【文章內(nèi)容簡介】 ................ 2 在學(xué)研究成果 ................................................................................................................. 8 致 謝 ........................................................................................................................ 9 安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 引 言 20xx 年，我國鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到 億噸，已是多年保持世界第一產(chǎn)鋼大國的地位。我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展速度是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展最快的國家，所取得的成就是世界公認的。但是，我國鋼鐵工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟指標 (包括能源消耗、勞動生產(chǎn)率、設(shè)備壽命及設(shè)備作業(yè)率等 )、對環(huán)境的污染等方面與世界先進水平相比較，差距仍很大。要實現(xiàn)從鋼鐵大國到達鋼鐵強國，這是擺在鋼鐵研究工作者面前的艱巨任務(wù)。 加熱爐的計算機控制系統(tǒng)通常被分為一級（ LEVEL1）和二級（ LEVEL2）控制系統(tǒng)。 LEVEL1系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)。燃控系統(tǒng)的 主要功能是根據(jù)鋼坯鋼種和規(guī)格的需要，控制各個區(qū)域的溫度，實現(xiàn)鋼坯的理想升溫曲線控制。同時實現(xiàn)相應(yīng)的安全連鎖和設(shè)備保護。順控系統(tǒng)的主要功能是完成整個加熱爐區(qū)域的設(shè)備動作控制，實現(xiàn)鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應(yīng)的輔助設(shè)備的動作控制。 LEVEL1是 LEVEL2級控制的基礎(chǔ)。 LEVEL2系統(tǒng)主要分為應(yīng)用部分和模型部分，應(yīng)用部分包括物料跟蹤和通訊等，模型部分主要是鋼坯的溫度預(yù)測，主要包括裝爐溫度處理、出爐溫度處理、爐溫沿爐長方向的曲線擬合，周期計算等。 LEVEL2負責(zé)完成整個加熱爐的過程控制，實現(xiàn)鋼坯在爐膛內(nèi) 的溫度預(yù)報和物料跟蹤，在通訊模型的支持下，完成整個加熱爐區(qū)設(shè)備的全自動生產(chǎn)和全自動溫度控制，并為軋機提供必要的信息。 本文的主要內(nèi)容如下： （ 1）文獻檢索。 進行了大量文獻檢索工作，對前人的研究工作進行總結(jié)和分析。 描述了基于傳熱學(xué)原理的鋼坯加熱數(shù)學(xué)模型。 （ 2）設(shè)計和優(yōu)化了 LEVEL1級控制系統(tǒng)，重點研究了改進型雙交叉限幅溫度自動控制和爐溫模糊控制器，以及步進梁的速度曲線優(yōu)化控制。 （ 3）系統(tǒng)研究了鋼坯傳熱數(shù)學(xué)模型、鋼坯溫度預(yù)報模型和算法，并利用爐區(qū)分段的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了鋼溫的預(yù)測，離線仿真效果良好。 （ 4）開發(fā)了基于 S7400PLC和 WINCC的加熱爐基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)，大大提高了爐溫的控制精度，溫度響應(yīng)時間大大縮短，加熱爐 LEVEL2級計算機控制系統(tǒng)的投運，實現(xiàn)了爐內(nèi)鋼坯溫度的預(yù)測，建立了加熱爐與通訊伙伴的實時通訊，為軋機提供了必要的鋼坯加熱參數(shù)，實現(xiàn)了加熱爐的全自動生產(chǎn)。 安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 第一章 文獻綜述 加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備之一，也是主要耗能設(shè)備，其作用是將鋼坯加熱后送往軋機進行軋制 [1]， 其中鋼坯加熱爐能耗就占冶金能耗的 25%[2]，因此，提高加熱爐的熱效率，對整個冶金行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要意義。步 進梁式加熱爐的功能是根據(jù)鋼坯的入爐參數(shù)、生產(chǎn)工況和工藝指標，通過控制爐溫，空氣燃料流量及空燃比，空氣燃料壓力，煙氣殘氧濃度以及爐膛壓力，盡可能地降低能耗，減少氧化燒損，使鋼坯在爐中均勻受熱，同時通過步進梁的步進運動，將鋼坯從裝料側(cè)移動至出料側(cè)，通過鋼坯在爐內(nèi)的運動，完成從低溫段至高溫段，再進入均熱段的加熱，達到軋鋼要求的軋制溫度。