CN103557534B - 工业炉高精度脉冲燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，包括：采用模糊PID控制器设计炉段加热负荷的理论计算值；根据炉段加热负荷的理论计算值计算烧嘴实际燃烧负荷值及烧嘴实际燃烧循环周期；以及根据烧嘴实际燃烧负荷值及烧嘴实际燃烧循环周期，计算每个烧嘴的燃烧时间，并完成对烧嘴的点火及关闭操作。本发明采用脉冲燃烧控制，提高了传热效率，节能及环保性能好。本发明采用模糊PID控制，具有鲁棒性强和动态品质好的特点，并具有较高的稳态精度，减小系统超调。本发明可以负荷实时调整，炉温调节快速响应，并采用变周期燃烧控制，炉温调节范围广，控制稳定性高。

Description

工业炉高精度脉冲燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法。

背景技术

工业炉是我国的耗能大户，对工业炉的燃烧控制也成为社会和各企业关注的重点之一。因为工业炉的燃烧控制水平不但直接影响工业炉的整体性能，包括温度均匀性、控制灵活性及应用经济性等，影响产品质量，同时它还决定了工业炉的节能水平及其对环境污染的程度。

与常规的空气／燃气流量比例控制方式不同，脉冲控制系统辐射管烧嘴的输出功率不依靠空气／燃气的流量改变，并且在预先设定的最佳空燃比条件下，控制烧嘴的燃烧时间，即通过燃烧的通断时间比来调节。在任何燃烧工况条件下，每个烧嘴的燃气流量与空气流量都是固定值，不随烧嘴输出功率的大小而变化。其突出优点是燃烧充分完全，特别是小功率条件下，节约了燃气消耗；辐射管温度均匀，有利于延长辐射管使用寿命。

目前高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高，对燃烧气氛的稳定可控性要求较高，随着宽断面、大容量的工业炉的出现，脉冲燃烧控制技术应用范围越来越广，随着对产品质量要求的不断提高，对于炉温控制精度的要求也越来越高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，该控制方法采用模糊PID控制，减小系统超调，提高了传热效率，节能及环保性能好。

本发明提供一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：采用模糊PID控制器设计炉段加热负荷的理论计算值；

步骤二：根据炉段加热负荷的理论计算值U(t)计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T；

步骤三：根据烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T，计算每个烧嘴的燃烧时间，并完成对烧嘴的点火及关闭操作。

本发明具有的优点在于：

1、脉冲燃烧控制提高了传热效率，节能及环保性能好。

在脉冲燃烧中，任何情况下烧嘴只有一种工作状态——满负荷工作，保证烧嘴始终工作在最佳的燃烧状态下，因此即便在炉段需求负荷较小时烧嘴燃烧也非常充分，节能效果非常明显，比普通调节系统节能10％。同时，由于脉冲燃烧控制系统内烧嘴的空气燃气比始终在理想状态下，燃气燃烧充分，也有效的减少了氮氧化物的排放，降低了对大气的污染。

2、采用模糊PID控制，减小系统超调。

对于退火炉这样大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象，采用模糊PID控制，具有鲁棒性强和动态品质好的特点，具有较高的稳态精度，减小了调节系统的超调。

3、负荷实时调整，炉温调节快速响应。

在每个扫描周期内，程序自动判断各烧嘴状态及其变化，实时计算炉段需求负荷，实时调整各烧嘴的燃烧时间及燃烧次序，响应周期根据程序扫描周期设定值可达ms级，在实现炉温快速稳定调节的同时，也避免了出现温度振荡的现象，适应于工业炉这样的大惯性大滞后特性场合。

4、变周期燃烧控制，炉温调节范围广，控制稳定性高。

根据烧嘴实际使用情况，采用可变周期调节方式，在满足烧嘴工作工艺的同时，使得在炉段需求负荷较低或较高时，控制系统仍具有较高的稳定性，大大提高了炉温的调节范围。

附图说明

图1：本发明中烧嘴工作原理时序图；

图2：本发明中工业炉高精度脉冲燃烧控制方法的流程图；

图3：本发明中模糊PID控制器的实现结构图；

图4：本发明步骤三中烧嘴输出控制单元的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比(通断比)实现工业炉的温度控制。燃料流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时，自动切换为高供热负荷燃烧，脉冲时间长（烧嘴燃烧时间加长），间断时间减小；需要降温时，采用低供热负荷燃烧，脉冲时间短（烧嘴燃烧时间减小），间断时间加长。

