JPS60151709A - 工業炉の炉温制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、銅材等の利Ｆ）を加熱する］−築炉（加熱
炉、均熱炉、焼鈍炉および熱処理炉等）の炉内ガス温度
、すなわち炉内温度（以下、４洗ｉともいう。）の１ｌ
ＩｉＪ　ａｌｌｌ装置、特に最適なｒｆＩｔＪ御パラメ
ータを１１１トさせて制御を行なう炉温制御装置に関す
る。

一般ニ、プロセスのフィードバック制御においてｔよ、
制御パラメータ、例えばＰＩＤ（比１（・１・持分・微
分）制御ならば比例利得、積分時定数および微分時定数
をプロセスの特性に応じて適正に設定することが大切で
ある。しかしながら、プロセスの特性はその操業条件に
より変化１・るものであるから、これに応じて制御パラ
メータも変更することが望ましく、このように制御を行
なうのが、いわゆる適応制御と呼ばれるものである。

〔従来技術とその問題点〕

一般に、加熱炉における炉温制御は、炉内のガス湿度を
検出し、これをＰＩ制御により目標値と一致するように
燃料供給量を制御することにより行なわれる。このとき
、ＰＩパラメータは燃料供ｖｊ１と炉温のプロセス特性
によって決まるが、このプロセス特性は前述の如く操業
状態によって大きく変化する。すなわち、第１図は無負
荷時（炉内に拐ｒ１がないとき）と通常負荷時における
燃料供給量のステップ変化に対する炉温の応答特性を示
す特性図であるが、この図からも明らかなように、無負
荷時の場合は通′ｌ；５負狗ＩＳに比べて、燃料供給Ｊ
■の変化に対する炉ｄδ）の感度が鋭い、つまり燃料Ｕ
：玲量に対する炉温の変化量が大きいことがわかる。な
お、第１図は炉壁と相判間の熱吸収率が０１の場合の例
である。このことは、操業開始時すなわち空炉の状態か
ら材料を装入する際に、いわゆる１ハンチング”を起こ
してプロセスが不安定になり易いということである。こ
れを防ぐために？ｉ、ＰＩパラメータを弱くする必要が
あるが、このようにすると通常負荷時の応答性が悪くな
り、適正な制御ができなくなるという難点がある。これ
は、応答を早めることと、ハンチングを起こさないよう
にすることとが相反する事項であるためである。このた
め、操業変化に対応するプロセス特性をめて制御パラメ
ータを適応させる、いわゆる適応制御を行なうことが考
えられる０しかしながら、以下に述べるように燃料供給
量と炉温のプロセス特性は材料温度、炉壁湿度等が相互
に関係しあって非常に複雑であり、これを決めることは
必ずしも容易ではない。例えば、燃料ガスについては、 一σｉ＝□φｃｇ　（（Ｔｇ＋２７３）’（Ｔｓｉ＋２
７３）’　）ＡｓＨ −σ、Σ　φＷｇ　（（Ｔｇ＋２７３）’鳳＝１ （Ｔｓｉ＋２７３）’　）Ａｗ　−・”　（１）亥た；
゛材料（ｉ＝１〜ｎ）については、−（’ｉ’　ｓｉ　
＋２７３）　）　・・・・・・　（３ンさらに、炉壁温
度については、 −（ｒｗ＋２７ａ）　）　・−・・−・（５）の如き関
係があり、例えば燃料ガスの温度を上記（１）式の関係
だけからめることができず、（１）〜（５）式を連立方
程式として解かなければならないという難点がある。な
お、上記（１）〜（５）式に示される記号の意味は次の
通りである。

Ｔｇ：炉温 Ｔｓｌ：　ｉ番目の材料温度 Ｔｗ：１戸什■、１１度 Ｔａ：予熱空気湿度 Ｍｇ：炉内所定ゾーンのガス熱容量 Ｍ５１：　ｉ番目の材料熱容量 Ｍｗ：炉壁の熱容量 Ｍａ：予熱空気の熱容量 Ｍｏ：排ガスの熱容量 ｒｑ：燃料低位発熱量 ｒａ：空燃比 Ａｇ３：　ｉ番目の材料の表面積 Ａｗ：炉壁の表面積 に５１：ｉ番目の材料の熱伝導率 ｋＷ：炉壁の熱伝導率 σ　：ステファンＯボルツマン定数 ｎ　：ゾーン内の材料本数 φｃｇ”材料−ガス間の熱吸収率 〜ｇ：炉壁−ガス間の熱吸収率 ｆｇ：ガス流量 Ｘ　：材料の幅 ｙ　：材料の高さ 〔発明の目的〕 この発明は上記に鑑みてなされたもので、時々刻々変化
する操業東件に対応してＭ週な制御が可能な工業炉の炉
温制御装置を提供することを目的とするものである。

