退火炉温度控制系统的大林控制策略研究毕业设计.docx
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退火炉温度控制系统的大林控制策略研究毕业设计
本文以煤气罩式退火炉为主要研究对象，对罩式退火炉的大滞后性制作了系统的研究。
退火炉是对冷轧钢板进行热处理的重要热力设备，在工业生产的各个领域也得到了广泛的应用。
退火炉中温度参数的控制具有惯性大，而且升高速度很快的特点。
炉内部通过空气和煤气的混合气体燃烧产生的热来维持系统的升温和保温。
炉内降温则是通过在空气中自然冷却来完成。
退火炉的温度参数一旦超调就无法使用控制算法来控制。
因此，超调量的控制是主要任务。
过大的超调量会导致系统不稳定，安全隐患大，钢卷废品率高，所以对于此类的工业控制对象采用传统的PID调节器进行控制很难保证小超调或无超调，系统的振荡会严重影响产品质量。
针对退火炉的大滞后一阶惯性特点，本文介绍了一种很好的控制算法——大林控制算法。
大林控制器在针对具有纯滞后、大延迟的被控对象具有良好的控制效果，采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能，控制效果比较理想。
大林控制器已经在工程中得到了广泛的应用大林算法的设计目标是选择适当的数字调节器,从而使得闭环系统的调节品质满足工艺要求。
不同于传统的PID调节，由于大林控制器对系统的要求有严格的限制,系统中不存在超调量。
关键词：
煤气罩式退火炉纯延迟大林算法
Abstract
Thisarticleusesgashood-typeannealingfurnaceasthemainobjectofstudy,andmakesasystematicresearchforlargelagofthehood-typeannealingfurnace.Annealingfurnace,whichistheimportantthermalequipmentactingonheat-treatingcold-rolledsteelsheet,hasalsobeenwidelyusedinallareasofindustrialproduction.
Thecontrolofthetemperatureparameterinannealingfurnaceendowswithlargeinertiaandfastincreasing.Tomaintaintheheatingandinsulationofthesystem,theinternalfurnaceneedburnthecombinedairandgas.Coolingiscompletedbythenaturalcoolingintheair.Incasethetemperatureparameterovershoots,thecontrolalgorithmwillfail.Sothecontrolofovershootistheprimarytask.Overshootcaninducesysteminstability,greathiddendanger,highdefectiveindexofthetape.Forthiskindofindustrycontrol,itisdifficulttoguaranteelittleovershootornoovershootbytraditionalPIDcontroller.Thesysteminstabilitycanknocktheproductquality.
Todealwiththelargetimedelayandone-orderinertiaofthehood-typeannealingfurnace,weintroduceanexcellentcontrolmethod–Dahlinalgorithminthisarticle.Dahlincontrollercangetgoodeffectwhenitisusedtohandlepure-timedelayandlargetimedelaycontrolledobjects.TheDahlinalgorithmcangetnotonlygoodstaticperformancebutalsodynamicperformanceinsomesystemswhichhavesomepure-timedelaylinks.Thecontrolresultisideal.Dahlincontrollersarewidelybeingusedintheprojects.Tomakethecontrolqualityofclosed-loopsystemmeetthetechnicalrequirement,theappropriatedigitalcontrollermustbeselectedbytheDahlinalgorithm.OtherthanthetraditionalPIDcontroller,theDahlincontrollerhasthestrictlimittothesystemrequirement.Therearenotovershootsinthesystem.
