PDF《武汉 工程 职业技术学院学报》

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2 卷第l 期2011)年3月 武汉 工程 职业技术学院学报 J o u r n a l of Vu h a n En gi n e e r i n g i ns t i t u t e 轧钢加热炉 温度 模糊控制系统 苗冬霞(武汉 工程职 业技 术学 院 湖北 武汉:430080)摘要模糊控 制技 术应 用 于加 热 炉炉 温、炉压 的控 制,已经取 得 了较好 的 经济 效 益和社 会效益.

采用PLC实现 的轧钢 加 热炉模 糊控 制 系统 , 自投 入运 行 以来 , 控制效果 良好 . 关键词轧钢加热炉;

模 糊控制;

PL C 中 图分 类号 : TP

3 1

1 .

5 2 文献 标识 码:A文章编 号:1671-3524(2010)01―0022-030引言轧钢加 热炉 是 钢铁 企业的能耗 大户,加热 炉又是轧钢生产 过程 的重 要环节,加热炉温度 控制的好坏将 直接影 响产 品的质 量 .加热 炉是个 比较 复杂 的 控制 对象 , 它往往 表现为大惯 性、大滞后、非线性 等 特征 , 开关炉 门、加热材料、环境温度 以及 电网 电压 等都影 响控制 过程 , 建立常规的数 学模型又比较 困难.近些 年,模糊 控制 技术 应用 于加 热炉 炉温 、 炉压的控制 , 已经 取得了较 好的经济效益和社 会效益.智能模糊控 制 的实质 是模仿人的智 能和 经验,将人的思 维活动 和经验 加 以总 结 整理 , 形成以语言 和模 糊数 学描述 的控制 策略,以达 到用机器代 替 人对 复 杂工 业过程 进行 控制.它 具有以下 特点:适合 于非 线性 系统的控 制,工作 范 围宽 , 适用范围广 ;

利用人的经验 知识来 设计模 糊控 制器 , 完成控 制 任务 , 不依 赖 于对 象的数学 模型,适合于无 法建模或很 难建模的复杂对象 ;

具有 内在 的并行 处理 机制 , 表现 出极强 的鲁 棒性 ;

模 糊控制 器 的设计 参数 容易 调整 ;

算 法简 单、执行快 、 容 易实 现等[

1 一.我们在某 钢厂 开发 的 加热 炉模 糊控制 系统 采用PLC作为直接 数字 控制 ( D D C) 系统 , 用 于对 现场进行实 时检测 和控 制 .该 系统为 两级计 算机 控制 系统,不需要 检测燃 料发 热值及 废气 残氧 , 而是 直接根 据 易于检测 的各种 流量 、 压力 和温度 三组 物理 量,采用模 糊控制 技术 , 按 照人 工智能处理 方法实现自动 搜索并 跟踪最 优风/ 油比,控制 规律 在线 自动选择 , 收稿日期 :

2 0

0 9 ―

1 2 ―

0 6 作者简介 : 苗 冬霞(

1 9

6 4 ~) , 女,副教授. E - ma i l : md x @wg x y . n e t 各段炉温设 定值的自动修 正等一系列 综合自动 控制.智能模 糊控制器 的设 计1.1模糊自动控制原理智能模 糊控制的实 质是 模仿 人 的智 能 和经 验,将人 的思维 活 动和 经验 加 以总结 整理,形成以语 言和模糊 数学 描述 的控 制策略,它根据 操作 总结出来 的控 制规 律和性能指标 设 计模 糊控制器 . [

2 ] 模 糊控 制 器主要 由三部 分组 成:(1)精确 量 的模 糊化;

(2)模糊 控制算法的实 现;

(3)输 出信 息 的模 糊判决.如图1所示:偏差 J E f 模糊控制器斟嚼匿图1模糊控制器原理圈我们依 据加 热炉 中温度 、 压力、空气和 燃料流 量 等容易 检测 的物 理量 , 设 计相应 的模糊 控制 器,实现最佳燃 烧,达到节 能的 目的 .

1 .

