摘要：针对莱芜钢铁股份有限公司型钢厂大型H型钢加热炉采用脉冲燃烧技术的特点，设计了基于模糊PID控制理论的数字化燃烧控制系统。通过控制每个烧嘴的开关时间，达到控制燃料和空气给进量从而控制炉温的目的。模糊逻辑控制器以PID控制器为基础，控制动作由常规PID实现。模糊控制程序块根据输入变量的变化，以系统观测、专家经验和操作方法为依据，进行模糊推理后做出决策，在线整定PID参数Kp和Ki该控制系统投运后，炉内温差波动控制在±6℃之内，吨钢煤耗同比降低23% ，加热质量稳定可靠。
0 前言
2005年，莱芜钢铁股份有限公司型钢厂新上一条年产100万t大型H型钢的生产线，其加热炉为法国斯坦因公司引进的数字化加热炉，使用低热值高焦混合煤气，煤气热值控制在6 699～10 886 kJ/m3 之间，钢坯经过7个顶部加热区域和7个底部加热区域进行加热。自动控制系统采用Siemens公司的S7-400系统，实现了全自动进、出料，全自动烧钢，全程钢坯跟踪等先进的控制功能。
1 控制系统构成
加热炉控制系统由两级计算机系统构成，即基础级(1级)和过程级(2级)。
基础级控制采用Siemens公司的S7-400/ET200现场总线控制结构，包括顺序控制系统和燃烧控制系统两部分。顺控系统的S7-400主站通过Profibus-DP带4个ET200M分布式I/O，完成炉体机械设备如装出钢机、步进梁等设备的顺序控制;燃烧系统的S7-400站通过Profibus-DP带6个ET200M分布式I/O，完成煤气压力、空气压力、炉压、炉温、助燃风温度等重要参数的控制及数据采集。
控制系统的PLC编程软件采用Step7和CFC图形化编程软件;上位机监控软件采用Wonder-ware InTouch。操作系统为Windows 2000，具有完善的工艺画面制作功能，拥有大容量实时数据库，以及报表打印和报警等功能，实现重要工艺参数归档，储存历史趋势记录和报表，以供生产人员分析参考。
系统主PLC之问、PLC与上位机之间采用工业以太网通信，主PLC的CPU模板采用S7-416/2DP，主机框架上配置电源、CPU模板、工业以太网通信模板CP443-1和Profibus-DP通信模板CP443—5。
主PLC与现场设备间采用Profibus—DP网通信，在操作台与现场就地设置ET200站，所有的按钮、指示灯、光电开关、电磁阀等输入输出信号就近接入相应的ET200站。ET200站通过Profibus-DP实现与主PLC的通信功能。
变频器、编码器等支持Profibus-DP协议的设备均直接连接在Profibus-DP网络上，实现与主控制器S7-400的通信。
系统过程级采用服务器/客户机结构，服务器通过工业以太网与基础级交换数据，实现坯料入炉记录、钢坯定位跟踪、生产节奏计算、坯料温度跟踪、设定值计算、模糊逻辑控制、待轧策略优化、坯料出炉记录、生产报表打印等功能。主要应用软件采用微软Visual C/C++，监控软件采用WonderwareInTouch。
整个自动控制系统配置如图1所示。
2 控制策略
考虑实现的可能性，并结合现场实际，莱钢大H型钢轧线加热炉的炉温控制采用基于数字化燃烧技术的模糊PID控制系统，控制动作仍然由常规PID实现，当生产情况发生改变时，由模糊控制器做出决策，在线整定PID控制器的Kp 和Ki值，以获得满意的控制效果。生产情况改变包括：(1)刚开始生产或停机后恢复生产，系统进入过渡状态;(2)生产变更，导致不同规格的坯料进入加热炉;(3)炉内坯料重量不同。此外，模糊PID控制器在调试时，可先投运常规PID控制器，再投运模糊控制器，这样对生产所造成的影响较小。
3 控制实现
3.1 数字化燃烧控制的实现
