本发明涉及冶炼设备领域， 尤其涉及明火加热炉炉温控制方法及控制设 备。 背景技术

连续退火的卧式炉一种比较常见的加热炉， 炉内沿带钢行进方向划分为若 干区， 分区控制炉温。 炉温测量的准确性严重影响产品的质量和性能 ， 对于产 品性能来说炉温精度至关重要， 炉温精度下降会直接导致产品性能不合格。 一 般的温度控制系统因为烧嘴的功率设计较大， 导致温度调节时热滞后和热惯性 较大， 使稳态时炉温曲线呈等幅振荡， 非稳态时过渡时间长， 这些都严重影响 了产品的性能和成材率。 通常的炉温控制方法为双交叉 PID控制， 这种方法通 过煤气和空气的比例以及比例的互相牵制来达 到控制炉温的目的。 这种控制方 法对热滞后较小的系统效果较好， 但退火炉一般炉内的热惯性和热滞后较大， 炉温控制难度较大； 此外对于 PID控制方法来讲， 一种是追求快速响应， 还有 一种就是追求稳定。 如果追求快速响应， 过渡时间是会缩短， 但是超调会变大， 炉温很难稳定下来； 如果追求稳定， 稳态炉温精度虽然好， 但是炉温过渡时间 势必很长，使控制陷入一种两难境地。另外 PID调节毕竟是一种稳态调节方法， 对来料情况以及温度设定值变化的前瞻性缺乏 预判， 对非稳态滞后的情况调节 手段不多， 调节效果也不太好， 需要前馈控制对非稳态滞后控制进行补偿。 发明概述

本发明的目的旨在克服上述炉温控制中存在的 问题， 提供一种明火加热炉 炉温控制方法及控制设备。

根据本发明的一方面， 提出一种明火加热炉炉温控制方法， 包括： 监测炉温， 获得炉温反馈值；

根据炉温反馈值和炉温设定值计算炉温设定值 与炉温反馈值的差值， 将该 差值作为偏差值 DV _{1 ;}

计算单位时间内炉温设定值与炉温反馈值的差 值， 即炉温变化值的斜率作 为偏差值 DV ₂ ;

从明火加热炉机组的速度调节器获取明火加热 炉机组速度 V, 根据明火加 热炉机组速度 V获得第一多前馈输出分量 FF _V ;

根据炉温设定值与炉温反馈值的差值， 偏差值 DVi获得第二多前馈输出分 量 FF _T ;

根据偏差值 DVi和 DV ₂ ,基于模糊控制规则查找 PID控制参数，并根据 PID 控制参数产生调节控制参数 OP _{1 ;}

由调节控制参数 OPi结合第一多前馈输出分量 FF _V 和第二多前馈输出分量 FF _T 作为最终的控制输出值对到煤气流量调节 阀和空气流量调节阀进行控制。

根据本发明的另一方面， 提出一种明火加热炉炉温控制设备， 包括： 热电偶， 靠近烧嘴设置， 热电偶用于监测炉温， 热电偶具有模数转换模块 输出炉温反馈值；

炉温差值计算模块， 连接到热电偶的模数转换模块， 炉温差值计算模块保 存炉温设定值， 炉温差值计算模块根据炉温反馈值和炉温设定 值计算炉温设定 值与炉温反馈值的差值并将该差值作为偏差值 DV _1;

炉温变化斜率计算模块， 连接到炉温差值计算模块， 计算单位时间内炉温 设定值与炉温反馈值的差值， 即炉温变化值的斜率作为偏差值 DV ₂ ;

明火加热炉机组的速度调节器， 用于获取明火加热炉机组速度 V； 第一多前馈模块， 连接到速度调节器， 根据明火加热炉机组速度 V获得第 一多前馈输出分量 FF _V ;

第二多前馈模块， 连接到炉温差值计算模块， 根据炉温设定值与炉温反馈 值的差值， 偏差值 DVi获得第二多前馈输出分量 FF _T ;

调节控制参数产生模块， 连接到炉温差值计算模块和炉温变化斜率计算 模 块，根据偏差值 DV ₁ 和 DV ₂ ,基于模糊控制规则查找 PID控制参数，并根据 PID 控制参数产生调节控制参数 OP _{1 ;}

流量控制器， 连接到调节控制参数产生模块、 第一多前馈模块和第二多前 馈模块， 由调节控制参数 OPi结合第一多前馈输出分量 FF _V 和第二多前馈输出 分量 FF _T 产生最终的控制输出值；

