輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制系統(tǒng)及其方法。爐溫控制系統(tǒng)包括11個(gè)燃燒控制區(qū)構(gòu)成的爐膛、PLC下位機(jī)和工控上位機(jī)，爐膛的各燃燒控制區(qū)按需配置16或8只燒嘴、4支熱電偶。熱電偶基于“二乘二取二”祘法、上傳經(jīng)中位均值濾波處理的溫度測量值，具有可維護(hù)、高可靠的優(yōu)點(diǎn)；燒嘴的燃/空流量控制中，設(shè)計(jì)增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法，不僅消除了缺/過氧燃燒，而且提升了雙交叉限幅法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)；立足熱處理工藝，爐膛溫度控制應(yīng)用分區(qū)控制策略：第1～4、5～11燃燒控制區(qū)的爐膛溫度分別采用PID和預(yù)測控制，兼顧控制計(jì)祘量的基礎(chǔ)上提高了溫控精度；爐膛溫度控制與燃/空氣流量控制則構(gòu)成一種特殊的串級控制。
【專利說明】輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬輥底式熱處理爐的爐溫控制技術(shù)范疇，尤其是指輥底式熱處理爐的高精 度高可靠爐溫控制系統(tǒng)及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 2013年我國生產(chǎn)粗鋼77904萬噸，首超全球鋼產(chǎn)量的一半；同時(shí)一個(gè)不爭的、令人 尷尬的事實(shí)是全行業(yè)陷入產(chǎn)能過剩、效益下降的窘境。淘汰落后的過剩產(chǎn)能，面向市場優(yōu)化 行業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整生產(chǎn)布局，增加產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值是鋼鐵行業(yè)擺脫困境的唯一出路。 熱處理能改善金屬材料的組織結(jié)構(gòu)、改進(jìn)材料的理化指標(biāo)，使零部件質(zhì)量和壽命大大提高； 熱處理爐則是熱處理工藝的必要設(shè)備。輥底式熱處理爐在三大主流熱處理爐中占有一席之 地，經(jīng)其處理的鋼材不僅性能優(yōu)良，而且具有能耗低產(chǎn)量高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的優(yōu) 勢。
[0003] 輥底式熱處理爐借助變頻傳動(dòng)【技術(shù)領(lǐng)域】的成果、以及耐火高鋁纖維或高鋁質(zhì)耐火 澆注新材料的問世、特別是脈沖燃燒調(diào)控供熱量技術(shù)的突破，長期阻礙其發(fā)展的物料輸送 可控問題、熱處理爐壽命問題、調(diào)節(jié)燃燒按需供熱的技術(shù)難題，均得到解決或相當(dāng)程度的緩 解。另一方面，輥底式熱處理爐的爐溫控制系統(tǒng)在精度和可靠性上的缺陷卻日漸凸現(xiàn)、亟待 解決；本發(fā)明圍繞輥底式熱處理爐的爐溫控制展開。
[0004] 首先，輥底式熱處理爐的溫度測量精度和可靠性差強(qiáng)人意、有待提高。目前，廣泛 使用K型熱電偶溫度傳感器；在輥底式熱處理爐的惡劣工況下，熱電偶故障率偏高、精度偏 低，導(dǎo)致爐溫控制系統(tǒng)的性能下降。立足現(xiàn)有的熱電偶溫度傳感器，從熱電偶溫度傳感器的 組成結(jié)構(gòu)、以及傳感器的數(shù)據(jù)處理兩方面切入，有望消除困擾業(yè)界多年的難題。
[0005] 其次，輥底式熱處理爐負(fù)荷變化時(shí)，理論上燃?xì)夂涂諝庑枳魍礁淖?，且兩者間還 需維系空氣過剩系數(shù)μ于1. 02?1. 10 ;鑒于空氣流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)較燃?xì)饬髁康膭?dòng)態(tài)響 應(yīng)慢，一旦輥底式熱處理爐出現(xiàn)大幅度的熱負(fù)荷變化、比值控制下的燃?xì)夂涂諝饬髁扛淖?會出現(xiàn)不同步、即熱負(fù)荷過渡過程中將難以維系空氣過剩系數(shù)μ于1. 02?1. 10 ;從阻止 缺氧燃燒（環(huán)保）或過氧燃燒（節(jié)能）的視角考量，業(yè)內(nèi)通行的舉措是引入"雙交叉限幅 法"。阻止缺/過氧燃燒，雙交叉限幅法的有效性得到了工程實(shí)踐的有力支持，但雙交叉限 幅法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的缺陷卻廣受詬病、亟待改進(jìn)。
