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摘要 本文的研究是在上海宝钢股份炼铁厂炼焦分厂的干熄焦循环风 机控制系统改造的背景下进行的，设计出一种新型循环风机控制器， 通过对循环风机系统进行建模，完成了控制器的半物理仿真测试，并 在此基础上实现了控制器的现场应用。 循环风机系统被广泛应用在钢铁工业、煤炭工业、化工工业等工 业领域，循环风机作为大型关键设备，承担高负荷负载同时也消耗大 量能源，因此通过对风机速度调节一方面能改善工艺条件以满足日益 增长的生产要求，另一方面也能够达到节约能源的目的。然而，目前 使用的风机系统控制装置往往存在着控制精度不高，可重复性差等问 题，在一定程度上影响了日常生产的效率。 风机系统是一种典型大滞后系统，而且干熄焦循环风机作为系统 关键设备无法停机调试。通过本文的研究工作，设计出了一种新型循 环风机控制器，制定出了一种基于历史数据的实时在线控制策略，应 用在大滞后风机控制系统中；由于现场调试条件的限制，控制器在现 场应用前，采用了半物理仿真方法进行控制器的测试和辅助设计，缩 短了试验周期，减小了在线调试风险，提高了控制器的可靠性。新型 控制器一次性上机运转成功，控制系统性能达到设计要求。 关键词：循环风机，大滞后系统，半物理仿真，基于历史数据的实时 在线控制策略 i l a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m st os o l v et h ep r o b l e m si nt h er e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e mc o n t r o l ， b a s e do nt h ep r o j e c to f t h ed e v e l o p m e n to f an e wr e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e mc o n t r o l l e r f o rs h a n g h a ib a o s t e e l a si sk n o w n ，r e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e mi sa p p l i e dw i d e l ye s p e c i a l l yi nh e a v y i n d u s u - i e s ，s u c h 鹊s t e e lh l d l i s 峨c o a li n d u s t r y a n dc h e m i c a li n d u s t r y t h e r e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e mw o r k sa sak e ye q u i p m e n ta n dc o n s u m e sh u g ea m o u n to f e n e r g y t h e n ，t h r o u g ht h es p e e dc o n t r o lo f t h er e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e m ，w ec a nm e e t o u rm a n u f a c t o r yr e q u i r e m e n t sa n dc o n s e r v et h ee n e r g ya sw e l l b u tn o w a d a y s ，m a n y o ft h er e c i r c u l a t i o nf a ns y s t e mc o n t r o l l e rs t i l ll a c k sc o n t r o la c c u r a c y , w h i c h s o m e h o w j e o p a r d i z e sm a n u f a c t o r y t h e r ea r es o m es p e c i a ld i f f i c u l t i e si nt h i sc o n t r o lp r o c e s s ，a st h er e c i r c u l a t i o n f a ns y s t e mi sal o n g - t i m ed e l a ys y s t e m a n dt h e r ei sv e r yl i t t l ec h a n c et oc a r r yo u t a d e q u a t eo n l i n et e s t sd u et ot h ev e r yh e a v yw o r kf o rt h er e c i r e u l a t i o nf a ns y s t e m t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e r , w ei n v e n tan e wk i n do fr e c i r c u l a t i o nf a n s y s t e m ，w h i c ha d o p