【正文】 （24）為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。，當(dāng)μ 為1時，是理論上達(dá)到合理空燃比所需要的空氣量；但在實際中，μ ＜1和1≤μ ＜，在這兩個燃燒區(qū)中，會有不完全燃燒現(xiàn)象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會產(chǎn)生大量的黑煙，污染大氣。（3）既能避免黑煙的出現(xiàn)，又降低 NO x的生成，減少空氣污染。 在加熱爐系統(tǒng)中，爐溫的高低直接決定鋼坯的溫度。在動態(tài)過程中，必須要保證響應(yīng)的快速性和較高的魯棒性。這就意味著燃燒控制系統(tǒng)要根據(jù)燃料的具體情況使燃燒狀況符合一定的要求，在這種情況下如果仍然人為設(shè)定為一固定的空燃比顯然是無法使燃燒保持最優(yōu)的，所以，在要求較高的燃燒系統(tǒng)中最好具備動態(tài)優(yōu)化空燃比的功能。以均熱段的爐膛壓力檢測點為準(zhǔn)。從工藝設(shè)計上，煙道口的排煙閥功能是用來調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時，煙道閥門的開度大小適當(dāng)。同時，供風(fēng)壓力必須和當(dāng)前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調(diào)節(jié)的靈敏度。因此，一般線性調(diào)節(jié)器不能滿足對象及工藝控制的要求，而對于燃燒控制系統(tǒng)，采用PID算法雙交叉限幅效果較好。由于加熱爐復(fù)雜的工藝對象特性以及檢測/驅(qū)動設(shè)備較差，給加熱爐實施全面自動控制帶來種種困難。要描述爐內(nèi)熱交換機(jī)理除包括有關(guān)輻射、對流和傳導(dǎo)的關(guān)系式外，還有很多不確定因素。第三是生產(chǎn)節(jié)奏波動。這些給加熱爐控制帶來很多困難，造成爐子的大慣性以及閥的非線性，傳統(tǒng)PID難以克服；流量測量不準(zhǔn)確，雙交叉限幅響應(yīng)速度慢，基礎(chǔ)自動化無法投運；數(shù)學(xué)模型雖功能齊全，但由于假設(shè)過多，與實際模型相差甚遠(yuǎn)，不能真正投運；殘氧檢測不合實際，無法克服熱值波動影響，無法進(jìn)行空燃比尋優(yōu)。因而本章為后續(xù)的設(shè)計思路指明了方向。（4）爐溫――燃燒串級控制系統(tǒng)；爐膛溫度和燃燒系統(tǒng)緊密聯(lián)系，溫度控制器輸出量作為燃燒控制器的給定值，而燃燒控制的結(jié)果，空氣流量和燃料流量的配比，直接影響爐膛的溫度高低，從結(jié)構(gòu)上看，二者串聯(lián)在一起，共同影響爐膛溫度。（2）由于發(fā)生于副回路內(nèi)部的干擾，通常在它影響主被調(diào)量之前，就被副調(diào)節(jié)器校正了，故具有較強(qiáng)的抗擾動性能。在此系統(tǒng)中，爐溫控制器為主控制器，它的輸出作為副控制器即燃燒控制器的設(shè)定值，通過燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開度。（1）煤氣壓力波動。（2）爐溫變化。所謂 PID 控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對測量參數(shù)的偏差進(jìn)行運算確定輸出量，對被控對象進(jìn)行控制的方法。本設(shè)計主要講解工程整定方法，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法[13]。不同的是讓過渡過程最終呈現(xiàn)4：1衰減振蕩為止。對系統(tǒng)進(jìn)行整定，用衰減曲線法4：1衰減振蕩時，： 控制器參數(shù)經(jīng)驗公式反應(yīng)曲線法在此也不再做介紹。模糊控制器（Fussy Controller，F(xiàn)C），也稱為模糊邏輯控制器（Fussy Logical Controller，F(xiàn)LC），它是基于模糊語句描述的語言控制規(guī)則，所以又稱為模糊語言控制器（Fussy Language Controller，F(xiàn)LC），一般的模糊控制器由四部分組成：模糊化、模糊推理機(jī)、解模糊、知識庫。本單元可視為模糊集合的標(biāo)記。（3）推理機(jī)推理機(jī)是模糊控制系統(tǒng)的核心。此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo)（輸出定標(biāo)），這一作用是在對受控過程進(jìn)行控制之前通過量程變換來實現(xiàn)的。