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【摘要】
本文以宣化鋼鐵集團有限公司一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐爲研究背景，根據蓄熱式加熱爐的工藝流程和工藝要求，詳細闡述了溫度自動控制系統的設計過程。在加熱爐溫度控制系統中對爐溫採用分段控制，即P-模糊-PI控制，綜合了PID控制和模糊控制的優點，響應快、超調小、無靜差、抗干擾。將該控制系統用PLC軟件編程，直接應用在加熱爐PLC控制系統中，大大降低了控制系統改造成本。在實際應用測試中該系統的控制效果十分理想，能夠很好地抑制冷熱坯混裝、煤氣壓力的隨機變化及煤氣熱值波動對爐溫的影響，爐溫偏差能夠控制在20℃以內，在沒有干擾因素的情況下能控制爐溫偏差在5℃以內，完全滿足生產要求。
【關鍵詞】
加熱爐；溫度；模糊控制；PLC
1、宣鋼蓄熱式加熱爐工藝概述
本文是以宣鋼一鋼軋廠型材車間蓄熱式加熱爐爲項目進行的研究。型材車間是一條年產70萬噸型鋼的生產線，主要生產圓鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼和礦用U型鋼等產品。其加熱爐是懸臂輥道側進料、側出料，單排布料的步進樑式蓄熱加熱爐，用於坯料軋製前的加熱。
2、存在的問題分析
該加熱爐在使用初期爐溫控制上採用PID控制，應用SIEMENS S7-400 PLC自帶PID功能塊。在使用過程中發現這種控制方式確實無法滿足工藝要求，爐溫偏差最大可達±40℃。主要原因是該加熱爐的燃料是轉爐煤氣，轉爐煤氣是鍊鋼生產的副產品，雖然其熱值較高，但由於鍊鋼過程中無法連續收集轉爐煤氣，造成轉爐煤氣的壓力和熱值都很不穩定；其次是該加熱爐進爐鋼坯冷熱混裝，不同溫度的鋼坯入爐後需要的加熱量不同，要求煤氣流量控制必須及時；另外，軋鋼生產的節奏也是影響爐溫控制的因素。由此可見蓄熱式加熱爐的燃燒過程是受隨機因素干擾複雜過程，難以建立精確的數學模型，常規PID控制難以達到滿意的控制效果。
3、改進方法設計
對於蓄熱式加熱爐這種受隨機因素干擾的具有大慣性、非線性、純滯後的複雜控制對象採用單純的PID控制不能取得良好的控制效果。因爲PID算法只是在系統模型參數不發生變化的情況下，才能獲得理想的效果。當一個調整好參數的PID控制器被應用到模型參數隨機變化的系統時，控制效果會變差。而模糊控制，面對200-300℃的溫度變化範圍，要提高基本模糊控制器的控制精度，分檔越細，性能越好，不過模糊控制規則數以及系統的計算量也大大地增加，從而使模糊控制規則表變得難以把握，調試時會更加困難。而減少分檔數，則會控制粗略，控制效果難以保證。在以往諸多理論研究和工程實踐中也證明了對於蓄熱式加熱爐這樣複雜的系統採用單純的PID控制或模糊控制是不能取得良好的控制效果的。
設計採用一種分段控制算法，即P-模糊-PI控制，來綜合比例、模糊和比例積分控制的優點。當偏差大於某一個閾值時，採用比例控制，加快系統的響應速度；當偏差小於閾值時，切換到模糊控制，用來增強系統的阻尼性能，減小響應過程中的超調。採用這樣的方法用來壓縮模糊控制的論域，使其只是整個論域的一部分，也就是相當於模糊空間的分級數增加，提高了模糊控制的.精度和靈敏度。當模糊控制過程中偏差的語言變量值爲“零”時，由於沒有積分環節，必然會產生穩態誤差，即可能在平衡點附近存在小幅震盪，因而在此時投入PI控制，利用其積分作用消除穩態誤差，在小範圍內PI控制的效果是最理想的。整個過程可簡單描述爲：設X爲某一閾值，E爲絕對偏差，ZE表示模糊控制器語言值爲“零”，則控制開關選擇爲
P-模糊-PI控制可以發揮三種控制方式的優點，使系統具有較快的響應速度、抗干擾變化的適應性及較高的控制精度。三種控制方式在控制過程中依據偏差的變化分段切換使用，不會同時起作用而相互干擾。P-模糊-PI控制器切換閾值的設定非常關鍵。從比例控制向模糊控制切換的閾值選擇必須恰當，如果選得過小，在非常接近目標值時才切換，就可能出現較大的超調，並且模糊控制的優點難以體現；如果選得太大，就會過早的切換到模糊控制，可能會影響系統的響應速度，同時也使得模糊論域變大，若不增加模糊空間分級數，控制精度變差。只有根據系統的特點及控制目標的要求才能選擇出較爲恰當的閾值。在從模糊控制向PI控制切換時，一般都選在偏差語言變量的語言值爲“零”時，切換至PI控制，用PI算法：
其中Kp爲比例係數，Ki爲積分時間，U爲PI輸出控制量。
當模糊控制中語言變量的語言值爲“零”時，其絕對偏差可能並不爲零，所以應當應用積分器的作用來消除偏差，提高穩態性能。
蓄熱式加熱爐溫度自動控制系統中，P-模糊-PI控制器的輸入量爲設定爐溫T0與實際爐溫T（k）的偏差E（k），輸出量控制煤氣調節閥調節煤氣流量；空燃比由在線氣體分析系統的結果經過計算得出；煤氣流量孔板檢測出的煤氣實際流量乘以空燃比就可計算出煤氣完全燃燒所需的空氣流量；空氣調節閥由PID調節器控制，調節空氣流量跟隨煤氣流量。
結束語
宣鋼型材加熱爐原有的溫度檢測，流量檢測，氣體分析，煤氣、空氣調節閥均可應用於該設計中。P-模糊-PI控制器的P控制和PI控制，空氣流量調節的PID控制均可應用加熱爐燃燒控制PLC自帶的PID模組實現。完成該設計下一步最重要的工作就是總結加熱爐人工控制過程中一些好的控制經驗，應用模糊控制理論，完成模糊控制器的設計。進一步將模糊控制器用PLC編程製作控制功能塊，應用在加熱爐溫度自動控制系統中，並在實驗中細化P-模糊-PI控制器的參數，力爭將爐溫控制在突發情況下偏差小於20℃，在正常情況下偏差小於5℃。這個目標如果得以實現，不僅可以提高型材的產品質量，減少煤氣消耗和污染排放，而且對宣鋼其他的軋鋼加熱爐的溫度控制有借鑑意義，進而整體提高宣鋼的產品質量，實現節能降耗，爲宣鋼的挖潛增效做出貢獻。
參考文獻
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