脉冲控制策略在焦炉集气管压力控制中的应用.doc

脉冲控制策略在焦炉集气管压力控制中的应用 贾勋慧 李海祥 刘金刚浙江中控技术股份有限公司，杭州，310053摘要：焦炉集气管压力优化控制一直是国内外焦化生产企业及自动化行业所面临的技术难题，影响集气管压力波动的一个重要因素是执行机构的调节灵敏度，优化控制需能克服因死区较大而引起的调节干扰波动，本文介绍了通过把不同脉冲叠加到优化控制器上进行综合控制输出的优化控制方案，该方案已成功应用在某钢铁企业焦炉集气管压力优化控制上，取得了良好效果。关键字：脉冲控制；精度；集气管；压力；优化控制The application of Pulse Control strategy in coke oven collecting pipe pressure controlJia Xunhui Li Haixiang Liu JingangZhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, 310053Abstract:Optimal control of coke oven collecting pipe pressure has always been the technical challenges to coking production enterprise and automation industry at home and abroad. One of the most important factors to fluctuations the collecting pipe pressure is the the regulation of sensitivity of the executing agency. Optimal control should be able to overcome the large fluctuations, which is caused by dead zone interference with the regulation. This article describes an optimal control program, by superimposeding different pulse on the controller to optimize output of the optimal control. This program has been successfully applied to a steel company to optimize coke oven collecting pipe pressure control, with good results.Keywords:Pulse control; precision; Collecting pipe;pressure;Optimal control焦炉集气管压力波动是影响焦炉生产的重要指标之一,集气管压力较高时会引起炉顶冒烟或一些设备煤气泄漏，严重时会打开上升管顶盖或炉顶自动放散阀，使大量的煤气泄漏到大气中，造成严重的空气污染和能源浪费；集气管压力较低时会吸入空气，严重时影响到电捕的安全运行；同时由于集气管压力不稳也会影响到焦炉的使用寿命。在焦炉生产过程中，集气管压力会受到工艺操作、负荷变化及一些不可预测的因素影响，这些因素具有较强的干扰性、时变性、非线性等特点，使集气管压力也会或大或小的波动，对于多个集气管来说一段的压力波动还会引起相应其它集气管压力变化，相互之间耦合作用较强。这样的控制对象一般常规控制方案已经无能为力，必须采用一些特殊的方法才能够使压力平稳控制。此外，由于焦炉生产环境较为恶劣，温度高、灰尘大等，经常会造成现场仪表或设备的精度下降，尤其是集气管翻板阀执行机构，运行一定周期后稳定性、灵敏度都会下降，调节死区增大，进而影响到集气管压力的调节效果，甚至难于控制。由于在实际生产过程中经常更换新的执行机构也不太现实，因此从控制角度去进行一定的方案调整，通过优化和先进控制算法，把不同的脉冲叠加到集气管压力优化专用软件上进行综合控制输出，从而提高执行机构的精度是一个有效和实用的方法。该控制方案已成功地应用在某钢铁厂的焦炉集气管压力优化控制上，取得了良好效果。1.