〔発明の要点〕

その要点は、燃料供給量に対する炉温の動特性を所定の
伝達関数で近似するとともに、炉の特性および炉内に存
在する材料の本数や特性等に応じて該伝達関数のパラメ
ータをめ、該パラメータを用いて表わされる伝達関数を
含む制御装置全体の伝達関数に対して最適な制御パラメ
ータを演算し、この制御パラメータにもとづいて炉温の
制御を行なうようにした点にある。

〔発明の実施例〕

まず、制御原理について説明する。

燃料供給ｉｔに対する炉温のステップ応答は負荷状態に
よって異なるが、その伝達関数の形式は次式の如く、 １次遅れ要素（上式の右辺第１項）と積分要素（上式の
右辺第２項）との和で近似できることが、第１図の特性
曲線からも明らかである。なお、Ｓはラプラス演算子で
ある０ところで、上記（６）式の如く表わされる炉温特
性を、先の（１）〜（５）式で表わされる特性と略一致
させるためには、（６）式で用いられる係数に１および
時定数Ｔｌ　ｐ　’ｒ２を以下の如く選べば良いことが
確かめられている。すなわち、ただし、 Ａ＝ｒｑ＋ＭａｒａＴａ　Ｍｇ（１＋ｒａ）ＴｇＢ＝σ
φ　・４♂・Ａｗ ｇｇ 」−〇ｇθＳｉ　＋０５□）Ａｓｉ　十Ｂ　）であり、
各記号の意味は先と同様である。なお、θ２．ｏｓｉｔ
−ｊそれぞれ炉の絶対湿度ｓ［目の材料の絶対湿度で、 θ、＝Ｔｇ＋２７３ θ５ｉ−Ｔ、ｉ＋２７３ である。

一方、１ｔｉＵ御装置の操作部および検出部の各伝達関
数Ｇｕ（Ｓ）およびＧＦ（Ｓ）を、 の如く仮定する。ここに、むだ時間ＬＵ　ｐ　ＩＪＦお
よび時定数’Ｉ’Ｕ　ｐ　ＴＦは、設備によって定まる
定数である。こうすることにより、操作部から検出部ま
での系全体の伝達関数Ｇ（Ｓ）は、先の（６）式の如く
推定された伝達関数Ｇｐ（８）と合わせて、次の如く表
わされる。

Ｇ（Ｓ）−〇Ｕ（Ｓ）・Ｇｐ（Ｓ）・Ｇｒ（Ｓ）　ｎｏ
・＋−（１２こうして得られた伝達関数Ｇ　（Ｓ）に対
し、次式の如きＰＩＤ制御の操作出力ｕ（ｔ）における
ｕ（ｔ）　＝　Ｋｐ　（（ｒ　Ｔｇ） ・・・・・・（ｔ３） 最適な制御パラメータＫｐ（比例利得）　ｐ　Ｔｉ　（
積分時間）およびＴＤ　（微分時間）をめる。なお、成
る伝達関数が与えられたとき、これにもとづいて最適な
制御パラメータをめる手法には種々あって、いずれも公
知である（なお、必要ならば、例えば、第２２回日本自
動制御学術講演会予稿集（１９７８年）１２７〜１２８
頁「応答面積を用いたＰＩＤオートチューニングの方式
」の項を参照されたい。）。なお、（１１式におけるＴ
ｇは炉温であり、ｒはその目標値である。

、以上の如くしてめられた制御パラメータにもとづいて
、制御装置が工業炉の炉温を所定の目標値となるように
制御する、というのがこの発明による制御原理である０ 以下、綿２図を参照して具体的に説明する０なお、第２
図はこの発明の実施例を示す構成図である。同図におい
て、１は炉、２は鋼材等の材料、３１１ｔガス温度計（
検出部）、４はコントローラ、５はバーナ、６はトラッ
キング演算装置、７は温度演算装置、８はプロセス特性
演算装置、９は制御パラメータ演算装置、１０は燃料供
給経路（操作部）、１１は予熱空気供給経路（操作部）
、Ｗは炉壁、Ｚは加熱ゾーンである。