[0006] 第三，輥底式熱處理爐的爐溫是典型的非線性、大滯后對象；傳統(tǒng)的PID，以及 FuZZy_PID的控制效果欠佳，探尋更有效的控制赫法己列入議事日程。
[0007] 本發(fā)明旨在彌補(bǔ)輥底式熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)的不足。目前，較有代表性的知識 產(chǎn)權(quán)成果綜述如下：
[0008] ?發(fā)明專利"熱處理爐溫模糊控制系統(tǒng)"（申請?zhí)?01110361174. 7)，提出由熱電偶 測量熱處理爐內(nèi)每個(gè)加熱段的爐溫，并通過控制器的模糊控制模塊處理后調(diào)節(jié)相對應(yīng)的燃 氣控制閥控制燃?xì)鈬娙肓?，從而精確控制并及時(shí)調(diào)整熱處理爐的爐溫。
[0009] ?發(fā)明專利"一種多功能連續(xù)熱處理爐及熱處理方法"（專利號 ZL201110443767. 8)，熱處理爐包括均熱爐段、多個(gè)二次風(fēng)高速調(diào)溫?zé)臁⒓訜釥t段、多個(gè)高 速燒嘴、助燃空氣管道、煤氣管道；均熱爐段采用二次風(fēng)高速調(diào)溫?zé)爝M(jìn)行供熱，加熱爐段 采用高速燒嘴進(jìn)行供熱。熱處理方法具有操作簡便、爐溫均勻性好等特點(diǎn)。
[0010] ?發(fā)明專利"一種熱處理爐脈沖燃燒的溫度控制方法"（ZL 200910272332. 4)，提出 熱處理爐脈沖燃燒的溫度控制方法：①當(dāng)加熱區(qū)域的溫控段沒有鋼坯進(jìn)入的時(shí)候，用模糊 自適應(yīng)PID脈沖調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度控制；②根據(jù)熱處理爐物料跟蹤信息獲知有鋼坯進(jìn)入加熱區(qū) 域的時(shí)候，切斷模糊自適應(yīng)PID脈沖調(diào)節(jié)控制，進(jìn)行熱能平衡控制；③根據(jù)熱處理爐物料跟 蹤信息獲知鋼坯離開的時(shí)候，再切換到模糊自適應(yīng)PID脈沖調(diào)節(jié)進(jìn)行溫控，恒定此溫控段 溫度；④在均熱區(qū)域始終采取常規(guī)PID脈沖調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度控制。
[0011] 上述有益探索，提出了采用模糊控制調(diào)節(jié)爐溫；二次風(fēng)高速調(diào)溫?zé)鞂鶡釥t段 供熱，高速燒嘴對加熱爐段供熱的爐溫控制策略；有/無鋼坯分別按熱能平衡/模糊自適應(yīng) PID脈沖調(diào)節(jié)控制爐溫。研究成果有一定的參考價(jià)值，但探索成果仍存在局限；因此，有必 要在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上作深入的研究與創(chuàng)新，立足輥底式熱處理爐、探尋提高爐溫控 制精度和可靠性的新技術(shù)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠 爐溫控制系統(tǒng)及其方法。
[0013] 輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制系統(tǒng)，包括PLC下位機(jī)、工控上位機(jī)，以 及11個(gè)燃燒控制區(qū)構(gòu)成的爐膛；
[0014] 第1燃燒控制區(qū)配置16只一組的燒嘴、爐膛的左右側(cè)各8只均勻排列，配置4支熱 電偶：第一熱電偶與第二熱電偶封裝在1個(gè)保護(hù)套內(nèi)、安裝在第1燃燒控制區(qū)中部的左側(cè)， 第三熱電偶與第四熱電偶封裝在另1個(gè)保護(hù)套內(nèi)、安裝在第1燃燒控制區(qū)中部的右側(cè)，第1 燃燒控制區(qū)的熱電偶對應(yīng)第1燃燒控制區(qū)的燒嘴，第1燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為 680±30°C ;第2燃燒控制區(qū)與第1燃燒控制區(qū)類同，第2燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間 為780±10°C，配置4支熱電偶：第五熱電偶、第六熱電偶、第七熱電偶和第八熱電偶，且與 第2燃燒控制區(qū)的16只燒嘴對應(yīng)；第3?11燃燒控制區(qū)的每區(qū)配置8只一組的燒嘴、爐 膛的左右側(cè)各4只均勻排列，配置4支熱電偶，熱電偶的安裝方式與第1燃燒控制區(qū)類同， 