輸入量的量化因子： Ke = E /e； Kec =EC /ec輸出量的比例因子： Ku =U /u上式中：e，ec，u 分別為誤差、誤差變化以及控制輸出量的基本論域：E ，EC ，U 分別為誤差、誤差變化，控制輸出量的模糊論域。實際控制系統(tǒng)所采用的模糊論域是離散論域，當(dāng)輸入精確量在（，）變化時，控制系統(tǒng)察覺不到輸入量的變化，這個區(qū)域被稱為模糊控制的控制死區(qū)。所以Ke 變化對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是非單調(diào)的，Ke 在穩(wěn)定區(qū)域的最佳值和過渡區(qū)的最佳值有較大差別，如全程取同一個值很難兼顧過渡區(qū)的超調(diào)和穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)態(tài)誤差。而Kec太小又容易引起系統(tǒng)的震蕩，所以Kec的變化同樣也是非單調(diào)的。 當(dāng)推理所用的判斷具有模糊性時，也就是在推理規(guī)則和事實中含有模糊命題，稱之模糊推理。模糊模型主要有Mamdani模型和Sugeno模型。在設(shè)計控制器時，需要根據(jù)各段的不同特性，選取不同的論域和不同的量化因子。如果升溫過于緩慢，如圖 方式 1，隨后的加熱段不得不加大燃料消耗量，提高鋼坯的升溫速度，致使鋼坯溫度梯度過大，導(dǎo)致鋼坯的內(nèi)外溫度分布無法達(dá)到均衡，鋼坯出爐時沒有燒透，不利于進(jìn)行軋制；相反如果升溫過快，如圖 3，斷面溫差較大，不僅燃料消耗量大大增加，而且使絕大多數(shù)鋼坯種類處于彈性狀態(tài)，使鋼坯內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和加熱缺陷，導(dǎo)致板帶成品率降低。如圖 所示，三種加熱方式在該段都是以最快的速度加熱。所以該段控制的重要指標(biāo)是爐膛溫度的穩(wěn)定性。（1）選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計工作的第一部分，進(jìn)行系統(tǒng)分析，然后確定模糊控制器的輸入及輸出變量，包括他們的數(shù)值變化范圍，以及要求達(dá)到的控制精度等。本質(zhì)上是把連續(xù)論域離散化后產(chǎn)生離散論域。（3）確定模糊控制器輸入輸出模糊變量、模糊狀態(tài)及論域等級對應(yīng)e、ec、u 相應(yīng)的模糊變量分別為E， E C， U。設(shè)輸出量u的基本論域為[4v,20v], 通過量化變化到偏差語言變量U的整數(shù)論域{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}中，則偏差u的量化因子應(yīng)為。一般隸屬函數(shù)的形狀越陡，分辨率越高，控制靈敏度也越高；相反，若隸屬函數(shù)的變化很緩慢，則控制特性也比較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。對爐溫控制主要講了串級控制的特點，以及是怎樣實現(xiàn)對擾動的抑制，還說了主控制器算法的選取和參數(shù)的整定；對燃燒控制首先提出了必須達(dá)到的兩個目標(biāo)，即空燃比必須得到快速的調(diào)節(jié)和時時的處于設(shè)定范圍，然后，選用模糊控制技術(shù)來設(shè)計溫度控制器。第四章 燃燒控制策略研究燃燒系統(tǒng)作為串級控制系統(tǒng)的副回路，主要是用來按照主回路溫度控制器的輸出流量要求為燃燒過程提供合理的空氣和煤氣的流入量，在保證最佳燃燒效率的基礎(chǔ)上，盡快響應(yīng)主回路的輸出變化。通過上述分析，可知燃燒控制系統(tǒng)主要解決以下兩個問題：（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設(shè)定的空燃比實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)空氣回路和燃料回路的特性(如調(diào)節(jié)閥的形式及流體特性等)有所不同，兩個系統(tǒng)的響應(yīng)特性也有很大的差異，空氣回路往往滯后于煤氣回路，使得動態(tài)過程中空燃比難以保持一致。這也是當(dāng)前加熱爐系統(tǒng)有待解決的難題。，加熱爐溫度主調(diào)節(jié)器TC的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器FfC 的給定值，同時經(jīng)過空燃比運算器r運算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器FaC的給定值。