基于模糊PID的高爐頂壓控制研究*

陳大廣 封居強(qiáng) 周 全

(淮南師范學(xué)院 安徽淮南 232038)

高爐是煉鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，雖中國的高爐煉鐵起步晚，但發(fā)展很快。最新數(shù)據(jù)顯示，中國是鋼鐵生產(chǎn)大國，產(chǎn)量雄踞全球第一，達(dá)到全球年產(chǎn)量的一半以上。然而中國高爐控制水平和世界一流還是有差距的，特別是高精度控制能力不足?；诖耍恼戮透郀t頂壓控制提出了模糊PID控制的思想，進(jìn)行了仿真分析，并利用西門子軟件完成了控制的組態(tài)。

1 高爐頂壓系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)工藝情況分析

在高爐生產(chǎn)過程中，根據(jù)現(xiàn)場工藝要求對高爐內(nèi)部頂部上升管的壓力實行恒壓控制，并依據(jù)工況來調(diào)節(jié)壓力設(shè)定值。當(dāng)高爐順行，為提高生鐵產(chǎn)量和質(zhì)量，中型高爐頂壓設(shè)定在15×104Pa(注：文章所注壓力值是高于大氣壓以上的壓力值)以下，小型高爐頂壓設(shè)定在8×104Pa以下(根據(jù)高爐爐齡及工況而定)，從而保證高爐高壓運行，提高生產(chǎn)效率。但在實際生產(chǎn)過程中，影響頂壓穩(wěn)定的因素很多，如爐頂布料、均壓、熱風(fēng)爐換爐、下游用氣單位的影響等，致使頂壓不穩(wěn)。對于該高爐管網(wǎng)壓力而言，在工況穩(wěn)定的情況下，爐頂壓力一般設(shè)定為6×104Pa，上下波動在1×104Pa以內(nèi)(5×104Pa—7×104Pa)，這說明傳統(tǒng)PID控制的效果不佳。原因在于高爐生產(chǎn)需要各種工藝過程相配合，高爐頂壓存在較大非線性，PID控制對非線性系統(tǒng)控制時不能取得滿意的效果。這就要求應(yīng)對控制器進(jìn)行優(yōu)化，提出更能符合高爐生產(chǎn)特點的控制方法。

1.2 高爐煤氣工藝流程簡介

高爐進(jìn)行冶煉生產(chǎn)，是用各種參與反應(yīng)的原料，在高爐爐體內(nèi)部進(jìn)行多種復(fù)雜的物理變化和化學(xué)反應(yīng)的過程。反應(yīng)后產(chǎn)生的鐵水在操作人員處理下，定期排出。產(chǎn)生的高爐煤氣含有大量可燃、有毒氣體，最終經(jīng)由爐頂上升管逸出，按照一定的工藝完成能源回收利用?；厥者^程需要經(jīng)過除塵設(shè)備，包括：重力除塵器、布袋除塵器除去所含大量粉塵后才能被二次利用，高爐煤氣在利用過程中，需要調(diào)節(jié)煤氣壓力值，以滿足工藝要求。根據(jù)爐頂壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計，在煤氣總管上安裝了減壓閥組，調(diào)節(jié)爐頂煤氣壓力，實現(xiàn)中高壓等操作，其工藝流程如圖1所示[1]。

圖1 高爐煤氣工藝流向圖

1.3 高爐頂壓控制系統(tǒng)的工藝要求

根據(jù)高爐頂壓工藝的特點，控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

(1)可靠性：系統(tǒng)的可靠性直接影響到高爐生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

(2)穩(wěn)定性：系統(tǒng)的穩(wěn)定性是衡量控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的重要指標(biāo)。

(3)安全性：要保證系統(tǒng)中設(shè)備的安全及日常檢修人員的安全。

(4)實時性：頂壓控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)(電動調(diào)節(jié)閥的手自動狀態(tài)等)或者參數(shù)檢測(爐頂壓力及相關(guān)煤氣壓力等)按一定的時間間隔進(jìn)行采集，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制；運行中發(fā)生的異常情況，需要報警處理。因此，系統(tǒng)需具備一定的實時性。

(5)先進(jìn)性：當(dāng)今社會進(jìn)步很快，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，控制系統(tǒng)應(yīng)采用新方法和新技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，以更好滿足爐頂壓力恒壓控制的要求。

1.4 高爐爐頂壓力控制系統(tǒng)的組成

高爐爐頂壓力控制系統(tǒng)是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，爐頂壓力高，煤氣管道直徑大，故調(diào)節(jié)閥是成組的，一般由3～5個閥組成。該系統(tǒng)在布袋出口2m處煤氣總管上安裝了減壓閥組，由兩臺直徑為600mm自動閥A和B，一臺直徑300mm量程閥C組成，均為蝶閥，配電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2所示，根據(jù)控制器輸出來控制閥體開度。壓力采集使用壓力傳感變送器實現(xiàn)，在高爐本體爐頂?shù)拿簹馍仙芴幇惭b2臺智能壓力傳感變送器，實時的檢測高爐頂壓的變化，檢測爐頂壓力并取較大值送入PLC模擬量輸入模塊，PLC經(jīng)過一系列的處理運算后給出最終的執(zhí)行器控制量送到現(xiàn)場的電動執(zhí)行器?，F(xiàn)場電動執(zhí)行器帶動各閥體，使每個蝶閥的開度在0～99%之間調(diào)節(jié)。其中B和C按爐頂壓力設(shè)定值不同而使其開啟到某一角度，以便與壓力設(shè)定值相適應(yīng)，A按設(shè)計的控制器輸出信號動作。從而穩(wěn)定高爐頂壓在設(shè)定值處，達(dá)到控制系統(tǒng)的工藝要求，控制系統(tǒng)組成圖如圖2所示。同時為應(yīng)對危險情況，高爐配備頂壓發(fā)散閥，當(dāng)高爐頂壓超出報警上限時自動報警，當(dāng)超過報警定值的10%、15%、20%時分別將相應(yīng)的放散閥開啟并泄壓。

