（控制理论与控制工程专业论文）步进梁冶金加热炉的建模、优化与调度研究.pdf

步进梁冶金加热炉的建模、优化与调度研究 摘要 ， f 冶金加热炉是塾鱼! 皇茎过程的重要环节之一，它不但影响着轧钢厂的能耗指标， 而且还直接制约着产品的产量和质量。随着能源危机的日益加重和现代社会对产品质 量要求的不断提高，以降低能耗、提高产品质量为目的的加热炉建模和优化控制受到 了国内外学者重视。从轧制生产线整体出发，运用多种方法建立具有实际意义的加热 炉数学模型和确定实行加热炉炉温优化设定策略，设定加热节奏和轧制节奏的匹配， 消除工件在轧制线上的冲突是降低钢铁企业能耗，提高企业的经济效益的关键，也是 目前国内冶金行业和控制界所共同努力的方向。土卢 冶金加热炉是一典型的复杂工业对象，具有时变、滞后、多变量、分布式参数、 耦合等特点，其加热过程包括热力学的、化学的和物理的各种过程。加热炉控制的目 的是按照合适加热的节奏，设定加热炉区段炉温，使板坯在炉内充分受热，在板坯出 炉时其出炉温度和均热度满足轧制要求，同时要使所消耗的燃料尽量小。目前通常是 通过控n ；b n 热炉区段炉温来达到控制加热炉内板坯温度的目的。本文主要是围绕加热 炉炉温动态数学模型、炉温优化设定和多加热炉轧制调度展开了一系列的研究，并取 得一定的研究成果。巨要是在以下三个方面： v 、 炉温动态数学模型 f 1 ) 从加热炉机理分析出发，根据炉内能量平衡方程和基本热传导方程，建立了板 坯温度跟踪模型、炉壁温度分布计算模型和炉温动态数学模型，三者互为边界条 件，必须联立动态求解，可以实时计算得到加热炉内各块板坯的温度分布和各区 段实时炉气温度。 f 2 ) 运用传统的系统辨识方法理论，考虑加热炉各个区段之间的耦合作用，提出一 种改进k u s t e r s 辨识模型，根据实际生产数据，运用最小二乘法求解各个参数， 最终得到加热炉炉温动态数学模型。 f 3 ) 提出一种基于霍夫变换的改进t s 模糊建模方法。利用多段线性曲线逼近非线 性曲线的原理，首先是利用霍夫变换方法得到非线性系统的结论部分，然后利用 聚类的方法，对输入变量的空间进行有效划分，从而确定了模型的前提部分。该 法克服了传统t s 模型中在输入变量的空间划分中的复杂性，仿真结果验证了该 法的有效性和通用性。 ( 4 ) 提出一种增强决策树的模糊建模方法。利用决策树方法对输入变量进行空间划 分，在划分的过程中加入专家的经验标准，该法具有简单、快速、计算量小等特 点。 优化炉温设定研究 ( 1 ) 基于板坯温度跟踪模型，建立了基于机理模型的炉温优化设定方法。由于加热 炉某一区段内有多块板坯，依据板坯机理模型的输入参数，实时计算求解板坯的 温度分布，最后采用加权设定原则，设定各个区段的优化炉温。 ( 2 ) 提出种基于模糊关系的优化炉温设定模型。在基于机理模型的炉温优化设定 和实际生产数据的基础上，建立优化炉温设定的规则库。该法和基于建立模型的 优化方法相比，计算量大大降低，较为适合实时在线炉温设定。 ( 3 ) 针对加热炉多区段相互耦合的现象，首次将多变量约束控制算法( m c c ) 运用在 步进梁加热炉的控制中，仿真结果表明较好地消除耦合，且炉温跟踪较为迅速。 加热炉轧制生产调度研究 运用p e t r i 网及其扩展理论，对多台加热炉和轧制生产轧制节奏联合进行研究， 建立其调度模型。根据轧机能力实时设定加热板坯的加热节奏和出钢比例，从而 调整优化炉温，从整体上降低冶金企业的能耗。上，产、一。 ，：。一一一一一一、 ，。一一一 关键讯祭禁蹦龇蹦哒竺竺竺銎堡挈 热轧调度、一7 ( 、 i i r e s e a r c ho nm o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n go f r e h e a t i n g f u r n a c e a b s t r a c t r e h e a t i n g f u r n a c ei so n eo f t h ei m p o a a n te q u i p m e n t so f h o tr o l l i n gp r o c e s si ni r o na n d s t e e lp l a n t n o to n l yd o e si ta f f e c tt h ei n d e x e so fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，b u ta l s or e s t r i c t s t h eq u a l i t yo fp r o d u c t w i t ht h ei n c r e a s eo fe n e r g yc r i s i sa n dm o r er e q u i r e m e n t so n p r o d u c tq u a l i t y ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sp a ya t t e n t i o n t ot h em o d e l i n ga n do