鼓風機防喘控制與喘振預測應用研究

方林 張壽明

摘 要：鼓風機是高爐冶煉的核心動力設備，喘振是鼓風機固有的機械特性，一旦鼓風機出現(xiàn)喘振，將會給鼓風機和冶煉高爐帶來嚴重危害。傳統(tǒng)鼓風機防喘控制系統(tǒng)采用單一PID控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對喘振的調節(jié)時間長，導致鼓風機喘振幾率較高。將專家系統(tǒng)與PID相結合，可克服單一PID控制的缺點，通過專家系統(tǒng)對管網壓力與氣體出口流量數(shù)據進行分析，從而實現(xiàn)鼓風機防喘振線的動態(tài)化，提高鼓風機防喘控制系統(tǒng)對復雜工業(yè)環(huán)境的適應能力與工作效率，降低鼓風機喘振幾率。

關鍵詞：鼓風機；喘振；防喘控制；專家系統(tǒng)；防喘振線

DOI：10.11907/rjdk.172634

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0141-03

Abstract：The blower is the main power equipment for blast furnace smelting， and the surge is the inherent mechanical characteristic of the blower.Once the blower appears surging， it will cause serious harm to the blower and smelting blast furnace. The traditional blower anti-surge control system adopts a single PID control， but the pure PID anti surge control system has poor stability， and has a long time for surge regulation， which leads to a higher probability of blower surge. The combination of expert system and PID overcomes the shortcoming of single PID control. The data of pipe network pressure and gas outlet flow are analyzed by expert system so as to realize the dynamic blower surge line， improve the adaptability to the complex industrial environment and efficiency of the blower anti-surge control system and reduce the chance of blower surging.

Key Words：blower； surge； anti-surge control；expert system； anti surge line

0 引言

鼓風機是我國金屬冶煉中的核心動力設備，鼓風機的穩(wěn)定運行，可保障金屬冶煉的順利進行。喘振是鼓風機固有的機械特性，如果鼓風機出現(xiàn)喘振時無法快速得到消除，將使鼓風機機組產生周期性振動，高爐內的高溫氣體回流到鼓風機，從而對機組精密部件以及機組密封性造成嚴重破壞，甚至導致鼓風機軸瓦斷裂。因此，在鼓風機喘振控制過程中，應采取先進、科學的控制方法，達到對喘振的有效預測及控制[1]。

目前，在工業(yè)自動化領域，鼓風機防喘控制仍然采用PID算法控制，主要由于單一的PID控制具有結構簡單、穩(wěn)定性好、易于實現(xiàn)的優(yōu)點[2]，但單純基于PID算法的鼓風機防喘控制系統(tǒng)很難達到工業(yè)自動化對其動態(tài)性能及抗外界干擾能力的要求。

隨著科技的不斷發(fā)展，為提高工業(yè)控制系統(tǒng)的綜合性能，智能控制逐漸進入工業(yè)領域。專家系統(tǒng)為智能控制的一個分支，其具有類似專家的知識與思維方式，且具有調節(jié)速度快、魯棒性強的優(yōu)點。將專家系統(tǒng)與PID算法相結合，可克服單一PID的缺點，從而對鼓風機的防喘控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，使在無人干預的情況下保證鼓風機穩(wěn)定運行，達到防喘控制的預期效果[3]。

1 鼓風機防喘功能實現(xiàn)

1.1 鼓風機喘振分析

鼓風機對吸入的空氣做功后，再通過排氣管網輸出到高爐內[4]。在鼓風機運轉正常的情況下，鼓風機的防喘振閥處于關閉狀態(tài)。一旦鼓風機出現(xiàn)喘振，鼓風機對氣體做功則出現(xiàn)紊亂，使鼓風機葉柵處產生渦流，導致氣體管網壓力增大，氣體出口流量與排氣壓力急劇下降，甚至出現(xiàn)管網內氣體回流的現(xiàn)象。此時，鼓風機防喘振閥打開，鼓風機轉速緩慢下降[5]。

