（控制科学与工程专业论文）炼焦生产过程控制系统的多层性能评估策略.pdf

摘要 焦炭是冶金工业炼铁的主要原料，随着我国钢铁需求的高速增 长，对焦炭的需求也越来越大，对焦炭的质量要求越来越高。炼焦生 产过程分层递阶控制系统是焦化企业采用的厂级控制系统，它的运行 性能的好坏，直接影响到焦炭的质量、产量以及能源消耗。研究炼焦 生产过程控制系统的多层性能评估策略对钢铁工业生产有着重要的 意义。 炼焦生产过程分层递阶控制系统是一个复杂的控制系统，它包括 多个控制层次，分别是优化控制层、先进控制层以及基础自动化层， 同时它包含对多个生产过程的专用控制系统，分别是配煤过程、加热 燃烧过程和作业计划与调度。本文对炼焦生产过程厂级控制系统的三 个控制层次分别进行性能评估，提出综合三个层次多项性能指标的多 层性能评估策略，通过过程能力指数、b p ；f 申经网络建模、模型预测 控制性能评估方法、积分型性能指标、模糊综合评价方法等技术，实 现了对炼焦生产过程厂级控制系统的性能评估。 在优化控制层的评估中，使用过程能力指数评价焦炭质量并定义 经济性能指标，利用b p 神经网络建模方法，建立指标中所需变量的 预测模型；在先进控制层的评估中，通过模型预测控制系统性能评估 方法中的历史性能指标和过程能力指数对加热燃烧控制系统的性能 进行评估；在基础自动化层，使用积分型性能评估指标对各种阀门控 制器的控制性能进行评价；在综合决策部分，使用模糊综合评价方法 将以上多项指标进行综合，得出整个厂级控制系统的整体性能。 多层性能评估策略在实验室炼焦生产过程仿真平台运行，有效的 实现了对炼焦生产过程厂级控制系统性能的评估，并将评估结果提供 给操作人员，为工作人员维护控制系统提供了有效的信息。 关键词：炼焦生产过程控制系统，性能评估，模糊综合评价 a bs t r a c t c o k ei st h em a i nm a t e r i a lf o rm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , w i t ht h er a p i d g r o w t ho fc h i n e s es t e e ld e m a n d i n g ，t h ed e m a n do fc o k ei sg r o w i n ga n dt h e r e q u i r e m e n t sf o rc o k eq u a l i t ya r ei n c r e a s i n g t h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e m f o rt h ec o k i n gp r o d u c t i o np r o c e s si st h ep l a n t - l e v e lc o n t r o ls y s t e mf o r c o k i n ge n t e r p r i s e s ，i t sp e r f o r m a n c ew i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo f c o k ep r o d u c t i o na n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h es t u d yo fc o k i n gp r o d u c t i o n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fm u l t i l a y e r e ds t r a t e g y w i l lh a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e c o k i n gp r o d u c t i o np r o c e s sh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e mi s ac o m p l e x c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e san u m b e ro fc o n t r o ll e v e l s ，r e s p e c t i v e l y , t h e o p t i m i z e dc o n t r o ll a y e r , a d v a n c e dc o n t r o ll a y e ra n db a s i ca u t o m a t i o nl a y e r , w h i l ei tc o n t a i n san u m b e ro fd e d i c a t e dp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ， t h e y a r et h e b l e n d i n gp r o c e s s ，h e a t i n g a n dc o m b u s t i o n p r o c e s s a n d o p e r a t