步进梁加热炉是冶金领域的一种大型多区段热处理设备,主要用于各类板坯、铸锭等的退火处理,具有热工制度灵活、加热坯料不受尺寸规格限制等优点。近年来,随着现代工业对热轧产品越来越高的质量要求,以及国家环保节能政策的不断推出,作为冶金工业的重要耗能设备,对步进炉加热过程在燃烧效率、控温精度以及炉温均匀性等方面也提出更高的要求。优化系统控制过程,提高坯料加热质量、降低炉子能耗、并节约系统设计成本是加热炉工程设计中的重要内容。本文以宁夏中色某集团公司所建的一座天然气步进梁加热炉为研究对象,结合实际工艺控制要求,开展以下研究工作:1.进行炉温动态过程建模。采集实际加热过程数据,利用瞬态响应插值法进行模型辨识,借助MATLAB软件进行模型测试,比较模型输出与实际过程数据偏差,验证模型的有效性。2.基于步进炉供热机制,进行铜锭内部热传导方程的工程简化,通过有限元分析法对模型进行离散化,借助MATLAB进行铜锭内部传热行为的仿真计算,并采用埋敷偶工程试验方法验证铜锭温度分布仿真计算的有效性。同时基于传热过程能量守恒法则,在已知铜锭上表面温度工艺曲线下,反向求解炉温设定值,以降低各控温区温度设定余量及燃料消耗,减小铜锭内部温度偏差。3.针对步进炉炉温过程模型存在的不确定性参数摄动情况,借助Lyapunov稳定性理论和LMI方法,进行H∞鲁棒稳定性分析,推导并获得系统鲁棒渐近稳定充分条件及控制器求解方法。对算法进行仿真验证,所得结论可有效预估炉温系统一定参数摄动及扰动因素下,系统输出表现。4.归纳热电偶工程应用中存在的故障情况,建立热电偶故障数学模型,针对不确定炉温模型存在的状态及控制时滞,进行非脆弱有记忆和无记忆容错状态反馈控制器设计。通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,借助LMI方法获得系统鲁棒渐近稳定条件及控制器求解方法,仿真及实际工程测试验证了算法的有效性。5.考虑控温过程热电偶传感器故障及外部扰动,针对炉温系统的多状态定常时滞情况,进行鲁棒保性能容错设计。通过构建复合型Lyapunov-Krasovskii泛函,利用LMI方法,给出满足一定性能界及具有H∞干扰抑制能力的鲁棒二次镇定充分条件,同时给出性能上界为最小的鲁棒最优保性能容错控制器求解方法,仿真及工程测试验证了算法的有效性。6.针对步进炉燃烧控制环节,借助可编程软件与常规燃烧设备配合开发程控多段位脉冲燃烧控制器,代替硬件分频设备,实现对加热烧嘴工作时序及燃烧状态的智能控制。实际应用表明,所提出方法能够节约系统成本,有效提高炉温控制精度及炉内温度分布均匀性。