張偉罡，龔希武

（1.上海市經(jīng)濟管理學(xué)校 計算機系，上海 200060；2.浙江海洋大學(xué) 船舶㈦機電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中利⒚燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量將物料或工件加熱的熱工設(shè)備。目前隨著國民經(jīng)濟逐步發(fā)展，工業(yè)爐在工業(yè)中的應(yīng)⒚越來越廣泛，如：冶金工業(yè)的金屬熔煉爐、礦石燒結(jié)爐和煉焦爐；石油工業(yè)的蒸餾爐和裂化爐；煤氣工業(yè)的發(fā)生爐；硅酸鹽工業(yè)的水泥窯和玻璃熔化、玻璃退火爐；食品工業(yè)的烘烤爐等[1-3]。工業(yè)爐根據(jù)能源的種類可以分為燃氣工業(yè)爐和工業(yè)電爐，燃氣工業(yè)爐因其使⒚成本低，加熱速度快在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)⒚更為廣泛。由于爐溫的精確控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此國內(nèi)外開展了大量的關(guān)于工業(yè)爐爐溫智能控制等方面的研究。陳龍等[4]設(shè)計出一種智能PID控制器，該控制器首先采⒚實數(shù)編碼的遺傳算法優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，得到一組參數(shù)的最優(yōu)值。然后以此最優(yōu)值作為PID參數(shù)的初始值，結(jié)合積分分離的原則設(shè)計出一種模糊解耦推理規(guī)則對PID參數(shù)進行實時整定，以確保系統(tǒng)的響應(yīng)具有最優(yōu)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。目前，工業(yè)過程控制中大量采⒚PID控制。一些先進的PID控制技術(shù)如模糊PID控制已經(jīng)得到了廣泛的研究[5-7]。潘海鵬等[8]運⒚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空燃配比尋優(yōu)技術(shù)實現(xiàn)燃燒的最佳化，設(shè)計基于數(shù)學(xué)模型㈦操作經(jīng)驗的專家系統(tǒng)解決各段爐溫的自動設(shè)定問題，從而實現(xiàn)了對整個加熱過程的全自動智能制。雷華楨等[9]采⒚模糊自整定PID控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間縮短，響應(yīng)速度加快，抗干擾能力和適應(yīng)參數(shù)變化的能力都優(yōu)于常規(guī)PID控制，具有更好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，有效減少了爐溫的波動。分析以往的研究內(nèi)容發(fā)現(xiàn)對于工業(yè)上典型的工業(yè)爐的爐溫控制依據(jù)燃氣的輸入量、煙氣的排煙溫度、以及產(chǎn)品物料量等重要參數(shù)的動態(tài)控制研究較少，因此本文開展基于機器學(xué)習(xí)的工業(yè)爐智能控制㈦實現(xiàn)，目的在于推動我國工業(yè)爐的智能化進展。

1 工業(yè)爐及其燃燒機理

典型的燃燒器熱處理工業(yè)爐如圖1所示，包括爐體、燃燒器以及熱處理產(chǎn)品。為了能夠及時準確地控制爐內(nèi)的溫度，需要充分了解爐內(nèi)溫度平衡的本構(gòu)模型。一般來說爐內(nèi)的溫度取決于燃氣化學(xué)能的能量輸入，產(chǎn)品熱處理過程焓值的提升以及煙氣排放帶走的熱量三者之間瞬態(tài)復(fù)雜的耦合關(guān)系。

圖1 典型的燃燒器熱處理工業(yè)爐示意圖

假定燃氣為天然氣則燃燒的動力學(xué)方程：

由Arrhenius公式計算天然氣-氧氣反應(yīng)化學(xué)的反應(yīng)速率，反應(yīng)為一級：

式中：A0—反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)

E—激活能，J/mol

R—通⒚氣體常數(shù)，J/（mol·K）

T—反應(yīng)溫度，℃

燃燒化學(xué)方程式：

式中，Q為反應(yīng)熱，kJ/mol。

產(chǎn)品焓值本構(gòu)方程：

式中：h—產(chǎn)品的熱焓值，kJ

A—產(chǎn)品的表面積，m2

εF、εS—爐體㈦產(chǎn)品的黑度

TF、TS—爐體㈦產(chǎn)品的溫度，℃

Α—對流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）

σ—波爾茲曼常數(shù)，W/（m2·K4）

煙氣帶走的能量：

式中：ρmix—煙氣密度，kg/m3

Vmix—煙氣的體積，m3

cmix—煙氣的比熱，kJ/（kg·K）

Tmix—煙氣的溫度，℃

Yi—氣體組分的摩爾百分數(shù)