第3燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為820±5°C、第4燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為 835±2°C、第5?11燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為835±1°C ;所有熱電偶附設(shè)斷線檢 測報(bào)警單元；燃?xì)夤苌喜贾萌細(xì)饬髁坑?jì)和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、與布置空氣流量計(jì)和空氣調(diào)節(jié)閥的 空氣管匯合，進(jìn)入燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚夤?，燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚夤軐?yīng)11個(gè)燃燒控制區(qū)引 出11條燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚庵Ч?，每組燒嘴的進(jìn)氣口均經(jīng)燒嘴控制閥接入對應(yīng)的燃?xì)夂?空氣的混合氣支管；
[0015] 輥底式熱處理爐的控制系統(tǒng)采用PLC下位機(jī)和工控上位機(jī)的分層架構(gòu)；熱電偶的 輸出信號接入PLC的模擬量輸入模塊SM331-7KF02, PLC的開關(guān)量輸出模塊SM322-1BL00 與燒嘴控制閥的控制端相連；燃/空氣流量計(jì)的輸出信號接入PLC的模擬量輸入模塊 SM331-7KF02, PLC的模擬量輸出模塊SM332-5HF00與燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的控制端、空氣調(diào)節(jié)閥的 控制端相連。
[0016] 輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制方法是：每個(gè)燃燒控制區(qū)的熱電偶基于 "二乘二取二"赫法、上傳經(jīng)中位均值濾波處理的溫度測量值；輥底式熱處理爐熱負(fù)荷小范 圍變化時(shí)、燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繄?zhí)行比值控制，輥底式熱處理爐出現(xiàn)大幅度熱負(fù)荷變化時(shí)、 燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繉?shí)施增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法控制；第1、2、3和4燃燒 控制區(qū)的爐膛溫度調(diào)節(jié)器采用PID控制赫法，第5?11燃燒控制區(qū)的爐膛溫度調(diào)節(jié)器采用 預(yù)測控制赫法；爐溫控制與燃/空氣流量控制則構(gòu)成一種特殊的串級控制，即11個(gè)燃燒控 制區(qū)的爐溫控制和燃/空氣管上的燃/空氣流量控制構(gòu)成的串級控制、而燃/空氣流量之 間則采用增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法控制。
[0017] 所述的熱電偶基于"二乘二取二"赫法、上傳經(jīng)中位均值濾波處理的溫度測量值包 括：11個(gè)燃燒控制區(qū)溫度測量值處理方法相同，以第1燃燒控制區(qū)的4支熱電偶為例；
[0018] 溫度測量流程：
[0019] 0.根椐熱電偶和熱處理爐工藝的技術(shù)參數(shù)，給出熱電偶溫度測量偏差的上限值 ESP，熱電偶測量/備用狀態(tài)變量賦值checklOO = 110
[0020] 1)測量狀態(tài)的熱電偶采樣
[0021] 1-1. checklOO = 110注：第一、二熱電偶/第三、四熱電偶測量/備用
[0022] 第一熱電偶與第二熱電偶采樣4次
[0023] 上傳至下位機(jī)PLC
[0024] 1-2. checklOO = 120注：第三、四熱電偶/第一、二熱電偶測量/備用
[0025] 第三熱電偶與第四熱電偶采樣4次
[0026] 上傳至下位機(jī)PLC
[0027] 2)熱電偶溫度數(shù)據(jù)的中位均值濾波
[0028] 2-1. checklOO = 110
[0029] 第1燃燒控制區(qū)第一熱電偶溫度數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即

【權(quán)利要求】