Keywords:
gashood-typeannealingfurnacepure-timedelayDahlinalgorithm
引言
对冷轧钢板的处理需要对温度进行一定工艺曲线的控制，炉温度控制系统设计的任务就是构造一个数字控制器控制温度来满足工艺要求。
煤气罩式退火炉主要用于对冷轧钢板进行热处理，采用高炉煤气作为燃料。
它有内罩与外罩，在内罩内放入退火钢卷，并投入保护性气体防止氧化。
燃烧在内罩于外罩之间进行。
12个喷嘴分为上下两层，每层有6个环绕排列。
煤气和空气的喷燃比由连接各自阀门的杠杆控制（比例阀），这样在燃烧时，其空燃比不变。
炉温控制系统测点为保护性气体温度。
煤气和空气阀均采用比例蝶阀，由一台电动执行机构通过杠杆连接共同带动。
整个系统可以认为是以保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度（对应于煤气输入量）为输入的一个单输出单输入的温度控制系统。
本文是按照实际退火炉的特点结合特定的工艺要求来展开的。
第一章退火炉简介
1.1退火炉的作用
钢材在经过热处理过程已后以，既可以改善其本身的工艺性能，又可以大大提高使用性能，经过处理后能够充分发挥钢材的性能潜力。
钢材的热处理工艺是根据钢材的结构和组织在固态下经过高温处理就可以进行多种形式的转变而发展起来的。
对于像冷轧钢这种含碳量较低的钢材，对其热处理过程最终的目的就是退火再结晶，达到人们想要的钢材形状以及达到人们所希望的钢材硬度。
对于像冷轧钢这种低碳钢的退火再结晶，由于其钢制本身性质有很大差别，所以对不同种类的低碳钢进行热处理的工艺也不尽相同。
热处理工艺多种多样，但无论其怎样变化，存在怎样的差距，完成处理过程德热力设备都是退火炉，而退火炉的发展又主要体现在罩式炉和连续退火炉的发展上。
退火炉是当今社会对冷轧钢板进行热处理的最主要的热力设备。
在当经的社会，为了响应低碳、环保的口号，实现不浪费的观念，退火炉发挥其重要作用。
既减少浪费又低碳环保。
人们对钢材的需求量非常之大，以至于钢材的回收再利用成为人们关注的重要话题。
退火炉就是对冷轧钢以及报废的钢材进行热处理，根据人们的生活需要对刚才的形状和硬度进行人为的控制的生产工具。
对于废弃的钢材、报废的钢材，退火炉使其得到了回收再利用，减小了钢材的报废率，使能源得到回收。
1.1.1连续退火炉
随着1936年第一座塔式连续退火炉的建成，欧美等发达国家便开始研制各种卧式连续退火炉，这种连续退火炉可以应用到带钢连续再结晶。
这种塔式连续退火炉在一些国家至今还在沿用，其被用来加工汽水瓶盖用的镀锡带钢的退火。
这种钢质对于其要求的硬度比较高，而且材料也要达到一定的均匀程度，对于这种要求，连续退火炉发挥出重要作用，其很好的实现了要求的效果。
1945年以来，镀锡带钢广泛采用塔式连续退火。
带钢在冷轧处理后，首先先要进行钢的开卷；然后，开卷的钢材要经过热碱处理表面的杂质；第三步是电解清洗，钢制通过电解池进一步处理掉表面的杂质；最后，进行钢制的冲洗、烘干等一系列工业程序。
在这以后，钢制被直接送入传送带，在传送带的作用下连续地通过退火炉，在炉内保护气体保护作用下，工质被加热到约700℃左右后，便很快完成了再结晶过程，完成以上过程以后，钢制需要缓慢冷却再淬火，工质出炉后，再进行卷取，整个过程形成一条连续的流水线。
通常，一般的退火炉传送带可以使通过退火炉的钢制速度达到305-570m/min，在发达国家工质经过退火炉速度有高达850m/min以上的。
基本上，进入退火炉的工质都是经过辐射管这种加热工具加热的。
