基于雙交叉限幅策略的隧道加熱爐燃燒系統研究

劉國莎，劉偉民

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200)

0 引言

作為國民經濟的支柱產業，鋼鐵產業在國家基礎設施建設、工業產業鏈完善、國防力量建設方面發揮著至關重要的作用。然而，隨著近年供給側結構深化改革和生態環境的改善需求，鋼鐵制造業高耗能、高污染、產能過剩等問題亟需解決[1]。加熱爐作為鋼鐵工業軋鋼生產線的關鍵高能耗設備，其燃燒控制水平的優劣直接影響到能耗、燒損率、產量、質量等指標。加熱爐燃燒控制系統具有非線性、大慣性、強耦合、純滯后的特點[2,3]，且加熱爐生產過程中，其系統穩定性受外界因素影響較大，傳統的燃燒控制策略無法實現實時精確的煤氣燃燒控制。因此研究先進加熱爐燃燒控制系統，對鋼鐵企業轉型創新發展、降耗降本具有一定的經濟價值。

傳統加熱爐燃燒控制系統多采用模糊PID控制策略[4]，無法適應不同初始工況下邊界條件的自適應調節，加熱爐預設置的調節參數無法實時滿足生產工藝需求。雙交叉限幅控制策略基于案例推理原理，根據不同的實際測量參數調整相應的限幅決策，再與實例庫或相似實例對比求解，調整爐溫調節器的輸出，能有效提升加熱爐燃燒控制系統的穩定性、精準性和魯棒性。

1 隧道加熱爐燃燒控制總體方案

1.1 隧道加熱爐

隧道加熱爐是鋼材連鑄連軋產線的一臺重要設備，在整個連軋產線上起承上啟下的作用[5]。隧道加熱爐的結構如圖1所示，分為三個加熱段：預熱段、加熱段和勻熱段。其中，預熱段利用高溫煙氣將鋼坯預熱處理，在加熱爐兩側壁分布有12個加熱噴嘴。

圖1 隧道加熱爐結構示意圖

在鋼坯生產過程中，隧道加熱爐控制系統需考慮以下關鍵參數：加熱爐爐膛壓力、空氣流量、煤氣流量、空燃比變化、鋼坯入爐速率等，這些參數不僅需實時調整，不同參數之間還存在復雜的耦合關系。提高爐溫的同時，隨著煤氣和助燃氣體的涌入爐膛壓力也會相應增加，爐內溫度的升降為非線性波動，且存在滯后性。

1.2 燃燒控制系統

加熱爐燃燒控制系統的本質即根據不同種類、數量的鋼坯生產工藝要求，結合鋼鐵企業不同的生產計劃，精確實時地控制爐內實際溫度和爐內相應高低溫區域的合理分布，在調節空燃比的同時需兼顧爐內壓力變化，避免爐內火焰不穩、氮氧化合物的大量排放、燃燒器回火或高溫煙氣泄漏等現象發生。

加熱爐燃燒控制系統結構框圖如圖2所示，主要由溫度控制器、雙交叉限幅控制模塊、煤氣流量控制器、煤氣流量檢測裝置、空氣流量控制器和空氣流量檢測裝置等組成。其中，溫度控制器根據生產鋼坯所需工藝設定初始參數[6]，確定煤氣、空氣比例，控制器輸出值經過雙交叉限幅控制優化后，分別輸出煤氣流量和空氣流量參數，控制煤氣和空氣電磁閥開閉動作，煤氣和空氣流量檢測裝置反饋給雙交叉限幅控制器煤氣、空氣流量開度，達到實時動態調節爐溫的目的。

圖2 加熱爐燃燒控制系統結構框圖

隧道加熱爐燃燒控制流程如圖3所示，首先根據生產工藝設定初始化控制程序和參數，采集加熱爐爐膛溫度信號，根據加熱爐不同階段的加熱方式，比較爐溫測定值與設定值，若兩者存在偏差過大，則經溫度調節器輸出調節參數，雙交叉限幅控制模塊調節參數浮動值，根據雙交叉限幅的調節結果，煤氣、空氣流量回路控制調節閥動作，煤氣、空氣調節完成后再與設定值比較，合格后即完成燃燒控制。

