一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法 【技术领域】
本发明涉及热处理技术领域，尤其涉及一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法。
背景技术
目前，国内的工业炉燃烧控制方式包括蓄热式换向燃烧、连续常规燃烧控制等，这些燃烧控制方式多为比例调节形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种控制方式往往受燃料流量的调节范围和测量等环节制约，故目前大多数加热炉的控制效果不佳，主要表现为能耗偏高。
随着工业炉的不断改进，脉冲式燃烧控制技术在国内外得到一定程度的应用，取得了良好效果。脉冲燃烧在这方面比传统比例燃烧具有很大优势，其恒定的空/燃比使燃烧效率保持稳定和最优状态，燃气和空气流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，炉内不会有过剩的空气和燃气，有效地降低了燃料消耗，减少了氮氧化物的排放。
图1所示为脉冲式燃烧控制结构框图，其方法是采用对炉膛温度的控制去间接控制烧钢，以产生工艺特性合格的钢坯。其炉膛温度由热电偶测得，在控制方法上采用经典的PI或PID调节以恒定各段工艺温度设定值，PID温度控制调节的输出值(为0-100％的值，代表功率输出的百分数，用来给脉冲控制器产生脉冲序列)作为脉冲控制器的输入值，脉冲控制器输出控制信号给相应的执行机构，最终通过脉冲控制确定烧嘴的开关时间和序列顺序，同时通过温度反馈单元反馈温度信息。
下面进一步对脉冲式燃烧控制技术存在的技术问题进行介绍。辊底式热处理炉由加热区域和均热区域组成，每个区域又可分为若干个温控段，均热区温度设定为钢坯出炉的目标温度，加热区设定温度由加热工艺决定。炉内没有装钢的情况下，PID温度控制很容易把各温控段温度调节到设定温度，但是一旦进钢，由于刚进入加热区域的冷钢坯温度很低，一般为常温，炉内温度700-900度，温度相差过大，会导致热电偶测得的温度大幅度下降，比设定温度下降100度以上，此时的PID温度调节系统会由于实际温度比设定温度低太多而全力供热调温。而钢坯走后，由于此温控段没有了冷钢坯，所以温度会急剧上升。这种短时间内钢坯来时大幅度的降温和钢坯走后的大幅度升温产生的震荡会给PID温度调节带来困难，产生较大的超调量，使此区域温度比设定温度高出较多。这种情况下的供热已经没有了良好的精度，无论钢坯的宽、厚、长短，都几乎会同样持续全力供热，每块钢坯没有吸收的多余热量或被炉膛吸收或被炉气带走，一旦生产节奏慢下来，即使不加热，炉温也会急剧上升，远超过工艺设定温度，失去了温控的精度也浪费了能源。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法，该方法能提高温控精度，减少损耗。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
①当加热区域的温控段没有钢坯进入的时候，用模糊自适应PID脉冲调节进行温度控制；
②根据热处理炉物料跟踪信息获知有钢坯进入加热区域的时候，切断模糊自适应PID脉冲调节控制，进行热能平衡控制；
③根据热处理炉物料跟踪信息获知钢坯离开的时候，再切换到模糊自适应PID脉冲调节进行温控，恒定此温控段温度；
④在均热区域始终采取常规PID脉冲调节进行温度控制。
步骤①的模糊自适应PID脉冲调节是在常规PID脉冲调节的基础上加入参数模糊校正策略，以使系统动态响应更好，参数模糊校正策略通过离线计算和在线查询实现；
步骤②所述的进行热能平衡控制是切断步骤①的模糊自适应PID脉冲调节控制后，在模糊自适应PID脉冲调节控制的功率输出基础上再加上此加热区域钢坯所要额外吸收热的功率，以保持钢坯走过该温控段，热量供给平衡。
