基于智能模糊控制的中板加热炉计算机控制系统
日期：2009-9-3 22:20:33 点击：
来源：中国工控网
作者：
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摘要：本文介绍了中板加热炉计算机智能模糊控制系统的结构及功能，论述了把智能模糊控制方法应用于该加热炉燃烧过程的控制情况和特点。实时控制结果表明，这种控制思想是可行的，能够取得满意的控制效果。
关键词：中板加热炉 ；计算机 ；智能模糊控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A
Abstract：This paper introduces the constitution and functions of microcomputer intellectual fuzzy contro1 system for middle thickness plate reheating fumace，and describes the control situation and features of combustion control system of middle thickness plate reheating fumace，to which the intellectual fuzzy control method is applied． Realtime contro1 results show the contro1 ideal is applicable and contro1 effect is satisfactory．
Keywords：Middle Thickness Plate Reheating fumace；Microcomputer；
Intellectual Fuzzy Control
一、前 言
在钢铁工业中，中板加热炉轧钢厂是主要耗能设备之一。近来，随着能源的高度消耗，节能、开发新的能源越来越引起人们的重视。因此，如何合理解决加热炉的燃烧问题，提高
燃料的利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量，从而进一步提高整个轧钢生产过程的经济效益具有非常重要的意义。
中板加热炉燃烧控制采用常规控制理论和方法进行控制，必须知道其准确的数学模型，
而中板加热炉这种大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统，由于其结构复杂，各变量之间相
互耦合，加上各种干扰因素的影响，难以建立其精确的数学模型。对于这种用一般线性调节规律不能满足要求的调节系统，且在燃料热值及残氧检测困难的情况下，要保持跟踪最佳燃空比，我们可根据易于检测的各种流量、压力和温度三组物理量，采用智能模糊控制技术，按照人工智能的方法加以控制，能自动搜索并跟踪最优燃空比，实现最佳燃烧及综合自动控制。
二、计算机系统结构及功能
本系统为两级计算机控制系统，即：(1)直接数字控制(DDC)系统，用于对现场进行实时控制；(2)监督控制系统(SCC)，用来计算最佳设定值，进行最优控制，并且能指导操作管理系统。DDC和SCC一起构成功能很强的闭环控制系统。计算机控制系统结构如图1所示。
图1计算机控制系统结构图
2．1 DDC级控制系统
2．1．1系统硬件配置
用于过程控制的STD总线控制机主要由CPU模块(8802)，存储模块(8701)，图形显示模块(8305)，键盘模块(8315)，A／D转换模块(SC—11070)，D／A转换模块(SC—11060)，隔离模块以及电源所组成。
中板加热炉的炉温、油压、燃油及空气流量、风压、阀位等信号，经采样器采样，由A／D模块转换为数字信息，送给控制机，计算机根据检测到的数据及由SCC级传送来的信息，完成对工艺参数的逻辑分析和运算，将结果一方面由CRT显示，另一方面通过CPU(8802) 模板的RS—232C通讯接口传送给SCC级监控机进行处理。与此同时，并由D／A模板将数字量结果转换为4～20mA的电流信号，经伺服放大器放大，送至执行机构去调节阀门的开启度，达到控制各参数的目的。
2．1．2系统软件构成
系统的控制程序主要分为： （1）初始化程序及主程序； （2）数据采集、滤波、代码转换及A／D转换程序； （3）智能模糊控制程序；（4）各类辅助控制程序； （5）
D／A转换及声光报警程序。
控制程序主要安排在中断服务程序中，并且有较高的中断优先级。
2．2 SCC级监控系统
2．2．1系统硬件配置
IPC监控计算机采用上位机NEC PC—9801FC，并配有SHARP 640X400高分辨率20寸(1寸=25．4mm)大屏幕彩色显示器及NEC PR—201DC彩色打印机。
外围设备送来的生产现场的流量、温度、压力等工况参数，经过DDC控制机加工处理后，由I／O接口送入SCC监控计算机。监控计算机将这些检测参数、过程状态和控制信息，根据智能模糊自寻优控制算法、炉温设定值自动修正控制算法，PID参数在线自整定控制算法以及三段炉温自动协调控制算法等，实时算出既定工艺条件下的最佳炉温、油压、风压的设定值及整定后的PID参数，并送回DDC级控制机，由STD控制机对生产现场进行实时最佳控制。另外，监控机还对现场进行生产过程的操作指导和控制过程的管理工作。
2．2．2系统软件结构
SCC级监控软件主要包括以下几部分： （1）中板加热炉工艺流程图； （2）控制系统结构图； （3）仪表控制系统图； （4）控制参数调整图；（5）参数历史趋势图； （6）控制参数实时趋势图； （7）生产统计报表图等程序。
通过这些监控程序可监视温度、压力、流量的变化趋势，对其设定值、PID参数等进行
智能模糊修正，对故障报警显示，对生产状况进行统计，制表。
