智能積分模糊控制器在大型加熱爐中的應(yīng)用

孫炳鵬

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，南京210019）

在鋼鐵軋制工藝中，鋼坯的加熱質(zhì)量會(huì)直接影響鋼坯軋制后的成品質(zhì)量，然而如何更好地控制加熱爐爐溫是鋼坯加熱質(zhì)量的技術(shù)關(guān)鍵，因此國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)把如何控制好加熱爐爐溫作為軋制工藝中重點(diǎn)研究課題之一，據(jù)相關(guān)資料報(bào)道目前控制效果并不理想。我國(guó)鋼鐵企業(yè)的加熱爐爐溫控制大多數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制，由于加熱爐是強(qiáng)耦合、大滯后、大慣性的系統(tǒng)，爐內(nèi)外工況非常復(fù)雜，從而存在爐溫波動(dòng)較大、控制效果相對(duì)較差等技術(shù)缺陷。根據(jù)加熱爐的特性，部分鋼鐵企業(yè)采用了純模糊控制技術(shù)來(lái)控制加熱爐爐溫，爐溫穩(wěn)定性得到明顯提高，但爐溫精度不高，存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)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(lián)的控制模式，即常規(guī)積分模糊控制器。積分控制器的輸出取決于對(duì)誤差時(shí)間的積分，積分項(xiàng)會(huì)隨著時(shí)間增加而增大，從而推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步縮小，直到接近于零，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最終消除。雖然常規(guī)積分模糊控制器也能最終消除穩(wěn)態(tài)誤差，但積分器對(duì)偏差響應(yīng)比較遲緩，極易引起超調(diào)，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(duì)偏差響應(yīng)遲緩的缺點(diǎn)，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(lián)控制方式對(duì)加熱爐爐溫進(jìn)行控制，取得了理想的控制效果。

1 加熱爐爐溫控制的難點(diǎn)

加熱爐爐溫控制主要存在3方面難點(diǎn)。第一，加熱爐采用多段控制方式，通常分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段，各個(gè)控制段之間相互耦合，爐溫控制過(guò)程是一個(gè)典型具有強(qiáng)耦合、非線性、大滯后等特性的極復(fù)雜過(guò)程。第二，加熱爐燃料一般采用的都是煤氣，熱值和壓力波動(dòng)比較大，因此引起爐溫波動(dòng)比較大。第三，加熱爐的生產(chǎn)節(jié)奏受軋線生產(chǎn)節(jié)奏的影響較大，由于加熱爐是為軋機(jī)服務(wù)的，當(dāng)軋機(jī)故障或生產(chǎn)節(jié)奏變化時(shí)，加熱爐必須跟著軋機(jī)改變生產(chǎn)節(jié)奏，這樣就會(huì)給加熱爐爐溫控制帶來(lái)很大的麻煩。由于加熱爐具有以上3點(diǎn)特性，故很難找出具體的數(shù)學(xué)模型來(lái)控制加熱爐爐溫。

2 常規(guī)積分模糊控制器的不足

常規(guī)積分模糊控制器是由模糊控制器和積分控制器直接并聯(lián)而成的。該混合類型的控制器完全可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)達(dá)到無(wú)差控制。但該混合類型的控制器中積分器的參數(shù)是個(gè)常數(shù)，故導(dǎo)致積分器的輸出在整個(gè)控制器輸出中所占比重是不變的，這與實(shí)際控制要求并不相符。而且積分控制器自適應(yīng)能力很差，對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型依賴很大。因此該混合型控制器應(yīng)用到那些嚴(yán)重大時(shí)滯、大慣性、非線性及時(shí)變的被控對(duì)象上時(shí)，效果并不理想。

3 智能積分模糊控制器設(shè)計(jì)

為了克服常規(guī)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(lián)控制，積分控制器的系數(shù)根據(jù)另外一個(gè)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(jù)加熱爐的升溫曲線，分析模糊規(guī)則應(yīng)該如何調(diào)整、智能積分控制器的系數(shù)應(yīng)該如何變化才能讓加熱爐爐溫控制效果更好。