1. 一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制系統(tǒng)，其特征在于包括PLC下位機(jī) (310)、工控上位機(jī)（300)，以及11個(gè)燃燒控制區(qū)構(gòu)成的爐膛； 第1燃燒控制區(qū)配置16只一組的燒嘴、爐膛的左右側(cè)各8只均勻排列，配置4支熱電 偶：第一熱電偶（111)與第二熱電偶（112)封裝在1個(gè)保護(hù)套內(nèi)、安裝在第1燃燒控制區(qū) 中部的左側(cè)，第三熱電偶（121)與第四熱電偶（122)封裝在另1個(gè)保護(hù)套內(nèi)、安裝在第1燃 燒控制區(qū)中部的右側(cè)，第1燃燒控制區(qū)的熱電偶對應(yīng)第1燃燒控制區(qū)的燒嘴，第1燃燒控制 區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為680±30°C ;第2燃燒控制區(qū)與第1燃燒控制區(qū)類同，第2燃燒控 制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為780±10°C，配置4支熱電偶：第五熱電偶（211)、第六熱電偶 (212)、第七熱電偶（221)和第八熱電偶（222)，且與第2燃燒控制區(qū)的16只燒嘴對應(yīng)；第 3?11燃燒控制區(qū)的每區(qū)配置8只一組的燒嘴、爐膛的左右側(cè)各4只均勻排列，配置4支 熱電偶，熱電偶的安裝方式與第1燃燒控制區(qū)類同，第3燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為 820±5°C、第4燃燒控制區(qū)設(shè)定的工藝溫度區(qū)間為835±2°C、第5?11燃燒控制區(qū)設(shè)定的 工藝溫度區(qū)間為835±1°C ;所有熱電偶附設(shè)斷線檢測報(bào)警單元；燃?xì)夤苌喜贾萌細(xì)饬髁坑?jì) 和燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、與布置空氣流量計(jì)和空氣調(diào)節(jié)閥的空氣管匯合，進(jìn)入燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚?管，燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚夤軐?yīng)11個(gè)燃燒控制區(qū)引出11條燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚庵Ч?，每組 燒嘴的進(jìn)氣口均經(jīng)燒嘴控制閥接入對應(yīng)的燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚庵Ч埽? 輥底式熱處理爐的控制系統(tǒng)采用PLC下位機(jī)（310)和工控上位機(jī)（300)的分層架 構(gòu)；熱電偶的輸出信號接入PLC的模擬量輸入模塊SM331-7KF02, PLC的開關(guān)量輸出模塊 SM322-1BL00與燒嘴控制閥的控制端相連；燃/空氣流量計(jì)的輸出信號接入PLC的模擬量 輸入模塊SM331-7KF02, PLC的模擬量輸出模塊SM332-5HF00與燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的控制端、空氣 調(diào)節(jié)閥的控制端相連。
2. -種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制方法， 其特征在于每個(gè)燃燒控制區(qū)的熱電偶基于"二乘二取二"赫法、上傳經(jīng)中位均值濾波處理的 溫度測量值；輥底式熱處理爐熱負(fù)荷小范圍變化時(shí)、燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繄?zhí)行比值控制，輥 底式熱處理爐出現(xiàn)大幅度熱負(fù)荷變化時(shí)、燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繉?shí)施增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié) 的雙交叉限幅法控制；第1、2、3和4燃燒控制區(qū)的爐膛溫度調(diào)節(jié)器采用PID控制赫法，第 5?11燃燒控制區(qū)的爐膛溫度調(diào)節(jié)器采用預(yù)測控制赫法；爐溫控制與燃/空氣流量控制則 構(gòu)成一種特殊的串級控制，即11個(gè)燃燒控制區(qū)的爐溫控制和燃/空氣管上的燃/空氣流量 控制構(gòu)成的串級控制、而燃/空氣流量之間則采用增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法 控制。