本發明涉及冶金加熱爐控制領域，尤其涉及一種基于仿真模型的加熱爐爐溫控制方法。

背景技術：

在冶金工業中，加熱爐是將金屬鋼坯加熱到軋制成鍛造溫度的設備。加熱爐是冶金鋼鐵中的主要耗能設備，利用燃料在爐膛內燃燒產生的熱量，對爐內步進的鋼坯進行加熱。該過程被要求精準控制鋼坯的出爐鋼溫、最少的能源消耗和最低的鋼坯氧化燒損等。在冶金加熱爐控制技術中，為滿足鋼坯的出爐溫度達到軋鋼工藝需求，必須根據生產節奏、鋼坯的入爐鋼溫和出爐鋼溫，對爐膛內各加熱段的溫度實時調整，進行動態控制。目前大多數鋼廠企業的爐溫控制基本是手動控制，爐溫的設定也是憑借經驗人為設定，主觀性較強。

在加熱爐的爐溫控制方面，目前采用較多的方法是數學建模、預測控制、大數據分析等。由杭州電子科技大學申請的發明專利“一種分數階模型預測控制的加熱爐溫度控制方法”，申請號201510844115.3，公開號105334736A，采用一種擴展狀態空間分數階模型預測控制的加熱爐溫度控制方法，以維持分數階系統的穩定性并保障良好的控制性能，但該技術僅存在于理論計算，與實際應用的結合并未提及，無法確定是否適合冶金加熱爐非線性、時變、多耦合系統。首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司申請的發明專利“一種預測加熱爐內后續鋼坯溫度和加熱爐溫度的方法”，申請號201410168148.6，公開號105734263A，第一步，建立鋼坯升溫系數概念設立鋼坯升溫系數αfm的公式；第二步，統計不同鋼坯溫度與加熱爐爐溫差值下，鋼坯溫度升高的數據，得出鋼坯升溫系數αfm；第三步，根據得到的鋼坯升溫系數αfm計算位于加熱爐內的鋼坯需要達到的溫度和加熱爐需要達到的溫度。第四步，反推計算后續鋼坯需要達到的溫度，算出要達到該鋼坯溫度時的加熱爐爐溫。但是目前生產現狀普遍存在多種鋼坯混合入爐，鋼坯溫差不穩定的情況，該方法需要大數據存儲、查找及分析，計算結果變化劇烈，直接導致控制不穩定，影響加熱爐的運行。

綜上所述，在加熱爐爐溫控制方面還存在系統復雜，被測量缺乏，建模困難，爐溫設定精確性差，現有技術仍舊存在局限性，在現實生產中難以推廣應用。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于仿真模型的加熱爐爐溫控制方法，可實現加熱爐爐內溫度的精確設定以及系統的穩定控制、正常生產，降低鋼坯的氧化燒損。

本發明解決其技術問題采用以下技術方案：

一種基于仿真模型的加熱爐爐溫控制方法，包括如下步驟：（1）根據加熱爐內部能源燃燒所產生的熱量與入爐的鋼坯對流換熱的原理，進行機理建模，創建鋼坯在加熱爐內溫度變化模型；（2）基于該鋼坯溫度變化模型，計算單根鋼坯最終的出爐鋼溫，與設定的出爐鋼溫進行對比，根據鋼坯溫度補償模塊的自尋優功能，最終確定單根鋼坯對不同加熱段爐溫設定值的調整量；（3）鋼坯匯總模塊，由物料跟蹤系統，獲取各加熱段內的鋼坯數量、種類和每根鋼坯的入爐鋼溫，根據每種鋼坯的型號、重量和大小，設定每根鋼坯對加熱段爐溫設定點影響的權重系數，再結合加熱段內的鋼坯入爐鋼溫及數量，計算出各加熱段爐溫設定點的最終調整量，作為整體仿真模型的輸出；（4）在鋼坯出爐后，實際出爐鋼溫與設定值的偏差，來調整仿真模型中的參數，包括鋼坯溫度變化模型、鋼坯溫度補償模塊及其自尋優功能的相關參數，該反饋修正模塊使整個仿真模型實現了實時在線功能。

所述步驟（1）中所述鋼坯溫度變化模型，是綜合考慮加熱爐內爐膛壓力、排煙熱損失、燃燒熱量和當前爐溫，建立鋼坯溫度變化的機理模型。

所述步驟（2）中所述鋼坯溫度補償模塊，是基于步驟（1）仿真模型的計算結果，與實際出爐鋼溫設定點對比獲得偏差量，根據對各加熱段爐溫的補償算法，獲取各加熱段爐溫設定點的調整量，實現加熱爐爐溫的自動控制。

所述步驟（2）中所述鋼坯溫度補償模塊的自尋優功能，循環運用步驟（2）的鋼坯溫度補償模塊，以及步驟（1）的仿真模型，根據爐溫的預設定點和鋼坯溫度參數，獲取各加熱段的爐溫新設定點，通過比較每輪出爐鋼溫的計算值與設定值的偏差量，采用自尋優算法，調整下一輪鋼坯溫度補償模塊的補償系數，從而獲得最優的鋼坯爐溫補償，作為鋼坯溫度補償模塊的輸出。