t sa no n l i n ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h e h i s t o r i c a ld a t a b e s i d e s ， w eh a v eh a r d w a r ei nt h el 0 0 ps i m u l a t i o n ( h i l s ) i n0 1 1 1 r e s e a r c hw o r ki no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f o u rn e wc o n t r o l l e ra n dt or e d u c et h er i s ko ft h e o n l i n et e s t t h r o u g hw h i c hw ea l s os a v eo u rd e b u g g i n gt i m e f i n a l l y , o u rn e wk i n do f c o n t r o l l e rw o r k ss u c c e s s f u l l yf o ri t sf i r s to n l i n et e s ta n dm e e t st h ee x p e c t e d r e q u i r e m e n t s ，a n dt h u sw es o l v et h ep r o b l e mf o rt h i sl o n g - t i m ed e l a ys y s t e m k e yw o r d s ：r e c i r c u l a t i o nf a n ，l o n g - t i m ed e l a ys y s t e m ，h a r d w a r e i nt h el o o ps i m u l a t i o n ，o n l i n ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nh i s t o r i c a ld a t a l l l 学号2 笾鲣! 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得迸江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 砷 签字嗍 2 p 口7 年6 月9 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 己咖 签字日期：2 口彳年6 月9l a 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：溯年易月c 7 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 众所周知，循环风机作为大型工业设备被广泛的应用在钢铁工业、煤炭工业、化工工 业等领域，在实际生产活动中尤其是重工业产业中扮演着相当重要的角色，同时风机类负 载也消耗大量能源，因此通过对风机速度调节一方面能够改善工艺条件以满足日益增长的 生产需要，另一方面则是为了达到节约能源的目的。 本课题承接上海宝钢股份炼铁厂炼焦分厂干熄焦循环风机控制系统改造项目，以开发 新循环风机控制器为目标，在继承原有干熄焦循环风机控制器所有功能的基础上，实现控 制性能优化。 宝钢股份炼铁厂炼焦分厂担负着为高炉炼铁提供焦炭以及为其他生产单元提供焦炉煤 气、回收蒸汽发电的重要任务，而干熄炉循环风机是为冷却焦炭提供循环氮气的重要设备。 其中，循环风量作为干熄炉内气体循环的基准对干熄焦工艺有着极其重要的意义，其直接 影响干熄炉内的排焦温度和锅炉入口温度。干熄炉内的焦炭冷却量、回收蒸汽的汽化率和 循环风机的送风量基本呈线性关系，而循环风机的送风能力又与风机的转速密切相关，为 维持千熄炉正常运转，一般要求循环风机转速能快速调节剑相应设定值。 宝钢二期干熄焦循环风机速度控制系统采用日本东邦的速度控制器，系九十年代初的 产品，采用开环控制的方法进行速度调节，整个系统只对勺管位置进行控制，达到改变风 机转速与送风量的效果。在投产之初，由于整套控制系统具有较好的耦含性，故输出转速 的调节尚能满足生产的要求；但如今长期满负荷使用后，必须不断对液力耦合器进行维护 和检修，并且由于设备的装配、液力耦合器用油量等变化，不可避免地改变了原有液力耦 合器的特性曲线，从而使得原开环控制系统无法适应目前的生产设备，产生了较大的迟滞 回线，因此暴露了原有控制系统未能形成闭环控制的设计不足。 正因为原有系统存在以上不足，因此迫切需要为其风机系统开发新型控制器，完成转 速以及风量的闭环精确控制。然而，在开发新型控制器的过程当中，还面临着如下的条件 限制：循环风机系统一天2 4 小时高负荷运行，难以实现停机测试；循环风机转速一旦异常 波动，会严重影响系统安全性并危及现场其他设备( 如大型锅炉) ；循环风机系统耦合性随 时间推移而逐渐变化。 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 1 2 循环风机系统概述 循环风机系统在实际生产活动中扮演着重要的角色，以宝钢股份炼铁厂炼焦分厂为例， 该厂担负着为高炉炼铁提供焦炭以及为其他生产单元提供焦炉煤气、回收蒸汽发电的重要 任务，而干熄炉循环风机是为冷却焦炭提供循环氮气的重要设备。