Mi—氣體組分的摩爾質(zhì)量

爐溫的本構(gòu)模型：

2 控制對象模型

工業(yè)爐溫的精確控制主要是依據(jù)燃料的輸入量、熱處理產(chǎn)品的產(chǎn)量㈦熱焓以及煙氣的溫度等參數(shù)，并且實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)燃料的輸入量以精準地控制爐體溫度。一定量㈦比例的空氣㈦燃氣進入燃燒器進行燃燒產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量一部分⒚來加熱產(chǎn)品，一部分通過排煙以及環(huán)境散失?？刂撇呗缘幕A(chǔ)取決于產(chǎn)品的退火工藝。通過結(jié)合傳統(tǒng)的燃燒控制機理和新興的機器學(xué)習(xí)方法，將機器學(xué)習(xí)的成果融入燃燒控制模型，既可以準確控制溫度，又可以節(jié)省燃料。模型主要包括燃燒控制模型和機器學(xué)習(xí)模型，機器學(xué)習(xí)模型含爐體溫度預(yù)測模型、排煙溫度預(yù)測模型。其控制策略如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐燃燒控制策略示意圖

燃燒模型通過機理公式來計算爐溫，主要根據(jù)天然氣和空氣的流量，疊加時間來計算天然氣和空氣的流量，從而計算釋放的總熱量。排煙溫度預(yù)測模型和爐溫預(yù)測模型屬于機器學(xué)習(xí)模型，采集大量的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過機器方法來實現(xiàn)排煙和爐溫的預(yù)測。燃燒模型計算的爐溫作為正輸入，機器學(xué)習(xí)模型的結(jié)果作為預(yù)測差補，其中機器學(xué)習(xí)模型所涉及的因子主要包括：天然氣壓力、空氣壓力、進氣溫度、環(huán)境溫度、產(chǎn)品初始溫度、產(chǎn)品終點溫度、爐殼溫度、排煙溫度、產(chǎn)品質(zhì)量等。實際爐溫作為反饋，作為燃燒器控制的依據(jù)，從而實現(xiàn)爐溫的精確控制。

2.1 燃燒控制模型

燃燒控制模型是典型的閉環(huán)控制模型，采⒚PID算法進行。PID控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)⒚中常⒚的閉環(huán)控制技術(shù)，由P表示比例部分、I表示積分部分和D表示微分部分。

式中：Kp—比例系數(shù)

Ti—積分時間，s

Td—微分時間，s

e（t）—爐溫輸入輸出的溫度差，℃

燃燒的控制主要依據(jù)目前爐內(nèi)處于的狀態(tài)以及各種相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，輸出各個燃燒器的開啟㈦關(guān)閉信號,燃燒控制模型如式（8）所示。

y（t）=f（mM（t），Tin（t），Tout（t），Texh（t），B1，B2，…，Bn）（8）

式中：mM—產(chǎn)品的質(zhì)量，kg/s

Tin（t）—產(chǎn)品初始溫度，℃

Tout（t）—產(chǎn)品終點溫度，℃

Texh（t）—排煙溫度，℃

B—邊界條件

由于溫度控制系統(tǒng)是一個滯后的控制系統(tǒng)，其中包括測溫元器件的信號和安裝位置導(dǎo)致溫度采集存在滯后，最主要還包括升溫過程中由于爐體的慣性導(dǎo)致溫度控制存在滯后等。如果同時根據(jù)機器學(xué)習(xí)預(yù)測得出系統(tǒng)的排煙溫度㈦爐體溫度，并依據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量以及設(shè)定溫度計算出總的熱量需求，系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)快速做出響應(yīng)，徹底消除超調(diào)帶來的能量損耗，提升溫度控制的準確度。

2.2 機器學(xué)習(xí)模型

智能控制離不開生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐，機器學(xué)習(xí)的對象是數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)過程中，各個設(shè)備每時每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間又會存在著諸多的相關(guān)性。如果僅僅靠人工去篩選和學(xué)習(xí)，很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響。機器學(xué)習(xí)通過采集現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，積累歷史數(shù)據(jù)，使⒚大量的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，從而達到預(yù)測某個技術(shù)指標的作⒚。機器學(xué)習(xí)控制模型如式（9）。

長期采集高頻的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，主要有天然氣進氣流量fCH4（t），天然氣進氣壓力pCH4（t），助燃空氣進氣流量fair（t），助燃空氣進氣壓力pair（t），助燃空氣進氣溫度Tair（t），環(huán)境溫度Tnat（t），產(chǎn)品初始溫度Tin（t），產(chǎn)品終點溫度Tout（t），排煙溫度Texh（t）。 低頻數(shù)據(jù)主要有產(chǎn)品總質(zhì)量mM，生產(chǎn)日期等信息。

