本发明涉及专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备或方法，尤其涉及一种基于热负荷分配对加热炉工艺炉温设定值进行补偿修正的控制方法。
背景技术：
冶金加热炉一般由不供热的热回收段和多个供热的燃烧控制段组成，加热炉燃烧控制，可以分为两个层面，首先是表征加热工艺的炉温控制，然后是燃气流量调节。加热炉燃烧控制，既要满足产品加热质量的要求，又要追求节能。在实际生产过程中，最优燃烧控制往往很难实现。究其原因，一方面是因为产品加热工艺和生产设备不能很好匹配，另一方面，是产品规格和加热炉生产节奏的频繁变化，加大了燃烧控制的难度。在自动化程度日益提高的冶金生产过程，加热炉燃烧控制一般通过控制炉温来实现燃气流量的自动调节。现有的加热炉温度控制主要有两种控制模式，一种是仅根据加热炉热电偶测量温度和加热工艺温度的差异来控制产品加热，这种控制模式直接反映了工艺炉温的要求，称之为“炉温模式”；另一种是在第一种方式的基础上，再参考加热炉内的产品温度，来实现对炉温的自动调整，这种控制模式满足产品本身的加热要求，称之为“料温模式”。第二种模式能够更好的满足产品加热质量以及生产节能的要求，因此目前自动化程度较高的冶金加热炉大多采用料温模式。中国发明专利“热轧加热炉炉温动态设定控制方法”(发明专利号：ZL200510024805.0授权公告号：CN100507027C)公开了一种热轧加热炉炉温动态设定控制方法，其特征是按下列四个步骤进行：(1)釆用板坯温度预报模型计算板坯所在段的段末温度，该计算方法是前向递推的；(2)按板坯移动距离，动态计算板坯各段段末的目标温度；(3)计算板坯当前段所需要的炉气温度，即必要炉温；(4)考虑当前段所有板坯的差异进行专家经验加权设定。该发明通过预报控制段内每块板坯的温度，实时调整段末目标温度和控制炉温，来实现炉温的优化控制。中国发明专利“热轧钢坯出炉前局部强化加热方法及装置”(发明专利号：ZL03141608.X授权公告号：CN1228459C)公开了一种热轧钢坯出炉前局部强化加热方法，包括以下步骤：1.计算钢坯出炉温度分布；2.钢坯在炉内局部强化加热的时间计算；3.基于上述计算得的数据，在加热炉均热段末建立一局部强化加热区或局部强化加热室，对钢坯两端沿长度200-300mm的局部范围强化加热，使局部区域温度高于均热段炉温加热时间秒。该发明主要考虑到产品局部强化加热要求，通过建立局部强化加热区或局部强化加热室，实现热轧钢坯的出炉前局部强化加热。中国发明专利申请“把炉中钢坯加热到轧制温度的方法”(发明专利申请号：88107713.5公开号：CN1033842A)公开了一种把多块扁钢坯加热到轧制温度的方法，使用带可控能量供应源的加热炉，为适应进料口的钢坯的温度变化，至少要确定一个相当于一组钢坯的一块当量大钢坯，并且能量供应根据当量大钢坯到加热炉出口所要求的平均温度来调整，加热炉具有备带有单独的能量供应源的至少两个区，对每区中的钢坯确定一块当量大钢坯，每区的能量供应根据该区及前面区中的当量大钢坯到加热炉出口时的平均温度来调整。该发明主要通过炉内产品吸收热量的计算来实现炉温的控制。中国发明专利申请“热轧过程加热炉综合优化控制系统设计及其控制方法”(发明专利申请号：200410100419.0公开号：CN1644257A)公开了一种对加热炉进行综合优化控制的新型控制系统结构设计及其控制方法，将加热炉和粗轧机组构成一个有机的闭环系统，将钢坯在粗轧机组一侧的轧制力以及温度等轧制生产信息反馈到加热炉一侧，利用炉温预设定补偿模块动态地修改炉温设定值，结合优化控制策略和控制算法对钢坯加热过程实现综合优化控制。该发明将轧线信息反馈到加热炉，实现炉温的优化控制，以满足轧线稳定生产的要求。随着加热炉过程控制越来越精细化，在条件成熟的产线，已经能够通过燃气成分的优化配比，实现不同产品的差异性燃烧控制，从而达到节能降本的目的。燃气不同，加热炉燃烧状态也不同，燃气变化后，加热炉内的热负荷状态会出现波动，从而使得设备并不是一直处在最佳运行状态；另外，生产状态变化后，也容易影响产品质量。但是，从上述专利文献可以看出，现有的炉温自动控制系统，大多只是单纯的考虑产品的温度要求，并没有考虑产品生产特性以及加热炉设备状态，也没有结合产品的实际燃烧负荷状态实现炉温的优化调节。由于轧制的钢种和加热炉生产节奏是不断变化的，现有系统完全按照预先设定的工艺炉温进行调节，某些产品容易出现局部裂纹、过烧等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法，通过在现有“料温模式”的基础上，建立热负荷均衡调节模型，对出炉工艺炉温偏差进行补偿修正，从而提高工艺炉温的控制精度，提高产品加热质量。