一類非線性系統(tǒng)控制方法在硅鋼生產(chǎn)上的應(yīng)用

戴鳴力

（武鋼工程技術(shù)集團(tuán)計(jì)控公司，湖北武漢430081）

一類非線性系統(tǒng)控制方法在硅鋼生產(chǎn)上的應(yīng)用

戴鳴力

（武鋼工程技術(shù)集團(tuán)計(jì)控公司，湖北武漢430081）

硅鋼工業(yè)退火爐溫度控制具有強(qiáng)耦合、純滯后、多擾動(dòng)等特點(diǎn)，它的控制方法代表著一類非線性系統(tǒng)控制的解決方法。以硅鋼工業(yè)退火爐溫度為控制對(duì)象，在雙交叉限幅控制的基礎(chǔ)上引入了智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，形成了基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉限幅控制方法來(lái)解決此類非線性系統(tǒng)的控制問題，并通過(guò)模塊化的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的PID控制相比，該控制方法的控制精度、抗擾性等控制指標(biāo)有明顯提高，是解決此類非線性控制的一種有效方法。

智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)；雙交叉限幅控制；空煤比系數(shù)

0 引言

眾所周知，非線性系統(tǒng)的控制方法一直是控制學(xué)上的難點(diǎn)，不易建模、控制對(duì)象強(qiáng)耦合、多擾動(dòng)等特點(diǎn)造成了其沒有有效的控制方法和控制策略［1］。在硅鋼生產(chǎn)工藝中，硅鋼工業(yè)退火爐就是一個(gè)具有以上特點(diǎn)的控制對(duì)象，硅鋼工業(yè)退火爐中介質(zhì)燃燒的控制狀態(tài)與硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)，一般硅鋼片在工業(yè)退火爐中有加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程，與此對(duì)應(yīng)，退火爐也有升溫、保溫、降溫的階段，其中升溫階段是將一定速度的鋼帶加熱至工藝要求的溫度，爐內(nèi)溫度的升高是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入爐內(nèi)煤氣和預(yù)熱空氣的流量進(jìn)行混合燃燒實(shí)現(xiàn)的，溫度控制策略是根據(jù)熱電偶測(cè)量的實(shí)際爐溫，與設(shè)定溫度比較后產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)作為煤氣流量和空氣流量控制器的設(shè)定值，按照一定空煤配比比例去調(diào)節(jié)煤氣閥和空氣閥的開度，以此控制燃燒的煤氣和空氣的流量，最后使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值［2］。傳統(tǒng)的溫度控制策略是由PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見圖1），其控制有許多缺點(diǎn)，具體體現(xiàn)在：

1）控制精度不夠。傳統(tǒng)PID控制精度只能達(dá)到±20℃，極大地影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

2）控制速度跟不上控制對(duì)象變化的速度，在生產(chǎn)節(jié)奏加快的情況下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢、升溫時(shí)間長(zhǎng)。

3）在保證完全燃燒的前提下，爐內(nèi)氛圍的控制十分重要。傳統(tǒng)的PID控制不能很好地控制適當(dāng)?shù)目諝庀南禂?shù)，致使?fàn)t氣中有大量的過(guò)剩空氣，造成鋼帶表面氧化層增加，加熱時(shí)間延長(zhǎng)，浪費(fèi)大量能源。

4）爐內(nèi)工藝復(fù)雜，擾動(dòng)因素較多，造成控制不穩(wěn)定。

圖1 傳統(tǒng)硅鋼工業(yè)退火爐爐溫控制框圖Fig.1Diagram of traditional industrial annealing furnace temperature control of silicon steel industry

解決以上問題必須通過(guò)煤氣量、空氣量分開調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而煤氣量、空氣量是互相影響的，且溫度又具有時(shí)滯性。為此，筆者將介紹一種基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉控制來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的強(qiáng)度控制。

