焦炉集气管压力智能解耦控制系统的应用last.doc

焦炉集气管压力智能解耦控制系统的应用*基金项目：国家杰出青年基金项目（60425310）和教育部青年教师奖项目(教人20025号)作者简介：周国雄（1980-），男，湖南郴州人，助教，从事复杂工业过程的控制技术及应用论文联系人：赖旭芝，女，教授，电话email：周国雄 赖旭芝 曹卫华 吴敏（中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083）摘 要：针对某钢铁焦炉集气管压力系统具有强耦合、强干扰、典型非线性的特点，结合了模糊控制、PID控制、解耦控制、专家控制的优点，提出了集气管压力的智能解耦控制方法，并将该方法应用于1号、2号焦炉智能解耦控制器实际运行结果表明，当焦炉开盖、关盖、外送压力、煤气流量等因素引起集气管压力波动时，系统能迅速调节蝶阀开度使压力在15s内能达到稳定，并且能够保证集气管压力稳定在工艺要求波动范围内。关键词：集气管压力；智能解耦控制；模糊控制；专家控制中图分类号：TP 229 文献标识码： A 文章编号：1672-7207（2006）03-Application of an intelligent decoupling control System forcoke-oven collector pressureZHOU Guo-xiong, Lai Xu-zhi, CAO Wei-hua, WU Min（School of Information Science and Engineering,Central South University, Changsha 410083,China)Abstract:The collector pressure system of coke-oven is a strongly coupled, disturbed and non-linear system。 Based on the characteristics an intelligent decoupling control method which incorporates fuzzy control, PID control, decoupling control with expert control was proposed。The actual operation results show that when the extern facotors such as the coke-oven opening or closing the cover, the pressure for send off, gas flux cause the pressure fluctuate, the system can make the pressure stable in 15s in the technological requirement scope through accommodating the corresponding butterfly-valve。Keyword：gas collector pressure; intelligent decoupling control; fuzzy control, expert control在钢铁企业的炼焦生产过程中，焦炉集气管压力的稳定与否，直接影响到焦炉的正常生产和使用寿命。由于集气管压力系统是一个耦合严重、具有高度非线性、时变特性、扰动变化激烈且幅值大的多变量系统1，因此难以用常规方法控制。模糊控制精度高，适用于数学模型未知的控制对象2，已广泛应用于工业生产过程控制，但对于需快速抑止扰动、时变非线性对象不能获得较理想的控制效果；PID控制器结构简单、工作稳定、鲁棒性较强，使用方便，但要求获得对象数学模型；智能解耦控制通过分管控制补偿和设点动态调整，实现了焦炉组内并联解耦，但要求扰动可测3；专家控制是将人的感性经验和定理算法结合的一种传统的智能控制方法4-6，能够根据工业对象本身的时变性和不确定性以及现场干扰的随机性，控制器采用不同形式的开环与闭环控制策略，其主要优点是控制方法和知识表达的灵活性，但灵活性同时带来了设计上的随意性。在此，作者提出了一种将模糊控制、PID控制、解耦控制、专家控制相结合的模糊专家控制方法，把上述四种方法的简便性、可靠性、抗扰动快速性、灵活性融为一体，发挥各自的长处。1 控制问题描述某钢铁公司焦化厂有1号、2号焦炉，1号和2号焦炉产量和技术指标基本一样，输气管网对称分布。1号和2号焦炉相距很近，其集气管压力耦合严重，其中任一集气管压力的变化都会引起另一集气管压力的波动。