加熱爐爐溫PID模糊控制方法的研究

柴 琳

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

1 引言

高爐噴吹煤粉是煉鐵工藝最主要的節(jié)能降耗措施。但隨著煤比的提高，制粉所需的熱值消耗越來越大，熱風(fēng)爐廢氣所提供的熱值已不能滿足生產(chǎn)需要，這時(shí)必須使用煙氣加熱爐來加熱廢氣，以提供足夠的熱值。然而，煙氣加熱爐爐溫控制等存在一些問題，成為阻礙噴煤比提高的瓶頸。

2 系統(tǒng)描述

煙氣加熱爐系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。煙氣加熱爐是煤粉制備的重要設(shè)備，也是一個(gè)燃燒低熱值燃?xì)獾奶厥庠O(shè)備。其安全連續(xù)運(yùn)行對生產(chǎn)過程起著舉足輕重的作用，因此對它的工作可靠性、準(zhǔn)確性提出了很高要求。

圖1 煙氣加熱爐系統(tǒng)工藝流程圖

圖中A、C及虛線為傳統(tǒng)的“小閉環(huán)控制”系統(tǒng)，B、D為新的爐溫控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)把加熱爐出口溫度點(diǎn)A作為PID調(diào)節(jié)的主控點(diǎn)，這種模式?jīng)]有把磨機(jī)出口溫度參數(shù)引入控制系統(tǒng)參與溫控。這看似合理，但當(dāng)熱風(fēng)流量和壓力發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)無法把這種變化產(chǎn)生的溫度擾動反饋到調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去，系統(tǒng)也就無法對流量和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。若供氣管道中的燃?xì)鈮毫Σ徽＃謩娱y及控制閥的設(shè)定不正確等，容易引起設(shè)備故障，表現(xiàn)為磨機(jī)溫度控制失調(diào)，磨機(jī)內(nèi)的O2、CO超標(biāo)等。因此磨機(jī)溫度控制十分重要，直接影響制粉的質(zhì)量和產(chǎn)量。為此本文改用一種新的更為合理的調(diào)節(jié)方式，即以磨機(jī)出口溫度為主進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以煙氣加熱爐出口溫度作安全聯(lián)鎖。煙氣加熱爐爐溫控制系統(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖2 爐溫控制系統(tǒng)流程框圖

由于煤粉制備是一個(gè)理化反應(yīng)過程而且加熱爐爐溫具有非線性、純滯后、隨機(jī)干擾等特點(diǎn)，要建立其最優(yōu)控制數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的［1］。常規(guī)PID調(diào)節(jié)器不能滿足系統(tǒng)對參數(shù)的自整定要求，影響了控制效果的進(jìn)一步提高［2］。針對上述煙氣加熱爐溫度調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，本文采用PID模糊控制技術(shù)調(diào)節(jié)煙氣加熱爐系統(tǒng)各工作區(qū)的溫度。

3 PID模糊控制器的設(shè)計(jì)

PID模糊控制技術(shù)是PID控制和模糊控制的結(jié)合。即在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊理論建立參數(shù)KP、KI、KD與偏差絕對值E和偏差變化率絕對值EC間的二元函數(shù)關(guān)系為KP＝f1（E，EC），KI＝f2（E，EC），KD＝f3（E，EC），的控制器。并可根據(jù)不同的E和EC在線自整定參數(shù)KP、KI、KD。這種新型的控制方法不依賴于對象的模型，設(shè)計(jì)簡單，容易編程，可用最簡單的計(jì)算機(jī)做控制器，而且采取非線性控制［3］［4］。

在煙氣加熱爐生產(chǎn)過程中，入口爐溫和出口爐溫是衡量生產(chǎn)是否穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù)，另外，加熱爐尾氣中的CO含量是衡量煤粉是否燃燒充分的重要指標(biāo)。因此設(shè)計(jì)模糊控制器的輸入變量為實(shí)際運(yùn)行中加熱爐入口溫度、CO實(shí)際值與工藝設(shè)定值之間的偏差E及偏差變化率E C，輸出變量為磨機(jī)的出口溫度。PID模糊控制器的原理圖如圖3所示。

圖3 PID模糊控制器原理圖

PID模糊控制器的具體構(gòu)成如圖4所示。

圖4 PID模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4可知，偏差E及偏差變化率E C作為輸入量，磨機(jī)出口溫度作為輸出量。根據(jù)工藝，會對系統(tǒng)爐頭入口溫度和CO含量設(shè)定一個(gè)工藝期望值，磨機(jī)出口溫度有一個(gè)工藝設(shè)定值。設(shè)入口溫度的工藝期望值為T1，CO含量的期望值為Q，設(shè)磨機(jī)出口溫度的期望值為T2，實(shí)際運(yùn)行中的各參數(shù)實(shí)際值為T1′、Q′，實(shí)際值與工藝設(shè)定值之差為ΔT1，ΔQ。取PID模糊控制器的輸入變量偏差的基本論域?yàn)椋?6℃，6℃），模糊子集為（負(fù)大、零、正大），偏差變化的基本論域?yàn)椋?6℃，6℃），模糊子集為（負(fù)大、零、正大）。輸出量磨機(jī)出口溫度的基本論域是（82℃，88℃）。