i o n a lp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g t h i sp a p e rw i l la s s e s st h et h r e ec o n t r o l l e v e l so fc o k ep r o d u c t i o n lc o n t r o ls y s t e m ，p r e s e n tm u l t i l a y e rp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o ns t r a t e g yw h i c hi n c l u d e san u m b e ro fp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f t h r e ec o n t r o ll e v e l s ，t h r o u g ht h ep r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e x ，b pn e u r a ln e t w o r k m o d e l i n g ，p r e d i c t i v e c o n t r o l p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n tm e t h o d s ，i n t e g r a l p e r f o r m a n c ei n d e x ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，m u l t i - l a y e r p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o ns t r a t e g yi sa c t u a l i z e d i nt h eo p t i m a lc o n t r o ll a y e r , p r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e xw i l lb eu s e df o rt h e c o k eq u a l i t ya n di tw i l ld e f i n eae c o n o m i cp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，i nt h e s a m et i m e t h ep r e d i c t i o nm o d e lw i l lb ee s t a b l i s h e df o rt h er e q u i r e dt a r g e t v a r i a b l e st h r o u g hb pn e u r a ln e t w o r km o d e l i n ga p p r o a c h ；i nt h ea d v a n c e d c o n t r o ll a y e r , h e a t i n ga n dc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mw i l lb ea s s e s s e db y m o d e lp r e d i c t i o nh i s t o r i a lp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dp r o c e s sc a p a b i l i t y i n d e xh e a t i n g ；i nb a s i ca u t o m a t i o nl e v e l t h ev a r i o u sv a l v ec o n t r o l l e r sw i l lb e a s s e s s e db yt h e p o i n t s b a s e dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r ；i nt h e c o n s o l i d a t e dd e c i s i o nm a k i n gp o r t i o n ，i n d i c a t o r sw i l lb es y n t h e s i z e dt h r o u g h f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，a n dt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m p e r f o r m a n c ew i l lb eo b t a i n e df i n a l l y p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ns t r a t e g yf o rm u l t i c o k ep r o d u c