（控制理论与控制工程专业论文）焦炉集气管压力系统建模及智能控制的研究.pdf

焦炉集气管压力系统建模及智能控制的研究 专 业：控制理论与控制工程 硕士生：盂月波 指导教师：嵇启春副教授 摘要 在炼焦生产过程中，焦炉集气管压力是炼焦生产中的重要参数，它的稳定性直 接影响着焦炉的使用寿命和焦碳的生产。焦炉集气管压力控制系统是一个具有强于 扰、多耦合、时变、非线性的复杂多变量系统，难以建立精确的数学模型。随着科 学的发展和进步，焦化行业向大规模发展，更多地采用多座焦炉并联的系统。但是， 对于三个集气管或者三个集气管以上的系统，控制其压力比以往两集气管系统难度 要大得多。 本文介绍了“长春焦化厂焦炉集气管压力控制系统改造项目”的工程概况。首 先在分析目前国内外所建焦炉集气管模型后，针对集气管压力系统的特点，通过分 析影响集气管压力控制的多种因素，运用机理建模的方法，建立了一种新形式的焦 炉集气管压力系统的数学模型。接着，提出了将参数在线自调节模糊控制、多变量 模糊规则解耦与变频技术相结合的多级智能控制策略，着重给出了参数在线自调节 模糊控制和多变量模糊规则解耦的算法，实现三座焦炉集气管压力稳定控制。最后， 在m a t l a b 软件环境下，建立了焦炉集气管压力系统及其控制系统的仿真模型， 仿真结果令人满意，表明了所建模型和控制方法的合理性和有效性。 关键词：焦炉集气管压力模糊控制多变量解耦多级智能控制 m o d e l l i n ga n ds t u d y i n g o fi n t e l l i g e n tc o n t r o lf o r g a sc o l l e c t o r p r e s s u r es y s t e mo fc o k e o v e b s m a j o r ：t h e o r y a n de n g i n e e r i n go fc o n t r o l n a m e ： m e n g y u e b o i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f j i q i c h u n a b s i 嗣r a c t i nc o k i n gp r o c e s s ，t h es t a b l ep r e s s u r eo fg a sc o l l e c t o ri sa ni m p o r t a n ti n d u s t r i a l p a r a m e t e r i t ss t a b i l i t yd i r e c t l yi n f l u e n c e st h el i f eo fc o k eo v e n sa n dc o k ep r o d u c t i o n t h eg a sc o l l e c t o rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fc o k eo v e n si sac o m p l i c a t e dm u l t i v a r i a b l e ， n o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a n t ，s t r o n ge x t e r n a ld i s t u r b a n c e sa n dc o m p l e xc o u p l i n gr e l a t i o n s o n e si nt h ec o k eo v e ng r o u p i ti sn o te a s yt os e tu pp r e c i s em a t h e m a t i c mm o d e l a l o n g w i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，m a n yc o k eo v e n si np a r a l l e ls y s t e ma r e a d o p t e dg r a d u a l l yb e c a u s eo fc o k ei n d u s t r yd e v e l o p i n go nal a r g es c a l e ，c o m p a r i n gt h e t w og a sc o l l e c t o r ss y s t e m ，c o n t r o l l i n gt h ep r e s s u r ef o rt h et h r e eg a sc o l l e c t o r so ro v e r t h r e eo n e sw i l im o r ed i 伍c u l t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ee n g i n e e r i n go u t l i n eo f r e f r o mi t e mo f c o k eo v e nc o l l e c t o r p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fc