本发明涉及大型热处理炉温度监控技术领域，尤其涉及一种热处理炉的温度控制装置及温度控制方法。
背景技术：
目前，国内的工业炉燃烧控制方式包括蓄热式换向燃烧、连续常规燃烧控制等，这些燃烧控制方式多为比例调节形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种控制方式往往受燃料流量的调节范围和测量等环节制约，故目前大多数加热源的控制效果不佳，主要表现为能耗偏高。
随着工业炉的不断改进，脉冲式燃烧控制技术在国内外得到一定程度的应用，取得了良好效果。脉冲燃烧在这方面比传统比例燃烧具有很大优势，其恒定的空/燃比使燃烧效率保持稳定和最优状态，燃气和空气流量可通过压力调整预先设定，烧嘴一旦工作，就处于满负荷状态，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，炉内不会有过剩的空气和燃气，有效地降低了燃料消耗，减少了氮氧化物的排放。
热处理炉内一般由加热区域和均热区域组成，每个区域又可分为若干个温控段，均热区温度设定为钢坯出炉的目标温度，加热区设定温度由加热工艺决定。其通过pid温度条件系统来控制炉内温度。然而，在进出钢时，短时间内钢坯带来大幅度的温差震荡会给pid温度调节带来困难，产生较大的超调量，使此区域温度比设定温度高出较多，调控精度有限，使得生产成本提高，浪费生产资源。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要提供一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法及温度控制装置，能够提供温度监控精度，减少损耗。
本发明提供一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法，包括以下步骤：
获取所述热处理炉内的温度信息；
获取是否有物料进入加热区域；及
根据所述温度信息及所述热处理炉内物料位置和形状信息，利用自适应校正策略对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度。
具体的，获取所述热处理炉内温度信息的步骤具体包括：
对所述热处理炉内热流体模拟，并根据模拟结果设计温度探头的数量和布置位置，并按照设计安装温度探头；及
当有物料进行加热区域时，利用所述温度探头获取炉内温度信息。
具体的，在进行热流体模拟时，温度探头的布点数量根据热流体所传导的有效加热区体积及物料的形状和大小计算得出；
计算公式分为：6 (有效加热区体积-3.6 n)/2.5；
其中，有效加热区体积的单位为立方米；n为物料的形成和大小参考量；所述有效加热区是指：在对所述热处理炉进行加热的一个加热周期内，包含温度达到所需温度的95～105％范围内的全部位点的集合空间。
具体的，利用自适应模糊校正策略对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度步骤具体包括：
在常规脉冲热调控的基础上加入参数模糊校正策略，参数模糊校正测量通过离线模拟和计算实现。
本发明还提供一种热处理炉的温度控制装置，包括：模糊控制器、检测单元和温度调控执行单元；所述工控制器包括处理器、数据分析模块、加热源控制模块和冷源控制模块；所述检测单元和所述温度调控执行单元均与所述模糊控制器连接；
所述检测单元包括温控模块和物料信息获取模块；所述温控模块用于获取所述热处理炉内的温度信息，并将所述温度信息传输至所述数据分析模块，所述温控模块可对所述热处理炉内的温度均匀性进行检测；所述物料信息获取模块用于获取所述热处理炉内的物料位置和形状信息，并将该信息传输至所述数据分析模块；
所述温度调控执行单元包括冷源和加热源，所述温控模块获得的温度信息输出端分别与所述处理器、所述冷源控制模块和所述加热源控制模块连接；
其中，所述加热源用以产生脉冲辐射热，所述处理器用于进行与利用进行自适应校正策略对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度相关的运算。
具体的，所述处理器用于对所述热处理炉内热流体模拟，以得到有关温度探头的数量和布置位置的模拟结果；以及在常规脉冲热调控的基础上加入参数模糊校正策略，参数模糊校正测量通过离线模拟和计算实现。
有益效果：
本发明在加热区域的温控段采取模糊自适应pid脉冲调节和热能平衡控制供热结合进行加热区域的温控段的控制。有钢坯时按钢坯的体积和钢种特性的供热进行热能平衡控制，没有钢坯时采用模糊自适应pid脉冲调节控制；温控精度更好，系统响应快，超调可控制在10℃以内(提高了温控精度)，控温准确，动态相应快，大大节约燃料。
本发明在热处理炉的加热区域引入模糊自适应实时修正pid参数，使系统动态响应更好，超调更小，调节时间变短，而且带自整定的系统可以更好适应不同的工况调节。
附图说明
图1为本发明实施例提供的热处理炉的温度控制装置系统架构图。
图2为本发明实施例提供的模糊控制器的程序流程图。
图3为本发明实施例提供的模糊控制器的算法原理图。
图4为采用本发明实施例提供的热处理炉的温度控制装置进行温度控制的现场测试的温度时间图，其为热处理炉内最热点的温度时间图。
图5为采用本发明实施例提供的热处理炉的温度控制装置进行温度控制的现场测试的温度时间图，其为热处理炉内最冷点的温度时间图。
1模糊控制器、10处理器、11数据分析模块、12热源控制模块、13冷源控制模块、2检测单元、20温控模块、21物料信息获取模块、
3温度调控执行单元、30热源、31冷源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种热处理炉的温度控制装置，如图1，包括：模糊控制器1、检测单元2和温度调控执行单元3。
具体的，模糊控制器1包括处理器10、数据分析模块11、热源控制模块12和冷源控制模块13；检测单元2和温度调控执行单元3均与模糊控制器1连接；温度调控执行单元3包括热源30和冷源31，热源31用以产生脉冲辐射热，冷源31用以产生脉冲冷气。
