不锈钢连退炉智能温度控制设计与实现

摘 要：退火是不锈钢冷轧生产中的关键工艺环节，直接影响不锈钢的生产和质量。研究连续退火炉温度控制系统在提高生产效率、改善产品质量和节约能源方面有着重要意义。针对退火炉温度控制系统的特点，本文设计实现了一种基于模糊控制理论的不锈钢退火炉智能温度控制系统，它包含了长期生产过程中积累的经验，取得了较好的效果。

关键词：不锈钢；退火炉；智能温度控制；模糊控制

1 引言

连续退火炉是不锈钢冷轧酸洗生产线的主体设备，带钢在炉内的退火是不锈钢生产中的重要工艺环节，直接关系带钢的质量及性能，其中的温度控制极其关键。同时，退火炉炉内工况复杂多变，炉内温度控制具有非线性、滞后性等特点，采用经典的PID控制适应性差，效果不甚理想。

本文以某不锈钢厂冷轧酸洗线退火炉温度控制为研究对象，基于生产经验数据积累，设计采用模糊控制技术，实现退火炉加热段智能温度控制。

2 炉区设备组成与工艺要求

不锈钢连续退火炉退火工艺是将带钢加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理方法。某不锈钢钢厂退火炉为THERMTEC水平悬索式燃气退火炉，最大TV值200，包括预热段、加热段、空气冷却段、水雾冷却段、空气冷却段和热风干燥段。

退火炉设备和工艺示意图如下：

该不锈钢生产线设计生产300和400系列的不锈钢产品，退火炉操作温度750-1250℃。退火炉炉段内带钢的加热通过烧嘴实现，烧嘴在炉墙上下方向交错布置。烧嘴采用比例控制方式，即空气/燃气流量比例控制。

每段空气燃气的流量将由温度和流量控制设备控制，每一区内有独立的流量检测和空气/燃气比例调节控制。为减小过火、时间滞后效应以及空气/燃气比例偏离，控制区采用快速控制方式。

3 原退火炉温度控制

某不锈钢退火炉温度控制系统包括区域温度设定值计算、退火炉温度控制器和燃气燃烧控制三部分。温度设定值计算是由数学模型完成。退火数学模型根据带钢在炉内换热模型计算得出区域温度设定值，数学表达式如下：

s0.F.S.（TF4-TB4） = LS.d.w.r.Cp. （TBi-TBo）

其中：

TF为退火炉炉温（K）；

TB为带钢温度（K）；

s0为常数；

F是辐射系数；

S为换热面积（m2）；

LS为生产线速度（m/s）；

D为带钢厚度；

W为带钢宽度；

Cp为带钢比热（J/kg.K）；

r为比重（kg/m3）；

TBi为入口带钢温度（K）；

TBo为出口带钢温度（K）。

原退火炉温度控制器采用传统PID控制，燃气和助燃空气采用PI控制。

控制系统图如图2所示。

现有退火炉温度控制系统鲁棒性和适应性差，是不锈钢退火炉生产控制的一个难点。在退火炉炉温度控制过程中，被控参数具有时变、非线性、不确定性等特点，现使用的常规PID控制精度低，适应性差，本文通过研究退火炉温控系统现有状况，通过引入智能模糊稳定控制来提高系统的自适应能力和抗干扰能力，实现对退火爐温度的精确控制。

4 退火炉模糊温度控制系统

退火炉控制系统是一个非线性、时变、有噪声干扰的系统。在退火炉的控制过程中，常规PID控制效果有时并不理想。而模糊控制有较强的适应对象参数变化的能力，与传统控制方法相比，模糊控制的主要优点在于在设计系统时不需要建立被控对象的精确数学模型，因此，模糊控制特别适用于数学模型未知或不易于建立精确数学模型的复杂、非线性系统的控制。

退火炉模糊温度控制系统设计以炉区温度检测值与设定值偏差e和误差改变量ec为系统输入值，通过模糊控制器控制输出燃气流量作为被控量，进一步通过空燃比控制控制燃气与助燃空气量。燃气量控制和空气量控制采用PI控制模式，双交叉限幅确保燃气充分燃烧。另外通过实际燃气量与该规格产品生产燃气基准值的累积偏差量对温度进行补正计算，消除温度滞后偏差，提高模糊温度控制器控制精度。

经改造后，某不锈钢退火炉温度控制系统示意图如图3所示。

4.1 温度补正值计算

带钢流量定义为带钢厚度 [mm] 乘以带钢宽度 [mm]乘以带钢速度 [m/min]乘以带钢比重，是反映退火炉生产能力的一个关键参数。当钢流量代表的带钢带走的热量与退火炉燃气充分燃烧带来的热量保持平衡时，可以保证带钢连续退火工艺需求。理想情况下，当退火炉燃气流量保持在设计生产最大值时，退火炉生产能力最大化。实际生产时，根据生产钢种和规格不同，钢流量也不同。

