退火炉控制系统是一个非线性、时变、有噪声干扰和纯滞后的系统。要克服上述因素的影响，实现较精确的温度控制，并在此基础上寻求最佳的燃烧过程，提高热效率，以达到节约能源的目的。常用的做法是根据烟道废气中的残氧量来进行油／风比的校正。实践证明，这种方法由于受多种条件限制，效果不够理想。为了解决这一问题，本文提出了一种新的控制技术，利用热效率与油／风比之间的峰值特性，采用模糊自寻优控制，自动搜索最佳油／风比。数 字仿真表明该方法可以加快搜索过程，提高搜索质量，对不可控因素的干扰具有较好的自适应能力。１硬件控制电路设计
该系统的被控对象是退火炉，被控参数是炉内温度，退火炉燃料为煤气，改变阀门的开度便可改变退火炉内燃烧的煤气流量，从而改变炉内温度。单片机模糊炉温控制系统用镍铬－镍铝热电偶检测退火炉内实际温度。热电偶输出的电信号经信号变送器、信号调理电路送至单片机模糊炉温控制器。控制器根据系统给定温度和炉内实际温度及炉内实际温度的变化率，利用模糊控制算法，求出控制系统的控制输出量（数字量），经Ｄ／Ａ变换器转变为控制模拟量以控制煤气阀门的开度，从而改变炉温。 退火炉炉温的模糊自寻优控制器设计
王晓燕
（江西理工大学机电工程学院，江西赣州３４１０００）
摘要：为退火炉燃烧过程的炉温控制设计了模糊自寻优控制器，自动搜索最佳油／风比，取得了较好的控制效果，且对不可控因素的干扰具有较好的自适应能力。在保温阶段，比手动控制可节能１２％左右，经济效益可观。
关键词：退火炉；模糊自寻优；自适应
中图分类号：ＴＧ１５５．１；ＴＰ２７３．＋４文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－６９８８（２００８）０４!００１６"０３
ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｕｚｚｙＳｅｌｆ－ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＡｎｎｅａｌｉｎｇ
ＦｕｒｎａｃｅＢｕｒｎｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｙａｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ３４１０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｕｚｚｙｓｅｌｆ－ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａｎｎｅａｌｉｎｇｆｕｒｎａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｅｌｆ－ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｔｃａｎｓｅａｒｃｈｔｈｅｍｏｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｒａｔｅｏｆｏｉｌａｎｄａｉｒａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｄａｐｔｉｖｅｔｏｎｏｉｓｅｆａｃｔｏｒｓ．Ｄｕｒｉｎｇｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓｔａｇｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｍａｎ－ｕａｌｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓ，１２％ｅｎｅｒｇｙｉｓｓａｖｅｄ．Ｔｈｉｓｂｒｉｎｇｓｇｒｅａｔｅｒｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｎｅａｌｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ；ｆｕｚｚｙｓｅｌｆ－ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ａｄａｐｔｉｖｅ
收稿日期：２００８－０４－２９