所述步驟（3）中所述鋼坯匯總模塊，采用了數據統計的方法實現。

所述步驟（3）中所述仿真模型，包括了步驟（1）、步驟（2）、步驟（3）以及步驟（4），根據加熱爐的工藝條件以及當前的爐溫情況、熱量產生和損失情況、爐內鋼坯的種類和數量、入爐鋼溫以及出爐鋼溫設定值和實際值，獲得各加熱段爐溫設定點的調節，同時對該仿真模型進行在線修正。

所述步驟（4）中所述反饋修正模塊，根據實際情況來修正仿真模型的相關參數，實現仿真模型的閉環反饋環節，從而保證仿真模型的實時在線功能。

本發明基于仿真模型的加熱爐爐溫控制方法，采用上述技術方案，具有如下優點：（1）該仿真模型分了4個部分，加熱爐的多種信息分別參與模塊運算，包括加熱爐工藝參數、爐內情況、熱量信息、鋼坯情況等，信息全面，保證系統正常生產，并對各加熱段內鋼坯的情況運用數據統計方法，避免了輸出的頻繁劇烈變化，實現穩定控制；（2）加熱爐爐內鋼坯數量有最大值，且自尋優功能設定了尋優時機和優化次數，保證了運算的速度，使得整個系統的實現具備可行性；（3）在反饋修正模塊的作用下，保證了鋼坯溫度補償模塊以及鋼坯溫度變化模型的日趨完善，尤其鋼坯溫度補償模塊的自尋優功能，實現了加熱爐爐溫的精確控制，從而降低鋼坯的氧化燒損。

附圖說明

圖1是本發明的控制方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

以棒線加熱爐為例，爐體長20米，共分3個加熱段：一加熱段、二加熱段和均熱段；其生產規模為120t/h，所加熱的鋼坯規模分為5種，平均每根鋼坯重3t-5t不等；爐內最多60根鋼坯，一般生產節奏下，平均2分鐘出鋼一根；要求出爐鋼溫1290℃，入爐鋼溫分為熱鋼和冷鋼，熱鋼溫度在700～800℃，冷鋼為常溫；排煙溫度控制在200℃左右。

根據綜合考慮加熱爐內爐膛壓力、排煙熱損失、燃燒熱量、當前爐溫和加熱爐的工藝參數，根據對流換熱原理，建立鋼坯溫度變化模型，涉及相關函數F1熱量產生函數，F2熱量損失函數，F3鋼坯溫度變化函數，

，

其中，Q_IN為產生熱量，M_M為煤氣流量，M_K為空氣質量，為空燃配比，P為爐膛壓力；

，

其中，Q_OUT為排煙熱損失，T_F為煙溫，為加熱段爐體參數，為爐溫變化量，P為爐膛壓力；

，

其中，T_G為鋼坯溫度，T為加熱段爐溫，為鋼坯參數（含大小、型號和重量）。

依據鋼坯溫度變化函數，按照鋼坯在加熱爐內的運動方向，依次可推算出鋼坯在一加熱段、二加熱段、均熱段的鋼坯溫度分別為T_G1、T_G2和T_G3

T_G1=T_G0+Y₁

T_G2=T_G1+Y₂

T_G3=T_G2+Y₃

其中，T_G0為鋼坯入爐鋼溫；Y₁、Y₂和Y₃分別為根據F₃函數計算出鋼坯在一加熱段、二加熱段和均熱段的溫度變化量；T_G3為出爐溫度。

比對T_G3與鋼坯出爐溫度設定值T_D，獲得偏差e，從而，根據鋼坯溫度補償函數，對各加熱段的爐溫設定點分別進行調整

其中，為鋼坯溫度補償各加熱段爐溫設定點的調整量。

按照上述結果，采用自尋優算法，重復利用函數Y、，采用不同的爐溫設定點調整參數，直到爐溫設定點偏差e達到設定范圍內，則選用該調整參數，計算出該鋼坯對爐溫設定點的最終調整量。

例如，通過Y函數，預計算參數下的e1，從而根據函數推算出調整參數；再通過Y函數，預計算參數下的e2，從而根據函數推算出調整參數；比較e2與e1大小，根據，在的基礎上，調整的大小和正負，若>0，則，若<0，則；再通過Y函數，預計算參數下的e3，從而根據函數推算出調整參數；根據，在的基礎上，調整的大小和正負，若>0，>0則，若>0，<0則，若<0則；……；按照此自尋優方法進行循環計算，直到e在設定的范圍內，尋優結束。

采用統計方法，設計鋼坯匯總函數，根據自動統計系統中的物料跟蹤信息，實時計算各加熱段內鋼坯對爐溫的調整量，降低單根鋼坯對系統的影響力，穩定控制過程

其中，為各加熱段爐溫設定點的調整量；為鋼坯對各加熱段爐溫設定點的影響權重系數。

鋼坯出爐溫度的測量值T_c，設定值T_D，偏差E=T_c-T_D，根據E，運行反饋修正函數Z，調整鋼坯權重系數及函數和Y函數的相關系數

（）=Z（E）。

由以上步驟，實現整個仿真模型的閉環回路和實時在線功能。