中断程序安排30分钟定时打印程序，每30分钟打印机可定时打印各参数的瞬时量，累计量及过程曲线等。
这些值也可由人工随时打印。
当出现异常情况时，可将报警情况及报警时间打印下来。
通讯中断程序，安排STD控制机和9801监控制机的数据通迅。
2．3 STD控制机同9801监控制机的通讯联络
STD总线控制机和NEC PC—9801FC控制机通过其RS—232C接口，按异步串行通讯方式进行通讯联系，彼此交换信息。
9801监控制机两秒钟定时中断，启动通讯程序，向STD控制机发送设定值修改标志，
控制回路号，并将炉温设定值自动修正和智能模糊控制程序优化运算结果及油压、风压自寻优得出的设定值发送过去。
STD控制机接收到标志“3”后，将内存缓冲区数据读出，随后存入相应的单元。
9801控制机发出由PID参数在线自整定控制算法得出的参数标志“2”后，接着发出其数据，STD控制机接收到标志“2”后，读出缓冲区数据、控制回路号，并将对应的PID参数存放到相应的单元。
同样，9801控制机发标志“l”作为请求，将STD控制机各测量、控制参数送出标志，当STD控制机接收到标志“1”后，将缓冲区数据读出，随后将全部的参数送出。
三、中板加热炉燃烧智能模糊控制
中板加热炉的燃烧过程是一个复杂的物理和化学过程，其过程控制中存在着大量的模糊
现象，如“炉温较低”、“温度变化太慢’等。对这些模糊性的概念，用常规的方法无法处理。模糊数学的一个重要特点使数学回过头来吸取人脑识别和判决的模糊特点，使之运用于计算机。这样，部分自然语言能够作为算法语言直接进入程序，使人能以简易的程序调动机器完成复杂的任务。
设智能模糊控制器的输入量是被调参数的实测值与给定值之差(即偏差e)，经过变换它可分为7个档次，形成7个模糊子集。
根据现场工作人员所积累的经验可用一系列模糊逻辑规则进行描述：
IF e1 THEN u 8-1，i=l，2，……，7
对这些模糊逻辑规则加以总结，经过模糊运算形成智能模糊控制规则表。如表1所示。
通过总结操作人员经验，制定被控参数的控制规则，经过一定的逻辑处理，组成专家数据库。将此表存放在微型机存贮器中，它就是所要采用的控制表。依据控制表编写出智能模糊算法程序，计算机通过查表便可进行自动控制。
工作时，由计算机取样，模糊化、合成运算、判决给出控制信息，通过执行部件自动控制阀门的大小，对被调参数进行自动调节。
四、实时控制结果
本系统在韶钢二轧分厂中板加热炉上投运以来，在韶钢计控处和现场同志的大力配合下，使用效果一直很好，系统稳定可靠；操作简单方便，深受工人的欢迎，工人劳动强度得到较大改善。
本系统能实现如下控制功能：
（1）对加热炉三段炉温的智能模糊控制；
（2）对炉温设定值进行在线自动修正；
（3）PID参数在线自整定；
（4）对燃油，油温、蒸气压力等实现智能模糊控制；
（5）自动监视出炉钢温；出炉钢坯块数，并实现停轧降温自动控制；
（6）微机系统能按工艺要求实现自动报警、自动保护、并对有关检测量进行打印、
制表及彩色CRT显示；
（7）对系统进行DDC，SCC两级自动控制；
（8）在燃油热值及压力频繁波动情况下，微机系统能自动搜索并跟踪调节燃空比，实现合理燃烧，满足轧制温度的要求。
该中板加热炉投产采用本系统后，炉温控制精度在设定值l％以内；重油单耗量由61ks／吨降低到45ks／吨；金属氧化烧损减少22%，成材率大幅度提高；炉体寿命明显延长。
该系统荣获广东冶金科技技术成果一等奖。 以后该项成果又成功应用于韶关特钢公司、承德钢厂、秦皇岛钢厂、苏州钢厂加热炉燃烧控制系统，取得较好的控制效果。
实践证明：对于中板加热炉这种多变量、时变，具有分布参数和延迟的非线性系统，在数学模型难以建立，一些参数难以检测，燃料热值及压力频繁波动的情况下，用常规方法难以进行有效的控制，而把智能模糊控制技术用于加热炉燃烧过程控制，是能够收到令人满意的控制效果的。
参考文献
[1] 孙本荣等, 中厚钢板生产 ，北京：冶金工业出版社，1995.
[2] 陈兆宽，计算机过程控制软件设计，北京：电子工业出版社.2000
[3] 金以慧 , 过程控制 , 北京：清华大学出版社. 1998
[4] 方康玲，过程控制系统，武汉：武汉理工大学出版社，2002
作者简介：
潘炼，男，1964年生，武汉科技大学信息科学与工程学院高级工程师、副教授。从事智能控制与计算机技术方面的教学与科研工作。
Author Brief Introduction：Pan Lian ，Male，Born in 1964，Senior Engineer，Research Direction：Metallurgical Industrial Automation、Computer information 、Intellectual Fuzzy Control。
电话：027-86886639 027-62004435
学校地址：武汉青山区红卫路武汉科技大学信息科学与工程学院 430081
家庭地址：武汉青山区红卫路50-84-11 430081
e-mail: panlian@wisco.com.cn， plwisco@yahoo.com.cn
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摘要：本文介绍了中板加热炉计算机智能模糊控制系统的结构及功能，论述了把智能模糊控制方法应用于该加热炉燃烧过程的控制情况和特点。实时控制结果表明，这种控制思想是可行的，能够取得满意的控制效果。
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关键词：中板加热炉 ；计算机 ；智能模糊控制
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中图分类号：TP273 文献标识码：A