煤气流量调节阀， 连接到流量控制器， 根据最终的控制输出值调节煤气流 量；

煤气流量检测器， 连接到流量控制器， 检测当前煤气流量并反馈； 空气流量调节阀， 连接到流量控制器， 根据最终的控制输出值调节空气流 量；

空气流量检测器， 连接到流量控制器， 检测当前空气流量并反馈。

本发明的控制方法及控制设备采用模糊控制算 法， 无需建立前向通道的传 递函数， 对非线性、 时变性以及规律性不是非常明确的系统具有一 定的适应能 力及快速性好的优点， 对机组稳态控制效果较好； 多前馈控制对来料情况以及 温度设定值变化前瞻性预判效果较好， 本发明针对连续退火炉炉温控制的特点 设计了模糊控制算法， 利用模糊控制擅长稳态控制和多前馈控制擅长 非稳态控 制的特点， 将模糊控制与多前馈控制及 PID控制结合， 构建多前馈模糊控制系 统。

本发明的明火加热炉炉温控制方法和控制设备 的基本思想是通过炉温变 化量和炉温变化率得到炉温偏差的数值以及炉 温变化的趋势， 设计模糊控制算 法和模糊控制规则， 利用模糊控制擅长稳态控制和前馈控制擅长非 稳态控制的 特点，针对不同情况采用不同的多前馈补偿值 和模糊控制规则，采取不同的 PID 参数组合， 做到大偏差时能够快速响应， 迅速调节， 缩小过渡时间。 小偏差时 调节趋势趋缓， 超调变小， 炉温能够很快稳定下来， 提高炉温控制精度。 附图说明

图 1是根据本发明的明火加热炉炉温控制方法的� �程图。

图 2是根据本发明的明火加热炉炉温控制设备的� �构图。

图 3揭示了本发明的明火加热炉炉温控制方法的� �本控制逻辑。 发明的详细说明

参考图 1所示， 本发明揭示了一种明火加热炉炉温控制方法， 包括如下的 步驟：

5101. 监测炉温， 获得炉温反馈值。

5102. 根据炉温反馈值和炉温设定值计算炉温设定值 与炉温反馈值的差 值， 将该差值作为偏差值 D¼。 在一个实施例中， 炉温设定值与炉温反馈值的 偏 差 值 D 被设定 为 一 个模 糊 控制 子 集 ， 模糊 控制 子 集 E ={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={ ^大， 负 中， 负小， 零， 正小， 正中， 正 大}={-18,-12,-6,0,6,12,18}。 即根据偏差值 DVi与集合 {-18,-12,-6,0,6,12,18} 的大小比较将偏差值 DVi划入到集合 {负大， 负中， 负小， 零， 正小， 正中， 正大 }中， 并使用集合 {NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}表示。

5103. 计算单位时间内炉温设定值与炉温反馈值的差 值， 即炉温变化值的 斜率作为偏差值 DV ₂ 。 在一个实施例中， 炉温变化值的斜率作为偏差值 DV ₂ 被 设定为一个模糊控制子集， 模糊控制子集 EC ={NM,NS,ZE,PS,PM}={负中， 负 小， 零， 正小， 正中 }={-1.5,-1,0,1,1.5}。 即根据偏差值 DV ₂ 与集合 {-1.5,-1,0,1,1.5}的大小比较将偏差值 DV ₂ 划入到集合 {负中， 负小， 零， 正小， 正中 }中， 并使用集合 {NM,NS,ZE,PS,PM}表示。

5104. 从明火加热炉机组的速度调节器获取明火加热 炉机组速度 V, 根据 明火加热炉机组速度 V获得第一多前馈输出分量 FF _V 。 在一个实施例中， 该步 驟 S104实现如下： 根据明火加热炉机组速度 V, 基于下述的表 1获得第一多 前馈输出分量 FF _V:

即， 对于不同的明火加热炉机组速度 v的范围， 对应不同的第一多前馈输 出分量 FF _V 。 FFvi到 FF _V7 是一组设定的参数。在一个实施例中， FF _V 的取值如下： FF _V5 =8; FF _V6 = 10; FF _V7 = 12。

S105. 根据炉温设定值与炉温反馈值的差值， 偏差值 DVi获得第二多前馈 输出分量 FF _T 。 在一个实施例中， 该步驟 S105实现如下： 根据炉温设定值与炉 温反馈值的差值 DVi基于下述的表 2获 二多前馈输出分量 FF _T:

FF _T FFTI FF _T2 FF _T3 FF _T4 FF _T5 FF _T6 FF _T7 即， 对于不同的炉温设定值与炉温反馈值的差值 DV ₁ 的范围， 对应不同的 第二多前馈输出分量 FF _T 。 ^到 FF _T7 是一组设定的参数。 在一个实施例中， FF _T 的取值如下: FFJI = 6 ; FF _T5 =- 1.6 ; FF _T6 =-3.5 ; FF _T7 =-6。 II