工质冷却则要通过冷却带，或用空气管冷却，还可用水管冷却，而现在出现了一种叫做油冷的冷却方式。
油冷对工质对冷却工质有很好的作用：
速度快、损耗小。
缓冷带还要用电热供给部分热量，以保证带钢以最低速度冷却，到400一500r时进人急冷带，最后出炉温度约50-60（摄氏度）。
1.1.2罩式退火炉
本文的研究课题是煤气罩式退火炉的技术改造。
由于其现有很多工厂里的煤气罩式退火炉的设计很不太合理，控制系统老化严重，而且经常出现操作不当引起起事故。
控制现场主要根据工人的手动操作来对其控制系统进行手动控制，这样的手动操作误差大，偶然因素多，甚至会导致退火炉内温度引起很大波动，较大程度影响了退火炉的退火功能，造成能源浪费，安全隐患多，容易造成事故。
所以对退火炉进行技术改造是人们广泛关注的话题。
通常，钢材被卷成钢卷的物态形式在工业生产的各个部门之间传递。
钢质在冷扎过程中，其热处理长期以来使用罩式炉。
具体来说，就是一个单位炉炉内以3到6个钢卷为一各单位，在各个钢卷之间用涡卷式通气垫板使钢卷被隔开，其上方用内罩使刚才与外部隔离，内罩外部再扣上加热罩（即外罩），内罩和外罩之间用煤气与空气混合气体充入来加热带钢。
外罩加热完后可取掉。
钢制的冷却方法有空冷、快冷等。
内罩内通保护气体，一方面保护带钢不被氧化，另一方面促进传热。
保护气体一般由氮气和氢气组成，现已发展了用纯氢气做保护气体的罩式退火炉，但是这种保护气体对设备要求很高。
在科技高速发展的今天，世界上各个科技发达国家都已经对各种燃烧设备的控制都进行了深入的研究。
主要研究对象是设备和自动控制两个方面，并且都取得了较大的的进展，事实证明，自动控制技术是一种能够有效的节约能源和提高生产质量的技术手段。
1.2退火炉的发展历程
目前，像化工、冶金、陶瓷等生产部门，退火炉已经成为了最重要的热力设备。
在退火炉的运行过程中，虽然需要检测的数据以及控制的对象较多，但温度检测是对被控对象进行研究的核心参数，对温度的检测精度要求也很高。
对于不同退火炉的温度参数实行自动控制，利用计算机控制自主调节，无论是提高产品质量、节约能源，还是在低碳减排等方面都显示出优越性。
目前国内在温度控制的各个领域，对温度控制的研究非常广泛。
但是，对于单变量控制回路的单输入、单输出这样的小型控制系统而言，不管是算法还是系统设计较少有人研究，人们认为这样的小型系统研究起来费时费力，而且得不到较快速的收益。
人们往往研究的重点在复杂的控制算法，试图寻找出最好的控制算法，在大型、大规模的生产过程中提高生产效率，创造更大的财富[1]。
本文就从建立退火炉动态数学模型，并以此模型为基础，结合大林算法来达到所需的工艺曲线要求，实现了系统仿真设计，对于炉温控制应用和研究有着积极的参考意义。
由于退火炉是轧钢厂的最重要的处理钢材得设备在退火过程中，设备的性能好与坏直接关系到工业生产的成本和企业所获得的效益。
所以，提高退火炉性能指标、提高退火炉的生产效率尤为关键。
早在70年代，世界上就开始对提高退火炉生产性能做了大力研究研究。
近几十年里，借助计算机辅助工具，计算机的应用和发展进入各个领域。
如今的退火炉已经智能化，其生产性能得到了大幅度提高。
随着科技的飞速发展，各种各样的退火炉相继在发达国家出现。
例如，全氢罩式退火炉。
这种退火炉一改传统的保护气体为氮氢气的罩式退火炉，全氢罩式退火炉将内罩的保护气体尤氮氢混合气体改为100%的纯氢气作为保护气体。
这样使内罩内部的钢制在退火过程中氧化率几乎控制在零，大大提高了生产率，减少了钢制报废率，使退火过程中的高温钢制不被氧化，提高了钢制的品性。
但是这种退火炉有一个弊端，即对设备的要求非常高。
