基于雙交叉限幅策略的隧道加熱爐燃燒系統(tǒng)研究

劉國莎，劉偉民

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

0 引言

作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵產(chǎn)業(yè)在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈完善、國防力量建設(shè)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，隨著近年供給側(cè)結(jié)構(gòu)深化改革和生態(tài)環(huán)境的改善需求，鋼鐵制造業(yè)高耗能、高污染、產(chǎn)能過剩等問題亟需解決[1]。加熱爐作為鋼鐵工業(yè)軋鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵高能耗設(shè)備，其燃燒控制水平的優(yōu)劣直接影響到能耗、燒損率、產(chǎn)量、質(zhì)量等指標(biāo)。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)具有非線性、大慣性、強(qiáng)耦合、純滯后的特點(diǎn)[2,3]，且加熱爐生產(chǎn)過程中，其系統(tǒng)穩(wěn)定性受外界因素影響較大，傳統(tǒng)的燃燒控制策略無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的煤氣燃燒控制。因此研究先進(jìn)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，對鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新發(fā)展、降耗降本具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

傳統(tǒng)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)多采用模糊PID控制策略[4]，無法適應(yīng)不同初始工況下邊界條件的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，加熱爐預(yù)設(shè)置的調(diào)節(jié)參數(shù)無法實(shí)時(shí)滿足生產(chǎn)工藝需求。雙交叉限幅控制策略基于案例推理原理，根據(jù)不同的實(shí)際測量參數(shù)調(diào)整相應(yīng)的限幅決策，再與實(shí)例庫或相似實(shí)例對比求解，調(diào)整爐溫調(diào)節(jié)器的輸出，能有效提升加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和魯棒性。

1 隧道加熱爐燃燒控制總體方案

1.1 隧道加熱爐

隧道加熱爐是鋼材連鑄連軋產(chǎn)線的一臺重要設(shè)備，在整個(gè)連軋產(chǎn)線上起承上啟下的作用[5]。隧道加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為三個(gè)加熱段：預(yù)熱段、加熱段和勻熱段。其中，預(yù)熱段利用高溫?zé)煔鈱撆黝A(yù)熱處理，在加熱爐兩側(cè)壁分布有12個(gè)加熱噴嘴。

圖1 隧道加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

在鋼坯生產(chǎn)過程中，隧道加熱爐控制系統(tǒng)需考慮以下關(guān)鍵參數(shù)：加熱爐爐膛壓力、空氣流量、煤氣流量、空燃比變化、鋼坯入爐速率等，這些參數(shù)不僅需實(shí)時(shí)調(diào)整，不同參數(shù)之間還存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。提高爐溫的同時(shí)，隨著煤氣和助燃?xì)怏w的涌入爐膛壓力也會相應(yīng)增加，爐內(nèi)溫度的升降為非線性波動，且存在滯后性。

1.2 燃燒控制系統(tǒng)

加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的本質(zhì)即根據(jù)不同種類、數(shù)量的鋼坯生產(chǎn)工藝要求，結(jié)合鋼鐵企業(yè)不同的生產(chǎn)計(jì)劃，精確實(shí)時(shí)地控制爐內(nèi)實(shí)際溫度和爐內(nèi)相應(yīng)高低溫區(qū)域的合理分布，在調(diào)節(jié)空燃比的同時(shí)需兼顧爐內(nèi)壓力變化，避免爐內(nèi)火焰不穩(wěn)、氮氧化合物的大量排放、燃燒器回火或高溫?zé)煔庑孤┑痊F(xiàn)象發(fā)生。

加熱爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由溫度控制器、雙交叉限幅控制模塊、煤氣流量控制器、煤氣流量檢測裝置、空氣流量控制器和空氣流量檢測裝置等組成。其中，溫度控制器根據(jù)生產(chǎn)鋼坯所需工藝設(shè)定初始參數(shù)[6]，確定煤氣、空氣比例，控制器輸出值經(jīng)過雙交叉限幅控制優(yōu)化后，分別輸出煤氣流量和空氣流量參數(shù)，控制煤氣和空氣電磁閥開閉動作，煤氣和空氣流量檢測裝置反饋給雙交叉限幅控制器煤氣、空氣流量開度，達(dá)到實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)節(jié)爐溫的目的。

圖2 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

隧道加熱爐燃燒控制流程如圖3所示，首先根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)定初始化控制程序和參數(shù)，采集加熱爐爐膛溫度信號，根據(jù)加熱爐不同階段的加熱方式，比較爐溫測定值與設(shè)定值，若兩者存在偏差過大，則經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)參數(shù)，雙交叉限幅控制模塊調(diào)節(jié)參數(shù)浮動值，根據(jù)雙交叉限幅的調(diào)節(jié)結(jié)果，煤氣、空氣流量回路控制調(diào)節(jié)閥動作，煤氣、空氣調(diào)節(jié)完成后再與設(shè)定值比較，合格后即完成燃燒控制。

