AOD爐濺渣護爐氮氣流量模糊自適應(yīng)PID控制

徐成勝,　邱　東,　王宏志

(1.長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春　130012;2.長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春　130012)

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AOD爐濺渣護爐氮氣流量模糊自適應(yīng)PID控制

徐成勝1,邱東1,王宏志2

(1.長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春130012;2.長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春130012)

摘要：針對AOD爐濺渣護爐氮氣流量控制系統(tǒng)中氮氣流量復(fù)雜變化、非線性、時變性等問題，研究了模糊規(guī)律并應(yīng)用于PID控制器。MATLAB仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：模糊自適應(yīng);PID; 流量控制

0引言

常規(guī)PID控制具有高可靠性、算法簡單、魯棒性好等特點，而且是最早發(fā)展起來并在工業(yè)控制中普遍使用的控制策略。常規(guī)PID參數(shù)整定比較復(fù)雜，對于線性系統(tǒng)還能有效的控制，但是對于非線性系統(tǒng)的控制卻表現(xiàn)不佳[1-3]。文中控制對象是AOD爐濺渣護爐中氮氣流量系統(tǒng)，在AOD爐濺渣護爐工藝中，利用氧槍高速射出的氮氣流對爐子底部留渣進行噴吹，濺起的爐渣分布在AOD的爐襯上,起到保護爐襯的作用。氮氣流量是由氣體流量閥門直接控制的，但是即使閥門開度相同，在很多時候氮氣流量的大小也不盡相同，因為其流量還與儲氣罐壓力(氮氣壓力)和溫度等外界因素密切相關(guān)。由此看來本系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，所以常規(guī)的PID控制器不能達到系統(tǒng)對氮氣流量精度和穩(wěn)定性的要求。系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID控制器[4]，其具體的控制原理如下:首先結(jié)合實際系統(tǒng)運行過程中的調(diào)節(jié)經(jīng)驗制定模糊知識庫，根據(jù)模糊知識庫轉(zhuǎn)化成模糊規(guī)則;其次將模糊規(guī)則添加到PID控制中，實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整。使用模糊自適應(yīng)PID控制器對氮氣流量系統(tǒng)做到很好的控制，其控制精度及系統(tǒng)在遇到擾動時候的調(diào)節(jié)時間，還有動態(tài)、靜態(tài)性能都有很好的改善。

1AOD爐濺渣護爐工藝與氮氣流量控制

1.1AOD爐濺渣護爐工藝

AOD爐即氬氧精煉爐是在鐵合金生產(chǎn)領(lǐng)域中新興的一種生產(chǎn)工藝。濺渣護爐工藝是提高AOD爐爐齡的重要方法之一，其操作方法簡單，能耗低，生產(chǎn)過程安全已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在冶金行業(yè)中。具體操作方法是：在冶煉過程出鋼以后，首先在爐底預(yù)留一部分爐渣，必要時向其中加入相應(yīng)的調(diào)渣劑，將爐渣調(diào)整到合適的粘度；其次將氧槍的高度調(diào)整到合適的位置，氧槍接到氮氣的氣源上，氮氣以高速射流的方式噴出，這時爐底的爐渣被高速的氮氣流濺起噴涂在AOD爐的內(nèi)壁上[5]。當下次進行冶煉時，厚厚的濺渣層把爐襯和高溫鐵水隔離開來起到了保護爐襯、延長爐役的作用。

1.2氮氣流量控制原理

對于氣體流量的控制有兩種比較常見的方法:一種是改變氣體在管道的壓力;另一種通過對管道的橫流面積的改變來實現(xiàn)[6]。在本系統(tǒng)中采取第二種方法。橫流面的改變通過閥門的開度來控制，閥門的開度又和控制器電壓和電流有關(guān)系。具體控制原理如圖1所示。

圖1　氮氣流量控制原理

2常規(guī)PID控制器

2.1常規(guī)PID控制器原理

常規(guī)PID控制器控制規(guī)律如下：

(1)

