智能積分模糊控制器在大型加熱爐中的應用

孫炳鵬

（中冶華天工程技術有限公司，南京210019）

在鋼鐵軋制工藝中，鋼坯的加熱質量會直接影響鋼坯軋制后的成品質量，然而如何更好地控制加熱爐爐溫是鋼坯加熱質量的技術關鍵，因此國內外鋼鐵企業把如何控制好加熱爐爐溫作為軋制工藝中重點研究課題之一，據相關資料報道目前控制效果并不理想。我國鋼鐵企業的加熱爐爐溫控制大多數采用傳統PID控制，由于加熱爐是強耦合、大滯后、大慣性的系統，爐內外工況非常復雜，從而存在爐溫波動較大、控制效果相對較差等技術缺陷。根據加熱爐的特性，部分鋼鐵企業采用了純模糊控制技術來控制加熱爐爐溫，爐溫穩定性得到明顯提高，但爐溫精度不高，存在一定的穩態誤差。為了消除穩態誤差，必須引入PI積分控制器，采用模糊控制器和PI積分器并聯的控制模式，即常規積分模糊控制器。積分控制器的輸出取決于對誤差時間的積分，積分項會隨著時間增加而增大，從而推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步縮小，直到接近于零，系統穩態誤差最終消除。雖然常規積分模糊控制器也能最終消除穩態誤差，但積分器對偏差響應比較遲緩，極易引起超調，在加熱爐爐溫控制上效果并不十分理想。為了改善積分器作用對偏差響應遲緩的缺點，采用了智能積分模糊控制器，即將模糊控制器和智能積分器并聯控制方式對加熱爐爐溫進行控制，取得了理想的控制效果。

1 加熱爐爐溫控制的難點

加熱爐爐溫控制主要存在3方面難點。第一，加熱爐采用多段控制方式，通常分為預熱段、加熱段、均熱段，各個控制段之間相互耦合，爐溫控制過程是一個典型具有強耦合、非線性、大滯后等特性的極復雜過程。第二，加熱爐燃料一般采用的都是煤氣，熱值和壓力波動比較大，因此引起爐溫波動比較大。第三，加熱爐的生產節奏受軋線生產節奏的影響較大，由于加熱爐是為軋機服務的，當軋機故障或生產節奏變化時，加熱爐必須跟著軋機改變生產節奏，這樣就會給加熱爐爐溫控制帶來很大的麻煩。由于加熱爐具有以上3點特性，故很難找出具體的數學模型來控制加熱爐爐溫。

2 常規積分模糊控制器的不足

常規積分模糊控制器是由模糊控制器和積分控制器直接并聯而成的。該混合類型的控制器完全可以消除系統穩態誤差，使系統達到無差控制。但該混合類型的控制器中積分器的參數是個常數，故導致積分器的輸出在整個控制器輸出中所占比重是不變的，這與實際控制要求并不相符。而且積分控制器自適應能力很差，對被控對象的數學模型依賴很大。因此該混合型控制器應用到那些嚴重大時滯、大慣性、非線性及時變的被控對象上時，效果并不理想。

3 智能積分模糊控制器設計

為了克服常規積分模糊控制器的缺陷，采用了智能積分模糊控制器，即將模糊控制器和智能積分器并聯控制，積分控制器的系數根據另外一個模糊控制器的輸出變化。智能積分模糊控制器如圖1所示。

