CN101727072B - 基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，是以模糊数学为基础的变频风机智能控制系统，依赖以循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气体压力为输入的模糊推理模块输出的动态控制分量，经过模糊控制分量加权综合后，针对实际工况的不断变化调整循环风机速度，达到最优的循环效果；在200℃左右的铜带低温退火工艺情况下，依赖循环风机的旋转摩擦产生的热量以PID的温控方式，实现低温退火工艺中保温温度的精确控制。与传统控制方式比较，模糊控制的保温时间缩短1-3小时，冷却时间缩短1-2小时，模糊控制的吨产品能耗降低10-30％，温控精度为±2℃，模糊控制HBV值±2度，而传统控制HBV值±7度。

Description

基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于模糊控制的节能型铜带光亮退火的控制方法，采用模糊数学为基础的变频风机智能控制系统，依赖以循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气体压力为输入的模糊推理模块输出的动态控制分量，经过模糊控制分量加权综合后，针对实际工况的不断变化，自动有针对性地调整循环风机速度，达到最优的循环效果。

背景技术

铜带光亮退火炉的基本任务是保证铜带按照预定的温度变化曲线进行退火，并通过循环风机的热搅拌作用，加速铜带的热传递效果，有效保证退火区铜带上中下、里中外区域温度均匀，以获得具有性能均匀稳定的产品。在此过程中，铜带必须是处于无氧的气氛环境中，防止铜带表面被氧化而形成金属氧化物影响产品质量。气氛成份一般为氢气和氮气以不同比例混合的气体，氢气在此过程中起到了隔离氧气、保护铜带、循环热量和对金属氧化物还原的作用。

传统的铜带光亮退火炉循环风机控制方式中，一般采用高低速两个速度固定档位的循环风机，高速为1500rpm(四极)，低速为750rpm(八极)。具体的控制方式大体如下：铜带温度在约150℃以下循环风机低速运行(750rpm)，铜带温度在约150℃以上循环风机高速运行(1500rpm)。铜带在退火过程中，随着铜带实时温度的上升循环风机阻力呈下降趋势，循环风机适宜运行的速度也可以同步呈上升趋势，在铜带退火的工艺要求下，氢气和氮气按一定比例形成混合气体，混合气体中氢气的比例高则循环风机的阻力小，反之，混合气体中氮气的比例高则循环风机的阻力大，循环风机可以依据混合气体的密度情况对应不同的适宜转速；另外，气氛压力的变化、铜带装料方式的不同等因素也会造成循环风机的阻力发生变化，根据这些影响循环风机阻力变化的因素，循环风机可以实时以不同的适宜转速运行。但循环风机只有两个速度档位，不能实时在线调整风机的运行速度，不能最优地达到提高热交换效率、节约能源和提高产品品质的目的。

模糊控制方法在非线性、大干扰、数学模糊未知的系统中得到了飞速的发展，研究的对象大多是没有明确界限的模糊事物，模糊控制不仅仅是一种简单的控制方法，已成为一种重要的计算方法，它可以用一些简单的线性函数逼近复杂的非线性曲面。考虑到铜带退火工艺流程以及退火炉结构，在基于模糊控制方法的循环风机控制技术中，目前所采用的控制器均为基本的二维模糊控制器，对炉内不同监测点进行温度测量，再对炉内整体温度均匀性进行综合分析评估，然而由于在炉内采集温度的局限性，且控制清晰化规则完全来源于现场的运行经验参数，多点温度测量对于炉温监控长期运行的控制精度不够，偏差较大，控制效果不明显。

发明内容

为了克服传统的循环风机控制方式和存在的不足，本发明提供一种基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，是采用对退火炉在退火过程的多种变量进行采集分析，并应用新型模糊控制方法对数据进行处理，实现对循环风机的动态控制，达到提高热交换效率和铜带材料的温度均匀性，最终实现节约能源和提高产品品质的目的。

实现所述目的，本发明的一种基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，是通过电流变送器、温度传感器、压力变送器测量铜带光亮退火装置中的循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气氛压力影响铜带循环效果的变量，通过模拟量模块读取以上变量为步骤(1)，在步骤(1)的基础上还包括以下步骤：