由于加熱爐燃燒過程具有非線性、強耦合、不確定性、分布參數(shù)特性，是一個高度復(fù)雜的工業(yè)過程，加熱爐計算機過程控制技術(shù)成為鋼鐵企業(yè)研究的重要課題之一，在國內(nèi)外都得到了廣泛的重視。 加熱 爐計算機控制概述 加熱爐的計算機優(yōu)化控制技術(shù)就是要在保證工藝指標的前提下實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟指標，在加熱爐上開展計算機優(yōu)化控制的研究已經(jīng)有三十多年的歷史， 國際上對加熱爐優(yōu)化控制的研究始于 20 世紀 70 年代，國內(nèi)始于 80 年代，主要從設(shè)備和自動控制兩個方面采取措施 [3]，以降低加熱爐的能耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以概括為三個方面：爐溫自動控制、鋼坯溫度預(yù)報模型和爐溫優(yōu)化設(shè)定策略。 順序控制系統(tǒng)和物料跟蹤 順控系統(tǒng)的主要功能是完成整個加熱爐區(qū)域的設(shè)備邏輯控制，完成裝料側(cè)的輥道邏輯控制、加熱爐液壓站的控制、裝鋼機的速度曲線控制 ，步進梁的速度曲線控制和出鋼機的控制，同時完成 L1級的板坯物料跟蹤，實現(xiàn)鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應(yīng)的輔助設(shè)備的動作控制。在 LEVEL1級順控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，LEVEL2及系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡(luò)和 OPC方式，和 LEVEL1級系統(tǒng)建立實時通訊，在ORACLE數(shù)據(jù)庫和 C軟件的強大處理功能下，完成板坯的入爐、爐內(nèi)和出爐的全爐跟蹤，為模型控制系統(tǒng)提供必要的板坯鋼種、尺寸和板坯位置等信息，完成坯料的溫度預(yù)測。 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是：提高加熱爐各段爐溫的控制精度，獲得滿足開軋所要 求的鋼坯溫度，同時保證經(jīng)濟燃燒和安全運行。為保證穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下，保證空燃比在合適的范圍內(nèi)，通常采用交叉限幅控制方法，使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)的動態(tài)過程中，保持空氣、燃料的相互跟隨關(guān)系，控制最佳空燃配比。目前，爐溫自動安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 控制絕大多數(shù)還是采用帶交叉限幅的溫度流量串級 PID控制器，但控制精度差，超調(diào)嚴重，升降溫速度慢。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制等智能化技術(shù)的出現(xiàn)為加熱爐爐溫控制提供了新的方法和思路。 張晶濤等人 [4]針對常規(guī)交叉限幅控制方法負荷跟蹤速度低的缺點，采用了具有快速補償響應(yīng)功能和抗積分飽和功能的改進交 叉限幅燃燒控制方法，針對爐溫過程具有時變非線性的特性，應(yīng)用了自整定 PID 控制算法，針對加熱爐下加熱段與上加熱段爐溫對象耦合干擾嚴重的現(xiàn)象，應(yīng)用了智能解耦控制方法。從整體上提高了加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制性能。文獻 [5， 6]提出的專家模糊溫度控制器，文獻[7， 8]提出的加熱爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)燃燒控制等，還停留在理論研究和仿真研究階段。另外，目前采用的模糊控制、專家控制最終的輸出量是空氣流量和煤氣流量設(shè)定值，流量的閉環(huán)控制還是要依靠傳統(tǒng)的 PID 控制器來實現(xiàn)，從而限制了爐溫控制精度和實時性的提高。法國斯坦恩 霍特公司開發(fā)的 數(shù)字化時序脈沖燃燒系統(tǒng) [9]，其溫度控制是通過控制燒嘴的燃燒時間，而不是控制空氣和煤氣的流量，當空煤氣燒嘴前的壓力恒定時，通過控制空煤氣切斷閥的開啟時間和工作周期，可以實現(xiàn)爐溫的控制，從而克服了流量 PID 閉環(huán)控制的不足，達到了較好的效果。 鋼坯溫度預(yù)報模型 鋼坯溫度預(yù)報模型是加熱爐燃燒優(yōu)化控制的必要中間量，通過數(shù)學(xué)模型計算的爐內(nèi)鋼坯表面和核心溫度，從而可以了解鋼坯的加熱質(zhì)量，同時為進一步優(yōu)化爐溫設(shè)定提供依據(jù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，爐內(nèi)鋼坯加熱過程的數(shù)學(xué)模型也被廣泛地應(yīng)用在計算機控制上。