1.2 鼓風機防喘控制與喘振預測原理分析

鼓風機喘振主要表現(xiàn)為管網壓力過大，排氣壓力與氣體出口流量減小。采用專家系統(tǒng)與PID算法對鼓風機管網壓力、排氣壓力與氣體出口流量數(shù)據進行采集與分析，可將鼓風機控制在安全的工作區(qū)域內，以達到喘振控制與喘振預測的目的[6]，如圖1所示。隨著機械設備的老化，鼓風機的防喘振線也不斷變化，如圖2所示。通過專家系統(tǒng)對鼓風機喘振數(shù)據的分析，使防喘振線隨著設備老化程度而變化，從而達到對鼓風機喘振的精確控制[7]。

2 鼓風機防喘控制系統(tǒng)設計

2.1 PID控制原理

PID算法是工業(yè)現(xiàn)場最常用與最經典的算法之一。PID算法是將設定值R（t）與輸出值u（t）的差值即穩(wěn)態(tài)誤差e（t）=R（t）-y（t）作為PID控制系統(tǒng)的輸入值，通過u（t）=Kp+1Ti∫e（t）dt+Tdde（t）dt計算出的結果作為控制信號輸出值。在控制系統(tǒng)中，只要調節(jié)比例系數(shù)（Kp）、積分時間常數(shù)（Ti）、微分時間常數(shù)（Td），即可實現(xiàn)PID算法控制[7]。

2.2 專家系統(tǒng)原理

專家系統(tǒng)又稱為專家智能控制，是指將控制領域專家的知識、技術、經驗與計算機程序相結合，使控制系統(tǒng)在未知或無人干預的情況下，用專家的思維和知識解決遇到的技術問題[8]。專家系統(tǒng)的主體框架由知識庫與推理機構成，通過對控制領域知識（先進經驗、動態(tài)信息、目標等）的獲取與組織，按其控制策略，及時選用恰當?shù)囊?guī)則進行推理輸出[9]，從而實現(xiàn)對實際對象的控制。而人機接口可方便實現(xiàn)鼓風機控制算法知識庫的補充、問題反饋及算法移植等[10]。專家系統(tǒng)結構如圖3所示。

2.3 專家PID設計原理

專家PID算法是在PID控制器基礎上加入專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)的推理輸出結果，從而控制PID的比例系數(shù)（Kp）、積分時間常數(shù)（Ti）、微分時間常數(shù)（Td）3個參數(shù)，實現(xiàn)對鼓風機喘振的控制。專家PID控制器結構框架如圖4所示。

專家PID控制器的構成包括以下部分：

（1）控制規(guī)則：通過對采集的管網壓力、氣體出口流量、排氣壓力數(shù)據進行分析、處理，判斷鼓風機此刻的運行狀態(tài)，從而調節(jié)PID算法的比例、微分、積分參數(shù)值。

（2）數(shù)據采集：專家系統(tǒng)將采集的管網壓力及氣體出口流量儲存到知識庫中，并對數(shù)據進行分析、判斷，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)防喘振線的動態(tài)化，從而達到預測喘振的目的。

（3）參數(shù)組：在一定的喘振線下，參數(shù)組1應用于鼓風機輸入值處于防喘振線5%～8%的安全裕度情況下，參數(shù)組2應用于鼓風機輸入值接近或處于防喘振線的情況下，參數(shù)組3應用于鼓風機輸入值處于喘振報警線的情況下，參數(shù)組4應用于鼓風機處于喘振的情況下。一旦參數(shù)組3與參數(shù)組4被啟用時，即使鼓風機沒有喘振，控制系統(tǒng)也會發(fā)出報警信號，從而達到預測喘振的目的。

