模糊理論在均質(zhì)爐燃燒控制的應用價值范文

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摘要：對均質(zhì)爐的燃燒控制原理進行了分析，提出了一種基于模糊控制策略的均質(zhì)爐燃燒系統(tǒng)控制模型，對爐溫和空燃比進行優(yōu)化設定，實現(xiàn)爐溫均衡穩(wěn)定控制，保證燃氣充分燃燒，改善了燃燒性能，減少了鋼材的氧化燒損及提高了熱處理的質(zhì)量。

關鍵詞：模糊控制；空燃比；燃燒控制；均質(zhì)爐

均質(zhì)爐是生產(chǎn)中常見的一種加熱爐，其主要任務是按生產(chǎn)工藝要求，對爐內(nèi)的鋼坯進行加熱和控制。在滿足熱軋所需要的鋼坯溫度的前提下，實現(xiàn)最小的鋼坯表面燒損；在提高加熱質(zhì)量及產(chǎn)量的前提下，節(jié)省能源[1]。均質(zhì)爐具有慢時變、高耦合、純滯后、大慣性等非線性特點。爐氣、鋼坯、爐壁之間的熱傳導過程復雜，還有很多影響燃燒控制的不確定因素，比如壓力、溫度的滯后效應、燃燒熱值的波動等，因此想建立精確的數(shù)學模型是非常困難的，幾乎是不可能。目前均質(zhì)爐溫度控制普遍采用傳統(tǒng)的雙交叉限幅PID控制，對燃燒過程的控制有一定的作用，但也存在一些問題，比如無法抑制燃氣熱值與壓力的波動，造成爐溫控制不均衡，負載變化大時響應速度慢，所以整個燃燒過程很難達到理想的效果。針對存在的問題，對均質(zhì)爐的燃燒特性進行了深入分析，提出了一種基于模糊控制策略的燃燒系統(tǒng)控制模型，對均質(zhì)爐的燃燒過程控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，將自動尋優(yōu)策略與模糊控制策略相結(jié)合，實現(xiàn)均質(zhì)爐燃燒過程燃氣流量和空燃比的優(yōu)化控制，有效提高均質(zhì)爐的熱效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，對整個鋼鐵工業(yè)具有重要的意義。

1模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)造方法

模糊控制系統(tǒng)以模糊數(shù)學為基礎，用語言規(guī)則表示方法和先進的計算機技術(shù)，由模糊推理進行決策的一種高級控制策略，利用操作人員或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識制定控制規(guī)則，然后利用這些規(guī)則對控制對象進行控制[2]。它適用于難以建立數(shù)學模型、復雜時變非線性系統(tǒng)的被控對象，被廣泛應用與工業(yè)過程控制。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括規(guī)則庫、模糊化、模糊推理及解模糊四部分。規(guī)則庫也稱知識庫，主要包括模糊控制器參數(shù)與模糊控制規(guī)則，一般根據(jù)操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗知識來確定，也可以在試驗過程中不斷地獲取信息，通過自學習專家控制器進行調(diào)整和完善。模糊化主要是將精確的輸入量偏差和偏差變化率轉(zhuǎn)化為模糊量，其輸出值與輸入值相對應的各語言值的隸屬度，即e、ec進行模糊化后，得到相應的模糊變量分別為E、Ec。模糊推理是根據(jù)輸入的語言變量，針對各條規(guī)則進行推理，然后將各個推理結(jié)果總合而得到最終的推理結(jié)果，得出輸出語言變量U。解模糊將推理得到的輸出語言變量U轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出u。

根據(jù)以上分析，一般按照以下步驟來設計模糊控制器：

（1）確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，即根據(jù)具體的系統(tǒng)確定其輸入、輸出變量；

（2）輸入變量的模糊化，即把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為對應語言變量的模糊集合；

（3）設計模糊推理算法，即根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理，決策算出輸出模糊量；

（4）對輸出模糊量進行模糊判決，完成其模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。

2控制系統(tǒng)模型設計及工作原理

針對傳統(tǒng)控制方式存在的問題，利用現(xiàn)代控制理論的方法，建立了均質(zhì)爐的燃燒過程優(yōu)化控制系統(tǒng)，對爐溫進行精確跟蹤控制，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的核心組成部分是溫度模糊控制器與空燃比控制器，整個系統(tǒng)包含兩個回路：內(nèi)環(huán)控制回路與外環(huán)控制回路。外環(huán)控制回路也稱爐溫控制回路，根據(jù)均質(zhì)爐的爐溫設定值與實際值的偏差，在考慮燃氣流量的情況下，結(jié)合溫度模糊控制器及空燃比尋優(yōu)控制器，計算出燃氣流量和空氣流量的設定值；內(nèi)環(huán)控制回路也稱流量閥門控制回路，通過調(diào)節(jié)燃氣調(diào)節(jié)閥與空氣調(diào)節(jié)閥的開度，并實時檢測燃氣流量與控制流量的實際反饋值，控制燃氣流量與空氣流量穩(wěn)定在設定值，使燃氣充分燃燒。這樣便構(gòu)成了基于溫度與流量反饋的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)爐溫跟蹤的優(yōu)化控制，保證控溫的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，提高燃氣流量設定精度與系統(tǒng)響應速度，實現(xiàn)均質(zhì)爐的最佳燃燒過程控制。

3系統(tǒng)控制策略分析

3.1溫度模糊控制器的設計

均質(zhì)爐的溫度控制是整個燃燒系統(tǒng)控制的核心。在實際應用中，模糊控制算法先是根據(jù)PLC采集實際溫度值，通過計算得到溫度變化率，然后將溫度偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc作為模糊控制器的輸入量，輸入量經(jīng)過模糊化之后，得到模糊量，再用相應的模糊語言表示，形成溫度偏差的模糊語言集合的一個子集E和溫度偏差變化率Ec，根據(jù)E、Ec和模糊控制規(guī)則R推理合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U，最后通過解模糊算出燃氣流量控制量的輸出值Δr。