p t i m a l c o n t r o lo f r e h e a t i n gf u r n a c e i t i st h eg o a lf o rh o m er e s e a r c h e r st oa d o p ts e v e r a lm e t h o d s t om o d e lt h er e h e a t i n gf u r n a c ea n ds e tt h eo p t i m a lf u m a c 露t e m p e r a t u r e s ，t os e tt h eh e a t i n g v e l o c i t yo f b i l l e tm a t c h i n gt h er o l l i n gs t y l ea n dt or e m o v et h ec o n f l i c t so fp r o d u c t si nt h e r o l l i n gl i n e i ti sa l s ot h ek e y a n s w e rt od e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h e c o m p e t i t i o no f m e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s e r e h e a t i n gf u r n a c ei sat y p i c a li n d u s t r i a lp r o c e s sc h a r a c t e r i z e db y t i m e ，d e l a y , m u l t i v a r i a b l e s ，d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sa n dc o u p l i n g t h e w h o l e h e a t i n gp r o c e s si n c l u d e s t h e r m o d y n a m i c ，c h e m i c a la n dp h y s i c a lp r o c e s s t h ea i mo fr e h e a t i n gf u r n a c ec o n t r o li s t os e to p t i m a lt e m p e r a t u r eo f r e h e a t i n gf u m a c ea n dm a k et h eb i l l e tt ob eh e a t e da d e q u a t e l y w h e n b i l l e t s t e m p e r a t u r e sa n du n i f o r m i t ym e e t t h ed e m a n d o f r o l l i n g , t h e ya r ep u l l e d o u t a tt h es a m et i m e ，i tm u s tt ob ee n s u r e dt h ec o n s u m p t i o no ff u e lt ob ec o n s u m e da sl e s sa s p o s s i b l e a t p r e s e n t ，t h ew a y t oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fb i l l e ti st oc o n t r o lt h ef u r n a c e t e m p e r a t u r e t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a s d y n a m i c a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff u r n a c e t e m p e r a t u r e ( 1 ) t e m p e r a t u r et r a c k i n gm o d e lo fb i l l e t ，t h et e m p e r a t u r em o d e l o ff n n l a e ew a l la n d d y n a m i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f f u r n a c ea r ed e v e l o p e db a s e do nt h ea n a l y s i so f m e c h a n i s m a l lt h em o d e l ss t a r tw i t ht h ee n e r g yb a l a n c ea n dh e a te x c h a n g e e q u a t i o n s