先進控制技術在熱風爐燃燒優化控制系統中的應用

蘇培華

(西安外事學院，陜西 西安 710077)

熱風爐是冶金工業中高爐的輔助設備之一，是一種復雜的熱交換系統，其運行目的是為高爐冶煉提供溫度可控的熱風，從而提高冶煉強度，降低焦炭消耗。目前,國內熱風爐已經安裝了基礎的自動化控制設備，包括爐灶自動轉換邏輯的使用，實現了燃燒過程的自動化和智能化，帶來了節能的新進展。但受限于儀表和執行機構的可靠性，目前的控制系統仍存在一些不足，系統仍難以實現自動運行、優化運行，多數設備仍采用手動方式操作，且控制精度易受外界因素影響(如氣體壓力波動、儀表性能不穩定、燃料主控耦合效應等)。國外熱風爐先進控制技術的研究和應用已經比較成熟，但相關控制技術在我國難以推廣應用。爐體的運行工況、運行特性和工藝特性給控制系統作用的充分發揮帶來了諸多不利因素：執行機構的氣動行程大，死區大，液力表畸變嚴重，甚至完全失效。此外，爐溫各溫度段調整滯后明顯，熱值波動頻繁，生產節奏多變且不可控。因此，實現精確的自動控制需要克服諸多困難，熱風爐的優化控制方法的研究是很大的挑戰。

熱風爐是一個具有純延遲、大慣性和時變特性的非線性控制系統。考慮到常規PID控制技術適應能力較差，傳統的控制算法已很難取得滿意的控制效果。目前爐灶現場多為人工操作，溫度控制精度差，能源浪費大。

1 先進的控制技術

1.1 概 述

先進控制技術是隨著生產過程中對控制要求的不斷提高而迅速發展起來的一種控制技術。在復雜的工業過程中，存在著非線性、大時滯、強干擾、參數多變、變量耦合、參數不可預測等問題。先進的控制技術和方法，包括推理控制、模糊控制、自適應控制、預測控制、多變量控制、智能控制、過程優化、故障檢測和診斷等相關內容。

1.2 超前控制策略

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性強、可靠性高，能夠對確定性系統建立精確的數學模型，被廣泛應用于過程控制和運動控制中。然而，實際工業生產過程往往存在非線性和時變的不確定性問題，難以建立精確的數學模型。常規PID控制器無法達到預期的控制效果，在實際生產現場，受復雜參數整定方法的限制，常規PID控制器在參數整定方面往往表現較差，嚴重影響了控制系統的控制精度與適應性。

先進控制策略主要包含基于擾動觀測器的PID控制器、PID前饋控制器和PID控制器的以及模糊控制器。

1)基于擾動觀測器的PID控制器

實際對象與標稱輸出的差值和模型參數變化引起的擾動等效于控制輸入，即觀測到的等效干擾。在控制中引入等效補償，實現了對干擾的完全抑制。

圖1中，Gp(s)為對象的傳遞函數，d^為觀測干擾，d為等效干擾，u為控制輸入。因此可以獲得

2) PID前饋控制器

PID前饋控制器結構如圖2所示，前饋控制可以提高系統的跟蹤性能。

圖2 PID前饋控制器結構圖

3)模糊PID控制器

模糊控制是一種基于模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的計算機智能控制，其核心是模糊控制器，其模糊控制律通過計算機程序實現，結果如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結構圖

2 先進控制技術在熱風爐上的應用

2.1 基于擾動觀測器的PID控制器的應用

加熱燃燒優化控制模型包括溫度調節控制模型、溫度專家控制算法、燃氣優化控制、解耦控制模型等。其中，先進的穹頂溫度控制系統包括許多影響因素，如燃氣和空氣歧管壓力的變化，熱值的變化等。在分析了影響因素的重要性后，采用基于擾動觀測器的PID控制器。這種控制方法可以減少大部分影響因素的影響，使系統控制精度高、波動小、穩定快。

2.2 PID前饋控制器的應用

廢氣溫度受爐頂溫度、燃燒時間和送風時間的影響。為了實現對煙氣溫度的穩定控制，需要對排氣溫度進行控制，減少熱風爐改變運行方式引起的爐頂溫度波動， 采用PID前饋控制器和預測控制，通過預作用，使爐頂溫度快速達到穩定。

2.3 模糊PID控制器的應用

穹頂溫度控制精度要求高，對送風溫度影響很大。通過使用模糊PID控制器，對燃氣主管壓力進行適當調整，以協調穹頂溫度控制。

3 熱風爐先進控制技術的性能

通過對熱風爐燃燒控制系統的改造，利用先進的控制技術，對該系統進行了有效的測試，測試結果如下：

(1)自動控制回路均實現自動優化運行，試驗控制率可達100%，且長期控制率可保證在95%以上。熱風爐的自動控制運行，大大降低了操作人員的勞動強度。

(2)燃燒控制系統采用先進的控制技術，節能效果顯著，燃氣消耗平均比原控制系統低5.36%，如表1所示。

表1 效果對比表 千萬m3

(3)燃燒先進控制系統采用安全控制，通過故障及時診斷和預警，保護了爐具的安全運行。

(4)送風溫度控制更加穩定，使整體運行情況穩定，提高了高爐煉鐵質量和產量。

4 結 論

先進的控制技術在燃燒系統中的應用已經日漸成熟，在降低燃氣消耗的同時，送風溫度更加穩定，甚至提高了高爐煉鐵質量。先進控制技術的應用為企業帶來了可觀的經濟效益，并對社會產生了積極的影響，因此推廣和改進先進控制技術具有重要意義。