根據(jù)下列規(guī)則建立模糊規(guī)則：

模糊推理規(guī)則是把輸入模糊變量映射到相應(yīng)的輸出模糊變量上。這些規(guī)則是系統(tǒng)的知識庫，是根據(jù)工藝操作和操作人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、抽取而建立起來的。

輸入量的隸屬函數(shù)為鐘形。

用加權(quán)平均法去模糊，輸出量的表達(dá)式為：

其中uci為使μB（uci）取最大值的點(diǎn)，它一般也就是隸屬度函數(shù)的中心點(diǎn)。顯然：

這種控制的特點(diǎn)是模糊控制器作為基本控制器與被控過程形成閉環(huán)，完成實(shí)時(shí)控制、PID協(xié)調(diào)及在線實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)系統(tǒng)性能在線調(diào)整控制器的參數(shù)，從而根據(jù)具體對象有效地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性［5］。

4 PID模糊控制器實(shí)際應(yīng)用

將上述PID模糊控制器直接應(yīng)用到煙氣加熱爐的溫度控制系統(tǒng)中，由PID在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)，能得到滿意的效果。

以磨機(jī)出口溫度作為煙氣加熱爐PID調(diào)節(jié)主控點(diǎn)，把煙氣加熱爐出口溫度作安全聯(lián)鎖，能夠合理利用熱風(fēng)爐煙氣、煙氣加熱爐、尾氣，實(shí)現(xiàn)在不同制粉能力下（給煤量），都能確保磨機(jī)出口溫度控制在85±3°C的合理范圍內(nèi)，達(dá)到了保證制粉質(zhì)量的目的。同時(shí)，煙氣加熱爐溫度控制曲線比較穩(wěn)定，基本上消除了因煙氣加熱爐溫度控制不穩(wěn)而造成的點(diǎn)不著火或者點(diǎn)火后熄滅的故障，其它各類故障次數(shù)也明顯減少。

通過調(diào)節(jié)輸入量O2，CO配比也可以作為加熱爐調(diào)節(jié)控制依據(jù)，通過采集不同流量下溫度、O2和CO等相關(guān)數(shù)據(jù)，對熱風(fēng)爐出口煙氣中的O2含量和CO含量的監(jiān)測，可建立合理的燃燒配比模型，以期達(dá)到控制含量在O2＜10%、CO＜2000ppm 的安全生產(chǎn)范圍內(nèi)，再用模型指導(dǎo)系統(tǒng)對空氣與燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

5 燃?xì)?空氣燃燒配比模型建立

由于現(xiàn)場對高爐煤氣和助燃空氣流量測量存在一定的誤差，按理論計(jì)算的λ值進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)燃燒效果并非最佳。但以理論值為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)，通過監(jiān)控?zé)煔饧訜釥t爐溫的變化過程，測試加熱爐出口O2和CO含量，以及人工觀測孔觀察爐內(nèi)燃燒火焰的變化情況等措施，可以逐步細(xì)調(diào)燃?xì)?空氣配比參數(shù)（λ值），建立配比模型。研究發(fā)現(xiàn)燃?xì)?空氣配比并非線性，而是與流量檢測值、調(diào)節(jié)閥的開度非線性有很大的關(guān)系，因此對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對比，歸納其中的規(guī)律后,最終采用分段線性化方法得到了實(shí)際的燃?xì)?空氣燃燒配比模型。燃?xì)?空氣燃燒配比模型如圖5所示。

圖5 燃?xì)?空氣燃燒配比模型

6 結(jié)束語

PID模糊控制器在煙氣加熱爐爐溫控制系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行效果證明，通過PID模糊控制器建立的控制系統(tǒng)，確保煙氣加熱爐出口溫度控制在合理范圍內(nèi)，磨機(jī)出口溫度穩(wěn)定，O2、CO控制在允許的安全生產(chǎn)范圍內(nèi)，噴煤比有了明顯提高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文采用PID模糊控制技術(shù)，將磨機(jī)出口溫度作為主控點(diǎn)，突破了把煙氣加熱爐出口溫度作為主控點(diǎn)的傳統(tǒng)控制模式，建立了更合理的燃?xì)?空氣燃燒配比模型。

［1］陳 峰，潘海鵬.基于專家模糊控制的電阻爐溫度控制系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（10）.

［2］張建民，王 濤，王忠禮.智能控制原理及應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003，60－64.

［3］W X Xie，S D Bed rosian.An Information Measure for Fuzzy Sets［J］.IEEE Trans.System，man and cybemetics，2004（14）：1.

［4］許 力.智能控制與智能系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］曾光奇，胡均安，王 東，劉春玲.模糊控制理論與工程應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.