(2)选择模糊语言和模糊控制规则，对循环风机电流偏差e₁及循环风机电流偏差变化率ec₁进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₁，该二维模糊控制器FC₁输出为频率动态控制分量Δu₁；对内罩温度偏差e₂及内罩温度偏差变化率ec₂进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₂，该二维模糊控制器FC₂输出为频率动态控制分量Δu₂；对外罩温度偏差e₃及外罩温度偏差变化率ec₃进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₃，该二维模糊控制器FC₃输出为频率动态控制分量Δu₃；对气氛压力偏差e₄及气氛压力偏差变化率ec₄进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₄，该二维模糊控制器FC₄输出为频率动态控制分量Δu₄；

(3)建立模糊控制分量加权综合模块，并与二维模糊控制器FC₁、FC₂、FC₃、FC₄一起构成循环风机速度模糊控制器，通过二维模糊控制器FC₁、FC₂、FC₃、FC₄输出的一组频率动态控制分量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄进行加权综合，产生频率动态综合控制量ΔU；

(4)将频率动态综合控制量ΔU、起步给定Ug、手动调整Us通过简单数学叠加作为变频循环风机调节器PID的频率给定U(z)，通过变频循环风机调节器PID调节控制变频风机速度。

该控制方法步骤(2)所述的二维模糊控制器FC_k(k＝1，2，3，4)实时测量铜带光亮退火炉循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气体压力，其偏差e_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集E_k(k＝1，2，3，4)，偏差变化率ec_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集EC_k(k＝1，2，3，4)，频率控制分量Δu_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集ΔU_k(k＝1，2，3，4)分别取为：

E_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

EC_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

ΔU_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

二维模糊控制器FC_k(k＝1，2，3，4)的模糊规则如下表所示：

二维模糊控制器FC_k(k＝1，2，3，4)输出的频率动态控制分量ΔU_k(k＝1，2，3，4)，按照最大隶属度原则确定。

本控制方法步骤(3)所述的频率动态综合控制量ΔU为对各个频率动态控制分量加权后的的综合值，及对Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄进行加权综合，计算加权综合的数学公式表达为：

$\mathrm{\ΔU}=\underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{\mathrm{\Δu}}_k;$

其中权值Δw_k由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=a,w_2=b,w_3=c,w_4=d;\\ \underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k=1\end{array}\right.$

其中a，b，c，d为常数，是由铜带光亮退火装置的工艺流程及现场操作的实际经验得出的，分别取a＝0.7；b＝0.25；c＝0.02；d＝0.03。

本控制方法步骤(4)所述的起步给定Ug是变频循环风机最低要求的循环速度；所述手动调整Us为操作工手动干预的频率附加给定量；变频循环风机调节器PID的频率给定U(z)是由频率动态综合控制量ΔU、起步给定Ug、手动调整Us叠加而成，其计算方法为：

U(z)＝Ug+Us+ΔU。

本发明是在基于模糊控制的节能型铜带光亮退火炉中，综合考虑了铜带光亮退火过程中电流、内罩温度、外罩温度和气氛压力因素对炉温的影响，在循环风机调整中采用计算机全程记录九个测温点的方式考证温度的均匀性和变化趋势，通过对应的模糊推理输出对应动态控制分量，经过模糊控制分量加权综合后形成变频循环风机的控制信息流，调整循环风机的输入频率，保证在任何工况下全过程最优化的循环风机控制效果，从而对炉内温度的均匀性、准确性和快速性进行调控，达到提高热交换效率、节约能源和提高产品品质的目的；采用变频风机在启动及加减速过程中比较平缓，启动电流小，对电网冲击小，各种保护功能齐全，自动化程度高，尤其在低温退火时，将变频风机的摩擦发热机能作为加热机构实现保温阶段的温度精确控制，其炉温均匀性、温控精度、产品性能均匀效果更为明显；与传统的控制方式比较，模糊控制的保温时间缩短1-3小时，冷却时间缩短1-2小时，模糊控制控制的吨产品能耗降低10-30％，温控精度为±2℃，强度散差≤5Mpa，晶粒度散差≤0.005mm，HBV值≤±2度。