t i o np r o c e s sh a s b e e na p p l i e di nt h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o np l a t f o r m ，i th a sc o m p l e t e dt h e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n f o rt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o k i n gh i e r a r c h i c a l c o n t r o ls y s t e me f f e c t i v e l y , a s s e s s e st h ea v a i l a b l er e s u l t st oo n - s i t eo p e r a t o r s ， a n dp r o v i d e sa ne f f e c t i v ei n f o r m a t i o nf o rs t a f ft om a i n t a i nt h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：c o k i n gp r o d u c t i o np r o c e s sh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e m ； p e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济的高速发展，国家对基础设施建设的投入越来越大。因此，对作 为基础建设材料的钢铁的需求日益增加，间接导致炼焦工业的快速发展。为了使炼 焦生产过程能够更加自动化和智能化，工程技术人员设计出多种针对炼焦工业的自 动控制系统，以提高生产效率和降低劳动力投入。 炼焦生产过程是一个复杂的物理化学反应过程【l 】，实际工艺中涉及多个工业过 程，如配煤过程、焦炉加热燃烧过程、作业计划与调度等。目前，国内外研究主要 集中在配煤控制、焦炉加热燃烧过程控制和焦炉作业计划这三个方面的控制问题上。 但是，由于三个控制系统独立运行，并未考虑到相互之间的影响，因此无法协调统 一，从而使整个炼焦生产过程达到最优状态。 针对这种情况，炼焦生产过程应用一种基于分层递阶结构的厂级控制系统，从 而实现对炼焦生产过程的全流程协调控制。该控制系统包括优化控制层、先进控制 层和基础自动化层，其中先进控制层包括三个子系统分别是配煤控制系统、焦炉加 热燃烧控制系统和多座焦炉作业与优化调度系统。厂级控制系统能够有效的协调炼 焦生产全流程的各个控制系统。 但是，由于控制系统缺乏定期的维护，其运行性能伴随使用时间的延长而逐渐 下降。更为严重的是，由于没有一定的标准衡量分层递阶控制系统优化控制层的优 化结果是否为最优结果，导致各先进控制系统围绕着错误的设定值运行。两种问题 综合在一起，严重的影响了焦炭的产量，同时浪费了大量的高炉和焦炉煤气，造成 了很大的经济损失，损害了企业的整体经济效益。因此，需要一种性能评估策略对 分层递阶结构的厂级控制系统性能进行评价，为控制系统的运行提供指导。 本章从总体上介绍多层性能评估策略的研究背景及意义，国内外研究现状以及 本文的主要架构。 1 1 研究背景及意义 钢铁行业是国民经济的支柱行业。经济的高速发展、基础设施的大力建设使钢 铁产业得到高速发展。中国钢铁工业统计表明，2 0 0 9 年5 月，我国粗钢产量达到4 ， 6 4 5 9 7 万吨、钢材5 ，7 2 9 1 4 万吨【2 1 。1 ：匕2 0 0 8 年1 0 n 分别高出2 2 8 4 、1 7 5 4 。而作 为钢铁产业的重要组成部分，炼焦生产的产量需求也越来越大。 炼焦生产过程是一个复杂的物理化学反应过程【3 】，由于焦炉炉体结构复杂，检测 l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 手段少，操作环境恶劣，因此焦炉的控制较难实施。炼焦生产过程的实际工艺中涉 及多个工业过程，如配煤过程、焦炉加热燃烧过程、作业与调度等。针对这些炼焦 生产过程的局部控制目标，技术人员建立了一些自动控制系统，如配煤控制系统， 焦炉加热燃烧控制系统，作业计划与优化调度系统等。这些系统的建立极大地降低 了工人的劳动强度，并取得了一定的经济效益，但同时存在着一些缺陷：配合煤水 分、目标火道温度、以及结焦时间等重要参数主要依靠人工经验给定，难以根据工 况变化进行实时调整。同时各个生产过程的控制系统独立运行，并未考虑相互之间 的影响，因此很难满足炼焦生产的全局生产目标，无法使炼焦生产过程整体达到最 优。 目前在工业过程控制中采用的控制系统存在多种性能缺陷，其中有些问题可通 过控制参数的调整来解决，而另一些问题则只能通过改造硬件或者采用新的控制方 法来达到改善控制器性能的目的。控制系统性能的降低除了会降低产品的质量、增 加运行成本、减少设备使用时间外，还会导致控制安全问题等，因此对控制器的性 能评价十分必要。 控制系统性能评估已经受到了广泛的关注，但是由于对性能评估技术的研究起 步较晚，研究基础相对薄弱，因此控制系统的性能评估方法较为单一且存在着较为 严重的缺陷。