式中:e(k)----系統(tǒng)偏差;

ec(k)----系統(tǒng)偏差率;

Kp----比例系數(shù)，能夠提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，加快響應(yīng)速度;

Ki----積分系數(shù)，能夠使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小;

Kd----微分系數(shù)，能夠使系統(tǒng)的動態(tài)性能得到改善。

2.2常規(guī)PID控制原理圖

常規(guī)PID控制原理圖如圖2所示。

圖2常規(guī)PID控制原理圖

為了追求更好的控制效果，人們從未停止對控制器的研究開發(fā)，但是由于PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)整定法理論成熟、設(shè)計穩(wěn)定、使用方便、適用對象廣等優(yōu)點，而且在工程應(yīng)用中積累了大量的經(jīng)驗，所以在控制系統(tǒng)中仍然應(yīng)用廣泛。

3模糊自適應(yīng)PID控制器

模糊自適應(yīng)PID控制器利用模糊控制規(guī)則對常規(guī)PID參數(shù)進行在線修改，其輸入量是誤差e和誤差變化ec，輸出量是經(jīng)過整定的PID控制器參數(shù)。針對不同的干擾得到不同的參數(shù)整定值。整定后的參數(shù)能夠很好地控制系統(tǒng)，靜態(tài)性能和動態(tài)性能也得到相應(yīng)的提高。控制原理如圖3所示。

圖3控制原理圖

3個參數(shù)的確定主要分以下幾步：

1)通過采用Ziegler-Nichols參數(shù)預(yù)整法得到初值kp、ki、kd[2]。

2)隨著系統(tǒng)的運行，流量向設(shè)定值逼近，此時根據(jù)圖2中的模糊推理和參數(shù)修正得出比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的變化量Δkp、Δkd、Δki，從而計算3個參數(shù)修正后的值。

(2)

4模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計

4.1模糊語言變量和隸屬度函數(shù)

系統(tǒng)采用二維模糊控制器，在模糊PID調(diào)節(jié)過程中,氮氣流量能夠迅速達到設(shè)定值，系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性也表現(xiàn)的很好。該氮氣流量控制系統(tǒng)的輸入量分別為e和ec，輸出量為3個控制參數(shù),分別為Kp、Ki、Kd的整定值。根據(jù)不同工況調(diào)整PID控制器的控制參數(shù)，這樣實現(xiàn)較為容易，控制效果也能達標。

e基本論域為[-200，200]，ec的基本論域為[ -50，50]，e和ec的模糊子集為E/EC={NB，NS，ZO，PS，PB}，分別代表負大，負小，零，正小，正大。e和ec量化論域設(shè)置為[-4，+4]，采用三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)[2]。

輸出變量Kp的基本論域為[0，5]，Ki的基本論域為[0，1]，Kd的基本論域為[0，10]。對應(yīng)選取Kp、Ki、Kd的模糊子集為KP/KI/KD={NB，NS，ZO，PS，PB}，量化論域也設(shè)置為[-4，+4]，隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)。

4.2建立模糊控制規(guī)則和求模糊控制規(guī)則表

在氮氣流量控制系統(tǒng)中,根據(jù)控制參數(shù)Kp、Ki、Kd對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，得到在不同的e和ec時，參數(shù)的自整定原則，從而可以制定出5×5×3=75條模糊控制規(guī)則，采用IF-THEN的形式如下:

IFE=NBandEC=NBTHENKP=PB

IFE=NBandEC=NBTHENKI=NB

…

IFE=PBandEC=PBTHENKD=PS

根據(jù)這些模糊控制規(guī)則建立模糊控制規(guī)則表，得到Kp、Ki、Kd，3個參數(shù)分別整定的模糊控制表見表1。

表1　模糊控制表

4.3解模糊

把語言表達的模糊量轉(zhuǎn)化成精確的調(diào)整量就是解模糊，其輸出值的確定依據(jù)模糊子集的隸屬度計算結(jié)果。先根據(jù)某個時刻的e、ec值和隸屬度函數(shù)曲線得到它們的隸屬度，再依據(jù)模糊控制規(guī)則進行推理計算得出Kp、Ki、Kd各語言值對應(yīng)隸屬度，最后一步是采用重心法精確計算出Kp、Ki、Kd的改變量Δkp、Δki、Δkd，代入式(2)得到kp、ki、kd的精確調(diào)整值[7]。

5系統(tǒng)仿真與分析

采用MATLAB中的Sumlink仿真工具及模糊控制工具箱(Fuzzy Contorl Toolbox)進行仿真分析。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示如下：

(3)

式中:Kv----調(diào)節(jié)閥的流量特性常數(shù);

Tv----調(diào)節(jié)閥的時間系數(shù)。

根據(jù)該系統(tǒng)的特性Kv取14.8，Tv取4s。時間系數(shù)τ取2s，代入式(3)：

(4)

首先采用Ziegler-Nichols參數(shù)整定法在線設(shè)計常規(guī)PID控制器，這樣能保證PID閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。然后根據(jù)模糊控制規(guī)則，在線調(diào)整控制參數(shù)。

常規(guī)PID控制器參數(shù)為:

Kp=1.49,Ki=0.018,Kd=0.5。

模糊自適應(yīng)PID中，初始的PID參數(shù)為:

Kp=1.49,Ki=0.018,Kd=0.5。

仿真原理如圖4所示。

圖4系統(tǒng)仿真原理圖

系統(tǒng)仿真圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)仿真圖

從圖中可以看出，模糊PID和自適應(yīng)PID響應(yīng)曲線對比結(jié)果，模糊自適應(yīng)PID控制器相對于常規(guī)PID控制器有很好的非線性逼近能力和自調(diào)整性能。模糊自適應(yīng)PID控制是在常規(guī)PID控制上增加了Kp、Ki、Kd的在線調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后的比例、積分、微分系數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯加快，超調(diào)顯著減小。當外界因素對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾時，本系統(tǒng)能迅速對PID參數(shù)進行在線調(diào)整，抑制突發(fā)的系統(tǒng)干擾。模糊自適應(yīng)PID控制器相比常規(guī)PID控制器穩(wěn)態(tài)誤差更小，響應(yīng)速度更快。

6結(jié)語

智能控制系統(tǒng)在AOD爐冶煉鋼過程中特別是在濺渣護爐氮氣流量控制子系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。文中所提出的模糊自適應(yīng)PID控制是在原有的普通PID控制算法的基礎(chǔ)上增加了模糊控制算法，大大提高了系統(tǒng)對濺渣護爐過程中氮氣流量的控制速度和精度，對AOD爐冶煉過程有非常重要的作用。目前，基于模糊自適應(yīng)PID控制實現(xiàn)的氮氣流量控制系統(tǒng)已經(jīng)在濺渣護爐控制系統(tǒng)中成功應(yīng)用[8]。

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AdaptiveFuzzyPIDcontrolfornitrogenflowinAODslagsplashing

XUChengsheng1,QIUDong1，WANGHongzhi2

(1.SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China;2.SchoolofComputerScience&Engineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Forthefeaturessuchasnon-linear,time-variedofnitrogenflowrateinAODslagsplashingsystem,anadaptivefuzzyPIDcontrollerisstudied.SimulationresultsinMATLABshowthatthesystemshowsthegooddynamicandstaticperformance.

Keywords：Fuzzyadaptive;PID;flowcontrol.

收稿日期：2016-01-25

基金項目：長春市科技局重大科技攻關(guān)項目(2013264)

作者簡介：徐成勝(1988-)，男，漢族，河南信陽人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事冶金過程控制方向研究,E-mail:991923712@qq.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.10

中圖分類號：TP273.2

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0256-05