专利名称：连续退火加热炉炉温控制方法
技术领域：
本发明涉及连续退火加热炉炉温控制方法。
背景技术：
连退加热炉结构如图1所示，整个炉子分为若干个区，每个区之间有隔热墙，用于减少炉膛间热气相互干扰。每个炉区都有独立的控制，如煤气流量、电压、功率等，和炉温测量手段。现有的连退加热炉炉温控制一般都采用单变量PID(比例积分微分运算器)控制方法，参见图2，即以设定炉温与实测炉温的差为输入，控制变量设定值为输出的PID调节器。由于炉子本身的大惯性、长延时特性，加上连退的高速、连续、变规格工艺特性，使传统的连退炉温控制不能同时兼顾稳定性与快速性的要求。日本专利03-277722[JP 3277722 A]，公开了一种通过实际测量加热段出口带钢的热能来进行炉温控制的方法。日本专利PUB.NO.52-028409[JP 52028409 A]，公开了一种改变加热条件的炉温控制方法，该方法只考虑带钢厚度变化对炉温的影响。
发明内容本发明的目的在于提供一种连续退火加热炉炉温控制方法，该控制方法通过模型计算每个炉区带钢的热能，考虑了带钢厚度、宽度、速度和入口带温对炉温的影响，提高了加热炉段的炉温控制精度和动态响应特性。
本发明是这样实现的一种连续退火加热炉炉温控制方法，其特征是以炉区的入口带温、带钢秒流量和炉温为输入量，采用多变量预测控制算法来计算出当前时刻最优的燃气流量增量，通过调节燃气流量增量，对连退加热炉炉温进行控制，其步骤如下第一步，计算入口带温，入口带温就是前炉区的出口带温，其数学表达式为 Ts(0)＝Tsin式中，L[m]为前炉区中带钢的长度，K为综合吸热系数，A3、A4、A5为与热容相关的参数，Ts(x)为距入口x米处的带温，是积分计算中的中间变量，Tsin和Tsout[℃]分别为前炉区的入口和出口带温，h[mm]为前炉区出口处的带钢厚度，v[m/min]为带钢速度，Tf[℃]为前炉区的炉温；第二步，计算带钢秒流量，入口带钢秒流量反映了带钢从前一个炉区带到本炉区热量的大小，带钢秒流量为进入本炉区的带钢速度、宽度和厚度的乘积，即Vh＝v×w×h (2)式中，w[m]为带钢宽度；第三步，计算k时刻的炉温Tf(k)，其数学表达式为Tf(k)＝s11ΔFl(k-1)+s12ΔFl(k-2)+…+s1nΔFll(k-n)+s1nFl(k-n-1)+s21ΔTsin(k-1)+s22ΔTsin(k-2)+…+s2nΔTsin(k-n)+s2nTsin(k-n-1) (3)+s31ΔVh(k-1)+s32ΔVh(k-2)+…+s3nΔVh(k-n)+s3nVh(k-n-1)式中，Fl(k-1)[m3/min]为k-1时刻的燃气流量，Tsin(k-1)[℃]为k-1时刻的入口带温，由(1)式计算所得，Vh(k-1)为k-1时刻的入口秒流量，由(2)式计算所得，s11…s3n为模型参数；第四步，计算燃气流量增量，多变量预测控制是根据设定的炉温目标曲线和预测的炉温曲线来计算下一时刻的控制增量，假设将来时刻燃气量的变化为零，即ΔFl(k)＝ΔFl(k+1)＝…＝0，Vk＞0 (4)根据(3)式可以预测到将来p时刻内的炉温值，从而也就能计算出将来p时刻内的设定误差，即E(1)＝r(1)-Tf(1)… (5)E(p)＝r(p)-Tf(p)这里，r(p)为p时刻的设定值，根据预测控制原理，下一时刻的燃气流量增量为ΔFl(1)＝k1E(1)+k2E(2)+…+kpE(p) (6)式中，k1…kp为预测控制增益。
上述的连续退火加热炉炉温控制方法，对于第一炉区的入口带温可通过炉子前的带温测量仪测得；燃气流量调节为煤气流量调节。