當(dāng)升負(fù)荷時，如爐溫給定值St從1150升到1250，盡管燃料流量給定值Sf和空氣流量Sa同時直線上升，但由于空氣對象的時間常數(shù)大于燃料對象，使得實際燃料流量Ff的增加速度大于空氣流量Fa，此時剩余空氣系數(shù)μ下降約13%，如果 μ設(shè)置得比較小，則有可能出現(xiàn)燃料過剩。 單邊限幅控制系統(tǒng)圖它是在爐溫空氣燃料流量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了高值選擇器HS，低值選擇器LS，正偏置+a1(%)和負(fù)偏置a2(%),用來實現(xiàn)燃料和空氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)μ低于其給定值μs 以下的某一允許區(qū)間，即 μ≥（μs a1）,并保證燃料流量Ff低于冒黑煙界限，以及空氣流量Fa高于冒黑煙界限。當(dāng)升負(fù)荷時，信號A急劇上升，發(fā)生正跳變。當(dāng)B增加到BA時，LS又選通A，A作為該回路的燃料流量給定值，交叉限制結(jié)束。先看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況。由于A負(fù)跳變、D緩慢下降，即Sf急劇下降，Sa緩慢下降，實現(xiàn)了降負(fù)荷時“先減少燃料后減少空氣”，同樣克服了空氣與燃料回路特性的差異。為了克服單邊限幅系統(tǒng)的缺點，經(jīng)過改進(jìn)。下面分別對負(fù)荷穩(wěn)定，升負(fù)荷和降負(fù)荷這三種狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)A正跳變到AE時，LS2選通E，A被中斷，同時ED,HS1又選通E，再乘以r作為空氣流量給定值Sa，使空氣隨著E值的增加而增加，即空氣流量隨著燃料流量的增加而增加，交叉限制開始。當(dāng)B增加到BA時，同時AC，HS2選通A，LS1也選通A,A作為該回路的燃料流量給定值Sf，交叉限制結(jié)束，此時系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。先看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況，此時AC，HS2選通A。當(dāng)A負(fù)跳變到AD 時，HS1又選通D，再乘以r作為空氣流量給定值Sa，使空氣流量隨著D值的減小而減小，即空氣流量隨著燃料流量的減小而減小，交叉限制開始。通過上述分析可知，當(dāng)升負(fù)荷時，由于信號A急增，偏置a1(%)和a4(%)分別給燃料流量調(diào)節(jié)器FfC的給定值和空氣流量調(diào)節(jié)器FaC的給定值一個增量，信號B和E使FfC和FaC的給定值既受到限制又交替上升；反之，當(dāng)降負(fù)荷時，由于信號A急減，偏置a3(%)和a2(%)分別給FfC和FaC的給定值一個減量，信號C和D使FfC和FaC的給定值既受到限制又交替減小。而且降負(fù)荷時剩余空氣系數(shù)又不高于規(guī)定的上限值，即μ≤（μs+a3）。但由于系統(tǒng)分析也是基于理想狀態(tài)，在實際應(yīng)用中也存在不足之處。（3）出鋼質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)雙交叉限幅減少了缺氧燃燒和過氧燃燒帶來的熱損失，降低了系統(tǒng)的能耗，同時避免了鋼的過氧燒損，保證了出鋼質(zhì)量。（2）無法克服熱值波動在燃燒控制系統(tǒng)中，由于煤氣熱值發(fā)生變化，空燃比應(yīng)該跟著變化，否則就不能保證系統(tǒng)的最佳燃燒控制。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，通常用描述系統(tǒng)階躍響應(yīng)特征的一些參數(shù)來評價其性能的好壞?；蛘咭部梢杂盟p率表示，它是第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差減去第二個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差的值與第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差的比值。（6）、上升時間 輸出響應(yīng)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間，或由穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間。