基于智能模糊控制的中板加热炉计算机控制系统

Abstract：This  paper  introduces  the  constitution  and  functions  of  microcomputer  intellectual fuzzy contro1 system  for  middle thickness plate reheating fumace，and  describes  the  control  situation and features of  combustion  control  system  of  middle thickness plate reheating  fumace，to  which  the   intellectual fuzzy  control  method  is applied． Realtime contro1 results show  the  contro1 ideal is applicable and contro1 effect is satisfactory．
Keywords：Middle Thickness Plate  Reheating  fumace；Microcomputer；
Intellectual  Fuzzy  Control

一、前  言
      在钢铁工业中，中板加热炉轧钢厂是主要耗能设备之一。近来，随着能源的高度消耗，节能、开发新的能源越来越引起人们的重视。因此，如何合理解决加热炉的燃烧问题，提高
燃料的利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量，从而进一步提高整个轧钢生产过程的经济效益具有非常重要的意义。
    中板加热炉燃烧控制采用常规控制理论和方法进行控制，必须知道其准确的数学模型，
而中板加热炉这种大惯性、纯滞后、非线性的多变量系统，由于其结构复杂，各变量之间相
互耦合，加上各种干扰因素的影响，难以建立其精确的数学模型。对于这种用一般线性调节规律不能满足要求的调节系统，且在燃料热值及残氧检测困难的情况下，要保持跟踪最佳燃空比，我们可根据易于检测的各种流量、压力和温度三组物理量，采用智能模糊控制技术，按照人工智能的方法加以控制，能自动搜索并跟踪最优燃空比，实现最佳燃烧及综合自动控制。

二、计算机系统结构及功能
       本系统为两级计算机控制系统，即：(1)直接数字控制(DDC)系统，用于对现场进行实时控制；(2)监督控制系统(SCC)，用来计算最佳设定值，进行最优控制，并且能指导操作管理系统。DDC和SCC一起构成功能很强的闭环控制系统。计算机控制系统结构如图1所示。 

            
图1计算机控制系统结构图

2．1 DDC级控制系统
2．1．1系统硬件配置
    用于过程控制的STD总线控制机主要由CPU模块(8802)，存储模块(8701)，图形显示模块(8305)，键盘模块(8315)，A／D转换模块(SC—11070)，D／A转换模块(SC—11060)，隔离模块以及电源所组成。   
    中板加热炉的炉温、油压、燃油及空气流量、风压、阀位等信号，经采样器采样，由A／D模块转换为数字信息，送给控制机，计算机根据检测到的数据及由SCC级传送来的信息，完成对工艺参数的逻辑分析和运算，将结果一方面由CRT显示，另一方面通过CPU(8802)  模板的RS—232C通讯接口传送给SCC级监控机进行处理。与此同时，并由D／A模板将数字量结果转换为4～20mA的电流信号，经伺服放大器放大，送至执行机构去调节阀门的开启度，达到控制各参数的目的。
2．1．2系统软件构成
      系统的控制程序主要分为：  （1）初始化程序及主程序；  （2）数据采集、滤波、代码转换及A／D转换程序；  （3）智能模糊控制程序；（4）各类辅助控制程序；  （5）
D／A转换及声光报警程序。
    控制程序主要安排在中断服务程序中，并且有较高的中断优先级。
2．2 SCC级监控系统
2．2．1系统硬件配置
    IPC监控计算机采用上位机NEC  PC—9801FC，并配有SHARP  640X400高分辨率20寸(1寸=25．4mm)大屏幕彩色显示器及NEC PR—201DC彩色打印机。
    外围设备送来的生产现场的流量、温度、压力等工况参数，经过DDC控制机加工处理后，由I／O接口送入SCC监控计算机。监控计算机将这些检测参数、过程状态和控制信息，根据智能模糊自寻优控制算法、炉温设定值自动修正控制算法，PID参数在线自整定控制算法以及三段炉温自动协调控制算法等，实时算出既定工艺条件下的最佳炉温、油压、风压的设定值及整定后的PID参数，并送回DDC级控制机，由STD控制机对生产现场进行实时最佳控制。另外，监控机还对现场进行生产过程的操作指导和控制过程的管理工作。
 2．2．2系统软件结构
    SCC级监控软件主要包括以下几部分：  （1）中板加热炉工艺流程图；  （2）控制系统结构图；  （3）仪表控制系统图；  （4）控制参数调整图；（5）参数历史趋势图；  （6）控制参数实时趋势图；  （7）生产统计报表图等程序。
    通过这些监控程序可监视温度、压力、流量的变化趋势，对其设定值、PID参数等进行
智能模糊修正，对故障报警显示，对生产状况进行统计，制表。
    中断程序安排30分钟定时打印程序，每30分钟打印机可定时打印各参数的瞬时量，累计量及过程曲线等。
    这些值也可由人工随时打印。
    当出现异常情况时，可将报警情况及报警时间打印下来。
    通讯中断程序，安排STD控制机和9801监控制机的数据通迅。
2．3  STD控制机同9801监控制机的通讯联络   
    STD总线控制机和NEC PC—9801FC控制机通过其RS—232C接口，按异步串行通讯方式进行通讯联系，彼此交换信息。
    9801监控制机两秒钟定时中断，启动通讯程序，向STD控制机发送设定值修改标志，
控制回路号，并将炉温设定值自动修正和智能模糊控制程序优化运算结果及油压、风压自寻优得出的设定值发送过去。
    STD控制机接收到标志“3”后，将内存缓冲区数据读出，随后存入相应的单元。
    9801控制机发出由PID参数在线自整定控制算法得出的参数标志“2”后，接着发出其数据，STD控制机接收到标志“2”后，读出缓冲区数据、控制回路号，并将对应的PID参数存放到相应的单元。
同样，9801控制机发标志“l”作为请求，将STD控制机各测量、控制参数送出标志，当STD控制机接收到标志“1”后，将缓冲区数据读出，随后将全部的参数送出。

三、中板加热炉燃烧智能模糊控制
    中板加热炉的燃烧过程是一个复杂的物理和化学过程，其过程控制中存在着大量的模糊
现象，如“炉温较低”、“温度变化太慢’等。对这些模糊性的概念，用常规的方法无法处理。模糊数学的一个重要特点使数学回过头来吸取人脑识别和判决的模糊特点，使之运用于计算机。这样，部分自然语言能够作为算法语言直接进入程序，使人能以简易的程序调动机器完成复杂的任务。
    设智能模糊控制器的输入量是被调参数的实测值与给定值之差(即偏差e)，经过变换它可分为7个档次，形成7个模糊子集。
根据现场工作人员所积累的经验可用一系列模糊逻辑规则进行描述：     
IF  e1  THEN  u 8-1，i=l，2，……，7   
对这些模糊逻辑规则加以总结，经过模糊运算形成智能模糊控制规则表。如表1所示。 
通过总结操作人员经验，制定被控参数的控制规则，经过一定的逻辑处理，组成专家数据库。将此表存放在微型机存贮器中，它就是所要采用的控制表。依据控制表编写出智能模糊算法程序，计算机通过查表便可进行自动控制。
工作时，由计算机取样，模糊化、合成运算、判决给出控制信息，通过执行部件自动控制阀门的大小，对被调参数进行自动调节。

四、实时控制结果
       本系统在韶钢二轧分厂中板加热炉上投运以来，在韶钢计控处和现场同志的大力配合下，使用效果一直很好，系统稳定可靠；操作简单方便，深受工人的欢迎，工人劳动强度得到较大改善。
 
本系统能<