鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究?

方 林 張壽明

1 引言

鼓風(fēng)機(jī)是高爐冶煉的核心設(shè)備，所輸送的高壓熱風(fēng)為鉛、鋅、鍺等金屬冶煉的穩(wěn)定生產(chǎn)與高效生產(chǎn)提供足夠的能源；萬(wàn)一高爐送風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，礦物質(zhì)與燃料將失去力的支撐，必然導(dǎo)致高爐內(nèi)的物料癱塌，甚至冶煉高爐的報(bào)廢。喘振是鼓風(fēng)機(jī)最常見(jiàn)的異?，F(xiàn)象，也是鼓風(fēng)機(jī)固有的機(jī)械特性，喘振會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，具有極大的危害性［1］。

喘振的傳統(tǒng)控制方法是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制；由于PID算法容易實(shí)現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差；因此，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。純粹的PID算法穩(wěn)定性差，響應(yīng)時(shí)間慢，很容易受外界環(huán)境干擾；實(shí)際中的被控對(duì)象都具有非線性、不確定性以及時(shí)滯性，單一的PID線性控制很難滿足復(fù)雜的工業(yè)的需求［2～3］。

2 鼓風(fēng)機(jī)喘振原理分析

2.1 喘振形成的原因

鼓風(fēng)機(jī)主要是對(duì)氣體做功，將鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體流動(dòng)的動(dòng)能與勢(shì)能，用來(lái)滿足金屬冶煉的需求［4］；所謂喘振就是鼓風(fēng)機(jī)的葉片對(duì)氣體做功的過(guò)程中，氣體的動(dòng)能與勢(shì)能出現(xiàn)紊亂，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)葉片的溫度增加，管網(wǎng)壓力與氣體輸出壓力出現(xiàn)周期性變化，氣體流速與葉片線速度形成的沖角超過(guò)臨界值，使鼓風(fēng)機(jī)葉片背部產(chǎn)生渦流，入口處氣體流速降低，產(chǎn)生“失速”現(xiàn)象，從而引起鼓風(fēng)機(jī)周期性的振動(dòng)。喘振引起的機(jī)身振動(dòng)可能會(huì)造成軸承損壞，軸瓦燒毀，葉片斷裂［5］。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，喘振的影響因素主要有以下幾方面：

1）入口導(dǎo)葉突然關(guān)閉，導(dǎo)致氣體流速突然減小，氣體與葉片形成的沖角超過(guò)了葉片沖角的臨界值。

2）氣體輸出管道阻塞引起管網(wǎng)壓力增大，管網(wǎng)內(nèi)氣體回流到鼓風(fēng)機(jī)引起鼓風(fēng)機(jī)機(jī)身的振動(dòng)。

3）鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，氣體出口流量小于氣體入口的流量，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振。

4）鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速突然降低，導(dǎo)致葉片附近出現(xiàn)相對(duì)于管網(wǎng)壓力而言的負(fù)壓，使氣體回流產(chǎn)生喘振。

2.2 鼓風(fēng)機(jī)“失速”現(xiàn)象

鼓風(fēng)機(jī)入口氣流在葉片旋轉(zhuǎn)力的帶動(dòng)下，以一定的風(fēng)速在鼓風(fēng)機(jī)入口處流動(dòng)；并在氣體輸出過(guò)程中產(chǎn)生相應(yīng)的管網(wǎng)壓力與排氣壓力。鼓風(fēng)機(jī)入口處的氣流速度與鼓風(fēng)機(jī)葉片的線速度形成的夾角，即沖角［6］；由于各種客觀因素的存在，鼓風(fēng)機(jī)的葉片并不是完全相同的，所以，鼓風(fēng)機(jī)每一個(gè)葉片都有特定的沖角臨界值；當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)入口處氣流與葉片產(chǎn)生的沖角大于葉片的臨界沖角值時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)葉片的背部就會(huì)出現(xiàn)渦流，導(dǎo)致葉片附近排氣壓力迅速降低，使葉片產(chǎn)生“失速”；由于少量“失速”葉片不會(huì)馬上對(duì)負(fù)載造成很大的影響，因此，“失速”葉片的負(fù)載全部加到正常運(yùn)行的葉片上，導(dǎo)致正常運(yùn)行的葉片過(guò)載；所以，“失速”現(xiàn)象會(huì)快速的在鼓風(fēng)機(jī)葉片之間傳遞。軸承旋轉(zhuǎn)角速度一定時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)葉片邊緣的線速度是最大的，“失速”現(xiàn)象會(huì)首先出現(xiàn)在葉片邊緣處［7］。

Ψ＞Φ（失速）Ψ≤Φ（正常）

Φ為鼓風(fēng)機(jī)入口氣流流速與葉片線速度產(chǎn)生的沖角值。C為鼓風(fēng)機(jī)入口處氣流實(shí)際的速度。ω為鼓風(fēng)機(jī)動(dòng)力電機(jī)的角速度。R為鼓風(fēng)機(jī)葉片邊緣距軸承的長(zhǎng)度。Ψ為鼓風(fēng)機(jī)葉片的沖角臨界值。