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Abstract：This paper introduces the constitution and functions of microcomputer intellectual fuzzy contro1 system for middle thickness plate reheating fumace，and describes the control situation and features of combustion control system of middle thickness plate reheating fumace，to which the intellectual fuzzy control method is applied． Realtime contro1 results show the contro1 ideal is applicable and contro1 effect is satisfactory．
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Keywords：Middle Thickness Plate Reheating fumace；Microcomputer；
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一、前 言
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在钢铁工业中，中板加热炉轧钢厂是主要耗能设备之一。近来，随着能源的高度消耗，节能、开发新的能源越来越引起人们的重视。因此，如何合理解决加热炉的燃烧问题，提高
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燃料的利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量，从而进一步提高整个轧钢生产过程的经济效益具有非常重要的意义。
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中板加热炉燃烧控制采用常规控制理论和方法进行控制，必须知道其准确的数学模型，
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而中板加热炉这种大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统，由于其结构复杂，各变量之间相
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互耦合，加上各种干扰因素的影响，难以建立其精确的数学模型。对于这种用一般线性调节规律不能满足要求的调节系统，且在燃料热值及残氧检测困难的情况下，要保持跟踪最佳燃空比，我们可根据易于检测的各种流量、压力和温度三组物理量，采用智能模糊控制技术，按照人工智能的方法加以控制，能自动搜索并跟踪最优燃空比，实现最佳燃烧及综合自动控制。
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二、计算机系统结构及功能
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本系统为两级计算机控制系统，即：(1)直接数字控制(DDC)系统，用于对现场进行实时控制；(2)监督控制系统(SCC)，用来计算最佳设定值，进行最优控制，并且能指导操作管理系统。DDC和SCC一起构成功能很强的闭环控制系统。计算机控制系统结构如图1所示。
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图1计算机控制系统结构图
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2．1 DDC级控制系统
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2．1．1系统硬件配置
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用于过程控制的STD总线控制机主要由CPU模块(8802)，存储模块(8701)，图形显示模块(8305)，键盘模块(8315)，A／D转换模块(SC—11070)，D／A转换模块(SC—11060)，隔离模块以及电源所组成。
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中板加热炉的炉温、油压、燃油及空气流量、风压、阀位等信号，经采样器采样，由A／D模块转换为数字信息，送给控制机，计算机根据检测到的数据及由SCC级传送来的信息，完成对工艺参数的逻辑分析和运算，将结果一方面由CRT显示，另一方面通过CPU(8802) 模板的RS—232C通讯接口传送给SCC级监控机进行处理。与此同时，并由D／A模板将数字量结果转换为4～20mA的电流信号，经伺服放大器放大，送至执行机构去调节阀门的开启度，达到控制各参数的目的。
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2．1．2系统软件构成
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系统的控制程序主要分为： （1）初始化程序及主程序； （2）数据采集、滤波、代码转换及A／D转换程序； （3）智能模糊控制程序；（4）各类辅助控制程序； （5）
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D／A转换及声光报警程序。