h a n g c h u nc h a r k i n gf a c t o r y ”f i r s t l y ，m a k i n gr e f e r e n c et o a l lk i n d so fm o d e l so ft h ec o l l e c t o r sa th o m ea n da b r o a da n da n a l y z i n gt h er e a c t o r sw i t l l h f f l u e n c et h eg a sc o l l e c t o rp r e s s u r e ，an e wd y n a m i cm o d e lb a s e do np h y s i c sc o n c e p t s t r a t e g i e si se s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，t h ea u t h o rp r o p o s e sam u l t i l e v e li n t e l l i g e n tc o n t r o l t a c t i c sw h i c hc o m b i n e st h ef u z z yc o n t r o lo fp a r a m e t e r s s e l f - a d j u s t i n g o nl i n e ， m u l t i v a r i a b l ef u z z yr u l e sd e c o u p l i n ga n dt h et e c h n o l o g yw i t l lf r e q u e n c yc o n v e r t e r a n d g i v e si t sa l g o r i t h mo ff u z z yc o n t r o le m p h a t i c a l l y ，a n dr e a l i z e ss t a b l ec o n t r o lo ft h e p r e s s u r ef o rt h eg a sc o l l e c t o r s f i n a l l y ，t h es i m u l a t i n gm o d e l sf o rg a sc o l l e c t o rp r e s s u r e s y s t e ma n dg a sc o l l e c t o rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o no f s o f t w a r em a t l a b ，w h i c hi sv e r yp o p u l a ra th o m ea n da b r o a dt o d a y t h er a t i o n a l i t ya n d v a l i d i t yo ft h ee s t a b l i s h e dm o d e l l i n ga n dc o n t r o lm e t h o dw e r ei n s p e c t e db ys i m u l a t i n g r e s u l t s 。i ts h o w st h a tt h es i m u l a t i n ge f f e c ti ss a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：c o k eo v e n g a sc o l l e c t o rp r e s s u r ef u z z yc o n t r o l m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n g m u l t i l e v e li n t e l l i g e n tc o n t r o l 玎 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：也f 妇笈 日期：函心3 上 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：岛，af 馁导师签名：利溉 日期：工时3 。t 注：请将此页附在论文首页。 酉基建筑型拉厶堂亟土堂僮途塞 1 1 焦炉集气管压力系统概述 1 1 1 炼焦工艺过程1 1 l 1 绪论 焦化工业是冶金工业的重要组成部分。高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、铸 造和气化；炼焦过程中生产的焦炉煤气经回收、净化后，既是高热值燃料，又是重 要的有机合成工业原料。煤在炼焦时约7 5 变成焦炭供冶金使用，还有2 5 生成煤 气及各种化学产品。实现炼焦及化学产品回收的自动化，对我国煤炭资源的综合利 日有着重要的作用。 焦炉主要由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶和基础部分组成。