一种基于模型切换的加热炉炉温广义预测控制器设计方法.pdf

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1、第4期薛美盛等．一种基于模型切换的加热炉炉温广义预测控制器设计方法347一种基于模型切换的加热炉炉温广义预测控制器设计方法薛美盛孟俊刘波杨猛(中国科学技术大学信息科学技术学院)摘要为改善加热炉炉温控制自动化程度低、控制品质差的问题，并兼顾加热炉对象强非线性的特点，设计了一种多层次多模型广义预测控制器。给出了该控制器的设计方法和参数。仿真结果和投运效果表明：该方案实施后，系统的响应速度加快，超调量减少，加热炉炉温的控制品质明显改善。关键词广义预测控制．加热炉多模型中图分类号TH865文献标识码B文章编号1000．3932(2017)04-0347

2、-05加热炉是轧钢生产的重要设备，能耗巨大，通常占整个轧钢厂生产总能耗的一半以上⋯。加热炉的稳定、经济运行对轧钢厂降低生产成本和实现节能减排目标意义重大。我国加热炉普遍存在排烟温度高和热效率低的缺点，具有较大的节能改造潜力旧。。加热炉是一个具有大惯性、强耦合、时变性和非线性的复杂系统，炉内工况复杂多变，采用常规控制策略难以达到满意的控制效果。为了实现加热炉炉温的有效控制，有研究者使用加热炉系统运行历史数据提取模糊规则表，设计加热炉炉温模糊控制器以解决加热炉系统建模困难和难以有效控制的问题∞一1。预测控制算法具有工程背景强、设计简单及鲁棒性强等特

3、点，在过程控制领域得到了广泛使用，将广义预测控制算法运用到加热炉炉温控制器的设计中，在炉内工况小范围变化时取得了良好的控制效果。6。。为了克服被控对象的强非线性特点，将整个工作区间划分为不同的层次，然后构造不同层次的子模型，再设计相应的控制器，得到被控对象的多层次多模型oL8

4、。多模型控制策略在电厂主蒸汽温度和球磨机负荷控制方面已有实际的应用，并且取得了良好的控制效果旧““。为改善加热炉炉温控制自动化程度低、控制品质差的问题，并兼顾加热炉对象强非线性的特点，笔者设计了一种多层次多模型广义预测控制器(GeneralizedPredictiveCo

5、n．trol，GPC)。1加热炉概况笔者选择的研究对象为唐山某钢厂蓄热式加热炉。钢坯由加热炉人钢口，依次经一加热段、二加热段和均热段加热升温，达到目标轧制温度后由加热炉出钢口离开。加热炉使用上游钢铁冶炼过程中产生的高炉煤气作为燃料，空气作为助燃气体，其各段分别配置有独立的煤气流量调节阀和空气流量调节阀，可以分别控制各段的煤气流量和空气流量。加热炉生产过程中其--JJn热段的温度变化范围宽、控制难度大，因此笔者主要研究加热炉的---jJH热段。轧钢厂加热炉原控制系统结构如图1所示，图中内环PID控制器为加热炉煤气流量控制器，其设定值为煤气流量，输

6、出为阀门开度。外环PID控制器为加热炉炉温控制器，其设定值为加热炉炉温，输出为煤气流量设定值。由于加热炉对象本身复杂的动态特性，采用常规PID控制器难以达到满意的控制效果。导致现场的加热炉大多数情况下实际处于操作员手动操作状态，加热炉炉温控制效果很不理想。作者简介：薛美盛(1969一)，副教授，从事工业自动控制的研究，xuems@ustc．edu．C／l。化工自动化及仪表第44卷加热炉炉温r]蕉趔墨r飞匕]￡I旦蕉剑墨厂l堑錾

7、_一l墅叁I图1加热炉炉温PID控制系统框图2加热炉对象控制器设计与仿真2．1多模型广义预测控制器设计广义预测控制是由

8、ClarkeDW等于1987年提出的一种重要的自适应控制算法‘12，”3，它采用受控自回归积分滑动平均模型来表述被控对象。受控自回归积分滑动平均模型形式为：A(q一1)y(％)=q一。B(g一1)H(^)+C(g一1)手(☆)／△式中A(g。1)、B(g“)、C(q。)——g‘1的／7,。、n。和n。次多项式，且A(q。1)是首一多项式；q～——后移算子；Y(k)、u(k)、f(

9、i}卜系统的输出、输入和白噪声；△——差分算子，A=1一g～。从而被控系统的数学模型被处理成具有平稳随机干扰噪声和有积分作用的系统。加热炉由于经常受到计划性待轧(正常

10、换辊)、非计划性待轧(生产线下游轧线发生断辊、夹辊等生产事故需要停下维修)和加热炉入炉钢坯温度(热坯、凉坯)的影响，其运行负荷变化很大，在动态工况下难以得到较好的有意义的辨识结果。但在各种典型工况下，通过人工对数据筛选处理，可以得到相对满意的对象模型。广义预测控制器虽然具有较高的鲁棒性，但加热炉处于加热炉炉温不同的工况时，对象模型会发生较大的变化，这会造成广义预测控制器模型严重失配，降低加热炉炉温的控制品质。同时，实验发现加热炉对象在负荷变化超过30％时模型参数相差较大。在系统工况发生大范围变化时，若仍以单一模型作为加热炉预测控制器设计时的预测

11、模型，模型的输出和加热炉对象的实际输出二者结果相差较大，导致对加热炉炉温的控制效果较差。为此，以加热炉流量负荷为考虑设计了如图2所示的多层次多模型结构