t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fb i l l e ta n dt h et e m p e r a t u r e so fe a c h s e c t i o no ff u r n a c ec a l lb eo b t a i n e dt h r o u g ht h et h r e em o d e l sa b o v e ( 2 ) t a k i n gi n t oa c c o u n to f t h ec o u p l i n go f r e h e a t i n gf u r n a c e ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e d k u s t e r sm o d e l f i r s t l y , w ec h o o s et h es t r u c t u r eo ft h em o d e l ，a n dt h e n ，m o d e l s p a r a m e t e r sa r ei d e n t i f i e dw i mi n p u t - o u t p u td a t at h r o u g h t h el e a s ts q u a r em e t h o d i i i ( 3 ) a n e wm o d e l i n gm e t h o db a s e do nh u o g ht r a n s f o r mi sa d d r e s s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y j t h ec o n s e q h e 廿fp a r a m e t e r sa r ei d e n t i f i e db yt h eh o u g ht r a n s f o r ma n d c l u s t e r i n gm e t h o d ，w h i c h c o n s i d e r st h e l i n e a r i t y a n dc o n t i n u i t y r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h ep r e m i s ep a r ti d e n t i f i c a t i o n ，t h ei n p u ts p a c e i s p a r t i t i o n e db ya c l u s t e r i n gm e t h o d t h en e wm e t h o do v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e s o ft h et s m o d e l ，a n dt h es i m u l a t i o n ss h o w t h ev a l i d i t y ( 4 ) a n o t h e rf u z z ym o d e l i n gm e t h o db a s e d o nd e c i s i o nt r e ei sp r o p o s e d t h ee x p e r t k n o w l e d g ei st a k e ni n t oa c c o u n tw h e nt h ei n p u tp a r a m e t e r ss p a c ei sp a r t i t i o n e d t h em e t h o di ss u p e r i o ri ns i m p l e n e s sa n d r a p i d n e s s r e s e a r c ho no p t i m a lf u r n a c et b m p e n t u 托s e t ( 1 ) o p t i m a lf u n l a c et e m p e r a t u r ei si m p o r t a n tt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n s t e e lp l a n t a no p t i m a lt e m p e r a t u r es e t t i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nb i l l e t t e m p e r a t u r et r a c k i n gm o d e l w i t ht h ei n p u ti n f o r m a t i o na n dt h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t s ，t h et e m p e r a t u r ei ss e ta c c o r d i n g t ot h e