基金项目：教育部科学技术研究重点资助项目（２０６０７７）；江西省教育厅资助项目（２００６１９１）．
作者简介：王晓燕（１９７６—），女，工学硕士，副教授，研究方向为智能控制、网络控制．
图１模糊炉温控制系统工作原理图
退火炉热电偶变
送
灰度矩阵器
信
号
调
理
转
换
器
放
大
器
转
换
器
８９Ｃ５１
单
片
机
控
制
系
统
打
印
机
键
盘
显
示
第３０卷第４期２００８年７月
Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．４
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＦｕｒｎａｃｅ
单片机模糊炉温控制系统
Ａ／Ｄ
Ｄ／Ａ
煤气
１６
工业炉
第３０卷第４期２００８年７月
２模糊控制系统总体设计
对退火炉燃烧过程的控制，要求维持稳定的温
度以保证钢材退火质量。最佳燃烧过程取决于燃料和空气的比例。根据统计分析，燃烧过程中空气过剩系数１．０２￣１．１０时热效率最高。在燃烧过程中，控制系统应该通过控制燃油和空气的比例来保持最佳的燃烧状态。
２．１炉温模糊控制器设计
炉温控制回路中的模糊控制器的原理图见图
２。
图中ｅ和ｅ!为误差和误差变化，模糊控制采用常用的控制形式，加以适当的人工修正。
上述模糊控制器有４个可调参数，即量化因子Ｋ１、Ｋ２，比例系数ＫＰ和积分系数ＫＩ。增大Ｋ１、Ｋ２，可以提高系统对误差及其变化的分辨率，使控制精度提高，但Ｋ１、Ｋ２太大不利于系统的稳定性。增大ＫＰ或
ＫＩ都能使响应速度加快，但可能引起振荡。根据实际调整的经验，可取Ｋ１≈Ｋ２，ＫＰ＝（２￣３）ＫＩ。当Ｋ１、Ｋ２取值较大时，应适当减少ＫＰ、ＫＩ。若采样周期较长，则ＫＰ、ＫＩ可选得大一些。
２．２油／风比自寻优控制器设计
退火炉的油耗量与油／风比之间存在极值关系。
这种极值关系受燃料热值变化及油嘴变化的影响，会产生漂移。可以用最小耗油量为指标，对油／风比进行自寻优控制。
为了提高搜索速度，减小搜索损失，可以采用变步长的方法。在离极值点较远处，曲线较陡处，选用大步长，而在极值点附近，曲线平缓处，采用小步长进行搜索。通过模糊逻辑判断可以实现步长的自动改变。
应用模糊集合理论设计的模糊自寻优控制器见图３，它以耗油量为指标，寻最佳的油／风比。在每个采样周期测量油耗量Δｙ，根据Δｙ和上一周期寻优步长决定本次寻优步长。
ΔＹ和ΔＸ分别是耗油增量和步长的模糊语言变量。Ｋｙ为Δｙ的量化因子，Ｋｘ为比例因子，它把ΔＸ
转换为步长的实际值。
选择ΔＹ、ΔＸ分别为包含８个和６个语言变量的模糊子集如下：
ΔＹ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＮＯ，ＰＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝
ΔＸ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝
ΔＹ和ΔＸ论域分别规定为１４和１２个等级，
即：Ｙａ＝｛－６，－５，，－０，＋０，…，＋５，＋６｝Ｘａ＝｛－６，－５，，－１，＋１，…，＋５，＋６｝
自寻优搜索过程的控制规则如表１所示，其中ΔＸｔ－１为上一周期寻优步长，ΔＸｔ为本次寻优步长。
给定ΔＹ和ΔＸ隶属度赋值表，应用模糊推理合成规则，计算出自寻优控制表，再加上人工修正，可得自寻优控制表２。
增加Ｋｙ和Ｋｘ，可以提高搜索速度，Ｋｘ的值还会
图３
模糊自寻优控制器
ΔｙΔＹ油量检测
ＫＰ
ＹａΔＸｔ－１
金属接线盒Ｘａ
化学镀镍磷合金ΔＸｔ
模糊自寻
优控制器
ｅ
－ｓ
停步环节
空气
Ｋｘ
ΔＸ
ａ
图２炉温模糊控制器
ｙ０＋－
ｅ
Ｋ１
ｄ／ｄｔ
ｅ
!ＥＥ!Ｋ２
模糊
控制表Ｋｐ∫Ｋ１
＋＋
ｕ
对象
ｙ
表１
模糊自寻优控制规则表
ＮＢＮＭＮＳＰＳＰＭＰＢＮＢ
ＮＢＮＢ
ＮＢＰＢＰＢＰＢＮＭＮＭＮＢＮＢＰＢＰＢＰＢＮＳＮＳＮＭＮＭＰＭＰＭＰＳＮＯＮＳＮＳＮＳＰＳＰＳＰＳＰＯＰＳＰＳＰＳＮＳＮＳＮＳＰＳＰＳＰＭＰＭＮＭＮＭＮＳＰＭＰＭＰＢＰＢＮＢＮＢＮＭＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＢ
ΔＸｔ－１ΔＸｔ
ΔＹ
Ｕ
表２
模糊自寻优控制表
－６－５－４－３－２－１１２３４５６－６
－６－６－６－６－６－６６６６６６６－５－６－６－６－６－６－６６６６６６６－４－４－４－５－５－６－６６６５５４４－３－４－４－５－５－６－６６６５５４４－２－１－１－３－３－３－４４４３３１１－１－１－１－３－３－３－４４４３３１１０－１－１－１－１－１－１１１１１１１０１１１１１１－１－１－１－１－１－１１１１３３３４４－４－３－３－１－１２１１３３３４４－４－３－３－１－１３４４５５６６－６－６－５－５－４－４４４４５５６６－６－６－５－５－４－４５６６６６６６－６－６－６－６－６－６６６
６
６
６
６
６
－６
－６
－６
－６
－６
－６
Ｘａｔ－１
ＸａｔＹａ
１７
影响搜索损失，故可根据对收敛速度的要求选择Ｋｙ，而根据对搜索损失的要求选择Ｋｘ。
自寻优控制是一种稳态最优比控制，其采样频率应低于对象固定频率的２￣５倍。因此，油／风自寻优的采样周期应为温度采样周期的２￣５倍。本系统选取自寻优采样周期为３ｍｉｎ，即为温度调节回路采样周期的３倍。
３应用效果
燃油退火炉的手动控制和采用模糊控制系统后
的温度记录曲线，见图４（ａ）、（ｂ），采用模糊控制时，
升温跟踪误差在±４℃以内，保温段精度可达２℃。炉压给定为１０Ｐａ，控制精度为±２Ｐａ。
油／风比自寻优控制收敛速度很快，一般经过６￣８个采样周期即可达到最佳值。
据初步估计，在保温阶段，采用模糊控制比手动控制可节能１２％，经济效益可观。整个系统运行稳定，没有振荡，在温度控制回路加入２０％的阶跃干扰时，温度最大落差为
１０℃，恢复时间约为１０个采样周期。
结果表明，利用热效率与油／风比之间的峰值特
性设计的自寻优控制器达到了良好的效果。
参考文献：
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王磊，王为民．模糊控制理论及应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００３．
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连铁道学院学报，２００６，２７（１）：１７－１９．
女性快乐器８００７００６００５００
温度／℃
１
４
７
１０１３
１６
１９
２２
时间／ｈ
（ａ）手动控制温度记录曲线图
（ｂ）模糊控制温度记录曲线１
４
７
１０
１３
１６
１９
２２
石棉密封垫８００７００６００５００
图４
温度记录曲线
温度／℃
时间／ｈ
云朵制造机经验交流：退火炉炉温的模糊自寻优控制器设计
报道
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>>>>>>>>>齐齐哈尔市大型企业节能减排及工业炉技术交流会于２００８年５月１６日在北方机器有限公司召开。来自一重集团、北满特钢、齐车集团、北方机器等大型企业主管能源工作的领导及工业炉窑热工的技术人员２０多人参加了会议。黑龙江省工业炉学会、齐市发改委科技工业处的领导及哈尔滨汽轮机厂的专家参加了会议。会议由黑龙江省工业炉学会副主任、北方机器有限公司高级工程师贾道玉主持。北方机器有限公司总工艺师罗宏松代表北方机器有限公司致词并讲话。
会议首先由贾道玉高工传达了中国机械工程学会长沙年会及工业炉学会主办的“工业炉节能环保国际学术交流会”的会议精神，向会议代表介绍了２００８上海“第九界中国国际铸造、锻造、及工业炉展览会”的有关事宜。会议对齐市企业的节能减排及工业炉的技术改造与管理等问题进行了热烈的发言和讨论，对企业在节能减排及工业炉技术改造和管理上的好经验好措施给予了充分肯定。如：将先进的热工工艺与工业炉的技术改造相结合；能耗指标落实到炉（台、套）；企业能耗及热工设备热效率测定；提高工业炉的控制水平，规范操作、维护标准，杜绝跑冒滴漏等。
与会代表认为：加强技术、质量管理，落实各项措施，积极推动齐市工业炉技术的发展，将对节能减排工作发挥重要作用。
（黑龙江省工业炉学会供稿）
齐齐哈尔市大型企业节能减排暨工业炉技术交流会召开
１８
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