宝钢从1 9 8 5 年9 月投产 开始即采用干法熄焦，利用惰性循环气体( 氮气) 熄灭焦碳，并将余热回收发电。干熄炉 密闭管路内循环的惰性气体，通过循环风机压入干熄炉底部进入干熄炉，与红焦层热交换 后，升温至8 0 0 c 左右的高温烟气，进入尘降室中，进行一级除尘，除去气体中粗粒焦粉， 进入锅炉换热产生蒸汽发电，由锅炉出来降至2 0 0 以下的气体，经二次除尘，除去细粒 的焦粉，再由循环风机送回干熄炉，进行下一次循环。循环风量作为干熄炉内气体循环的 基准对干熄焦工艺有着重要意义，其直接影响干熄炉内的排焦温度和锅炉入口温度。干熄 炉内的焦炭冷却量、回收蒸汽的汽化率和循环风机的送风量基本呈线性关系，而循环风机 的送风能力又与风机的转速密切相关，为维持干熄炉正常运转，要求循环风机转速能快速 调节到相应设定值；然而循环风机系统本身属于人惯性大滞后系统，当控制信号下达后控 制量转速或风量的变化有较大的滞后时间，并且需要相当长时间才能够稳定。此外，对于 此循环风机系统，还面临着严苛的下作条件：循环风机一天2 4 小时高负荷运行，难以实现 停机测试；循环风机转速异常波动会危及现场安全；循环风机系统整体的耦合性处于逐渐 变化之中。 1 2 1 循环风机系统控制方式 目前在循环风机系统中，一般采用三种控制方式：即传统机械调速方式，液力耦合器 控制方式与变频器控制方式。因传统机械调速方式，如齿轮传动，无法实现无级调速或不 宜于重载启动，所以在风机控制系统中应用较少。液力耦合器控制方式与变频器控制方式 两者相比，前者应用更为广泛。 图1 - 1 液力耦合器 2 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 液力耦合器( 如图卜l 所示) 控制方式具有如下优点： ( 1 ) 可实现无级调速，电动机能空载或轻载启动，可选用最经济的电动机及电控设备， 降低启动电流，保护电机，节约电能； ( 2 ) 工作平稳，可平稳启动、加速、减速和停止； ( 3 ) 吸收设备中的扭振与冲击，隔离振动，延长设备寿命； ( 4 ) 实现过载保护，当从动轴阻力突然增大时甚至突然抱死时，原动机不至于停转而 烧毁。 图1 - 2 变频器 变频器( 如图1 2 所示) 控制方式的主要优点如下： ( 1 ) 安全节能 ( 2 ) 启动平缓 ( 3 ) 动态响应好 ( 4 ) 调速范围广精度高( 较之液力耦合器控制方式，可获得更高的精度) 但是，不可避免的，这两种控制方式都存在着各自的局限性。例如，在过去对于速度 控制精确度要求不高的情况下，液力耦合器控制方式被循环风机系统所广泛采用，但随着 生产要求的进步提高，又由于液力耦合器普遍采用开环控制的特点，因此其逐渐无法适 应高精度速度控制的需求。对于变频器调速方式而言，其通过改变定子频率实现速度调节， 能够更有效实现节能和高精度控制双重目标，但由于其本身价格昂贵，并且一旦原有风机 系统采用这种控制方式往往需要进行系统重建，过高的代价以及昂贵的成本成为其主要障 碍。因此，就目前而言，采用液力耦合器控制方式调速的循环风机系统仍然占了多数，于 是为了适应日益提高的控制性能要求，现有液力耦合器开环控制系统必须进行性能优化改 造。 1 2 2 液力耦合器及其控制特点 液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合器 主要由泵轮、涡轮、输入轴、输出轴以及密闭外壳形成的l ：作腔所组成，腔体内充有：i ：作 3 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 液体维持主动输入轴和从动输出轴的柔性连接，泵轮安装于输入轴上，涡轮安装于输出轴 上。当动力机( 如内燃机、电动机等) 带动输入轴旋转时，泵轮从电动机取得能量后，腔内 工作液体从泵轮叶片获得能量以高速冲击涡轮叶片，使涡轮连同从动轴跟随泵轮同向旋转， 将工作液的机械能转化为推动涡轮旋转的机械能，从而拖动工作机械做功，实现了泵轮与 涡轮之间的能量传递。 液力耦合器依靠工作液体、泵轮与涡轮叶片之间的相互作用产生动量矩的变化来传递 扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液 力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件问不存在刚性联接，其中耦合器内工作 液体循环使用。 基于以上的工作原理，液力耦合器具有以下工作特点：能消除冲击和振动；输出转速 低于输入转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加；过载保护性能和起动性能好，载荷过 大而停转时输入轴仍可转动，不致造成动力机的损坏；当载荷减小时，输出轴转速增加直 到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋于零。 液力耦合器的传动效率等于输出轴转速与输入轴转速之比，一般液力耦合器正常工况 的转速比在0 9 5 以上时可获得较高的效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形 状不同而有差异。它一般靠壳体自然散热，不需要外部冷却的供油系统。如将液力耦合器 的油放空，耦合器就处于脱开状态，能起离合器的作用。 