2.3 鼓風(fēng)機(jī)喘振與防喘特性分析

喘振線是鼓風(fēng)機(jī)喘振區(qū)域與穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域的分割線；鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的葉片背部出現(xiàn)渦流，氣體管網(wǎng)壓力會(huì)迅速上升，氣體排氣壓力減小，且管網(wǎng)壓力大于排氣壓力，導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)氣體逆流，使鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)［8～9］。從圖1可以看出，隨著鼓風(fēng)機(jī)氣體出口流量不斷減小，管網(wǎng)壓力不斷增大至a點(diǎn)，氣出口流量下降至e點(diǎn)；由于管網(wǎng)內(nèi)氣體波動(dòng)，管網(wǎng)壓力值由a移動(dòng)至k點(diǎn)，管網(wǎng)氣體倒流，鼓風(fēng)機(jī)入口氣體流速與葉片邊緣線速度的夾角超過(guò)葉片沖角的臨界值，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)“失速”；隨后管網(wǎng)壓力逐漸降低，鼓風(fēng)機(jī)葉片背部渦流暫時(shí)消失，氣體出口處的排氣壓力稍微增加，鼓風(fēng)機(jī)氣體出口流量從t2返回到鼓風(fēng)機(jī)喘振點(diǎn)e處。以上過(guò)程的不斷循環(huán)，從而引起鼓風(fēng)機(jī)間歇性振動(dòng)稱為喘振［10］。

圖1 氣體出口流量—管網(wǎng)壓力特性曲線

圖2 鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線

3 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 防喘控制系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)核心控制器采用s7-300PLC與模糊控制器，上位機(jī)采用西門(mén)子觸摸屏（型號(hào)KTP1000 Basic DP）；由于Profibus DP總線的傳輸速讀快，抗干擾能力強(qiáng)，所以系統(tǒng)控制器與觸摸屏之間采用Profibus DP總線通信協(xié)議；鼓風(fēng)機(jī)本身的物理信號(hào)采用傳感器轉(zhuǎn)換成控制器可以識(shí)別的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)。

圖3 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 防喘控制系統(tǒng)分析

為了保證鼓風(fēng)機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行，喘振線必須留出5%～8%的安全裕度；喘振線5%的安全裕度設(shè)為防喘報(bào)警線，喘振線8%的安全裕度設(shè)為防喘振線。本文以鼓風(fēng)機(jī)管網(wǎng)壓力、氣體出口流量和鼓風(fēng)機(jī)葉片邊緣的風(fēng)速作為喘振間接判別的參考值，設(shè)鼓風(fēng)機(jī)在喘振臨界點(diǎn)處的管網(wǎng)壓力為F，氣體臨界出口流量為Q0，氣體入口的臨界風(fēng)速為C。鼓風(fēng)機(jī)管網(wǎng)壓力的實(shí)際測(cè)量值為f，氣體出口流量的實(shí)際測(cè)量值為q，鼓風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速的實(shí)際測(cè)量值為m。防喘振線對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)壓力為喘振臨界管網(wǎng)壓力的92%，防喘振線對(duì)應(yīng)的氣體出口流量為喘振臨界出口流量的95%，防喘振線對(duì)應(yīng)的氣體入口風(fēng)速為臨界風(fēng)速的108%；喘振報(bào)警線對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)壓力為喘振臨界管網(wǎng)壓力的95%，喘振報(bào)警線對(duì)應(yīng)的氣體出口流量為喘振臨界氣體出口流量的92%，喘振報(bào)警線對(duì)應(yīng)的氣體入口風(fēng)速為臨界風(fēng)速的105%。

當(dāng)F*92% ≤f＜F*95%且C*105%＜m ≤C*108%且Q0*95%＜q≤Q0時(shí)，副防喘振閥開(kāi)啟；當(dāng)F*95%≤f或m≤C*105%或q＜Q0*92%時(shí)，主喘振閥與副防喘振閥同時(shí)開(kāi)啟并產(chǎn)生報(bào)警。

3.3 PID控制器工作原理

PID控制是工業(yè)中應(yīng)用比較普遍的控制方法，PID控制的原理圖如下：

設(shè)定值與實(shí)際值的偏差量：e(t)=R(t)-y(t)

u（t）為控制器輸出量。R（t）為控制器輸入量。Kp為比例系數(shù)，使偏差信號(hào)e（t）向減小到的方向變化，比例系數(shù)過(guò)大可能引起系統(tǒng)振蕩。Ti為積分時(shí)間常數(shù)，用于消除靜態(tài)誤差，積分的時(shí)間太短會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Td為微分時(shí)間常數(shù)，抑制控制系統(tǒng)的振蕩，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 PID控制原理圖

當(dāng)采樣周期lim T=0時(shí)：

PID控制算法的離散化公式：

k為采樣序號(hào)，u（k）為第k次數(shù)據(jù)采樣的輸出值，e（k-1）為第k-1次數(shù)據(jù)采樣的偏差值。

3.4 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是建立在人類模糊性思維上的一種非線性控制，可以通過(guò)模糊控制條件語(yǔ)句描述模糊控制規(guī)則，所以模糊控制器又稱為語(yǔ)言型控制器［11］。模糊控制器由模糊化接口、模糊推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、解模糊接口組成，其中查表法、硬件模糊控制器與軟件模糊推理法是模糊控制算法的方式；模糊控制器以運(yùn)算的速度快，精度高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上被廣泛使用［12～13］。