本发明提供的一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，主要由模糊PID控制器、负荷及周期计算单元和输出控制单元三个步骤组成，以实现对工业炉炉温的闭环调节。工业炉是一个较为复杂的被控对象，它具有非线性、时变和分布参数等特征，采用常规PID控制很难得到满意的控制效果，而采用本发明中则能够实现在线调整PID控制器的参数，可以满足在不同工况下对控制系统参数调整的要求。根据输出结果及燃烧系统各烧嘴状态，得到炉段实际负荷及循环周期，计算各烧嘴燃烧时间，并根据炉段负荷的调整实时改变烧嘴燃烧时间，保证炉段实际热效应与炉段需求负荷的实时一致性，从而达到精确控制炉温的目的。

这种控制方法并不调节某个区域内燃料输入的大小，而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是预先给定的，每个烧嘴按照预先给定的开度和热量需求成正比的频率开闭。所有的烧嘴不同时点燃，而是按照一定的时序依次点燃，如图1所示（假设烧嘴循环周期为50s，烧嘴个数为10）。

本发明提供的工业炉高精度脉冲燃烧控制方法的总体实现过程如图2所示，主要由模糊PID控制器的设计过程、负荷及周期计算单元设计和输出控制单元设计3个步骤组成，以实现对工业炉炉温的闭环调节。具体如下：

步骤一：炉温模糊PID控制器设计：

工业炉是一个较为复杂的被控对象，它具有非线性，时变和分布参数等特征。在实际加热过程中，不同材料和批次的工件，装入量和加热温度会有所不同，因此加热炉本身的模型具有很大的不确定性，对于这样一个大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象，采用常规PID控制很难得到满意的控制效果，而采用模糊PID控制器能够实现在线调整PID控制器的控制参数，可以满足在不同工况下对控制系统的控制参数调整的要求。

传统的PID控制器的参数选择很大程度上依赖于操作人员的经验，这些经验不易精确描述，模糊推理是解决这一问题的有效途径。运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集合表示，并把这些模糊控制规则作为知识存入计算机的知识库中，然后根据计算机控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊PID控制器的设计方法，其数学表达式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}U\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\text{\∫e}\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ K_p=K_{p_0}+{\mathrm{\ΔK}}_p\\ K_i=K_{i_0}+{\mathrm{\ΔK}}_i\\ K_d=K_{d_0}+{\mathrm{\ΔK}}_d\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，K_p、K_i、K_d分别为比例系数、积分系数、微分系数，分别为初始设定的比例、积分、微分系数。ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别为由模糊推理得到的比例、积分、微分参数的校正量，e(t)为温度的偏差值，U(t)为模糊PID控制器的输出值，也即炉段加热负荷的理论计算值。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修正，便构成了模糊PID控制器，其结构如图3所示。模糊PID控制器的实现方法如下：

步骤1.1：计算模糊推理输入量

模糊推理以温度偏差e(t)和偏差变化率e_c(t)作为输入。

e(t)=T_SP-T_PV(2)

$e_c\left(t\right)=\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式中，T_SP为炉温控制温度设定值，T_PV为炉温实际测量反馈值，t为时间。

步骤1.2：确定模糊规则

模糊参数调节器是找出模糊PID控制器比例系数、积分系数、微分系数这3个参数，与e(t)和e_c(t)之间的模糊关系，在运行中通过检测e(t)和e_c(t)，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修正，以满足不同e(t)和e_c(t)时对控制参数的不同要求。

根据系统在受控过程中对应不同的e(t)和e_c(t)，将PID控制参数的整定原则归纳如下：

(1)当|e(t)|较大时，为使系统有较快的响应速度，应增大ΔK_p值使得K_p较大；为防止偏差变化率|e_c(t)|瞬时过大，应减小ΔK_d值使得K_d较小，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取合适的ΔK_i值使得K_i=0；

(2)当|e(t)|处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，应减小ΔK_p值使得K_p小些，同时为保证系统的响应速度及稳定性，应取适当的ΔK_i、ΔK_d值使得K_i、K_d大小适中。

(3)当|e(t)|较小时，为使系统具有较好的稳定性能，应取较大的ΔK_p、ΔK_i值使得K_p、K_i值较大，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当选择ΔK_d值使得K_d值合适。ΔK_d的选择根据偏差变化率|e_c(t)|来确定，当|e_c(t)|值较大时，ΔK_d取较小值，当|e_c(t)|值较小时，ΔK_d取较大值，一般情况下ΔK_d为中等大小。