（4）PID控制器：根據不同參數(shù)組的選擇，直接對鼓風機防喘振閥進行控制。

設鼓風機輸入信號值為Input（x），其中x為管網壓力值或鼓風機氣體口流量，Output為控制系統(tǒng)輸出量，t為鼓風機數(shù)據采集的采樣時間，r（t）為專家PID控制系統(tǒng)中輸出值與輸入值的靜態(tài)差值，第k次與第k-1次的靜態(tài)誤差值分別為 r（k）、r（k-1）；N1、N2、N3、N4為常量（N1< N2P2>P3>P4），T1、T2、T3、T4（T1

當r（t）≤N1時，此時靜態(tài)誤差較小，鼓風機在防喘振線的5%～8%安全裕度下運行，處于安全運行狀態(tài)。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應適當增加PID的比例系數(shù)與積分系數(shù)，適當選取微分系數(shù)，所以專家系統(tǒng)應選擇參數(shù)組1。

當N1

當N2

當N3≤r（t）時，此時靜態(tài)誤差最大的鼓風機出現(xiàn)喘振，防喘振閥全部打開，應適當減小參數(shù)組4的比例系數(shù)與微分系數(shù)，增加積分時間，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化。

3 鼓風機防喘控制性能分析

通過分別對單一PID控制下與專家系統(tǒng)PID控制下鼓風機的氣體出口流量、排氣壓力及喘振線數(shù)據進行采集、分析，得出鼓風機防喘控制系統(tǒng)在單一PID 算法與專家系統(tǒng)PID算法控制下的氣體出口流量、排氣壓力、防喘振線一小時內的變化值，如圖5～圖7所示。由圖可見，在一定時間內，鼓風機出口流量與排氣壓力在單一PID控制下的變化幅度較大，而在專家系統(tǒng)PID控制下的變化趨于穩(wěn)定；同時，單一PID控制下的鼓風機防喘振線較為穩(wěn)定，而在專家PID算法控制下的鼓風機防喘振線隨鼓風機的機械特性處于不斷變化的狀態(tài)。

對采用單一PID防喘控制系統(tǒng)的鼓風機特性進行分析，發(fā)現(xiàn)在同樣時間內，該系統(tǒng)鼓風機的氣體出口量與排氣壓力波動性較大，而且某一時刻內，鼓風機氣體出口流量與排氣壓力有突然減少的趨勢，此時鼓風機有出現(xiàn)喘振的危險。而且無論鼓風機本身特性如何變化，防喘振線均是恒定值，不會隨著鼓風機的機械特性變化而變化，可見鼓風機采用單一PID防喘控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對喘振的調節(jié)時間長，導致鼓風機喘振幾率較高。

對于采用專家PID防喘控制系統(tǒng)的鼓風機特性進行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的氣體出口流量與排氣壓力比較穩(wěn)定，對控制系統(tǒng)的調節(jié)相對較快，對復雜工業(yè)現(xiàn)場的適應能力較強，并且防喘控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，明顯降低了鼓風機的喘振幾率，提高了高爐冶煉安全性能。同時，控制系統(tǒng)的防喘振線可隨著鼓風機機械特性的變化而變化，從而提高了鼓風機的工作效率，有效防止了喘振發(fā)生。因此，在實際工業(yè)現(xiàn)場，采用專家PID算法的鼓風機防喘控制系統(tǒng)比單一PID算法防喘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強，更容易適應鼓風機所在的復雜工業(yè)控制環(huán)境。

4 結語

本文提出的鼓風機防喘控制系統(tǒng)將廣泛應用的PID算法與專家系統(tǒng)相結合，彌補了單一PID算法穩(wěn)定性差、超調時間長的缺陷。專家系統(tǒng)通過對采集的數(shù)據進行分析，不斷修正防喘控制系統(tǒng)設定的喘振線，從而降低了鼓風機在運行中出現(xiàn)喘振的幾率，保障了鼓風機的工作效率，提升了鼓風機防喘控制系統(tǒng)對復雜工業(yè)環(huán)境的適應能力。

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（責任編輯：黃 ?。?/p>