附图说明

图1为本发明的控制流程图。

图1中，循环风机电流模糊控制器FC₁；内罩温度模糊控制器FC₂；外罩温度模糊控制器FC₃；气氛压力模糊控制器FC₄；

PID调节器的频率给定U(z)；起步给定Ug；手动调整Us；频率动态综合控制量ΔU；

循环风机电流频率动态控制分量Δu₁；内罩温度频率动态控制分量Δu₂；外罩温度频率动态控制分量Δu₃；气氛压力频率动态控制分量Δu₄；

循环风机电流偏差e₁；内罩温度偏差e₂；外罩温度偏差e₃；气氛压力偏差e₄；

循环风机电流偏差变化率ec₁；内罩温度偏差变化率ec₂；外罩温度偏差变化率ec₃；气氛压力偏差变化率ec₄。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

(1)变量信号采集

是通过电流变送器、温度传感器、压力变送器测量铜带光亮退火装置中的循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气氛压力影响铜带循环效果的变量，然后与理想值进行比较得出变量的偏差信号e_i，理想值可以根据用户的生产实际要求以及考虑了设备相应的硬件特点后再进行调整，以达到正确反映实际值与理想值的偏差和能够正确引导设备准确高效运行的目的。

初步产生的偏差信号e_i具有时变性和无规律性，为了反映生产设备完备的运转情况，除了考虑偏差以外，还需要考虑偏差信号的变化率ec_i，因此，偏差信号的预处理包括有对偏差信号的求导环节，在把ec_i和e_i送模糊控制表之前，需要分别经过量化后才能被查询，起量化作用的叫做量化因子K1和K2，如果增大K1、K2，可以提高系统对误差及其变化的分辨率，使控制精度提高，但K1、K2太大不利于系统的稳定性，因此K1和K2的选取常常由实际经验决定，可以依据具体情况和具体要求进行适当的修改。量化后的偏差和偏差变化率为E_i和Ec_i。

(2)选择模糊语言和模糊控制规则

模糊控制表是运用推理合成规则通过计算机离线计算，再经过反复调试、人工修正后才得到的，因此具有很强的经验性、实践性和可修改性。可以以E_i和Ec_i作为二维变量查询对应的ΔU_i模糊控制量。因此实际上是一个二维输入、单输出的二维模糊控制器，由于反馈变量有四个，所以此处的模糊控制表也相应的有四个，这里只对电机电流的变化进行分析，限于篇幅其他三个不再详细介绍。下面是电机电流为输出的的模糊控制器对应的Δu₁模糊控制表如下：

将控制器输入量经过量化处理得到的值；查询模块建立输入量偏差、输入量偏差变化率与调节器控制量之间关系的模糊控制查询表；算法模块检测控制器输入量，如其值与查询表内输入量参数一致，则直接从查询表中取对应的模糊控制量；否则取其邻近的4个输入量(E_i，Ec_i)(E_i，Ec_i+1)(E_i+1，Ec_i)(E_i+1，Ec_i+1)作为该输入点的二维模糊集束，分别计算该输入点与该二维模糊集束中间的4点相对于该模糊集束的相对相似度，根据邻近4点的模糊控制量以及对应的相对相似度确定插值获得该输入点的模糊控制量；根据模糊控制量确定控制器的精确控制量输入控制执行模块。这种算法计算复杂并难于实施，在本发明中，为了在实际工程中便于实施，对其邻近的4个输入量(E_i，Ec_i)(E_i，Ec_i+1)(E_i+1，Ec_i)(E_i+1，E_ci+1)的模糊控制分量简单取平均，即Δu_j＝(Δu_i，I+Δu_i，i+1+Δu_i+1，i+Δu_i+1，i+1)/4。

(3)模糊控制分量的加权综合模块

主要完成对电机电流、内罩温度、外罩温度和气氛压力的综合计算，通过Ec_i和E_i查询模糊控制表得到的模糊控制量分别反映了各个变量的动态变化情况，这些模糊量需要经过加权综合才能得出循环风机变频器需要的给定频率的增量。具体加权的数学表达式如下：

