轧钢加热炉的炉温控制系统设计(附件)【字数：16356】
摘 要摘 要现行的轧钢加热炉炉温控制方法主要是传统PID控制方法，但这种控制方法一般都会存在超调并且超调时间较长等问题。针对以上PID控制方法的缺点，本论文设计了一种基于模糊逻辑参数整定的加热炉炉温仿人智能控制方法，并且运用MATLAB仿真软件进行了仿真。本论文具体工作内容包括以下几个方面1、选取使用较为广泛的步进式连续加热炉为目标加热炉，分析了步进式连续加热炉的炉体结构、工作过程和它的相对优势，对步进式连续加热炉的燃烧控制系统进行了简单的介绍。 2、分析了仿人智能控制的算法特性和原型算法，基于仿人智能控制的原型算法设计了仿人智能控制器。 阐述了模糊控制的相关概念、基本思想和设计方法，确定了模糊控制的输入输出，制定了模糊逻辑规则表，进行了模糊控制器的设计。3、确定了加热炉的数学模型，计算了相关参数，利用MATLAB仿真平台进行了仿真并得出了仿真波形图，结果显示本论文提出的基于模糊逻辑参数整定的加热炉炉温仿人智能控制设计方案比传统PID控制方案超调小，调节时间短。 关键词步进式连续加热炉；模糊逻辑参数整定；仿人智能控制；炉温控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1 轧钢加热炉控制系统的研究意义 1
1.2 轧钢加热炉的国内外发展现状 2
1.2.1国外发展现状 2
1.2.2国内发展现状 3
1.3 本文主要内容 3
第二章 步进式连续加热炉 5
2.1 步进式加热炉的炉体结构 5
2.2 步进式连续加热炉的工作过程 6
2.3 步进式连续加热炉的相对优势 6
2.4 加热炉的燃烧控制系统 7
2.4.1炉温控制和燃气空气流量控制 7
2.4.2空燃比控制与残氧量控制 7
2.4.3炉内压力控制 9
第三章 仿人智能控制 10
3.1 仿人智能控制的简要说明 10
3.2 仿人智能控制的基本概念 10
3.2.1特征模型和特征辨识 10
3.2.2特征记忆 11
3.2.3多控制模态集合与启发以及直觉推理规则 12
3.3 仿人智能控制的原型算法分析 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.3 仿人智能控制器的设计 13
第四章 模糊控制 16
4.1 模糊控制的基本思想 16
4.2 模糊控制器的相关构成以及工作过程 16
4.3 模糊控制的设计方法 17
4.4 模糊控制器的设计 18
第五章 仿真实验结果及分析 22
5.1 确定加热炉的数学模型 22
5.2 计算相关参数 22
5.3 MATLAB仿真及结果分析 23
总结与展望 28
致谢 29
参考文献 30
附录 32
附录1：计算 32
附录2：计算 32
附录3：模糊控制器的设计 33
附录4：仿人智能控制器的设计 34
第一章 绪论
目前在我国钢铁冶金行业中，能源问题日趋严峻，轧钢企业面临着越来越激烈的市场竞争。在轧钢企业中加热炉是十分重要的设备，对于加热炉的控制好坏直接关系到钢材的产量和质量、能源的利用效率、污染气体的生成量以及轧机的使用寿命，一个优良的加热炉控制系统对杜绝粘钢现象、降低钢坯损坏率、节约能源、减少环境污染、提高轧机寿命等方面都具有重要意义[1]。
所以，在钢铁冶金行业竞争日益激烈的今天，设计和完善加热炉的控制系统具有重要的现实意义和应用价值。
1.1 轧钢加热炉控制系统的研究意义
在钢材的生产加工过程中，加热炉的作用是对钢坯进行加热，提高钢坯的塑性从而让钢坯更加容易变形，使后面的轧钢过程顺利进行，加热后钢坯的温度和温度的均匀程度会影响后续轧钢的质量[2]。在钢坯加工过程中，加热炉也是能源消耗比较多的一个工艺流程。一个性能良好的加热炉控制系统不仅能提高钢材成品的质量，同时也会节省能源。
在现实的生产过程中，对于加热炉控制系统的设计和优化具有以下几点实际意义：
1、提高生产效率
加热炉具有不稳定的动态特性和多样的工艺流程，而人为的操作存在许多不确定性，会影响产品的质量和生产效率，而在控制系统的控制之下，自动化程度比较高，会降低人为因素对产品质量的影响，生产效率也会更高。优良的炉温控制系统可以保证钢坯的温度保持在一个相对稳定的状态，可以提高钢材质量，减少残次品，提高生产效率。此外，对加热炉生产过程的控制和工艺管理的自动控制的优化不仅可以缩短生产时间，还可以提高钢材的产量和质量，进一步增加企业的效益。
2、使生产环境更加安全
在加热炉加热这个工艺阶段，因为大量使用到了高炉和转炉煤气，生产过程中会存在一定的安全隐患。工作过程中不仅工作人员可能受到高温、有毒气体等危害，而且机械设备也会存在一定的问题和安全隐患。一套自动化程度较高的控制系统可以减少人工操作的工作量，可以降低人工的安全隐患；同时，控制系统的自我检测功能也可以保证设备的正常运行。
3、节能减排，保护环境
对于加热炉控制的提升，可以提高燃料的利用率，减少燃料使用量。相关研究表明，合理的燃烧控制与人工操作相比，可以将燃料不完全燃烧产生的热损失由5%15%降到低于1%，将空气过剩系数由1.31.6降低至1.11.3之间，将排出烟气带来的热损失降低12%18%，将燃料的损耗降低4.8%11.2%[3]。此外，通过控制系统对空燃比进行合理调节，可以减少过氧燃烧生成的有害气体以及欠氧燃烧产生的黑烟，从而减少对空气的污染。