1 基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉限幅控制的基本原理

雙交叉限幅控制是工業(yè)爐溫度控制較為成熟的控制方式，在燃燒控制系統(tǒng)中采用交叉限幅控制方式，使?fàn)t內(nèi)介質(zhì)的燃燒更加安全充分、控制更加穩(wěn)定可靠，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量作用明顯［3］。同時(shí)在節(jié)能環(huán)保、低碳燃燒、燃燒場(chǎng)溫度氣氛的均勻性等方面較傳統(tǒng)的PID控制也具有很大優(yōu)勢(shì)。硅鋼工業(yè)爐控制是具有強(qiáng)耦合、純滯后、大慣性及慢時(shí)變等特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)，達(dá)到理想的控制效果是非常難的［4］，而利用智能學(xué)習(xí)、知識(shí)庫(kù)的表示來(lái)認(rèn)知被控對(duì)象模型，并給出解釋策略來(lái)解決非線性控制問題是當(dāng)今控制學(xué)研究的一大方向。

1.1 雙交叉限幅控制基本原理

在硅鋼工業(yè)退火爐燃燒系統(tǒng)中，雙交叉限幅爐溫控制器的輸出信號(hào)決定煤氣流量給定值，而空氣流量給定值是由雙交叉限幅爐溫控制器的輸出信號(hào)乘以空燃比α得出，然后空氣回路和煤氣回路各成閉環(huán)調(diào)節(jié)，而在兩個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程中煤氣流量與空氣流量相互制約，從而維持空燃比穩(wěn)定，改善燃燒狀況。具體來(lái)說(shuō)，在煤氣控制回路和空氣控制回路中均設(shè)置低選和高選的比較選擇器。比較的參考信號(hào)是根據(jù)實(shí)際空氣流量計(jì)算無(wú)欠氧燃燒時(shí)煤氣流量上限和無(wú)過(guò)氧燃燒時(shí)煤氣流量下限；根據(jù)煤氣實(shí)際流量計(jì)算無(wú)過(guò)氧燃燒時(shí)空氣流量上限和無(wú)欠氧燃燒時(shí)空氣流量下限，再與溫度控制器輸出的要求流量進(jìn)行比較后組成雙交叉限幅選擇控制，控制工藝框圖如圖2所示。

優(yōu)化燃燒狀況必須保持適當(dāng)?shù)目彰罕?，不僅在爐溫恒定時(shí)，而且在爐溫變化時(shí)依然如此。以下分別對(duì)爐溫恒定、需要升高、需要降低這三種情形作具體分析。

1）爐溫恒定時(shí)。

假設(shè)爐溫恒定且在均衡狀態(tài)，此時(shí)

式（1）中，Af為實(shí)際空氣量，Gf為實(shí)際煤氣量。此種狀態(tài)下，根據(jù)圖2，以下不等式成立：

式（2）、（3）中，A0、G0為煤氣控制器與空氣控制器設(shè)定值，α為空煤比，Li（i=1，2，3，4）為限幅值設(shè)置系數(shù)。

圖2 雙交叉限幅控制在硅鋼工業(yè)退火爐爐溫控制的原理框圖Fig.2Principle diagram of double across limit control in industrial annealing furnace temperature control of silicon steel industry

2）爐溫需要升高時(shí)。

如果爐溫需要升高時(shí)，爐溫控制器輸出會(huì)加大，系統(tǒng)平衡狀態(tài)改變?？諝饪刂破髋c煤氣控制器設(shè)定值A(chǔ)0和G0將增加，因而Af和Gf也將隨之增大，因調(diào)節(jié)閥具有滯后性，且空氣與煤氣流量的調(diào)節(jié)速度是不同步的，在一般情形下，煤氣調(diào)節(jié)閥速度較快，相對(duì)應(yīng)的煤氣流量增加的速度比空氣的要快，因此會(huì)造成當(dāng)時(shí)的空煤比下降。此時(shí)控制將會(huì)對(duì)煤氣的流量進(jìn)行限幅，在煤氣調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，，通過(guò)了煤氣高選器，在煤氣低選器下進(jìn)行限幅，煤氣流量控制器輸入的設(shè)定值，以此來(lái)抑制Gf的上升速度。此時(shí)在空氣調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中αGf() 1-L4＜A0，通過(guò)了空氣低選器，在空氣高選器上進(jìn)行限幅，空氣流量控制器輸入的設(shè)定值A(chǔ)V=αGf() 1+L2＜A0，因此，可知在升溫時(shí)，煤氣、空氣同時(shí)取上限限幅值，直到實(shí)際爐溫等于設(shè)定爐溫，交叉限幅過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入平衡狀態(tài)。