在國外， Timothy 等人 [1012]根據(jù)加熱爐內(nèi)的熱交換機理來建立實時控制模型，采用動態(tài)熱傳導(dǎo)分析的方法，通過分析鋼坯各節(jié)點的熱交換來對鋼坯溫度進行控制。這種方法目前在一些鋼廠的加熱爐控制還在使用，但是目前生產(chǎn)現(xiàn)場采用的基本上都是簡化的一維模型，多維模型因為計算量巨大目前還不能在線應(yīng)用，在一定程度上降低了模型的準確性。 和 等人[1315]采用分布參數(shù)理論與熱交換機理相結(jié)合的方法進行建模，并通過近似集中參數(shù)模型研究了加熱爐的靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化問題。 [16]基于爐 內(nèi)熱量傳導(dǎo)的物理機制，推導(dǎo)了一類時空離散化的狀態(tài)空間模型。文獻 [1719]從描述鋼坯內(nèi)部穩(wěn)定導(dǎo)熱的二維偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件出發(fā)，開發(fā)出了描述鋼坯被加熱狀態(tài)的離散狀態(tài)空間模型，從本質(zhì)上，這種方法是機理分析方法的延續(xù)和改進。 國內(nèi)這方面的研究起步較晚，上世紀七十年代末，隨著計算機控制系統(tǒng)的普及和自動控制技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛，加熱爐溫度優(yōu)化控制理論的研究開始日漸深入，成為自動控制技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究的重要領(lǐng)域。鋼坯升溫模型的研究主要安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 從兩個方面入手，采用總括熱吸收率法，從鋼坯與爐內(nèi)熱交換的物理機制入手， 簡化了爐膛內(nèi)輻射換熱，尋找鋼坯升溫的熱力學(xué)模型，文獻 [2026]都涉及到了這方面的研究。爐內(nèi)鋼坯溫升數(shù)學(xué)模型大體上分為用于加熱爐在線控制的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，以及用于加熱爐離線計算機模擬的三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型。低維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型形式簡單、計算機求解方便，與三維模型相比，雖然在精度上有所不足，但在加熱爐加熱過程計算機在線控制方面，可以滿足現(xiàn)場的工藝要求。三維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果精度高，真實反映了鋼坯在加熱過程中的瞬時溫度分布和變化，但由于數(shù)值計算求解過程計算工作量大，目前還很難將其應(yīng)用到加熱爐在線控制系統(tǒng)中 ，主要應(yīng)用于實驗室理論計算和分析。 為了進行數(shù)學(xué)模型的計算機移植以及實現(xiàn)控制的可行性和方便性，離散狀態(tài)空間方法也是鋼坯升溫模型的研究重點和熱點，在這方面文獻 [2729]工作頗具代表性，這些文獻都是把爐內(nèi)的鋼坯考慮為一股被加熱的物料流，并按幾何位置分解為一系列相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，不僅得出了爐內(nèi)鋼坯加熱的全系統(tǒng)模型，而且給出了單獨鋼坯的跟蹤熱模型，為實時計算機控制奠定了理論基礎(chǔ)。 近年來隨著計算機技術(shù)和智能控制理論的迅速發(fā)展，智能控制得到了廣泛應(yīng)用。智能技術(shù)不僅為傳統(tǒng)控制理論和方法帶來了新的生機，而且為解決軋鋼 領(lǐng)域內(nèi)的控制難題，擺脫常規(guī)數(shù)學(xué)模型的困境，突破現(xiàn)有控制理論的局限性，開辟了一條新的道路。智能技術(shù)在鋼鐵冶金工業(yè)中的應(yīng)用主要包括將專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制方法相結(jié)合的專家控制方法；將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于建模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法；將模糊集合結(jié)合模糊推理決策進行控制的模糊控制方法；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的智能控制方法等。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其具有較快的學(xué)習(xí)能力和逼近任意非線性映射的能力而被廣泛用于系統(tǒng)建模的研究中。