（1）比例系數(shù)Kp對控制性能的影響 隨著比例系數(shù)Kp的增加，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值增大，超調(diào)量增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，同時會減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。（3）積分時間常數(shù)Td對控制性能的影響隨著微分時間常數(shù)Td的增加，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的速度加快?？刂菩Ч焕硐?，但控制結(jié)構(gòu)簡單抗干擾性差，適于小型加熱爐。 Kp2=5,Ki2=,Kd2=0 ；r= 由仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過25min系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的最大偏差為50℃，系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。本圖是在串級比值控制的基礎(chǔ)上加入了高低選擇器，作為限幅控制。當(dāng)溫度提量時，整條曲線都位于最佳燃燒區(qū)，因此，加入了單邊限幅后，能克服冒黑煙的問題。 通過仿真結(jié)果比較，單邊限幅控制系統(tǒng)的超調(diào)量最小，過渡時間最小系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。 Kp2=5,Ki2=,Kd2=0 ；r=。在爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)中，溫度的控制是很容易實現(xiàn)的，但既要及時而有效的控制溫度，又要將空氣過剩系數(shù)控制在最佳燃燒區(qū)，就沒那么容易了。研究結(jié)果表明，四個偏置+ a1 (%)、 a2 (%)、 a3 (%)、+ a4 (%)的取值與系統(tǒng)對負(fù)荷相應(yīng)速度和節(jié)能效果有關(guān)。綜合考慮節(jié)能效果和系統(tǒng)對負(fù)荷響應(yīng)的快速性這兩方面的影響，并通過試驗研究，建議選擇a1= a2 =2%~5%，a3= a4 =8%。加熱爐是一個十分復(fù)雜的被控對象，目前還沒有加熱爐整體的數(shù)學(xué)模型。②正常燃燒時，爐內(nèi)各段間溫度的相互影響并不大，只是當(dāng)鋼坯在推鋼機(jī)的推動下，從相鄰段之間穿越時會對該段爐溫造成較為明顯的影響，因此，在仿真時將該過程當(dāng)做是一個干擾進(jìn)行處理。圖 溫度模擬仿真系統(tǒng) 圖 輸入 E 的隸屬度函數(shù)當(dāng)定義輸入、輸出隸屬度函數(shù)后，可以進(jìn)入模糊規(guī)則編輯器。在輸出曲面觀察器中，對于單輸入單輸出情形，可以在一個圖形中看到全部映射，對于二輸入單輸出情形， MATLAB 很容易地繪制三維圖形來進(jìn)行描述。主控點的控制對象的傳遞函數(shù)為，副控點控制對象的傳遞函數(shù)為。通過第四章以及本章Fuzzy控制器的仿真結(jié)果分析，可以看出：（1）整定的不同PID參數(shù)得到的控制效果不同，如穩(wěn)定時間長短、超調(diào)量大小、上升速度的快慢以及振蕩周期數(shù)目多少均不同。（3）基于模糊控制器的加熱爐爐膛串級控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點。從仿真結(jié)果可知，改進(jìn)后的溫度模糊控制器具有響應(yīng)快、控制精度高、魯棒性強(qiáng)的特點。應(yīng)開發(fā)出綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)并將其應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，根據(jù)實際應(yīng)用中存在的問題對系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善。閆俊紅老師學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，盡管工作繁忙，仍對本人的學(xué)習(xí)進(jìn)行了細(xì)致、深刻的指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷，并且其正直善良的人品、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、勤奮的工作態(tài)度對我產(chǎn)生很大的影響