圖3 隧道加熱爐燃燒控制流程

2 雙交叉限幅控制策略

雙交叉限幅控制策略由一個(gè)主回路、兩個(gè)副回路組成，副回路相互交叉影響，能根據(jù)加熱爐負(fù)載變化調(diào)整爐溫，在調(diào)節(jié)空氣、煤氣流量的同時(shí)，根據(jù)副回路反饋信息調(diào)整空燃比處于合理的范圍之內(nèi)，提高加熱爐燃燒效率和溫度控制精確度[7-9]。雙交叉限幅控制系統(tǒng)分別在煤氣流量和空氣流量副回路中加設(shè)高通和低通選擇器，其中主回路溫度調(diào)節(jié)器的輸出為X，空燃比為r，L1～L4為偏置系數(shù)，F(xiàn)a為空氣實(shí)際輸出流量，F(xiàn)b為煤氣實(shí)際輸出流量。雙交叉限幅控制策略如圖4所示，結(jié)合生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)計(jì)劃溫度調(diào)節(jié)器輸出控制參數(shù)X，在空氣流量控制回路，X輸入低通選擇器與α比較，其中α初始值為設(shè)定值，系統(tǒng)啟動后經(jīng)煤氣實(shí)際輸出流量Fb乘偏置系數(shù)L1確定。低通選擇器輸出值與β送入高通選擇器比較，β初始值為設(shè)定值，后經(jīng)煤氣實(shí)際輸出流量Fb乘偏置系數(shù)L2確定。高通選擇器輸出值經(jīng)空燃比r和空氣實(shí)際反饋輸出值Fa對比計(jì)算后由空氣調(diào)節(jié)器控制空氣流量調(diào)節(jié)閥開度。在煤氣調(diào)節(jié)回路，X首先輸入高通選擇器與χ比較，輸出值送入低通選擇器與δ比較，經(jīng)與實(shí)際反饋煤氣流量輸出值Fb對比，后由煤氣調(diào)節(jié)器計(jì)算控制煤氣流量調(diào)節(jié)閥運(yùn)動。

圖4 雙交叉限幅控制策略

雙交叉限幅控制策略的應(yīng)用參數(shù)α、β、χ和δ為：

α=Fb×L1.

β=Fb×L2.

在初始狀態(tài)下，α、β、χ、δ分別是空氣流量最大、最小值，煤氣流量最小、最大值。在實(shí)際生產(chǎn)過程中偏置系數(shù)L1～L4對爐溫控制穩(wěn)定性至關(guān)重要，通常L1>L4，L2>L3，保證了生產(chǎn)過程中空氣量始終高于煤氣量，同時(shí)空燃比保持在合適范圍之內(nèi)。

3 增量式PID調(diào)節(jié)

在煤氣流量、空氣流量調(diào)節(jié)過程中，為保證煤氣調(diào)節(jié)器和空氣調(diào)節(jié)器能精確地穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，燃燒控制系統(tǒng)采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法[10]，先將所測各項(xiàng)數(shù)據(jù)離散化，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行比例、積分、微分環(huán)節(jié)疊加，最終得到控制信號u(t)，將控制信號作用在煤氣、空氣流量調(diào)節(jié)器上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

PID控制過程中，采樣周期為T，采樣序號為k，kT作為離散采樣時(shí)間，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖5中，e(t)為設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)之差，u(t)為控制量。

圖5 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

PID控制的變換過程如下：

(1)

將式(1)中的e(kT)簡化為ek得：

(2)

其中：uk為第k次采樣輸出值；ek為第k次采樣輸入偏差值；KP為比例因子；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；KI為積分因子；KD為微分因子；u0為采樣初始比較值。

當(dāng)系統(tǒng)采樣周期很小時(shí)，離散控制系統(tǒng)可看作連續(xù)控制系統(tǒng)。在每個(gè)采樣周期內(nèi)，系統(tǒng)輸出值uk與被控對象輸出動作位置一一對應(yīng)，但系統(tǒng)存在累計(jì)誤差，被控對象開度無法被精確控制，此時(shí)應(yīng)避免累計(jì)誤差，計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置差值Δu(k)，即增量式PID控制。

根據(jù)式(2)可得：

(3)

(4)

在確定系統(tǒng)采樣周期T的情況下，再確定系統(tǒng)參數(shù)A、B、C，即可確定系統(tǒng)控制增量Δu(k)。

4 仿真結(jié)果

利用MATLAB中Simulink仿真模塊對雙交叉限幅控制策略進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求及以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定偏置單元參數(shù)為：L1=0.96，L2=1.03，L3=0.94，L4=0.92，此時(shí)，爐溫設(shè)定值為1 250 ℃，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間應(yīng)低于400 ms，最大超調(diào)量不超過7%。雙交叉限幅控制策略的仿真結(jié)果如圖6所示，總體系統(tǒng)超調(diào)量小于200 ℃，系統(tǒng)在300 ms時(shí)趨于穩(wěn)定，且擁有較好的魯棒性。

圖6 雙交叉限幅控制策略的仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于雙交叉限幅控制策略，在控制回路中加設(shè)兩個(gè)高通選擇器、兩個(gè)低通選擇器及偏置系數(shù)L1、L2、L3、L4，以增量式PID算法調(diào)節(jié)煤氣、空氣流量控制器，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃燒系統(tǒng)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的反饋調(diào)節(jié)。經(jīng)Simulink模型驗(yàn)證分析，雙交叉限幅控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于300 ms，超調(diào)量小于6%，系統(tǒng)魯棒性較好。