3）爐溫需要降低時(shí)。

如果爐溫需要降低時(shí)，過(guò)程與爐溫升高時(shí)正相反，此時(shí)的煤氣高選器會(huì)進(jìn)行限幅，煤氣流量控制器輸入設(shè)定值，以此來(lái)減緩Gf的下降速度，而空氣低選器也將會(huì)進(jìn)行限幅，空氣流量控制器輸入設(shè)定值A(chǔ)V=αGf(1-L4)＞A0，從這里可以看到在降溫時(shí)，煤氣、空氣同時(shí)取下限值，直到實(shí)際爐溫等于設(shè)定爐溫，交叉限幅過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入平衡狀態(tài)。

綜合以上分析可知，不管爐溫需要升高還是降低，實(shí)際空氣量的增減速度與實(shí)際煤氣量的增減速度基本保持一致，不會(huì)在系統(tǒng)升溫時(shí)造成空煤比過(guò)小帶來(lái)的欠氧燃燒；同樣也不會(huì)在系統(tǒng)降溫時(shí)造成空煤比過(guò)大所帶來(lái)的過(guò)氧燃燒。這樣，在一定的工藝要求下保持了空煤比的穩(wěn)定，因而能使?fàn)t內(nèi)的燃燒狀況得到優(yōu)化。

2.2 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)原理

1）定義。

傳統(tǒng)上把人和智能機(jī)統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)，而把通過(guò)學(xué)習(xí)形成的知識(shí)系統(tǒng)統(tǒng)稱為智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)（Intelli?gent Learning System）［5］。

2）學(xué)習(xí)系統(tǒng)的組成。

根據(jù)智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的定義，一個(gè)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)包括環(huán)境、知識(shí)庫(kù)、學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)四個(gè)部分［6］。具體釋義如下：

環(huán)境：指系統(tǒng)獲取知識(shí)的外界信息源，它包括系統(tǒng)的工作對(duì)象及其外界條件。本文中環(huán)境特指退火爐中各種控制變量和參數(shù)。

知識(shí)庫(kù)：存貯或記憶系統(tǒng)通過(guò)各種渠道獲得的各種知識(shí)。本文中知識(shí)庫(kù)主要是指在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和規(guī)則。

學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：對(duì)知識(shí)庫(kù)的信息進(jìn)行搜索、控制和進(jìn)行邏輯思維（如概括、比較、綜合、推理等）來(lái)產(chǎn)生、修改和更新知識(shí)庫(kù)，它是智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心。本文中特指現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)參數(shù)的改變和如何制定出規(guī)則，它與實(shí)際控制模塊嵌套在一起，具體工作由特定編制的程序來(lái)完成。

執(zhí)行環(huán)節(jié)：稱為工作環(huán)節(jié)、決策環(huán)節(jié)。本文中特指根據(jù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況作出的控制策略。

在智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，環(huán)境和知識(shí)庫(kù)分別代表對(duì)象信息源（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)）與知識(shí)信息（經(jīng)驗(yàn)參數(shù)），它們通過(guò)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)互相作用，分別對(duì)外界信息和經(jīng)驗(yàn)信息進(jìn)行處理，不斷地調(diào)整和完善執(zhí)行環(huán)節(jié)，智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3Principle diagram of intelligent learning system

1.3 基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉限幅控制系統(tǒng)

將雙交叉限幅控制與智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，其控制原理框圖如圖4所示。

圖4 基于智能學(xué)習(xí)的雙交叉限幅控制原理框圖Fig.4Principle diagram of double across limit control based on intelligent learning system