圉11 是焦炉及其基础断面结构示意图。 焦碳的生产过程是将配好的煤装入炭化室，然后对炭化室挑温，千馏成焦，甫 推焦机推出。 在炼焦过程中，每座焦炉所生产的从炭化室溢出的9 5 0 。c 左右的荒煤气进入上 升管后，在桥管处经循环氨水喷洒冷却至8 0 8 5 。c 左右，通过集气管、吸力导管 后引入气液分离器，煤气由气液分离器上方导出后，进入韧冷器，从初玲器出来的 煤气由煤气鼓风机加压后，通过压力管道将大部分送往下道工序。 煤气由煤气鼓风机加压后，通过压力管道将大部分送往下道工序。 刿il 焦炉厦其基础断面结构示意图 i 一装煤车：2 一磨电线架；3 拦焦车；4 焦侧操作台；5 - 熄焦车；6 一交换开闺器；7 - 熄焦车轨道基础；8 分烟道： 9 一仪表小房：1 0 一推焦车；1 1 一机侧操作台；1 2 集气管：1 3 吸气管；1 4 推焦车轨道摹础；1 5 一炉柱；1 6 基础构架： 1 7 燃烧室；1 8 - 基础顶扳；1 9 - 蓄热室；2 0 炭化室；2 i 炉顶区；2 2 斜道区： 炼焦炉的机械设备包括护炉设备、煤气设备、焦炉机械。焦炉砌体的外部应安 装护炉设备，包括炉门框和保护板、护炉拄、纵横拉条、弹黄及炉门。炼焦炉的煤 气设备包括：荒煤气导出设备和加热煤气两大系统。加热煤气设备中又包括有定期 换向用的交换设备。荒煤气导出设备包括有上升管、桥管、水封阀、集气管、吸气 管和他们的附属设备。焦炉机械包括：装煤车、拦焦车、熄焦车和推焦车，用以完 成炼焦炉的装煤出焦任务。 1 1 2 焦炉集气管的基本组成1 1 1 集气管属于炼焦炉煤气设备中的荒煤气导出设备。 集气管是用钢板焊接而成的圆形或槽型的管子，沿整个炉组置于炉柱的托架 上，汇集各炭化室产生的荒煤气。集气管上部每隔一个炭化室设有带盖的清扫孔， 以清扫沉积于底部的焦油和焦油渣。通常上部还设有氨水喷嘴，以进一步冷却煤气。 集气管通过n 型管、焦油盒与吸气管相连。集气管中的氨水、焦油和焦油渣等 靠集气管的坡度及液体的位差流走。故集气管可以水平安装( 靠位差流动) ，也可 以按o 0 0 6 0 o l 的坡度安装，倾斜方向与焦油、氨水的导出方向相同。 集气管一端装有清扫氨水喷管和事故用水的工业水管。每个集气管上还设有放 散管，停氨水时因集气管压力过大或开工时放散用。集气管的一端或两端设有水封 式焦油盒，以备定期捞出沉积的焦油渣。“n ”型管专供荒煤气排出，其上装有手 动或自动的调节翻板，用以调节集气管的压力“n ”型管的下方焦油盒仅供焦油、 氨水通过。经“兀”型管和焦油盒后，煤气与焦油、氨水又汇合于吸气管，为使焦 油、氨水顺利流至回收车间的气液分离器并保持一定的流速，吸气管应有o 0 1 0 0 1 5 的坡度。 集气管分单双两种形式。 单集气管多分布在焦炉的机侧，它具有投资省、钢材用量少，炉顶通风较好等 优点，但装煤对炭化室内气流阻力大，容易冒烟、冒火。 炉顶机、焦两侧都装有上升管和集气管时，称双集气管。两侧集气管问，有横 贯焦炉的集气管连接。双集气管结构如图1 2 所示。煤气由炭化室两侧析出而汇合 于吸气管，能够降低集气管两端的压力差。使全炉炭化室压力分布较均匀；装煤时 降低了炉顶空间的煤气压力，减轻了冒烟冒火，易于实现无炯装煤；生产时，荒煤 气在炉项空问停留的时间短，减少了化学产品的分解，有利于提高化学产品的产量 和质量；结焦末期由于机、焦侧集气管的压力差，使部分荒煤气经炉顶空问环流， 降低了炉顶空间温度和石墨的形成。双集气管还有利于实现炉顶机械化清扫炉盖等 操作。但双集气管投资多，炉顶通风较差，使操作条件变坏。 图1 2 双集气管结构图 1 ，炉顶横贯煤气管；2 - 焦侧手动调节翻板；3 - 机侧手动调节翻板；4 氨水喷嘴；6 自动调节翻板 i 1 3 焦炉集气管压力系统分析 在炼焦生产过程中，焦炉集气管压力是炼焦生产中的重要参数，它的稳定性直 接影响着焦碳的生产和焦炉的使用寿命。当焦炉集气管压力为负压时，空气会从炉 门、炉盖等渠道进入焦炉体内导致焦炭燃烧、灰份增加、质量下降；进入的空气还 会同炉体建筑材料发生化学反应，造成炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；而且空气还 会促进荒煤气燃烧，使煤气系统温度升高，从而加重了冷却系统的负担，产生不必 要的能源消耗。当焦炉集气管压力过高时，荒煤气会从炉门、炉盖等处冒出，一方 面造成环境污染，另方面降低了荒煤气的回收率而造成能源浪费。可见，焦炉集 气管压力控制在炼焦生产过程中十分重要。 焦炉集气管压力系统由多个集气管、初冷器、鼓风机及回流装置组成，图1 3 是由两个集气管( 焦炉均为单集气管结构形式) 组成的的集气管压力系统结构原理 图。 糍h 湘雕序 广啦恒1 1 型倒r 璐 1 1 4 国内外焦炉集气管压力控制现状及研究热点 以往集气管压力的控制多采用液压比例控制器、电动单元仪表系统，如前j j 、联 的“国立焦化工业设计院焦化机械设计院”设计的集气管压力控制系统【2 l 、上海浦 东煤气厂采用的“定阀位集气管调节系统”【3 l 、马锅焦化厂j n 6 0 8 2 型焦炉采用酌 定制调节系统 j 。 