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制方法，其特征在 于所述的熱電偶基于"二乘二取二"赫法、上傳經(jīng)中位均值濾波處理的溫度測量值包括：11 個(gè)燃燒控制區(qū)溫度測量值處理方法相同，以第1燃燒控制區(qū)的4支熱電偶為例； 溫度測量流程： 〇.根椐熱電偶和熱處理爐工藝的技術(shù)參數(shù)，給出熱電偶溫度測量偏差的上限值ESP， 熱電偶測量/備用狀態(tài)變量賦值checklOO = 110 1)測量狀態(tài)的熱電偶采樣 I-LchecklOO = 110注：第一、二熱電偶（111)與（112)/第三、四熱電偶（121)與 (122)測量/備用 第一熱電偶（111)與第二熱電偶（112)采樣4次 上傳至下位機(jī)PLC (310) 1- 2. checklOO = 120注：第三、四熱電偶（121)與（122)/第一、二熱電偶（111)與 (112)測量/備用 第三熱電偶（121)與第四熱電偶（122)采樣4次 上傳至下位機(jī)PLC (310) 2) 熱電偶溫度數(shù)據(jù)的中位均值濾波 2- 1. checklOO = 110 第1燃燒控制區(qū)第一熱電偶（111)溫度數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即
第1燃燒控制區(qū)第二熱電偶（112)溫度數(shù)據(jù)中位均值濾波得D112Wage DllO = (DlllAverage+D112Average)/2 2- 2. checklOO = 120 第1燃燒控制區(qū)第三熱電偶（121)溫度數(shù)據(jù)的中位均值濾波，即
第1燃燒控制區(qū)第四熱電偶（122)溫度數(shù)據(jù)中位均值濾波得D122Av_ge D120 = (D121Average+D122Average)/2 3) "二乘二取二"赫法處理 3- 1. checklOO = 110 3-1-1. I DllIAverage-Dl12Average|<ESP D100 = DllO 返回"1" 3-1-2. I Dl IlAverage-Dl 12Average I ^ESP 注：第一、二熱電偶（111)或（112)故障 checklOO = 120、故障報(bào)警 注：第三、四熱電偶（121)或（122)投運(yùn) 返回"1" 3-2. checklOO = 120 3-2-1. ID121Average-D122Average|<ESP D100 = D120 返回"1" 3-2-2. I D121Average-D122Average I ^ESP 注：第三、四熱電偶（121)或（122)故障 checklOO = 110、故障報(bào)警 注：第一、二熱電偶（111)或（112)投運(yùn) 返回"1" 第2?11燃燒控制區(qū)熱電偶"二乘二取二"赫法的溫度測量流程與第1燃燒控制區(qū)的 熱電偶類同；熱電偶為K型，量程：0?1300°C ; 溫度測量方法： 第1燃燒控制區(qū)的第一熱電偶（111)、第二熱電偶（112)和第1燃燒控制區(qū)的第三熱電 偶（121)、第四熱電偶（122)互為備份，由熱電偶測量/備用狀態(tài)變量checklOO控制切換： checklOO = 110、第1燃燒控制區(qū)的第一熱電偶（111)與第二熱電偶（112)為測量狀態(tài)、而 第三熱電偶（121)與第四熱電偶（122)備份，checklOO = 120、第1燃燒控制區(qū)的第三熱電 偶（121)與第四熱電偶（122)為測量狀態(tài)、而第一熱電偶（111)與第二熱電偶（112)備份； checklOO = 110,第1燃燒控制區(qū)的第一熱電偶（111)、第二熱電偶（112)測量溫度、溫度數(shù) 據(jù)中位均值濾波、二乘二取二表決，若兩支熱電偶的測量數(shù)據(jù)偏差〈ESP、輸出測量的溫度， 反之checklOO = 120、第1燃燒控制區(qū)的第三熱電偶（121)、第四熱電偶（122)轉(zhuǎn)為測量狀 態(tài)、故障報(bào)警更換第一熱電偶（111)和第二熱電偶（112) ;checkl00 = 120時(shí)與checklOO =110類同；第2?11區(qū)的"二乘二取二"溫度測量方法、與第1燃燒控制區(qū)的溫度測量方 法類同。
