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1、第4期薛美盛等．一種基于模型切換的加熱爐爐溫廣義預測控制器設計方法347一種基于模型切換的加熱爐爐溫廣義預測控制器設計方法薛美盛孟俊劉波楊猛(中國科學技術大學信息科學技術學院)摘要為改善加熱爐爐溫控制自動化程度低、控制品質差的問題，并兼顧加熱爐對象強非線性的特點，設計了一種多層次多模型廣義預測控制器。給出了該控制器的設計方法和參數。仿真結果和投運效果表明：該方案實施后，系統(tǒng)的響應速度加快，超調量減少，加熱爐爐溫的控制品質明顯改善。關鍵詞廣義預測控制．加熱爐多模型中圖分類號TH865文獻標識碼B文章編號1000．3932(2017)04-0347
2、-05加熱爐是軋鋼生產的重要設備，能耗巨大，通常占整個軋鋼廠生產總能耗的一半以上?。加熱爐的穩(wěn)定、經濟運行對軋鋼廠降低生產成本和實現(xiàn)節(jié)能減排目標意義重大。我國加熱爐普遍存在排煙溫度高和熱效率低的缺點，具有較大的節(jié)能改造潛力舊。。加熱爐是一個具有大慣性、強耦合、時變性和非線性的復雜系統(tǒng)，爐內工況復雜多變，采用常規(guī)控制策略難以達到滿意的控制效果。為了實現(xiàn)加熱爐爐溫的有效控制，有研究者使用加熱爐系統(tǒng)運行歷史數據提取模糊規(guī)則表，設計加熱爐爐溫模糊控制器以解決加熱爐系統(tǒng)建模困難和難以有效控制的問題∞一1。預測控制算法具有工程背景強、設計簡單及魯棒性強等特
3、點，在過程控制領域得到了廣泛使用，將廣義預測控制算法運用到加熱爐爐溫控制器的設計中，在爐內工況小范圍變化時取得了良好的控制效果。6。。為了克服被控對象的強非線性特點，將整個工作區(qū)間劃分為不同的層次，然后構造不同層次的子模型，再設計相應的控制器，得到被控對象的多層次多模型oL8
4、。多模型控制策略在電廠主蒸汽溫度和球磨機負荷控制方面已有實際的應用，并且取得了良好的控制效果舊““。為改善加熱爐爐溫控制自動化程度低、控制品質差的問題，并兼顧加熱爐對象強非線性的特點，筆者設計了一種多層次多模型廣義預測控制器(GeneralizedPredictiveCo
5、n．trol，GPC)。1加熱爐概況筆者選擇的研究對象為唐山某鋼廠蓄熱式加熱爐。鋼坯由加熱爐人鋼口，依次經一加熱段、二加熱段和均熱段加熱升溫，達到目標軋制溫度后由加熱爐出鋼口離開。加熱爐使用上游鋼鐵冶煉過程中產生的高爐煤氣作為燃料，空氣作為助燃氣體，其各段分別配置有獨立的煤氣流量調節(jié)閥和空氣流量調節(jié)閥，可以分別控制各段的煤氣流量和空氣流量。加熱爐生產過程中其--JJn熱段的溫度變化范圍寬、控制難度大，因此筆者主要研究加熱爐的---jJH熱段。軋鋼廠加熱爐原控制系統(tǒng)結構如圖1所示，圖中內環(huán)PID控制器為加熱爐煤氣流量控制器，其設定值為煤氣流量，輸
6、出為閥門開度。外環(huán)PID控制器為加熱爐爐溫控制器，其設定值為加熱爐爐溫，輸出為煤氣流量設定值。由于加熱爐對象本身復雜的動態(tài)特性，采用常規(guī)PID控制器難以達到滿意的控制效果。導致現(xiàn)場的加熱爐大多數情況下實際處于操作員手動操作狀態(tài)，加熱爐爐溫控制效果很不理想。作者簡介：薛美盛(1969一)，副教授，從事工業(yè)自動控制的研究，xuems@ustc．edu．C／l?；ぷ詣踊皟x表第44卷加熱爐爐溫r]蕉趔墨r飛匕]￡I旦蕉劍墨廠l塹鏨
7、_一l墅叁I圖1加熱爐爐溫PID控制系統(tǒng)框圖2加熱爐對象控制器設計與仿真2．1多模型廣義預測控制器設計廣義預測控制是由
8、ClarkeDW等于1987年提出的一種重要的自適應控制算法‘12，”3，它采用受控自回歸積分滑動平均模型來表述被控對象。受控自回歸積分滑動平均模型形式為：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。次多項式，且A(q。1)是首一多項式；q～——后移算子；Y(k)、u(k)、f(
9、i}卜系統(tǒng)的輸出、輸入和白噪聲；△——差分算子，A=1一g～。從而被控系統(tǒng)的數學模型被處理成具有平穩(wěn)隨機干擾噪聲和有積分作用的系統(tǒng)。加熱爐由于經常受到計劃性待軋(正常
10、換輥)、非計劃性待軋(生產線下游軋線發(fā)生斷輥、夾輥等生產事故需要停下維修)和加熱爐入爐鋼坯溫度(熱坯、涼坯)的影響，其運行負荷變化很大，在動態(tài)工況下難以得到較好的有意義的辨識結果。但在各種典型工況下，通過人工對數據篩選處理，可以得到相對滿意的對象模型。廣義預測控制器雖然具有較高的魯棒性，但加熱爐處于加熱爐爐溫不同的工況時，對象模型會發(fā)生較大的變化，這會造成廣義預測控制器模型嚴重失配，降低加熱爐爐溫的控制品質。同時，實驗發(fā)現(xiàn)加熱爐對象在負荷變化超過30％時模型參數相差較大。在系統(tǒng)工況發(fā)生大范圍變化時，若仍以單一模型作為加熱爐預測控制器設計時的預測
11、模型，模型的輸出和加熱爐對象的實際輸出二者結果相差較大，導致對加熱爐爐溫的控制效果較差。為此，以加熱爐流量負荷為考慮設計了如圖2所示的多層次多模型結構