具体的，检测单元2包括温控模块20和物料信息获取模块21；温控模块20的温度信息输出端与处理器10通信连接，物料信息获取模块21的信息输出端与处理器10通信连接。
具体的，处理器10的指令输出端与热源控制模块12和冷源控制模块13通信连接，热源控制模块12的指令输出端与热源30的指令接受端通信连接，冷源控制模块13的指令输出端与冷源31的指令接受端通信连接。
具体的，温控模块20可对热处理炉内的温度及温度均匀性进行检测；物料信息获取模块21用于获取热处理炉内的物料位置和形状信息；物料信息获取模块21可采用摄像获取图像信息，也可以采用光电测距获取物料信息。
其中，处理器10为模糊控制器，其用于进行与利用进行自适应模糊算法对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度相关的运算。
进一步的，处理器10用于对热处理炉内热流体模拟，以得到有关温度探头的数量和布置位置的模拟结果；以及在常规脉冲热调控的基础上加入参数模糊校正策略，参数模糊校正测量通过离线模拟和计算实现。
具体的，热源控制模块12和冷源控制模块13均为双向可控硅控制器，用于产生过零出发脉冲信号。
本发明实施例还提供一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法，包括以下步骤：
获取所述热处理炉内的温度信息；
获取是否有加热区域内物料位置和形状信息；及
根据所述温度信息及所述物料位置和形状信息，利用自适应模糊控制算法对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度。
其中，获取所述热处理炉内温度信息的步骤具体包括：对所述热处理炉内热流体模拟，并根据模拟结果设计温度探头的数量和布置位置，并按照设计安装温度探头；及当有物料进行加热区域时，利用所述温度探头获取炉内温度信息。
传统的脉冲燃烧的热处理过程中，温度的控制全部采取常规pid脉冲调节控制，而在本发明提供的热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法下，对热处理炉的加热区域和均热区域的温度控制采取不同处理方式，即加热区域根据钢坯进入的时机不同采取不同的温控技术，并对此区域pid控制的参数进行模糊自整定，而均热区域始终采取常规pid脉冲调节进行温度控制。
本发明所涉及的自适应模糊控制算法具有非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制；且不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用经验值和预试验来设计模糊控制器；其具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感。
本发明涉及的模糊控制器10，主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能，主要由单片机完成，采用规则自寻优的控制算法进行过程控制。其以单片机为主体，与扩展外围电路共同构成处理器，如程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等。
热源30采用双向可控硅控制，由单片机输出通断率和脉冲热流量控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。
温控模块20输出mv信号经变送器芯片转换成0～10v的标准信号，再将此信号经a/d转换之后送入处理器，处理器根据输入的各种命令，通过模糊控制算法计算控制量，输出脉冲触发信号，通过过零触发电流驱动双向可控硅，从而控制加热源的热输出脉冲，如热源的通断开关量及流量。
进一步的，本发明还提供冷源31，冷源亦采用双向可控硅控制，由单片机输出通断率控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。冷源同样接受单片机输出的脉冲触发信号，通过过零触发电流驱动双向可控硅，从而控制冷源的冷源输出脉冲，如冷源的通断开关量及流量。
如图1，模糊控制器10的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是：利用单片机的定时器t0软件计数产生采样周期，周期完成时，程序则转入控制模块，调用a/d转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号，根据偏差和偏差的变化率计算控制量，输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生，有按键输入时则调用中断服务程序。
具体的，获取所述热处理炉内温度信息的步骤具体包括：
对热处理炉内热流体模拟，并根据模拟结果设计温度探头的数量和布置位置，并按照设计安装温度探头；及当有物料进行加热区域时，利用所述温度探头获取炉内温度信息。
其获取温度信息包括温度探头设计和安装时的模拟过程以及在设备运用过程中的实时温度信息。其模拟过程信息可以作为参数模糊校正策略的基础。
本发明的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，选用模糊控制算法中的规则自寻优算法，算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则，简单方便，易于处理。
如图2、3所示，二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括：
u＝-[ae (1-a)c]；
其中，u为经过量化和模糊化的模糊变量，e、c分别为相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量；a为调整因子。