一般情况下，如电动机恒速运转，调速型液力耦合器在原动机特性和负载特性不变的 情况f ，通过改变工作腔中的充液量来改变耦合器的输入输出特性，从而达到对工作机械 无级调速的目的。如图l - 3 所示，当耦合器的相对充液量从高到低变化时，耦合器的特性 曲线分别是a b 、a c 、a d 三条( - m t - n t ) ， 作机负载曲线为( m z n z ) 。其中，工作机负 载即为风机或水泵等抛物线负载，相对充液量为充填到耦合器中的工作液体积与耦合器中 所有空间体积( 包括工作腔、辅助室等，即最大可能充注液体的体积) 的比值。 调速型耦合器工作时存在两个循环流动：一个是工作腔内的工作液循环流动，其循环 流量为q ，它在工作过程中因为充液量和工况不同改变；另一个是工作腔与外部油室之间 的工作液循环流动，其循环流量为q ，循环流量q 的流入工作腔流量为q ，流出量为qm ， 其差值a q = qx - q $ 。当系统在平衡点工作时a q = 0 ，当a q 0 时，相对充液量增加，当 q 、p ，那么称这种系统为大滞后 系统1 4 j 。 对于大滞后系统，由于系统被控对象的时间常数很大，相当于一个很强的积分作用， 会使系统的稳定性降低；而系统中纯滞后的存在，又使给定鼙和反馈量之间的偏差显著增 加，令控制时间加k ，控制品质下降，并且纯滞后时间越长，控制质量越差 5 - 7 1 。同样是由 于纯滞后的作用，使得被控量不能及时反映控制量的调节作用，也使得控制器对外部扰动 6 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 不能立即产生抑制作用”1 1 9 | 。对于大滞后过程来说，当前施加的控制作用，需要经过较长 的时间才会在输出中反映出来“，因此，给出合适的当前控制信号就显得尤为重要，需 要在对当前的控制状况有极为精确预判的基础上做出。正是因为如此，对于具有大滞后的 对象实施精确有效而又普遍适用的控制，无论在控制理论还是在工程实践中都尚未得到完 整解决【1 3 。 1 3 2 大滞后系统控制算法 由于循环风机系统属于大惯性大滞后系统，因此其响应速度有限，从控制信号输入到 获得稳定的控制结果( 转速或风量) 需要较长的时问，如果在系统尚未稳定的情况下对其 下达控制命令则很容易造成系统超调甚至振荡。基于上述考虑，亟需找出一种能够有效克 服大滞后影响的控制算法，并在基础上优化系统性能，保证系统安全平稳工作。控制效果 与安全性两者缺一不可。 以下对当前应用于大惯性大滞后系统的控制算法作基本的研究与分析。 a ) p l d 控制 p i d 控制在引入控制界6 0 多年来，一直保持了在工业控制中的主导地位，因其算法 简单、可靠、易于实现，而广泛使用。 然而，对于大惯性大滞后系统，p i d 控制的效果并不很理想，系统在速度调节时会较 大的超调量，井伴随振荡现象，严重的其至会出现系统发散。虽然可以通过调节p i d 参数 可以一定程度上改善其控制性能，但却未必能取得满足实际生产需要的控制效果【”。o l 。 b ) s m i t h 预估控制 s m i t h 预估控制是克服纯滞后的主要方法之一。实际被控对象机械系统可能存在一定 的滞后，而这种滞后使常规的p i d 调节不能适应，则伺服系统动态特性会很差( 可能会有 严重的超调，稳定性很差，在稍大一些的控制输入作用下，甚至不能稳定，产生谐振等等) 。 当系统产生以上现象时，可以采用s m i t h 预估控制算法来解决。该方法简述如下： 设系统中具有纯滞后的被控对象的传递函数为： g c ( s ) = g k s ) ， 式中：- f 为对象纯滞后常数。 g k s ) 为对象传递函数不含纯滞后的部分。 为了克服纯滞后，可以在系统中引人一个s m i t h 补偿函数g s ( s ) 。 由此可得： y ( s ) u ( s ) = g p ( s ) e - g s + g s ( s ) 7 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 为了补偿对象的纯滞后，要求： y ( s ) u ( s ) = 鳅s ) ，+ g s ( s ) = o p ( s ) 由此可得： g s ( s ) = g “s ) ( 1 一e “】 这就是该系统的s m i t h 预估函数表达式。 具有纯滞后的系统引人s m i t h 预估函数以后，其特征方程不再含有因子e 。，这说明 s m i t h 预估控制方法已经消除了纯滞后的影响。s m i t h 预估控制算法在实际运用中是解决系 统纯滞后的相当有效的方法，但其必须建立精确的数学模型，若受控对象发生时变则鲁棒 性差口”，且实际控制系统中，若对象的特性参数具有时变性或事先未知，常规的史密斯 控制方案将无法采用口6 - 3 0 1 。 c ) 横糊控箭 简而言之，模糊控制就是以模糊数学为工具，把控制专家和操作技师的经验模拟下来， 通过模糊控制软件，模拟人脑思维方法作出l e 确的判断。模糊控制适川于难以用精确数学 模犁来表达的控制系统，利用其伤人的控制方式处理系统的大滞后，能够获得令人满意的 结果p 1 】【3 2 】。 模糊控制的优点：1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需现场 操作人员及专家的经验。2 控制系统的鲁棒性强，适应了：解决常规控制难以解决的非线性、 时变及大滞后等问题。