基于模糊自尋優(yōu)控制技術(shù)在熱風爐中的研究與應(yīng)用＊

楊青峰

（山東工業(yè)職業(yè)學院電氣學院，山東 淄博 256414）

1 概述

熱風爐主要是為高爐提供冶煉需要的熱風，根據(jù)高爐容積的大小，配套的熱風爐數(shù)量通常為3座或4座。圣戈班穆松橋馬鞍山基地高爐配套3座熱風爐，高爐所產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)過煤氣凈化后，為熱風爐和鍋爐提供燃燒使用的煤氣，由于沒有經(jīng)過煤氣柜進行緩沖，造成高爐在布料過程中對煤氣壓力影響非常大。同時加之高爐容積比較小，高爐爐況不穩(wěn)定造成其產(chǎn)生的煤氣熱焓值也不穩(wěn)定。因此，熱風爐使用該煤氣燒爐進行自動控制難度比較大[1]。

經(jīng)過對現(xiàn)場設(shè)備、工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集分析，確定了基于模糊自適應(yīng)控制策略實現(xiàn)對圣戈班穆松橋馬鞍山基地的熱風爐自動燃燒控制方案。該控制方案有效克服了熱風爐燃燒使用的煤氣壓力波動大、熱焓值不穩(wěn)定等不利因素，有效提高了熱風溫度和節(jié)約了煤氣。

2 模糊自尋優(yōu)技術(shù)應(yīng)用

2.1 工藝簡介

熱風爐的工作過程：燃燒→悶爐→送風→悶爐→燃燒，整個循環(huán)工作過程是格子磚（蓄熱室內(nèi)）在燃燒期間吸收熱量，然后把熱量在送風期間傳給空氣，加熱后送入高爐。

如圖1 所示，熱風爐的燃燒分兩個周期：1）強化燃燒期，短時間達到最高拱頂溫度，如果實際溫度＞=Tmax，自動進入下個循環(huán)；2）蓄熱期，煙道溫度達到要求的最高溫。

圖1 熱風爐燃燒工藝原理圖

當爐子送風時間和蓄熱面一定后，熱風爐蓄熱程度以煙道溫度達到規(guī)定溫度來衡量。影響煙道溫度的因素是燃燒時間T、空氣燃燒量以及煤氣燃燒量。

2.2 系統(tǒng)控制功能架構(gòu)

通過模糊自尋優(yōu)控制在快速加熱期保證拱頂溫度快速上升，在蓄熱期拱頂溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。為了實現(xiàn)空氣流量和空燃比的最優(yōu)控制，從而保證熱風爐加熱過程處于最優(yōu)，因此，初步設(shè)計整個系統(tǒng)包括下列模塊：專家協(xié)調(diào)控制器、快速加熱期空燃比模糊自尋優(yōu)控制器、蓄熱器空燃比模糊自尋優(yōu)控制器、蓄熱器空氣流量模糊自尋優(yōu)控制器、流量給定計算模塊和流量調(diào)節(jié)閥前饋協(xié)調(diào)器。第四模塊完成流量對空燃比和煤氣流量設(shè)定的跟隨即優(yōu)化控制。前三模塊對空燃比尋優(yōu)。流量調(diào)節(jié)閥前饋協(xié)調(diào)器在流量給定計算模塊給出流量后計算煤氣、空氣閥開度[2]。

2.3 模糊自尋優(yōu)控制器

模糊控制器用于快速燃燒期及蓄熱期空燃比的優(yōu)化設(shè)定，控制輸入為拱頂溫度偏差以及偏差變化率，控制輸出是空燃比調(diào)節(jié)增量。在給定空燃比初始值的前提下增量調(diào)節(jié)控制，得到最優(yōu)空燃比[3]。

模糊自尋優(yōu)控制器設(shè)計步驟：

1）確定輸入輸出變量：

拱頂溫度偏差e和偏差變化率ec為模糊控制器的輸入，空燃比增量u是輸出。

2）模糊自尋優(yōu)控制器的控制規(guī)則的設(shè)計：

表1 偏差 e 隸屬函數(shù)中心和寬度表

表2 偏差變化率 ec 隸屬函數(shù)中心和寬度表

圖2 手動燒爐煙道氧含量

e、ec的隸屬度函數(shù)采用高斯隸屬函數(shù)，解析式如下：

偏差e的高斯型隸屬函數(shù)中心和寬度如表1所示。

高斯型隸屬函數(shù)中心和寬度如表2所示。

3）模糊自尋優(yōu)控制器系數(shù)設(shè)定：

Ke選大了，系統(tǒng)動態(tài)性能上升較快，超調(diào)量較大，過渡過程長。

Ke的初選值：Ke=6/60=0.1。

Kec 選較大時系統(tǒng)超調(diào)量減小，響應(yīng)速度變慢，因此Kec對系統(tǒng)超調(diào)抑制明顯。

Kec的初選值：Kec=6/40=0.15。

模糊自尋優(yōu)控制器系數(shù)在線修正：利用專家系統(tǒng)對模糊控制器量化因子Ke、Kec 進行修正。根據(jù)E 和EC 的大小確定Ke、Kec 的取值。當E 和EC 很大時，控制系統(tǒng)要減小誤差，加快動態(tài)過程，得到較大的控制量，應(yīng)減小Ke 和Kec；當E和EC很小時，應(yīng)加大Ke和Kec。

通過模糊自尋優(yōu)控制器，將e 和ec 模糊化后求得E、EC，得到u，空燃比的增量通過對被觸發(fā)的規(guī)則輸出加權(quán)平均后求得，然后加上當前空燃比實際值，得到輸出設(shè)定值[4]。

3 效果對比

本系統(tǒng)在圣戈班穆松橋馬鞍山基地的熱風爐上已經(jīng)成功應(yīng)用，該系統(tǒng)能把熱風爐的煙道氧含量控制在0.5～1.0 之間，正常燃燒過程中煙道一氧化碳含量小于500 ppm。圖2、圖3為現(xiàn)場煙道氧含量對比圖。

圖3 自動燒爐煙道氧含量

從上面兩幅圖中可以看出手動燒爐對煙道氧含量控制不平穩(wěn)，間接的反應(yīng)出空氣和煤氣的配比不合適，自動控制能把氧含量控制在目標范圍內(nèi)，使空氣和煤氣達到合理的配比，煤氣得到充分燃燒達到節(jié)約能源的目的。

4 結(jié)論

鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用熱風爐自動燃燒控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)只需常規(guī)的氧含量、流量、壓力參數(shù)，可以實現(xiàn)自動優(yōu)化燃燒。