CN101349892A

CN101349892A - 烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统

Info

Publication number: CN101349892A
Application number: CNA200810013032XA
Authority: CN
Inventors: 张斌; 王波; 李明峰; 边文
Original assignee: Northern Engineering and Technology Corp MCC
Current assignee: China Metallurgical Group Corp; Northern Engineering and Technology Corp MCC
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-01-21

Abstract

本发明涉及烧结混合加水检测与控制系统，特别是一种在烧结混合加水中的Fuzzy－PID复合控制系统，包括PID控制策略、检测仪表、控制装置，Fuzzy－PID复合控制系统的控制流程为：系统数据初始化，设定阀门开度与反馈阀门开度偏差|e|，判断|e|是否＝|e₀|，当|e|≤|e₀|时，采用PID控制策略，当|e|＞|e₀|时，采用Fuzzy控制策略，当PID控制向Fuzzy控制切换时，调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值UPID，直到Fuzzy控制器输出|UF|≥|UPID|，当Fuzzy控制向PID控制切换时，调节器的输出将保持Fuzzy控制策略下的输出值UF，直到PID控制器输出|UPID|≤|UF|。本发明改善了烧结混合料的透气性，提高了烧结层厚度、烧结机速，烧结负压降低。

Description

烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统

技术领域

本发明涉及烧结混合加水检测与控制系统，特别是一种在烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统。

背景技术

众所周知，烧结混合加水可以决定了烧结的质量、物理性质、化学成分，对高炉铁水的质量和炼铁效率有着深远的影响。烧结生产控制中的混合料加水控制是重要环节，水分的大小不仅影响烧结过程的垂直烧结度，而且还影响烧结矿的成品率、生产率。混合料水分大，虽然烧结速度快，但成品率低，返矿量大；混合料水分小，烧结速度慢，生产率低，各种消耗增加。因此，对混合料水分进行准确测定和自动控制是实现烧结生产优质、高产的必要保证。烧结混合加水中的技术成功的关键在于准确控制加水阀门的控制，由于加水阀门的控制与加水流量、混合前下料量、混合前的料量水分、混合后的料量水分等多个工艺参数密切相关。

现有的烧结混合加水技术中均采用加水设定值与混合后的料量水分进行比较，通过PID运算调整加水阀门的控制，来控制加水流量。现有的烧结加水采用单个变量控制单个工艺参数，从而应用闭环控制系统。其缺点是：PID控制算法具有原理简单，但准确性不令人满意，因而该控制系统的精度较差，抗干扰能力弱，容易产生频繁调节阀门的开度。

发明内容

本发明的目的是克服上面所述烧结混合加水控制中存在的问题，提供一种烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，提高加水阀门的稳定性和控制精度。Fuzzy控制算法具有无需建立被控对象的数学模型，对非线性、时变性系统具有一定的适应能力及快速性好的优点，本发明针对阀门控制的特点与难点，将Fuzzy控制与PID控制算法相结合，构建Fuzzy-PID复合控制策略。

本发明的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，包括PID控制策略、检测仪表、控制装置，其特征在于Fuzzy-PID复合控制系统的控制流程为：

1)系统数据初始化，

2)设定阀门开度与反馈值的差值，作为偏差值|e|

3)判断|e|是否＝|e₀|，|e|为偏差信号，|e₀|为Fuzzy与PID控制切换时，给定的偏差。

4)当|e|≤|e₀|时，采用PID控制策略，

5)当|e|＞|e₀|时，采用Fuzzy控制策略，

6)当PID控制策略向Fuzzy控制策略切换时，调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值UPID，直到Fuzzy控制器输出|UF|≥|UPID|，

7)当Fuzzy控制策略向PID控制策略切换时，调节器的输出将保持Fuzzy控制策略下的输出值UF，直到PID控制器输出|UPID|≤|UF|，

8)调节器4的输出一路送执行机构，由执行机构完成控制动作，另一路返回与设定阀门开度1作比较。

所述的偏差基准值|e₀|＝4-6％。

所述的模糊控制子集为E＝{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，其论域为e＝EC＝{-10，-5，-3，0，3，5，10}，。

所述的PID控制策略下的输出值：

UPID＝UPID(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+(k-2)]，式中，k是第k次采样周期，Kp是比例环节，e(k)是第k次采样周期的偏差值，Ki＝KpT/Ti，Kd＝KpTd/T，T为采样周期，Ti为积分时间，Td为微分时间。

所述的模糊控制策略设有30条推理规则，采用if-then语句表达形式，得到的控制变量模糊控制规则表如下表所示，

(1)if Eis NB and EC is NB then UF is PB or

(2)if Eis NB and EC is NM then UF is PB or

…….

(30)if Eis PB and EC is PB then UF is NB。

表1模糊控制规则表

所述的检测仪表包括加水前烧结混合料量检测用的电子称，加水前后混合料含水率检测用的红外线水分计，加水流量检测用的流量计，加水调节阀检测与控制用的电动调节阀。

所述的控制装置包括装有Fuzzy-PID复合控制程序的工业用计算机，与此工业用计算机相连接的显示器，通过通讯总线与此工业用计算机相连接的PLC，与此PLC相连接的仪表柜，与此仪表柜相连接的混合阀门执行机构，此PLC与被控设备相连接。

