陳冬玲，黃斌

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州 545006）

改進(jìn)型雙交叉限幅控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳冬玲，黃斌

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州 545006）

針對(duì)加熱爐燃燒系統(tǒng)具有大慣性、滯后性、非線性時(shí)變和負(fù)荷變化頻繁的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的雙交叉限幅控制系統(tǒng)存在爐溫響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且不易穩(wěn)定的缺陷，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于改進(jìn)型雙交叉限幅的燃燒系統(tǒng)，并在實(shí)際的加熱爐上進(jìn)行了投運(yùn)。運(yùn)行結(jié)果表明，該燃燒系統(tǒng)不僅提高了加熱爐爐溫的響應(yīng)速度和控制精度，而且還能夠節(jié)能降耗。

加熱爐；雙交叉限幅；燃燒系統(tǒng)；爐溫

1 引言

目前，鋼鐵行業(yè)不僅正面臨著產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇等市場(chǎng)問(wèn)題，還面臨著國(guó)家提高環(huán)保指標(biāo)，節(jié)能降耗等政策問(wèn)題。而在鋼廠里，加熱爐正是軋材系統(tǒng)里面最主要的能源消耗設(shè)備。因此，如何最大限度地提高加熱爐的熱效率，降低能源消耗，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，已成為當(dāng)前各個(gè)鋼廠所不得不面對(duì)的最重要的課題之一。

加熱爐燃燒系統(tǒng)是個(gè)典型的非線性時(shí)變、大慣性、大滯后的控制系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的雙交叉限幅控制算法和常規(guī)的PID控制算法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)在燃燒時(shí)始終維持低過(guò)?？諝庀禂?shù)，從而保證了較高的燃燒效率，減少了排煙對(duì)環(huán)境的污染，但是仍然存在爐溫調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不易穩(wěn)定的缺陷，特別是當(dāng)軋線更換品種、規(guī)格時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少鋼坯燒損的目的，就對(duì)加熱爐爐溫的響應(yīng)能力和控制精度提出了更高的要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用了改進(jìn)型的雙交叉限幅算法和變結(jié)構(gòu)PID算法，可以在保證有較好的爐溫控制品質(zhì)的前提下，有效地提高響應(yīng)速度3倍，使之適應(yīng)加熱爐熱負(fù)荷周期、快速變化的需要。

2 改進(jìn)型雙交叉限幅系統(tǒng)原理

2.1 動(dòng)態(tài)設(shè)定限幅系數(shù)的雙交叉限幅系統(tǒng)原理

雙交叉限幅燃燒系統(tǒng)實(shí)際上是以爐溫調(diào)節(jié)為主回路，以燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁空{(diào)節(jié)并列為副回路的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)雙交叉限幅，副回路控制器會(huì)在主回路的輸出以及防止燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)氧和缺氧燃燒的上下限中選擇一個(gè)合適的值給副回路控制器作為設(shè)定值，這樣，燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繒?huì)嚴(yán)格地按照一個(gè)合理的比值交替地上升，使實(shí)際的空燃比保持在合理的范圍之內(nèi)，從而保證較高的燃燒效率。

當(dāng)加熱爐“實(shí)際溫度”低于“設(shè)定溫度”時(shí)，爐溫溫度PID輸出信號(hào)增大，則經(jīng)過(guò)空燃比換算后的空氣理論計(jì)算值也同樣增大，再經(jīng)過(guò)空氣的高限幅值與空氣的低限幅值選擇后，則空氣流量給定值也會(huì)逐步增大，則空氣實(shí)際值也會(huì)逐漸增大；同時(shí)，由空氣實(shí)際值除以空燃比得到的燃?xì)饨徊嬷狄矔?huì)增大，則燃?xì)饬髁拷o定值也逐步增大?？梢?jiàn)，在升溫階段，先增加空氣量，后增加燃?xì)饬?，可以防止在過(guò)渡過(guò)程中燃燒效率不高的情況。

當(dāng)加熱爐“實(shí)際溫度”高于“設(shè)定溫度”時(shí)，爐溫溫度PID輸出信號(hào)減小，則經(jīng)過(guò)換算后的燃?xì)饫碚撚?jì)算值也同樣減少，再經(jīng)過(guò)燃?xì)獾母呦薹岛腿細(xì)獾牡拖薹颠x擇后，則燃?xì)饬髁拷o定值也會(huì)逐步減小，則燃?xì)鈱?shí)際值也會(huì)逐漸減少；同時(shí)，由燃?xì)鈱?shí)際值乘以空燃比得到的空氣交叉值也會(huì)減少，則空氣流量給定值也逐步減小?？梢?jiàn)，在降溫階段，先減小燃?xì)饬?，后減少空氣量，可以防止在過(guò)渡過(guò)程中避免煙囪冒黑煙。

