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提高加热炉温度控制鲁棒性的研究2005年8月(1)

摘要  对轧钢系统中加热炉的工艺,温度控制系统的构成了作了简单的介绍。结合实际对象,在分析研究影响系统的稳定性、控制精度等因素的基础上,提出了提高控制系统鲁棒性的方法,并进行了实施,取得了较好的效果。

关键词   加热炉   温度控制  鲁棒性   调节阀

0  引言

   在轧钢生产过程中,由于钢坯的加热过程复杂,影响炉膛温度的因素众多,并且工况复杂多变,所以实现加热炉炉膛温度自动控制,使系统具有较高的控制精度,一直被视为是轧钢自动化技术中的重要研究课题。但目前看来,除了少数加热炉之外,大多数加热炉炉膛温度的自动控制都处于远低于最佳控温精度的控温状态,自动控制系统投运率非常低,甚至因为种种原因长期处于手动操作的状态。因此,提高温度控制鲁棒性的研究与应用,使控制系统能适应较差的工况条件,对提高轧钢系统加热炉的效率和延长加热炉的寿命、提高轧钢系统的自动化水平都有十分重要的意义。

1  工艺概况及控制系统配置

   加热炉采用蓄热式空气、煤气双预热燃烧技术,加热炉由炉尾进钢端到炉头出钢端分为四端,即预热段、第一加热段、第二加热段、均热段。每段设一台空气换向阀、一台煤气换向阀,空气煤气流量均可自动调节。采用4段独立定时燃烧换向。生产过程中可以调整换向时间设定值,一般为2~3分钟。温度、燃烧控制系统的配置如图1所示。

                 图1 温度、燃烧控制系统配置图

2  提高温度控制系统鲁棒性的理论及实践

2.1 控制系统鲁棒性理论及分析

受控系统实行状态反馈控制是系统实现闭环控制的一种重要方法,它得以实现的基本条件是系统的状态变量均为已知。然而在实际系统中,由于设备性能变化会引起模型参数变化,以及测量误差和输入条件的变化会出现一些不确定项而影响系统稳定性。允许在系统存在一些不确定性的情况下,对模型集实现预期的控制,如何由系统的输入输出数据及一定的验前信息得到体现系统的不确定性,从而采取有效的措施,提高系统的鲁棒性是新兴的一门研究课题。近年来,众多科技工作者致力于这方面的研究,并取得一些很好的效果。其中,尤其以鲁棒性H 控制理论研究为代表,得到了长足的进展。鲁棒H 控制理论基础如下所述:

H 控制理论设具有参数摄动和外部干扰的被控对象为

式中:A、B1、B2、C、D均为以及标称阵; 为适维的参数摄动阵;x为状态变量; 为外部干扰;u为输入量;z为评价函数。并且,要求 满足

[ ]= [   ]

E、 为已知定常阵; 为含有不确定性因素的矩阵,且

对于上述给定对象,设计控制器u=-Kx使得闭环系统满足

①对于任意的满足条件 ,闭环系统内部稳定;

②对于任意的满足条件 ,由 到z的闭环传递函数T (s)满足

     <1

由此,可以得到如下定理:

=[I  0],对于上述给定的被控对象,存在状态反馈控制器K和正定阵X,使得闭环系统满足①、②的充分必要条件是存在标量 >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,则满足闭环系统的状态反馈控制器为

从上述定理可以看出,鲁棒H 控制可以保证存在参数摄动时系统保持稳定,而且可以有效地抑制干扰。

通常,实践中对控制系统的外界干扰常常给予了足够的重视,诸如加热炉温度控制中煤气压力波动、炉门开启等等外界影响因素。对于外部扰动输入,鉴于目前控制理论已较为成熟,可针对蓄热式加热炉的实际工艺来做调整,同时也将减弱辅助系统内部参数摄动的影响,来提高系统整体的鲁棒性。但对于控制系统内部的参数摄动,从理论认识到生产实践往往都重视不足。实际上,系统中的设备不可能永远状态良好,如何在设备性能指标下降的情况下,仍确保良好的系统性能是一项极富挑战性的研究课题。尤其对于连续性生产的轧钢系统来说,更是迫切需要完成的任务。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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