焦爐集氣管壓力智能控制策略的應(yīng)用

駱長平，李朝光

廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004

焦爐集氣管壓力智能控制策略的應(yīng)用

駱長平，李朝光

廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004

介紹柳鋼焦化廠四煉焦系統(tǒng)集氣管壓力控制改造，比較傳統(tǒng)控制方式與智能控制的優(yōu)劣勢，并分析先進智能控制在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

集氣管壓力；PID；模糊控制；專家解耦；前饋控制

一直以來，集氣管壓力控制都是焦爐生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系著環(huán)境污染、能源損耗、產(chǎn)品回收，也影響到生產(chǎn)工況和焦爐壽命。而許多焦爐集氣管壓力長期使用單回路PID方式進行控制。對于集氣管壓力具有的干擾因素復(fù)雜、耦合強、非線性、大滯后等特性，實際控制難以達到設(shè)定值±20Pa的工藝要求。

1 主要問題及傳統(tǒng)控制方式

在煉焦過程中，影響集氣管壓力穩(wěn)定的因素很多，如：加煤、開關(guān)高壓氨水、啟閉上升管水封蓋等操作，會造成壓力大幅波動。另外，荒煤氣產(chǎn)氣量也會隨結(jié)焦時間變化而變化。對于焦爐生產(chǎn)而言，集氣管壓力越穩(wěn)定越好，設(shè)定值依爐型不同通常為80Pa～160Pa，屬于微壓控制，因此，集氣管壓力的穩(wěn)定一直是焦爐工藝控制的難點。

柳鋼焦化廠四煉焦系統(tǒng)為JN-43型焦爐，集氣管共分四段，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，各段集氣管均設(shè)有人工翻板和調(diào)節(jié)閥。支管在一側(cè)匯總，經(jīng)初冷器后與鼓風機串聯(lián)，管道分布不平衡，實際生產(chǎn)操作過程中耦合作用明顯。

四焦集氣管壓力一直采用單回路PID控制。鼓冷調(diào)節(jié)包括：初冷器前吸力控制，煤氣風機回流控制，三個控制回路相互獨立，卻相互影響。常規(guī)PID依據(jù)被控參數(shù)的偏差大小實施控制，不能預(yù)測其變化趨勢，存在“滯后”。且集氣管組間，及與初冷器前吸力控制系統(tǒng)之間各自為政，相互耦合。傳統(tǒng)控制方式，不僅難以克服集氣管壓力波動，甚至還會加劇波動，導致壓力控制系統(tǒng)進入失效或過敏狀態(tài)，造成焦爐冒煙冒火。

2 集氣管壓力智能控制策略

由于被控對象是一個相互耦合，具有很強時變性和非線性的不確定過程，難以通過數(shù)理分析，獲得精確數(shù)學模型。因此，引入模糊控制、專家解耦以及前饋控制，以優(yōu)化集氣管壓力的控制。

2.1復(fù)合式模糊控制

通過分析，將集氣管壓力偏差值E及其變化率EC作為模糊控制器的輸入變量，將集氣管壓力調(diào)節(jié)閥的閥位控制增量ΔU作為輸出變量，構(gòu)建Mamdani型二維模糊控制器。

表1　模糊控制規(guī)則表

控制器的兩個輸入變量，相當于PID中的比例和微分環(huán)節(jié)，能提高系統(tǒng)阻尼性能，減少響應(yīng)過度超調(diào)，但缺少積分環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能較差。因此，控制系統(tǒng)采用F-PI的復(fù)合控制器進行調(diào)節(jié)。根據(jù)專家經(jīng)驗，當測量偏差大于設(shè)定閾值時，選擇模糊控制；小于閾值時，進入PI細調(diào)，使穩(wěn)態(tài)值漸漸逼近設(shè)定值。既獲得模糊控制的動態(tài)響應(yīng)，又發(fā)揮PI控制器消除余差的優(yōu)點。

根據(jù)集氣管壓力偏差、偏差變化率以及調(diào)節(jié)閥輸出增量，均選定7個模糊子集，分別為｛NB，NM，NS，Z0，PS，PN，PB｝，即｛負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大｝，E/EC=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，表示壓力偏差及其變化率在正反方向上大小的程度。用ΔU=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7｝，分別表示調(diào)節(jié)閥的閥位增減量大小。所有模糊子集均選取三角形隸屬函數(shù)，描繪分布圖，建立隸屬函數(shù)表達式。

通過歸納操作經(jīng)驗，得到四焦集氣管壓力控制的23條模糊控制規(guī)則，使用模糊條件語言（if…then…）表達如下。

若偏差E是負大或負中且變化率EC為負大或負中或負小，則開度增量為負大；

（if E=（NB or NM）and EC=（NB or NM or NS）then ΔU=NB）

……

把所得控制規(guī)則都填入表中，即得該系統(tǒng)完整的模糊控制規(guī)則表，見表1。

在建立規(guī)則表，獲得變量大致輸出結(jié)果后，采用面積重心法，利用Matlab的simulink工具箱，可方便地離線計算獲得模糊控制查詢表。通過解模糊得出具體的精確值，再通過比例因子進行縮放，獲得調(diào)節(jié)閥的實際執(zhí)行信號。整個判斷、查詢、推理過程，采用PLC的梯形圖來完成。

2.2前饋補償控制

在集氣管壓力系統(tǒng)中，各段壓力受初冷器前吸力影響很大。因此，引入初冷器前吸力，作為集氣管壓力控制的前饋補償。將前饋與反饋控制結(jié)合起來，利用前饋控制克服主要干擾，反饋控制克服其余干擾及前饋補償不完全的部分。