4.如權(quán)利要求2所述的一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制方法，其特征在 于所述的增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法包括： 增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法控制裝置由溫度調(diào)節(jié)器、燃?xì)庹{(diào)節(jié)器、空氣調(diào) 節(jié)器、高/低選器和快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)組成；輥底式熱處理爐熱負(fù)荷小范圍變化時(shí)，燃?xì)饬?量和空氣流量執(zhí)行比值控制，增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法不起作用；輥底式熱 處理爐出現(xiàn)大幅度熱負(fù)荷變化時(shí)，燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁繉?shí)施增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交 叉限幅法控制；爐膛溫度控制與燃/空氣流量控制構(gòu)成的串級控制中，溫度為主控回路，燃 氣流量和空氣流量為副控制回路；增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法借助高/低選器 和快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，維系燃?xì)夂涂諝饬髁看蠓茸兓瘯r(shí)過渡過程中的同步、合理的空燃 t匕；現(xiàn)以熱處理爐熱負(fù)荷穩(wěn)定、大幅度變化兩種工況為例，論述"增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的 雙交叉限幅法"的原理： ① 設(shè)熱負(fù)荷穩(wěn)定，系統(tǒng)處于某一平衡狀態(tài)，此時(shí)Af= β Gf 式中：β為系統(tǒng)處于某一平衡狀態(tài)時(shí)所對應(yīng)的空燃比曲線上的取值，Af為空氣流量實(shí) 測值，Gf為燃?xì)饬髁繉?shí)測值； 平衡狀態(tài)時(shí)下列條件成立 Af/β (I-K3) <G〇<Af/^ (I+K1) Gf^ (I-K4) <Α〇<6Γβ (I+K2) 式中Λ、Gtl為溫度調(diào)節(jié)器輸出的空氣、燃?xì)庠O(shè)定值，Kp K2、K3、K4為限幅偏置值，取值大 小決定上下限幅之間的調(diào)差寬度，取K2 = K3X1 = K4 ;在平衡狀態(tài)時(shí)，高選器和低選器均不 起作用，空氣調(diào)節(jié)器輸入設(shè)定值A(chǔ)s = Atl，燃?xì)庹{(diào)節(jié)器輸入設(shè)定值Gs = Gtl，燃?xì)饬髁亢涂諝饬?量執(zhí)行比值控制； ② 當(dāng)輥底式熱處理爐出現(xiàn)大幅度熱負(fù)荷變化，不失一般性以熱負(fù)荷大幅度增大為例展 開論述，熱負(fù)荷增加、爐膛所處的熱平衡狀態(tài)被破壞，溫度調(diào)節(jié)器輸出值&、Gtl上升，通過增 加供熱量使?fàn)t溫符合工藝要求； 空氣和燃?xì)獾脑O(shè)定值A(chǔ)s、Gs上升，導(dǎo)致空氣和燃?xì)饬髁繉?shí)測值A(chǔ)f和G f增加；因 Gf的 增加速率比Af快，會產(chǎn)生瞬間空燃比過低，但在交叉限幅的作用下，燃?xì)饪刂苹芈稟f/ Ml-K3) %，Gtl通過高選器，而在低選器下的作用有，Gs = Af/Ml+l) %，在高低選器的作 用下實(shí)際的燃料流量控制輸入設(shè)定值gs = Af/β α+ig，從而使Gs的上升速率延緩起到抑 制Gf速率增加的作用；空氣控制回路G f β (I-K4) <Gfi3 (^K2XAtl，在高低選器的作用下，實(shí) 際空氣流量的設(shè)定值為As = Gf β (1+K2)，因燃料Gf的增加速率較快，等于使As的上升速率 加大，起到增加 Af增加速率的作用；燃?xì)夂涂諝饬髁看蠓茸兓瘯r(shí)，雙交叉限幅法維系過渡 過程中合理的空燃比是有效的，但造成了動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差的負(fù)面影響；增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán) 節(jié)的雙交叉限幅法，燃?xì)庠O(shè)定值G s大幅上升時(shí)，將燃?xì)饬髁肯拗骗h(huán)節(jié)的輸入輸出之差經(jīng)過 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償（llTeS/l+TtS)Te〈Tt、方向性增益和補(bǔ)償量限制MID (補(bǔ)償量〉補(bǔ)償量上限時(shí)取上 限值一防止過度補(bǔ)償）3個(gè)環(huán)節(jié)后，與空氣流量限制環(huán)節(jié)的輸出相加，把此信號作為空氣流 量的前饋值，提高空氣流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)； 熱負(fù)荷大幅度減少，增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法的情況類同。