2 加热炉 炉膛 温度模糊 控制器 的设 计温度模 糊 控制 器采 用二 维模 糊 控制 器,将实测 温度 值 与温度设 定值相 比较 , 得 出温度偏 差量E, 经 过偏差 变化 率 计算 , 得 到偏 差 变化 率Ec;

把偏差E和偏差变化率 E c作为 F u z z y控制器的二个输入信 号,送人 模糊 控制器 , 经过模 糊判 决,得到控 制量 U, 苗冬 霞.牟L钢加 热 炉温 度模糊控制系统23控制重 油 和空气 量 .对 E、 E 及控制量 U 的 模糊 及论域定 义 如下 : E 和U的模 糊集均为{NB,NM ,NS ,Z O, PS,PM ,PB} ;

E 的模 糊集为{NB,NM ,NS,NO,P O,P S, PM ,P B) ;

E c和E的论域均为{一6,一

5 ,一4,一

3 , 一2,一1,0,1 ,2,3,4,5 ,6 } ;

U 的论 域为 { 一7,一

6 ,一5,一4 ,一3 ,一2,一1,0 ,l ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ) . 按照操作 人员的工作 经验,模糊控制规 则可用下列 语 句来 描述 : i f E= NB or NM a nd E( : 一NB o r N M t he n U = =PB i f E― NB or NM a nd Ec― PS o r ZO t he n U ― PB i f E― NB o r N M a n d E《 : = PS t he n U ― PM i f E= NB or NM a n d Ec― PM or PB t he n U ― ZO i f E― PM o r PB a nd Ec― PM or PB t he n U ― NB 在程 序设 计中,根据温 度偏 差 大小 , 采 取不 同的 控制 方式 当温度 偏差 比较 大时,如停 轧 开轧 , 发生 故 障时等 一些 情况 , 温 度偏 差 比较 大,采用 模糊 控制 器控 制燃 料 量和空 气量 ;

当温度 偏差比较 小,为了 消 除偏 差,则将 采用 P I D 最优控制 方法控制燃料量和空气 量.1.3炉温设 定值 的 自动修 正在常规 的炉 温控 制中,炉温 设定值不能随轧制 节奏 的变 化 而进行 迅速 改变,这势必造 成 炉温 过高 、 燃料浪费、烧损严 重等;

钢坯温度过低,往往会造成 轧 钢机 断 辊停 产 .炉温 设定 值智 能模 糊控制器 就是 将 出炉 钢 坯温度 变化规律总结为若干条控制规则,以此 为基 础进行 推理,给出控制 规则 , 从而得出各 段各时的最佳 炉 温设定 值.它包 括三 部分 控制 规则 : 出炉 钢温 控制 规则 、 停轧降温 和故 障处 理规 则.(1)炉内加 热钢 坯厚 度增 加时,加热 炉各 段 炉温 设定 值 相应 提高;

(2)轧钢速 度变 化时,加热炉 温 度设 定值 相应 变化;

(3)停轧 时,加热 炉各 段 炉温要 降温待 轧;

(4)开轧 时,要根据 停轧时间相 应提高炉 温;

(5)故障时 , 炉温设 定要相应 变化 .

2 系统结构及功 能2.1系统 结构 该 系统 是采用PLC控 制机实现的.P L C控制机选用的是 GE P L C系列

9 0 P L C, 它采用了最新 的设计和制造 技术 , 系统安 装和 配置 比较 简单 , 且 具有 很强的编程功能,组态软件I0GI C MAS T E R 采用结构 化 的编 程 方式 .除 可用 一般 的梯 形 图逻辑 编程 方式 外,还可有C、 S F C S T ATE L OGI C 等多种编程能力.我 们在编制系统应用软件时,充分利用PLC控 制 机灵 活 的开 发平 台,采用 梯形图完成 模拟量的输入 输出、开关 量 的输入输 出,以及 有关的控 制策略.采用 C语 言实 现相关 的模 糊 控制 策略 .系统 结构图如 图2.掰悃编程器曩加热 炉炉 体图2系统结构 图2.2系统 检 测和 控 制的 内容 (

1 ) 温度的检 测 和控制 主要 包 括炉 内各 点温度 的检 测 和控 制,共有13个回路 ;

(

2 ) 压力的检测 和控 制包括炉 膛压力、风压、油压、蒸汽压力等,共有15个 回路 ;

(

3 ) 流量的检 测和控 制 包括 重油流量 、 热风 、 蒸汽 流量 等,共有19个回路;

(4)开关量 输入 信号 共有

2 1 个 输入 , 对21个控制 回路 的手/ 自动状 态进行 检测,实现系 统无扰 动切 换;

(5)开关量输 出信号 共有15路输 出,分别进行 炉温过高报警、压力过低报 警、压力过 高报 警等 .

