推钢式型钢燃气加热炉燃烧控制策略的研究

论文摘要

加热炉不仅是冶金行业的重要热工设备,而且也是耗能大户,能耗占到钢铁工业总能耗的25%。加热炉控制技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。在钢铁冶金行业竞争日趋激烈的今天,实现加热炉的优化控制对钢铁企业意义重大。加热炉的生产目的是满足轧制要求的钢坯温度分布,并实现钢坯表面氧化烧损最少、低的燃料消耗和环境污染。由于加热炉燃烧过程受随机干扰较多,具有非线性、大惯性、强耦合等特点,无法建立被控制对象的精确数学模型,因此采用传统的控制方法难以达到理想的控制效果,只能依靠操作人员凭经验控制底层回路设定值,当工况发生变化时往往使工艺指标实际值偏离目标值范围,造成产品质量下降,能耗增加。定量反馈理论是目前鲁棒控制领域中具有较强工程实用价值的一种设计方法,不需知道被控制对象的精确数学模型。针对以上情况,将定量反馈理论和模糊控制技术应用到加热炉控制中,就加燃气热炉控制中的温度-燃烧串级控制方式展开研究。具体来说,本文主要做了以下工作:首先,对加热炉系统进行深入研究,分析了加热炉的燃烧机理,用炉温-燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。对炉温-燃烧串级控制中的主回路温度控制,应用实验法建立加热炉温度特性模型,用最小二乘法对模型参数进行辨识,根据辨识所得模型应用定量反馈理论进行温度控制器设计,在用模糊控制技术对控制器进行改进,实现参数的在线自调整,提高系统的适应性。其次,对现有加热炉燃烧控制策略中的双交叉限幅模型控制响应慢问题,研究设计了改进型变偏置双交叉限幅模型,在提高系统响应性能同时兼顾经济性。在分析了燃烧效率与空燃比关系后,针对炉内最佳空燃比随燃气热值和炉内工况变化的问题,设计了基于炉温变化、烟道残氧量并配合热值仪修正的空然比寻优模糊控制器,提高了燃烧效率。最后,对控制系统进行了仿真和性能分析,结果表明,所设计的控制器对加热炉工况变化有较强的鲁棒性,系统的响应性能和经济性更优。论文对加热炉系统特性进行了深入的分析,建立了加热炉温度-燃烧串级控制系统,特别是对燃烧控制中空燃比的寻优设计和双交叉限幅模型的改进,不仅在学术研究方有较大的参考价值,还是具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要完成的工作
• 2 加热炉控制系统分析
• 2.1 燃气加热炉系统结构组成
• 2.1.1 系统工艺流程
• 2.2 燃烧机理分析
• 2.3 加热炉的控制任务
• 2.3.1 加热炉温度控制
• 2.3.2 加热炉燃烧控制
• 2.3.3 炉温设定值问题
• 2.3.4 炉压控制
• 2.3.5 冷却系统
• 2.3.6 余热利用
• 2.4 燃气加热炉控制难点与实现
• 2.5 本章小结
• 3 加热炉温度控制策略研究
• 3.1 加热炉控制系统结构设计
• 3.1.1 系统组成
• 3.1.2 炉温-燃烧串级控制分析
• 3.2 加热炉模型
• 3.2.1 建模综述
• 3.2.2 加热炉对象模型辩识
• 3.3 基于定量反馈理论的温度鲁棒控制器设计
• 3.3.1 QFT 理论基础
• 3.3.2 QFT 的设计结构
• 3.3.3 对象模板
• 3.3.4 对象性能指标边界
• 3.3.5 QFT 设计整形
• 3.3.6 PID 理论基础
• 3.3.7 QFT 法PID 调节器设计
• 3.4 模糊控制
• 3.4.1 模糊控制简介
• 3.4.2 温度模糊自调整 PID 控制器的设计
• 3.5 本章小结
• 4 燃烧智能优化控制策略研究
• 4.1 空燃比的设定值控制
• 4.1.1 传统动态空燃比保证策略
• 4.1.2 双交叉限幅控制
• 4.1.3 双交叉限幅工作原理
• 4.1.4 改进型双交叉限幅模型
• 4.2 燃烧智能稳定性监控和空燃比的智能优化
• 4.2.1 两种异常工况的分析
• 4.2.2 基于炉温变化的空燃比寻优
• 4.2.3 带残氧量校正的空燃比寻优
• 4.2.4 专家控制器
• 4.3 本章小结
• 5 改进型双交叉限幅模型仿真
• 5.1 仿真系统的建立
• 5.2 仿真结果分析
• 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
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录