本发明是考虑了炉区的入口带温和带钢秒流量对炉温的影响，并根据模型预测将来时刻的炉温变化，用多变量预测控制理论计算出当前时刻最优的煤气流量增量。本发明主要包括三个模块入口带温计算、入口带钢秒流量计算和多变量预测控制算法。本发明通过模型计算每个炉区带钢的热能，考虑了带钢厚度、宽度、速度和入口带温对炉温的影响，提高了加热炉段的炉温控制精度和动态响应特性。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为连续退火加热炉结构示意图；图2为现有的连退加热炉炉温控制方法框图；图3为本发明连续退火加热炉炉温控制方法框图。
图中1前炉区炉温，2前炉区入口带温，3前炉区带钢厚度，4前炉区带钢宽度，5带钢速度，6入口带温，7带钢秒流量，8多变量预测控制。
具体实施方式
参见图1、图3，一种连续退火加热炉炉温控制方法，是以炉区的入口带温6、带钢秒流量7和炉温为输入量，采用多变量预测控制8算法来计算出当前时刻最优的煤气流量增量，通过调节煤气流量增量，对连退加热炉炉温进行控制，详细描述如下1.入口带温6计算，对于第一炉区，入口带温6可以通过炉子前的带温测量仪测得，参见图1。对于后续炉区，由于在炉内安装带钢检测仪非常困难，只能根据前炉区的运行状况经过计算来估计。本炉区的入口带温6实际上就是前炉区的出口带温。而前炉区的出口带温可以通过前炉区的炉温1、带钢入口温度2、厚度3、速度5来求得 Ts(0)＝Tsin式中，L[m]为前炉区中带钢的长度，K为综合吸热系数，A3、A4、A5为与热容相关的参数，Ts(x)为距入口x米处的带温，是积分计算中的中间变量，Tsin和Tsout[℃]分别为前炉区的入口带温2和出口带温，h[mm]为前炉区出口处的带钢厚度3，v[m/min]为带钢速度5，Tf[℃]为前炉区的炉温1。根据(1)式就可以用数值方法计算出前炉区的出口带温，也就是本炉区的入口带温6。
2.入口秒流量7计算，入口秒流量7反映了带钢从前一个炉区带到本炉区热量的大小，秒流量7越大，带来的热量越多，从而对本炉区炉温的影响也越大。带钢秒流量7为进入本炉区的带钢速度5、宽度4和厚度3的乘积，即，Vh＝v×w×h (2)式中，w[m]为带钢宽度4。
3.多变量预测控制8算法，多变量预测控制8是根据设定的炉温目标曲线和预测的炉温曲线来计算下一时刻的控制增量。因此首先必须建立炉温预测计算方法。根据加热炉设备特性，影响炉温变化的主要因素有煤气流量、带钢厚度3、宽度4和速度5、入口带温6等。因此，k时刻的炉温可以用前n时刻的煤气流量、入口带温6和秒流量7的增量来计算，即Tf(k)＝s11ΔFl(k-1)+s12ΔFl(k-2)+…+s1nΔFl(k-n)+s1nFl(k-n-1)+s21ΔTsin(k-1)+s22ΔTsin(k-2)+…+s2nΔTsin(k-n)+s2nTsin(k-n-1) (3)+s31ΔVh(k-1)+s32ΔVh(k-2)+…+s3nΔVh(k-n)+s3nVh(k-n-1)式中，Tf(k)为k时刻的炉温，Fl(k-1)[m3/min]为k-1时刻的煤气流量，Tsin(k-1)[℃]为k-1时刻的入口带温6，由(1)式计算所得，Vh(k-1)为k-1时刻的入口秒流量7，由(2)式计算所得，s11…s3n为模型参数。
(3)式的表达形式有利于进行实时的炉温预测计算，是预测控制算法8的基础。假设将来时刻煤气量的变化为零，即ΔFl(k)＝ΔFl(k+1)＝…＝0，k＞0 (4)根据(3)式可以预测到将来p时刻内的炉温值，从而也就能计算出将来p时刻内的设定误差，即E(1)＝r(1)-Tf(1)…(5)E(p)＝r(p)-Tf(p)这里，r(p)为p时刻的设定值。根据预测控制原理，下一时刻的煤气流量增量为ΔFl(1)＝k1E(1)+k2E(2)+…+kpE(p) (6)式中，k1…kp为预测控制增益。