该加热炉的燃烧系统采用“虚拟段”概念，即每两个烧嘴作为一个控制段，共有14个控制段(即14对烧嘴)。数字化燃烧控制不是通过控制每个烧嘴空气与煤气流餐来控制燃烧，而是采用脉冲点火控制方法。它的摔制思想是采用热值相对稳定的混合煤气，保持总管煤气和空气压力所要求的数值，使每个烧嘴的空气和煤气流量相对稳定，用脉冲点火控制的方法，通过控制烧嘴燃烧时间来控制温度。
与传统加热炉的靠调节燃料和空气阀门的开启度来控制燃料供给量和空燃比的方法不同，数字化燃烧控制技术是在脉冲燃烧的基础上，采用间断燃烧的控制方式进行控制。这种燃烧方式的烧嘴只有打开和关闭两种工作状态，系统不调节烧嘴大小，而是采用开关量信号，只控制每对烧嘴的燃烧间隔时间和燃烧时间。烧嘴燃烧间隔时间= 烧嘴燃烧循环周期/烧嘴对数，即每隔一段时间，启动一对烧嘴燃烧。燃烧时间=热需求量(即PID调节器的输出，为百分量)×循环周期。如当循环周期为70 S时，则每隔5 S启动一对烧嘴燃烧，如该烧嘴所在燃烧区域在70 S内最大供热需求量为100% ，则该烧嘴燃烧时间为70×100% =70 S，即全脉冲(全脉冲为烧嘴在一个循环周期内全开);如果坯料热需求量是50% ，则烧嘴燃烧时间为70×50% =35 S，即半个脉冲。依此类推，如果循环周期为35 S，则每隔2.5 S启动一对烧嘴燃烧，若该烧嘴所在区域坯料热需求量是100% ，则该烧嘴燃烧时间为35×100% =35 s，即全脉冲;如果坯料需要的热需求量是50% ，则烧嘴燃烧时间为35×50% =15 s，即半个脉冲。烧嘴以时序脉冲方式启动燃烧，每对烧嘴的开和关根据烧嘴燃烧间隔时间和热需求量控制。
系统可通过调节煤气压力，使煤气流量保持稳定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，从而保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。
3.2 模糊控制的实现
模糊控制是把操作人员通过长期经验积累得到的控制知识，用包含有模糊集合的规则进行描述，利用模糊规则推理对系统的粗略知识进行类似人脑的的知识处理，实现对复杂系统的控制策略，最后通过反模糊化将这种模糊输出转变成精确量输出。
模糊控制方法是一种非线性控制方法，它的工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制，而且它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器，完成控制任务。它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数易于选择和调整。正是由于模糊控制方法的这些优点，因此在莱钢大型H型钢加热炉炉温控制中采用模糊控制，用模糊控制方法处理加热炉生产过程中存在的大量不确定信息，以取得良好的控制效果。
3.2.1 模糊控制系统构成
模糊控制系统在过程级实现，它计算温度控制回路PID控制器的比例系数Kp和积分系数Ki.需要考虑的输入变量有：温度设定值、实测值，加热炉各区域内钢坯重量(钢坯分布)、步进速度。模糊控制系统的输出变量为传统PID控制器的比例系数Kp和积分系数Ki。模糊控制系统通过开/关命令进行连接或断开。如果断开模糊控制系统，则使用传统PID方式进行炉温调节。
模糊控制系统原理如图2所示。
整个模糊控制系统由稳定状态控制器、过渡状态控制器、稳定状态偏移量控制器和过渡状态偏移量控制器4个模糊控制器组成，而模糊中断器则根据偏差大小进行稳定状态与过渡状态的隶属度计算。