问题概述该钢铁厂现有两座4.3米捣固焦炉，年产80万吨，其中一号焦炉2003 年建成，二号炉为新建焦炉，每座焦炉均有一根集气管，在机侧两根集气管汇合后到初冷器，通过四台初冷器及两台电捕焦油器后到风机房，两台风机正常时为一开一备。原操作方式为冷鼓工段与焦炉工段各自操作，二者之间操作人员通过电话联系进行协调控制，调节方式及控制及时性上均受到较大影响，控制效果一直较差。2010年初该厂采用浙江中控技术股份有限公司多焦炉多集气管压力优化控制软件进行集气管压力优化控制。该专用软件运行在原焦炉DCS系统与冷鼓DCS系统基础之上，通过OPC方式把相关焦炉集气管压力数据及冷鼓工段数据采集，优化软件根据实际工艺参数进行相应的常规控制、解耦算法、预测及规则等控制，综合输出运算结果，通过OPC通讯把数据传送到DCS系统去执行控制调节，使焦炉集气管翻板、风机转速协调控制，最终达到集气管压力出现波动时能够及时快速调节，压力稳定到正常工艺设定值附近，焦炉集气管压力优化控制系统工艺流程见图1。图1 焦炉集气管压力优化控制系统工艺流程图在现场调试过程中，发现了一些特殊的问题，就是调节设备精度不理想，存在较大动作死区。当压力波动时，优化软件已输出细调的命令，但翻板执行机构不能够及时有效的动作，造成输出变化的累积，经过几个周期后，当输出变化大于执行机构死区后动作，最终的动作幅度则是几个周期的变化累积，过于偏大，引起压力的迅速反向波动，久而久之，就会形成振荡，最终发散，无法正常控制。如图2所示，其中浅绿色曲线为集气管的实时压力变化，深绿色为压力设定值，红色为控制输出，深蓝色为执行机构反馈值，从图中可以看出每一次执行机构的动作都会引起压力的急剧变化(执行机构反馈值最小动作幅度在2%左右，压力变化在60Pa左右，压力变送器的量程在0-250Pa)。图2 集气管翻板动作对压力的影响通过对现场工艺设备仪表查看，发现由于两座焦炉集气管翻板执行机构均在室外安装，长时间暴露在室外，高温、粉尘或腐蚀气体的影响，其调节精度及灵敏度均发生一定的变化，执行机构调节存在着较大的死区，加之工艺生产及管道原因(管道内可能存积着一定的焦油或其它因素)，当压力变化时(主要是指在压力变化不太大时)，控制输出每动作一次都会引起压力的较大变化。由于执行机构更换或调校不太现实，同时集气管上自动蝶阀前的手阀已不能正常开关动作，因此无法进行调节，既然工艺设备无法进行改善，为了完善控制效果，只能从软件方面想一些克服死区减少压力影响的办法入手，就是在原有优化软件控制方案上增加脉冲控制策略。2. 脉冲控制方法在许多实际生产过程中，生产系统存在着某些特征：在一段时间或区间内系统呈连续系统特征，而在另一些时间或区间段又呈现离散系统特征，此种系统或产生的问题是不能用单一连续系统或单一离散系统理论解决的。例如生态进化过程，种群增长、经济学中优化控制模型、飞行物体运动等等,所有这些系统状态总在某些瞬间突然发生不连续的变化。这种在某些瞬间发生突然变化的系统是不能简单地用连续动力系统或离散动力系统来描述的，脉冲系统则可以恰当的来说明这些特征。脉冲系统研究始于20世纪60年代MilinamMyshkis1。近30年来，脉冲系统作为一个非常活跃的研究方向，吸引了一大批数学专家和控制专家，并且对确定型脉冲系统取得了较为丰富的研究成果。由于基于脉冲系统理论的脉冲控制技术是一种易于实施和比采用连续控制方法成本更低，有时还能比连续控制方法给出更好性能的控制方法，所以脉冲控制技术也得到了广泛的应用234。脉冲系统数学模型为其中，为脉冲跃变时刻，为脉冲映射函数，是无限递增实序列，脉冲跳变幅度。针对以上脉冲微分方程描述的系统设计脉冲控制律，在系统发生脉冲跃变后的极短时间内，将脉冲控制律加到原系统之上，使得原系统在全局范围内快速渐进稳定。主要结果就是脉冲控制周期与控制增益矩阵。3.集气管压力脉冲控制分析集气管压力对象控制目标为集气管压力，控制手段为调节集气管翻板与冷鼓工段的风机，翻板主调，风机辅调。通过对工艺机理的分析可知，此对象的数学模型可描述成脉冲微分方程。