蓄热式加热炉先进控制策略研究及应用

摘要

中国是世界上最大的钢铁生产国与消费国，钢铁为国民经济发展提供了强有力的物质基础。加热炉作为钢铁生产过程中的重要设备，其稳定、高效、经济运行不仅能提高钢铁工业的经济效益，还能降低全国工业污染物的总排放量，具有很好的经济价值和环保价值。加热炉对象具有大惯性、大滞后、多扰动等特性，采用常规的控制策略难以取得满意的控制效果。为了提高加热炉对象的控制品质，本文设计了一套加热炉先进控制系统，并成功地应用于现场。
　　本文主要研究开发工作包括以下内容:
　　(1)针对炉温对象的大滞后、大惯性特性和煤气流量对象的多扰动特性，设计了一种炉温-煤气流量串级控制方案，分别采用SGPC和PID作为串级控制结构中的主控制器和副控制器。针对排烟温度和炉膛压力这对相互矛盾的被控对象，设计了一种排烟温度-炉膛压力选择控制方案，分别采用积分分离式PID和PID作为相应回路的控制器。分别对各回路的无扰切换和控制器抗饱和问题进行了处理。将加热炉先进控制系统划分为控制算法、数据通信、人机交互界面、配置文件四部分，并分别完成了各部分的具体实现。
　　(2)在现场原有设备的基础上，构建了加热炉先进控制系统的硬件平台;测试了先进控制系统与组态软件之间的连接情况，整定了各回路控制器参数;将所设计的加热炉先进控制系统进行了实际应用，降低了钢坯氧化烧损率和吨钢煤气消耗量，相关数据表明系统投运后取得了良好的经济效益。
　　(3)针对加热炉各加热段炉温之间的耦合性，提出了一种加热炉炉温解耦控制方案，消除了各回路之间的耦合作用，提高了系统对建模误差和不确定性输入、输出扰动的稳定性;在控制器设计过程中，重新配置了系统闭环传递函数矩阵的极点，提高了系统对输入信号的跟踪能力和对扰动信号的抑制能力。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 加热炉控制策略研究现状

1．3．2 加热炉计算机控制系统研究现状

1．3．3 多变量系统解耦控制研究现状

1．4 论文主要研究内容及章节安排

第2章 加热炉工作原理及建模

2．1 加热炉工作原理

2．1．1 蓄热式连续推钢加热炉

2．1．2 加热炉对象介绍

2．2 加热炉控制系统及常规控制方案

2．2．1 加热炉控制系统

2．2．2 加热炉常规控制方案

2．3 加热炉炉温对象建模

2．3．1 数据预处理

2．3．2 加热炉炉温对象辨识

2．4 本章小结

第3章 加热炉先进控制系统方案设计与实现

3．1 批处理最小二乘法

3．2 阶梯式广义预测控制算法

3．3 加热炉先进控制系统方案设计

3．3．1 炉温回路控制方案设计

3．3．2 排烟温度回路控制方案设计

3．3．3 其它方案设计

3．4 加热炉先进控制系统方案实现

3．4．1 被控对象模型辨识

3．4．2 数据通信

3．4．3 图形用户界面

3．4．4 配置文件

3．5 本章小结

第4章 加热炉先进控制系统工程应用

4．1 加热炉先进控制系统硬件平台构建

4．2 通讯连接测试

4．3 排烟温度回路控制器参数整定

4．4 炉温回路控制器参数整定

4．5 加热炉先进控制系统运行效果分析

4．6 本章小结

第5章 加热炉炉温解耦控制器设计与仿真

5．1 加热炉炉温MIMO建模及特性分析

5．1．1 加热炉炉温MIMO模型

5．1．2 加热炉炉温对象耦合性分析

5．2 多变量系统解耦控制器设计

5．2．1 串级解耦控制器设计

5．2．2 前馈解耦控制器设计

5．2．3 多变量系统前馈解耦控制器的实现问题

5．3 多变量系统前馈解耦内模控制器设计

5．3．1 内模控制原理

5．3．2 前馈解耦内模控制原理

5．3．3 前馈解耦内模控制系统设计

5．3．4 前馈解耦内模控制系统鲁棒稳定性

5．4 仿真研究

5．5 炉温解耦控制器设计与仿真

5．6 本章小结

第6章 论文工作总结

6．1 论文研究开发工作总结

6．2 今后研究开发工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果