1.2 轧钢加热炉的国内外发展现状
对于加热炉控制系统的研究，欧美一些国家起步较早，已经取得不错的进展并将部分技术用于实际。而我国对于加热炉控制系统的研究相对来说起步较晚，研究相对来说还处于比较落后阶段。
1.2.1国外发展现状
由于计算机和智能控制技术的飞速发展, 微机开始被越来越多的使用于工业加热炉的控制系统。一些欧美国家比如美国、俄罗斯开展炉温控制系统比较早并且取得了不错的研究成果。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 轧钢加热炉控制系统的研究意义 1
1.2 轧钢加热炉的国内外发展现状 2
1.2.1国外发展现状 2
1.2.2国内发展现状 3
1.3 本文主要内容 3
第二章 步进式连续加热炉 5
2.1 步进式加热炉的炉体结构 5
2.2 步进式连续加热炉的工作过程 6
2.3 步进式连续加热炉的相对优势 6
2.4 加热炉的燃烧控制系统 7
2.4.1炉温控制和燃气空气流量控制 7
2.4.2空燃比控制与残氧量控制 7
2.4.3炉内压力控制 9
第三章 仿人智能控制 10
3.1 仿人智能控制的简要说明 10
3.2 仿人智能控制的基本概念 10
3.2.1特征模型和特征辨识 10
3.2.2特征记忆 11
3.2.3多控制模态集合与启发以及直觉推理规则 12
3.3 仿人智能控制的原型算法分析 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3.3 仿人智能控制器的设计 13
第四章 模糊控制 16
4.1 模糊控制的基本思想 16
4.2 模糊控制器的相关构成以及工作过程 16
4.3 模糊控制的设计方法 17
4.4 模糊控制器的设计 18
第五章 仿真实验结果及分析 22
5.1 确定加热炉的数学模型 22
5.2 计算相关参数 22
5.3 MATLAB仿真及结果分析 23
总结与展望 28
致谢 29
参考文献 30
附录 32
附录1：计算 32
附录2：计算 32
附录3：模糊控制器的设计 33
附录4：仿人智能控制器的设计 34
第一章 绪论
目前在我国钢铁冶金行业中，能源问题日趋严峻，轧钢企业面临着越来越激烈的市场竞争。在轧钢企业中加热炉是十分重要的设备，对于加热炉的控制好坏直接关系到钢材的产量和质量、能源的利用效率、污染气体的生成量以及轧机的使用寿命，一个优良的加热炉控制系统对杜绝粘钢现象、降低钢坯损坏率、节约能源、减少环境污染、提高轧机寿命等方面都具有重要意义[1]。
所以，在钢铁冶金行业竞争日益激烈的今天，设计和完善加热炉的控制系统具有重要的现实意义和应用价值。
1.1 轧钢加热炉控制系统的研究意义
在钢材的生产加工过程中，加热炉的作用是对钢坯进行加热，提高钢坯的塑性从而让钢坯更加容易变形，使后面的轧钢过程顺利进行，加热后钢坯的温度和温度的均匀程度会影响后续轧钢的质量[2]。在钢坯加工过程中，加热炉也是能源消耗比较多的一个工艺流程。一个性能良好的加热炉控制系统不仅能提高钢材成品的质量，同时也会节省能源。
在现实的生产过程中，对于加热炉控制系统的设计和优化具有以下几点实际意义：
1、提高生产效率
加热炉具有不稳定的动态特性和多样的工艺流程，而人为的操作存在许多不确定性，会影响产品的质量和生产效率，而在控制系统的控制之下，自动化程度比较高，会降低人为因素对产品质量的影响，生产效率也会更高。优良的炉温控制系统可以保证钢坯的温度保持在一个相对稳定的状态，可以提高钢材质量，减少残次品，提高生产效率。此外，对加热炉生产过程的控制和工艺管理的自动控制的优化不仅可以缩短生产时间，还可以提高钢材的产量和质量，进一步增加企业的效益。
2、使生产环境更加安全
在加热炉加热这个工艺阶段，因为大量使用到了高炉和转炉煤气，生产过程中会存在一定的安全隐患。工作过程中不仅工作人员可能受到高温、有毒气体等危害，而且机械设备也会存在一定的问题和安全隐患。一套自动化程度较高的控制系统可以减少人工操作的工作量，可以降低人工的安全隐患；同时，控制系统的自我检测功能也可以保证设备的正常运行。
3、节能减排，保护环境
对于加热炉控制的提升，可以提高燃料的利用率，减少燃料使用量。相关研究表明，合理的燃烧控制与人工操作相比，可以将燃料不完全燃烧产生的热损失由5%15%降到低于1%，将空气过剩系数由1.31.6降低至1.11.3之间，将排出烟气带来的热损失降低12%18%，将燃料的损耗降低4.8%11.2%[3]。此外，通过控制系统对空燃比进行合理调节，可以减少过氧燃烧生成的有害气体以及欠氧燃烧产生的黑烟，从而减少对空气的污染。
1.2 轧钢加热炉的国内外发展现状
对于加热炉控制系统的研究，欧美一些国家起步较早，已经取得不错的进展并将部分技术用于实际。而我国对于加热炉控制系统的研究相对来说起步较晚，研究相对来说还处于比较落后阶段。
1.2.1国外发展现状
由于计算机和智能控制技术的飞速发展, 微机开始被越来越多的使用于工业加热炉的控制系统。一些欧美国家比如美国、俄罗斯开展炉温控制系统比较早并且取得了不错的研究成果。
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