m e m b e r s h i p o f e v e r yb i l l e t s ( 2 ) t o c u td o w nt h ec o m p u t a t i o n a le f f o r t , w ee s t a b l i s ha l lo p t i m a lt e m p e r a t u r es e t t i n g m o d e lb a s e do nf u z z yr e l a t i o n s t h em o d e li n v o l v e saf e wf u z z yr u l e s ，w h i c ha r e e x t r a c t e df r o ms o m ec l a s s i c a lb i l l e t s ，a n di t se a s i e rt ob eu s e do r d i n e ( 3 ) o w i n g t ot h ec o u p l i n go fr e h e a t i n gf u r n a c e ，t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sa l w a y s s h o wt h e i ri n c a p a c i t i e s m u l t i v a r i a b l e sc o n s t r a i n t sc o n t r o l ( m c c ) i sa p p l i e dt o t h ec o n t r o lo f r e h e a t i n g f i r r l a c ef o rt h ef i r s tt i m e w i t ht h es t e pr e s p o n s ec u r v e s , m c cs u c c e s s e si nt h ec o n t r o lo ft h ef u r n a c et e m p e r a t u r e s r e s e a r c ho nr o l l i n gs c h e d u l i n g w i t ht h ep e t r in e t st h e o r ya n di t st o o l s ，w ed os o m er e s e a r c ho nt h es c h e d u l i n go f m u l t ir e h e a t i n gf u r n a c e si no n er o l l i n gl i n e t h eh e a t i n gs t y l e o fr e h e a t i n g f u r n a c ea n dt h eo p t i m a lb i l l e t p u l l i n gp r o p o r t i o n a r eo b t a i n e d ，w h i c hm a t c h e sw i t h t h er o i l i n gs t y l e i ti sa ne f f e c t i v et r yt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nt ot a k e t h ef u r n a c ea c c o u n ti n t ot h ew h o l e r o l l i n g 1 i n e k e y w o r d s ：r e h e a t i n gf u r n a c e ，m o d e l i n g b a s e do n m e c h a n i s m ，i d e n t i f i c a t i o n ，o p t i m a l s e ts t r a t e g y ，f u z z ym o d e l i n g ，h u o g ht r a n s f o r m ，d e c i s i o n t r e e ，s c h e d u l i n g i v 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 。 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一 乙 日 岁 冬月 签歹： 糍。多年 作文论 ： 位 期 学 日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：指导教师签名： 歹吞言昝嘭 曰期：年月e 1日期：，年咱日 第一章绪论 第一章绪论 随者现代化生产过程越：采越复杂，规模越来越庞大，以及原材料的短缺和能源危机的加剧， 企业间的竞争日趋激烈。人们对提高生产效率，提高产品质量，降低生产成本，减少能源消耗 强化环境保护的要求也日益提高，同时对工业过程控制提出了更高的目标。 钢铁工业是能源消耗的重点大户，其中仅冶金加热炉的能耗就占钢铁工业总能耗的2 5 f c n y s s ，提高加热炉的加热效率，降低能耗，对整个钢铁工业的节能具有重要的意义，在国内 外都得到了广泛的重视。