所述步骤①中用模糊自适应PID脉冲调节进行温度控制时，进一步包括以下子步骤：
测量加热区域的温控段的温度偏差e和温度偏差变化率ec，以温度偏差e和温度偏差变化率ec作为模糊输入，以参数校正量ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出；
采用离线建立、计算模糊控制表，存入计算机；
按公式Kp＝Kp0+ΔKp，Ki＝Ki0+ΔKi，Kd＝Kd0+ΔKd，在线修正PID脉冲调节参数，生产中直接由输入对应到输出；Kp表示调整后比例系数，Kp0表示调整前比例系数，ΔKp表示比例系数的校正量；Ki表示调整后积分系数，Ki0调整前积分系数，ΔKi表示积分系数的校正量；Kd表示调整前微分系数，Kd0表示调整后微分系数，ΔKd表示微分系数的校正量。
所述步骤②进行热能平衡控制时，进一步包括以下子步骤：
通过现场实验法确定某种钢坯在某温控区域单位体积和时间所需的供热P1，把此数据记录在控制规则中；
生产中，钢坯进入该区域后从模糊自适应PID脉冲调节切换到此控制方式，该区域某一时刻的输出为X1＝W1+U1，其中W1是钢坯进入此区域前进行模糊自适应PID脉冲调节时的常规输出，U1是为了达到能量平衡进行的额外供热，U1＝(P1×a×b×c)/Y1，其中W1、U1均代表功率输出地百分比(为0-100％的数值)，a、b、c为当前时刻钢坯进入的长、宽、高，Y1为此温控区域最大功率；
钢坯走过此区域后，切换回模糊自适应PID脉冲调节。
本发明具有以下优点和积极效果：
1)本发明在加热区域的温控段采取模糊自适应PID脉冲调节和热能平衡控制供热结合进行加热区域的温控段的控制。有钢坯时按钢坯的体积和钢种特性的供热进行热能平衡控制，没有钢坯时采用模糊自适应PID脉冲调节控制；温控精度更好，系统响应快，超调可控制在10℃以内(提高了温控精度)，控温准确，动态相应快，大大节约燃料。
2)在热处理炉的加热区域的温控段引入模糊自适应实时修正PID参数，使系统动态响应更好，超调更小，调节时间变短，而且带自整定的系统可以更好适应不同的工况调节。
3)本发明改善辊底式连续热处理炉加热段冷钢坯进入而引起炉温大扰动带来的控制困难。
【附图说明】
图1是现有技术中常规PID脉冲调节控制的结构框图。
图2是系统维持原供热情况下温控段温度示意图。
图3是常规PID脉冲调节控制情况下温控段温度示意图。
图4是热能平衡控制情况下温控段温度示意图。
图5是模糊自适应PID脉冲调节控制的结构框图。
图6是模糊自适应PID脉冲调节与常规PID脉冲调节控制响应曲线的比较图。
图7是模糊自适应PID脉冲调节控制中e、ec以及Kp、Ki、Kd的隶属函数图。
图8是本发明加热段整体的控制结构框图。
其中，1-钢坯消耗热量、2-炉膛温度、3-额外供给热量。图5中“d/dt”为将误差对时间求导。
【具体实施方式】
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：
传统的脉冲燃烧的热处理过程中，温度的控制全部采取常规PID脉冲调节控制，而在本发明提供的热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法下，对热处理炉的加热区域和均热区域的温度控制采取不同处理方式，即加热区域根据钢坯进入的时机不同采取不同的温控技术，并对此区域PID控制的参数进行模糊自整定，而均热区域始终采取常规PID脉冲调节进行温度控制。
本发明具体采用如下的步骤：
①当加热区域的温控段没有钢坯进入的时候，用模糊自适应PID脉冲调节进行温度控制；
②根据热处理炉物料跟踪信息获知有钢坯进入加热区域的时候，切断模糊自适应PID脉冲调节控制，进行热能平衡控制；
③根据热处理炉物料跟踪信息获知钢坯离开的时候，再切换到模糊自适应PID脉冲调节进行温控，恒定此温控段温度；
④在均热区域始终采取常规PID脉冲调节进行温度控制。