在傳統(tǒng)的雙交叉限幅系統(tǒng)中，雖然有較好的爐溫控制品質(zhì)，可以做到不僅在穩(wěn)態(tài)時(shí)燃燒效率高，而且在過(guò)渡過(guò)程燃燒效率也高，但是也存在溫度響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺陷。因此，本系統(tǒng)將限幅系數(shù)由傳統(tǒng)的固定值改為根據(jù)設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值的偏差來(lái)設(shè)定的動(dòng)態(tài)值。從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使之適應(yīng)加熱爐負(fù)荷周期快速變化的需要。其燃燒系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型雙交叉限幅燃燒系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of improved double-crossing clipping system

2.2 變結(jié)構(gòu)PID算法

由于加熱爐燃燒系統(tǒng)屬于典型的非線性控制系統(tǒng)，所以傳統(tǒng)的PID算法在燃燒的過(guò)程中出現(xiàn)較大擾動(dòng)和設(shè)定值大幅度變化時(shí)，短期內(nèi)系統(tǒng)的輸出會(huì)有較大偏差，又由于燃燒系統(tǒng)存在大慣性和滯后性的特點(diǎn)，在積分項(xiàng)的作用下，勢(shì)必會(huì)引起系統(tǒng)輸出較大的超調(diào)量和產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，而這些情況在鋼材生產(chǎn)過(guò)程中是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。因此，本系統(tǒng)將變結(jié)構(gòu)PID算法作為流量控制器的核心算法，當(dāng)偏差較大時(shí)，為了避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩和超調(diào)，將采用開(kāi)度控制法，從而保證系統(tǒng)既能穩(wěn)定工作，又能維持較好的空燃配比；當(dāng)偏差小到一定范圍時(shí)，自動(dòng)改變控制結(jié)構(gòu)，采用位置式PID算法，以便消除靜差，提高系統(tǒng)控制精度。

3 燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 動(dòng)態(tài)設(shè)定限幅系數(shù)數(shù)學(xué)模型

由于限幅系數(shù)的大小直接影響著燃燒系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。而設(shè)定值太小雖然能提高控制精度達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，但是系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程調(diào)整時(shí)間太長(zhǎng)；而設(shè)定值太大雖然能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但是控制精度會(huì)下降，不能達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。因此，本文采用動(dòng)態(tài)限幅帶的方式設(shè)定限幅系數(shù)，從而既能有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，又能保證控制精度不受影響，使之適應(yīng)加熱爐熱負(fù)荷周期快速變化的需要。公式如下：

式中：k為限幅系數(shù)；kmax為限幅系數(shù)最大值；kmin為限幅系數(shù)最小值；Tsp_int為爐溫設(shè)定值；Tpv_in為爐溫實(shí)際值；T1為限幅系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的溫度差值。

3.2 空氣理論計(jì)算值和燃?xì)饨徊嬷禂?shù)學(xué)模型

當(dāng)實(shí)際爐溫低于設(shè)定溫度時(shí)，燃燒系統(tǒng)首先提高空氣流量，然后再提高燃?xì)饬髁?。其中空氣理論?jì)算值再經(jīng)過(guò)空氣的高限幅值與空氣的低限幅值選擇后等于空氣流量的給定值，其燃?xì)饬髁康慕o定值等于燃?xì)饨徊嬷?，從而保證燃?xì)獾某浞秩紵?。公式如下?/p>

式中：SAirout為空氣理論計(jì)算值；Gasscale為燃?xì)饬髁孔畲笾担籘lmn為溫度PID控制器輸出值；AGratio為空燃比。

式中：SGascoss_value為燃?xì)饨徊嬷?；Pvair為空氣流量實(shí)際值。

3.3 空氣的高限幅值和空氣的低限幅值數(shù)學(xué)模型

在升溫階段，空氣的高限幅值與空氣的低限幅值能夠有效限制空氣的流量速度，從而保證爐溫和爐壓的穩(wěn)定。

式中：SAairhigh_limit為空氣的高限幅值；SAairlow_limit為空氣的低限幅值；Pvgas為燃?xì)饬髁繉?shí)際值。

3.4 燃?xì)饫碚撚?jì)算值和空氣交叉值數(shù)學(xué)模型

當(dāng)實(shí)際爐溫高于設(shè)定溫度時(shí)，燃燒系統(tǒng)首先降低燃?xì)饬髁浚缓笤俳档涂諝饬髁?。其中燃?xì)饫碚撚?jì)算值再經(jīng)過(guò)燃?xì)獾母呦薹蹬c燃?xì)獾牡拖薹颠x擇后等于燃?xì)饬髁康慕o定值，其空氣流量的給定值等于空氣交叉值，從而保證節(jié)能降耗，避免煙囪冒黑煙。公式如下：