同时，随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展， 对板坯的加热质量提出越来越高的要求，从而对加热炉的控制要求也更加严格。现代工业过程控 制都是以模型为基础的，也就是说过程的数学模型及其算法是过程控制的核心。因此，依据钢铁 生产的数据信息( d a t ai n f o r m a t i o n ，如熟电偶检测温度、燃料的流量、空气的流量、钢坯的规格种 类、轧制节奏等) ，从机理和非机理两种角度开展对加热炉数学模型进行研究，并基于数学模型来 计算估计那些不可测量的变量( 如钢坯的温度分布、金属的氧化量等) ，进而和优化炉温设定相结 合，完善计算机控制系统，这对于建立我国自己的应用理论与应用技术，减少能耗，降低企业的 成本，增强企业的市场竞争能力具有巨大的促进作用。 1 1 加热炉及控制系统的简介 1 1 1 冶金加热炉的发展 冶金加热炉是为了把初轧的板坯或是通过连铸的板坯等轧制成最终制品，再加热到目标温度 的设备。它大体上可以分为周期式和连续式两种 y z s 8 1 】。随着国际钢铁需求量豹增加，轧机向 着高效率和大能力发展，相应地要求板坯加热炉提高其炉床负荷，在有限的空间增加加热能力。 因此，加热炉由段式向多段式发展，进而出现了步进式。 周期式加热炉是将扳坯放入以后静止不动地进行加热的炉子，它适合于需要特殊处理、尺寸 很大的板坯，般不适合大量生产。 连续加热炉是将板坯放入炉子内，一边按照步进梁移动的方向前进，一边连续地在加热炉的 两端装钢和抽钢的大型设备。在连续加热炉中，步进梁加热炉的应用最为广泛，这是由于其存在 如下优点： ( 1 ，板坯在加热炉内只和移动梁、固定梁接触，接触面积大大减少，这样就减少了板坯黑印面 ：! 塑奎望奎差竖主堂堡堡墨一 积，提高了均热度： ( 2 ) 板坯之间留有一定的空隙，所以板坯的断面形状不受限制，而且不存在粘钢问题： ( 3 ) 步进梁加热炉受热板坯的品种变换较为方便： ( 4 ) 炉子操作方便，使用寿命长。 1 1 21 5 8 0 步进粱加热炉控制系统 15 8 0 加热炉是宝钢引进日本9 0 年代最先进的加热炉设备，具体介绍见第二章。该加热炉采 用四级计算机控制系统，包括基础自动化级d d c ( d i r e c td a t ec o n t r o l ，简称d d c ) 、过程级 s c c ( s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，简称s c c ) 、生产控制级p c c ( p r o d u c t i o n c o n t r o l c o m p u t e r s y s t e m ，简称p c c ) 和区域管理船( m a n a g e m e n ts y s t e m ，简称m s ) ，相互之间通过以太网s c c 光 纤数据大道、d d c 光纤数据大道组成一个完善的多级计算机控制系统，下面简单地叙述一下四 级管理系统： 基础自动化级d d c d d c 级称直接数据控制级，采用三菱专用控制器m e l p l a c - 6 5 0 ( 3 2 位c p u ) ，将e i c ( e 一电控+ i 一 仪控+ c 计算机) 一体化，在同一个控制器里可实现反馈、顺序及最佳化运算控制，是种高效率 多控制器。采用多种语言( p o i 。、d d c 、s c o l ) ，在软件开发方面较为容易。系统共采用3 0 套 m e i p l a c 6 5 0 ，按功能分别用于扳坯库、轧线、分卷。1 9 个操作员站o p s 6 5 0 分别设于各操作台， 进行触摸式监控和操作，可快速处理几幅工艺流程画面的数据变化。 过程控制级s c c s c c 主要完成过程控制参数的计算设定、数据收集、处理和通讯。s c c 采用三菱的 m e l c o m 3 5 0 6 0 6 0 0 工业计算机，它接受从p c c 发送的初始数据，进行物流跟踪和设定计算， 然后向下级d d c 传送。 生产控制级p c c p c c 主要负责全厂性的物流跟踪、板坯库和钢卷库的库管理，质量管理、编制轧制计划，下 达生产任务、收集实际生产数据等。该控制级由四台d e c 的v a x 4 6 0 0 组成( 生产控制管理p c c 、 板坯库控制s y c 、钢卷库控制c y c 、各用b a c k u p ) 各一台。 区域管理级m s m s 为区域管理级，用于完成联合生产计划的组织、编制、修订及定货处理等，m s 不但管 理热轧，还要管理连铸冷轧。 15 8 0 加热炉计算机管理和控制流程图如图1 1 所示。控制系统的控制的区域范围是从炉子区 的a 1 辊道开始，经过a 辊道、b 辊道、三个加热炉，一直到扳坯从炉内抽出为止。 