大系统理论在钢铁冶金加热过程中的应用研究

大系统理论在钢铁冶金加热过程中的应用研究

论文摘要

论文的研究工作是以某型钢厂加热炉控制系统研究项目为背景展开的。加热炉是冶金行业中的重要热工设备,担负着为轧制工序提供加热质量合格钢坯的任务。对加热炉以节能降耗为目标的控制策略和方法的研究一直是冶金自动化领域研究的热点。因此在钢铁冶金行业竞争日趋激烈的今天,如何实现加热炉的有效控制,有着重要的意义。加热炉控制的难点和重点在于燃烧过程是受随机因素干扰的、具有大惯性、纯滞后的非线性过程,因而很难用简单方法建立其精确模型。然而对于大系统问题来说,如果目标函数可分,利用传统的递阶优化理论可以解决其控制和优化问题。由于被控对象涉及的变量多,关联复杂,各个子系统相互有关联,可用分解协调算法来建模和优化。所以把大系统理论应用到加热炉控制中,对于加热炉控制的学术研究和工程应用将会产生积极的推动作用。论文以较好的逻辑阐述了加热炉大系统控制的设计思想,体现了作者的大量工作和独特贡献。具体包括:①将大系统理论引入加热炉控制系统,从大系统的角度进行了对象特性分析;②采用机理分析建立加热炉模型,提出用三次函数描述炉温分布,讨论了建立钢温预估计模型的三种主要方法,从建模的难度、算法的收敛性、实时性和模型的自适应性等多个方面进行了分析;③根据炉温分布与钢温变化唯一对应的特点,提出一种以优化钢坯升温曲线来逆推炉温分布的新方法。对钢坯升温优化模型中目标函数及约束条件的确定进行分析,更全面地兼顾了钢坯质量与节能,使炉温设定更符合生产目标;④在分散控制的基础上,分析系统中各扰动量影响,提出以各加热段炉温和空燃比作为关联变量构成递阶控制,增强了模型的自适应性和控制实时性;⑤将大系统理论与智能控制有机结合,探索出了一条解决相关复杂系统控制的新路子。论文对加热炉的大系统特性进行了深入分析,改进了炉温分布形态,提出了逆推法,尤其是将大系统理论与智能控制结合运用,在学术和工程上都有一定的参考价值。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 控制理论发展概述
  • 1.2 大系统理论与方法
  • 1.2.1 哲学思想
  • 1.2.2 建模方法与步骤
  • 1.3 论文所完成的主要工作
  • 2 对象分析与控制决策
  • 2.1 加热炉工艺分析
  • 2.1.1 工艺流程
  • 2.1.2 工艺要求
  • 2.1.3 控制难点
  • 2.1.4 对象的大系统特性
  • 2.2 加热炉控制现状
  • 2.2.1 协调级控制
  • 2.2.2 过程级控制
  • 2.3 本章小结
  • 3 加热炉建模分析
  • 3.1 热传导理论基础
  • 3.1.1 热量传递的三种基本方式
  • 3.1.2 温度场和温度梯度
  • 3.1.3 导热基本定律
  • 3.1.4 初始条件及边界条件
  • 3.2 机理建模
  • 3.2.1 差分方程
  • 3.2.2 参数估计
  • 3.2.3 建模方法比较
  • 3.3 试验分析
  • 3.3.1 试验结果
  • 3.3.2 对比分析
  • 3.4 本章小结
  • 4 加热炉的分散控制
  • 4.1 分散控制概述
  • 4.2 协调级控制方案
  • 4.2.1 钢坯最优加热方式
  • 4.2.2 优化模型
  • 4.2.3 自由度分析
  • 4.2.4 求解与仿真
  • 4.2.5 优化方法比较
  • 4.3 过程级控制方案
  • 4.3.1 燃烧控制
  • 4.3.2 自寻优控制
  • 4.4 综合优化控制设计
  • 4.4.1 实施综合优化控制的必要性
  • 4.4.2 轧制节奏变化对炉温设定值的影响
  • 4.4.3 方法实现
  • 4.5 本章小结
  • 5 加热炉的递阶控制
  • 5.1 递阶控制概述
  • 5.1.1 协调方法
  • 5.1.2 基本递阶形式
  • 5.1.3 实施递阶控制的必要性
  • 5.2 稳态递阶控制
  • 5.2.1 概述
  • 5.2.2 模型自适应性分析
  • 5.2.3 递阶结构实现
  • 5.2.4 控制流程描述
  • 5.3 本章小结
  • 6 总结与展望
  • 6.1 论文总结
  • 6.2 后续工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 相关论文文献

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