近年来，绝大多数焦化厂采用了p l c 、单片机或工控机系统，对焦炉集气管压 力及鼓风机吸力进行自动化控制，如保定地区焦化厂采用的p l c 控剑系统【5 l 、铁岭 焦化厂用s t d 5 8 0 1 工控机构成的c r b 集气管压力系统 6 1 、太原化工焦化厂集气管 两级计算机控制系统，上位机为工控4 8 6 ，下位机为p l c 【7 】。 目前的控制方案以p i d 控制为主，长期以来控制总不能得到理想结果，且工人 劳动强度大。这是因为虽然p i d 控制器结构简单、工作稳定、鲁棒性强，技术上也 比较成熟，广泛应用于工业生产过程控制，但对于需要快速抑止扰动、时变、非线 性系统不能获得比较理想的控制效果。p i d 控制将被控对象的运行过程作为一个整 体考虑，设计所得的控制器往往只能满足被控对象某一个运行状态下的性能最优， 或在菜一条件域下的稳定，而不能使被控对象在大范围内具有良好的控制性能。 如今，炼焦工业生产日趋规模化，但对于多集气管压力的控制目前尚存在一些 未解决好的问题。例如多集气管压力存在严重耦合，所建立的数学模型不太可靠： 解耦控制的实施较为复杂，理论整定方法在实际应用中有一定困难等等。因此，多 焦炉集气管煤气压力的平衡和稳定控制是焦化生产企业迫切需要解决的难题。 近年来，一些先进的控制算法正在逐步引入，如采用可变增益的p i d 算法 8 j i j 、 采用自校正调节器的集气管压力自适应控制系统【9 1 、前馈控制算法【1 2 】，但这些算法 依然需要获得精确的数学模型。很多文献提n t 智能控制9 】【1 0 1 1 2 】 1 5 1 1 1 6 1 ，采用模 糊控制、专家控制等先进策略，取得不错的控制效果。还有文献 1 4 2 2 曾提出基于 多变量模糊神经网络的控制算法，并应用于焦炉集气管压力智能控制工程实际中， 但有待更多的工程验证。 1 2 论文背景项目总体介绍 本文所选课题来源于中国科学院自动化所承接的“长春焦化厂焦炉集气管压力 控制系统改造”项目。 长春焦化厂焦化系统原有焦炉两座，后增加一座，分为两组，均为单集气管结 构。系统工艺流程如图1 - 4 所示。三座焦炉煤气发生量均在1 0 0 0 0 m 3 h 左右，年产 焦炭4 3 万吨，共用同一套出冷、鼓风系统。3 4 焦炉与1 “焦炉距离较近，距2 4 焦炉 较远。1 4 、3 4 两集气管并联，将荒煤气汇总后与第二组2 8 焦炉并联，两组荒煤气在 汇总后经鼓风机将荒煤气送入洗涤工段等后继工艺。集气管总管很长，组问管道较 长，组内管道相对较短。 图1 4 长春焦化厂焦炉集气管压力系统工艺流程图 现长春焦化厂集气管压力调节系统由多个单回路调节器组成。炼焦车间有三个 y s l 7 0 可编程调节器，分别根据i # 、2 群、3 存集气管压力与设定值的差，调节蝶阀开 度，作为主调：化产车间冷鼓工段仪表室装有个s l p c 可编程调节器，调节鼓风 机前蝶阀开度，鼓风机吸力为定值作为辅调。工厂技术人员曾对调节器参数设定进 行深入细致的调试，先后试验了解耦、串级调节等先进技术措施。与国内同类厂相 比，长焦技术人员对集气管压力调节系统的认识是较深入的，采取的措施是比较有 水平的。遗憾的是，在将现有p i d 调节器潜力几乎全部发挥之后，集气管压力波动 仍经常超过工艺要求的指标，常常某一段时间波动达标，但过一阵又忽然超标。在 现有技术条件下，集气管压力调节还离不开手动操作干预。人工干预虽然能够起到 一定控制效果，但人毕竟反应速度、准确性都比较差，我们必须找出用计算机代替 入的办法。 原控制系统存在以下问题： 、装煤扣盖、出焦、炉内燃烧、喷洒氨水量发生变化等因素都是各控制网路 的扰动量，工况复杂，影响集气管压力的稳定。同时，由于生产的需要，设定的配 煤比发生变化，装煤量发生变化，也将影响焦炉集气管压力的稳定。 二、焦炉与焦炉相互并联，存在着负耦合关系，组内、组间耦合关系不同，相 勺的影响也不同；焦炉与鼓风机串联，存在着正耦合关系。因此使得各控制回路之 间相互干扰震荡超调现象严重，压力波动既大又快。 所以，使用常规控制方法对该系统进行调节十分困难，很难使14 、2 “、3 4 集气 管达到控制要求。 基于以卜原因，为了彻底改善运行状况，对长奏焦化厂焦炉集气管压力控制系 统进行改造和设计是必要的。 1 3 本文所做的工作 本论文研究的主要内容是针对多焦炉集气管压力系统，建立合理的数学模型， 提出焦炉集气管压力控制方案，给出算法，使其能够稳定在要求的范围内。 作者的主要观点是，由于焦炉集气管压力系统是一个具有强耦合、非线性、强 扰动的复杂多变量系统，应用经典控制手段无法圆满解决现有的问题。认真分析焦 炉集气管压力系统自身特性，采用模糊控制、专家系统等智能控制技术，这是建立 焦炉集气管压力控制系统有效控制手段的必由之路。 本文首先针对焦炉集气管压力系统的特点，在分析国内外焦炉集气管压力系统 建模研究成果的基础上，运用机理建模方法，从新角度出发，建立了一种新形式焦 炉集气管压力系统多变量数学模型。 同时，探索对多集气管进行控制的新途径。本文提出一种多级智能控制策略， 首先设计模糊规则解耦控制器，对三个集气管做组内、组间解耦；然后再对解耦后 的集气管压力系统做参数在线自调整模糊单回路控制，保证集气管压力的稳定。 在此基础上，应用强大的m a t l a b 软件建立焦炉集气管压力系统及压力控制系 统的仿真模型，仿真检验了所建模型的正确性和控制方法的合理性。 以上是本文所做的具体工作。 