式中：SGasout為燃?xì)饫碚撚?jì)算值；Gasscale為燃?xì)饬髁孔畲笾怠?/p>

式中：SAircross_value為空氣交叉值。

3.5 燃?xì)獾母呦薹岛腿細(xì)獾牡拖薹禂?shù)學(xué)模型

在降溫階段，燃?xì)獾母呦薹蹬c燃?xì)獾牡拖薹的軌蛴行拗迫細(xì)獾南陆邓俣?，從而保證爐溫和爐壓的穩(wěn)定。

式中：SGashigh_limit為燃?xì)獾母呦薹?；SGaslow_limit為燃?xì)獾牡拖薹担?/AGratio為燃空比。

3.6 變結(jié)構(gòu)PID數(shù)學(xué)模型

當(dāng)偏差較大時(shí)，即當(dāng) ||e(k)≥ ||δ時(shí)，

當(dāng)偏差較小時(shí)，即 ||e(k)≤ ||δ時(shí)，

式中：Tsp_int為爐溫設(shè)定值；Tpv_in為爐溫實(shí)際值；e(k)為溫度偏差值；δ為溫度偏差閥值；Km為線性比例系數(shù)；ρ(i)為閥門(mén)開(kāi)度最小變化量；u(k)為控制器輸出；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

4 工程應(yīng)用效果

上述控制策略已經(jīng)應(yīng)用到某鋼鐵公司棒線廠的一條棒材生產(chǎn)線的蓄熱式加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)中。系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-400系列PLC作為核心控制器，組態(tài)軟件WINCC完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史紀(jì)錄的存儲(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)行前相關(guān)參數(shù)的設(shè)定如下。

1）限幅系數(shù)最大值kmax=18；限幅系數(shù)最小值kmin=12；限幅系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的溫度差值T1=50。

2）空燃比AGratio=4.5。

3）閥門(mén)開(kāi)度最小變化量ρ(i)=5%；溫度偏差閥值δ=30℃。

系統(tǒng)自2010年投入使用以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。圖2為采用了具有“動(dòng)態(tài)限幅帶”的改進(jìn)型雙交叉限幅控制方法的均熱段在過(guò)渡階段時(shí)的爐溫實(shí)際曲線。圖3為均熱段在正常生產(chǎn)階段的爐溫實(shí)際曲線。

圖2 均熱段過(guò)渡階段的爐溫曲線Fig.2 The temperature curves of thermal heat transition stage

圖3 均熱段生產(chǎn)階段的爐溫曲線Fig.3 The temperature curves of heat production stage

工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，采用了具有“動(dòng)態(tài)限幅帶”的改進(jìn)型雙交叉限幅控制方法的燃燒系統(tǒng)，不僅具有較高的控制精度，還具有快速的系統(tǒng)響應(yīng)速度，從而更加適應(yīng)鋼廠的快速變化需要（突然性的保溫待軋、快速升溫、快速降溫、軋制節(jié)奏的突變等）。

5 結(jié)論

加熱爐燃燒系統(tǒng)是軋鋼電氣控制系統(tǒng)中最復(fù)雜、最有價(jià)值的部分，在節(jié)能降耗方面起著重要的作用。本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型雙交叉限幅控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)有著更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度和更高的控制精度。該系統(tǒng)自2010年在某棒線廠運(yùn)用以來(lái)，既節(jié)約了能源，又保證了工藝質(zhì)量，大大增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 張晶濤，錢(qián)曉龍，王偉，等.步進(jìn)式加熱爐燃燒控制的新方法［J］.控制與決策，2001，16（3）：269-272.

［2］ 李彪.回火爐燃燒控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2009（5）：113－114.

［3］ 陳友文，柴天佑.基于雙交叉限幅PID-RBR的加熱爐溫度控制［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（9）：1217-1220.

［4］ 馬翠紅，張涌濤，紀(jì)玉榮.基于組態(tài)軟件的加熱爐生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2004，25（11）：60-62.

［5］ 宋伯生.PLC編程實(shí)用指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］ 范立南，李雪飛.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

修改稿日期：2014-12-04

Design and Application of Improved Double-crossing Clipping Control System

CHEN Dong-ling，HUANG Bin
（Department of Mechatronics Engineering，Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou545006，Guangxi，China）

The furnace temperature uneasily keep steady state and take a long response time in the traditional double-crossing clipping control system because traditional double-crossing clipping control system has some special characteristics such as large inertia，long delay，nonlinear time varying and frequently varying load.In order to overcome the defects，the improved double-crossing clipping combustion system was designed and applied to actual reheat furnace.The application results show that the combustion system can increase the furnace temperature control accuracy and improve rapid responding with the energy-saving.

reheat furnace；double-crossing clipping；combustion system；furnace temperature

TG334.9

B

2014年度廣西教育廳科研項(xiàng)目（YB2014497）

陳冬玲（1971-），女，碩士，副教授，Email：1225071934@qq.com

2014-10-13