步骤①的处理使得下一块钢坯到来时，此温控段的工艺温度精确；步骤②的处理使得在模糊自适应PID脉冲调节的功率输出基础上再加上此区域钢坯所要额外吸收热的功率，以保持此钢坯走过该温控段，热量供给平衡，该温控段温度基本不变；步骤③的处理使得钢坯走过该温控段后，及时调整步骤②处理后的温度，减少调节时间，迅速达到精确的工艺温度；步骤④的处理，由于进入均热区域的钢坯温度已经接近炉温，所以钢坯进入此区域不会造成加热区那样剧烈的炉温波动，而均热段又需要有精确的炉膛温度，因而这种情况下采用常规的PID脉冲调节就能带来较高的温度控制精度。
所述步骤①中用模糊自适应PID脉冲调节进行温度控制时，进一步包括以下子步骤：测量加热区域的温控段的温度偏差e和温度偏差变化率ec，以温度偏差e和温度偏差变化率ec作为模糊输入，以参数校正量ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出；采用离线建立、计算模糊控制表，存入计算机；按公式Kp＝Kp0+ΔKp，Ki＝Ki0+ΔKi，Kd＝Kd0+ΔKd，在线修正PID脉冲调节参数，生产中直接由输入对应到输出；Kp表示调整后比例系数，Kp0表示调整前比例系数，ΔKp表示比例系数的校正量；Ki表示调整后积分系数，Ki0调整前积分系数，ΔKi表示积分系数的校正量；Kd表示调整前微分系数，Kd0表示调整后微分系数，ΔKd表示微分系数的校正量。此区域采取模糊规则去修正PID参数原因如下：虽然钢坯进入时采取热平衡控制会对动态响应有很大改善，但是加热段的钢坯进入前和离开后仍接近此温控段，对温度的影响相对均热段来说仍属于较大，且炉温的升降具有强烈的不对称性，且是非线性的。因此固定的PID参数不能很好满足系统的需求，需要不断地校正。
步骤②在原PID控温保持炉温的功率输出基础上再加上此区域钢坯所要额外吸收热的功率，以保持此钢坯走过该温控段，热量供给平衡。由于工艺考虑板坯厚度规格引起的工艺制度的变化，从而由工艺确定不同厚度钢坯速度，所以可以认为钢坯的吸热是跟体积成正比的。
步骤②的具体方法是通过现场实验法确定某种钢坯在某温控区域单位体积和时间所需的供热P1，把此数据记录在控制规则中。若某温控区域最大功率为Y1，生产时，设此种钢坯进入此区域前，此区模糊自适应PID脉冲调节此时的输出为W1(W1为0-100％的数值，代表功率输出的百分比)，钢坯进入该区域后切换控制方式，该段某一时刻的输出为X1＝W1+U1，其中U1(W1为0-100％的数值)是为了达到能量平衡进行的额外供热，U1＝(P1×a×b×c)/Y1。a，b，c为当前时刻钢坯进入的长、宽、高。钢坯走后，切换回模糊自适应PID脉冲调节控制，由于走后的一瞬间a＝0，所以此时的输出X1＝W1，与切换前的模糊自适应PID脉冲调节的输出一致，所以切换可以无扰动。
结合附图2-6的进行比较分析本发明提供的热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法所取得的技术效果。
图2所示为系统维持原供热情况下温控段温度示意图，通过该图可见，在加热段，如果钢坯进入该温控段后系统仍维持原供热，则当钢坯走过后，此温控段温度会由于被钢坯带走一部分而下降。
图3所示为常规PID脉冲调节控制情况下温控段温度示意图，通过该图可见，用常规PID脉冲调节进行温控，因为热电偶测得的温度会由于钢坯的进入和离开大幅度波动，又由于钢坯的种类，体积和前进速度都各不相同，而在PID系统下，大幅度的温度变化又都进行几乎同样的大幅度输出调整。所以系统无法进行准确的温度控制，而导致大的超调，使供热过多，炉温升高，浪费能源。
图4所示为热能平衡控制情况下温控段温度示意图，通过该图可见，热能的平衡控制会在维持原炉温的基础上，额外把钢坯的吸收的热进行补充，按钢坯的吸热去供热，以抵消钢坯带走的温度降低。