3 以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家知识系统。4 控 制推理采用不精确推理，推理过程模仿人的思维过程，加入了人的经验，所以能够处理复 杂系统1 3 3 - 3 6 1 。 模糊控制的缺点：1 稳定性较差，容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。2 模 糊控制对于系统信息利用率不高，且控制精密度不高，因此无法胜任较高精密度要求的控 制场合 3 7 - 4 0 l 。3 当对象滞后较大时，模糊控制的效果会急剧变差，直至产生振荡或发散。 ( 理论上，这是由于系统时滞造成了模糊输出的控制量与系统实时所需控制量严重不符) 4 时滞越大，被控对象输人输出之间的相关性越小，造成闭环控制的信息混乱1 4 1 4 4 1 。 此外，在大滞后系统控制中模糊控制较多与其他控制方法相结合使用。 d ) 灰色预测控制 灰色预测是对灰色系统所作的预测，所谓灰色系统是介于白色系统和黑箱系统之问的 过渡系统，其具体含义是：如果某一系统的全部信息已知为白色系统，全部信息未知为黑 箱系统，部分信息己知、部分信息朱知，那么这系统就是灰色系统h ”。一般系统都可归 为灰色系统。 灰色预测控制优点：可预测系统未来相应趋势l 删1 4 7 1 ；具有事前补偿的能力，可解决时 8 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 间延迟问题。缺点：预测量难以把握，预测量过大可能造成过量补偿，以至于系统响应变 慢，而预测量太小，系统响应将会有超调量。 e ) 自适应控制 在许多实际工程中，被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的，即使在某一条件 下被确定了的数学模型，在工况和条件改变了以后，其动态参数乃至于模型的结构仍然经 常发生变化，这样常规控制器不可能得到很好的控制品质。为此，需要设计一种特殊的控 制系统，它能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化，这就是自适 应控制。自适应控制器的特点就是它能修正自己的特性以响应过程和扰动的动力学特性变 化 4 8 1 。 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，所谓的“不确定性”是指描 述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。寞 正的白适应控制器，即使过程的特性发生了变化，也能够在运行中自己调整参数以保持其 最佳性能，这相当于自动改变控制器的整个策略以适麻过稃的新特性。然而，自适应控制 在大滞后系统中戍用还并不十分广泛。 f ) 复合控制技术 模糊p i d 控制器( f u z z y - p i d ) f u z z y p i d 控制器是在p i d 参数预整定的基础上，利用模糊规则实时在线整定p 1 d 控 制器的修正参数，实现优化控制。模糊控制器的输入、输出变量都是精确量，模糊推理针 对模糊量进行，因此控制器先要对输入量进行模糊化处理。首先根据模糊数学的理论和方 法，将操作人员的调整经验和技术知识总结成为模糊规则，并把这些模糊规则及相关信息 ( 如初始的p i d 参数) 存入计算机中。根据检测回路的响应情况，计算出采样时刻的偏差e 及偏差的变化率e c ，输入控制器，运用模糊推理，进行模糊运算。实现对p i d 参数的最佳 调整。 带积分模糊s m i t h 控制 带积分模糊s m i t h 预估控制对纯滞后的非线性时变系统有较理想的控制效果，比传统 的s m i t h 预估控制对参数的变化更具适应能力，在对象模型发生较大变化时也能获得较好 的控制效果，而且通过误差积分器的直接作用，消除了系统的稳态误差“9 1 1 5 0 l 。 1 3 3 主要控制算法比较 对于在大滞后系统中应用的p i d 控制、s m i t h 预估控制、模糊控制以及灰色预测控制 优缺点对比如表1 - 1 所示。 9 浙江大学硕士学位论文 循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 表1 - 1 主要大滞后控制算法比较 优点缺点 p 1 d 控制简单可靠、易于实现难以实现精确控制 s m i t h 预需要建立精确数学模型，鲁棒性差，不适 估控制 消除纯滞后影响 宜应用于特性参数时变或不确定系统 不需建立精确数学模型，鲁棒性 模糊控制强，易于形成专家知识系统，仿人 稳定性差，信息利用率不高，控制精密度 不高，若滞后过大则效果急剧恶化 思维能够解决复杂系统 灰色预测可预测系统未来响应趋势，进行事预测量过大造成过补偿，系统响应变慢； 控制前补偿预测量过小，系统响应超调 1 4 研究内容 循环风机是上海宝钢股份炼铁厂炼焦分厂干熄焦工艺的关键设备，由于千熄焦生产繁 忙，因此循环风机系统面临着严苛的1 ：作条件，通常一天2 4 小时高负荷运行，难以停机进 行调试或进行独立试验，而且对于循环风机的控制一旦出现异常就会对现场生产造成非常 不利的影响。目前出于循环风机控制精度的需要，亟需对控制系统进行改进，研究开发新 型循环风机控制器，以替代原有控制装置。