基于辐射反向分析的控制系统参数辨识研究

高温设备中的热交换通常以辐射为主导，物料受热的边界条件为强烈非线性。对此类系统实施计算机监督控制时，由于气体非灰辐射的复杂性和对工艺参数变化的敏感性，所以控制系统参数的动态补偿十分重要，且难度较大。为弥补以工业实验进行参数估计的不足，申请者提出将系统参数辨识分为基本辨识和补偿辨识两部分，本研究以补偿辨识为重点，以机理性辐射模型在离线条件下的动态分析为主要手段。其本质是从传热学基本原理出发，对辐射-传导-流体流动多因素耦合的传热学问题进行反向分析，实现在线模型参数"总括热吸收率"的软辨识。这有助于全面提高在线模型的动态精度。申请者将区域法模型的辐射全交换面积概念推广应用于炉膛热电偶热端表面，实现了炉温的数学描述，为控制系统的离线研究创造了闭环的条件，也有助于离线研究成果的在线应用。以精确模型修正在线简化模型的研究方法体现了不同学科的优势互补，有利于现代控制理论在各种工业系统中的应用和普及。

高温设备中的热交换通常以辐射为主导，物料受热的边界条件为强烈非线性。对此类系统实施计算机监督控制时，由于气体非灰辐射的复杂性和对工艺参数变化的敏感性，所以控制系统参数的动态补偿十分重要，且难度较大。为弥补以工业实验进行参数估计的不足，本研究提出将系统参数辨识分为基本辨识和补偿辨识两部分，以机理性辐射模型在离线条件下的动态分析为主要手段。其本质是从传热学基本原理出发，对多因素耦合的传热学问题进行反向分析，实现在线模型参数"总括热吸收率"的软辨识。这有助于全面提高在线模型的动态精度。申请者将区域法(也称段法)模型的辐射全交换面积概念推广应用于炉膛热电偶热端表面，实现了炉温的数学描述，为控制系统的离线研究创造了闭环的条件，也有助于离线研究成果的在线应用。项目研究的主要成果有：(1) 结合指数宽带模型和Leckner级数式求解非灰体系下的气体辐射特性参数。为提高指数宽带模型的计算速度，使模型能够满足气体辐射特性参数与平均射线行程耦合求解的要求，回归了H2O和CO2在模型求解过程中较复杂的参数，得到了该参数在各谱带的函数表达式。(2) 本研究提出反演气体对其部分边界平均射线行程的新方法，解除吸收系数为输入条件的限制，以辐射直接交换面积为中间量，结合指数宽带模型和贝尔定律，耦合求解非灰体系下平均射线行程和气体辐射特性参数。(3) 采用当量灰的思路描述炉气。分别在非灰体系和灰体系下，建立以炉气和被加热物料表面温度为输入条件的一段式三元模型，并以非灰体系下求解的物料表面热流为基准，反演当量灰体系下的辐射特性参数和平均射线行程。(4) 建立引入假想面的二维稳态区域法模型，解决了炉内辐射遮蔽问题。为提高模型计算效率，推导了二维体系下的辐射直接交换面积积分降重表达式。并改进了全交换面积计算过程，避开由于引入了假想面反射热流密度的求解中出现计算式分母为零的情况，使改进的方法能够适用于存在黑体表面段的体系进行计算。(5) 为满足实时性要求，本研究提出改进型动态三元模型。(6) 分别采用黑匣子实验和改进型动态三元模型对系统参数进行基本辨识和补偿辨识。(7) 提出并实现连续加热炉双模型钢温跟踪系统，以传统的总括热吸收率法为主模型，以改进型动态三元模型为辅助模型，由三元模型实现系统参数的在线实时动态辨识，以修正基本辨识值。