步骤1.3：规则模糊化处理及模糊推理过程

模糊推理是针对模糊量进行的，因此需要对输入量进行模糊化处理。在所设计的模糊推理中，输入、输出变量的模糊子集定义为7个语言值：[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(0)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)]，定义温度偏差e(t)和偏差变化率e_c(t)在模糊集上的论域分别为e(t)：{-40，-20，-10，0，10，20，40}，e_c(t)：{-5，-3，-1，0，1，3，5}，其模糊子集为e(t)、e_c(t){NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，将比例系数ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d定义为模糊集上的论域，ΔK_p={-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，ΔK_i={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，ΔK_d={-3，-2，-1，0，1，2，3}。

模糊控制规则如表1所示，其中每一个单元格中的三个参数分别对应的是ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。如第一行第一列的单元格PB/NB/NB，表示含义为ΔK_p对应PB，ΔK_i对应NB，ΔK_d对应NB，这样是合在一个表里的，否则要用三个表来表示对应关系。

表1模糊控制规则表

模糊推理方法采用的是Mamdani方法，根据Mamdani推理方法，R_C=A×B×C,式中A为温度偏差e(t)的模糊化集合，B为偏差变化率e_c(t)的模糊化集合，C为ΔK_p的模糊化集合，R_C为相应模糊控制规则（如表1所示）。由此可得，C=(A′×B′)×R_C。由模糊推理得到的结果为模糊PID控制器的比例系数K_p的校正量ΔK_p模糊集合，同理可得到K_i、K_d的校正量ΔK_i、ΔK_d的模糊集合。

步骤1.4：解模糊过程

解模糊过程采用平均最大隶属度法，模糊推理后得到ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d三个参数是在模糊论域上的，把模糊论域上参数转化为真实论域上的控制参数，就是取模糊集合中具有最大隶属度的点的平均值作为解模糊化过程的结果，即为真实论域上的控制参数。

然后再将得到的具体校正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d带入式（1），就实现了PID控制器参数的在线调整。

步骤1.5：模糊PID控制器的计算输出

根据炉温偏差值e(t)及步骤1.4中经过解模糊过程修正后的K_p、K_i、K_d值，经式（1）中PID计算，得到模糊PID控制器的输出值作为炉段加热负荷的理论计算值U(t)（范围0-100%）。

步骤二：计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T

在脉冲燃烧控制中，炉段加热负荷的理论计算值U(t)被分配到各个烧嘴，随后转换成循环周期内相应的烧嘴燃烧时间，通过调整一个控制区域周期内所有烧嘴的燃烧时间，进行炉段负荷的调节。当炉段需要加温时，模糊PID控制器的输出值即炉段加热负荷的理论计算值U(t)增大，在单位周期内烧嘴的燃烧时间占空比增大；当炉段需要降温时，U(t)减小，在单位周期内烧嘴的燃烧时间占空比减小。对于单个辐射管而言，只要工作，就是全功率工作，不进行燃烧气体流量调节。

步骤2.1：计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)

炉段加热负荷的理论计算值为炉段内正常烧嘴分担负荷值的总和。在实际生产过程中，会出现烧嘴故障情况，在此情况下，炉段中实际参与燃烧循环的烧嘴个数减少，炉段所能提供的实际最大加热负荷小于炉段的额定加热负荷，因此在相同的炉段需求负荷下，与烧嘴全部正常情况相比，当有烧嘴出现故障时，需要增大正常烧嘴在循环周期内的燃烧时间即占空比值，以满足炉段实际需求的加热功率。同样，当炉段有故障烧嘴恢复正常后，为保证炉段实际加热功率不变，也需减小之前单个烧嘴的占空比值。

单个烧嘴的烧嘴实际燃烧负荷值根据炉段需求负荷及烧嘴状态来计算，其关系如表2所示：

表2炉段负荷与烧嘴负荷关系

单个烧嘴燃烧时间的占空比值由烧嘴实际燃烧负荷值F(t)决定，F(t)的计算方式如下：

$F\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}0& N_{\mathrm{ok}}=0& \\ U\left(t\right)\&times;\frac{N_{\mathrm{total}}}{N_{\mathrm{ok}}}& U\left(t\right)<\frac{N_{\mathrm{ok}}}{N_{\mathrm{total}}}& \\ 1& U\left(t\right)\&GreaterEqual;\frac{N_{\mathrm{ok}}}{N_{\mathrm{total}}}& \end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，F(t)为烧嘴实际燃烧负荷值，U(t)为炉段加热负荷的理论计算值，N_ok为炉段内正常烧嘴个数，N_total为炉段内烧嘴总数。