因此在开发新犁控制器的过程中，除了完成控 制器设计的t ：作之外，还必须解决既保证控制器高质量高可靠性却又难以实现停机测试的 这一对矛盾。 一般地，在循环风机控制器完全投入生产以前需要对控制器进行在线调试，通常采用 的步骤如下：理论计算出可调整参数的极限范围；根据参数调整范围，平均选取几个值， 然后获得多个参数的排列组合；在线对各参数的捧列组合进行测试，选取最合适的一组作 为最终结果参数。 以控制器p i d 参数调整为例，如果每个参数在各自可调范围内选取5 点，则整个p i d 参数的排列组合多达1 2 5 组，如果每一组参数都进行在线测试，会极大的延长调试周期， 而且所测试的组合中也可能存在导致控制系统振荡的不良参数，这将严重影响到控制系统 安全。 由此可见，对于控制系统参数调试就成为了控制系统调试的关键。一旦控制系统开发 制作完毕，往往需要花费很长的时间进行参数调试。控制参数调试的目的，就是使控制系 统能够工作在稳定范围内，并且获得较优的控制效果。目前，系统调试主要采用两种方法： 第一种为在线测试，这种方法采用的最为广泛，也是必然需要采_ 【f j 的。第二种为仿真测试， 主要通过建立对象模型，在模璎的基础上对控制系统进行研究。仿真测试的方法可以有效 l o 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 地降低在线测试的风险和缩短测试周期，己逐渐成为系统调试的重要手段。尤其，当现场 在线测试无法得以保障的前提下，仿真测试就显得至为关键。 因此，结合以上的实际工作条件，将本文具体研究内容分为以下三个主要部分： ( 1 ) 控制策略制定：在对循环风机控制器的开发研究过程中，制定出一种能够对循环 风机类的大滞后系统实现闭环精确控制的控制策略，并利用研究过程中所开发的新型控制 器将其付诸实践应用，通过对其控制效果的分析与研究，不断地修正与改善，最终通过这 种优化过程制定出一种安全可靠、效果显著并且适宜于工业现场应用的控制策略。 ( 2 ) 控制器设计：包括循环风机控制器硬件设计、软件系统实现、控制器与上位机传 输协议制定等，其中软件系统实现还分为控制器软件设计，上位机监控系统实现这两大部 分。在以上设计工作基础上，完成新型循环风机控制器产品开发，并对控制器性能进行前 期测试。 ( 3 ) 半物理仿真：针对本课题所研究的循环风机系统，考虑刭现场极其严嫒的工作条 件的约束，难以进行在线测试，因此在对新型控制器开发过程中拟采用仿真测试的方法， 在上机之前对控制进行控制性能测试，保证控制装置高质量高可靠性，避免现场_ 作时产 生不必要的运行风险。其中，仿真系统拟采用由部分实物( 控制器) 部分仿真模型( 循环 风机系统) 构建，实现j # 物理仿真。 浙江大学硕士学位论文 循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 第2 章控制策略制定 2 1 闭环系统改造 对当前的循环风机系统制定闭环精确控制策略之初，首先需要对原有系统进行闭环改 造。如前文所提及的，宝钢原有日本东邦的开环速度控制器，当整套控制系统具有较好的 耦合性时，输出转速的调节尚能满足生产的要求，但如今经过长期高负荷使用后，不可避 免地改变了原有系统的特性曲线，从而使得原开环控饲嚣无法适应现有的生产设备，也暴 露了该控制器未形成闭环控制的设计不足。因此迫切需要为其风机系统开发新犁控制器， 完成转速以及风晕的闭环精确控制，而在开发新犁控制器之前，必须先对系统进行改造， 以适应闭环控制需要。 一、 if 、 z 一l 、i ij 、 、一 循环风机 液力 图2 - l 改造前系统原理图 如图2 - i 所示，改造前的循环风机系统只对勺管位置进行反馈控制，中央控制室输出 的速度设定值被线性化后，送到速度控制器中与勺管位置信号相比较，比较后的信号放大 后用来控制继电器开合，以控制电动执行器的正反转实现，、j 管位置的止反向调节。原有系 统存在很大的速度调节死区，无法对速度以及风量进行精确的调整，调节过程中常出现较 大的风量波动，以致于严重影响到干熄焦生产的稳定性。 1 2 浙江大学硕上学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 为适应新型控制器闭环控制的需要，改造后系统需要引入风量反馈以及转速反馈，形 成闭环系统。其改造后系统原理图如图2 2 所示。 图2 - 2 改造后系统原理图 目前，上海宝钢方面已按此方案完成了对系统改造，可以通过现场的传感器采集风量 反馈以及转速反馈信号供新型循环风机控制器使用，因此以下的控制器设计： 作接在此基 础上完成。 2 2 基于历史数据的实时在线控制策略 如前文所述，大滞后系统的精确控制问题在理论以及实践中均未得到完整解决，因此 对此风机类大滞后系统形成闭环精确控制，成为课题研究中的一个难点。在制定控制策略 之初，拟采用p i d 控制算法，因为p i d 算法是目前发展较为成熟应用也较为广泛的一种控 制算法，对于不同的被控对象往往都能够取得较好的控制效果，在大滞后系统中也有一定 的应用；然而通过后期模拟仿真以及相应的现场测试发现，对于本课题所研究的风机类大 滞后系统，其应用效果并不理想，相应的仿真与现场测试结果可见于本文的半物理仿真部 分。究其原冈一方面是本风机系统难以获得精确的数学模型，另一方面又由于现场严峻的 工作条件难以实现在线调整p i d 参数，由此可见，p i d 控制算法并不十分适合应_ i j 于本控 制器的控制策略，而必须另外制定出一种控制策略来应对此类风机系统的控制需要。 