以初冷器吸力P（k）大小進行分段補償，分為3檔。①P（k）≥2.1kPa時，前饋補償系數(shù)G=0.5；①1.5≤P（k）≤2.1kPa時，G=1.0；③P（k-1）≤1.5kPa時，G=1.8。并將該系數(shù)在集氣管壓力控制反模糊化后，與模糊輸出量相乘，進行相應(yīng)補償。

2.3專家解耦控制

集氣管壓力系統(tǒng)是一個多變量耦合系統(tǒng)，爐間并聯(lián)，存在負耦合，焦爐與鼓風機串聯(lián)，存在正耦合。運用生產(chǎn)實踐中獲得的專家知識，設(shè)計專家控制器對系統(tǒng)的一些特殊工況進行解耦。

2.3.1集氣管間解耦

在焦爐生產(chǎn)過程中，爐間存在很大耦合作用，常出現(xiàn)一座焦爐集氣管壓力過高，而其他焦爐壓力過低的情況。當1#集氣管壓力高于2#時，1#的煤氣不但流向總管，同時還流向2#集氣管，使1#管壓力下降，2#管壓力上升，兩管壓力趨于平衡，這是系統(tǒng)的自平衡能力，也是其耦合所在。若僅對單管分開實施控制，必然在耦合作用下產(chǎn)生超調(diào)，加劇系統(tǒng)的波動。解決方案就是對單個焦爐集氣管，在原控制器計算控制增量后，再構(gòu)造一修正系數(shù)進行疊加，實現(xiàn)補償解耦，使得各分管控制器輸出增量及修正后的控制量分別為：

其中，Pi為控制修正系數(shù)，f（Ei，ECi）為第i號管特殊符號函數(shù)（i=1、2、3、4），Δui為原分管控制器輸出增量。

設(shè)ei，eci為第i號集氣管壓力的精確誤差及誤差變化率，則Ei，ECi為模糊化后誤差及變化率。Pi，f（Ei，ECi）由如下規(guī)則給出：

定義1 if（Ei≥2 and ECi≥3）or（Ei≥4 and ECi≥0） then Ti=1；

定義2 if（Ei≤2 and ECi≤0） then Ri=1；

① if （T1=1 and R1≠1 and T2≠1 and T3≠1 and T4≠1）then f（E1，EC1）=1，P1=1.2

② if （T2=1 and R2≠1 and T1≠1 and T3≠1 and T4≠1）then f（E2，EC2）=1，P2=1.2

③ if （T3=1 and R3≠1 and T1≠1 and T2≠1 and T4≠1）then f（E3，EC3）=1，P3=1.2

④ if （T4=1 and R4≠1 and T1≠1 and T2≠1 and T3≠1）then f（E4，EC4）=1，P4=1.2

⑤ if （T1≠1 and T2≠1 and T3≠1 and T4≠1）then f（Ei，ECi）=1，Pi=1.0

這種方法在原單管控制輸出基礎(chǔ)上，增加補償解耦系數(shù)。通過快速恢復(fù)自身壓力，減小單管異常突變引起的組間不平衡。使控制輸出不僅以單管工況的模糊控制算法為基礎(chǔ)，而且考慮了組內(nèi)快速負耦合的影響，減小了壓力波動。

2.3.2集氣管與初冷器吸力間解耦

除了焦爐組間耦合外，集氣管壓力系統(tǒng)中，還存在集氣管壓力與初冷器吸力之間的正耦合作用。若初冷器前吸力波動較大，可能會引起各焦爐集氣管壓力同時產(chǎn)生振蕩。其特征是：各集氣管壓力同方向波動，但初冷器前吸力調(diào)節(jié)卻出現(xiàn)反向變化，進一步加劇各集氣管壓力的同向波動。此時，通過將初冷器前吸力調(diào)節(jié)與各集氣管壓力值相關(guān)聯(lián)來消除耦合。算法如下：

其中，PV和SV為1#、2#爐四段集氣管壓力的測量平均值和設(shè)定平均值，P1～P4和SV1～SV4分別為1#、2#爐四段集氣管壓力測量和設(shè)定的實際值。

if（（PV-SV）≥45Pa and P5≤1.8kPa） then MV=MV+5％

其中，P5為初冷器前煤氣總管吸力，MV為初冷器前煤氣總管吸力調(diào)節(jié)閥輸出閥位。

當各段集氣管壓力測量的平均值PV與設(shè)定的平均值SV之差，大于45Pa，而初冷器吸力小于1.8kPa時，則初冷器前吸力調(diào)節(jié)閥在原來輸出閥位基礎(chǔ)上疊加5％，作為輸出。當各座焦爐集氣管壓力較長時間存在同一方向變化偏差時，通過主動調(diào)節(jié)初冷器前吸力克服耦合作用。

3 結(jié)論

利用經(jīng)典PID控制結(jié)合模糊控制，并引入前饋和專家解耦后，實現(xiàn)了柳鋼焦化廠四焦集氣管壓力的自動調(diào)節(jié)。實際投用效果要比單回路PID控制好很多，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，各段壓力值90％以上時間穩(wěn)定在設(shè)定值±20Pa范圍內(nèi)，滿足工藝控制要求。每年可減少煤氣損失2％～3％，為企業(yè)降低大量成本，減少環(huán)境污染。

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TM92

A

1674-6708（2015）147-0068-02

駱長平，工程師，畢業(yè)院校：廣西大學自動化專業(yè)，工作單位：柳州鋼鐵股份有限公司焦化廠，研究方向：控制科學與工程李朝光，大學學歷，高級工程師，研究方向：過程控制