步骤2.2：计算烧嘴实际燃烧循环周期T

在脉冲燃烧控制中，各烧嘴在一定的循环周期内按次序循环燃烧。在实际生产中，工艺对烧嘴的最小燃烧时间t_{On_Min}和最小关闭时间t_{Off_Min}有限定，即一旦烧嘴点燃，则必须燃烧至少一定时间后才能熄灭，一旦烧嘴熄灭，则需等待一定时间后才可重新点燃。初始设定循环周期T₀的设定值根据炉段常用设计负荷值（即为炉段加热负荷的理论计算值U(t)）及机组工艺速度等参数确定，还应保证在炉段常用负荷范围内烧嘴燃烧及关闭时间分别满足烧嘴的最小燃烧时间和最小关闭时间，一般情况下，可选择T₀为50～100s，优选为60s。

当初始设定循环周期T₀设定后，受烧嘴最小燃烧时间t_{On_Min}和烧嘴最小关闭时间t_{Off_Min}的影响：

烧嘴实际最大负荷值F_{Burner_Max}=(T₀-t_{Off_Min})/T₀(5)

烧嘴实际最小负荷值F_{Burner_Min}=t_{On_Min}/T₀(6)

因此，在初始设定循环周期T₀下，烧嘴的实际可调负荷范围受到限制。为提高烧嘴的调节范围，可采用周期可变的方法，即当烧嘴实际燃烧负荷值F(t)>F_{Burner_Max}或者F(t)<F_{Burner_Min}时，增大燃烧循环周期即烧嘴实际燃烧循环周期T，以满足烧嘴对最小燃烧时间和最小关闭时间的要求，实现的全范围调节。

按照下式（7）计算烧嘴实际燃烧循环周期T：

式中，T_last为在F(t)≥1的前一时刻的周期值，T₀为初始设定循环周期。通过烧嘴实际燃烧循环周期的可变调节，理论上可以使得控制系统在全负荷范围内调节，在满足烧嘴特性要求的同时，提高了调节范围，并实现在炉段大负荷或者小负荷区间时系统的稳定性。

步骤三：烧嘴输出控制单元设计

根据烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T，如图4所示，计算每个烧嘴的燃烧时间，并完成对烧嘴的点火及关闭操作。

步骤3.1：确定点燃烧嘴序号

在烧嘴燃烧循环周期T内，炉段内状态正常的烧嘴按一定时间间隔△t及预先设定的次序依次点燃，燃烧次序根据工艺要求设定。

首先，判断时间间隔△t是大于零；若大于零，直接进入步骤3.3；若△t≤0(初始时刻△t=0)时，计算需点火的烧嘴序号n_on（初始时刻△t=0时，n_{Burn_Last}=0）

$n_{\mathrm{on}}=\left\{\begin{array}{cc}{n}_{\mathrm{Burn}\_\mathrm{Last}}+N_{\mathrm{Num}\_\mathrm{ok}}& n_{\mathrm{Burn}\_\mathrm{Last}}+N_{\mathrm{Num}\_\mathrm{ok}}\&le;N_{\mathrm{total}}\\ 1& n_{\mathrm{Burn}\_\mathrm{Last}}+N_{\mathrm{Num}\_\mathrm{ok}}>N_{\mathrm{total}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，n_{Burn_Last}为上一个△t计时到时点火的烧嘴序号，N_{Num_ok}为当前时刻烧嘴时序中，从n_{Burn_Last}到下一个状态正常的烧嘴间烧嘴个数，例如比如上一个点燃的是2#烧嘴,那么如果下一个时间间隔到了,首先判断3#烧嘴的状态,如果3#烧嘴状态正常,则点燃3#烧嘴,如果3#烧嘴的状态不正常,则判断4#烧嘴,即点燃时序中下一个状态正常的烧嘴即可。