同时，需要说明的是，机前吸力控制是焦炉集气管压力控制的辅助手段，这部 分改造方案是由其他工作人员完成，并作为多级控制方案中控制级的一部分。改造 后的鼓风机系统采用变频技术，通过控制鼓风机旋转速度来实现机前吸力控制。 2 焦炉集气管压力系统建模 2 1 过程建模的必要性和建模方法1 2 7 脚1 1 2 9 1 被控对象的数学模型是指工业生产过程的数学模型，特别是其动态模型，瞧就 是指对象在各输入量( 包括控制量和干扰量) 作用下，其相应输出量( 被控制量) 变化关系的数学表达式。 成功建模是成功控制的基础，很多情况表明，对复杂对象的控制成功与否取决 于对被控对象的动态特性分析或估计的准确与否。 对象的数学模型有非参量形式和参量形式之分。非参量形式是用曲线或者数据 表格来表示，形象直观但不便于对系统综合设计；参量形式则是用数学方程来表示， 便于系统综合设计及参数整定。参量模型通常可用微分方程、传递函数、脉冲响应 函数以及状态空间表达式等不同形式来表达。 常用的建模方法有机理分析建模和测试法( 即系统辨识方法) 两种。 机理分析法就是根据对象内在机理，通过静态与动态的物料平衡或能量平衡关 系以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程和某些设备的 特性方程等，从中获取所需得的数学模型。该方法的优点在于充分揭示对象的内在 规律口引，但对比较复杂的实际生产过程来说，这j 中建模方法也有定的局限性【2 9 。 许多工业的工艺过程的内部工艺过程较为复杂，对某些物力、化学过程尚不完全清 楚，使得复杂过程的数学模型较难建立。 测试法( 系统辨识法) 是根据系统的输入输出数据，通过过程辨识和参数估计 的方法，测算系统模型的理论和方法，其实质是从一组模型类中选择一个模型，按 照某种准则，使之能最好的拟合所关心的实际过程的动态特性。但该方法得到的数 学模型仅仅能够反映输入输出之间的特性，而得不到反映系统内在特性的信息。 确定控制对象合理的数学模型是分析、设计控制系统最重要的一步，只有根据 控制系统的目的，在充分分析系统工作原理的基础上，采用合适的方法，才能得到 合理的数学模型。 由于对焦炉集气管压力系统的工作过程有较清楚的认识，对其工作机理也有较 深入的研究，因此，本文采用机理建模的方法。 2 2 焦炉集气管压力系统建模现状 焦炉集气管压力系统是一个复杂的多输入多输出( m i m o ，m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ) 系统，了解其动态特性，建立其数学模型是对其控制的前提。但由f 焦炉集气管压力系统是一个十分复杂的多变量系统，获得精确的数学模型是极其困 难和不经济的，因而需要借助于近似模型设计方法，建立能够满足工程需要的近似 模型。 目前，针对焦炉集气管压力系统建模和仿真的研究成果，一些文献有相关介绍 d 7 1 ”l ，但是所建模型存在以下一些问题： 第、在多集气管系统中，各集气管距离远近不同，相同扰动对其影响也各不 相同，集气管间耦合程度也受管道距离远近的影响。但以往模型在建立过程中通常 不考虑距离因素，忽略了管阻压降，这样势必造成建立的模型不能很好地反映实际 系统。 第二、在实际当中，焦炉集气管压力控制主要是依靠改变各集气管上的蝶阀开 度来控制集气管压力的，蝶阀开度是控制量。但以往模型并未与蝶阀开度建立直接 联系，这给后续控制器的设计和仿真带来许多不便与麻烦，不利于控制系统的建立 与实现。 本文在分析目前国内外焦炉基气管压力系统建模型的现有研究结果后，通过分 析影响集气管压力控制的多种因素，根据集气管压力的静态特性和动态特性，运用 机理分析建模的方法，采用合理的近似处理，建立了一种新形式的焦炉集气管压力 系统的动态数学模型。 2 3 焦炉集气管压力系统分析建模 在前一章中已对长春焦化厂焦炉集气管压力系统组成作了简单介绍，为了便下 得出其数学模型，在这里，我们进一步分析。图2 1 是系统对象动特性示意图。 图中，方框、斜线代表集气管压力系统的各个组成部分，包括焦炉、集气管、 风机、蝶阀等。n ，、p s 2 、p s 3 分别为焦炉产出煤气产生的压力；9 、 ，9 分别 为从l # 、2 # 、3 # 焦炉进入集气管的煤气流量； p 卜b 、b 分别为l f 、2 # 、3 # 焦炉 集气管的煤气压力：p 4 为鼓风机前压力；p 卜p i 、p 0 分别为管后煤气压力；r ，、 彤、码、r j l 、r 1 2 、r “为对象的阻力系数；c 卜q 、c 3 、c 小c 3 卜c 0 为对象的容 量系数。 r 3 1 、r t 2 、r 2 4 是管道之间的阻力系数，由管道本身决定，是固定值；r ，、r ? 、 飓也是阻力系数，由蝶阀开度决定，是变化值。因此，模型中将r 卜飓、只3 作为系 统的控制输入量，用以表示蝶阀开度。 需要说明的是，当生产需要确定后，在无扰动的理想情况下，焦炉产出煤气所 产生的压力风应该为定值。但由于在实际中不可能达到无扰动，装煤、扣盖等操 作必然会使焦炉产出煤气所产生的压力发生变化，因此胁可视为系统的扰动量。 为方便准确分析系统动态特性，明确不同扰动对系统压力产生的不同影响，在建立 系统动态数学模型时，将n ，、n ：、n ，作为系统的扰动输入。 