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1、加 热 炉 过 程 控 制 技 术 的 新 策 略智 能 控 制荣 莉 柴 天 佑 钱 晓 龙(东 北 大 学 自 动 化 研 究 中 心 沈 阳11000 )摘 要 论 述 了 智 能 控 制 在 加 热 炉 过 程 控 制过 程 建 模过 程 观 测 中 的 应 用 状 况 及 前 景并 结 合 国 情提出 了 智 能 控 制 在 加 热 炉 窑 过 程 控 制 的 推 广 应 用 中 应 分 两 步 走即 先 实 施 智 能控 制 再 建 立 高 级 智 能控 制 系 统 的 可 行 性 方 案O关 键 词 加 热 炉过 程 控 制智 能 控 制专 家 系 统模 糊 控 制神 经 网 络
2、分 类 号T Z7BNew Scheme of Process Controlfor Reheating Furnace Intelligent ControlROng Lz Chaz tzanyO zan XzaOlOng(Northeastern university)Abstract The application scopes of intelligent control for reheating furnaces in process control pro-cess modeling and process observation are briefly introduced.
3、The feasible scheme of two step-goingabout its future development in our country/s process control for reheating furnaces is given. The firststep is intelligent controller. The second step is advanced intelligent control system.Key words reheating furnace process control intelligent control expert s
4、ystem fuZZy control neu-ral net1引 言加 热 炉 是 轧 钢 行 业 中 最 重 要 的 设 备 之 一其 控制 目 标 是 在 获 得 满 足 轧 机 开 轧 所 要 求 的 钢 坯 温 度 分布 的 前 提 下实 现 最 小 的 钢 坯 表 面 烧 损 和 能 耗 的 经济 指 标O通 常 采 用 的 控 制 方 法 是 将 热 工 模 型 在 稳 态工 作 点 附 近 线 性 化 并 进 行 降 阶 处 理然 后 根 据 简 化后 的 线 性 模 型 利 用 线 性 系 统 的 方 法 来 设 计 控 制 器O但 由 于 加 热 炉 本 质 上 是 一 个
5、 具 有 大 惯 性纯 滞 后 和分 布 参 数 的 非 线 性 系 统当 炉 内 工 况 发 生 变 化 或 出现 大 的 扰 动 时传 统 的 线 性 近 似 模 型 显 然 具 有 较 大的 局 限 性O工 程 技 术 人 员 经 过 多 年 的 工 程 实 践 已 充分 认 识 到要 想 彻 底 解 决 加 热 炉 窑 的 控 制 问 题必 须跳 出 以 简 化 的 理 想 数 学 模 型 为 基 础 的 经 典 控 制 框架面 对 其 复 杂 性应 提 出 新 的 概 念 和 模 型探 索 新的 方 法 和 手 段开 发 出 能 感 知 复 杂 环 境控 制 复 杂 对国 家 自 然