为了取得良好的控制效果，针对本课题研究的风机类对象，我们制定了一种基于历史 3 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制嚣研究 数据的实时在线控制策略作为闭环控制策略，制定这种控制策略的出发点是出于对人为控 制方式的一种模仿，该控制策略与人为控制方式存在着某种相似之处，并且在模拟仿真与 现场测试中，这种控制策略在此风机类大滞后系统的控制过程中取得了较为令人满意的效 果。 在制定控制策略之初，首先是对人为控制方式的分析，通过分析将人为控制的过程抽 象为一系列的逻辑判断与相应的操作行为。举例来说，人可以利用温度调节设备诸如空调 通过对环境温度进行调节，来取得一个较为舒适的工作或生活环境。首先，在设定温度之 前，人会做出怎样的温度是最为适宜的温度的预判，这种判断一定程度上是基于人的历史 经验，并且会根据环境条件的不同而有所变化( 例如，不同季节令人体感觉晟舒适的温度 会有所不同) ，于是结合当前的实际条件作出是否有必要对当前温度进行调节的判断。在此 基础上，设定一个环境温度的调节目标值，以此对环境温度做出一次调节。一次调节完毕 后，如果当前温度过低或过高，那么人体会感受到外界或冷或热的反馈，便会采取下一步 调节步骤，再次调肖的幅度会根据当前的冷热的偏差程度作相应变化。通过这样数次反复 ( 或仅一次) 的调节过程，最终将温度调节至某一个范围之内，使得当前环境温度令人体 感觉最为舒适，这便是人为控制方式的一种体现。 那么，出于对人为控制方式的一种仿效，对于实际循环风机系统的转速或风量调节， 所设计的控制措施是这样的，首先通过设定信号获取所需要的控制量目标值( 即中央控制 室给出的转速或风鼍设定值) ，再由这个控制量目标值以控制器的“先验经验”为参考，经 过某种特定运算得出一个相应的勺管电压期望值，然后通过控制器中央处理单元转化为控 制信号并输出给，、j 管电机对勺管位置进行调常，待系统稳定之后，判断控制量( 转速或风 量) 是否在目标值的容差范围之内，若是则完成此次调节，若否则根据其偏差再经过上述 特定运算获得新的勺管电压期望值并输出，开始新的一步调节。控制过程中，如果速度偏 差小于一定值，则进入闭环微调状态，消除系统误差，提高系统的控制精度，直至最终将 控制量调节在目标值的容差范围之内。 整个速度调节过程中以控制器的“先验经验”为参考，以类似开环的方式将循环风机 转速快速调节到设定值转速附近，当转速偏差低于一定限度后转入闭环控制。这样既减少 系统的调节时问，保证了系统的快速响应性，同时又能够满足系统控制精度的要求，而且 继电器吸合次数相对较少。这种开环与闭环相结合的控制策略，一方面充分利用开环控制 减少系统超调量，提高系统的响应速度，另一方面又发挥了闭环控制的消除静差的优点， 实现循环风机速度的高精度调节。 接下来需要解决的一个问题就是，怎样赋予控制器以“先验经验”，这也成为实现此控 制策略过程中亟待解决的一个问题。通过一段时间的探讨与研究，我们决定采用建立历史 数据参数表的方法来实现这一功能。 1 4 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 2 2 1 历史数据参数表 如上文中温度调节的例子所描述，在人为设定温度之前，人脑中已经预先有对正确温 度的一个预判值，这样一个预判值一般是从历史经验中得出的，可信程度也比较高，如果 在循环风机系统的控制策略中也能够获得这样的历史经验，就能够更合理地制定控制目标 并下达控制命令，缩短反复调节的次数，以获得更为理想的控制效果。 这样，就需要首先赋予中央处理单元以“先验经验”。于是，我们利用从风机系统工作 现场实测得出的若干组历史数据，每一组数据中选定一个勺管电压值，记录下与其相对应 的转速值与风量值( 对应于某一个勺管电压值的转速或风量值为多次测得的平均值) 。然后， 利用以上数据，建立一张历史数据参数关系表，参数表还将作为控制器监控系统的一部分 显示于人机界面上，并通过人机界面与控制器的通讯功能向中央处理单元进行读写操作， 数据可贮存在控制器专用的存贮单元内。 钽是仅有有限组数据不可能全貌地反映勺管电压( 勺管位置) 与转速或风量的对应关 系，冈此当控制器获得一个实际的控制晕目标值时，仅仅利用已有的参数表中的数据明显 是不够的，然而将所有需要_ l j 到的数据记录在参数表中也是不可行的，即使能够记录如此 大量的数据也会影响控制器处理速度并且人量占用中央处理单元的内部资源；因此在实际 控制过程中，在记录有若干组历史数据的前提下，利用线性插值的方法来近似地获得对应 于当前实际控制量目标值的勺管电压期望值并付诸调节。 除此之外，由于风机系统的耦合性会随着时问的推移产生潜移默化的改变，因此与勺 管电压所对戍的实际转速值以及风量值亦会相应产生变化，随着时间推移，参数表中的数 据会逐渐丧失其精确性。因此对参数表进行定期维护的功能显得十分必要，所以在后期控 制器监控系统设计以及软件程序设计中，必须包含这部分功能的实现。 2 2 2 稳定性判断 在整个风机系统调速控制过程中，虽然直接调节的是反应勺管位置的勺管电压，但是 我们所最为关心的其实是转速以及风量值，那么作为稳定性判断的依据，我们选取的仍然 是转速或风量值而非勺管电压值。