只是鼓风机前压力，机前压力控制是另外的研究内容，在这里暂不考虑对只的 控制，认为只始终满足控制要求。在建模过程中，将只作为扰动输入量。 经上述分析，确定对象的控制输入是r j 、飓、r ，扰动输入是胁，、风，、n ：、 只，系统输出是置、只、只。 流体阻力主要集中在蝶阀上，还有一部分体现在管道阻力上，同时气体具有可 压缩性，在建立气压系统的动态模型时，体积流量与压力的关系应予以充分考虑。 在对象的特性模拟图中，对象的阻力系数定义为r = d p d q ，即气体压力对流量的 导数；对象的容量系数定义为c = d v d p ，即气体体积对气体压力的导数。 由d q = d v d t i “，根据对象阻力系数和容量系数的定义，可知d q = c d p d t ：又根 据气体流量的动态平衡方程d 产q 一一qm ，得到d q = q 一q 。= c d p d t 。则依对象的动 态特性示意图，建立气体动态平衡方程。 1 8 集气管动态平衡方程： 2 4 集气管动态平衡方程： 3 4 集气管动态平衡方程： c ，鲁铂一警 c z 警唱一半 c 3 百d p 3 = q 3 一半 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 连接1 “、2 8 集气管的管道动态平衡方程： e 、堕：墨当+ 生尘一p i - p 2 ( 2 4 ) d t r 1r 3 1玛2 连接2 4 集气管与鼓风机的管道动态平衡方程： q t 鲁= 半+ 等一等 s ， 连接3 4 、1 4 集气管的管道动态平衡方程： c ，丛；墨二生一生二墨( 2 6 ) d t r 3 r 3 1 根据公式q = k 4 面可知( 已忽略气体密度变化) ，从焦炉进入集气管的煤气体 积流量q 是由焦炉产出的煤气所产生的压力p s 与集气管压力p 之差所决定，即 q = kp s f p 西- p 。将此公式代入上述动态平衡方程，得到： c i 堕d t = k 1 厄i 一学 ( 2 7 ) c ：7 鸩- = k 2 压可一华 ( 2 8 ) c 3 鲁= k 3 丽一学 ， 吐d t 半r + 等r 警r 汜， “ 13 112 c 一：墨二生+ 一 (224 d p 2a o l l - pr 2p z - p 4 1 1 ) 一一十 l d t “2j i c 】2矗2 4 c ，。警= 半一半 他m 可知上述动态平衡方程是非线性方程。 在t 程r ，将非线性微分方程在定条件下转化为线性微分方程的方法，称x ， 非线性微分方程的线性化。通过线性化得到的线性微分方程，或称线性化微分力程 将有条件地、近似地描述控制系统的控制过程。 控制系统通常都有一个预期状态。在由描述控制系统特性的诺多变量所决定的 厂义坐标中，与系统预期工作状态相对应的点，称为预期工作点。非线性微分方程 能进行线性化的一个基本假设就是变量偏离其预期工作点的偏差甚小。在数学处理 上，只要变量在预期工作点处有导数或偏导数存在，则在预期工作点的微小邻域便 可将非线性函数通过变量的偏差展开成泰勒级数，如将级数中偏差的高阶项加以忽 略，可获得以变量的偏差为自变量的线性函数o 。】。 由于在控制系统中正常的控制动作总是连续不断地进行着，所以变量的增量久 多满足微量要求。因此，应用小偏差线性化概念对非线性运动方程进行线性化，并 根据线性理论分析设计控制系统，是研究控制系统的有效方法之一【3 0 。 在这里，利用泰勒级数公式将上述非线性方程线性化。泰勒级数公式是： 尸幽) + ( 要h 。“l 。) + ( 善b 一嘞肌( 2 1 3 ) 忽略二阶以上导数，可将公式转化为： a 尸向_ + 2 a 而 ( 2 1 4 ) 其中毛= 瓤。，。也= 瓤。、 为了便于书写，通常将偏量信号的符号a 省掉。即： y ：龟+ k 2x 2 ( 2 1 5 ) 设焦炉稳定工作点为b = e 。、b = 只o 、只= 民、只= 、p s = n 。、p s ：= n ，。、 n ，= p s 。、墨= r 。、r ：= r ：。、r ，= 岛。，在稳定工作点利用泰勒级数公式将j 二述 动态平衡方程线性化为增量形式： c 等等2 毛佤百半+ 岛焉岫 也赢1 i 罅( 去蛆去岍訾觚) ( 2 1 6 ) 因为在虢工作点c 1 鲁q 厩瓦- 警- o ，所以 q 警咄赢杀她，嵋赢专衅击置 + 击p iq - 警置 ( 2 ， t z 佤i ，警2 。 c ：警咄而专p s 2 - k 2 丽纛1 岍去b + i 1 卸： + 叠鍪r ：r2 2 0 一一2 c ，百d e 3 0 = 屯丽一 c 。d z 西s p 32 岛丽矗 + 去尸，+ r 1 卯l o 乙1 ：厂 c ，：孥一訾 r 1 d p 。” 乙2 1 厂 刍二生：o r 3 0 脚t 去只一再1 与 p 3 0 - - r p l 3 0 见 r 2 3 0 p l o - p 2 0 ：o r 1 2 们+ 去摒去舯， 一上p t ，+ 一i p t ， r 1 2。r 1 2 垒二! 叠； r 2 0 p l o - p 2 0 一p 2 0 - - p 4 0 ：0 r 1 2 r 2 4 p f ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 一p 2 0 的- p 。 