经试验可得到(1)式中的参数值为K＝0.4×10-10A3＝0.16264A4＝-0.25416×10-3A5＝0.53943×10-6A6＝-0.28215×10-9(3)式中的参数为n＝83，sij共有83项，前10项系数为
(6)式中的控制增益为k1～10＝
。
本发明可以推广到任何连续处理线的加热炉和均热炉上，包括热镀锌和电镀锌处理线，尤其对于像电工钢这种对温度要求极高的连续处理线。
权利要求
1.一种连续退火加热炉炉温控制方法，其特征是以炉区的入口带温、带钢秒流量和炉温为输入量，采用多变量预测控制算法来计算出当前时刻最优的燃气流量增量，通过调节燃气流量增量，对连退加热炉炉温进行控制，其步骤如下第一步，计算入口带温，入口带温就是前炉区的出口带温，其数学表达式为 Ts(0)＝Tsin式中，L[m]为前炉区中带钢的长度，K为综合吸热系数，A3、A4、A5为与热容相关的参数，Ts(x)为距入口x米处的带温，是积分计算中的中间变量，Tsin和Tsout[℃]分别为前炉区的入口和出口带温，h[mm]为前炉区出口处的带钢厚度，v[m/min]为带钢速度，Tf[℃]为前炉区的炉温；第二步，计算带钢秒流量，入口带钢秒流量反映了带钢从前一个炉区带到本炉区热量的大小，带钢秒流量为进入本炉区的带钢速度、宽度和厚度的乘积，即Vh＝v×w×h (2)式中，w[m]为带钢宽度；第三步，计算k时刻的炉温Tf(k)，其数学表达式为Tf(k)＝s11ΔFl(k-1)+s12ΔFl(k-2)+…+s1nΔFl(k-n)+s1nFl(k-n-1)+s21ΔTsin(k-1)+s22ΔTsin(k-2)+…+s2nΔTsin(k-n)+s2nTsin(k-n-1) (3)+s31ΔVh(k-1)+s32ΔVh(k-2)+…+s3nΔVh(k-n)+s3nVh(k-n-1)式中，Fl(k-1)[m3/min]为k-1时刻的燃气流量，Tsin(k-1)[℃]为k-1时刻的入口带温，由(1)式计算所得，Vh(k-1)为k-1时刻的入口秒流量，由(2)式计算所得，s11…s3n为模型参数；第四步，计算燃气流量增量，多变量预测控制是根据设定的炉温目标曲线和预测的炉温曲线来计算下一时刻的控制增量，假设将来时刻燃气量的变化为零，即ΔFl(k)＝ΔFl(k+1)＝…＝0，k＞0(4)根据(3)式可以预测到将来p时刻内的炉温值，从而也就能计算出将来p时刻内的设定误差，即E(1)＝r(1)-Tf(1)…(5)E(p)＝r(p)-Tf(p)这里，r(p)为p时刻的设定值，根据预测控制原理，下一时刻的燃气流量增量为ΔFl(1)＝k1E(1)+k2E(2)+…+kpE(p)(6)式中，k1…kp为预测控制增益。
2.根据权利要求1所述的连续退火加热炉炉温控制方法，其特征是对于第一炉区的入口带温可通过炉子前的带温测量仪测得。
3.根据权利要求1所述的连续退火加热炉炉温控制方法，其特征是燃气流量调节为煤气流量调节。
全文摘要
本发明涉及连续退火加热炉炉温控制方法。一种连续退火加热炉炉温控制方法，其特征是以炉区的入口带温、带钢秒流量和炉温为输入量，采用多变量预测控制算法来计算出当前时刻最优的燃气流量增量，通过调节燃气流量增量，对连退加热炉炉温进行控制。本发明通过模型计算每个炉区带钢的热能，考虑了带钢厚度、宽度、速度和入口带温对炉温的影响，提高了加热炉段的炉温控制精度和动态响应特性。
文档编号C21D1/26GK1873034SQ20051002632
公开日2006年12月6日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者周坚刚, 胡广魁, 王海英 申请人:宝山钢铁股份有限公司