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法，其特征在于包括以下步骤：S100：计算控制段内所有产品的综合权重，根据综合权重识别控制段内的典型产品；S200：根据当前加热炉生产节奏的实测值x，从炉温工艺表中线性插值获取控制段内各产品的工艺炉温，加权平均后作为控制段j的工艺炉温设定值Tg'(x,j)；S300：实时跟踪炉内产品温度，获取产品温度计算模型的参数，利用温度计算模型预测典型产品的出炉预测温度Ty；根据出炉目标温度To和出炉预测温度Ty确定产品温度偏差ΔTp；S400：建立热负荷均衡调节模型，将步骤S300计算得到的产品温度偏差ΔTp分配到典型产品所在的控制段j，得到对应控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)；S500：利用PID调节器，将典型产品所在控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)，转化为工艺炉温修正值ΔTg'(j)；将步骤S200得到的控制段j的工艺炉温设定值Tg'(x,j)与工艺炉温修正值ΔTg'(j)相加，作为设定炉温传递给执行机构，实现加热炉对应控制段的炉温控制。本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下动作：S110：根据控制段内的产品类型和当前加热炉生产节奏，依照以下公式分别计算当前控制段内所有产品的综合权重：其中，P＝f(p,v)为产品的综合权重，Se为控制段内沿炉长方向的段末位置，Sc为产品在控制段内的当前位置，v为加热炉当前生产节奏(mm/s)，vmin为产品对应工艺表中的最小生产节奏(mm/s)；L为控制段物理长度(mm)；p为产品的加热权重；S120：比较所有产品的综合权重，找出综合权重最大的产品，作为本控制段内的典型产品。本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S200包括以下动作：S210：根据当前加热炉生产节奏v，查询炉温工艺表并通过线性插值，获取控制段j内产品类型i的产品的工艺炉温其中，x是当前加热炉生产节奏v的实测值(mm/s)，对于控制段j内产品类型为i的产品，T(i,x1,j)、T(i,x2,j)分别为从炉温工艺表中查询得到的2组工艺炉温，x1为大于x的最小值，x2为小于x的最大值；S220：根据插值得到当前加热炉生产节奏v下的工艺炉温，依照以下公式加权平均，得到控制段j的工艺炉温设定值其中，p(i)是产品类型为i的产品的加热权重。本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一种改进的技术方案，其特征在于所述的步骤S300包括以下动作：S310：通过热电偶测量温度，实时跟踪炉内产品温度，根据产品规格、产品热物性参数和炉内位置跟踪，通过有限差分方式迭代求解热传导方程，实时获取产品温度分布，建立产品温度计算模型；S320：以典型产品当前位置为起点，利用温度计算模型迭代计算典型产品到达出炉位置的出炉预测温度Ty；S330：根据从炉温工艺表中查询得到的出炉目标温度To和出炉预测温度Ty,计算产品温度偏差ΔTp＝To-Ty。本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的步骤S400包括以下动作：S410：根据控制段的实际燃气流量和额定燃气流量，确定控制段的升温调节系数kinc(j)和降温调节系数kdec(j)：其中，Vreal(j)为控制段j的实际燃气流量，Vobj(j)为控制段j的额定燃气流量，α(j)为控制段j的升温过程人工调节因子，取值区间[0.15,1.5]，β(j)为控制段j的降温过程人工调节因子，取值区间[0.15,1.5]。