模糊控制在加热炉二级系统中的应用

摘要：莱钢宽带钢加热炉所采用的脉冲燃烧控制方式是一种新型的加热炉燃烧控制技术，具有操作灵活、加热质量高、燃耗低等优点。介绍了模糊控制在加热炉控制系统中的应用。

关键词：加热炉；模糊控制；燃烧控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 14-0000-01

Fuzzy Control Using in the Furnace Secondary System

Miao Yinyu

(Laiwu Iron and Steel Group Co.,Ltd.Automation Department,Laiwu271104,China)

Abstract:Laiwu Steel furnace used broadband pulse combustion control method is a new furnace combustion control technology,with flexible operation,the heating of high quality,low fuel consumption advantage.Introduction of fuzzy control in the furnace control system applications.

Keywords:Furnace;Fuzzy control;Combustion control

莱芜钢铁集团有限公司1500mm热轧带钢生产线于2005年7月建成投产，是我国第一条完全由国内自主建成的热轧宽带生产线。其设计产能为年产200万吨，产品宽度700-1350mm，厚度2-20mm，主要产品为碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金结构钢、管线钢、花纹板、汽车结构用钢等。

一、宽带钢加热炉工艺及控制系统

莱钢数字化加热炉燃气为高焦混合煤气，进出钢方式为端进、端出，设计能力为240t/h。加热炉的基础自动控制系统有两套SIEMENS S7-400控制器构成，其中一套用于顺序控制，另一套用于燃烧控制；配置一台上位机以实现对烧钢过程的监控操作。二级系统运行在另一台PC机上，主要利用模糊控制实现优化烧钢，开发工具为Microsoft Visual C++；一级和二级的HMI皆由INTOUCH 9.0开发，一级和二级之间采用TCP/IP协议进行通讯。加热炉二级控制系统的主要功能：

（一）生产计划与生产节奏控制。通过接收轧线二级系统发来的生产计划，或人工输入生产计划，其中包括坯号、钢种、规格、化学成分、数量等信息。系统根据来自顺序控制的坯料运动情况和出料信息，计算出实际生产节奏，并以此作为自动烧钢控制的基础。

（二）坯料定位跟踪与温度跟踪。系统根据顺序控制传来的装钢、坯料移动、出钢信息实现每支钢坯的定位与跟踪。系统根据炉内温度、燃料、钢坯的导热特性等计算跟踪每支钢坯的上下表面温度和中心温度，进而在此基础上实现燃烧的优化控制。

（三）加热结果及历史数据。把每支钢坯的详细加热数据作为历史数据存入数据库中，工艺技术人员在此基础上进行工艺分析和工作总结，并生产输出各种生产管理报表。

二、模糊控制的原理及实现

（一）模糊控制的原理。模糊控制系统是一种基于知识或规则的系统。它的核心就是由IF-THEN规则组成的知识库。构造一个模糊系统就是要得到一组来自于专家或基于该领域知识的模糊IF-THEN规则，然后将这些规则组合到单一系统中。针对于加热炉的模糊控制系统来说，就是引入基于经验和操作技能的人工智能，以获得加热炉区域温度控制回路的最佳响应。

（二）模糊控制的实现。加热炉包括预热段、加热段和均热段三个不同的加热区域，在每个区域当中都是通过空气和煤气的燃烧来实现加热的。传统的PID控制器在其操作范围内对温度的准确性和加热炉响应时间之间的选择有其局限性，进而影响燃烧控制的效果。

图1：加热炉加热控制回路

图1所示的为传统的加热控制回路。实际温度Tm和目标温度Tc的偏差为：

在传统的PI调节器中，其输出为：

其中：Kp为比例系数；Ti为积分时间。

在以上系统中，当各项加热工艺条件稳定时，会有良好的控制效果，即稳态下控制效果理想。但在实际生产过程中，各项生产条件是不断变化的，产品的改变、生产节奏的变化、停机待轧等都会造成控制波动，影响加热炉的最终加热效果。

同时，由于加热炉是一个有着较宽操作范围的复杂系统，一个PID控制器不能适当的调整于整个加热炉操作范围。因此，斯坦因加热炉在基于标准PID控制器的基础上开发了模糊逻辑控制系统，以优化炉子的温度设定点，通过使用热量物理模型来计算炉内坯料的温度，并通过计算的各区域期望的最适宜的温度，使坯料达到目标温度。系统基本框图如下所示：

图2：基于标准调节器的模糊控制框图

该系统广泛应用于斯坦因加热炉的自动控制系统中，特别在燃气热值稳定的加热炉中控制效果尤为理想。

三、结语

模糊控制系统在加热炉燃烧控制中的实现，使得能在同时考虑加热炉和轧制要求的情况下，确保坯料在系统化、重复性的热工条件下进行加热，能够降低能耗、减少氧化烧损，确保加热质量，改善轧机的轧制条件，提高了生产率。在实际生产过程中，由于混合煤气的热值波动较大，使该系统的控制效果受到了影响，还需要进一步提高混合煤气热值稳定性，使得系统的控制效果继续提高。

参考文献：

[1]王立新.模糊系统与模糊控制教程[M].北京:清华大学出版社,2003

[2]赵红芹.加热炉控制中的虚拟数据跟踪系统[J].安徽工业大学学报,2008

[3]法国斯坦因公司资料.FUZZY LOGIC[R].2004