圖5 模糊控制結(jié)構(gòu)圖

S（t）為模糊控制器的輸入值，m（t）為模糊控制器的輸出值

3.5 模糊PID控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）模糊化處理

偏差E的論域E=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝；對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝偏差變化率EC的論域EC=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。

圖6 模糊PID控制原理圖

2）模糊控制規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)

PB ZO ZO NM NM NM NB NB e Δe u N B NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PS PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB

3）反模糊法設(shè)計(jì)

模糊控制器把輸入的數(shù)值經(jīng)過(guò)模糊化、模糊推理得到輸出量為一定范圍的隸屬函數(shù)度；由于模糊推理出輸出量的仍是模糊量，本文采用加權(quán)平均法對(duì)推理出的結(jié)果進(jìn)行反模糊化處理。

設(shè)模糊控制器推理出的模糊量為w；隸屬度中最大的元素為wj；

w（k）為模糊控制器的輸出值，kj為系統(tǒng)響應(yīng)系數(shù)。

4）自整定模糊PID控制系統(tǒng)

模糊控制算法與PID控制算法的結(jié)合彌補(bǔ)的純粹的模糊控制或單一PID控制的缺陷；降低了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性，使鼓風(fēng)機(jī)的防喘控制系統(tǒng)對(duì)于外界環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。采用模糊控制對(duì)輸入的偏差值與偏差變化率分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PID算法的比例系數(shù)、微分時(shí)間、積分時(shí)間在線整定，不同時(shí)刻的偏差值與偏差變化率都有特定的參數(shù) Kp，Ti，Td；偏差與偏差變化率的大小反應(yīng)了控制系統(tǒng)振蕩的程度，利用偏差與變化率的大小就可評(píng)估PID比例系數(shù)、積分時(shí)間常量、微分時(shí)間常量的值，運(yùn)用模糊推理得出PID參數(shù)調(diào)整矩陣表如下：

Kp，Ti，Td是經(jīng)過(guò)模糊控制器整定后的PID控制器的參數(shù)值，Kp0，Ti0，Td0是PID控制系統(tǒng)的初始參數(shù)值。

5）上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是DCS操作員與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換的媒介；如圖6所示，防喘控制系統(tǒng)的控制信號(hào)、反饋信號(hào)以及數(shù)據(jù)采集的信息都在觸摸屏上呈現(xiàn)；通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)防喘振閥的手動(dòng)、自動(dòng)控制以及鼓風(fēng)機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)。

圖7 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)的人機(jī)界面圖

4 1500k W鼓風(fēng)機(jī)（型號(hào)GM 65H-1）防喘控制系統(tǒng)改造前后性能分析

通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)改造前后的氣體出口流量與排氣壓力的數(shù)據(jù)采集、分析得出如圖9、圖10所示的曲線圖；其中實(shí)線、虛線分別代表鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)在純粹的PID算法與模糊PID算法控制下的氣體出口流量與排氣壓力的在一個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化值；由圖可見(jiàn)，實(shí)線與虛線相比，在一定的時(shí)間內(nèi)，實(shí)線的的變化幅度較大，而虛線的變化趨于穩(wěn)定。

圖8 離心式鼓風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

1）鼓風(fēng)機(jī)防喘系統(tǒng)改造之前

由圖9、圖10可知，采用純粹的PID鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)在同樣的時(shí)間內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)的氣體出口量與排氣壓力波動(dòng)性比較大，而且，某一時(shí)刻內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)氣體出口流量與排氣壓力有突然減少的趨勢(shì)，此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)有出現(xiàn)喘振的危險(xiǎn)；可見(jiàn)，鼓風(fēng)機(jī)采用純粹的PID防喘控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對(duì)喘振的調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振的幾率比較高。

2）鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)改造之后

從圖9、圖10可以看出，采用模糊PID算法的鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)的氣體出口流量與排氣壓力比較穩(wěn)定，對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)相對(duì)比較快速，防喘控制對(duì)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，并且防喘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，明顯降低了鼓風(fēng)機(jī)喘振的幾率，提高了馳宏公司高爐冶煉的安全性能?？梢?jiàn)，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采用模糊PID算法的鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)比純粹的PID算法防喘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，更容易適應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)所在的復(fù)雜工業(yè)控制環(huán)境。

圖9 鼓風(fēng)機(jī)出口流量數(shù)據(jù)分析圖

圖10 鼓風(fēng)機(jī)排氣壓力數(shù)據(jù)分析圖

5 結(jié)語(yǔ)

鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)在原有PID控制算法的基礎(chǔ)上加入模糊控制算法，彌補(bǔ)了純粹PID算法穩(wěn)定性差、超調(diào)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提升了鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力；降低了鼓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)喘振幾率，提升了鼓風(fēng)機(jī)實(shí)際工作效率，保障了金屬冶煉生產(chǎn)的效益。

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