6、 科 学 基 金 项 目( 99B40Z0)1998-11-0B收 稿1999-0Z-0Z修 回象解 决 复 杂 任 务 的 新 策 略1 O近 年 来随 着 计 算 机 的 广 泛 应 用 和 人 工 智 能 技术 的 迅 速 发 展出 现 了 一 种 以 人 工 智 能控 制 理 论 和计 算 机 科 学 为 基 础 的 新 型 控 制 技 术智 能 控 制O智 能 控 制 不 仅 为 传 统 控 制 理 论 和 方 法 带 来 了 新 的 生机而 且 为 解 决 轧 钢 领 域 内 的 控 制 难 题摆 脱 常 规 数学 模 型 的 困 境突 破 现 有 控 制 理 论 的 局 限 性开
7、 辟 了一 条 新 的 途 径Z-4 O智 能 控 制 在 加 热 炉 控 制 中 的应 用 领 域智 能 控 制 方 法 主 要 包 括 -7 1)专 家 系 统 与 传 统 控 制 相 结 合 的 专 家 控 制 方法Z)将 人 工 神 经 网 络 用 于 智 能 控 制 的 神 经 元 控制B)基 于 模 糊 集 合 论 模 拟 人 的 模 糊 推 理 和 决 策过 程 的 模 糊 控 制第1 卷 第B期ol. 1 No. B控 制 与 决 策C tR L C Z000年月ay Z000 模 拟 人 脑 的 分 层 结 构由 执 行 级协 调 级 和组 织 级 构 成 的 分 层 递 阶
8、 智 能 控 制自 从世 纪年 代 初 丹 麦公 司 将 模 糊技 术 用 于 水 泥 窑 控 制 获 得 成 功 以 来钢 铁 等 工 业争 先 开 发 出 了 人 工 智 能 系 统近年 来计 算 机 技术 和 人 工 智 能 技 术 的 飞 速 发 展为 钢 铁 工 业 的 智 能化 提 供 了 先 进 的 科 学 技 术 手 段迄 今 为 止从 烧 选 到轧 钢 各 工 序 以 至 能 源计 划运 输管 理 等 领 域均 有使 用 智 能 控 制 技 术 的 报 道智 能 控 制 技 术 已 被 世 界钢 铁 行 业 列 为世 纪 末本 世 纪 初 的 关 键 技 术它不 仅 可 用
9、于 加 热 炉 的 过 程 控 制还 可 用 于 加 热 炉 的过 程 建 模 和 过 程 观 测在 加 热 炉 过 程 控 制 中 的 应 用传 统 的 以 数 学 模 型 为 基 础加 反 馈 控 制 为主 的 经 典 控 制 方 式已 无 法 适 应 今 后 钢 铁 工 业 竞 争的 要 求智 能 控 制 从 人 工 智 能 的 角 度 出 发充 分 重 视大 量 定 性 的 先 验 知 识采 用 模 糊推 理逻 辑 的 知 识库 和 推 理 方 式通 过 离 线 训 练 在 线 学 习建 立 起 智 能动 态 控 制 系 统以 取 代 传 统 的 控 制 器将 智 能 控 制 技术 应
10、 用 于 炉 窑 的 过 程 控 制能 继 承 熟 练 工 人 的 操 作经 验并 解 决 传 统 工 艺 理 论控 制 理 论 建 立 的 数 学 模型 无 法 适 合 非 稳 定 工 况 的 问 题在 异 常 情 况 下 也 能很 好 地 控 制从 而 可 大 大 提 高 加 热 炉 窑 控 制 过 程 的快 速 性 和 控 制 精 度保 证 控 制 过 程 的 稳 定 性提 高 产品 的 合 格 率 和 优 质 率在 加 热 炉 过 程 建 模 中 的 应 用目 前 国 内 外 开 发 的 加 热 炉 钢 坯 温 度 预 报 数 学 模型无 论 是 根 据 加 热 过 程 本 身 的 内
11、 在 机 理运 用 能 量平 衡物 料 平 衡 等 建 立 起 来 的 机 理 模 型还 是 根 据 加热 炉 的 输 入 输 出 数 据 建 立 起 来 的 辨 识 模 型其 实 质都 是 实 验 模 型实 验 数 据 的 获 取 是 基 于 拖 偶 实 验 或黑 箱 测 试这 两 种 实 验 手 段 代 价 较 高并 且 所 测 数 据不 可 避 免 地 带 有 局 限 性建 立 的 模 型 依 赖 于 建 模 时的 炉 况 和 实 验 条 件当 炉 况 变 化 或 炉 子 更 新老 化后模 型 的 误 差 就 会 大 大 增 加另 外建 立 炉 内 加 热钢 坯 温 度 预 报 模 型