2 0a r 2 + 1 - - 最瓦1 巴+ 上r 1 2 一一去一 去删：j r 2 4 蛆 眩z s ， 警2 警。 刍= ：o 马， ( 2 2 6 ) g ，孥一訾觚+ 面i 蜉! p , 3 _ b 1 - - a 几+ 再1 尸t ， ( 2 2 7 ) 将上述方程进行拉氏变换后写成标准传递函数形式： 1 3 = 扎竖出 同 q 警竿 上如 _ 3 p 一 l，一吩 + 墨! 二生 聃) 2 瓦蹑r i 0 2 ， 1 + 再1 州 c i + 向赢霭“1 ” j d ，( s ) 垒二! 叠 1 驰户巧, r 如2 0 2 磊蹦咖意r 2 0 b ， 1 + 兰匝蹦。， c 。s + 如l 。+ k 2 慨1 霉“八叫 刍二! 叠 聃产碌i r 3 0 z 磊蹦小弼焉r 3 0 一 + ! 盘州。 c 3 s + ! + k 3 、n 。1 霉“儿 p l ( s ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 上上 + 醒r 1 2十孺r 3 1 ( 2 3 1 ) 1 4 马( s ) + 瓦疆r 1 2 焉_ + 虿疆r 2 4 焉驰) ( 2 3 2 ) 鱼二羔 尸舫i j r 2 3 0 j ( 1 3 一+ 玄+ 毒 + 丧一 ( 2 3 3 ) 至此，得到了一个能够基本反映焦炉集气管压力系统主要特性、含参数的、比 较简单的线性化模型。文中没有忽略其时变参数的特性，对于每个模型仅是给出了 其模型的结构形式，而未给出其参数。这是由于对于同系统在不同工况、不同时 间或者结构类似的不同系统，模型的参数是不同的，为了模型的通用性，就没有给 出模型的参数。在后面的仿真实验中，针对长春焦化厂实际系统，采用了相应的参 目前，该模型已成功应用到长春焦化厂焦炉集气管压力控制系统实际设计当 中，相关文章已被学术期刊录用。 去硪 3 焦炉集气管压力系统智能控制分析与设计 长春焦化厂焦炉集气管压力控制采用多级递阶智能控制策略，主要分为集气管 压力单回路参数在线自调节模糊控制、模糊规则解耦控制和机前吸力控制三部分。 我主要做的是前两部分，因此，本文着重介绍前两部分，控制流程见图3 1 。 给定制 给定 给定 + + 1 8 集气管单回路参数 在线自调整模糊控制 2 ”集气管单回路参数 在线自调整模糊控制 3 4 集气管单回路参数 在线自调整模糊控制 模 糊 规 则 解 耦 控 制 3 1 多级递阶智能控剩方案 图3 1 控制流程图 输出 输出 输出 多级递阶控制系统可概括为各子系统的控制作用是由按照一定优先级和从属 关系安排的决策单元实现的，同级的决策单元可以同时平行工作并对下级施加作 用，同时又要受到上级的干预，子系统可以通过上级互相交换消息。递阶控制的基 本原理就是把一个总体问题分解成有限数量的予问题。 对于复杂的大系统，通常采用多级递阶多目标金字塔式的控制结构。按智能程 度分为三级： 、组织级 组织级是递阶智能控制系统的最高级，是智能系统的大脑，具有相应的学习能 力和决策能力，对一系列随机输入的语句能够进行分析，能辨别控制情况以及在大 致了解任务执行细节的情况上，组织任务，提出适当的控制模式。 二、协调级 协调级是递阶智能控制系统的次高级，主要任务是协调各控制器的控制作用。 这级只要求较低的运算精度，但要有较高的决策能力，甚至具有一定的学习 功能。 三、运行控制级 运行控制级是系统的最低级，它直接控制局部过程并完成子任务。运行控制级 和协调级相反，这一级必须高精度的执行局部任务，而不要求具有更多智能。 采用多级智能控制是利用已有经验，将被控对象的控制任务按照具体条件( 规则) 分成若干个子任务，再分别由相应的子控制器实现控制。因此，整个系统的控制性 能是由各子控制器分别承担，设计时只需分别设计各予控制器，调试时，也可分别 针对某一条件下系统性能的不完善单独设计相应的子控制器。而且，由于规则具有 开放性( 允许添加、修改等) ，故采用该方法控制的系统中，当系统条件发生重大变 化时，只需添加或修改规则及相应的子控制器即可。 在长春焦化厂焦炉集气管压力控制中，采用由系统协调级和运行控制级构成的 两级递阶智能控制。其中在线控制级包括焦炉集气管压力单回路参数在线自调整模 糊控制、模糊规则解耦和机前吸力控制，系统控制原理如图3 2 所示。 协调级 控制级 i 系统协调级i 弋 模糊规则解耦 机前吸力控制 上 i 参数自调节模糊控制i 图3 2 焦炉集气管压力系统多级递阶智能控制原理图 系统协调级根据鼓风机机前吸力当前值，采用不同的控制规则： ( 1 ) 机前吸力稳定在稳定值1 0 0 p a 以内时，采用模糊规则解耦后，进行单回路 参数白调节模糊控制。 ( 2 ) 机前吸力超出稳定值士l o o p a 以外时，则在采用模糊规则解耦、单回路参数 自调节模糊控制的同时，进行机前吸力控制。 3 2 焦炉集气管压力单回路参数在线自调整模糊控制设计 3 2 1 模糊控制“5 自从美国数学家维纳在四十年代创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控 制理论和现代控制理论两个重要发展阶段，前者主要解决单变量系统的反馈问题， 后者则着重解决多变量系统的优化控制问题。