不銹鋼連退爐智能溫度控制設計與實現

袁壽新　楊國星

摘 要：退火是不銹鋼冷軋生產中的關鍵工藝環節，直接影響不銹鋼的生產和質量。研究連續退火爐溫度控制系統在提高生產效率、改善產品質量和節約能源方面有著重要意義。針對退火爐溫度控制系統的特點，本文設計實現了一種基于模糊控制理論的不銹鋼退火爐智能溫度控制系統，它包含了長期生產過程中積累的經驗，取得了較好的效果。

關鍵詞：不銹鋼；退火爐；智能溫度控制；模糊控制

1 引言

連續退火爐是不銹鋼冷軋酸洗生產線的主體設備，帶鋼在爐內的退火是不銹鋼生產中的重要工藝環節，直接關系帶鋼的質量及性能，其中的溫度控制極其關鍵。同時，退火爐爐內工況復雜多變，爐內溫度控制具有非線性、滯后性等特點，采用經典的PID控制適應性差，效果不甚理想。

本文以某不銹鋼廠冷軋酸洗線退火爐溫度控制為研究對象，基于生產經驗數據積累，設計采用模糊控制技術，實現退火爐加熱段智能溫度控制。

2 爐區設備組成與工藝要求

不銹鋼連續退火爐退火工藝是將帶鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態組織的熱處理方法。某不銹鋼鋼廠退火爐為THERMTEC水平懸索式燃氣退火爐，最大TV值200，包括預熱段、加熱段、空氣冷卻段、水霧冷卻段、空氣冷卻段和熱風干燥段。

退火爐設備和工藝示意圖如下：

該不銹鋼生產線設計生產300和400系列的不銹鋼產品，退火爐操作溫度750-1250℃。退火爐爐段內帶鋼的加熱通過燒嘴實現，燒嘴在爐墻上下方向交錯布置。燒嘴采用比例控制方式，即空氣/燃氣流量比例控制。

每段空氣燃氣的流量將由溫度和流量控制設備控制，每一區內有獨立的流量檢測和空氣/燃氣比例調節控制。為減小過火、時間滯后效應以及空氣/燃氣比例偏離，控制區采用快速控制方式。

3 原退火爐溫度控制

某不銹鋼退火爐溫度控制系統包括區域溫度設定值計算、退火爐溫度控制器和燃氣燃燒控制三部分。溫度設定值計算是由數學模型完成。退火數學模型根據帶鋼在爐內換熱模型計算得出區域溫度設定值，數學表達式如下：

s0.F.S.（TF4-TB4） = LS.d.w.r.Cp. （TBi-TBo）

其中：

TF為退火爐爐溫（K）；

TB為帶鋼溫度（K）；

s0為常數；

F是輻射系數；

S為換熱面積（m2）；

LS為生產線速度（m/s）；

D為帶鋼厚度；

W為帶鋼寬度；

Cp為帶鋼比熱（J/kg.K）；

r為比重（kg/m3）；

TBi為入口帶鋼溫度（K）；

TBo為出口帶鋼溫度（K）。

原退火爐溫度控制器采用傳統PID控制，燃氣和助燃空氣采用PI控制。

控制系統圖如圖2所示。

現有退火爐溫度控制系統魯棒性和適應性差，是不銹鋼退火爐生產控制的一個難點。在退火爐爐溫度控制過程中，被控參數具有時變、非線性、不確定性等特點，現使用的常規PID控制精度低，適應性差，本文通過研究退火爐溫控系統現有狀況，通過引入智能模糊穩定控制來提高系統的自適應能力和抗干擾能力，實現對退火爐溫度的精確控制。

4 退火爐模糊溫度控制系統

退火爐控制系統是一個非線性、時變、有噪聲干擾的系統。在退火爐的控制過程中，常規PID控制效果有時并不理想。而模糊控制有較強的適應對象參數變化的能力，與傳統控制方法相比，模糊控制的主要優點在于在設計系統時不需要建立被控對象的精確數學模型，因此，模糊控制特別適用于數學模型未知或不易于建立精確數學模型的復雜、非線性系統的控制。

退火爐模糊溫度控制系統設計以爐區溫度檢測值與設定值偏差e和誤差改變量ec為系統輸入值，通過模糊控制器控制輸出燃氣流量作為被控量，進一步通過空燃比控制控制燃氣與助燃空氣量。燃氣量控制和空氣量控制采用PI控制模式，雙交叉限幅確保燃氣充分燃燒。另外通過實際燃氣量與該規格產品生產燃氣基準值的累積偏差量對溫度進行補正計算，消除溫度滯后偏差，提高模糊溫度控制器控制精度。

經改造后，某不銹鋼退火爐溫度控制系統示意圖如圖3所示。

4.1 溫度補正值計算

帶鋼流量定義為帶鋼厚度 [mm] 乘以帶鋼寬度 [mm]乘以帶鋼速度 [m/min]乘以帶鋼比重，是反映退火爐生產能力的一個關鍵參數。當鋼流量代表的帶鋼帶走的熱量與退火爐燃氣充分燃燒帶來的熱量保持平衡時，可以保證帶鋼連續退火工藝需求。理想情況下，當退火爐燃氣流量保持在設計生產最大值時，退火爐生產能力最大化。實際生產時，根據生產鋼種和規格不同，鋼流量也不同。