步骤3.2：计算烧嘴的燃烧时间及下一个时间间隔计时△t的值

需点燃的烧嘴n_on在其点火时刻，烧嘴n_on的设定燃烧时间t_{OnTime_n}根据该时刻的烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T计算得到：

t_{OnTime_n}=F(t)×T(9)

计算得到烧嘴的设定燃烧时间后，即发出该烧嘴点燃命令，点燃该烧嘴，同时重新计算时间间隔△t，计算下一个燃时间间隔计时△t的值并赋值：

Δt=T/N_ok(10)

其中，N_ok为当前时刻状态正常的烧嘴个数。

步骤3.3：输出烧嘴控制命令

步骤3.3.1：对于需点燃的烧嘴n_on，将对应烧嘴的烧嘴控制命令置1，发送给烧嘴点火控制器。当点火控制器接收到高电平信号时，打开燃气和助燃空气管道的电磁阀，让两种气体进入，同时通过点火变压器输出到点火电极来完成点火过程。如果点火不成功，检测电极不能检测到火焰，那么烧嘴点火控制器会启动保护功能，关断两个电磁阀使燃气和助燃空气不再进入炉体，并发出烧嘴故障状态信号，退出烧嘴燃烧时序，待该烧嘴状态正常后再重新加入燃烧时序中。

步骤3.3.2：当烧嘴燃烧时间计时器计时到0，输出控制单元将对应烧嘴的控制命令置0，点火控制器接收到低电平信号，直接关断电磁阀让火焰熄灭，完成烧嘴的燃烧过程。

步骤3.4：判断烧嘴状态、烧嘴实际燃烧负荷值F(t)以及烧嘴实际燃烧循环周期T是否发生变化，若发生变化，则进入步骤3.5，若没有发生变化，则进入步骤3.6。

步骤3.5：修正烧嘴燃烧时间及当前Δt的值

对于每个烧嘴来说，其设定燃烧时间是在其点燃时刻根据烧嘴负荷及循环周期计算得到，而在实际生产中，炉段的工况及烧嘴状态是在时刻变化的，因此烧嘴负荷及循环周期也是实时变化的。为保证控制的精确度，应对烧嘴负荷及周期的变化实时响应，这就要求单个烧嘴在其燃烧期内对燃烧时间t_{OnTime_n}作动态修正。

当烧嘴实际燃烧负荷值F(t)或者炉段内烧嘴状态发生变化（即出现烧嘴由正常变为故障，或者故障烧嘴转为正常时，自动将故障烧嘴从烧嘴燃烧时序中剔出，或将恢复正常的烧嘴加入到燃烧时序中，并使各烧嘴始终保持预先设定燃烧时序）时，在保持燃烧时序不变的前提下，根据当前负荷值及烧嘴状态，自动计算下一个Δt时间到时各烧嘴的燃烧时序图，反推得到当前周期内各烧嘴的熄灭时间，从而对各烧嘴状态进行修正。具体计算过程如下：

假设当检测到烧嘴负荷值或烧嘴状态发生变化时，下一个即将点燃的烧嘴序号为n_{To_Burn}，对循环序列中序号从1到N_total的每一个状态正常的烧嘴进行循环判断，对循环中序号为n的烧嘴，其当前剩余燃烧时间t_Revise计算如下：

$t_{\mathrm{Revise}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;n}\&times;\frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-T\&times;(1-F\left(t\right))& \frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}<0\\ \mathrm{\&Delta;n}\&times;\frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-T\&times;(1-F\left(t\right))+\frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}& \frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$ (11)

其中，Δn为烧嘴循环时序中，从烧嘴n循环到烧嘴n_{To_Burn}间状态正常的烧嘴的个数,T_Last为上一时刻循环周期,N_{ok_Last}为上一时刻状态正常烧嘴总数。

若序号n的烧嘴当前处于燃烧状态，则对其燃烧时间t_{OnTime_n}进行修正：

当t_Revise>0时,则t_{OnTime_n}=t_Revise;

当t_Revise≤0时,则t_{OnTime_n}=0，并发出相应烧嘴关闭命令，其关闭的执行过程与步骤3.3.2相同;

若序号n的烧嘴当前处于熄灭状态，则对t_Revise进行判断：

当t_Revise≥t_{On_Min},则t_{OnTime_n}=t_Revise，并点燃该烧嘴，其点燃的执行过程与步骤3.3.1相同;

当t_Revise<t_{On_Min},t_{OnTime_n}=0，烧嘴状态不变;