氢气是非常危险的气体，在高温的作用下非常容易爆炸，如果设备老化或者设备达不到相应技术标准，很容易是内罩内部进入杂志气体，如果与氢气发生混合引起爆炸，企业将发生严重事故。
所以这种退火炉退其自身的组成设备以及技术要求是非常高。
80年代以后期，我国对退火炉的控制进行了广泛研究，随着微型计算机技术的发展，退火炉计算机控制逐步进入实用化阶段。
目前国内退火炉控制系统的研究状况如下:
1.现代控制理论的应用
在现在的生产过程中，越来越多的控制系统采用现代控制理论，自校正控制器、自整定PID参数的控制器、最优控制、自适应控制，这些控制理论已经在工业生产中得到了广泛的应用。
很多大型炼钢厂已经开始使用罩式退火炉微型机控制系统，使用现代控制理论中输出跟踪自适应控制技术，这种控制系统的精度从原来的10℃提高到了3℃。
总之，微型机的应用，为复杂的现代控制理论的数学计算创造了有利条件。
2.采用先进控制设备
随着计算机领域的发展应用在工业生产中，多元化的以计算机系统为主体，针对某一领域的工业生产变化而来的微型控制计算机应运而生。
例如，工业控制机、单片机、可编程控制器及集散系统等先进控制系统。
这些针对性较强的微型控制计算机使人工操作的大规模的继电器、模拟式仪表已经逐步被取代了。
像PLC、DCS等软件，操作简单，更加适合于大众需求，编织起来也较为简单，无需繁琐的编排程序过程，所使用的各种操作语言，无须专门编程人员就可自行编制，但是这些软件有一个缺点：
不可以独立使用，必须借助其他辅助设备才能完成工作。
但是其通讯能力较强，便于联网。
3.管理系统的应用
除了传统的闭环控制以外，退火炉也使用计算机进行管理。
计算机在退火炉中的应用大大提高了其生产效率。
通常罩式退火炉群每个炉子有外罩、内罩，空燃混合气体在其中间燃烧。
现代退火车间均采用计算机调度，指导哪个炉台装钢板，使用刚取下的热外罩等等，以节省燃料。
4.采用新的控制方法
如今，人们致力于寻找新的控制算法完善设备。
对于传统的PID调节，现在已经不能满足人们的需求。
对传统的负反馈系统中PID调节控制系统做多种补充，可以使控制性能更佳。
在传统的控制系统中，燃料与空气的处理关系通常采用按比例配比调节，由于燃料与空气调节回路的响应速度不一致，而燃烧喷嘴性质不稳定以及热值配比不协调，难以保证正确的配比关系。
特别是在燃烧负荷发生变化的情况下，更无法保持最佳配比。
为了解决燃烧过程中出现的这种问题，产生了3种处理空燃关系的交叉限幅法:
1）单交叉限幅法;2）双交叉限幅法;3）改进型双交叉限幅法。
这三种方法有效地使空燃比达到预期的目的。
综上所述，目前国内外对于退火炉的研究主要集中在大型企业的大型设备上，这些设备控制回路多，控制节点复杂，正是因为这种特点集散控制系统和现场总线控制有着明显的优势，可以很好的对退火炉群进行有效控制。
利用大系统的操作站和主控站可以较方便对控制对象进行编程控制。
而对于小型系统，为了节约成本，尽量在时间上和需求上达到快速稳定控制，很难采用PLC，DCS等系统进行控制，所以对于小型退火炉的智能控制目前主要采用的还是现场仪表加人工控制。
第二章煤气罩式退火炉
本文我们研究的是煤气罩式退火炉。
退火炉中给钢材加温的燃料为空气和煤气的混合气体，空气煤气混合气体燃烧具有温度较高，能达到工业生产要求温度值，且其来源广泛较容易提取。
在自动化水平高度发达的今天，退火炉系统已经被控制领域所涵盖。
那么，控制系统是怎样控制退火炉的，控制过程是怎样的，控制性能的尤略就是我们研究的问题。
而温度正是控制系统的核心问题，所以控制系统在退火炉中的控制量就是温度参数。