实际生产过程稳定状态下，即生产相同规格钢种产品，退火炉温度稳定，燃气流量没有大的调整，此时根据钢流量值不同，记录下生产时的燃气流量值，存放到数据表中，作为基准流量值。就可以得出一张基准燃气量表，格式如表1。

由表1可知，燃气流量基准值是维持带钢生产时退火炉温度稳定的基准值，那么实际流量值与基准值的偏差量最终会反映到退火炉温度上来，高于基准值就会引起退火炉温度逐渐升高，低于基准值则会导致退火炉温度下降，这部分累积的燃气流量反映的是温度控制滞后部分，通过温度补正计算避免超调。温度补正计算控制流程图如下：

由于实际工况不同，维持带钢生产时退火炉温度的燃气实际流量值与保持在数据表中的燃气流量基准值可能存在较大偏差，退火炉温度补正计算设计为大偏差输入小输出，并采用实际温度变化对温度补正值计算进行修正，防止方向性错误。

4.2 温度模糊控制器的设计

模糊控制系统的核心是模糊控制器，是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的主要标志，主要由模糊化、知识库、模糊推理、清晰化四部分组成。本文设计的模糊控制器为两输入一输出的玛达尼推理机模糊控制器，在PLC中编写软件进行在线查表实现。

4.2.1 模糊化

模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。对于模糊控制器的输入误差e及其变化率ec，采用“大”、“中”、“小”三个量化等级的模糊概念。在设计模糊控制器时，对于误差、误差变化率和控制量的变化等语言变量，使用“正大”（PL）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（ZO）、“负小”（NS）、“负中”（NM）和“负大”（NL）这7个语言变量来描述。

某不锈钢退火炉设计操作温度为750-1250℃，退火炉最大设计升温为400℃/Hour。按温度偏差±30℃、温度变化率400℃/Hour均匀映射到温度输入偏差模糊集论域（PL、PM、PS、ZO、NS、NM、NL）上，调试时，通过调整模糊控制器输入比例因子Ke、Kc调整基本论域到模糊集论域的映射关系。

示意图如图5、图6所示。

4.2.2 模糊控制器

模糊变量是一个模糊子集，最终通过隶属函数来描述，本文使用的隶属度函数均匀分布，模糊集论域为[-6，6]。

模糊控制器输入、输出隶属度函数如下图7、图8、图9所示。

对温度模糊控制器的输入、输出隶属度函数曲线，可以转换为下面的隶属度矢量表存放到PLC系统中，如表2所示。

知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求控制目标。它由数据和模糊语言控制规则组成。模糊推理是模糊控制器的核心，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。针对本文论述的模糊控制器，采用玛达尼推理机，基于数据和模糊语言控制规则的模糊推理结果以模糊控制器控制规则表的形式存放在PLC软件数据中，实际PLC控制时，通过查表可以直接获得模糊推理的结果。

不锈钢温度模糊控制器控制规则表如表3所示。

4.2.3 清晰化

清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量，也就是从退火炉模糊控制器输出的模糊论域到实际输出的燃气改变量的对应关系。调试时，通过调整模糊控制器输出比例因子Ku调整映射关系。

示意图如下：

根据退火炉模糊控制器输出到实际燃气改变量的映射，得到明确的燃气改变量，再乘以输出燃气改变量系数，就得到实际的模糊控制器控制输出值。

4.3 效果分析

本文设计实现的不锈钢温度控制系统基于长期生产过程中积累的经验数据，通过针对带钢钢种、规格等信息对控制系统参数调试优化后，取得了较好的控制效果。

针对不锈钢AISI304，规格从1.0×1250mm到1.2×1250mm带钢的过渡，退火炉设定温度相同和温度升高。

原温度控制系统控制曲线与优化后的控制曲线对比如下图11、图12所示。

对优化前后图形曲线比较分析，采用优化后的模糊温度控制系统的控制曲线调节时间短，系统很快进入稳定工作状态，与原系统比较，具有较好的控制效果。

5 小结

随着工业控制系统的复杂程度的日益提高，运行方式的不断变化，传统的基于PID控制的方法日益暴露出其不足。工场实际生产中，操作人员依靠长期生产的观察和经验总结，通过手动操作实现良好的控制。本文基于操作人员生产经验，通过对经验进行总结提炼，设计实现了不锈钢退火炉模糊温度控制系统，减少了操作人员操作的任务和强度，提高了控制系统的动态性能和鲁棒性，取得了较好的效果，对同类系统具有借鉴意义。

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作者简介：

袁寿新（1966- ），女，副教授，现主要从事自动化仪表专业及相关科目的教学与研究工作。

基金項目：

2017年度甘肃省高等学校科研项目自筹经费项目：《酒钢不锈钢冷轧退火炉温控系统优化改造研究与实践》，项目编号：2017B-09

2017年度嘉峪关市科技局科技项目：《不锈钢冷轧退火炉智能温控系统研究与应用》，项目编号：17-18

2017年度甘肃钢铁职业技术学院教科研课题：“《模拟电子技术》理实一体化教学改革研究与实践”，项目编号：Y17006

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