從圖4可以看到，在原有交叉限幅控制中引入了現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)庫(kù)單元作為原控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，兩者互為影響，組成基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉限幅控制，具有學(xué)習(xí)功能的系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況實(shí)時(shí)修改控制策略，作為控制擾動(dòng)補(bǔ)償輸出給控制模塊參與控制。

2 控制功能的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的軟件載體是西門子PCS7和WINCC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制方法先進(jìn)、技術(shù)成熟，是現(xiàn)在最流行的控制系統(tǒng)解決方案，所有控制功能的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)各種功能模塊（Function Block）的定義和程序編制來(lái)完成。

2.1 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中經(jīng)驗(yàn)?zāi)K（Experience Module）的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)在控制環(huán)路內(nèi)構(gòu)建與控制模塊并行的經(jīng)驗(yàn)?zāi)K，以及用戶預(yù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)?zāi)K的輸入工藝參數(shù)（如來(lái)料的速度、板寬、板厚、牌號(hào)、熱損、煤氣流量、前工序爐、本爐區(qū)序號(hào)、爐膛長(zhǎng)度和爐膛材質(zhì)等相關(guān)參數(shù)），通過(guò)與之配套的接口模塊，根據(jù)接口模塊傳過(guò)來(lái)的擾動(dòng)因素并結(jié)合以往在多種工業(yè)爐上燃燒的工藝經(jīng)驗(yàn)，編寫規(guī)則庫(kù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出DISV（擾動(dòng)值或稱之為輸出增量）以彌補(bǔ)擾動(dòng)或不同工藝的爐子會(huì)造成溫度的波動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)K有自學(xué)習(xí)的功能，識(shí)別各種影響爐子燃燒因素的擾動(dòng)，然后通過(guò)分析的結(jié)果不斷更新和完善經(jīng)驗(yàn)?zāi)K數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制參數(shù)和控制過(guò)程。圖5為設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)?zāi)K。

圖5 智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)KFig.5Experience module in intelligent learningsystem

2.2 基于智能學(xué)習(xí)的雙交叉限幅控制模塊的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示，其主要接口參數(shù)為：

ENABLE：值為1時(shí)能輸出雙交叉

EN_DISV：值為1時(shí)補(bǔ)償干擾值

TUNE：值為1時(shí)啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)K調(diào)節(jié)干擾值

POWER_SP：爐區(qū)能量需求（溫度控制器輸出）（%）

GAS_PV：當(dāng)前煤氣流量（Nm3/h）

GAS_I：當(dāng)前I-值煤氣規(guī)則（%）

AIR_PV：當(dāng)前空氣流量（Nm3/h）

AIR_I：當(dāng)前I-值空氣規(guī)則（%）

AIR_TEMP：當(dāng)前燃燒空氣溫度（℃）

LAMB_SP：Lambda（限幅值）設(shè)定點(diǎn)