但是，随着工业控制各项技术的飞速发展，工业控制系统的性能评估 技术已经具备了走向成熟的基础。 首先，现代的工业过程控制系统随着工业过程控制对象的复杂化变得越来越复 杂，控制规模也逐渐变大，一个大型的工业控制系统可能有成百上千个控制回路【4 1 。 控制系统的维护人员希望能够采用一定的技术明确地得出各个控制回路的具体工作 情况，这些技术应该能够实现对控制系统日常运行情况的监测以及分析，从而使技 术人员能够有针对性地对那些运行性能不佳的控制回路进行参数整定和维护，使整 个控制系统处于较为优良的工作状态中，同时又能极大程度上减轻技术人员的工作 量，提高工作效率。 其次，大量的工业过程运行数据因为集散控制系统的广泛应用能够很方便的获 得和存储【5 】。工程技术人员希望通过对系统运行历史数据的分析与计算，获得反映控 制系统控制性能的一些性能指标，从而反映控制系统的实际控制情况，为技术人员 的日常维护工作提供有力的支持。 工业控制系统性能评估的目的是能够实时指导工艺操作人员和控制技术人员对 控制系统性能潜在的问题及时的采取应对措施，其作用是能够对控制系统的性能进 行识别和判断。如果不对控制系统进行性能评估，那么很多控制系统的问题将无法 事先预防，而只能在问题发生之后才会引起人们的关注，这必将降低控制系统的控 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 制效果、工作效率，同时造成安全隐患，因此对于控制系统性能评价和诊断方面的 研究已经受到工业控制技术人员的高度关注。 针对以上情况，本文设计了一种炼焦生产过程控制系统的多层性能评估策略， 从多个评估角度入手，对炼焦生产过程厂级控制系统的优化控制层性能、先进控制 层性能、基础自动化层性能进行分层评价。通过多个层次的性能评价，更为准确的 反映整个炼焦生产过程厂级控制系统的运行状况，为维护人员提供有效的反馈信息。 1 2 国内外研究现状 控制回路性能评估是控制领域中较新的一个研究分支，但在近几年越来越引起 控制界的关注。目前国外研究机构关于控制回路性能评估的研究相当活跃，比如欧盟 支持并资助的一些项目，包括p a m2 0 0 1 ，e p s r c2 0 0 2 ，a u t o c h e c k2 0 0 3 和 s o f t d e t e c t2 0 0 4 等1 6 j 。关于控制回路性能评估方面的研究，最早可追溯到1 9 7 0 年。文献【7 ，8 】提出了最小方差控制理论，他们的工作为控制回路的性能评估奠定了 理论基础。性能评估的思想最早由d e v r i e s 和、【9 j 于1 9 7 8 年首次提出。1 9 8 9 年， h a r r i s 1 0 l 发表了里程碑式的研究成果，提出了基于最小方差控制的性能指标，即以最 小方差控制器作为评估单变量控制回路性能的上限。h a r r i s 的这一贡献为单变量控制 回路的性能评估奠定了基础。此后，随机性方法引起控制界的关注，成为控制回路 性能评估最基本的方法。 近十几年来，理论界提出了很多控制回路性能评估的方法【1 1 。1 3 】。h 秭s 分析了 各种扰动对过程输出方差的影响，通过对方差的分析量化了构建前馈控制对整体性 能的改善，该方法可以用来评估前馈控制的性能。1 9 9 6 年，h a r r i s 等【l5 】把单变量最 小方差控制准则引入到了多变量控制系统中，利用多变量谱因子分解和多变量丢番 图方程的解来描述多变量控制系统的性能。2 0 0 0 年，h u a n 等【l6 】又将基于最小方差控 制的评估方法推广到多变量前馈反馈控制系统中。2 0 0 2 年，w a n g 等【1 7 】将基于数据 的子空间方法用于多变量回路的性能评估。s h a h 等l l8 】提出了归一化的多变量脉冲响 应曲线法以评估和监测多变量控制回路的性能。从这一曲线上可以得到关于系统的 调节时间、衰减率等信息，该方法是一种不需知道关联矩阵的图形方法。g r i m b l e 1 9 】 提出了广义最小方差( g e n e r a l i z e dm i n i m u mv a r i a n c e ，g m v ) 基准，将控制信号幅度作 为惩罚项引入目标函数中。i s a k s s o n 掣2 0 j 和b u r c h 2 1 1 提出了p i d 控制回路的性能评估 和监测方法。总结近十几年来关于控制系统性能评估与监测方法方面的文献，还有 许多其他的方法。b a s s e v i l l e t 2 2 j 和h a r r i s l 2 3 1 使用统计方法来监测和诊断控制回路的故 障；j o r o n e n t 2 4 j 提出了基于人工智能的评估方法。 国内该领域的研究相对较少，尚处于起步阶段。具有代表性的研究包括张彤等【2 5 】 中南大学硕士学位论文第一章绪论 提出利用最小方差基准评价多变量控制系统性能的方法；李刚等1 26 j 提出多扰动动态 下的p i d 控制回路性能评价标准；孙金明等1 27 j 通过对常规操作数据拟合模型，估计 p i d 控制能实现的最小方差及其相应的p i d 控制器参数；张强1 2 s 】基于子空间辨识方 法提出了一种预测控制的可达性基准，并将其推广到了具有可测扰动的控制回路， 得到了预测控制前馈反馈可达性基准：文献 2 9 ，3 0 l 提出一套系统化估计线性时变多 变量控制回路前馈反馈最小方差基准的算法和过程。 