图5所示为模糊自适应PID脉冲调节控制(模糊PID自适应脉冲式燃烧控制)的结构框图，通过该图可见，在加热段可以通过模糊规则去不断修正参数Kp、Ki、Kd，使PID参数更好地适应控制系统。
图6所示为模糊自适应PID脉冲调节与常规PID脉冲调节控制响应曲线的比较，通过该图可见，模糊PID比常规的PID有更好的动态响应，调节时间短，超调小，系统响应快。
图7所示为模糊自适应PID脉冲调节控制中e、ec以及Kp、Ki、Kd的隶属函数图。
通过附图2-4的比较可以得知，在加热区域引入热能的平衡控制技术使得温度调节更加精准，并且减少了能量损耗。
图8所示为本发明加热段整体的控制结构框图，通过该图可见，在加热段没有钢坯进入时采取模糊自适应PID脉冲调节进行温度反馈控制，在加热段有钢坯进入时取消模糊自适应PID脉冲调节而采取热能平衡控制进行脉冲调节。
其中加热段模糊PID自适应的建立方法如下：
经过按钢坯体积供热处理的控制温度的波动e的基本论域在(-15～15)℃内，温度变化率ec的基本论域为(-9～9)℃/min；ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本论域分别为(-0.9～0.9)、(-0.09～0.09)、(-0.3～0.3)。模糊语言变量量化到整数论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，因此量化因子Ke＝6/15＝2/5，Kec＝6/9＝2/3；比例因子ΔKUp＝0.9/6＝0.15，ΔKUi＝0.09/6＝0.015，ΔKUd＝0.3/6＝0.005。其模糊子集为e，ec，Kp、Ki、Kd＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
由图7的隶属度函数可得模糊赋值表如下：
根据PID参数整定原则及调试运行经验，可以列出输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制规则如下：
ΔKP的模糊校正规则表
ΔKi的模糊校正规则表
ΔKd的模糊校正控制规则表
模糊控制器的设计采用加权平均的解模糊判决方法，选取隶属度函数作为加权系数，离线利用Matlab编程来实现模糊控制表的计算，结果如下：
ΔKp参数的模糊调整控制表
ΔKi参数的模糊调整控制表
ΔKd参数的模糊调整控制表
将上述查询表存放到PLC中。在过程控制中，PLC直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的误差和误差变化率，由查询表的第i行和第j列找到跟误差和误差变化率对应的，同样以论域元素形式表现的控制量，然后控制量乘以上述的比例因子就得到实际校正控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd。在线自校正PID参数，计算公式如下：
Kp＝Kp0+ΔKp，Ki＝Ki0+ΔKi，Kd＝Kd0+ΔKd。
这样模糊控制策略通过离线计算和在线查询实现，可以得到较好的控制品质和良好的实时性。
加热段能量供给规则的获得过程采取实验法。由于工艺已经考虑了板坯规格引起的工艺制度的变化，从而由工艺确定钢坯速度，所以可以认为钢坯的吸热是跟体积成正比的。每个钢种由工艺制定各温控区经验工艺温度。调试阶段，在某一钢种进入温控段时进行控温，以使该钢坯通过此温控段后，此段温度基本恒定，此时记录试验钢坯的规格和速度。由此温控段所有烧嘴的功率累加可得到供热段的设计总功率Y1，设该钢坯长、宽、高为a，b，c，该温控段长为L1，钢坯速度为V1，通过时间为t1＝(L1+a)/V1，钢坯进入前的输出为W1(W1为0-100％的数值，代表功率输出的百分比)，由钢坯通过期间每时刻的功率输出值很容易累计出钢坯通过其间温控段的总供热Q1。