退火炉高精度温度控制器研究

段永良 战峰

摘要：由于传统的退火炉温度控制器已不适应当今退火炉实际应用，因而高精度炉温控制器应运而生。这种高精度的炉温控制器包括改进型 PID 控制器、基于数据表的带钢参数修正器及快速升温、降温调节器、煤气压力修正器，其可实现退火炉全工况范围内温度的稳定调节。

关键词：退火炉 高精度温度控制器 PID控制器 钢管参数修正器

引言

退火炉当今冶金和机械等行业常用的工业热处理设备，一般的退火工艺都是产品成型的最后一道工序，它的效果直接影响产品的质量，因此，退火炉的为产品提供准确的升温是至关重要的，必须根据退火炉的工艺升温曲线。

一、退火炉概述

退火是钢铁企业冷轧产品生产过程中的一道工序， 而退火炉是连续退火机组极其关键的设备，退火炉炉温控制效果直接影响冷轧产品的质量，是连续退火控制关键技术之一。

由于退火炉本身大惯性、大滞后的特点，给其炉温的高精度调节带来了难度。 目前在国内的炉温控制中， 占主导地位的仍然是传统简单的 PID 温度控制器。 但传统的 PID 控制技术在处理退火炉这样非线性、 大时滞性且难以建立准确数学模型的控制对象时，存在着固有的缺陷，易造成振荡、超调等现象。在常规的退火炉控制当中，一般采用自动控制的方法，这样不仅可以有效的减短生产周期，降低成本，还能够最大程度上的减少污染，对建设可持续发展的科技社会做出了贡献。特别是我国，我国是世界上的工业制造大国，因此，研究性能高的退火炉温度控制系统是非常必要的。

二、温度控制器结构

高精度温度控制器主要由以下几部分构成：模糊控制型 PID 控制器、基于数据表的带钢参数修正器及快速升温、降温调节器、燃气压力补正器等。

三、温度控制器具体操作

1、模糊控制型 PID 控制器

PID 控制是传统的工业控制最经典的控制方法之一，结构简单，成本较低优点。但是，这种常规的控制器适于小时延的稳定调节过程，但对于退火炉炉温控制这样具有遲滞性、振荡的被控过程，控制效果不佳。为此，采用经典的 PID 控制与模糊控制相结合的方式，能够实现自动控制，既能够解决上述的问题，又能够在控制过程中，比常规的控制方式调节的时间短，而且稳定性好，误差小，最终达到最佳的控制效果。

（1）PID控制器

整个 PID 控制器的原理：由比例环节、微分环节和积分环节组成，然后经过三个环节之后给出一个输出，送给被控对象。然后整个控制器根据输出的结果与设定值进行对比，如果有偏差，就会反馈到比例、积分、微分三个环节之中，进行再调节，组成了一个闭环的回路。

（2）模糊控制的优点

模糊控制是现在工业控制中一种自动的控制，而且应用范围比较广泛，不仅应用在工业控制中，而且应用在家电的产品中。作为熟悉的操作员来讲，不需要了解被控对象是否是精确的数字模型，只需要具有很熟悉的操作经验就可以完成这个比较复杂的控制过程。如果能够将这些熟悉的实际经验总结一下，用语言描述一下，就可以制定出符合被控对象的模糊控制库。

（3）模糊 PID 控制

在响应时间上和超调量上，模糊控制与常规的 PID 控制相比，具有更短、超调量更小的优势，而且在控制过程中，被控对象不需要被了解，参数的变化不是很敏感，与 PID 调节器相比，模糊控制器的响应时间更短、超调量更小。模糊控制的鲁棒性很强，适应性很强，对于一些非线性、时变有干扰的系统，模糊控制都可以进行控制，但是模糊控制在控制时，其控制的量无法直接对被控对象进行控制，需要借助一些常规的控制方法。研究基于模糊 PID 控制的退火炉温度控制系统，把常规的 PID 控制的优点：响应速度快，稳定性能较好等特点与模糊控制的鲁棒性强、适应能力强结合起来，鉴于退火炉自身的结构特点，进行控制，最终使系统的控制效果较佳。

系统第一次经过 PID 控制后，得到误差和误差率，误差和误差率经过模糊化处理，再进行模糊推理和反模糊化，得到 PID 三个参数的变化量，这三个变化量与之前初始的设定值相加后重新进行第二次 PID 调节，最终输出结果传给被控对象，整个系统是一个完整的闭环控制系统，将设定的指标与结果的指标的偏差 e 以及偏差变化率 ec 作为模糊控制系统的输入，将 Kp、Kd、Ki 三个参数作为输出输入给 PID 控制器，然后再传给 PID 控制器。

四、基于数据表的带钢参数修正器、快速升/降温调节器

生产中由于带钢规格及运行参数、工艺设定参数改变而引起的炉温波动及调节具有可预见性，若在参数变化时提前给温度控制器输出一个预设定值，抑制炉温的偏差变化，既可增加炉温的响应速度，亦可减小炉温的波动。 预设定值可基于查询退火炉保温参数表及带钢工艺参数表相关数据并通过计算得出，数据表中数据根据退火炉调试及生产期间真实记录所得，也可根据经验预先设定。

1、带钢参数修正器

修改包括 2 方面： ① 生产过程中带钢牌号修改，各段炉温设定值及带钢速度需根据具体情况中工艺设定值修改；②牌号未更改，由于某故障因素造成带速的急速下降，及故障排除后带速的急速上升。当生产过程中带钢参数发生变化时，带钢参数修正器先将 PID 置于手动模式并直接将 PID 输出赋值于计算获得的理论负荷值，随后将 PID 转入自动模式对炉温设定值进行跟踪调节。

2、快速升 / 降温调节器

此调节器主要用于当退火炉由保温状态转换至生产状态，或由生产状态转至保温状态时，需炉温快速上升至工艺温度值或快速下降至保温温度的情况。

五、煤气压力修正

退火炉采用煤气辐射管进行加热， 当煤气、空气压力在稳定值时，煤气空气在烧嘴内混合燃烧产生的火焰长度最佳，烧嘴工作在额定状态下，传热效率最高。 实际生产中，受煤气外管网压力波动的影响，或管网煤气减压阀组工作特性的影响，会造成退火炉的煤气压力发生改变。 至退火炉煤气压力过高时，会使调节阀关至最小开度值后至烧嘴的煤气压力仍旧偏高，造成烧嘴内火焰长度增长，烧嘴燃烧超出额定状态，在炉段负荷给定值未发生改变的情况下炉温升高；煤气压力过低，调节阀开至最大仍无法达到额定压力，造成烧嘴火焰减小，烧嘴热功率及热效率降低，使在炉段负荷给定值未发生改变的情况下炉温降低。

结语

火炉在金属热处理当中是非常重要的一道工序，因为金属经过适中温度的热处理之后就会有很好的物理性能，较低的温度，会使材料的受热不均匀；过高的温度，会使金属过烧。但是当前常规的温度控制器，其控制参数不是整定困难就是根木无法整定，因此不能得到满意的控制效果。同时，传统的 PID 控制技术在处理退火炉这样非线性、 大时滞性且难以建立准确数学模型的控制对象时，都存有固有的缺陷，易造成振荡、超调等现象。因此，使用高精度的温度控制器是形势要求，本文主要分析了一种高精度温度控制器的结构，望对相关人员有学习借鉴意义。

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