对时间间隔Δt值修正计算如下:

$\mathrm{\&Delta;t}=\left\{\begin{array}{cc}0& \frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}<0\\ \frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}& \frac{T}{N_{\mathrm{ok}}}-\frac{T_{\mathrm{Last}}}{N_{\mathrm{ok}\_\mathrm{Last}}}+\mathrm{\&Delta;t}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(12\right)$

该方法根据烧嘴负荷烧嘴状态变化计算并修正各烧嘴的燃烧时间及当前Δt值，达到实时响应炉段负荷变化需求的目的，大大提高炉温控制精度，有效降低炉温调节的超调，并实现当烧嘴加入或退出燃烧时序时各烧嘴间的无扰切换。

步骤3.6：判断各燃烧时间t_{OnTime_n}值

循环判断各燃烧烧嘴燃烧时间t_{OnTime_n}值，

若烧嘴n燃烧烧嘴燃烧时间t_{OnTime_n}≤0，则关闭相应烧嘴，若t_{OnTime_n}>0继续燃烧直至小于等于零。

步骤3.7：对Δt及各燃烧烧嘴燃烧时间t_{OnTime_n}作减计时计算，然后返回步骤二中，重新计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)以及烧嘴实际燃烧循环周期T。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：采用模糊PID控制器设计炉段加热负荷的理论计算值；

步骤二：根据炉段加热负荷的理论计算值U(t)计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T；

步骤三：根据烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T，计算每个烧嘴的燃烧时间，并完成对烧嘴的点火及关闭操作；

所述步骤二具体包括：

步骤2.1：计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)，具体如下：

$F\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& N_{ok}=0\\ U\left(t\right)\&times;\frac{N_{total}}{N_{ok}}& U\left(t\right)<\frac{N_{ok}}{N_{totol}}\\ 1& U\left(t\right)\&GreaterEqual;\frac{N_{ok}}{N_{total}}\end{array}\right.$

其中，U(t)为炉段加热负荷的理论计算值，N_ok为炉段内正常烧嘴个数，N_total为炉段内烧嘴总数；

步骤2.2：计算烧嘴实际燃烧循环周期：

设定初始设定循环周期T₀，根据烧嘴最小燃烧时间t_{On_Min}和烧嘴最小关闭时间t_{Off_Min}影响，烧嘴实际最大负荷值F_{Burner_Max}为F_{Burner_Max}＝(T₀-t_{Off_Min})/T₀；

烧嘴实际最小负荷值F_{Burner_Min}为F_{Burner_Min}＝t_{On_Min}/T₀；

当烧嘴实际燃烧负荷值F(t)＞F_{Burner_Max}或者F(t)＜F_{Burner_Min}时，增大烧嘴实际燃烧循环周期T，以满足烧嘴对最小燃烧时间和最小关闭时间的要求。

2.根据权利要求1所述的工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

步骤1.1：计算模糊推理输入量炉温偏差值e(t)和偏差变化率e_c(t)；

步骤1.2：确定模糊规则，得到模糊PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数与e(t)和e_c(t)之间的模糊关系；

步骤1.3：规则模糊化处理及模糊推理过程，采用Mamdani方法，得到比例系数、积分系数、微分系数的校正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的模糊集合；

步骤1.4：采用平均最大隶属度法进行解模糊过程，取模糊集合中具有最大隶属度的点的平均值作为解模糊化过程的结果，使模糊推理后分别得到ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d转化为真实论域上的参数；

步骤1.5：根据炉温偏差值e(t)及ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d转化为真实论域上的参数值进行PID计算，得到模糊PID控制器的输出值作为炉段加热负荷的理论计算值U(t)。

3.根据权利要求1所述的工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，其特征在于，所述烧嘴实际燃烧循环周期T具体根据下式获得：

其中，T_last为在F(t)≥1的前一时刻的周期值，T₀为初始设定循环周期，t_{On_Min}为烧嘴最小燃烧时间；t_{Off_Min}为烧嘴最小关闭时间。

4.根据权利要求1所述的工业炉高精度脉冲燃烧控制方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

步骤3.1：确定点燃烧嘴序号

在烧嘴实际燃烧循环周期T内，烧嘴按一定时间间隔△t及预先设定的次序依次点燃，首先，判断时间间隔△t是否大于零；若大于零，直接进入步骤3.3；若△t＜0时，计算需点火的烧嘴序号n_on：