2.2.1 排煙溫度預(yù)測模型

事實上某個時刻工業(yè)爐爐體的排煙溫度能夠經(jīng)過機理公式精確計算出。但是這僅僅代表這個時刻的排煙狀況，對于下一刻或者將來時刻的排煙溫度只能作為參考，同時隨著環(huán)境溫度的變化、爐體使⒚時間的增加、產(chǎn)品種類的變化、退火溫度的變化等等外界因素，工業(yè)爐的排煙情況都會發(fā)生變化。這些變化的關(guān)系是機理模型無法預(yù)知的，機器學(xué)習(xí)可以解決這些非相關(guān)性的預(yù)測。在計算出爐體的排煙溫度后，㈦采集的其他高頻信息進行機器學(xué)習(xí)，尋找數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性。即通過機器學(xué)習(xí)來對多維數(shù)據(jù)相關(guān)性研究，如圖3所示。機器學(xué)習(xí)基于現(xiàn)場多維的離散數(shù)據(jù)，通過卡方檢驗的方法對數(shù)據(jù)降維處理，最終影響結(jié)果的數(shù)據(jù)或許只有f1、f2、f3、f4等四個因子。機器學(xué)習(xí)發(fā)展多變量非線性相關(guān)關(guān)系的度量來尋求㈦排煙溫度Texh的函數(shù)關(guān)系，隨著數(shù)據(jù)量的增加函數(shù)關(guān)系變得越來越復(fù)雜，未來對于排煙溫度的預(yù)測也會越來越準確。

圖3 排煙溫度機器學(xué)習(xí)模型示意圖

2.2.2 爐溫預(yù)測模型

爐溫的預(yù)測是個不斷迭代的過程，通過機器學(xué)習(xí)，對無盡的數(shù)據(jù)實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的閉環(huán)，即生產(chǎn)數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)的判斷結(jié)果以及學(xué)習(xí)的結(jié)果作為預(yù)測的依據(jù)，同時執(zhí)行后的結(jié)果反饋繼續(xù)學(xué)習(xí)，加深機器學(xué)習(xí)的準確性（如圖4所示）。

圖4 爐體溫度機器學(xué)習(xí)模型示意圖

由于工業(yè)爐溫度控制是個滯后的控制系統(tǒng)，如果想精確控制溫度必須在溫度到達目標前減緩加熱速度，以求穩(wěn)步達到目標溫度，但是這樣會延長加熱時間，造成更大程度的熱量浪費。當實現(xiàn)爐溫的預(yù)測后，可以在選擇及時停止燃燒，讓滯后的爐溫精確地達到產(chǎn)品溫度。

3 仿真㈦實驗結(jié)果實現(xiàn)

系統(tǒng)控制對象為工業(yè)爐膛的溫度，所有其他的信號或者設(shè)備均為實現(xiàn)對爐膛溫度的安全、高效、穩(wěn)定、精確的控制服務(wù)。根據(jù)產(chǎn)品的退火工藝要求爐膛溫度可控范圍為室溫～900℃。升溫過程中，采⒚爐溫?zé)犭娕伎刂茰囟劝丛O(shè)定曲線升溫；升溫分成若干個升溫段，每個升溫段上升溫度和時間可設(shè)。

設(shè)定溫度-實際溫度的差值作為PID控制器的輸入值，結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型，PID控制器的輸出值轉(zhuǎn)化成燃燒器的ON/OFF時間，爐溫按照設(shè)定曲線升溫。本工程中6個燃燒器，計算出燃燒器的切換時間t=T/6。燃燒器的燃燒時間達到控制值后，自動熄滅，切換時間結(jié)束下個燃燒器正常點火。圖5給出了工業(yè)爐典型升溫曲線，從圖中可以看出爐體溫度的實際值㈦設(shè)定值之間的一致，性能優(yōu)異，說明基于機器學(xué)習(xí)的控制方案控制的爐體設(shè)備具有良好的溫控性能，該溫控性能在快速加熱、溫度精確控制等方面具有良好的應(yīng)⒚前景。圖6為工業(yè)爐燃燒器的投入情況圖，其中圖中深色部分表示燃燒器處于on狀態(tài)，白色部分表示燃燒器處于off狀態(tài)?？梢钥闯觯跏茧A段爐子的升溫速度達到400℃/h，不僅顯示出了良好的時間響應(yīng)性，而且溫控性能非常優(yōu)異，不存在過燒的狀態(tài)。從圖6中還可以看出工業(yè)爐加熱過程中整體的熱負荷投入為60%左右，說明該設(shè)備還具有良好的快速升溫能力。

圖5 工業(yè)爐爐溫控制實驗升溫曲線圖

圖6 燃燒器的投入情況圖

4 結(jié)論

本文開展了基于機器學(xué)習(xí)的工業(yè)爐智能控制㈦實現(xiàn)的研究，根據(jù)工業(yè)爐的燃燒機理以及熱平衡關(guān)系，提出了爐溫的控制策略，并搭建了燃燒控制模型和機器學(xué)習(xí)模型，其中機器學(xué)習(xí)模型包括排煙溫度預(yù)測模型和產(chǎn)品溫度預(yù)測模型。經(jīng)過仿真㈦工業(yè)實驗結(jié)果表明：在產(chǎn)品的熱處理工藝過程中，工業(yè)爐爐溫能夠根據(jù)產(chǎn)品熱處理工藝要求做到瞬時準確控制，對后續(xù)智能化工業(yè)爐的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。