带有史密斯预估器的退火炉温度控制系统

4.3 施密斯预估器的缺点............................................................................................... 16
第五章控制系统的设计与仿真.......................................... 17
4.2.1 计算机纯滞后补偿控制系统........................................................................................................13 4.2.2 纯滞后补偿控制的算法................................................................................................................14
5.1 不带有施密斯预估控制器的系统仿真................................................................... 17 5.2 带有施密斯预估控制器的系统仿真....................................................................... 18
3.1.1 纯滞后的产生..................................................................................................................................9 3.1.2 纯滞后的相关定义..........................................................................................................................9
第一章绪论
1.1 退火炉温度控制研究的目的及意义
退火炉是常用在冶金和机械行业的热处理工艺设备。 带钢在冷轧过程中会发 生加工硬化，为了消除加工硬化并且同时能生成具有良好成型性能的显微组织， 从而获得优良的机械性能， 需要对冷轧后的带钢进行退火处理。退火是金属热处 理中的重要工序， 是将偏离平衡状态的金属加热到临界温度上，保持一定时间后 缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的过程[1]。通过退火可以使带钢达到降低 硬度、细化组织、改善切削加工性能、消除内应力等目的。退火是冶金企业生产 高质量冷轧薄板产品的一道必经工序；退火是提高钢材屈服强度、抗拉强度，提 高薄板表面质量，改善机械性能的重要手段[2]；退火处于冷轧薄板生产中的最后 处理工序， 对冷轧薄板最终产品质量有着关键性的影响。薄板企业能否稳定地进 行退火生产操作，减少钢材粘接、杯突等质量缺陷是一个企业生存的重要指标。 近年来随着钢材市场竞争的不断激烈，对产品性能的需求不断提高，要求在各个 工序及温度控制上更加精确，稳定。 退火炉作为轧钢企业主要设备之一，直接影响产品的质量、产量和成本，在 生产中处于关键位置。因此对退火炉温度控制在提高轧钢生产率、改善质量和节 约能源上都具有举足轻重的意义。 在生产中对退火炉的基本要求就是根据退火处 理工艺曲线， 提供准确的升温， 保温及降温操作， 同时保证炉内各处的温度均匀。 对于工业退火炉， 为了很好的满足工艺需要，退火炉的炉温控制是保证退火质量 的关键因素。生产中，温度控制性能优良的退火炉具有以下现实意义： 1.提高产品的质量和产量。 生产过程中对钢材的温升曲线有较高的要求，退 火炉的炉温动态特性直接影响到产品的质量。如果温度过低，就达不到退火的预 期目的；温度过高而又将导致过热，甚至过烧。通过对退火炉中生产过程的自动 工艺管理控制和优化控制可以缩短产品的生产周期，提高产品的质量和产量，减 少因为人为因素造成的废品率，节省了原材料。 2.减少环境污染，改善生态环境。金属热处理企业历来是环境污染大户，退 火炉的燃料如果是在氧气不足的情况下燃烧，燃料燃烧不充分就会产生大量的 CO 气体和黑烟，而过氧燃烧会产生氮氧化合物等有害气体。通过对燃烧过程进 行有效控制，使燃烧在合理的空燃比下运行，可以减少退火炉对环境的污染，对 改善生态环境和构建可持续发展型社会具有积极的意义。 3.节约能源。 通过提高退火炉温度控制的精度可以大幅度节约能源。如通过 计算机控制降低废气中含氧浓度，由传统人工控制的 8%～10%降低到过氧浓度 2%，节能效果非常明显。 我国是钢铁和能源消耗大国， 研究高性能退火炉温度控制系统具有重大的现 实意义。
所用机型
随着数字计算机向高速、大容量、小型方向的发展，传统的 PID 控制已经渐 渐的在一些特定对象的控制领域显得力不从心， 传统的 PID 控制不断发展改进的 同时，现代控制理论也在不断发展。随着控制理论的不断发展，出现了一些新型 的控制算法。70 年代以来，预测控制作为一类新型的计算机控制算法在复杂工 业过程中得到成功应用，由于它突破了传统控制算法的约束，采用了预测模型， 滚动优化和反馈校正等新的控制思想，获取了更多的系统运行信息，因而使控制 效果和系统的鲁棒性得以提高。 如美国钢厂在其退火炉智能控制系统中应用了广 义预测极点配置加权控制， 在控制系统中考虑到煤气压力随机波动和变化频繁等 情况，煤气压力较低时，当煤气管道阀门开度为 100%时，煤气压力仍不能恢复 到正常值， 对炉温影响较大，所以在模型中将煤气总管压力作为可测干扰量来处 理。 再考虑到现场随机噪声干扰影响， 罩式退火炉可用一个带可测煤气压力干扰， 有控制项的自由回归滑动平均模型来描述，当采样周期为 60s，得到一个有纯滞 后的一阶惯性的数字模型。 对煤气罩式退火炉利用广义预测极点配置加权控制器 计算机控制，得到的模型参数跟踪性能好，很快收敛，升温段温差不超过±6℃， 恒温段温度在±4℃范围内[6]。 随着控制技术的日益提高， 退火工艺也不断改进。其优势在于提高了生产效 率，并且很大程度上提高了产品成材率和钢产品的质量。
1.2.1 国际发展现状..................................................................................................................................3 1.2.2 国内发展现状..................................................................................................................................3 1.2.3 退火炉控制系统的新进展..............................................................................................................4
2.1 煤气罩式退火炉系统介绍......................................................................................... 6 2.2 退火炉动态特性实验测定......................................................................................... 7
1.3 本论文的主要工作..................................................................................................... 5
第二章退火炉的建模............................................................ 6
1.2.1 国际发展现状
国际上 20 世纪 70 年代就开始了退火炉计算机控制的研究[3]，近几十年来， 由于计算机技术以及智能控制技术的迅速发展， 退火炉计算机控制的应用日趋广 泛，控制水平明显提高，取得了很多实际的应用成果[4][5]，其中具有代表性的研 究成果如表 1-1 所示：
表 1-1 退火炉计算机控制在国外的一些应用现状
第四章施密斯预估控制...................................................... 12
4.1 施密斯预估控制原理............................................................................................... 12 4.2 施密斯预估器的计算机实现................................................................................... 13
厂家名称 日本 KASHIMA 钢厂 瑞典 DOMNARVE 公司 美国 DOFAS公司
应用现状 实现钢坯目标出炉温度 PLC 控制器 计算， 温度预报， 空燃比控制， 炉温最优控制 PLC 控制器 确定最佳加热曲线和炉 温控制 I 级：PLC 控制器 空燃比控制，炉温控制， HONEYWELLTDC30 温度预报， 炉温设定值调节设 00 备诊断，系统报警、记录、报 II 级 ： 告等 DECVAX8350 DEVMICROVAXIII 空燃比控制， 炉内压力控 制，设定值选择，生产调度模 型等
3.2 纯滞后对控制性能指标的影响............................................................................... 10 3.3 被控对象控制策略的选取....................................................................................... 11