$n_{on}=\left\{\begin{array}{cc}{n}_{Burn\_Last}+N_{Num\_ok}& n_{Burn\_Last}+N_{Num\_ok}\&le;N_{total}\\ 1& n_{Burn\_Last}+N_{Num\_ok}>N_{total}\end{array}\right.$

式中，n_{Burn_Last}为上一个△t计时到时点火的烧嘴序号，N_{Num_ok}为当前时刻烧嘴时序中，从n_{Burn_Last}到下一个状态正常的烧嘴间烧嘴个数；

步骤3.2：计算烧嘴的燃烧时间及下一个时间间隔△t的值

需点火的烧嘴序号n_on的设定燃烧时间t_{OnTime_n}根据该时刻的烧嘴实际燃烧负荷值F(t)及烧嘴实际燃烧循环周期T计算得到：

t_{OnTime_n}＝F(t)×T

计算得到烧嘴的设定燃烧时间后，点燃该烧嘴，同时重新计算时间间隔△t并赋值：

Δt＝T/N_ok

其中，N_ok为当前时刻状态正常的烧嘴个数；

步骤3.3：输出烧嘴控制命令

步骤3.3.1：对于需点火的烧嘴序号n_on，将对应烧嘴的烧嘴控制命令置1，发送给烧嘴点火控制器；当点火控制器接收到高电平信号时，打开燃气和助燃空气管道的电磁阀，让气体进入，同时通过点火变压器输出到点火电极来完成点火过程；

步骤3.3.2：当烧嘴燃烧时间计时器计时到0，输出控制单元将对应烧嘴的控制命令置0，点火控制器接收到低电平信号，直接关断电磁阀让火焰熄灭，完成烧嘴的燃烧过程；

步骤3.4：判断烧嘴状态、烧嘴实际燃烧负荷值F(t)以及烧嘴实际燃烧循环周期T是否发生变化，若发生变化，则进入步骤3.5，若没有发生变化，则进入步骤3.6；

步骤3.5：修正烧嘴燃烧时间及当前Δt的值

当检测到烧嘴负荷值或烧嘴状态发生变化时，下一个即将点火的烧嘴序号为n_{To_Burn}，对循环序列中序号从1到N_total的每一个状态正常的烧嘴进行循环判断，对循环中序号为n的烧嘴，其当前剩余燃烧时间t_Revise：

$t_{\mathrm{Re}cise}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}n\&times;\frac{T}{N_{ok}}-T\&times;(1-F(t\left)\right)& \frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t<0\\ \mathrm{\&Delta;}n\&times;\frac{T}{N_{ok}}-T\&times;(1-F(t\left)\right)+\frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t& \frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

其中，Δn为烧嘴循环时序中，从烧嘴n循环到烧嘴n_{To_Burn}间状态正常的烧嘴的个数,T_Last为上一时刻循环周期,N_{ok_Last}为上一时刻状态正常烧嘴总数；

若序号n的烧嘴当前处于燃烧状态，则对其燃烧时间t_{OnTime_n}进行修正：

当t_Revise>0时,则t_{OnTime_n}＝t_Revise；

当t_Revise≤0时,则t_{OnTime_n}＝0，并发出相应烧嘴关闭命令；

若序号n的烧嘴当前处于熄灭状态，则对t_Revise进行判断：

当t_Revise≥t_{On_Min},则t_{OnTime_n}＝t_Revise，并点燃该烧嘴；

当t_Revise<t_{On_Min},t_{OnTime_n}＝0，烧嘴状态不变；

对时间间隔Δt值修正计算如下:

$\mathrm{\&Delta;}r=\left\{\begin{array}{cc}0& \frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t<0\\ \frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t& \frac{T}{N_{ok}}-\frac{T_{Last}}{N_{ok\_Last}}+\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

步骤3.6：判断各燃烧时间t_{OnTime_n}值

循环判断各燃烧烧嘴燃烧时间t_{OnTime_n}值，若烧嘴n燃烧时间t_{OnTime_n}≤0，则关闭相应烧嘴，若t_{OnTime_n}＞0继续燃烧直至小于等于零；

步骤3.7：对△t及各燃烧烧嘴燃烧时间t_{OnTime_n}作减计时计算，然后返回步骤二中，重新计算烧嘴实际燃烧负荷值F(t)以及烧嘴实际燃烧循环周期T。