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2 .

3 控制 算法 的实现 由于加 热炉的生 产 过程 是一 个慢变化 过程 , 具有时间延 迟,控制信 号的输 出不 能过 于频繁 , 否则 会 产生 振荡 .所以,我们每 经过5个采 样周期输 出一 次控 制信 号 .为 了减小 采样 误差,采用算术平 均滤波对 采样数 据进行 处理 . [

3 ] 其程 序流程 如图3所示 . 设 定参 数豳A检测 数据平均 滤波 计算偏差和偏差 变化量 I 模 糊控制规则 =二=][二二 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ '

. . . . . _ _ _ _ _ 一I输出控制信号 ――r―一≤≥ I Y 离圈3程序流程图2.4系统的主 要功 能(1)自动检 测、显示 、 打 印加 热 炉生 产过程的各 种参 数 和

图表 ;

(

2 ) 自动搜 索并跟踪 调节空 燃比;

(

3 ) 自动 协调控 制各 段炉温 ;

(

4 ) 自动 修正各 控制 回路 的设定值 ;

(

5 ) 对断线 、 越限、主机 停机 、 程序故 障进行 报警 及 自动保 护;

(6)可通过 P L C控 制机 编程器 或管 理机 键盘 在 线调 试和 修改加 热炉 的各种参 数.3系统运 行 效果 该系 统投 人运行 , 效 果较好 , 均达 到 了各项 预定 指标 , 取得 了一 定 的经济 效益和 社会效益 . (

1 ) 实现了对加 热炉燃 烧的自动控制 , 炉温控 制 精度 在设定 值的+5 ℃左右;

(2)燃烧 温度 平稳,提高了加 热质量,金属烧损减少,杜绝 了粘 钢和过 烧事 故;

(3)在油 热值 及压 力波 动情况 下,能自动搜索 并跟踪调 节空 燃比,实现合理燃烧,满足轧 制温度要求;

(4)系统稳 定可靠,操作简便 , 减轻了工 人的劳动强 度;

提高了生产 厂家 的管理 水平 .

5 结 束语 本 系统 采用模糊 控制技术 , 克服了加 热炉 控制中许 多难 测参 数及 建模的困难 , 实现了对 加热炉燃 烧的自动控 制,达到了以最少 的燃 料 消耗 实 现最 佳 的加 热质量 、 最高的加热产 量等综 合 目标 . 参考 文献 [

1 ] 诸静. 模糊控制 原理 与应用 [ M] + 北京,机械工 业 出版社 ,

1 9

9 5 . [

2 ] 孙秀权. 锅炉 和_ T业炉窑实用计算 机控制技术 [ M] . 国防工业 出版 社2000.[3]潘新 民. 计算机控制技术[ M] . 人民邮电出版社,

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0 5 . Fu z z y Co nt r o l S y s t e m o f Fu r n a c e Te m p e r a t u r e i n S t e e l ― Ro l l i n g M I AO Don gx i a Ab s t r a c t : Ap p l i c a t i o n o f f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g y i n t h e c o n t r o l o f f u r n a c e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e h a s a c h i e v e d g o o d e c o n o mi c a n d s o c i a l b e n e f i t s .Fu z z y c o n t r o l s y s t e m o f f u r n a c e t e m p e r a t u r e i n s t e e l ― r o l l ― i n g a c hi e v e d wi t h t he a i d o f PLC h a s a v e r y g o o d c on t r o l e f f e c t i n o pe r a t i o n. Ke y wor ds : he a t i n g f u r na c e f o r s t e e l r ol l i n g;

f u z z y c o nt r ol ;

PLC ( 责任 编辑 : 栗晓) ........