集气管压力与运行炉子数，炉子的时间状态，即距离结焦成熟出炉的时间，翻板开度有关，为系统随机干扰噪声，即有关系如下：当某个炭化室焦炭成熟准备出焦时，此操作必然对集气管压力产生影响，由于产气炭化室数量的减少，荒煤气气量减小，压力会有一定降低，当装煤时，产气量又会有突然增加，同时此期间还有高压氨水喷洒的操作，压力会产生更大波动，整个推焦和装煤操作完成后，系统压力又恢复正常，从较大的时间尺度上看类似于一种脉冲干扰，因此可对断定集气管压力对象可用脉冲微分方程进行描述，大致有如下关系：以上只是对模型结构作了机理分析，由于实际环节干扰较多，非线性较大，非理想性很强，因此具体的脉冲微分方程将很难得到，在实际控制应用中，采用了一种迂回策略，在证得其可用脉冲微分方程进行系统描述后，模拟脉冲控制的策略进行脉冲控制，即通过简化方式得到脉冲控制周期与控制增益矩阵。综上所述，从工艺机理角度分析，在一定时间尺度上，对象本身可抽象成脉冲微分方程，出焦阶段，产气量脉冲式减少（由于出焦前夕炭化室产气量已较小，因此总气量并未发生很大变化），此时为维持压力稳定，势必要调小翻板开度，脉冲调节方式可有效克服扰动，抑制超调；在装煤阶段，产气量脉冲式增加，此时为维持压力稳定，势必要增大翻板开度，脉冲调节方式可有效克服压力扰动，抑制超调。此外在控制设备环节，翻板执行机构本身存在死区，脉冲控制本身也是一种克服死区的有效方法，因此在焦炉集气管压力优化控制上采用脉冲控制策略较为合理。4.集气管压力脉冲控制实现脉冲控制就是根据一定的控制周期输出一定宽度和高度的控制量，在许多行业都有应用，比如定周期的占空比调节、变周期调节、幅高调节等等，可分为控制脉宽和控制脉幅两种方式，对于常规的控制来说，只要在正常运算输出上叠加脉冲就可以了，但对于集气管压力控制方案来说，由于工艺的特殊性，需要采用非常规控制方案，如果单纯叠加可调幅调宽的脉冲不一定达到理想效果，因此需要进行一定的特殊处理。采用何种控制方案，如何与集气管压力优化软件融合，尽最大可能的减小因执行机构死区而造成的压力波动，又避免因脉冲控制输出影响到工艺波动时压力迅速变化成为集气管压力优化控制所面临解决的问题。集气管压力调节原则：1、压力正常时，微调或不调集气管执行机构，使压力稳定设定值附近；2、当有较大干扰引起压力大幅度波动时，应快速调节执行机构并跟踪压力变化，以尽快把压力拉回到设定值附近；3、当集气管执行机构调节到极限位置时，此时的调节已对压力无影响，则需要对风机转速进行相应的调整，把整个工况调至正常范围。根据以上这个原则分析，可知道，脉冲叠加只需要在第1种情况下就可以了，其它情况下完全可以通过优化软件自身输出来减弱死区影响，如图3所示在集气管压力优化软件算法中叠加脉冲算法，同时对于脉冲的幅度及宽度可以自由调整。图3、 脉冲算法脉冲控制中脉冲宽度和脉冲高度与执行机构的死区大小有一定的关系，即死区越大，脉冲宽度一定的情况下，脉冲高度越大效果越好（当然是在一定的范围内），如果脉冲幅度一定时，脉冲宽度却是一个特殊的值，即可以克服执行机构的死区，让其动作，但又不能太宽或太窄，太宽会引起压力的异常波动，太窄则执行机构不动作，死区未能减弱或克服。因此脉冲的参数调节应当根据实际生产过程中的动态变化值来确定和优化。在实际控制过程中我们又根据阀位变化对于压力变化影响，对脉冲的幅度进行了比例递减叠加，即偏差越大，脉冲幅度越小，偏差越小，脉冲幅度越大。通过这种方案的改进，达到了预期的目的，实现了压力偏差较小时在设定值附近小幅波动，满足了工艺生产要求。图4、脉冲叠加后的控制效果图5.集气管压力优化控制效果集气管压力优化控制，本身就因为干扰的不确定性而变得难于常规控制，通过复杂的控制算法，结合上一定的脉冲控制策略，基本上克服了因执行机构死区而引起的压力变化，最终实现了整体工况下的压力优化控制，达到了正常工艺情况下控制在20Pa范围内，当干扰较大来时在1030 S内迅速把压力调回至正常范围内的效果(如图五所示，其中绿色直线为压力设定值，红色曲线为压力变化值，深蓝线为执行机构控制值)，保障了企业的正常、安全生产。图5、集气管压力优化效果图从用户的应用效果来看，采用流程模拟，多路表决，规则控制的混合控制策略能比较好的解决焦炉集气管压力的强耦合性，非线性，多干扰，强时变等问题，系统具有较强鲁棒性，合理的叠加脉冲策略可以较好的克服因设备硬件精度问题所带来的影响。应用本优化控制系统后，集气管压力控制变化合格率大幅提高，大大减少了因压力过高而引起的焦炉冒烟，杜绝了出现负压所产生煤气含氧量增高的危险性，保证了企业安全生产，达到了节能减排的环保要求，为企业带来了明显经济效益。参考文献1 向开恒，肖业伦空间交会中脉冲变轨燃料消耗研究中国空间科学技术 1999,6:10-152王志刚，李卿，陈士