根據(jù)模糊控制器的設計方法，結(jié)合均質(zhì)爐操作工的實際操作經(jīng)驗與專家的知識，溫度模糊控制器的設計步驟如下：

（1）確定溫度模糊控制器的輸入與輸出對均質(zhì)爐燃燒系統(tǒng)分析后，確定輸入變量為溫度的偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc，輸出變量為燃氣流量的修正值Δu。

（2）確定模糊變量、模糊狀態(tài)及論域?qū)、ΔTc、Δu的模糊變量分別為E、Ec、U。每個模糊變量可分為若干個模糊狀態(tài)，模糊狀態(tài)數(shù)量又取決于實際應用的要求，如控制精度、變量種類等。根據(jù)實際情況，本文將每個模糊變量的模糊狀態(tài)定義如下：E的模糊變量為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；Ec的模糊變量為{NB,NS,ZO,PS,PB}；U的模糊變量為{NB,NS,ZO,PS,PB}。每個模糊變量在其論域內(nèi)又分成以下等級：E={<=-30,>-30,>-20,>-10,>0,>10,>20,>30}；Ec={-5，-3,-1，0，1,3,5};U={-10%，-7%，-5%，-3%，-2%，-1%，0，1%，2%，3%，5%，7%，10%}。

（3）模糊控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則是操作工通過學習、試驗及長期的經(jīng)驗積累而逐漸形成的，存在于操作工頭腦里的一種技術(shù)集合，利用模糊集合論和語言變量，將語言歸納的控制策略變成數(shù)值運算，方便用計算機進行控制[3]。由控制經(jīng)驗總結(jié)出模糊控制規(guī)則，如表1所示。

（4）隸屬度函數(shù)的確定隸屬函數(shù)反映了論域中的元素屬于該集合的程度，用于模糊概念的定量描述。常用的有三角形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、高斯形隸屬函數(shù)、Sigmoid形隸屬函數(shù)。由于三角形隸屬函數(shù)計算簡單，且性能優(yōu)良，在實際工業(yè)控制領域廣泛應用，本文采用三角形隸屬函數(shù)作為設計的隸屬度函數(shù)。

（5）模糊推理、解模糊及計算模糊控制查詢表模糊控制器的主要工作是依據(jù)語言規(guī)則進行模糊推理，通過模糊推理，決策出控制變量。本文采用工業(yè)過程模糊控制常用的Mamdani推理法，即加權(quán)平均法。解模糊是根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)計算得出確定的輸出數(shù)值。本文先根據(jù)模糊邏輯運算規(guī)則計算出模糊查詢表，再結(jié)合實際應用，修改該模糊查詢表，如表2所示。通過溫度模糊控制器，將溫度設定值與實際值的偏差ΔT及其偏差變化率ΔTc模糊化后，計算出E和Ec，通過查詢表得出控制輸出變量U，并將此值經(jīng)過解模糊后，得到燃氣流量的修正值Δr，再根據(jù)燃氣流量原先的值，即可優(yōu)化出該溫度下的燃氣流量設定值。

3.2空燃比尋優(yōu)策略

空燃比是均質(zhì)爐燃燒控制的重要參數(shù)，根據(jù)燃燒理論，空燃比是否合理，將反映在爐溫上，合理的空燃比將使爐溫快速的到達設定值。當燃氣流量一定時，空燃比的調(diào)節(jié)實際上是對空氣流量進行調(diào)節(jié)，若空氣過量，將會產(chǎn)生過多的廢氣，不僅損失了大量的熱量，而且會導致爐內(nèi)氧氣過多，造成鋼坯表面嚴重燒損；若空氣缺少，燃氣過量，則會導致燃燒不完全，降低了熱效率，且會產(chǎn)生大量的黑煙，污染環(huán)境。均質(zhì)爐燃燒過程復雜，一般很難建立爐溫與燃氣流量、空氣流量的數(shù)學模型。目前使用的交叉限幅控制，只能保證空燃比在設定的范圍內(nèi)，不能根據(jù)實際情況實時動態(tài)的調(diào)節(jié)，影響了均質(zhì)爐燃燒過程的熱效率。本文采用模糊控制理論來進行空燃比的優(yōu)化，將均質(zhì)爐的實際溫度與設定溫度的偏差作為輸入，通過空燃比模糊尋優(yōu)控制器計算出空氣流量，從而控制閥門，實現(xiàn)空燃比的優(yōu)化。

4結(jié)語

針對均質(zhì)爐燃燒過程的復雜性，本文提出了基于溫度模糊控制策略和空燃比尋優(yōu)控制策略的燃燒系統(tǒng)控制模型，通過優(yōu)化控制軟件，使均質(zhì)爐溫度控制趨于穩(wěn)定，有效降低了溫度的波動，達到了項目預定的技術(shù)要求；避免了空氣過量或者燃氣過量，使空燃比更趨于合理化，保證了燃氣的充分燃燒，減少了鋼坯表面的氧化燒損，有效地提高了燃燒效率，節(jié)約了能源，減少了環(huán)境污染。

參考文獻：

[1]王少．馬鋼CSP加熱爐板坯氧化燒損的控制[J]．安徽冶金，2006（4）：53-55.

[2]王士同.模糊系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡及應用程序設計[M].上海：上海科學技術(shù)文獻出版社，1998.

[3]劉明哲.加熱爐燃燒模糊控制系統(tǒng)及其應用[J].軋鋼，2003，20（2）:12-15.

作者：黃堅 趙木來 謝鑫 單位：中國聯(lián)合工程有限公司