在退火炉中，温度这一参数值一旦超调，系统将无法自动调节控制。
所以，我们的工作重心就是研究如何把超调量控制在最小的范围以内，如果条件允许，希望消除超调量，把超调量控制在我们希望的范围以内。
传统的控制领域应用PID自动调节，PID控制器得到了广泛的应用。
但是，其控制范围很小，对于带有特殊性质的被控对象，PID控制器显然已经达不到人们所希望的标准。
针对像退火炉这种大之后的对象，PID调节不能使其达到预想的目的[2]。
之后，本文将介绍一种针对大滞后控制对象的算法——大林控制算法。
大林控制器在针对具有纯滞后、大延迟的被控对象具有良好的控制效果，采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能，可做到零超调小稳态误差。
控制效果比较理想。
大林控制器已经在工程中得到了广泛的应用。
2.1煤气罩式退火炉结构
煤气罩式退火炉的结构分为内罩，外罩。
外罩使整个炉结构与外部隔离，内罩和外罩之间的空间用来投放煤气和空气混合气体燃烧。
内罩用来使工质与燃烧气体隔离，内罩内部充入钢制保护气体，使钢制不会因为加热而氧化。
此外，空气阀门和煤气阀门与外罩相连，向罩内投放燃烧气体。
保护气阀门与内罩相连，像内罩内部投放保护气体燃烧在内罩与外罩之间进行。
煤气和空气混合气体经过混合由喷嘴放出，喷嘴镶嵌在外罩内壁上，分为上下两层一共12个。
每层6个环绕内罩交替排列。
煤气和空气的燃烧比由两个蝶阀控制，蝶阀的开合程度可以调节空气和煤气的混合比值。
在给内罩加热时，其混合气体成分比保持定值不变。
退火炉所测量的温度值为内罩内部保护气体的温度。
原因是退火炉内部无法直接对工质进行测量温度，而工质在保护性气体内部，所以测量保护性气体温度数值来近似认为是工质温度。
煤气和空气阀门均采用碟阀，蝶阀的开关由一台电动的执行机构通过连杆共同带动，自动调节其开度。
整个退火炉控制系统是以碟阀开度（对应于煤气输入量）为输入，以保护气体温度为输出（近似值）的单输出单输入的温度控制系统。
退火炉工艺一般分为快速升温、升温，保温，降温四个阶段。
升温过程按一定的工艺曲线升高温度，保温则要求温度在该时间段内保持恒温，降温段为自由降温。
其中升温段和保温段要求的温度控制精度小于
士10℃。
罩式退火炉结构图如图2-1所示：
图2-1罩式退火炉结构图
2.2煤气罩式退火炉各个温度阶段特点
罩式退火炉温度段分为快速升温阶段，升温阶段，保温阶段以及自由降温阶段。
T1阶段为退火炉快速升温阶段。
在这个阶段，空气阀门和煤气阀门开度为最大。
希望系统在最短的时间内使外罩内部的温度达到预想值（400摄氏度）。
空气与煤气混合气体在外罩内部混合燃烧，且两种气体自由进入外罩内部。
T2阶段为平稳升温阶段。
在这个阶段内，温度按一定的速度增加到700摄氏度，利用大林算法控制器升温速度。
T3阶段为保温阶段，在此阶段温度保持在700摄氏度不变。
T4阶段为系统降温。
在此阶段系统停止工作，自然降温，炉内停火。
温度变化曲线如图2-2所示：
T1：
快速升温。
空气阀门与煤气阀门开度最大，退火炉以最快速度升温至400摄氏度。
T2：
升温。
控制算法输出来控制阀门开度，使温度按一定的速度上升（45~75）摄氏度/小时
T3：
保温。
控制算法输出来控制阀门开度是温度保持在稳定值。
T4：
自由降温。
系统停止，自然冷却。
图2-2罩式退火炉温度变化曲线
2.3煤气罩式退火炉的建模
2.3.1系统动态特性分析
对与任何一个自动控制系统来说，它是由被控对象和控制系统组成的。
被控对象和控制器是组成复杂的系统中最基本的元素。