所述的PLC为西门子S7-400可编程序控制器，所述的通讯总线为Profibus通讯总线。

本发明的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其基本思想是在大偏差时，采用Fuzzy控制算法，充分发挥Fuzzy控制器快速性好、适应能力强的特点；在小偏差时，采用PID控制算法，充分发挥PID控制器原理简单、调节精确的特点。二者的转换用根据给定的偏差自动实现，为了尽可能避免在控制策略切换时引起的扰动，采用了当Fuzzy控制策略向PID控制策略切换时，调节器的输出将保持Fuzzy控制策略下的输出值UF，直到PID控制器输出|UPID|≤|UF|；当PID控制策略向Fuzzy控制策略切换时，调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值UPID，直到Fuzzy控制器输出|UF|≥|UPID|。

模糊控制子集为E＝{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，其论域为e＝{-10，-5，-3，0，3，5，10}。隶属度函数采用三角分布函数。根据实际经验总结得到30条推理规则，采用if-then语句表达形式，得到控制变量的模糊控制规则表，如当系统阀门的绝对值小于偏差基准值时，采用PID控制算法，得到PID控制器输出的控制量UPID，可以实现一定范围内无差控制，提高系统的准确性和稳定性。

在Step7软件平台上进行了控制程序设计，包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序、切换程序、操作与报警程序等。通过现场总线Profibus通过进行上位机与下位机信息交互，程序运行，算法实施等，Fuzzy-PID复合控制程序流程图如图1所示。

本发明的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，改善了烧结混合料的透气性，提高了烧结层厚度，提高了烧结机速，烧结负压降低，从而实现了低温厚料层烧结技术，吨烧结矿降低燃料消耗，烧结机利用系数大幅度提高并改善了烧结矿质量，经济效益巨大。

加水作业是保证制粒效果的最基本因素，其中包括最佳加水量、稳定加水量及使用雾化水，要根据混合及制粒要求，沿长度方向优化给水量及使用雾化水。

由于生产过程混合料水分稳定，促进生产过程的良性循环，烧结矿产量提高，消耗下降，降低了岗位工人的劳动强度，获得了较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

图2为本发明的系统结构示意图。

图3为本发明的控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，本发明的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，包括PID控制策略、检测仪表、控制装置，其特征在于Fuzzy-PID复合控制系统的控制流程为：

1)系统数据初始化，

2)设定阀门开度1与反馈值6的差值，作为偏差值|e |

4)当|e|≤|e₀|时，采用PID控制策略2，

5)当|e|＞|e₀|时，采用Fuzzy控制策略3，

6)当PID控制策略向Fuzzy控制策略切换时，调节器4的输出5将保持PID控制策略下的输出值UPID，直到Fuzzy控制器输出|UF|≥|UPID|，

7)当Fuzzy控制策略向PID控制策略切换时，调节器4的输出5将保持Fuzzy控制策略下的输出值UF，直到PID控制器输出|UPID|≤|UF|，

所述的偏差基准值|e₀|＝4-6％。

所述的模糊控制子集为E＝{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，其论域为e＝{-10，-5，-3，0，3，5，10}，。

所述的PID控制策略下的输出值：

(1)if E is NB and EC is NB then UF is PB or

(2)if E is NB and EC is NM then UF is PB or

…….

(30)if E is PB and EC is PB then UF is NB or。

表1模糊控制规则表

如图3所示，所述的控制装置包括装有Fuzzy-PID复合控制程序的工业用计算机8，与此工业用计算机8相连接的显示器7，通过通讯总线9与此工业用计算机8相连接的PLC可编程序控制器10，与此PLC可编程序控制器10相连接的仪表柜12，与此仪表柜12相连接的混合阀门执行机构13，此PLC10与被控设备11相连接。

所述的PLC可编程序控制器为西门子S7-400可编程序控制器，所述的通讯总线为Profibus通讯总线。

在Step7软件平台上进行了控制程序设计，包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序、切换程序、操作与报警程序等。通过现场总线Profibus通过进行上位机与下位机信息交互，程序运行，算法实施等，

Claims

1、一种烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，包括PID控制策略、检测仪表、控制装置，其特征在于Fuzzy-PID复合控制系统的控制流程为：

1)系统数据初始化，

2)设定阀门开度与反馈值的差值，作为偏差值|e|，

3)判断|e|是否＝|e₀|，|e₀|为Fuzzy控制策略与PI D控制策略切换时给定的偏差基准值，

4)当|e|≤|e₀|时，采用PID控制策略，

5)当|e|＞|e₀|时，采用Fuzzy控制策略，

8)调节器的输出一路送执行机构，由执行机构完成控制动作，另一路返回与设定阀门开度作比较。

2、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的偏差基准值|e₀|＝4-6％。

3、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的模糊控制子集为E＝{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，其论域为e＝EC＝{-10，-5，-3，0，3，5，10}。

4、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的PID控制策略下的输出值：

5、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的模糊控制策略设有30条推理规则，采用if-then语句表达形式，得到的控制变量模糊控制规则表如下表所示，

(1)if E is NB and EC is NB then UF is PB or

(2)if E is NB and EC is NM then UF is PB or

…….

(30)if E is PB and EC is PB then UF is NB。

6、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的检测仪表包括加水前烧结混合料量检测用的电子称，加水前后混合料含水率检测用的红外线水分计，加水流量检测用的流量计，加水调节阀检测与控制用的电动调节阀。

7、根据权利要求1所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的控制装置包括装有Fuzzy-PID复合控制程序的工业用计算机，与此工业用计算机相连接的显示器，通过通讯总线与此工业用计算机相连接的PLC，与此PLC相连接的仪表柜，与此仪表柜相连接的混合阀门执行机构，此PLC与被控设备相连接。

8、根据权利要求7所述的烧结混合加水中的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的PLC为西门子S7-400可编程序控制器，所述的通讯总线为Profibus通讯总线。