S420：根据产品温度偏差ΔTp、升温调节系数kinc(j)和降温调节系数kdec(j)建立热负荷均衡调节模型；S430：若ΔTp>0，产品升温，依照以下公式确定分配到控制段j的产品温度偏差ΔTp'(j)：S440：若ΔTp<0，产品降温，依照以下公式确定分配到控制段j的产品温度偏差ΔTp'(j)：本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一种优选的技术方案，其特征在于所述的步骤S500包括以下动作：S510：利用PID调节器，根据步骤S400得到的典型产品所在控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)，依照以下公式确定工艺炉温修正值：其中，KP、KI、KD分别为PID调节器的比例、积分和微分系数，dt为前后两次炉温修正计算的时间间隔(s)，其具体参数值根据加热炉的设备特性确定；S520：根据对应控制段的工艺炉温设定值Tg'(x,j)和工艺炉温修正值ΔTg'(j)，确定设定炉温Tg(j)＝Tg'(x,j)+ΔTg'(j)；S530：将设定炉温Tg(j)传递给执行机构，实现加热炉对应控制段的炉温控制。本发明的有益效果是：1、本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法，在现有“料温模式”的基础上，将设备状态、产品工艺有机的结合起来，通过建立热负荷均衡调节模型，将产品温度偏差分配到典型产品所在的控制段，对加热炉燃烧的工艺炉温进行补偿修正，从而提高工艺炉温的控制精度，提高产品的加热质量，减少能源浪费。2、本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法，结合了加热炉生产实际状况，实现加热炉工艺温度的精确控制，从而保证产品出炉温度的控制精度，提高最终轧制成品的产品质量。附图说明图1是本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的控制流程图。具体实施方式为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的一个实施例如图1所示，在该实例中，加热炉分为热回收段、预热段、加热段1、加热段2和均热段，各段的段长分别为15m、10m、8m、8m和5m；除热回收段外，其他各段均单独实现燃烧控制，对应的额定燃气流量分别为16000m3/h、21000m3/h、14000m3/h和5000m3/h；假设当前实际加热炉生产节奏为3.8mm/s，各控制段当前的实际燃气流量分别为9000m3/h、12800m3/h、7200m3/h和1800m3/h；当前各段的热电偶测量温度分别为790℃、938℃、1218℃、1228℃和1216℃；炉内均匀布料，炉内产品的钢种类型均为1，产品之间的距离为500mm。当前各段的对应加热工艺如表1所示。表1.加热炉各段的炉温工艺表本发明的基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法的控制过程包括以下步骤：S100：计算控制段内所有产品的综合权重，根据综合权重识别控制段内的典型产品。典型产品的选择考虑产品权重和加热炉生产节奏两个因素，其识别规则是：首先，优先选择加热权重大的产品，第二，在加热炉生产节奏较快时，优先选择接近控制段起始位置的产品，在加热炉生产节奏较慢时，优先选择接近控制段中间位置的产品。这样，典型产品既表征了加热权重较大产品的加热要求，同时又保障了当前加热炉生产节奏下控制段炉温调节的响应时间。本步骤定义P＝f(p,v)，用来表征不同加热炉生产节奏下控制段内产品的综合权重，综合权重最大的产品，即为控制段内的典型产品。p为产品的加热权重，其物理意义为体现产品在加热过程中的重要程度或特殊程度，其取值范围为[1,10]，取值越大，产品对加热过程的控制精度要求越高，在控制调节过程中越需要优先考虑。在本实施例中，以加热炉的预热段为例对本发明的控制过程予以说明，当前状态下预热段内各产品的实际位置序列如表2所示，预热段内的产品全部为常规品种，钢种类型为1，加热权重取p＝1。表2.预热段内各产品的实际位置序列在本示例中，步骤S100包括以下动作：S110：根据控制段内的产品类型和当前加热炉生产节奏，依照公式(1)分别计算当前控制段内所有产品的综合权重。以上述预热段为例，炉内相邻产品之间的距离为500mm，首先依照公式(1)计算预热段内第一个产品的综合权重同理，依次计算得到控制段内所有产品的综合权重，计算结果如表3所示。表3.预热段内各产品位置对应的综合权重S120：比较所有产品的综合权重，找出综合权重最大的产品，作为本控制段内的典型产品。在本实施例中，得到控制段内第8个产品为典型产品。虽然本实施例是以加热炉的预热段为例对本发明的控制过程予以说明，但是，同样的控制过程完全适用于加热炉的其它各个控制段。S200：根据当前加热炉生产节奏的实测值x，从炉温工艺表中线性插值获取控制段内各产品的工艺炉温，加权平均后作为控制段j的工艺炉温设定值Tg'(x,j)；本步骤包括以下动作：S210：根据当前加热炉生产节奏v，查询炉温工艺表并通过线性插值，获取控制段j内产品类型i的产品的工艺炉温。