圖2 控制系統(tǒng)組成簡圖

2 .系統(tǒng)模型及其驗證

高爐在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，可以在爐頂許可范圍內(nèi)，通過改變爐頂壓力調(diào)節(jié)閥的開度，根據(jù)開度變化所得的數(shù)據(jù)，并利用飛升曲線法(階躍改變調(diào)解閥開度，得到響應(yīng)曲線)，經(jīng)計算可得T=25.26s，τ=13.86s，K=0.52KPa/%。用兩點法計算可得T=25.15s，τ=15.29s，K=0.58KPa/%。最終取T=24s，τ=14s，K=0.55KPa/%?；诖说玫礁郀t頂壓是一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)[2]，其傳遞函數(shù)為：

(1)

通過擬合仿真分析，比較實際模型于擬合型的擬合程度，爐頂壓力的實際變化曲線和建模響應(yīng)曲線圖如圖3所示，其辨識模型擬合度比較高，是能夠基本反映實際模型的。

圖3 實際曲線與模型響應(yīng)曲線比較圖

3 高爐頂壓模糊PID控制器設(shè)計

3.1 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器，主要由模糊控制器和參數(shù)可調(diào)整的PID控制器兩部分組成，其關(guān)鍵就是實現(xiàn)PID參數(shù)自整定。PID參數(shù)自整定就是找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊推理原理來對三個參數(shù)在線修改。以滿足不同時刻偏差和偏差e和變化ec對參數(shù)PID自動調(diào)整的要求，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 輸入/輸出變量隸屬度函數(shù)的選定

E和EC的隸屬度函數(shù)分別如圖5和圖6所示，為了模糊PID算法實現(xiàn)時的計算快速性，隸屬度函數(shù)全部采用易于計算的三角函數(shù)的形式[3]。

圖5 E的隸屬度函數(shù)

圖6 EC的隸屬度函數(shù)

3.3 模糊調(diào)整表的獲得

根據(jù)高爐頂壓特性獲得調(diào)整規(guī)則模型后，我們根據(jù)模糊控制理論進(jìn)行算法的合成，求得kp、ki和kd的三個參數(shù)的模糊調(diào)整表。首先通過模糊推理得到一個模糊集合，或者是說隸屬函數(shù)，再根據(jù)高爐爐頂壓力的實際情況，采用了面積重心法進(jìn)行解模糊判決得到kp、ki和kd三個參數(shù)的控制調(diào)整表。其中△kp的部分調(diào)整表如表1所示[4]。

表1 △kp的部分模糊調(diào)整表

3.4 階躍響應(yīng)的仿真分析

圖7 常規(guī)PID和模糊PID仿真曲線

4 系統(tǒng)程序設(shè)計及硬件配置實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序的運行，先要進(jìn)行一系列的初始化，使各閥門、泵、變頻器等執(zhí)行結(jié)構(gòu)待命，并要求遠(yuǎn)程控制器、通訊模塊設(shè)備與PLC控制器數(shù)據(jù)傳輸正常。當(dāng)檢測到系統(tǒng)故障時，故障信息要在監(jiān)控畫面顯示，并報警輸出，呼叫維護(hù)人員及時修復(fù)。系統(tǒng)自動啟動后，進(jìn)行高爐頂壓定值控制，其控制系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4.2 故障檢測子程序

控制系統(tǒng)要正常運行，故障檢測能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運行的重要環(huán)節(jié)。依據(jù)高爐頂壓自控系統(tǒng)，需要檢測的量有：調(diào)壓閥的開度檢測、調(diào)壓閥的故障檢測、壓力傳感器的信號斷線檢測、爐頂壓力異常等信號，其故障檢測流程如圖9所示。

圖9 故障檢測程序流程圖

4.3 西門子S7-300的硬件配置實現(xiàn)

S7-300 PLC采用通用的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)控制點位的需求，系統(tǒng)硬件主要選取的有機(jī)架(或稱導(dǎo)軌)、電源模塊、中央處理單元(CPU)模塊、接口模塊(IM)、信號模塊(SM)、功能模塊(FM)和通信(CP)模塊等，利用西門子S7-300軟件進(jìn)行硬件系統(tǒng)組態(tài)，得到的系統(tǒng)的硬件如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的爐頂壓力控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于高爐頂壓的控制，是個相對開放的系統(tǒng)，可以進(jìn)一步完善系統(tǒng)的設(shè)計工作。在高爐煤氣管網(wǎng)壓力控制上，隨著智能控制理論的成熟和完善，以及遺傳算法發(fā)展，尋求利用遺傳算法對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使控制系統(tǒng)更具適應(yīng)性和魯棒性，這也是控制發(fā)展的熱門方向。