圖1 智能積分模糊控制器Fig.1 Intelligent integral Fuzzy controller

下面根據加熱爐的升溫曲線，分析模糊規則應該如何調整、智能積分控制器的系數應該如何變化才能讓加熱爐爐溫控制效果更好。

大多數加熱爐采用預熱、加熱、均熱三段控制方式，一般加熱爐升溫曲線[1]如圖2所示。

圖2 加熱爐升溫曲線Fig.2 Temperature curve of reheating furnace

從加熱爐升溫曲線可以得知：

0～1段內偏差逐漸減小，希望在該段內實際爐溫快速達到設定爐溫，智能積分器不起作用。

1～2、2～3段內實際爐溫大于設定爐溫，希望智能積分器和模糊控制器都輸出為零。

3～4段偏差呈增大趨勢，智能積分器快速起作用。

4～5段偏差呈減小趨勢，智能積分器作用慢慢減弱。

根據理論推導和工廠經驗，當偏差較大時，不讓智能積分器起作用，只讓模糊控制器起作用；當偏差減小到一定范圍內時，讓智能積分器參與控制，用來消除系統穩態誤差。智能積分器的系數K是偏差變化率 ec 和偏差 e 的函數，K=F（e，ec）（0＜K＜1），系數K隨偏差e的減小而逐漸增大，當偏差e減小到模糊控制器對控制無效果時，只讓智能積分控制器起作用，達到快速消除穩態誤差。因此設計模糊控制器FZ1來調節積分器的系數K值。模糊控制器FZ1根據偏差變化率ec及偏差e調節智能積分器的系數K，使智能積分控制器的輸出根據工況而變化，在偏差e減小到模糊控制器FZ2的控制精度以下時快速消除系統穩態誤差。

模糊控制器的隸屬函數及論域[2-3]根據工況而選定。根據加熱爐的實際情況，FZ1應該采用模糊不對稱控制規則，如表1所示。偏差e大于零時，加熱爐不能加熱，故在偏差 e為 PL、PM、PS、PZ 時，智能積分控制器的系數K取0。而在偏差e小于零且偏差變化率ec大于零時，偏差e呈減小趨勢，取消智能積分作用，故在偏差變化率ec為PL、PM、PS、PZ時，智能積分器的系數K取0。根據“誤差越小，積分器輸出在總輸出中所起作用就越大”的原則設計其它規則。

表1 FZ1模糊控制規則表Tab.1 FZ1fuzzy regulation table

根據加熱爐的實際情況，FZ2應該采用模糊不對稱控制規則，如表2所示。

表2 FZ2的模糊控制規則表Tab.2 FZ2fuzzy regulation table

在加熱爐爐溫偏差較大時，模糊控制器FZ2起主要作用，當爐溫偏差減小到一定程度后，智能積分控制器開始起主要作用，快速消除穩態誤差。模糊不對稱控制規則表能夠很好地抑制加熱爐爐溫超調。只要合理整定各參數，智能積分模糊控制器就能夠達到很理想的控制效果。

4 仿真應用

用Matlab軟件對智能積分模糊控制器進行仿真[4]，主要比較了純模糊控制器、常規積分模糊控制器及智能積分模糊控制器對單位階躍曲線的響應。

圖3中①、②和③分別為常規積分模糊控制器、智能積分模糊控制器和純模糊控制器的響應曲線。純模糊控制曲線無法消除穩態誤差，常規積分模糊控制器及智能積分模糊控制器的控制曲線都可達到無穩態誤差，常規積分模糊控制器控制曲線最快達到爐溫設定值，但超調較大，智能積分模糊控制器曲線達到爐溫設定值時間稍長，但幾乎無超調量。

圖3 仿真比較圖Fig.3 Simulation and comparison

5 結語

智能積分模糊控制器在某鋼廠2＃5000 mm寬厚板加熱爐中得到應用，對加熱爐溫度進行控制，控制效果非常理想，與常規積分模糊控制器相比，用該智能積分模糊控制器控制的爐溫上升時間稍長，但幾乎無超調，這種新型智能積分模糊控制器非常適合在具有非線性、大滯后、大慣性特性的加熱爐溫度控制中應用。

[1] 吳介一.提高模糊控制精度的研究[J].控制理論與應用，1996，13（2）：264-267.

[2] 蔡自興.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2004：61-74.

[3] 劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2005：37-86.

[4] 劉金琨.先進控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2003：186-192. ■