在众多的隶属函数曲线中，理论研究显示用正态型模糊变量来描述人进行控制活动时的模糊概念是适宜的。但在实际工程中，机器对于正态型分布的模糊变量的运算相当复杂和缓慢，这对于本身就是一个大滞后的加热炉燃烧系统来说不适合;而三角型分布的模糊变量的运算则简单、迅速，适合于现场实际控制。因此在莱钢加热炉的温度控制中选用三角形隶属函数曲线。模糊中断器中稳定状态和过渡状态通过温度偏差E(E1，E2 ，? ，E7 )的大小界定，E的隶属度函数曲线如图3所示。
当偏差E小于E3或大于E5 时，认为过程处于过渡/稳定状态或稳定/过渡状态。在这两种情况下，都只应用过渡状态控制器。
当偏差界于E2和E6 之间时，过程被认为是100%稳定状态，应用稳定状态控制器。
当偏差属于[ E3，E2 ]或[E6 ，E5 ]时，同时使用过渡状态和稳定状态控制器。
当同时使用过渡状态和稳定状态控制器时，Kp。计算公式如下(以偏差E=e1为例)：
式中，M为模糊逻辑变量(偏差e1 )的隶属度函数，表明该变量从属模糊逻辑集合的程度，它的取值范围为[0，1]。如偏差e1 的“稳定”隶属度为Mst(e1)，“过渡”隶属度为Mtr( e1)，则Kpst和Kptr分别由稳定和过渡状态控制器给出。Ki 的计算也类似。
该加热炉模糊控制有稳定模式和过渡模式以及过渡稳定共用模式。当测量值与设定值差别不大时，认为系统处于稳定状态。在稳定状态，Kp和Ki通过温度偏差调节。当偏差变得太大时，进入过渡状态。这时控制器不仅要参照温度偏差，还要参照实际温度变化率来动态调节Kp和Ki。当偏差属于[ E3，E2 ]或[E6 ， E5]时，同时使用过渡状态和稳定状态控制器。工作模式的切换由模糊中断器执行，实现无扰切换。经过稳定状态(或过渡状态)控制器的处理，得到一组Kpstl (Kptrl)和Kistl(Kitrl )的值，同时在稳定状态(或过渡状态)偏移量控制器也根据实际过钢节奏和钢坯重量推算出另一组Kpst2 (Kptrl )和K ist2 (Kitr2 )的值，两组数值分别相加，得到相应的Kpst (Kptr )和Kist (Kitr )，根据模糊中断器得出的稳定状态与过渡状态的隶属度计算结果，再经过上面的公式计算，得出最终的Kp及Ki，将Kp 和Ki ，实时传给传统PID调节器，由传统PID调节器实现对加热炉温度的自动调节。
3.2.2 模糊控制器的设计
以在该加热炉炉温控制系统中的过渡状态控制器为例简单介绍模糊控制器的设计。
(1)参数模糊化当温度偏差值较大时，使用过渡状态控制器，如图2所示，该模糊控制器有两个输入变量：温度偏差E与偏差变化率△E，输出变量为：Kp和Ki，其中：
温度偏差E的论域为(NB，NS，Z，PS，PB);温度变化率△E的论域为(N，Z，P);输出Kp和Ki的论域为(VS，S，M，B，VB);可以对这5个模糊状态的值进行调整，取偏差变量的模糊子集的论域为5，基本论域为[一100，+100]oC，这个范围基本覆盖了实际生产中可能产生的温度偏差，偏差变化率的模糊子集的论域为5，基本论域为[一1，+1]，输出量 。的模糊子集的论域为5，基本论域为[0，20]，Ki的模糊子集的论域为7，基本论域为[0，100]。隶属度函数曲线均为三角形。
(2)模糊规则制定 根据实际偏差和温度变化率建立逻辑规则，规则可以根据实际工艺状况进行修改。规则写成IF—THEN形式为：
考虑到过渡过程的稳定性，系统调节速度不宜过快，制定模糊规则如表1所示。
(3)输出变量精确化根据建立的模糊控制规则经过模糊推理决策出输出变量的一个模糊子集，把该模糊量经过反模糊化转换为精确量，输出精确的Kp和Ki值，作用于被控对象。
4 结束语
莱钢大型H型钢加热炉摒弃了传统的硬分段法，采用了全新的“虚拟段”概念，利用脉冲输出直接控制燃气烧嘴，在此基础上采用模糊PID控制器有效控制炉温，抑制了煤气热值、压力波动，生产率改变及炉内参数变化等因素对加热炉运行的影响，保证了动态过程中炉温控制的快速性和稳定性，实现了加热炉燃烧过程的有效控制。