2 势一章绪论 1 5 8 0 加热炉控制系统的一f 艺过程和原理简要说明如下： 加热炉控制系统首先接收上位计算机( 简称p c c ) 的轧制计划，然后由板坯库搬送计算机( 简称 s y c ) 按照轧制计划把板坯从板坯库通过板坯搬运小车( 简称s t c ) 、板坯升降机( 简称s l ) 、板坯移 动t j t ( 简称s p c ) 、2 7 吨吊车( 简称p c r ) 吊aa i 辊道或由从连铸来的热装坯蠢接从l 辊道移动劁 a 1 辊道。板坯放入a 辊道结束后，s y c 向s c c l ( 1 5 8 0 热轧加热炉计算机系统，s u p e r v i s o r c o n t r o l c o m p u t e r1 ) 发送板坯电文，然后s c c l 对该板坯开始跟踪并进行一系列的控制。首先，由基础自 动化级启动a l 辊道，把扳坯从a 1 辊道移动到a 2 辊道。在a 2 辊道对中完了时，s c c l 向秤重 机发出秤重命令。秤重机通过基础自动化级d a t a w a y 把秤重的结果传送给s c c l ，在板坯进入 a 2 辊道的同时进行板坯的测长。s c c l 根据板坯的长度和重量进行核对并确定装入的炉号、列号， 这些就是图内表示的数据流。然后，由操作工对计算机的判定结果和板坯号进行板坯是否装炉的 最终确认，一旦o k ，s c c i 便向基础自动化发出a 2 辊道启动命令，基础自动化级把此板坯移动 到s c c i 指定的炉前和列前，并对此板坯进行b 辊道对中，s c c l 收到对中完了信号后，向装钢 机发出装钢的命令，由基础自动化级将板坯装入炉内。板坯在a 3 辊道进行测温。 旺马了广= e 耍 ， t i 厂_ 1 l 面lb 三寻圈 童 i 仪表控制累统j 。1 1 。“。1 。一 加热炉 图1 11 5 8 0 计算机管理和控制流程围 f i g 】。lt h e c o m p u t e r m a n a g e m e n t o f c o n t r o lo f 】5 8 0 r e h e a t i n g f u r n a c e 板坯装入炉内完了时，s c c i 向基础自动化级发出步进粱启动命令，基础自动化根据s c c l 的命令把板坯从加热炉的入口一步一步地移动到出口，在此期闻，s c c l 周期地进行板坯温度和 炉温设定计算，把计算的结果( 温度和流量的设定值) 发送给仪表d d c 控制系统，仪表d d c 控制 系统同时把炉况实绩数据传送给s c c i ，提供给自动燃烧控制模型，用作为周期控制设定值计算。 当板坯到达出炉口( 出炉口l a s e r o n 时) ，并且一到达抽出时刻由s c c 2 向s c c i 发抽出命 令，此时s c c l 向基础自动化级发出抽钢命令，基础自动化把由s c c i 指定的炉列号的板坯从炉 内自动抽出。等到板坯抽出完了时，s c c l 向轧线过程监控计算机( 以下简称s c c 2 ：s u p e r v i s o r c o n t r o lc o m p u t e r 2 ) 发出抽出完了电文，井向s c c 2 发下一块抽出板坯信息，将把出炉板坯的跟踪 圭堕銮望丕兰堡主堂焦堡墨 一 移交给s c c 2 ，s c c 2 从出炉辊道一c 辊道开始进行跟踪和控制，s c c i 对该板坯的跟踪和控制宣 告结束。 1 5 8 0 热轧加热炉仪表总体控制系统采用了日本横河的x l 集散系统，实现了板坯加热过程 中有关参数测控和管理的集中化。总体控制系统由七大部分组成：炉温控制、煤气空气流量控制、 炉内残氧含量控制、炉压控制、热空气压力控制、废气温度控制和热空气温度控制。 由于煤气、空气流量控制作为炉温控制实现的手段，它实际上是从属于炉温控制回路的，而 该回路是支持加热炉正常燃烧和板坯加热的最基本回路，其工作的稳定程度及其控制性能的好坏 直接影响到板坯的加热质量。在正常情况下，流量控制回路处于串级状态，即以炉温控制器输出 经过交叉限幅得到设定值，从而间接控制炉温。为了防止流量的波动过大，该系统采用双交叉限 幅原理实现炉温一流量的控制，这样，就对燃料量的增减幅度予以一定的限制，该控制方式是通 过动态改变燃料、空气流量的上、下限来保证正常的空燃比，因而从根本上防止了黑烟的产生和 空气过剩的出现，进一步防止过多氧化铁皮的生成。 炉内残氧含量控制回路采用g a pp i d 控制器，通过设置于预热段炉尾处的氧分析仪探头测 得炉内的残氧量，控制通往各段空气过剩系数，从而修正实际的空气流量设定值。这一回路设置 的目的在于有效控制炉内的残氧量，保证实际空燃比充分准确可靠，最终抑制板坯氧化铁皮的生 成，提高烧钢质量，同时降低燃烧过程中的能耗，降低生产成本。 炉压作为保证加热炉良好燃烧状况的一个重要因素，必须保证炉压总是略高于炉外的大气 压，并保持压力的稳定。如果压力过低，则会导致炉外的冷空气进入炉内，降低炉内炉气温度： 如果压力太高，则可能向炉外喷火，损坏炉门，造成能源浪费，从而降低加热炉热利用率。炉压 控制是通过设置于均热段的炉内压力检测点的检测值和炉压设定值比较后，经过p i d 控制后得到 一个控制量，通过改变烟道挡板来实现的，也就是说，炉压控制器的输出直接通往挡板开度控制， 通过其开度的改变，控制排烟量来获得稳定的炉膛压力。 废气温度控制回路属于换热器保护回路的一部分。如果废气温度过高，有可能会缩短换热器 的使用寿命。