需要说明的是，如果利用转速或风量值作为稳定性判断 依据，那么当系统耦合性变化造成参数表的精确度下降，只要参数表中数据变化趋势没有 错误产生，依照当前控制策略对于系统的调速控制仍然能够正常运行；即便如此，为了保 持良好的控制性能仍然应当对参数表数据进行定期的维护，因为更为精确的参数表数据能 够为系统的控制提供更有效的参考依据，并且可以减少调节次数并大为节省调节时问。 又由于循环风机系统的响应速度远远要慢于勺管调节的响应速度，所以为避免超调现 象的出现，每次控制电机调节后，需要等到风机的速度基本稳定。f 来，才进行下一步调节。 5 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 2 2 3 最大控制周期 在系统控制过程中，我们将对勺管位置进行单步调节的时间称为一个控制周期，控制 周期本身随调节量大小以及系统的响应速度变化，因此合理选择控制周期，一方面能够帮 助抑制由于系统滞后所引起的系统过调节现象，另一方面可加速调节时间。 在稳定性判断中，譬如对于此风机类的大惯性大滞后系统，每一次调节完成的稳定时 间都比较长，在做出一次调节之后，勺管位置虽然能够快速调节到位，但系统的转速或风 量的响应有较大的延迟滞后时间，并且在之后较长一段时问内都会持续处于变化状态。因 此，对于一次调节步骤结束的判断依据除了稳定性判断之外，还需要有附加的判断依据， 以避免系统长时间处于等待状态而迟迟不进入下一步调节( 预防系统冈稳定性判断失误或 其他原因进入死循环) ，避免无休止等待现象的产生。 因此，在控制策略中引入了“最大控制周期”这一控制参数。我们将单步调整从开始 到结束的最大时间设为j 最大控制周期”，当一次调节步骤的运行时间达到了“最大控制周 期”，则认为此次调节步骤己经完毕，继续下一步或者结束整个调倒空制。“最大控制周期” 的得出，是基丁：系统在这段时间内总能够调常到稳定状态的前提( 其后控制鼙稳定的结果 不会超过容差范围) ，出于谨慎起见在此基础上还留有一定的裕量。目前使用的“最人控制 周期”是参考工作现场的经验数据得出的，实际工作中软件支持人机界面对其进行现场修 改的功能。 2 2 4 最小控制周期 除了“最大控制周期”之外，稳定性判断中还引入“最小控制周期”这一控制参数。 引入这一控制参数是基于系统本身安全性能考虑的，由于向系统进行过高频率地反复调节 的控制行为，会产生对系统抗疲劳性非常不利的影响，尤其控制器对于，、j 管电机的控制是 通过继电器转化为开关信号作出的，频繁对继电器作出通断调节会严重影响其正常使用寿 命，妨碍系统正常工作稳定工作。因此，引入“最小控制周期”这一控制参数就显得尤为 必要。将单步调节自开始到结束的最小时间设为“最小控制周期”，单步调整开始后若是时 间小于“最小控制周期”，则不对被控量稳定性进行判断，这样相邻两次调节行为就被控制 在不小于“最小控制周期”时间间隔内，以避免系统过高频率调节以及继电器过于频繁吸 合。“最小控制周期”亦可通过人机界面进行现场修改 2 3 开环控制策略 虽然在新型循环风机控制器开发完成之后，实际生产过程中开环控制将很少付诸应用， 但是在控制模式中依然保留开环控制功能，开环控制模式可应用在对精度要求不高的场合， 为闭环调节做准备，或仅供测试用途。在开环控制模式下，控制器获得风机转速目标值或 1 6 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 风量目标值信号之后，同样利用参数表中的历史数据参数表作为参考依据，输出勺管电机 控制信号，但仅对勺管位置完成一次调节，不作稳定性判断，最终只是将转速或风量值控 制在距目标值一定范围之内。 2 4 修正系数 当控制器中央处理单元获得一个控制量目标值之后，根据参数表线性插值获得一个勺 管电压的期望值，继而得出一个勺管电压调节量，如果直接按此调节量输出控制信号对勺 管位置进行调节，那么在这样的一步调节完成之后，存在相当大的可能性使得被控量处于 超调状态，然而按照当前的项目要求，超调是需要尽量避免出现的，因此采用了修正系数 来修正调节幅度。修正系数的具体应用是这样的，将每次的勺管电压的调节幅度减小为由 来的x ，其中的x 由t 作现场的先验经验得出，使得相麻调节步骤之后的结果不会产生 超调，并且根据当前调幅范同的大小不同而相应变化( 修正系数变化功能利用软什实现) 。 这样修正处理的结果是，使控制过程能够满足项目的要求，有效地避免了超调现象的产生， 但缺点是一定程度上延长了调节时问。 另外，因为考虑到在实际工作条件下，可能获得更为有效的修正系数以尽量减少调节 次数并缩短调节时间，所以需要软件支持调整修正系数的功能，并可通过人机界面重设修 正系数。 1 7 浙江大学硕士学位论文循环风机系统的半物理仿真和控制器研究 第3 章控制器硬件设计 3 1 控制器功能设计 本课题中循环风机控制器的设计需要实现如下功能：当控制器处于闭环控制模式，控 制器获得风机转速目标值或风量目标值的设定信号之后，根据操作者预先设定的控制参数， 通过中央控制单元处理后，输出勺管电机控制信号来自动调整勺管的位置，从而改变风机 转速和风量的大小，直至最终实现将转速或风量值控制在目标值容差范围之内的控制目标； 当控制器处于开环控制模式，控制器获得风机转速骨标值或风量目标值信号之后，根据操 作者预先设定的控制参数，通过中央控制单元处理后，输出勺管电机控制信号完成一次勺 管位置的调仇将转速或风量值控制在距目标值一定范围之内。 以下分别对控制量、控制量设定方式、控制模式作逐一说明。 控制量：风机转速或风机风量。 控制量设定