在加熱爐對象的建模中，應(yīng)用最為廣泛的是 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[30, 31]，它有結(jié)構(gòu)簡單、抑制樣本噪聲等優(yōu)點，但也有 學(xué)習(xí)速度較慢、容易陷入局部極小點等缺點，因此，近年來也出現(xiàn)了一些改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如 RBF 網(wǎng)絡(luò)模型僅在輸入空間的局部范圍內(nèi)非零 (即只有當輸入落入輸入空間的一個很小的局部范圍時，基函數(shù)才產(chǎn)生一個有效的非零響應(yīng) )，其參數(shù)調(diào)整律可采用線性調(diào)整技術(shù)，因而有更快的學(xué)習(xí)速度，逼近能力很強，在鋼坯溫度預(yù)報方面得到了很好的應(yīng)用 [32, 33]。 爐溫優(yōu)化設(shè)定模型 柴天佑，王中杰，沈子瞻等 [34, 35]人對步進式加熱爐的建模、控制、優(yōu)化做了很多研究，提出了一種基于生產(chǎn)目標的加熱爐優(yōu)化設(shè)定控制方法。該方法采用前饋、安徽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 反饋、 自適應(yīng)、智能及軟測量等多種先進控制技術(shù)和建模方法實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的建模與控制一體化，并通過多級閉環(huán)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的滾動優(yōu)化，解決了基于 DCS的加熱爐各回路的優(yōu)化設(shè)定問題。 根據(jù)連續(xù)加熱爐溫分段可控性和鋼溫的變化滯后于爐溫變化的特點，文獻 [36, 37]運用一種新的爐溫決策方法。該法以控制段 (加熱段或均熱段 )內(nèi)的某處鋼坯的平均溫度和表面溫度與設(shè)定值的偏差最小為控制目標，決策出優(yōu)化的爐溫設(shè)定值。開發(fā)合理的在線數(shù)學(xué)模型，為軋制生產(chǎn)服務(wù)，具有一定的效果。 安月明，溫治 [38]系統(tǒng)總結(jié)了爐溫優(yōu)化設(shè)定時各種優(yōu)化目標函數(shù)的 進展，對加熱爐優(yōu)化控制領(lǐng)域中目標函數(shù)的選取、約束條件的確定、尋優(yōu)方法的選取進行了詳細的分析和綜述，評價了各類目標函數(shù)的優(yōu)點和不足。從發(fā)展來看，綜合型的優(yōu)化目標將會得到更大的應(yīng)用，但在權(quán)重系數(shù)選取的研究上、尋優(yōu)算法適合在線應(yīng)用的問題上還值得進一步深入研究。爐溫優(yōu)化設(shè)定的智能控制技術(shù)也在快速發(fā)展，模糊邏輯控制技術(shù)能夠有效地利用人工控制所取得的操作經(jīng)驗，把人工經(jīng)驗變換成模糊控制規(guī)則，在加熱爐這樣非線性、大慣性、純滯后、耦合嚴重的復(fù)雜系統(tǒng)的控制中獲得了很多應(yīng)用 [39]。但是模糊控制方法本身還存在著一些缺點，比如模糊 控制是一種基于模糊規(guī)則的控制器，這些模糊控制規(guī)則是對受控過程認識的歸納與控制經(jīng)驗的總結(jié)，模糊規(guī)則通常情況下是固定不變的，本身缺乏學(xué)習(xí)能力，不能夠自動修改，因而當系統(tǒng)有變動的時候，難以動態(tài)修正模糊控制規(guī)則，從而影響了控制效果。在實際應(yīng)用當中，將模糊控制同其它控制技術(shù)相結(jié)合，對爐溫進行控制的情況也比較普遍，如將模糊控制同比例控制、 PID 控制相結(jié)合的分區(qū)控制策略，以模糊規(guī)則實時調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的模糊 PID 控制技術(shù)等。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 多年來，國內(nèi)外都有大量的專業(yè)化公司和自動化工作者致力于加熱爐二級控制系 統(tǒng)設(shè)計及燃燒優(yōu)化控制方面的研究開發(fā)工作。國外學(xué)者對加熱爐二級控制系統(tǒng)的研究始于上世紀 70年代中后期，隨之，國內(nèi)學(xué)者對加熱爐數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的優(yōu)化控制策略的研究也日益活躍。 80年代末期，在工業(yè)發(fā)達的國家已普遍實現(xiàn)了加熱爐的計算機控制。 1981年 9月，意大利 Italimpianti公司首次在意大利的 Acciarierie di Piombino 110t/h步進爐上使用在線數(shù)模控制系統(tǒng)。該公司至今已為 100多座爐子提供在線數(shù)?？刂啤Ｒ獯罄?Italimpianti公司(目前為意大利 Techint＜德興＞公司的子公司 ） 成功開發(fā)的“靈活技術(shù)”（ FlexyTech）的加熱爐，其核心技術(shù)就是計算機二級控制系統(tǒng)。法國 STEIN HEURTEY公司 1981年在 Fo