すなわち、第２図は連続加熱炉の例であり、炉１の一部
とそれに対応する制御装置系とが図示され°Ｃいる。鋼
材等の材料２は、バーナ５にて加熱されながら、炉１内
の加熱ゾーンＺを通って矢印几方向へ移動せしめられる
。トラッキング演算装置６は、炉ｌに相打２が装入され
た時点から加熱ゾーンＺがどのようになっているかをト
ラッキング（追跡）シ、装入詩からの経過時間と相打の
移送態様とにもとづいて、ゾーンＺ内に存在する材料の
本数、その位置等を演算する０温度演算装置７は、この
トラッキング演算装置６による演算結果と、温度計３を
介して検出される炉温とから周知の差分法（必要ならば
、昭和４６年５月１０日、日本鉄鋼協会編１発行、「連
続鋼片加熱炉における伝導実験と計算方法」を参照され
たい。）等を用いて炉壁の表面温度、さらには各材料の
サイズ（断面積）を考慮して各材料の表面温度を算出す
る。プロセス特性演算装置８は、演算装置６，７で演算
されたこれらの値（ゾーン内材料の本数。

炉壁の表面温度、各材料の表面温度）と、材料のサイズ
、温度計３を介して検出される炉温、経路１０を介して
供給される燃料の供給量および経路１１を介して供給さ
れる予熱空気の温度等から、先の（６）式で近似される
プルセスの伝達量１Ｇｐ（Ｓ）に関するパラメータに１
　＃　Ｔ１　＃　Ｔ２を（７）〜（９）式を用いて演算
する。なお、燃料供給量および予熱空気温度を検出する
手段は適宜設けられているものとする６制御パラメータ
演算装置９は、前記ａａ式で表わされる伝達関数に対す
る最適なＰＩＤパラメータを演算し、コントローラ４に
与えるｏコントｏ　５４ｔｊ、ｓこの制御パラメータに
よってＰＩＤ演算を行ない、温度計３を介して検出され
る炉温をその目標値に一致させるべく、経路１０および
バーナ５を介して供給する燃料の量をコントロールする
。

なお、炉壁および各材料の温度は上述の如く、演算によ
ってめるのが一般的であるが、別途センサを設けること
により、これらを検出するようにしてもよいものである
０ 〔発明の効果〕 この発明によれば、工業炉の操業条件にかかわらず常に
最適なパラメータを用いてフィード／＜ツク制御を行な
うことができるので、安定かつ連応性の良好な制御が実
現され、これによって操業開始１１ｔ「の不安定状態ま
たはフル操業時の応答性の悪さも解消されるという利点
がもたらされるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料供給ｈ（のステップ変化に対する炉温の応
答特性を示す特性図、第２図はこの発明の実施例を示す
構成図である。 符号説明 １・・・・・・炉、２・・・・・・材料、３・・・・・
・ガス温度計、４・・・・・・コントローラ、５・・・
・・・バーナ、６・・・・・・トラッキング演算装置、
７・・・・・・温度演算装置、８・・・・・・プロセス
特性演算装置、９・・・・・・制御パラメータ演算装置
、１０・・・・・・燃料供給経路、１１・・・・・・予
熱空気供給経路、Ｗ・・・・・・炉壁、Ｚ・・・・・・
加熱ゾーン代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　渭 第１頁の続き

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料と予熱空気とを供給して所定相料を加熱する工業炉
   の時々刻々変化する操業条件に対応するプロセス特性を
   め、これに対して最適なパラメータを適応させて炉温の
   フィードバック制御を行なう工業炉の炉温制御装置であ
   って、該炉内に装入される材料をトラッキングして少な
   くともその本数を演算するとともに該材料の本数および
   サイズならびに別途検出される炉温（検出炉温）とにも
   とづいて各相打と４様の各表面温度を演算する第１の１
   １１１０手段と、燃料供給景に対する炉温の動特性を所
   定の伝達関数にて近似し該第１演算手段による演算結果
   、６拐ｒ１のサイズおよび検出炉温と別途検出される予
   熱空気の温度および流量とにもとづいて該伝達関数のパ
   ラメータを演算する第２の演算手段と、該伝達関数を含
   む制御装置全体の伝達関数に対して最適な制御パラメー
   タを演算する第３の演算手段とを備え、該制御パラメー
   タにもとづいて炉温の制御を行なうことを！Ｆ、！徴と
   する工業炉の炉温制御装置。