智能积分模糊控制器在大型加热炉中的应用

孙炳鹏

（中冶华天工程技术有限公司，南京210019）

在钢铁轧制工艺中，钢坯的加热质量会直接影响钢坯轧制后的成品质量，然而如何更好地控制加热炉炉温是钢坯加热质量的技术关键，因此国内外钢铁企业把如何控制好加热炉炉温作为轧制工艺中重点研究课题之一，据相关资料报道目前控制效果并不理想。我国钢铁企业的加热炉炉温控制大多数采用传统PID控制，由于加热炉是强耦合、大滞后、大惯性的系统，炉内外工况非常复杂，从而存在炉温波动较大、控制效果相对较差等技术缺陷。根据加热炉的特性，部分钢铁企业采用了纯模糊控制技术来控制加热炉炉温，炉温稳定性得到明显提高，但炉温精度不高，存在一定的稳态误差。为了消除稳态误差，必须引入PI积分控制器，采用模糊控制器和PI积分器并联的控制模式，即常规积分模糊控制器。积分控制器的输出取决于对误差时间的积分，积分项会随着时间增加而增大，从而推动控制器的输出增大使稳态误差进一步缩小，直到接近于零，系统稳态误差最终消除。虽然常规积分模糊控制器也能最终消除稳态误差，但积分器对偏差响应比较迟缓，极易引起超调，在加热炉炉温控制上效果并不十分理想。为了改善积分器作用对偏差响应迟缓的缺点，采用了智能积分模糊控制器，即将模糊控制器和智能积分器并联控制方式对加热炉炉温进行控制，取得了理想的控制效果。

1 加热炉炉温控制的难点

加热炉炉温控制主要存在3方面难点。第一，加热炉采用多段控制方式，通常分为预热段、加热段、均热段，各个控制段之间相互耦合，炉温控制过程是一个典型具有强耦合、非线性、大滞后等特性的极复杂过程。第二，加热炉燃料一般采用的都是煤气，热值和压力波动比较大，因此引起炉温波动比较大。第三，加热炉的生产节奏受轧线生产节奏的影响较大，由于加热炉是为轧机服务的，当轧机故障或生产节奏变化时，加热炉必须跟着轧机改变生产节奏，这样就会给加热炉炉温控制带来很大的麻烦。由于加热炉具有以上3点特性，故很难找出具体的数学模型来控制加热炉炉温。

2 常规积分模糊控制器的不足

常规积分模糊控制器是由模糊控制器和积分控制器直接并联而成的。该混合类型的控制器完全可以消除系统稳态误差，使系统达到无差控制。但该混合类型的控制器中积分器的参数是个常数，故导致积分器的输出在整个控制器输出中所占比重是不变的，这与实际控制要求并不相符。而且积分控制器自适应能力很差，对被控对象的数学模型依赖很大。因此该混合型控制器应用到那些严重大时滞、大惯性、非线性及时变的被控对象上时，效果并不理想。

3 智能积分模糊控制器设计

为了克服常规积分模糊控制器的缺陷，采用了智能积分模糊控制器，即将模糊控制器和智能积分器并联控制，积分控制器的系数根据另外一个模糊控制器的输出变化。智能积分模糊控制器如图1所示。

图1 智能积分模糊控制器Fig.1 Intelligent integral Fuzzy controller

下面根据加热炉的升温曲线，分析模糊规则应该如何调整、智能积分控制器的系数应该如何变化才能让加热炉炉温控制效果更好。

大多数加热炉采用预热、加热、均热三段控制方式，一般加热炉升温曲线[1]如图2所示。

图2 加热炉升温曲线Fig.2 Temperature curve of reheating furnace

从加热炉升温曲线可以得知：

0～1段内偏差逐渐减小，希望在该段内实际炉温快速达到设定炉温，智能积分器不起作用。

1～2、2～3段内实际炉温大于设定炉温，希望智能积分器和模糊控制器都输出为零。

3～4段偏差呈增大趋势，智能积分器快速起作用。

4～5段偏差呈减小趋势，智能积分器作用慢慢减弱。

根据理论推导和工厂经验，当偏差较大时，不让智能积分器起作用，只让模糊控制器起作用；当偏差减小到一定范围内时，让智能积分器参与控制，用来消除系统稳态误差。智能积分器的系数K是偏差变化率 ec 和偏差 e 的函数，K=F（e，ec）（0＜K＜1），系数K随偏差e的减小而逐渐增大，当偏差e减小到模糊控制器对控制无效果时，只让智能积分控制器起作用，达到快速消除稳态误差。因此设计模糊控制器FZ1来调节积分器的系数K值。模糊控制器FZ1根据偏差变化率ec及偏差e调节智能积分器的系数K，使智能积分控制器的输出根据工况而变化，在偏差e减小到模糊控制器FZ2的控制精度以下时快速消除系统稳态误差。

模糊控制器的隶属函数及论域[2-3]根据工况而选定。根据加热炉的实际情况，FZ1应该采用模糊不对称控制规则，如表1所示。偏差e大于零时，加热炉不能加热，故在偏差 e为 PL、PM、PS、PZ 时，智能积分控制器的系数K取0。而在偏差e小于零且偏差变化率ec大于零时，偏差e呈减小趋势，取消智能积分作用，故在偏差变化率ec为PL、PM、PS、PZ时，智能积分器的系数K取0。根据“误差越小，积分器输出在总输出中所起作用就越大”的原则设计其它规则。

表1 FZ1模糊控制规则表Tab.1 FZ1fuzzy regulation table

根据加热炉的实际情况，FZ2应该采用模糊不对称控制规则，如表2所示。

表2 FZ2的模糊控制规则表Tab.2 FZ2fuzzy regulation table

在加热炉炉温偏差较大时，模糊控制器FZ2起主要作用，当炉温偏差减小到一定程度后，智能积分控制器开始起主要作用，快速消除稳态误差。模糊不对称控制规则表能够很好地抑制加热炉炉温超调。只要合理整定各参数，智能积分模糊控制器就能够达到很理想的控制效果。

4 仿真应用

用Matlab软件对智能积分模糊控制器进行仿真[4]，主要比较了纯模糊控制器、常规积分模糊控制器及智能积分模糊控制器对单位阶跃曲线的响应。

图3中①、②和③分别为常规积分模糊控制器、智能积分模糊控制器和纯模糊控制器的响应曲线。纯模糊控制曲线无法消除稳态误差，常规积分模糊控制器及智能积分模糊控制器的控制曲线都可达到无稳态误差，常规积分模糊控制器控制曲线最快达到炉温设定值，但超调较大，智能积分模糊控制器曲线达到炉温设定值时间稍长，但几乎无超调量。

图3 仿真比较图Fig.3 Simulation and comparison

5 结语

智能积分模糊控制器在某钢厂2＃5000 mm宽厚板加热炉中得到应用，对加热炉温度进行控制，控制效果非常理想，与常规积分模糊控制器相比，用该智能积分模糊控制器控制的炉温上升时间稍长，但几乎无超调，这种新型智能积分模糊控制器非常适合在具有非线性、大滞后、大惯性特性的加热炉温度控制中应用。

[1] 吴介一.提高模糊控制精度的研究[J].控制理论与应用，1996，13（2）：264-267.

[2] 蔡自兴.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2004：61-74.

[3] 刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2005：37-86.

[4] 刘金琨.先进控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003：186-192. ■