烧过程的供热平衡和燃料中可燃物质的燃烧 平衡方程可导出空气流量随生产率和出钢温度设定值变化而变 化的模型[2 ] 如下 : F空流 = K * [ C钢P(TS P - T0 ) + Q冷却水 + Q损失 ] / (

1 - KnC排烟 T排烟 ) 在上面空气流量设定值模型中 , K 为比例常数 , C钢 为钢的比 热,P为加热炉的生产率 , TSP为钢坯出炉温度设定值 , T0 钢 坯入炉温度 , Q冷却水 为冷却水带走的热量 , Q损失 为加热炉本身 的热损失 , C排烟 为排烟比热 , T排烟 为排烟温度 , n 为常数.加 热炉建成后 Q冷却水 与加热炉生产节奏有关 , Q损失 与加热炉工作 温度有关 , 在生产节奏和产品类型比较稳定的情况下这两个热 量及排烟温度 T 排烟基本保持不变;

由此可见空气流量是生 产率 P 和出钢温度设定值 TSP的函数 , 当生产率 P 和出钢温度 设定值 TSP不变时空气流量保持不变 , 当炉温波动时 , 说明燃 气热值发生了波动 , 通过燃气流量的自动调节 , 供热达到新的 平衡 , 炉温也就会自动稳定下来 , 从而实现了空燃比的自动 调节.

3 模糊控制器设计 模糊控制以模糊集合、模糊语言变量、模糊推理为理论基 础,以先验知识和专家经验作为控制规则.其基本思想是用机 器模拟人对系统的控制 , 就是在被控对象的模糊模型的基础上 运用模糊控制器近似推理等手段 , 实现系统控制 , 其设计的核 心是模糊控制规则和隶属度函数的确定.与传统控制相比 , 模 糊推理不需要精确的数学模型 , 其设计主要建立在相关数据与 规则的基础之上 , 因此特别适合解决非线性系统的控制问题 , 且具有鲁棒性好、自适应性强等特点[8 ] . 本文研究的对象为某轧钢厂蓄热式加热炉 , 采用焦炉煤气 与高炉煤气的混合煤气作为燃料 , 通过与空气的混合燃烧对加 热炉内的钢坯加热;

炉体分为预热段、加热段和均热段 , 钢坯 进入加热炉后经预热、加热、均热达到轧机开轧所要求的钢坯 温度分布 , 完成全过程 , 当炉温偏差在 - 40~ +

40 ℃ 变化时激 活模糊控制器.

311 模糊控制器结构 选择模糊控制器的输入变量为炉温偏差 e 及炉温偏差变化 率ec , 输出变量为煤气流量设定值的增量 q , 相应的模糊变量 (模糊集) 为E、EC、Q , 这是一个双输入单输出的二维模糊 控制器;

这样的模糊控制器具有 PD 控制规律 , 有利 于保证系统的稳定性 , 减少响应过程的超调量 , 削弱 其振荡现象[9 ] .

312 模糊变量赋值表 设E的论域为 : X = { -

6 , -

5 , -

4 , -

3 , -

2 , -

1 , -

0 , +

0 , +

1 , +

2 , +

3 , +

4 , +

5 , + 6} EC 的论域为 : Y = { -

6 , -

5 , -

4 , -

3 , -

2 , -

1 ,

0 , +

1 , +

2 , +

3 , +

4 , +

5 , + 6} Q 的论域为 : Z = { -

7 , -

6 , -

5 , -

4 , -

3 , -

2 , -

1 ,0 , +

1 , +

2 , +

3 , +

4 , +

5 , +

6 , + 7} E 的语言值为 :{ PB , PM , PS , P0 , N0 , N S , N M , N B} EC 和Q的语言值均为 :{ PB , PM , PS ,0 , N S , N M , N B} 炉温偏差 e 的其本论域为 [ -

40 ,

40 ] , 炉温偏差 e 的量 化因子为 ke = 6/

40 =

0115 , 总结熟练操作工和专家的经验知 识,可确定在 x , y , z 上用以描述模糊子集 PB , …, N B 的 隶属度函数 , 并据此分别建立偏差 E, 偏差变化率 EC 及Q的........