不论是经典控制理论，还是现代控制 理论，在分析和设计控制系统时，有一个共同的特点就是系统的分析与设计要基于 系统的精确数学模型。然而，多变量系统的复杂性，矸；仅表现在维数高，更多的则 是表现在系统信息的模糊性，不确定性，偶然性和不完全性一h ，这就难以建立其精 确的数学模型，使得传统的自动控制理论在处理这类多变量系统时，往往显得无能 为力。 与传统控制理论不同，人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验以及长期 经验积累形成的，它可通过人的自然语言来表达。如，压力过高，则增大阀门开度 等，可以看出，这些规则是不精确的。由于自然语言具有这种模糊( f u z z y ) 性，因此 这种语言控制又称为模糊( f u z z y ) 控制。 从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑控制的一种控制方 式，它具有的最突出的特点就是：在设计系统时，不需要建立被控对象精确的数学 模型，只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据，模糊控 制规则是以语言的形式进行定性的描述。这样，对于模型未知的复杂系统，采取模 糊控制的方法去进行分析和设计，不失为种有效的控制策略。 模糊控制模仿人的推理和决策，采用仿人的控制方法来取代人的手工操作，但 它不是人工操作的简单取代，而是要通过不断学习和调整，提高系统的控制性能， 增强处理特殊工况的能力。 模糊控制系统的基本结构如图3 - 3 所示，其中，模糊控制器由模糊化接口、规 则库、模糊推理机和解模糊接口四个基本单元组成： ( 1 ) 模糊化：这部分的作用是将输入的精确量转化为模糊量。 ( 2 ) 建立知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。 它通常由数据库和模糊控制规则两部分组成。数据库主要保存与模糊控制规则及模 糊数据处理相关的各种参数，包括上面所述的语言变量的隶属度函数( 数值型或函数 型) ，标度变换因子以及模糊空间的分级数等。模糊控制规则库是由一系列“1 f t h e n ”型模糊条件语句构成的产生式规则。条件语句的前件为输入和状态，后件 为控制量。模糊控制规则是模糊控制的核心。 r i 模糊控制器 图3 3 模糊控制系统的基本结构图 ( 3 ) 模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概 念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中蕴涵关系及推理规则来进行的。通过 模糊推理和模糊判决，建立模糊控制查询表。一股将查询表存放到计算机中去，u f 是在过程控制中，计算机直接根据采样和论域变换得来的以论域形式表现的输入， 由查询表找到对应的同样以论域元素形式表现的控制元素。 ( 4 ) 解模糊：解模糊是将模糊查询表得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控 制的精确量。 与传统的控制方法相比，模糊控制对于非线性、复杂对象具有鲁棒性好，控制 性能高的优点，其主要特点在于： 1 、本质是种非线性控制，因为语言变量具有一定的模糊性，而被量化的语 言值又是分级不连续的。 2 、控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操 作人员的经验知识及操作数据。 3 、语言变量是总结人的控制行为，它遵循反馈控制的思想。 4 、控制系统的鲁棒性强，适应于常规控制方法难以解决的非线性、时变及滞 后系统。 5 、推理为不精确推理，其推理模仿人的思维过程，介入了人类的经验，因而 能够处理复杂甚至“病态”系统。 模糊逻辑控制器( f u z 巧l o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为模糊控审j s ( v u z z yc o n t r o l l e r ) ， 因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以模糊控 制器又称为模糊语言控制器。 模糊控制器的设计包括以下几项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) 。 ( 2 ) 设计控制器的控制规则。 酉塞醒氲至 拉太坐硇土堂焦l 金塞 因子。 ( 3 ) 确定模糊化和非模糊化( 又称清晰化) 的方法。 ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的量化 ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序。 3 2 2 焦炉集气管压力单回路参数自调节模糊控制设计 多变量过程变量之间的耦合是目前许多控制系统投运不好的重要原因 2 8 1 。焦炉 集气管压力受诸多因素影响，各管之间耦合严重，解耦是控制焦炉集气管压力需要 解决的问题。但如果考虑各种影响因素和耦合关系，仅设计一个多变量模糊控制器 来完成控制任务，势必会造成集气管的模糊控制语言变量增加，相应的模糊控制