由式(1)描述的控制规则可看出，控制作用取决于误差及误差变化率，且通过调整a的大小，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度，a值一旦确定，在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中，系统在不同的状态下，对控制规则中误差e与误差c的加权程度有不同的要求。如误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能，就要求a值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。下式中采用优化设计方法对a进行在线修正。
a(k 1)＝a(k) 0.567[1-a(k)]，∣e∣≧3；
a(k 1)＝0.567a(k)，∣e∣≧3。
其控制原理如图3所示。
具体的，在进行热流体模拟时，温度探头的布点数量根据热流体所传导的有效加热区体积及物料的形状和大小计算得出；
计算公式分为：u (有效加热区体积-3.6 n)/2.5；
其中，有效加热区体积的单位为立方米；n为物料的形成和大小参考量；所述有效加热区是指：在对所述热处理炉进行加热的一个加热周期内，包含温度达到所需温度的95～105％范围内的全部位点的集合空间。
本发明在加热区域的温控段采取模糊自适应pid脉冲调节和热能平衡控制供热结合进行加热区域的温控段的控制。有钢坯时按钢坯的体积和钢种特性的供热进行热能平衡控制，没有钢坯时采用模糊自适应pid脉冲调节控制；温控精度更好，系统响应快，超调可控制在10℃以内(提高了温控精度)，控温准确，动态相应快，大大节约燃料。
本发明在热处理炉的加热区域引入模糊自适应实时修正pid参数，使系统动态响应更好，超调更小，调节时间变短，而且带自整定的系统可以更好适应不同的工况调节。
为对本发明提供的温度控制装置的硬件和软件进行测试，在对其调试正常工作后，将温度控制器的硬件接口于测试设备进行连接，使得其监控截面采集热处理炉内的温度值及adc值，并将所述采集的温度值使用matlab绘制温度时间曲线图。设定目标温度为750℃，试验时间45分钟，将采集的温度数据导入到matlab中绘制温度-时间变化规律，分析本发明提供的基于模糊校正策略对热处理炉内温度控制效果。
在进行现场实验时：当偏差远大于零时，热源能够产生多股热流体脉冲，以达到快速升温的目的；当偏差远小于零时，冷源能够快速产生脉冲冷气，实现炉内降温的温度；当偏差值较为接近零时，热源和冷源均为启动。
根据图4(最热点)及图5(最冷点)可知，本发明提供的温度控制装置的超调量为21.25℃，系统的上升时间约为1分钟；稳态误差为±10℃；控制系统的分辨率为0.5℃。此结果满足需求。
在进行现场实验时，给热处理炉腔内突然降温，测试温控系统的抗干扰能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种热处理炉的温度控制装置，其特征在于，包括：模糊控制器、检测单元和温度调控执行单元；
所述模糊控制器包括处理器、数据分析模块、热源控制模块和冷源控制模块；所述检测单元和所述温度调控执行单元均与所述模糊控制器连接；所述温度调控执行单元包括冷源和热源，所述热源用以产生脉冲辐射热，所述冷源用以产生脉冲冷气；
所述检测单元包括温控模块和物料信息获取模块；所述温控模块的温度信息输出端与所述处理器通信连接，所述物料信息获取模块的信息输出端与所述处理器通信连接；
所述处理器的指令输出端与所述热源控制模块和所述冷源控制模块通信连接，所述热源控制模块的指令输出端与所述热源的指令接受端通信连接，所述冷源控制模块的指令输出端与所述冷源的指令接受端通信连接；
所述温控模块可对所述热处理炉内的温度及温度均匀性进行检测；所述物料信息获取模块用于获取所述热处理炉内的物料位置和形状信息；
其中，所述处理器为模糊控制器，其用于进行与利用进行自适应模糊算法对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度相关的运算。
2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，所述处理器用于对所述热处理炉内热流体模拟，以得到有关温度探头的数量和布置位置的模拟结果；以及在常规脉冲热调控的基础上加入参数模糊校正策略，参数模糊校正测量通过离线模拟和计算实现。
3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，所述热源控制模块和所述冷源控制模块均为双向可控硅控制器，用于产生过零出发脉冲信号。
4.一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述热处理炉内的温度信息；
获取是否有加热区域内物料位置和形状信息；及
根据所述温度信息及所述热处理炉内物料位置和形状信息，利用自适应模糊校正算法对进入炉内的脉冲热调控进而控制炉内的温度。
5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于，获取所述热处理炉内温度信息的步骤具体包括：
对所述热处理炉内热流体模拟，并根据模拟结果设计温度探头的数量和布置位置，并按照设计安装温度探头；及
当有物料进行加热区域时，利用所述温度探头获取炉内温度信息。
6.根据权利要求5所述的温度控制方法，其特征在于，在进行热流体模拟时，温度探头的布点数量根据热流体所传导的有效加热区体积及物料的形状和大小计算得出；
计算公式分为：u (有效加热区体积-3.6 n)/2.5；
其中，有效加热区体积的单位为立方米；n为物料的形成和大小参考量；所述有效加热区是指：在对所述热处理炉进行加热的一个加热周期内，包含温度达到所需温度的95～105％范围内的全部位点的集合空间。
技术总结