圖3 隧道加熱爐燃燒控制流程

2 雙交叉限幅控制策略

雙交叉限幅控制策略由一個主回路、兩個副回路組成，副回路相互交叉影響，能根據加熱爐負載變化調整爐溫，在調節空氣、煤氣流量的同時，根據副回路反饋信息調整空燃比處于合理的范圍之內，提高加熱爐燃燒效率和溫度控制精確度[7-9]。雙交叉限幅控制系統分別在煤氣流量和空氣流量副回路中加設高通和低通選擇器，其中主回路溫度調節器的輸出為X，空燃比為r，L1～L4為偏置系數，Fa為空氣實際輸出流量，Fb為煤氣實際輸出流量。雙交叉限幅控制策略如圖4所示，結合生產工藝和生產計劃溫度調節器輸出控制參數X，在空氣流量控制回路，X輸入低通選擇器與α比較，其中α初始值為設定值，系統啟動后經煤氣實際輸出流量Fb乘偏置系數L1確定。低通選擇器輸出值與β送入高通選擇器比較，β初始值為設定值，后經煤氣實際輸出流量Fb乘偏置系數L2確定。高通選擇器輸出值經空燃比r和空氣實際反饋輸出值Fa對比計算后由空氣調節器控制空氣流量調節閥開度。在煤氣調節回路，X首先輸入高通選擇器與χ比較，輸出值送入低通選擇器與δ比較，經與實際反饋煤氣流量輸出值Fb對比，后由煤氣調節器計算控制煤氣流量調節閥運動。

圖4 雙交叉限幅控制策略

雙交叉限幅控制策略的應用參數α、β、χ和δ為：

α=Fb×L1.

β=Fb×L2.

在初始狀態下，α、β、χ、δ分別是空氣流量最大、最小值，煤氣流量最小、最大值。在實際生產過程中偏置系數L1～L4對爐溫控制穩定性至關重要，通常L1>L4，L2>L3，保證了生產過程中空氣量始終高于煤氣量，同時空燃比保持在合適范圍之內。

3 增量式PID調節

在煤氣流量、空氣流量調節過程中，為保證煤氣調節器和空氣調節器能精確地穩定在預設值，燃燒控制系統采用數字PID調節算法[10]，先將所測各項數據離散化，再將數據進行比例、積分、微分環節疊加，最終得到控制信號u(t)，將控制信號作用在煤氣、空氣流量調節器上，實現整個系統的負反饋調節。

PID控制過程中，采樣周期為T，采樣序號為k，kT作為離散采樣時間，其控制系統結構框圖如圖5所示。圖5中，e(t)為設定值r(t)與實際輸出值y(t)之差，u(t)為控制量。

圖5 PID控制系統結構框圖

PID控制的變換過程如下：

(1)

將式(1)中的e(kT)簡化為ek得：

(2)

其中：uk為第k次采樣輸出值；ek為第k次采樣輸入偏差值；KP為比例因子；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；KI為積分因子；KD為微分因子；u0為采樣初始比較值。

當系統采樣周期很小時，離散控制系統可看作連續控制系統。在每個采樣周期內，系統輸出值uk與被控對象輸出動作位置一一對應，但系統存在累計誤差，被控對象開度無法被精確控制，此時應避免累計誤差，計算執行機構位置差值Δu(k)，即增量式PID控制。

根據式(2)可得：

(3)

(4)

在確定系統采樣周期T的情況下，再確定系統參數A、B、C，即可確定系統控制增量Δu(k)。

4 仿真結果

利用MATLAB中Simulink仿真模塊對雙交叉限幅控制策略進行模擬仿真，根據生產工藝要求及以往生產經驗，確定偏置單元參數為：L1=0.96，L2=1.03，L3=0.94，L4=0.92，此時，爐溫設定值為1 250 ℃，系統穩態時間應低于400 ms，最大超調量不超過7%。雙交叉限幅控制策略的仿真結果如圖6所示，總體系統超調量小于200 ℃，系統在300 ms時趨于穩定，且擁有較好的魯棒性。

圖6 雙交叉限幅控制策略的仿真結果

5 結語

本文基于雙交叉限幅控制策略，在控制回路中加設兩個高通選擇器、兩個低通選擇器及偏置系數L1、L2、L3、L4，以增量式PID算法調節煤氣、空氣流量控制器，實現了加熱爐燃燒系統實時穩定的反饋調節。經Simulink模型驗證分析，雙交叉限幅控制系統的響應時間小于300 ms，超調量小于6%，系統魯棒性較好。