2座焦炉集气管压力原先设定值为80120 Pa，现因炉体老化，其值设定在4080 Pa之间才能防止焦炉出现跑烟、冒火现象。集气管压力智能解耦控制系统的控制目标为实现1号和2号2座焦炉集气管压力的稳定。由于1号和2号集气管相距很近，存在严重的负耦合，为了保证两座焦炉压力的稳定，就必须进行解耦7,8。本系统针对Honeywell集散控制系统系统功能单一、控制效果不佳，在该系统的基础上设计了1号和2号智能解耦控制器2 1号、2号焦炉控制器的设计根据该焦化厂1号、2号焦炉系统特性，采用将解耦控制、专家控制、模糊控制以及PID控制相结合的方法9,10，设计混合智能解耦控制器以及采用变周期控制策略11实现1号和2号集气管压力控制，控制器结构如图1所示。图1 1号和2号集气管压力智能解耦控制系统1号压力检测值2号压力检测值蝶阀解耦控制器集散控制系统1号压力给定2号压力给定蝶阀模糊控制器1PID控制器1模糊控制器2PID控制器2解耦控制器蝶阀专家控制器蝶阀专家控制器Fig。 1 Intelligent decoupling control system for 1# and 2# cokeoven gas collector pressure图1中，首先通过专家判断，选择模糊控制器或PID控制器12，再由相应的控制器计算出对应于1号和2号压力的控制量，然后通过各自的解耦控制器得到焦炉煤气蝶阀的阀位增量，最后通过蝶阀专家控制器得出焦炉煤气蝶阀的阀位，由执行机构分别控制1号焦炉压力和2号焦炉压力的蝶阀，实现集气管压力的稳定。考虑到现实的生厂工艺要求，当焦炉集气管压力偏差在-60+60 Pa之外，使用模糊控制器难以使其迅速回到平衡区，所以在这种情况下，控制目的是尽快减小偏差，采用PID控制器进行控制；如果偏差在模糊控制的范围内，则采用模糊控制器13,14。在本系统中，1号、2号模糊控制器以及PID控制器的控制思想和常规的模糊控制器以及PID控制器设计相似。2。1 解耦控制器1号和2号焦炉之间存在着很大的耦合，由分析数据得知这种组内耦合是集气管压力系统中影响最大的耦合，并且可以得知系统内在的耦合关系的方向，故采用补偿解耦。假设1号集气管的压力高于2号集气管的压力，则1号的煤气不但流向汇总管，还要流向2号集气管，使1号管压力下降，2号管压力上升，其目的是使两管压力趋于平衡，这就是系统的自平衡能力，但也是其耦合所在。若仅对单管分开采用模糊控制或PID控制，必然在耦合作用下产生超调，加剧系统的波动。解决的方案在单个焦炉集气管通过控制器计算控制增量后构造一修正系数进行补偿修正，使得各分管控制器输出增量为从而输出修正后的控制量为其中：C为控制修正系数， ）；为号管特殊符号函数；为原分管控制器输出增量。具体定义如下：设，为第号和j号集气管压力的精确误差，则，为集气管压力的量化误差，即，其中：为量化因子，；INT( )为取整函数。C，由如下规则给出：if then ,if AND then ,if AND then ,这种方法原有的单管控制输出的基础上，增加补偿解耦系数，使控制输出不但以单管工况的模糊控制算法为基础，而且考虑了组内快速负耦合的影响，减小了压力波动。2。2 蝶阀专家控制器根据现场实际观察的情况，以及蝶阀的流量特性曲线15，采用了1号、2号蝶阀专家控制器，它主要用于适应蝶阀的特性，提高控制品质。根据特殊情况，总结了以下两条规则：规则：若控制算法计算后要求增加蝶阀开度，则采用三次加减重发原则，实现小偏差（控制增量小于1）的细调；规则：若控制算法计算后要求减小蝶阀开度，则采用后退重发原则，减小压力超调现象。3次加减原则可用一个例子来表示。例如：当1号蝶阀蝶阀当前控制值为48，检测值为47.5，下发增量加在检测值上，控制周期为15 s，通过计算要求下发小增量+0.5。需通过3个步骤来完成下发，实现控制效果。a. 在控制周期开始下发一个值47.5+0.5，如果蝶阀检测值不动作，则进行，否则结束；b. 第5s下发一个值47.5+0.6，实现蝶阀检测值的跟随；c. 第10s下发一个值47.5+0.5。后退重发原则也可用一个例子来表示。例如：当1号蝶阀蝶阀当前控制值为48，检测值为47。5，下发增量加在检测值上，控制周期为15 s，通过计算要求下发增量-2。需通过两个步骤来完成下发，避免超调。a. 在控制周期开始下发一个值48-2，由于蝶阀本身的因素，蝶阀此时动作会很大，蝶阀检测值可能会低于44，此时会造成1号压力超调；b. 为避免1号集气管压力超调，在第5 s时下发一个值如4820.1，蝶阀检测值这时会回到45。9，避免了压力在这个周期内超调。