如果要对退火炉进行建模，必须了解被控对象和控制设备的动态特性，对被控对象的动态分析，被控对象的动态特性的了解，实际上就是建立其数学模型，用数学模型来表达其动态特性是自动控制理论研究问题的基础。
针对退火炉的动态特性，首先应该先了解自动控制系统的一些基本知识。
下文介绍了控制系统中经常出现的基本环节。
2.3.2惯性环节自动控制系统
自动控制系统中对象传递函数经常包含有惯性环节。
所谓惯性环节：
是当输入X（t）为单位阶跃信号时输出Y（t）不能立刻响应输入信号达到稳态值，而是瞬态输出以指数规律变化形式，经过一段时间过渡后达到稳态输出。
一阶惯性环节的动态方程可表示成：
（2-1）
其中T为对象时间常数；K为系统放大系数
上式两侧同时取拉氏变换可得出关系式：
（2-2）
所以，其惯性环节的传递函数可表示成：
（2-3）
其传递函数方框图如图2-3所示：
图2-4传递函数方框图
当T无限的趋近于零时惯性环节实际上就变成了比例环节：
（2-4）2.3.3纯滞后环节
在自动控制系统中，存在一种常见的对象环节——纯滞后环节。
纯滞后环节的的特点是：
输出是输入的完整复现，只是信号在传递过程中延时了一段时间[3]。
设其输出为
输入为
用
来表示延时系统中函数关系，
为纯延时时间。
上式取拉氏变换后可得出函数：
（2-5）
所以纯滞后环节的传递函数可表示成：
（2-6）
其传递函数方框图为：
图2-4纯滞后环节框图
对于一阶纯滞后惯性环节微分方程可用数学关系表示为：
（2-7）
上式取拉氏变换后得出函数：
（2-8）
又如，一阶纯滞后惯性环节微分方程可表示成：
（2-9）
取拉氏变换后得出函数：
（2-10）
上述可以得出相同的传递函数：
（2-11）
上式中T为一阶惯性环节时间常数，K为放大系数，
为滞后时间。
2.4被控对象建模
被控对象的动态特性通常可以通过两种不同的方式来研究，即理论建模和实验建模。
实验建模是先要先根据以往做过的实验得出的数据，在不断试验中积累的经验或试验中得出的数据进行分析，然后确定出初步的对象模型的结构，再由反复试验得出数据与理论数值相比较后确定我们所希望得到的参数。
这种方法是从实验中得出大量数据经过分析推导反复试验得出的数学模型[4]。
而理论建模则是根据最基本的物理、化学基本定律结合工艺参数在一定的假设条件下，推导出被控对象的数学模型。
这种方法一般用来研究新型的、未知的系统的动态特性的数学模型。
而在实际的工程应用中许多被控对象都是由复杂的设备构成，以至于他们的数学模型都很复杂。
在这种情况下，建立数学模型采用理论建模的方法相当困难，描述其动态特性需要用相当复杂的数学模型。
因此，在工程上被控对象的数学模型是通过借助于实验建模的方法来获得的。
经过反复的实验证明，对于许多复杂的生产过程，用实验建模来近似的描述动态特性的数学模型完全能够设计出满意的控制系统。
通常，研究系统动态特性是要在得出的响应曲线上研究的。
而系统的出响应曲线必须要有输入信号。
在自动控制理论中有两种信号最常见：
一种是阶跃信号，另一种是矩形方波信号[5]。
阶跃信号是最简单、研究问题最方便的一种信号。
也是最常见的输入信号，且容易被理解。
所以，在罩式退火炉的研究中，我们用阶跃信号来测定响应曲线。
当给对象输入阶跃信号时，所对应的输出信号随时间变化曲线称为阶跃响应曲线（或称飞升曲线），飞升曲线能够非常直观地反映被控对象的动态性能指标，被控对象参数可以在阶跃响应曲线上选取并记录下
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