大多數(shù)加熱爐采用預(yù)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(nèi)偏差逐漸減小，希望在該段內(nèi)實(shí)際爐溫快速達(dá)到設(shè)定爐溫，智能積分器不起作用。

1～2、2～3段內(nèi)實(shí)際爐溫大于設(shè)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(shì)，智能積分器快速起作用。

4～5段偏差呈減小趨勢(shì)，智能積分器作用慢慢減弱。

根據(jù)理論推導(dǎo)和工廠經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)偏差較大時(shí)，不讓智能積分器起作用，只讓模糊控制器起作用；當(dāng)偏差減小到一定范圍內(nèi)時(shí)，讓智能積分器參與控制，用來(lái)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。智能積分器的系數(shù)K是偏差變化率 ec 和偏差 e 的函數(shù)，K=F（e，ec）（0＜K＜1），系數(shù)K隨偏差e的減小而逐漸增大，當(dāng)偏差e減小到模糊控制器對(duì)控制無(wú)效果時(shí)，只讓智能積分控制器起作用，達(dá)到快速消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此設(shè)計(jì)模糊控制器FZ1來(lái)調(diào)節(jié)積分器的系數(shù)K值。模糊控制器FZ1根據(jù)偏差變化率ec及偏差e調(diào)節(jié)智能積分器的系數(shù)K，使智能積分控制器的輸出根據(jù)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(shí)快速消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

模糊控制器的隸屬函數(shù)及論域[2-3]根據(jù)工況而選定。根據(jù)加熱爐的實(shí)際情況，F(xiàn)Z1應(yīng)該采用模糊不對(duì)稱控制規(guī)則，如表1所示。偏差e大于零時(shí)，加熱爐不能加熱，故在偏差 e為 PL、PM、PS、PZ 時(shí)，智能積分控制器的系數(shù)K取0。而在偏差e小于零且偏差變化率ec大于零時(shí)，偏差e呈減小趨勢(shì)，取消智能積分作用，故在偏差變化率ec為PL、PM、PS、PZ時(shí)，智能積分器的系數(shù)K取0。根據(jù)“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(shè)計(jì)其它規(guī)則。

表1 FZ1模糊控制規(guī)則表Tab.1 FZ1fuzzy regulation table

根據(jù)加熱爐的實(shí)際情況，F(xiàn)Z2應(yīng)該采用模糊不對(duì)稱控制規(guī)則，如表2所示。

表2 FZ2的模糊控制規(guī)則表Tab.2 FZ2fuzzy regulation table

在加熱爐爐溫偏差較大時(shí)，模糊控制器FZ2起主要作用，當(dāng)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(wěn)態(tài)誤差。模糊不對(duì)稱控制規(guī)則表能夠很好地抑制加熱爐爐溫超調(diào)。只要合理整定各參數(shù)，智能積分模糊控制器就能夠達(dá)到很理想的控制效果。

4 仿真應(yīng)用

用Matlab軟件對(duì)智能積分模糊控制器進(jìn)行仿真[4]，主要比較了純模糊控制器、常規(guī)積分模糊控制器及智能積分模糊控制器對(duì)單位階躍曲線的響應(yīng)。

圖3中①、②和③分別為常規(guī)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(yīng)曲線。純模糊控制曲線無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差，常規(guī)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(dá)到無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，常規(guī)積分模糊控制器控制曲線最快達(dá)到爐溫設(shè)定值，但超調(diào)較大，智能積分模糊控制器曲線達(dá)到爐溫設(shè)定值時(shí)間稍長(zhǎng)，但幾乎無(wú)超調(diào)量。

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

5 結(jié)語(yǔ)

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(yīng)用，對(duì)加熱爐溫度進(jìn)行控制，控制效果非常理想，與常規(guī)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(shí)間稍長(zhǎng)，但幾乎無(wú)超調(diào)，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(yīng)用。

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

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

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

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