因此在烟道外设置稀释风机，用于冷风稀释，降低温度。在烟道入口处有两支热电 偶，以这两支热电偶的高值为依据，在其温度达到7 4 0 ( 2 时启动稀释风机，经过一定时间的延时 后，风机出口挡板进入自动控制状态，在挡板达到一定开度时，自动关闭风机。 热空气温度控制回路也是属于换热器保护回路的一部分。换热器出口的预热空气温度如果过 高，会对换热器产生损坏。该回路是通过安装在热空气出口总管上的放散阀实现的。 从上面分析可以知道，在加热炉控制系统中，炉温设定及其控制回路在加热炉的燃烧过程中 扮演重要的角色，它是保证炉内板坯是否能正确受热的关键。1 5 8 0 步进梁加热炉控制系统中的 a c c ( a u t o m a t i cc o m b u s t i o nc o n t r 0 1 ) 就是为优化加热炉内各个区段的炉气设定温度而设计的。优 4 第一章绪论 化炉温经过底层控制回路，通过双交叉限幅，转化成流量和空气，实现炉温的实时控制，并且使 板坯在满足轧制要求的前提f ，整个加热炉系统尽可能降低燃料的消耗。 1 2 加热炉建模与优化控制的研究现状及意义 1 2 1 研究现状 随着计算机技术的飞速发展，各国学者都利用微机技术对冶金加热炉进行优化控制的研究， 例如对加热炉进行数学模型计算机控制、最佳燃烧控制等，并且取得了一定的经济效益。但是由 于实际生产系统的复杂性，加之板坯加热过程动态复杂，受多种生产工艺因素的制约，属于非线 性的分布参数系统，总的来说，加热炉的高级计算机控制策略还不成熟，真正具有成功应用的并 不多见。 加热炉数学模型一般可以归纳为经验型和理论型两种：经验型加热炉数学模型是在通过分析 大量现场实验和统计数据的基础上，得到的可以反映加热炉主要影响因素的一种依变关系，较为 简单但是其应用范围较窄，不能适应现代多钢种、多牌号的实际生产；常见的理论型加热炉数 学模型的建模方法是通过有限元分析或有限差分对钢坯进行离散化，然后根据现场的拖偶实验确 定方程中的未知参数，形成钢坯加热的机理模型。但是由于加热过程的复杂性和建模方法中的缺 点，为建立准确的数学模型带来很大的困难 l & y 9 5 y & l 8 7 w a n 9 6 【n c y 8 9 l y z 8 6 s q l 9 5 。 m i s a k a ，v & t a k a h a s h i ，j 等w , q s s 2 采用总扩括热吸收率法在日本的s i m i t o m o 金属工业公司 建立了数学模型，进行了钢坯温度的预测，取得了一定的节能效果。 文献 p & c 7 0 运用分布式参数理论建立加热炉数学模型，并且应用近似集中参数模型来研究 加热炉的静态和动态优化问题。文献 w h j s l 应用卡尔曼滤波器技术实现对加热炉内板坯的温度 分布估计，但该法的不足是必须取得板坯在加热炉内的袭面温度，限制了其进一步应用。 针对多段式结构的加热炉，a k u s t e r s a r e 9 4 j 提出一种运用多变量参数估计的方法，建立多 区段步进梁加热炉的a r x 模型。该法首先是根据加热炉的结构特点，将该加热炉分成6 个区段， 在建模的过程中，考虑至4 各个区段的相互耦合作用，建立了表示各个区段炉温的模型结构，最后 运用最小二乘法辨识得到各个参数。 法国s t e i n h e u r t e y 公司开发的由最佳加热、热状态模型、出炉钢坯温度模型、最佳设定 值计算组成的加热炉最优化控制系统 y u u 9 4 ，解决了装炉钢坯品种规格变化大或轧制出现计划 一垦塑奎望盔兰竖圭茎丝堡錾 与非计划生产停顿时的精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题，该系统在该公司设计的加热炉 中得到较为广泛的应用。 s t a a l m a n ，d i r kfj 等描述了现代热轧厂的一种控制系统 d & a 9 6 。该系统有两部分组成：板 坯温度计算数学模型和为了达到预想温度的控制器。数学模型的输出结果是约9 5 的板坯温度计 算的误差不超过+ 2 0 度，根据板坯在炉子各段中的情况及板坯的理想加热曲线，及时地调节板坯 的实际温度，使其尽量和设定值温度接近。系统有两个循环程序，主循环是各段的炉温设定，它 由控制器根据实际温度计算和目标温度得到的：辅助循环是燃料设定值的计算。该系统在t a t a i r o n s t e e lc o m p a n y ( i n d i a ) 运用取得较好的效果。 y o s h i t a n i ，n ，u e y a m a , t ，u s u i ，m 等 y u u 9 4 在连续加热炉控制系统中通过两方面来减少能 耗和提高板坯加热质量：一是在一非线性、分布式参数数学模型的基础上，通过在线仿真器实时 地修改板坯温度的加热曲线；二：是采用一些加速优化过程的手段尽量使控制效果明显。 在国内，八十年代初期才出现以微机为工具的加热炉控制系统，一些学者在此方面做了大量 的研究工作。吕勇哉等人提出以加热炉的离散状态空间模型和最优控制理论为基础的计算机控制 策略【y & l 8 7 a 】【y l 8 7 b 】 y y y 8 8 】 j y l 8 9 y & l 8 9 】。