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控制程序主要安排在中断服务程序中，并且有较高的中断优先级。
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2．2 SCC级监控系统
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2．2．1系统硬件配置
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IPC监控计算机采用上位机NEC PC—9801FC，并配有SHARP 640X400高分辨率20寸(1寸=25．4mm)大屏幕彩色显示器及NEC PR—201DC彩色打印机。
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外围设备送来的生产现场的流量、温度、压力等工况参数，经过DDC控制机加工处理后，由I／O接口送入SCC监控计算机。监控计算机将这些检测参数、过程状态和控制信息，根据智能模糊自寻优控制算法、炉温设定值自动修正控制算法，PID参数在线自整定控制算法以及三段炉温自动协调控制算法等，实时算出既定工艺条件下的最佳炉温、油压、风压的设定值及整定后的PID参数，并送回DDC级控制机，由STD控制机对生产现场进行实时最佳控制。另外，监控机还对现场进行生产过程的操作指导和控制过程的管理工作。
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2．2．2系统软件结构
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SCC级监控软件主要包括以下几部分： （1）中板加热炉工艺流程图； （2）控制系统结构图； （3）仪表控制系统图； （4）控制参数调整图；（5）参数历史趋势图； （6）控制参数实时趋势图； （7）生产统计报表图等程序。
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通过这些监控程序可监视温度、压力、流量的变化趋势，对其设定值、PID参数等进行
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智能模糊修正，对故障报警显示，对生产状况进行统计，制表。
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中断程序安排30分钟定时打印程序，每30分钟打印机可定时打印各参数的瞬时量，累计量及过程曲线等。
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这些值也可由人工随时打印。
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当出现异常情况时，可将报警情况及报警时间打印下来。
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通讯中断程序，安排STD控制机和9801监控制机的数据通迅。
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2．3 STD控制机同9801监控制机的通讯联络
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9801监控制机两秒钟定时中断，启动通讯程序，向STD控制机发送设定值修改标志，
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控制回路号，并将炉温设定值自动修正和智能模糊控制程序优化运算结果及油压、风压自寻优得出的设定值发送过去。
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STD控制机接收到标志“3”后，将内存缓冲区数据读出，随后存入相应的单元。
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9801控制机发出由PID参数在线自整定控制算法得出的参数标志“2”后，接着发出其数据，STD控制机接收到标志“2”后，读出缓冲区数据、控制回路号，并将对应的PID参数存放到相应的单元。
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同样，9801控制机发标志“l”作为请求，将STD控制机各测量、控制参数送出标志，当STD控制机接收到标志“1”后，将缓冲区数据读出，随后将全部的参数送出。
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三、中板加热炉燃烧智能模糊控制
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中板加热炉的燃烧过程是一个复杂的物理和化学过程，其过程控制中存在着大量的模糊
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现象，如“炉温较低”、“温度变化太慢’等。对这些模糊性的概念，用常规的方法无法处理。模糊数学的一个重要特点使数学回过头来吸取人脑识别和判决的模糊特点，使之运用于计算机。这样，部分自然语言能够作为算法语言直接进入程序，使人能以简易的程序调动机器完成复杂的任务。
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设智能模糊控制器的输入量是被调参数的实测值与给定值之差(即偏差e)，经过变换它可分为7个档次，形成7个模糊子集。