$\mathrm{\ΔU}=\underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k{\mathrm{\Δu}}_k$

其中权值Δw_k由退火炉的工艺流程及现场操作的实际经验得出的，可以根据实际要求做适当的调整，由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=a,w_2=b,w_3=c,w_4=d;\\ \underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k=1\end{array}\right.$

其中a，b，c，d为常数，是由退火炉的工艺流程及现场操作的实际经验得出的。在这里分别取a＝0.7；b＝0.25；c＝0.02；d＝0.03；可以根据实际要求做适当的调整。

(4)将频率动态综合控制量ΔU、起步给定Ug、手动调整Us通过简单数学叠加作为变频循环风机调节器PID的频率给定U(z)，通过变频循环风机调节器PID调节控制变频风机速度。

PID的频率总给定是由模糊控制分量加权综合输出、起步给定以及手动调整决定的，其计算方法为：

U(z)＝Ug+Us+ΔU

Claims (4)

1.一种基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，包括通过电流变送器、温度传感器、压力变送器测量铜带光亮退火装置中的循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气体压力影响铜带循环效果的变量，通过模拟量模块读取以上变量为步骤(1)，其特征在于，在步骤(1)的基础上还包括以下步骤：

(2)选择模糊语言和模糊控制规则，对循环风机电流偏差e₁及循环风机电流偏差变化率ec₁进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₁，该二维模糊控制器FC₁输出为频率动态控制分量Δu₁；对内罩温度偏差e₂及内罩温度偏差变化率ec₂进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₂，该二维模糊控制器FC₂输出为频率动态控制分量Δu₂；对外罩温度偏差e₃及外罩温度偏差变化率ec₃进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₃，该二维模糊控制器FC₃输出为频率动态控制分量Δu₃；对气体压力偏差e₄及气体压力偏差变化率ec₄进行模糊化处理，建立对应的二维模糊控制器FC₄，该二维模糊控制器FC₄输出为频率动态控制分量Δu₄；

(3)建立模糊控制分量加权综合模块，并与二维模糊控制器FC₁、FC₂、FC₃、FC₄一起构成循环风机速度模糊控制器，通过二维模糊控制器FC₁、FC₂、FC₃、FC₄输出的一组频率动态控制分量Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄进行加权综合，产生频率动态综合控制量ΔU；

(4)将频率动态综合控制量ΔU、起步给定Ug、手动调整Us通过简单数学叠加作为变频循环风机调节器PID的频率给定U(z)，通过变频循环风机调节器PID调节控制变频风机速度。

2.根据权利1要求所述的基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，其特征在于：步骤(2)所述的二维模糊控制器FC_k(k＝1，2，3，4)实时测量铜带光亮退火炉循环风机电流、内罩温度、外罩温度、气体压力，其偏差e_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集E_k(k＝1，2，3，4)，偏差变化率ec_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集EC_k(k＝1，2，3，4)，频率控制分量Δu_k(k＝1，2，3，4)的模糊子集ΔU_k(k＝1，2，3，4)分别取为：

E_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

EC_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

ΔU_k＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

3.根据权利要求1所述的基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，其特征在于：步骤(3)所述的频率动态综合控制量ΔU为对各个频率动态控制分量加权后的的综合值，及对Δu₁、Δu₂、Δu₃、Δu₄进行加权综合，计算加权综合的数学公式表达为：

$\mathrm{\ΔU}=\underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k\mathrm{\Δ}{u}_k;$

其中权值Δw_k由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1=a,w_2=b,w_3=c,w_4=d;\\ \underset{k=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k=1\end{array}\right.$

其中a，b，c，d为常数，分别取a＝0.7；b＝0.25；c＝0.02；d＝0.03。

4.根据权利要求1所述的基于模糊控制的节能型铜带光亮退火控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的起步给定Ug是变频循环风机最低要求的循环速度；所述手动调整Us为操作工手动干预的频率附加给定量；变频循环风机调节器PID的频率给定U(z)是由频率动态综合控制量ΔU、起步给定Ug、手动调整Us叠加而成，其计算方法为：

U(z)＝Ug+Us+AU。

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