12、时通 常 忽 略 热 辐 射 和 热 对 流仅考 虑 热 传 导加 热 的 三 维 空 间 被 简 化 成 一 维 或 二 维空 间 的 热 传 导 模 型由 于 这 些 方 法 假 设 太 多以 至 使用 起 来 误 差 较 大若 模 型 精 度 过 高其 算 法 势 必 复杂运 算 起 来 就 会 占 用 大 量 的 机 时上 述 这 些 因 素 都严 重 影 响 了 模 型 的 实 用 性面 对 上 述 传 统 建 模 方 法 的 诸 多 缺 陷可 将 人 工智 能 方 法 与 传 统 建 模 方 法 相 结 合根 据 加 热 炉 的 工艺 特 点将 专 家 知 识熟 练 操 作 人 员
13、 的 经 验 与 经 验 数据 结 合 起 来研 究 和 开 发 出 加 热 炉 的 新 型 智 能 模 型并 利 用 机 理 模 型 和 热 平 衡 计 算 来 修 正 实 验 模 型使之 能 适 应 工 况 及 炉 体 的 不 断 变 化目 前 研 究 较 多 的智 能 建 模 方 法 有 神 经 网 络 建 模 法 和 模 糊 建 模 法多层 前 馈 神 经 网 络 能 以 任 意 精 度 逼 近 非 线 性 映 射为加 热 炉 的 建 模 提 供 一 种 新 的 非 传 统 的 表 达 工 具模糊 建 模 通 过 定 义 模 糊 变 量模 糊 集 合 及 相 应 隶 属 函数将 加 热
14、 炉 的 输 入 输 出 之 间 的 映 射 关 系 用 一 组 人们 易 接 受 的条 件 语 句 规 则 来 描 述与 传 统的 数 学 模 型 表 示 方 法 不 同神 经 网 络 模 型 和 模 糊 模型 也 称 为 广 义 数 学 模 型在 加 热 炉 过 程 观 测 中 的 应 用加 热 炉 内 的 温 度 分 布 很 复 杂有 炉 膛 温 度炉 壁温 度钢 坯 表 面 温 度钢 坯 断 面 温 度钢 坯 中 心 温 度等而 实 际 易 测 的 只 是 炉 内 某 一 点 的 炉 膛 温 度对 于控 制 最 佳 燃 烧 的 空燃 配 比通 常 难 以 在 线 检 测 燃 料的 发
15、热 值 和 炉 子 的 热 效 率另 外对 燃 烧 后 废 气 中 含氧 量 的 测 量 也 不 尽 如 人 意滞 后 大标 定 难精 度 低这 些 因 素 都 严 重 阻 碍 了 加 热 炉 控 制 品 质 的 进 一 步 提高为 此须 将 人 工 智 能 技 术 与 自 动 检 测 相 结 合 用 于加 热 过 程 参 数 的 观 测根 据 离 线 或 在 线 数 据 采 用 软测 量 技 术 重 构 过 程 信 息应 用 模 式 识 别 与 多 媒 体 技术 对 加 热 炉 的 运 行 状 况实 际 工 况温 度压 力残 氧量 等 关 键 参 数 进 行 智 能 检 测识 别 和 监 控
16、并 开 发 智能 观 测 方 法 和 技 术以 大 大 提 高 关 键 过 程 参 数 检 测的 快 速 性 和 准 确 性目 前作 为 钢 铁 强 国 的 日 本美 国 等已 有 一 些将 专 家 系 统 和 模 糊 控 制 技 术 应 用 于 加 热 炉 燃 烧 控 制的 报 道我 国 的 武 汉 钢 铁 公 司 多 年 来 一 直 从 事 智 能控 制 系 统 的 开 发 研 究他 们 在 对 广 州 轧 钢 厂 等 十多 座 加 热 炉 进 行 技 术 改 造 时将 模 糊 控 制 技 术 成 功地 应 用 于 炉 温 的 建 模 和控 制 器 参 数 的 在 线 自动 整 定改 造 后 的 加 热 炉其 控 温 精 度 小 于氧化 烧 损 减 少以 上大 大 提 高 了 控 制 品 质取 得了 良 好 的 经 济 效 益莱 芜 钢 铁 公 司 也 将 神 经 元 网 络成 功 地 应 用 于 加 热 炉 的 燃 烧 控 制他 们 利 用网 中 带 阻 尼 反 馈 的网 络通 过 离 线 训 练 在线 学 习 的 方