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根据现场工作人员所积累的经验可用一系列模糊逻辑规则进行描述：
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IF e1 THEN u 8-1，i=l，2，……，7
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对这些模糊逻辑规则加以总结，经过模糊运算形成智能模糊控制规则表。如表1所示。
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工作时，由计算机取样，模糊化、合成运算、判决给出控制信息，通过执行部件自动控制阀门的大小，对被调参数进行自动调节。
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四、实时控制结果
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本系统在韶钢二轧分厂中板加热炉上投运以来，在韶钢计控处和现场同志的大力配合下，使用效果一直很好，系统稳定可靠；操作简单方便，深受工人的欢迎，工人劳动强度得到较大改善。
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本系统能实现如下控制功能：
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（1）对加热炉三段炉温的智能模糊控制；
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（2）对炉温设定值进行在线自动修正；
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（3）PID参数在线自整定；
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（4）对燃油，油温、蒸气压力等实现智能模糊控制；
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（5）自动监视出炉钢温；出炉钢坯块数，并实现停轧降温自动控制；
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（6）微机系统能按工艺要求实现自动报警、自动保护、并对有关检测量进行打印、
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制表及彩色CRT显示；
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（7）对系统进行DDC，SCC两级自动控制；
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（8）在燃油热值及压力频繁波动情况下，微机系统能自动搜索并跟踪调节燃空比，实现合理燃烧，满足轧制温度的要求。
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实践证明：对于中板加热炉这种多变量、时变，具有分布参数和延迟的非线性系统，在数学模型难以建立，一些参数难以检测，燃料热值及压力频繁波动的情况下，用常规方法难以进行有效的控制，而把智能模糊控制技术用于加热炉燃烧过程控制，是能够收到令人满意的控制效果的。
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参考文献
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[1] 孙本荣等, 中厚钢板生产 ，北京：冶金工业出版社，1995.
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[2] 陈兆宽，计算机过程控制软件设计，北京：电子工业出版社.2000
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[3] 金以慧 , 过程控制 , 北京：清华大学出版社. 1998
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[4] 方康玲，过程控制系统，武汉：武汉理工大学出版社，2002
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作者简介：
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潘炼，男，1964年生，武汉科技大学信息科学与工程学院高级工程师、副教授。从事智能控制与计算机技术方面的教学与科研工作。
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Author Brief Introduction：Pan Lian ，Male，Born in 1964，Senior Engineer，Research Direction：Metallurgical Industrial Automation、Computer information 、Intellectual Fuzzy Control。
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电话：027-86886639 027-62004435
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