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提高加熱爐溫度控制魯棒性的研究2005年8月(1)

摘要  對軋鋼系統中加熱爐的工藝,溫度控制系統的構成了作了簡單的介紹。結合實際對象,在分析研究影響系統的穩定性、控制精度等因素的基礎上,提出了提高控制系統魯棒性的方法,并進行了實施,取得了較好的效果。

關鍵詞   加熱爐   溫度控制  魯棒性   調節閥

0  引言

   在軋鋼生產過程中,由于鋼坯的加熱過程復雜,影響爐膛溫度的因素眾多,并且工況復雜多變,所以實現加熱爐爐膛溫度自動控制,使系統具有較高的控制精度,一直被視為是軋鋼自動化技術中的重要研究課題。但目前看來,除了少數加熱爐之外,大多數加熱爐爐膛溫度的自動控制都處于遠低于最佳控溫精度的控溫狀態,自動控制系統投運率非常低,甚至因為種種原因長期處于手動操作的狀態。因此,提高溫度控制魯棒性的研究與應用,使控制系統能適應較差的工況條件,對提高軋鋼系統加熱爐的效率和延長加熱爐的壽命、提高軋鋼系統的自動化水平都有十分重要的意義。

1  工藝概況及控制系統配置

   加熱爐采用蓄熱式空氣、煤氣雙預熱燃燒技術,加熱爐由爐尾進鋼端到爐頭出鋼端分為四端,即預熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段。每段設一臺空氣換向閥、一臺煤氣換向閥,空氣煤氣流量均可自動調節。采用4段獨立定時燃燒換向。生產過程中可以調整換向時間設定值,一般為2~3分鐘。溫度、燃燒控制系統的配置如圖1所示。

                 圖1 溫度、燃燒控制系統配置圖

2  提高溫度控制系統魯棒性的理論及實踐

2.1 控制系統魯棒性理論及分析

受控系統實行狀態反饋控制是系統實現閉環控制的一種重要方法,它得以實現的基本條件是系統的狀態變量均為已知。然而在實際系統中,由于設備性能變化會引起模型參數變化,以及測量誤差和輸入條件的變化會出現一些不確定項而影響系統穩定性。允許在系統存在一些不確定性的情況下,對模型集實現預期的控制,如何由系統的輸入輸出數據及一定的驗前信息得到體現系統的不確定性,從而采取有效的措施,提高系統的魯棒性是新興的一門研究課題。近年來,眾多科技工作者致力于這方面的研究,并取得一些很好的效果。其中,尤其以魯棒性H 控制理論研究為代表,得到了長足的進展。魯棒H 控制理論基礎如下所述:

H 控制理論設具有參數攝動和外部干擾的被控對象為

式中:A、B1、B2、C、D均為以及標稱陣; 為適維的參數攝動陣;x為狀態變量; 為外部干擾;u為輸入量;z為評價函數。并且,要求 滿足

[ ]= [   ]

E、 、 為已知定常陣; 為含有不確定性因素的矩陣,且

對于上述給定對象,設計控制器u=-Kx使得閉環系統滿足

①對于任意的滿足條件 ,閉環系統內部穩定;

②對于任意的滿足條件 ,由 到z的閉環傳遞函數T (s)滿足

     <1

由此,可以得到如下定理:

=[I  0],對于上述給定的被控對象,存在狀態反饋控制器K和正定陣X,使得閉環系統滿足①、②的充分必要條件是存在標量 >0,使得以下Riccati不等式成立

<0

有正定解X,其中,R2=I+ 。如果有解X>0,則滿足閉環系統的狀態反饋控制器為

從上述定理可以看出,魯棒H 控制可以保證存在參數攝動時系統保持穩定,而且可以有效地抑制干擾。

通常,實踐中對控制系統的外界干擾常常給予了足夠的重視,諸如加熱爐溫度控制中煤氣壓力波動、爐門開啟等等外界影響因素。對于外部擾動輸入,鑒于目前控制理論已較為成熟,可針對蓄熱式加熱爐的實際工藝來做調整,同時也將減弱輔助系統內部參數攝動的影響,來提高系統整體的魯棒性。但對于控制系統內部的參數攝動,從理論認識到生產實踐往往都重視不足。實際上,系統中的設備不可能永遠狀態良好,如何在設備性能指標下降的情況下,仍確保良好的系統性能是一項極富挑戰性的研究課題。尤其對于連續性生產的軋鋼系統來說,更是迫切需要完成的任務。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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