首先是对钢坯不稳定导热列出两维偏微分方 程及其相关的边界条件，利用系统分解和离散化的方法，转化为由一系列关联的子系统组成的大 规模离散状态方程，然后根据实际加热炉的实际参数、可测各段炉温及钢坯初始参数等，实时地 计算出钢坯在各个时刻的任意位置的温度分布。进而以此模型作为基础，设计出基于启发式优化 策略的连续加热炉计算机控制系统。控制策略分为两部分：稳态最优化炉温设定的计算和炉温设 定值的动态补偿。稳态最优化中采用了启发式搜索方法，而动态补偿则是基于前馈一反馈原理， 以实现降低加热炉能耗的优化目标。 随着现代轧制向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，原先简单套用一些控制算法 的d d c 控制已不能满足生产的需要。原因是这些燃烧控制算法都是从定值控制的角度出发设计 的，而在加热炉的高级计算机控制中，由于设定值是按照一定的最优性能指标进行计算得到的。 它的燃烧控制具有很强的随动系统特点。对于设定值优控制来说，由于加热炉生产工况复杂多变， 不同工况下对控制系统要求的品质可能不同，采用单一的设定值优化模式往往不能使之在各种工 况下均达到控制性能的最佳。为此，杨永耀、梁军等【y & l 8 9 】【y & l 9 1 】 y l l 9 l 】提出了多模式加热 6 笠二要堕二一 炉没定值控制方案。依据热传导的基本定理和能量平衡原理，运用时间、空间离散化技术建立了 用以估计炉内钢坯温度分布的加热炉非线性离散状态空间模型，根据一定的优化命题，采用路径 扩展启发式搜索策略进行求解。同时，在炉温设定值优化控制的基础上增加燃料流量设定值的控 制，从而实现多模式的加热炉设定控制。 文献f c w w 9 8 】【l y z 9 6 】【c & p 8 7 】【h h 9 7 】研究了炉温设定值的动态补偿，即基于前馈一反馈原 理，根据选定的准稳态工况与当前实际工况的差异以及设定值控制的偏差对炉温设定值进行补 偿。所考虑的主要因素有轧钢节奏、预热段与加热段钢坯的平均温度差、钢坯估计温度分布与最 佳温度分布的偏差及轧钢机前钢坯表面温度检测信号等。对于炉内钢坯移动速度的波动t 引入前 馈补偿予以校正，而对于其它因素引起的钢坯温度分布与最佳温度分布的偏离，采用状态反馈予 以修正。为了克服模型误差的影响，并使系统具有一定的适应性和鲁棒性，还引入粗轧机前钢坯 表面温度检测实时信号作为二次反馈信号进一步进行补偿。 由于炉内钢坯温度分布的不可测是造成加热炉控制困难的主要原因，文献 j c n 9 5 c w l 9 8 】 【x x 8 8 【f z w 9 7 根据生产现场的实际情况，提出基于加热炉工程师及操作工加热经验的炉温优 化设定模型，并保留了以钢坯预报模型为基础的机理模型，以备条件具备时使用。炉温优化设定 模型根据实时采集的现场工况信号，通过对数据库的查询及知识库的索搜，决策出各段的优化炉 温设定值。在此炉温制度下加热出的出炉钢坯可满足轧钢的质量要求，并可在一定程度上减少能 耗，进而实现加热炉计算机优化控制的目的。 根据连续加热炉温分段可控性和钢温的变化滞后于炉温变化的特点，文献 n c y 8 9 l & n 9 1 】 l & n 9 2 】 j c n 9 5 】运用种新的炉温决策方法。该法以控制段( 加热段或均热段) 内的菜处钢坯的平 均温度和表面温度与设定值的偏差最小为控制目标，决策出优化的炉温设定值。另外，以钢坯的 焓增过程积分为目标函数，开发合理的在线数学模型，为轧制生产服务。具有一定的效果。 h y u n s k ，1 u n gs k 等 h j t 0 0 建立一种基于物料和能量平衡的加热炉数学模型，并运用的辨 识方法设计系统控制器，最后采用预测控制对系统的输出进行预测输出。 杨宗山等 y z s 9 2 改变轧钢加热炉传统的按炉温控制供热的方法，直接建立炉子负荷q 和生 产率p 之间的数学描述式，即最优q p 供热控制模型，创造了按轧机产量直接在线控制供热的 新方法，具有一定的实用性。 7 圭堡銮望查堂堕主兰堡堡壅 随着现代科学技术的迅猛发展，人们所面临的问题日益复杂多变，主要体现在：系统缺乏精 确的数学模型，具有高维的判定空间，分布式参数，高噪音，多种时间尺度和多种性能判据以及 复杂的信息图等。传统的控制技术和建模方法在这些复杂系统面前经常表现的软弱无力，或是将 建模建立在一定的假设基础上。而有经验的专家却能对这些复杂对象进行令人满意的处理和控 制。模糊建模作为一种新颖的建模方法，采用将经验知识数字化的模糊处理及从样本数据中抽取 经验规则的模糊技术，可以解决信息量不足的病态问题及计算的复杂性与实时性的要求。通过对 被控对象的建模，充分掌握对象的运行规律，是实施控制策略的关键之一。 传统的数据建模通常只关心数据本身，如统计方法、神经网络等只从采样得到的数据中寻找 隐含的规律。在这些方法中没有考虑专家经验知识，这显然是个缺陷，尤其当人们有很多关于过 程的经验的时候。实际上，很多工业过过程控制问题可以仅仅依靠专家描述的语言控制规则得到 很好的控制。 把模型计算得到的结果交给工艺专家判断，不失为一种进行补充和