本实施例选择预热段作为控制段的计算对象，预热段的段号用1表示。根据当前加热炉生产节奏3.8mm/s，结合表1所示的炉温工艺表中加热炉生产节奏为3mm/s和4mm/s的加热工艺，线性插值获取控制段内各产品的工艺炉温。依照公式2计算得到预热段内第一个产品的工艺炉温：S220：根据插值得到加热炉生产节奏v下的工艺炉温，依照以下公式加权平均，得到控制段j的工艺炉温设定值。因为本实施例中控制段(预热段)内所有产品均为钢种类型1，根据公式3计算得到工艺设定炉温S300：实时跟踪炉内产品温度，获取产品温度计算模型的参数，利用温度计算模型预测典型产品的出炉预测温度Ty；根据出炉目标温度To和出炉预测温度Ty确定产品温度偏差ΔTp。本步骤包括以下动作：S310：通过热电偶测量温度，实时跟踪炉内产品温度，根据产品规格、产品热物性参数和炉内位置跟踪，通过有限差分方式迭代求解热传导方程，实时获取产品温度分布，建立产品温度计算模型；本步骤根据当前炉内热电偶测量温度，通过线性拟合得到加热炉长度方向(产品移动方向)的炉气温度分布曲线，针对炉内产品，计算产品对应位置的炉温，通过炉内热平衡或等效综合辐射系数，求解产品在计算周期内所获取的热量，再结合产品规格、产品热物性参数等信息，通过有限差分方式迭代求解热传导方程，获取产品温度分布；这里，求解热传导方程的过程为本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。S320：以典型产品当前位置为起点，利用温度计算模型迭代计算典型产品到达出炉位置的出炉预测温度Ty；在该实施例中，通过实时跟踪计算，得到典型产品在当前时刻的平均温度为795℃，预测其出炉计算温度Ty为1195℃。S330：根据从炉温工艺表中查询得到的出炉目标温度To和出炉预测温度Ty,计算产品温度偏差ΔTp＝To-Ty。在本实施例中，出炉目标温度To＝1200℃，出炉预测温度Ty＝1195℃，因此，产品温度偏差ΔTp＝1200-1195＝5℃。S400：建立热负荷均衡调节模型，将步骤S300计算得到的产品温度偏差ΔTp分配到典型产品所在的控制段j，得到对应控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)；本步骤包括以下动作：S410：根据控制段的实际燃气流量和额定燃气流量，确定控制段的升温调节系数kinc(j)和降温调节系数kdec(j)：其中，Vreal(j)为控制段j的实际燃气流量，Vobj(j)为控制段j的额定燃气流量，α(j)为控制段j的升温过程人工调节因子，取值区间[0.15,1.5]，β(j)为控制段j的降温过程人工调节因子，取值区间[0.15,1.5]。在本实施例中，各控制段的外界人工干预值如表4所示。表4.各控制段的外界人工干预值前面计算的ΔTp＝5℃大于0，加热炉控制段需要升温。结合当前各控制段的实测燃气流量，依据公式4计算得到各控制段的升温调节系数：S420：根据产品温度偏差ΔTp、升温调节系数kinc(j)和降温调节系数kdec(j)建立热负荷均衡调节模型；S430：根据本实施例，ΔTp>0，产品升温，依照公式5得到分配到预热段(控制段1)的产品温度偏差ΔTp'(1)，即产品升温值为S500：利用PID调节器，将典型产品所在控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)，转化为工艺炉温修正值ΔTg'(j)；将步骤S200得到的控制段j的工艺炉温设定值Tg'(x,j)与工艺炉温修正值ΔTg'(j)相加，作为设定炉温传递给执行机构，实现加热炉对应控制段的炉温控制。本步骤包括以下动作：S510：利用PID调节器，根据步骤S400得到的典型产品所在控制段的产品温度偏差ΔTp'(j)。在本实施例中，炉温设定周期为30s，PID调节器的比例、积分和微分系数分别为KP＝0.5，KI＝dt/100＝0.3，KD＝0，预热段累计修正值为4.5℃，依据公式7得到预热段本调节周期的炉气温度修正值ΔTg'(j)为：S520：根据对应控制段的工艺炉温设定值Tg'(x,j)和工艺炉温修正值ΔTg'(j)，得到最终预热段的设定炉温度为Tg(1)＝Tg'(3.8,1)+ΔTg'(1)＝940+2.432＝942.432S530：将预热段的设定炉温942.432传递给预热段的执行机构，实现加热炉预热段的炉温控制。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。