2。3 变周期控制策略在实际的工业过程控制系统中，被控对象的动态过程是不断变化的，为了获得良好的控制性能，控制器必须根据控制系统的动态特性，不断地改变或调整控制策略，以便使控制器本身的控制规律适应于控制系统的需要，在常规计算机控制系统中，通常采用不变的控制周期进行控制，通过分析人的手动控制策略，不难理解控制周期本身是一个十分重要的控制参数。在本系统中，被控对象的动态特性波动尤其明显，特别是在初冷器吸力、外送压力发生剧烈波动时，此时如果控制周期刚好已经过去，就只能在下一个控制周期开始时再进行调节，这对于控制要求而言是不能承受的。所以就必须在线检测这种剧烈的波动，在集气管压力发生较大突变时，马上进入控制周期，采用变周期控制策略，并配合上文中所介绍的专家控制器，可以较好跟随这种剧烈的变化。3 系统运行情况上述设计方案实施后，焦炉进行了长时间的运行，其典型的运行曲线如图2和图3所示。图2为1号焦炉集气管压力的变化曲线，压力设定值为60 Pa，其中压力波动幅度为10 Pa占全部采样的85%，压力波动幅度为20Pa占全部采样的15%；图3为2号焦炉集气管压力的变化曲线，压力设定值为70 Pa，其中压力波动幅度为10 Pa占全部采样的40%，压力波动幅度为20 Pa占全部采样的60%。当焦炉开盖、关盖以及外送压力、煤气流量等因素引起集气管压力波动时，系统能迅速调节1号和2号蝶阀开度使压力在15 s内达到稳定，保证压力稳定在工艺要求波动范围内；消除了原系统压力波动幅度为300Pa之间波动的情况，有效的增强了系统的鲁棒性。图2 1号焦炉压力运行曲线图Fig. 2 Run results of 1# coke-oven for gas collector pressure图3 2号焦炉压力运行曲线图Fig. 3 Running results of 2# coke-oven for gas collector pressure4 结语a. 结合模糊控制、PID控制、解耦控制、专家控制的优点，提出了集气管压力的智能解耦控制方法。b. 将智能解耦控制方法应用于1号、2号焦炉智能解耦控制器，结果表明所建立的集气管压力控制模型消除了两集气管之间的耦合震荡问题，保证了压力稳定在工艺要求波动范围内。c. 该控制算法具有简单、易行、可靠、易扩充及抗干扰能力强等优点。在对控制对象的数学模型难以确定的情况下，能得到令人满意的效果。可适用于任何类型焦炉及类似的工业对象，应用前景广泛。参考文献：1 阳春华，沈德耀集气管压力的智能控制设计与实现J小型微型计算机系统，1999，20(7)：550-554YA Chun-hua, SHEN De-Yao Research and realization of intelligent control for gas collectorJ Mini-Micro Systems, 1999, 20 (7):550-5542 李士勇 模糊控制、神经控制和智能控制论M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002，5: 34-68 LI Shi-yong Fuzzy control, Neural control and intelligent controlMHarbin:Harbin Institute of Technology Press, 2002，5: 34-683 刘晓强，赫榕补偿解耦算法在集气管压力控制中的应用J中国矿业大学学报，2000，29(2)：215-218 LIU Xiao-qiang, HE Rong Application of Decouple arithmetic in collector pressureJ Journal of China University of Mining & Technology, 2000, 29(2):215-2184 蔡自兴，徐光佑人工智能及其应用M北京：清华大学出版社，2002，3: 58-79 CAI Zi-xing, XU Guang-you Artificial IntelligenceM Beijing: Tsinghua Univesity Press, 2002，3: 58-795 Lo J, C and Kuo YH Decoupled fuzzy sliding-mode control IEEE Transactions on Fuzzy SystemsJ, 2000, 3(6):2356-23616 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