實際生產過程穩定狀態下，即生產相同規格鋼種產品，退火爐溫度穩定，燃氣流量沒有大的調整，此時根據鋼流量值不同，記錄下生產時的燃氣流量值，存放到數據表中，作為基準流量值。就可以得出一張基準燃氣量表，格式如表1。

由表1可知，燃氣流量基準值是維持帶鋼生產時退火爐溫度穩定的基準值，那么實際流量值與基準值的偏差量最終會反映到退火爐溫度上來，高于基準值就會引起退火爐溫度逐漸升高，低于基準值則會導致退火爐溫度下降，這部分累積的燃氣流量反映的是溫度控制滯后部分，通過溫度補正計算避免超調。溫度補正計算控制流程圖如下：

由于實際工況不同，維持帶鋼生產時退火爐溫度的燃氣實際流量值與保持在數據表中的燃氣流量基準值可能存在較大偏差，退火爐溫度補正計算設計為大偏差輸入小輸出，并采用實際溫度變化對溫度補正值計算進行修正，防止方向性錯誤。

4.2 溫度模糊控制器的設計

模糊控制系統的核心是模糊控制器，是模糊控制系統區別于其他自動控制系統的主要標志，主要由模糊化、知識庫、模糊推理、清晰化四部分組成。本文設計的模糊控制器為兩輸入一輸出的瑪達尼推理機模糊控制器，在PLC中編寫軟件進行在線查表實現。

4.2.1 模糊化

模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應模糊語言變量值的過程，它的主要作用是將真實的確定量輸入轉換成一個模糊矢量。對于模糊控制器的輸入誤差e及其變化率ec，采用“大”、“中”、“小”三個量化等級的模糊概念。在設計模糊控制器時，對于誤差、誤差變化率和控制量的變化等語言變量，使用“正大”（PL）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（ZO）、“負小”（NS）、“負中”（NM）和“負大”（NL）這7個語言變量來描述。

某不銹鋼退火爐設計操作溫度為750-1250℃，退火爐最大設計升溫為400℃/Hour。按溫度偏差±30℃、溫度變化率400℃/Hour均勻映射到溫度輸入偏差模糊集論域（PL、PM、PS、ZO、NS、NM、NL）上，調試時，通過調整模糊控制器輸入比例因子Ke、Kc調整基本論域到模糊集論域的映射關系。

示意圖如圖5、圖6所示。

4.2.2 模糊控制器

模糊變量是一個模糊子集，最終通過隸屬函數來描述，本文使用的隸屬度函數均勻分布，模糊集論域為[-6，6]。

模糊控制器輸入、輸出隸屬度函數如下圖7、圖8、圖9所示。

對溫度模糊控制器的輸入、輸出隸屬度函數曲線，可以轉換為下面的隸屬度矢量表存放到PLC系統中，如表2所示。

知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求控制目標。它由數據和模糊語言控制規則組成。模糊推理是模糊控制器的核心，該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規則來進行的。針對本文論述的模糊控制器，采用瑪達尼推理機，基于數據和模糊語言控制規則的模糊推理結果以模糊控制器控制規則表的形式存放在PLC軟件數據中，實際PLC控制時，通過查表可以直接獲得模糊推理的結果。

不銹鋼溫度模糊控制器控制規則表如表3所示。

4.2.3 清晰化

清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實際用于控制的清晰量，也就是從退火爐模糊控制器輸出的模糊論域到實際輸出的燃氣改變量的對應關系。調試時，通過調整模糊控制器輸出比例因子Ku調整映射關系。

示意圖如下：

根據退火爐模糊控制器輸出到實際燃氣改變量的映射，得到明確的燃氣改變量，再乘以輸出燃氣改變量系數，就得到實際的模糊控制器控制輸出值。

4.3 效果分析

本文設計實現的不銹鋼溫度控制系統基于長期生產過程中積累的經驗數據，通過針對帶鋼鋼種、規格等信息對控制系統參數調試優化后，取得了較好的控制效果。

針對不銹鋼AISI304，規格從1.0×1250mm到1.2×1250mm帶鋼的過渡，退火爐設定溫度相同和溫度升高。

原溫度控制系統控制曲線與優化后的控制曲線對比如下圖11、圖12所示。

對優化前后圖形曲線比較分析，采用優化后的模糊溫度控制系統的控制曲線調節時間短，系統很快進入穩定工作狀態，與原系統比較，具有較好的控制效果。

5 小結

隨著工業控制系統的復雜程度的日益提高，運行方式的不斷變化，傳統的基于PID控制的方法日益暴露出其不足。工場實際生產中，操作人員依靠長期生產的觀察和經驗總結，通過手動操作實現良好的控制。本文基于操作人員生產經驗，通過對經驗進行總結提煉，設計實現了不銹鋼退火爐模糊溫度控制系統，減少了操作人員操作的任務和強度，提高了控制系統的動態性能和魯棒性，取得了較好的效果，對同類系統具有借鑒意義。

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作者簡介：

袁壽新（1966- ），女，副教授，現主要從事自動化儀表專業及相關科目的教學與研究工作。

基金項目：

2017年度甘肅省高等學校科研項目自籌經費項目：《酒鋼不銹鋼冷軋退火爐溫控系統優化改造研究與實踐》，項目編號：2017B-09

2017年度嘉峪關市科技局科技項目：《不銹鋼冷軋退火爐智能溫控系統研究與應用》，項目編號：17-18

2017年度甘肅鋼鐵職業技術學院教科研課題：“《模擬電子技術》理實一體化教學改革研究與實踐”，項目編號：Y17006