因此钢坯在此区域期间的额外供热可表示为Q＝Q1-W1×Y1×t1，从而可算出此种钢坯在该温控段单位时间单位长度所需供热约为(Q×V1)/[a×b×c×L1]，即该钢种的所需标准单位额定功率，然后把此温控段的此钢种单位额定所需功率、钢种等信息都记录到温度控制的规则中。若工艺对炉温和钢坯速度的设定已考虑了不同钢种吸热不同的因素，则可认为任何种类钢坯经过此区域都具有相同的所需额定功率；若工艺上未作考虑，则还需按此方法在工程调试阶段去完善温度控制的各个钢种规格表格，由此按钢坯体积供热控制规则制定完毕。最后按此规则表格定义的输出功率和模糊PID的自校正规则进行下面的温度控制。
生产时，设此种钢坯进入此区域前，该区以模糊PID调节，PID参数校正规则按上述方法。把炉温控制在工艺设定温度，此时的输出为W1(W1为0-100％的数值，代表功率输出的百分比)，钢坯进入该区域后切换控制方式。为保证供热，切换后该段某一时刻的输出应为X1＝W1+U1，其中U1(U1为0-100％的数值)是为了达到能量平衡进行的额外供热，且U1＝(P1×a×b×c)/Y1，参数a，b，c为当前时刻钢坯进入的长、宽、高。可见，随着钢坯的进入，供热输出会增加；同样随着钢坯的离开，钢坯的供热逐渐减小。钢坯走后，切换回模糊PID控制，由于走后的一瞬间a＝0，所以此时的输出X1＝W1，与切换前的模糊PID输出一致，因此切换可以无扰动。
下面进一步给出本发明的一个具体实施例：
现有一连续退火炉，分12段24区温度控制，每段上下两个温控区。前8段为加热段，后4段为均热段。无钢坯进入时前八段采取模糊PID脉冲燃烧控制，后四段为常规PID脉冲燃烧控制。设某钢种按生产工艺确定设定温度，1-2段820℃，3-4段850℃，5段870℃，6段890℃，7-12段900℃，目标出炉温度900℃，无钢坯时的模糊或常规PID脉冲调节均可进行精确的温度控制。
首先制定按钢坯的体积和钢种特性的供热的控制规则，以加热段1段1区为例说明，进钢时钢坯经过时加大供热功率，用手动调试法控制1区温度，尽量使钢坯走后1区的温度仍保持在820度左右，此时记下该块钢坯的基本数据钢种15MnNbR、长8000mm、宽1800mm、厚60mm、运行速度0.49m/min，以及仪表系统统计的供热量Q1＝1594776kj，由于1区总功率为Y1＝2200kw，进钢前1区输出W1＝13％，且1区长度8000mm，所以可算出钢坯在此区域期间的额外供热为Q＝Q1-W1×Y1×t1＝1034449kj。由此可计算出此钢种在1区的单位标准额定功率P1＝(Q×V1)/[a×b×c×L1]＝1222.22kw。把钢种、P1、Y1的信息记录在控制规则中，初步完成此区的规则定义。
在加热段，钢坯进入此温控区之前，PID控制系统按工艺设定温度把温度控制在820度，其间PID参数进行模糊自整定。整定以Kp举例，如Kp初始设定为1.5，钢坯进入之前区域温度815℃，且以每分钟3℃的速度下降，模糊化后e＝-5×(2/5)＝-2，ec＝-3×(2/3)＝-2，对应ΔKP调整控制表，ΔKP去模糊化为4×0.15＝0.6，所以可得模糊校正后的Kp＝1.5+0.6＝2.1，Ki、Kd也按此校正。调节期间，此时设功率输出为全功率输出的W1＝14％，待钢坯进入1区，切出模糊PID控制，进行按功率输出控制。此时随着钢坯进入此区的体积增加，系统按规则调整加大功率，设钢坯宽1600mm，厚80mm，某时刻进入区域长度4000mm，则此刻的输出功率应为X1＝(1.6×0.08×4×1222.22)/2200+14％＝42.4％，此时按42.4％的功率输出进行脉冲序列控制。
随着钢坯的离开此区，功率输出逐渐减小，直至钢坯完全离开1区，1区无钢，输出功率为14％，切换至模糊PID(若1区仍有钢进来，则不切换，继续按体积功率进行控制)，钢坯离开后将温度仍稳定在820度。
1-8段加热段均如此控制，而9-12段均热段始终按常规PID控制将温度精确稳定在900度。