控制系统性能评估方法的研究己取得了一定的成果，但是针对炼焦生产过程控 制系统的性能评估的研究较少，需要解决的问题是如何对厂级控制系统的多个层次 进行综合的评估，寻找一种有效的多层性能评估策略。 1 3 研究目标与研究内容 炼焦生产过程厂级控制系统由于工况的变化及其他硬件特性的变化等，其运行 性能随着使用时间的推移逐渐下降。而且，因为没有一定的标准衡量厂级控制系统 优化控制层的优化结果是否为最优结果，可能会导致先进控制层的各控制系统围绕 着错误的设定值运行。从而影响焦炭的产量，同时浪费大量的高炉和焦炉煤气，造 成很大的经济损失，损害企业的整体经济效益。本文通过研究炼焦生产过程厂级控 制系统的多层性能评估策略，综合评价控制系统各层的控制性能，客观的反映炼焦 生产厂级控制系统的综合性能，为维护人员提供有效的反馈信息。主要完成以下几 个研究目标： ( 1 ) 多层性能评估策略的总体设计 根据炼焦生产过程厂级控制系统的结构，确定多层性能评估策略的总体框架， 研究多层性能评估策略的设计原则。 ( 2 ) 优化控制层的性能评估 针对炼焦生产过程厂级控制系统的优化控制层，首先，研究焦炭质量的性能评 价方法：然后，通过对炼焦生产过程的定性分析，得出影响炼焦生产过程经济效益 的因素，以此为基础，研究炼焦生产过程经济性能的评估方法。 ( 3 ) 先进控制层的性能评估 针对炼焦生产过程厂级控制系统先进控制层中的焦炉加热燃烧控制系统，根据 其控制结构，研究焦炉加热燃烧控制系统的性能评估方法。 ( 4 ) 基础自动化层的性能评估 针对炼焦生产过程厂级控制系统基础自动化层中的阀门控制器，根据其控制结 构，研究各阀门控制器的性能评估方法。 4 中南入学硕士学伊论文 第一章绪论 ( 5 ) 综合多种性能指标的模糊综合评价方法 由于存在多个层次的性能评估指标，需要对多个性能指标进行综合，因此研究 结合多种性能指标的模糊综合评价方法。 ( 6 ) 性能评估策略在仿真平台上的应用 在实验室搭建的炼焦生产全流程智能集成优化控制仿真平台上应用多层性能评 估策略，并对评估的结果进行分析。 1 4 论文构成 本文针对炼焦生产过程厂级控制系统，分别对优化控制层性能、先进控制层性 能、基础自动化层性能进行评估。采用过程能力指数对焦炭质量进行评价并定义一 项炼焦生产过程经济性能指标；采用基于模型预测控制的性能评估方法以及过程能 力指数对焦炉加热燃烧控制系统进行评估；采用积分型性能指标对阀门控制器性能 进行评估；最后利用模糊综合评价方法对得到的性能指标进行分析。建立了一种全 局的、针对炼焦生产过程厂级控制系统的多层性能评估策略。 第二章深入分析了炼焦生产过程及其厂级控制系统，在此基础上，确定性能评 估的目标，明确多层性能评估策略的总体框架，并分析适合多层性能评估策略的性 能评估方法。 第三章详细介绍炼焦生产过程多层性能评估策略的设计，首先采用过程能力指 数对焦炭质量性能进行评价，同时分析炼焦生产过程的经济性能，在此基础上，通 过b p 神经网络建模的方法建立炼焦生产过程产量模型，完成经济性能指标的计算； 然后针对厂级控制系统先进控制层的焦炉加热燃烧控制系统，应用过程能力指数以 及模型预测控制的性能评估方法对其进行控制性能评估；接下来，使用积分型性能 指标对基础自动化层中的阀门控制器的控制性能进行评估；最后设计基于多种性能 指标的模糊综合评价方法，实现对炼焦生产过程厂级控制系统控制性能的综合评估。 第四章阐述了性能评估策略的实现和仿真实验，包括评估系统的硬件结构、软 件功能、通信机制、及评估结果分析等。 第五章对本文进行总结，指出今后需要进一步开展的研究工作。 中南大学硕+ 学位论文第二章多层性能评估策略架构设计 第二章多层性能评估策略架构设计 炼焦生产过程是一个复杂的物理化学反应过程，具有强非线性、大时滞等特性， 是一个非常复杂的生产过程。炼焦生产过程涉及到多个控制对象，分别由各自的控 制系统进行控制。实现对炼焦生产过程厂级控制系统的多层性能评估，保证炼焦生 产过程各控制系统的稳顺运行，对于提高焦炭质量和产量，降低能耗和改善劳动条 件都具有非常重要的意义。 深入地了解炼焦生产过程工艺是提出评估策略的前提。本章首先介绍炼焦过程 生产工艺，然后介绍炼焦生产过程厂级控制系统，在此基础上得出炼焦生产过程多 层性能评估策略的设计方案，并对此方案的设计结构、设计原理等作详细的介绍。 2 1 炼焦过程工艺 焦炉是炼焦生产的主要设备，它由多个炭化室和燃烧室相互间隔组成，炭化室 与燃烧室的底部是蓄热室1 3 。在炼焦生产过程中，装煤车将配合煤送入炭化室，再 将加热煤气和预热过的空气送进燃烧室混合燃烧，加热煤气在燃烧室中燃烧产生的 热量使炭化室温度达到12 0 0 以上。炭化室内的配合煤经过燃烧室传过来的热量进 行高温干馏。当焦饼成熟时，根据焦炉作业计划安排推焦车、拦焦车与熄焦车进行 推焦、拦焦与熄焦，最后形成焦炭。通常情况下，将炼焦过程分为三个过程：即配 煤过程，焦炉加热燃烧过程，推焦过程。 ( 1 ) 配煤过程 配煤过程把多种品质不同的单种煤，根据一定的比例进行混合，最终得到符合 要求的配合煤【3 2 1 。配合煤通过炼焦过程后，可以获得用于高炉炼铁的焦炭。