LAMB_HLM：Lambda（限幅值）最大絕對(duì)值

LAMB_LLM：Lambda（限幅值）最小絕對(duì)值

LAMB_DEV：實(shí)際Lambda（限幅值）與Lambda（限幅值）設(shè)定點(diǎn)間偏差

AIR_REQ：空氣需求值

GAS_REQ：煤氣需求值

Hu：熱值煤氣（燃燒加熱）（kWh/Nm3）

CYCLE：采樣率或循環(huán)周期

PID_AIR：PID-控制空氣流量

PID_GAS：PID-控制煤氣流量

GAS_PV_V：由煤氣值計(jì)算的設(shè)定空氣流量

AIR_PV_V：由空氣值計(jì)算的設(shè)定煤氣流量

GAS_FLOW_10：閥門基本特性

GAS_DISV_10：DISV（擾動(dòng)值或輸出增量）

Output PID-Control：爐溫控制器的輸出

Air Max：空氣最大量

圖6 雙交叉限幅控制模塊Fig.6Module of double across limit control

2.3 功能說(shuō)明

在接口參數(shù)中“EN_DISV”、“TUNE”、“GAS_I”、“AIR_I”、“GAS_DISV_10”等直接根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝狀況，通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)K比較改變規(guī)則庫(kù)，并給予控制系統(tǒng)補(bǔ)償輸出。而交叉限幅模塊的核心流程是：假設(shè)初始狀態(tài)下操作比率設(shè)置值λ（Lambda）=1，Output PID-Control（爐溫控制器的輸出）為一初始設(shè)定值，Air Max（最大空氣量值）是恒定的，那么可計(jì)算出AIR_REQ（空氣需求值），而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱值儀的測(cè)量可得到現(xiàn)場(chǎng)的空煤比，根據(jù)空煤比可計(jì)算出GAS_REQ（煤氣需求值），GAS_REQ和AIR_REQ是煤氣和空氣控制器的基礎(chǔ)，基于實(shí)際煤氣和空氣流量，每個(gè)CPU循環(huán)將計(jì)算實(shí)際的λ值，為了避免λ偏差超過(guò)最大值或低于最小值，兩個(gè)控制器設(shè)定值限幅。此限幅將被允許最大（±Kλ）的偏差，其中K∈（0，1），K值的選取與智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)中DISV（擾動(dòng)值或輸出增量）相關(guān)。

2.4 使用效果及分析

在采用基于智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的雙交叉限幅控制策略后，解決了傳統(tǒng)PID控制帶來(lái)的種種弊端，控制精度可達(dá)到±5℃，且控制趨勢(shì)平穩(wěn)、快速有效，系統(tǒng)抗擾性強(qiáng)。因此，保證了爐內(nèi)氣氛相對(duì)穩(wěn)定正常，在鋼帶加熱時(shí)節(jié)約了大量能源，進(jìn)而直接提升了產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)增加硅鋼產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。

3 結(jié)語(yǔ)

在深入研究上述硅鋼工業(yè)退火爐爐溫控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，合理地將智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)與交叉限幅控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)綜合運(yùn)用，以達(dá)到使硅鋼退火爐內(nèi)的控制溫度及爐內(nèi)的保護(hù)氣氛更加均勻，爐內(nèi)介質(zhì)的燃燒更加安全、充分和穩(wěn)定，因此對(duì)硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量的提高大有改善。該系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的PID控制方式有了很大改進(jìn)，具有控制穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)的特征。筆者提出的控制思想和控制理論不僅為解決此類非線性系統(tǒng)的控制問題提供了一種思路，而且在“節(jié)能減排、低碳環(huán)?！钡膰?guó)際大趨勢(shì)下亦具有積極意義。

（References）

［1］何軼.連續(xù)退火爐燃燒控制模型分析和仿真［J］.冶金自動(dòng)化，2008，32（1）:49-52.

［2］李遵基.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1997：98-99.

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［5］吳泉源，劉江寧.人工智能與專家系統(tǒng)［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版杜，1995：247-280.

［6］龍曉莉，朱斌.智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，28（11）：109-113.

（責(zé)任編輯：強(qiáng)士端）

Application of a Kind of Nonlinear System Controlling Method on Silicon Steel Production

DAI Mingli
（Instrument Control Company，WISCO Engineering and Technology Group，Wuhan 430081，Hubei，China）

The temperature control of silicon steel industrial annealing furnace has the features of strong coupling，pure lag，multidisturbance.The control method represents the solution of a class of nonlinear control systems.The control object is the temperature control of silicon steel industrial an?nealing furnace,the intelligent learning system based on Double Across Limit Control is introduced and used to solve control problem of this kind of nonlinear system,and the module programming is used to realize the function.The results show the method improves the index of precision and an?ti-disturbance compared with traditional method of PID control，it is a valid method to solve such problem.

intelligent learning system；double across limit control；air/gas coefficient

TB114.2

：A

：1673-0143（2014）05-0025-06

2014-06-25

戴鳴力（1972—），男，工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。