5.如權(quán)利要求2所述的一種輥底式熱處理爐的高精度高可靠爐溫控制方法，其特征在 于所述的爐溫控制與燃/空氣流量控制構(gòu)成一種特殊的串級控制包括： 11個(gè)燃燒控制區(qū)的爐溫控制和燃/空氣管上的燃/空氣流量控制構(gòu)成串級控制；第1、 2、3和4燃燒控制區(qū)的溫度調(diào)節(jié)器基于PID控制赫法，第5?11燃燒控制區(qū)的溫度調(diào)節(jié)器基 于預(yù)測控制赫法溫度調(diào)節(jié)器輸入對應(yīng)燃燒控制區(qū)的工藝溫度設(shè)定值tOi、熱電偶上傳的溫 度測量值tsi，輸出為ui，i = 1，2,... 11 ;溫度調(diào)節(jié)器的輸出ui -路與對應(yīng)燃燒控制區(qū)的 燒嘴控制閥的控制端相連，另一路與加法器相連；加法器的輸出U是燃?xì)饬髁亢涂諝饬髁?副控制回路的設(shè)定值，燃/空氣流量則實(shí)施增設(shè)快速響應(yīng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的雙交叉限幅法控制； 基于經(jīng)典控制的PID赫法的溫度調(diào)節(jié)器、比較設(shè)定值tOi，i = 1，"·，4,和熱電偶上傳 的溫度測量值tsi，i = 1，"·，4、調(diào)節(jié)燒嘴控制閥的占空比ui，i = 1，"·，4,使?fàn)t膛溫度按 照設(shè)定工藝曲線運(yùn)行； 基于預(yù)測控制MPC赫法的溫度調(diào)節(jié)器、比較設(shè)定值tOi，i = 5,…，11和熱電偶上傳的 溫度測量值tsi，i = 5,…，11、調(diào)節(jié)燒嘴控制閥的占空比ui，i = 5,…，11，使?fàn)t膛溫度按 照設(shè)定工藝曲線運(yùn)行；以第5燃燒控制區(qū)的預(yù)測控制為例，論述預(yù)測控制流程： 令燒嘴控制閥輸出M步控制增量為Λ u5 (k)，Λ u5 (k+Ι)，…，Λ u5 (k+m-1)，則過程對 象的P步熱電偶溫度預(yù)測值為t5(kkl |k)，t5(kk2|k)，···，t5(kkp|k)，當(dāng)前的或者未來的燒 嘴控制閥輸出m步控制增量（m〈p)則是通過計(jì)算二次目標(biāo)的最小值獲得的：mini (k)= ELiqiLtS (k + i|k) -t〇s (k+ 0 ]2+Σ?=ιηΔυ52 (k + j-1) min t5〈t5(k+j)〈max t5 j = I, ···, p min u5〈u5(k+j)〈max u5 j = 0,…，m_l min Δ u5< Δ u5 (k+j) <max Au5 j = 〇，…，m_l 由權(quán)系數(shù)構(gòu)成的對角陣q、r分別稱為誤差權(quán)矩陣和控制權(quán)矩陣，用于在預(yù)測時(shí)間域 內(nèi)懲罰特定變量紅。5或者U5) 為將來設(shè)定值溫度；雖然在滾動(dòng)優(yōu)化中，m步控制 增量厶1!5〇〇，厶115(1^1)，?，厶115(1^111-1)都會被計(jì)算出來，但也只有第一個(gè)控制增量會 執(zhí)行；因此在滾動(dòng)優(yōu)化過程中，當(dāng)下一個(gè)采樣間隔到來時(shí)，控制域會向前移動(dòng)一步，當(dāng)過程 對象新的輸出值被采集后，以上計(jì)算過程重復(fù)進(jìn)行，新的控制增量的第一個(gè)又被執(zhí)行，如此 重復(fù)，實(shí)現(xiàn)對過程對象的優(yōu)化控制；而對象的熱電偶溫度預(yù)測值t(kkl |k)，t(kk2 |k)，…， t(kkp|k)則有賴于對象當(dāng)前的熱電偶溫度實(shí)際值ts(k);如此重復(fù)的預(yù)測、優(yōu)化和反饋校正 等步奏，爐膛溫度將維持在設(shè)定溫度的一定范圍內(nèi)，達(dá)到過程控制的目標(biāo)。
【文檔編號】C21D11/00GK104388667SQ201410609834
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】李星, 李永泉, 黃懿明, 吳明光 申請人:浙江大學(xué), 李永泉