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马钢退火炉温度的模糊控制

发布时间:2012.05.03     浏览次数:     新闻来源:www.2009gl.com

马钢退火炉温度的模糊控制:

1  问题的提出
  马钢生产过程中的关键工艺是石墨化退火,退火的关键是温度的控制。退火是在退火炉中进行的,退火工艺温度曲线可分解为升温、保温和降温3个过程。先将炉子加热,将浇铸成的白口铸铁加热至900~980℃,在高温下保温15 h左右,然后自然降温。在这个过程中,降温不需控制,在升温和保温过程中,要求控制燃煤量与空气量之比(简称燃/空比)以及使炉内温度保持稳定,以便达到节能和保证退火质量。


2  影响燃/空比因素的分析及其控制策略
退火炉燃烧过程具有对象特性的多变性,影响炉内温度稳定的因素非常复杂,如每炉钢材的品种规格、装炉重量、的状态及空间位置都不相同,燃料煤的热值也常变化,所以退火炉控制系统是一个非线性、时变、有噪声干扰、有纯滞后的系统。由于过程比较复杂,难以用精确数学模型描述,致使应用传统控制理论,包括现代控制理论很难取得良好的控制效果,而模糊控制正适合应用于这类数学模型未知或多变的过程。


3  模糊控制器和燃/空比Fuzzy自寻优控制
3.1  模糊控制器
  炉温控制回路中模糊控制器的原理如图所示。图中,y0为期望值;e(t)和 为误差及其导数;E和EC分别为其模糊量;U为控制量的模糊量;u(t)为实际控制量。
3.2 Fuzzy自寻优控制器的设计
  根据燃烧理论,火焰温度与燃/空比之间具有图3所示的极值关系,其中包含一个最佳燃/空比。
  如果退火炉从退火开始一直就处于最佳燃/空比,那么,当煤粉流量和其他客观条件都一定时,退火炉将按一条最优曲线升温,以最短时间达到预期温度。如图所示。其中,Te为退火炉的预期升温温度。


  但更多的情况下,退火开始燃/空比值不是最佳的。为实现最优升温,通常的做法是,设定一个比较合理的燃/空比值,通过定值调节烟气中含氧量的办法来控制燃/空比,但很难做到最优控制。为此,采取了一种新的自寻优算法。实际上,燃/空比是否合适,最终总要反映到炉温上,所以采样炉温信号来控制燃/空比是可行的。设t3时刻的炉温为T3,见图4。若从t3时刻起保持燃/空比值不变,则由被控过程特性所决定,在t4时刻炉温只可能由T3上升到X4;若从t3时刻起通过改变进风量而改变燃/空比,使炉温由T3变化到T4,如果T4高于X4,则说明这次改变进风量的方向是正确的,如果T4低于X4,则说明改变方向错误,或进风量改变过大所致。预测炉温X4=4K+T3,K为t2到t3这个控制周期里经过4次采样求取的炉温平均变化率。这样的应用上述自寻优算法,经过若干步的搜索,最终可以找到最佳燃/空比。
  设取Fuzzy自寻优控制器的输入语言变量为实际炉温T与预测炉温X之差E=T-X,输出语言变量为用于控制燃/空比的进风量变化U;E的基本论域为[-30,+30],Fuzzy子集E的论域为[-6,+6];U的基本论域为[-30,+30],Fuzzy子集U的论域为[-6,+6]。语言变量E、U的语言值均选为PB、PM、PS、0、NS、NM和NB。
  Fuzzy自寻优控制规则由Fuzzy条件语句组来描述:
  if E=PB,then U=PB;
  or if E=PM,then U=PM;
  or if E=PS,then U=PS;
  or if E=0;then U=0;
  or if E=NS,then U=NS;
  or if E=NM,then U=NM;
  or if E=NB,then U=NB;
  根据上述控制规则,应用Fuzzy推理合成规则,求得Fuzzy自寻优控制查询表,见表1。
表1自寻优控制查询表
E -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
U -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
Fuzzy自寻优控制器具有自动改变搜索方向与控制步长的功能,即当施加某一控制作用后,如果效果明显,则在原搜索方向上可取稍大的控制步长,如果效果不明显,则控制步长可取小些;若出现相反作用,则应改变搜索方向。


4   结束语
  本系统通过在一私企马钢厂的运行,取得了较满意的控制效果。采用模糊控制系统后的温度记录曲线比采用手动控制的温度记录曲线要好得多,燃/空比自寻优控制的收敛速度也较快,一般经过6~8个采样周期即可达到最佳值。初步统计在保温阶段,采用模糊控制比手动控制可节能10%左右,提高了经济效益,减少了污染。整个系统运行稳定,没有振荡。总之,模糊控制系统在退火炉上的应用达到了减轻操作人员劳动强度、提高控制精度、节约能源的目的。

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