配煤过 程的工艺流程如图2 1 所示。 从图中可以看出，首先将各种单种煤经各级皮带传送至指定煤斗，然后配煤控 制系统按照优化出的配合比例进行配煤，接着经电磁铁除铁后送往粉碎机，最后将 混合均匀的配合煤送到焦炉。 配煤过程需要对多种煤进行合理的配比，因此需要较准确的焦炭质量预测模型 和配合煤质量预测模型，经过综合决策，计算合适的配比下发给p l c 。因此在设计配 煤控制系统时，主要工作是对焦炭质量和配合煤质量的精确建模。 6 中南人学硕士学位论文第二章多层性能评估策略架构设计 圆冒 圆盘苫荔苫高 给料机l l _ i 卜 圆圆 丐瓣矿 图2 1配煤过程工艺图 ( 2 ) 加热燃烧过程 焦炉由许多相互间隔的炭化室和燃烧室组成【3 ”，如图2 2 所示。燃烧室内有很多 火道，每两个火道组成一个气体通路，火道两端和蓄热室相连。焦侧宽度大于机侧 宽度以便于推焦。 图2 2 焦炉加热燃烧过程工艺图 加热后煤气和一定量的空气在燃烧室的火道内进行混合燃烧，产生的高温废气 将热量通过炉墙传给炭化室中的配合煤。经过整个结焦过程，配合煤逐渐炭化成为 焦炭。 加热燃烧过程具有热值变化和系统响应滞后等固有特性，因此对于加热燃烧过 程的控制重点在于克服这些加热燃烧过程的特性，从而保证准确跟踪控制目标 目标火道温度。因此通常采用一些先进控制策略来实现加热燃烧过程的控制。 ( 3 ) 推焦过程 中南大学硕士学位论文 第二章多层性能评估策略架构设计 推焦过程主要是焦炭成熟后的一系列机械操作【3 4 】。首先推焦车打开机侧炉门将 成熟的焦炭推出；然后在焦侧的拦焦车打开焦侧的炉门，使推出的焦炭滑落到熄焦 车内；最后，熄焦车将高温焦炭运至熄焦塔进行熄焦。 焦炉作业计划调度系统主要是通过综合考虑工艺要求、生产任务、设备资源进 行焦炉作业的制定，以便指导推焦机械按顺序进行操作。 2 2 炼焦生产过程厂级控制系统 炼焦生产过程是一个复杂的生产过程，在实际工艺中涉及如上所述的三个过程， 即配煤过程、加热燃烧过程、推焦过程，相应的针对这三个过程炼焦生产过程包括 三个控制系统，分别是配煤控制系统、焦炉加热燃烧控制系统、焦炉作业计划调度 系统。这三个控制系统，根据现场技术人员的经验，分别拥有各自的最优控制目标， 但是由于没有一个整体的关联设计，从而影响了炼焦生产综合生产目标的最优化， 因此需要设计一种分层递阶结构的厂级控制系统解决这个问题。 2 2 1 总体结构 炼焦生产过程厂级控制系统包括优化控制层、先进控制层和基础自动化层三个 层次，它可以实现生产现场大量过程变量与综合生产目标的有效关联，保证炼焦生 产流程的全局优化，炼焦生产过程优化控制结构如图2 3 所示。 下面分别对炼焦生产过程厂级控制系统的各个层次进行介绍。优化控制层建立 焦炭质量、产量和焦炉能耗预测模型，得到综合生产指标、局部优化指标以及过程 控制参数之间的非线性映射关系；先进控制层根据各个过程的局部指标，采用先进 控制技术，实现各个子过程的优化控制，包括配煤控制【3 引、焦炉加热燃烧过程控 制【4 0 4 4 1 、焦炉作业计划与调度 4 5 4 7 】；基础自动化控制级采用西门子s 7 系列p l c 对炼 焦过程中的重要过程参数进行实时控制，确保炼焦生产稳顺运行。 2 2 2 优化控制层 优化控制层包括焦炭质量模型、焦炭产量模型、炼焦生产能耗模型。它的工作 原理为：通过建立焦炭质量模型、焦炭产量模型、焦炉能耗模型获得综合生产目标 与局部优化目标之间的映射关系，这里的局部目标是三个子过程的局部最优设定值， 分别指：配合煤水分、目标火道温度设定值、推焦时间。建立以焦炭产量最大和焦 炉能耗最小为优化目标，焦炭质量与生产边界为约束条件1 4 剐，各子过程的局部优化 目标为决策变量的多目标优化模型，再通过多目标优化算法求解局部优化目标，为 先进控制层的控制系统提供设定值，具体求解过程这里不做详述。 8 中南大学硕士学位论文 第二章多层性能评估策略架构设计 2 2 3 先进控制层 由优化控制层计算出局部控制目标之后，先进控制层的各控制系统针对各个局 部优化目标进行控制。炼焦生产过程的先进控制层有三个控制系统，分别是配煤控 制系统、焦炉加热燃烧控制系统和作业计划与调度系统。 l 优化控制层 ! 必翼一兰虬缫馨一业监 i 焦炉加热燃焦炉作业计划 l配煤控制系统 l 烧控制系统与调度系统 - 作业计划与调度 i配煤p l c加热燃烧d c s p l c 一一一一一品丁r 一一一一一一一t 一石聂一一一一。 状态i |上 际生产 炼焦生产过程 图2 3炼焦生产过程分层递阶控制系统框图 配煤控制系统是炼焦过程的前一工艺环节，其运行的好坏会影响到配合煤质量， 从而影响到焦炭质量，因此配煤控制系统具有重要作用，但是因为通过对厂级控制 系统优化控制层的性能评估可以间接判断出配煤控制系统控制性能的好坏，所以不 对配煤控制系统的性能进行评价；同时，由于作业计划与调度系统为炼焦生产过程 中的协调辅助系统，该控制系统只消耗一定量的机械能即电能，对炼焦生产过程的 整体性能影响很小，所以不对作业计划与调度系统的性能进行评价。 因此，在炼焦生产过程厂级控制系统先进控制层的介绍中，我们不对配煤控制 系统和作业计划与调度系统进行具体的介绍。主要针对焦炉加热燃烧控制系统进行 介绍并分析反映该控制系统运行状况的一些性能指标。以下是对焦炉加热燃烧控制 系统的简要介绍。 