寸

S106. 根据偏差 o值 DV ₁ 和 DV ₂ , 基于模糊控制规则查找 PID控制参数， 并 根据 PID控制参数产生调节控制参数 OPi。 在一个实施例中， 模糊控制规则如

II

下： O

根据 DV ₁ 和 DV ₂ 的子集， 基于下述的表 3获取模糊规则结果：

表 3

模糊规则规则结果包括 NB、 NM、 NS、 ZE、 PS、 PM和 PB几种， 根据模

II

糊规则结果， 基于下述的表 4获取 PID参数基本值： 寸

o 表 4

每一个模糊规则结果对应了参数 P、 I和 D的一组取值， 即参数基本值， 其中 Pl-P7、 11-17以及 D1-D7都是预定的参数基本值。 在一个实施例中， PID 参数基本值的取值为：

P P3=55 P4=60 P5=55 P6=45 I 12=55 13=60 15=65 17=45

D Dl = 30 D5=45 D7=35 根据 PID参数基本值， 根据下述的公式计算 PID控制参数:

PID(k)=Kp[e(k)-e(k-l)]+Kie(k)+Kd(e(k)_2e(k-l)+(k-2)),

其中 k是第 k II次采用周期、 Kp是比例环节、 e(k)是第 k次采样周期的偏差 值、 Ki = KpT/Ti o

、 Kd = KpTd/T、 T为采样周期、 Ti为积分时间、 Td为微分时间。

Q

根据 PID控制参数得到调节控制参数 0Pi。

II

S107. 寸

由调节控制参数 O oPi结合第一多前馈输出分量 FF _V 和第二多前馈输 出分量 FF _T 作为最终的控制输出值 Q对到煤气流量调节阀和空气流量调节阀进行

II

控制。 寸

o

参考图 2所示， 本发明还揭示了一种明火加热炉炉温控制设备 ， 该设备包

寸寸

II

括： 热电偶 201、 炉温差值计算模块 202、 炉 II温寸变化斜率计算模块 203、 明火 o o

加热炉机组的速度调节器 204、 第一多前馈模块 205、 第二多前馈模块 206、 调节控制参数产生模块 207、 流量控制器 208、 煤气流量调节阀 209、 煤气流 量检测器 210、 空气流量调节阀 211和空气流量检测器 212。

Q

热电偶 201靠近烧嘴 200设置， 热电偶 201用于监测炉温 II， 热电偶具有

II寸

模数转换模块 201b输出炉温反馈值。 o o

炉温差值计算模块 202连接到热电偶 201的模数转换模块 201b , 炉温差 值计算模块 202保存炉温设定值，炉温差值计算模块 202根据炉温反馈值和炉 温设定值计算炉温设定值与炉温反馈值的差值 并将该差值作为偏差值 DVi。 在 一个实施例中， 炉温设定值与炉温反馈值的偏差值 DV^ 设定为一个模糊控制 子集， 模糊控制子集 E ={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={负大, 负中， 负小， 零， 正小， 正中， 正大 }={-18,-12,-6,0,6,12,18}。 即根据偏差值 DVi 与集合 {-18,-12,-6,0,6,12,18}的大小比较将偏差值 DVi划入到集合 {负大，负中，负小， 零， 正小， 正中， 正大 }中， 并使用集合 {NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}表示。

炉温变化斜率计算模块 203连接到炉温差值计算模块 202, 炉温变化斜率 计算模块 203计算单位时间内炉温设定值与炉温反馈值的 差值， 即炉温变化值 的斜率作为偏差值 DV ₂ 。 在一个实施例中， 炉温变化值的斜率作为偏差值 DV ₂ 被设定为一个模糊控制子集， 模糊控制子集 EC ={NM,NS,ZE,PS,PM}={负中， 负小， 零， 正小， 正中 }={-1.5,-1,0,1,1.5}。 即根据偏差值 DV ₂ 与集合 {-1.5,-1,0,1,1.5}的大小比较将偏差值 DV ₂ 划入到集合 {负中, 负小， 零， 正小， 正中 }中， 并使用集合 {NM,NS,ZE,PS,PM}表示。

明火加热炉机组的速度调节器 204, 用于获取明火加热炉机组速度V。 第一多前馈模块 205, 连接到速度调节器 204, 根据明火加热炉机组速度 V获得第一多前馈输出分量 FF _V 。 在一个实施例中， 第一多前馈模块 205根据 明火加热炉机组速度 V, 基于下述的表 1 得第一多前馈输出分量 FF _V:

即， 对于不同的明火加热炉机组速度 v的范围， 对应不同的第一多前馈输 出分量 FF _V 。 ^到 FF _V7 是一组设定的参数。在一个实施例中， FF _V 的取值如下： FF _V5 =8; FF _V6 =10; FF _V7 =12。

第二多前馈模块 206, 连接到炉温差值计算模块 202, 根据炉温设定值与 炉温反馈值的差值， 偏差值 DVi获得第二多前馈输出分量 FF _T 。 在一个实施例 中， 第二多前馈模块 206根据炉温设定值与炉温反馈值的差值 DVi基于下述的 表 2获得第二多前馈输出分量 FF _T:

即， 对于不同的炉温设定值与炉温反馈值的差值 DV ₁ 的范围， 对应不同的 第二多前馈输出分量 FF _T 。 ^到 FF _T7 是一组设定的参数。 在一个实施例中， FF _T 的取值如下: FF _T5 =-1.6; FF _T6 =-3.5; FF _T7 =-6。

调节控制参数产生模块 207连接到炉温差值计算模块 202和炉温变化斜率 计算模块 203, 根据偏差值 DV ₁ 和 DV ₂ , 基于模糊控制规则查找 PID控制参数, 并根据 PID控制参数产生调节控制参数 OPi。 在一个实施例中， 模糊控制规则 如下：

根据 DV ₁ 和 DV ₂ 的子集， 基于下述的表 3获取模糊规则结果:

表 3

模糊规则规则结果包括 NB、 NM、 NS、 ZE、 PS、 PM和 PB几种， 根据模 糊规则结果， 基于下述的表 4获取 PID参数基本值：

表 4

每一个模糊规则结果对应了参数 P、 I和 D的一组取值， 即参数基本值， 其中 Pl-P7、 11-17以及 D1-D7都是预定的参数基本值。 在一个实施例中， PID 参数基本值的取值为：

根据 PID参数基本值， 根据下述的公式计算 PID控制参数：

PID(k)=Kp[e(k)-e(k-l)]+Kie(k)+Kd(e(k)_2e(k-l)+(k-2)),

其中 k是第 k次采用周期、 Kp是比例环节、 e(k)是第 k次采样周期的偏差 值、 Ki = KpT/Ti、 Kd = KpTd/T、 T为采样周期、 Ti为积分时间、 Td为微分时间。 调节控制参数产生模块 207根据 PID控制参数得到调节控制参数 OPi。 流量控制器 208,连接到调节控制参数产生模块 207、第一多前馈模块 205 和第二多前馈模块 206, 由调节控制参数 OPi结合第一多前馈输出分量 FF _V 和 第二多前馈输出分量 FF _T 产生最终的控制输出值。

煤气流量调节阀 209, 连接到流量控制器 208, 根据最终的控制输出值调 节煤气流量。

煤气流量检测器 210, 连接到流量控制器 208, 检测当前煤气流量并反馈。 空气流量调节阀 211 , 连接到流量控制器 208, 根据最终的控制输出值调 节空气流量。

空气流量检测器 212, 连接到流量控制器 208, 检测当前空气流量并反馈。 本发明的明火加热炉炉温控制方法的基本控制 逻辑是通过炉温变化量和 炉温变化率得到炉温偏差的数值和炉温变化的 趋势。 通过模糊控制规则， 利用 模糊控制擅长稳态控制和多前馈控制擅长非稳 态控制， 针对不同情况采用不同 的多前馈补偿值和模糊控制规则， 采取不同的 PID参数组合， 做到大偏差时能 够快速响应， 迅速调节， 缩小过渡时间。 小偏差时调节趋势趋缓， 超调变小， 炉温能够很快稳定下来， 提高炉温控制精度。 图 3揭示了本发明的明火加热炉 炉温控制方法的基本控制逻辑。

本发明的明火加热炉炉温控制方法和控制设备 的基本思想是通过炉温变 化量和炉温变化率得到炉温偏差的数值以及炉 温变化的趋势， 设计模糊控制算 法和模糊控制规则， 利用模糊控制擅长稳态控制和前馈控制擅长非 稳态控制的 特点，针对不同情况采用不同的多前馈补偿值 和模糊控制规则，采取不同的 PID 参数组合， 做到大偏差时能够快速响应， 迅速调节， 缩小过渡时间。 小偏差时 调节趋势趋缓， 超调变小， 炉温能够很快稳定下来， 提高炉温控制精度。