焦炉加热燃烧过程控制的作用是根据火道温度的变化调整供热量，组织煤气的 合理燃烧，并且在各种干扰因素的作用下，保证炉温的稳定。 通常情况下，焦炉加热燃烧过程有两种特性会严重影响到炉温的稳定。分别是 9 中南大学硕士学位论文第二章多层性能评估策略架构设计 煤气热值的波动和系统的滞后效应，这两种特性会导致焦炉火道温度控制效果的下 降。针对这些特性，本焦炉加热燃烧控制系统使用一种基于模糊t - s 模型的预测控制 算法【4 9 】来实现焦炉目标火道温度的控制，把模糊t - s 模型作为预测控制系统的预测模 型，提出了模糊t - s 模型在线学习的算法。 在控制系统中，通过模糊t - s 模型来辨识焦炉对象，得出其数学模型，并在建 模过程中考虑各种现场的扰动以适应复杂的炼焦生产过程。同时，加热燃烧预测控 制系统的滚动优化等控制特性会对扰动起到积极的抑制作用，因此该控制结构能够 较好的抑制加热燃烧过程的各种扰动。 焦炉加热燃烧控制系统的控制性能由过程能力指数n i 来进行评价。同时，由于 焦炉加热燃烧控制系统采用的是模型预测控制，根据模型预测控制的性能评估方法， 焦炉加热燃烧控制系统的控制性能可由历史性能指标来衡量。因此使用以上提到的 两种性能评估方法评估该控制系统。 2 2 4 基础自动化层 基础自动化层由p l c 、测量变送器、执行器等设备组成，通过测量变送器实现 对现场过程数据的采集；通过西门子s 7 系列p l c 实现对各测量变送器采集数据的 转换，并通过p l c 对各执行器进行控制。这里的执行器主要指各类阀门和电机。 2 3多层性能评估策略设计方案 目前在控制系统性能评估的方法中，大部分都是基于单一性能指标的评价方法， 如采用最小方差性能指标、或者采用积分型性能指标、或者采用超调量等等指标单 一的对控制系统进行性能评价，但是采用单一性能指标并不能很好的反映一些特定 控制系统的性能，如过程工业中主要使用的厂级控制系统的性能。因此本文设计了 一种多层次的性能评估策略，从多个评估角度入手，对厂级控制系统的优化控制层 性能、先进控制层性能、基础自动化层性能进行分层评价，从而实现了厂级控制系 统性能的全面评估。 2 3 1性能评估的目的 复杂的工业过程，如冶金、石化、造纸等等，一般都由多个工艺过程组成，这 些工艺过程既是顺序执行的关系，又是并行执行的关系。它们之间相互影响，任何 一个工艺过程状况的好坏，都会影响到整个工业过程的运行质量。因此，复杂工业 过程的控制通常采用分层递阶结构的厂级控制系统，该厂级控制系统一般分为三个 层次：优化控制层、先进控制层和基础自动化层。通过优化控制层实现综合生产目 1 0 中南人学硕士学位论文 第二章多层性能评估策略架构设计 标与局部优化目标之间的映射关系，通过先进控制层实现各工艺过程的精确控制， 通过基础自动化层实现执行器的控制、数据采集等工作，从而形成全流程的关联控 制。 炼焦生产过程属于复杂工业过程中的冶金过程，炼焦生产过程控制系统是典型 的分层递阶结构的厂级控制系统。它同样分为优化控制层、先进控制层和基础自动 化层，其中先进控制层包括三个子系统分别是配煤优化控制系统、焦炉加热燃烧控 制系统和焦炉作业与优化调度系统。 但是厂级控制系统存在一定的缺陷，控制系统没有一些确定的标准来衡量厂级 控制系统优化控制层计算出的局部优化目标是否是最优值，即不能判断计算出先进 控制层的各控制系统的设定值是否为最优。由此产生的问题是先进控制层可能围绕 着错误的设定值进行控制，即使控制效果良好，依然无法保证厂级控制系统整体的 运行效果。同时随着运行时间的推移，由于缺少定期的维护，先进控制层各控制系 统的性能会逐渐下降，导致厂级控制系统整体控制性能随之下降。例如，炼焦生产 过程优化控制层的计算失误以及先进控制层的运行性能下降都会造成焦炭质量的下 降、焦炭产量的下降和炼焦能耗的增加，从而造成不必要的经济损失。 因此，需要对炼焦生产过程厂级控制系统进行全面、综合、客观的性能评估。 这种性能评估策略要针对厂级控制系统的各个控制层次进行多角度的、全方位的性 能评价，通过多种性能指标的使用以及多性能指标的融合技术，得出较为合理的炼 焦生产过程厂级控制系统的综合性能，为现场的操作人员提供有效的指导。 2 3 2 性能评估策略总体框架及设计原理 针对一般的工业过程厂级控制系统，本文设计多层性能评估策略的总体框架如 图2 4 所示。它由四部分组成，分别是优化控制层的性能评估、先进控制层的性能评 估、基础自动化层的性能评估和多性能指标的综合分析。下面介绍它的设计原理。 ：磊磊弄赢 优化控制层的性能评估 先进控制层的性能评估 基础自动化层的性能评估 综合 决策 分析 图2 4 多层性能评估结构框图 工业 过程 厂级 控制 系统 首先，针对优化控制层，对产品质量进行评估：同时分析厂级控制系统可检测 l l 中南大学硕士学位论文 第二章多层性能评估策略架构设计 到的与工厂经济效益相关联的变量，将变量分为两类：一类是涉及工厂产出的变量； 另一类是涉及工厂消耗的变量。以两者之比作为经济指标来衡量企业的经济收益情 况。在计算该经济指标的过程中，可采用数理统计、智能建模等多种方法。 其次，对先进控制层各控制系统的性能进行评价，检查系统跟随优化设定值的 运行情况，在此过程中可利用多种性能评估方法，如确定性性能指标、最小方差性 能指标、用户自定义指标等。 然后，对基础自动化层的阀门控制器、电机控制器等等底层控制器的性能进行 评估，在此过程中可采用较为通用且计算简单的一些性能指标作为评估的手段。 最后，以上面得到的多个性能指标为输入，通过综合决策模块，利用一些决策 分析方法得出多层厂级控制系统的运行性能。 下面针对炼焦生产过程厂级控制系统，采用上面介绍的多层性能评估策略的设 计思想，设计炼焦生产过程多层性能评估策略。它的结构如图2 5 所示，由四部分组 成。 这四个部分分别是优化控制层的性能评估、先进控制层的性能评估、基础自动 化层的性能评估和多性能指标的模糊综合决策。其中优化控制层的性能评估包括焦 炭质量性能评估和炼焦生产过程经济性能评估两部分；先进控制层的性能评估只针 对焦炉加热燃烧控制系统，采用过程能力指数和历史性能指标对其进行评估：基础 自动化层针对焦炉加热燃烧控制系统的阀门控制器，采用积分型性能指标对其进行 性能评估：在多指标的综合分析中，采用模糊综合评价方法对以上各指标进行综合 决策分析。 一1 ；焦生产过程厂级控制系统多层性能评估策略 i i 优化控制层的性能评估l 焦炭质最性能评估 i i i 炼焦生产过程经济性能评估 i l 炼焦 i 生产 模糊 l 小 过程 先进控制层的性能评估 综合 i ) 厂级 基丁过程能力指数的性能评估 决策i 控制 方法 l 系统 基于历史性能指标的性能评估 i i 基础白动化层的性能评估 i i 基于积分型指标的性能评估 i i i i 图2 5炼焦生产过程多层性能评估系统结构框图 1 2 中南火学硕士学位论文第二章多层性能，平估策略架构设计 ( 1 ) 优化控制层的性能评估 焦炭质量是炼焦生产过程的重要性能参数，炼焦生产过程的系统必须以焦炭质 量合格为前提，在此基础上提高焦炭的产量以及降低炼焦的能耗，因此对于焦炭质 量的性能评估具有极其重要的意义。 本文采用在多个领域应用较为成功的过程能力指数尸_ 础对焦炭质量的性能进行 评估，具体的评估过程下一章将做详细介绍。 经济性能评估以焦化企业的经济效益作为评估的对象，首先分析影响焦化企业 经济效益的各个因素，然后定义经济性能指标的表达形式。 影响焦化企业经济效益的因素分为两类：一类是涉及企业产出的因素，即焦炭 产量；另一类是涉及企业消耗的因素，即炼焦能耗。企业的产出以其产品的产量来 衡量，企业的消耗则以生产产品的成本来衡量。以两者之比作为经济指标来衡量焦 化企业的经济收益情况，用字母e 表示。 经济指标e 可以体现出企业的输入产出比，但是要想对评估对象进行准确的评 估，就必须建立某些统一的衡量标准。采取什么样的指标作为衡量标准是根据具体 情况和要求而定的。选择性能指标时，既要考虑到对评价对象性能做出正确评价， 又要考虑到数学上容易处理及工程上便于实现。 针对焦化企业经济性能指标的表达式定义如下： 刁= 乏 其中，乞曲为实际经济指标，为设计经济指标，7 7 越接近于1 ，说明焦化企业实 际的经济指标越接近于设计经济指标，企业的经济效益越好。 ( 2 ) 先进控制层的性能评估 先进控制层的性能评估是针对各个控制系统的性能进行评估，其目的是通过一 些较为成熟的性能评估方法对先进控制层的各控制系统作客观的性能评价。关于性 能评估方法的选择，根据不同的用户需求和计算上的难易程度等，可以选用不同的 评估方法。而对于某些采用特定的控制方法的控制系统，可根据其控制方法采用特 定的性能评估方法对其性能进行评估。 本部分主要针对焦炉加热燃烧控制系统，首先采用过程能力指数巴女，以火道温 度为分析对象，对焦炉加热燃烧控制系统的控制性能进行评价。其次，由于焦炉加 热燃烧控制系统采用的是模型预测控制器，利用模型预测控制特有的性能评估方法， 中南大学硕士学位论文 第二章多层性能评估策略架构设计 即基于目标函数的历史性能指标，实现对焦炉加热燃烧控制系统性能的评估，这样 能够更加客观、准确的反映焦炉加热燃烧控制系统的控制性能。 ( 3 ) 基础自动化层性能评估模块 基础自动化层的性能评估是对基础自动化层的阀门控制器以及电机控制器等控 制器的控制性能进行评估，这个过程中要考虑到性能评估方法的普遍性，同时要考 虑到性能指标的选择既要能对系统的性能作出正确的评价，又要在数字上容易处理 以及工程上便于实现【5 0 】。积分型性能指标具备以上条件，它是最为重要综合性能指 标之一。 积分型性能指标是过程控制系统所特别关注的。它是过渡过程中被调量偏离其 新稳态值之偏差沿时间轴的积分【5 1 】。偏差幅值的增大或者是时间的拖长都会使偏差 积分的值增大，而控制过程希望这个积分值越小越好。积分型指标是评价设定点跟 踪和干扰响应的一个很好的评价量，适用于普遍的过程控制系统。 因此，在炼焦生产过程厂级控制系统的性能评估中选择积分型性能指标对基础 自动化层的控制性能进行评估。 ( 4 ) 多性能指标的模糊综合决策 多性能指标的模糊综合决策将炼焦生产过程厂级控制系统三个控制层的多项性 能指标作为输入，采用模糊综合评价方法，实现厂级控制系统性能的总体评价，以 便工作人员能够对厂级控制系统的性能有一个总体的、直观的认识。 2 4 小结 针对炼焦生产过程厂级控制系统，本章在分析炼焦生产工艺的基础上，设计了 一种通用的厂级控制系统的多层性能评估策略，并且详细介绍了该通用多层性能评 估策略的结构、设计思想以及在此过程中用到的一些具体的性能评估方法。然后以 该通用多层性能评估策略为基础，设计了炼焦生产过程多层性能评估策