CN101739004A - 烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及烧结点火炉自动化控制系统，特别是一种烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，包括PID控制策略、检测仪表、控制装置，控制流程为：控制点火温度是靠调节燃料量及其空气流量的比例来实现的。固定空气流量的前提下，自动寻找一个合适的空燃比，实现燃烧温度最高、燃烧最充分。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，控制策略切换时，调节器的输出将保持原控制策略下的输出值，直到下一控制器输出值超出此输出值。在跟踪预期燃烧温度值不断调整空气流量，实现燃烧温度与预期燃烧温度相一致或相接近。
Description
技术领域
本发明涉及烧结机点火炉检测与控制装置，特别是一种烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统。
背景技术
众所周知，烧结机点火炉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。烧结生产控制中的点火炉控制是重要环节，点火炉的温度及阀门的开度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。点火炉的温度及阀门的开度大，虽然烧结速度快，但成品率低，返矿量大；点火炉的温度及阀门的开度小，烧结速度慢，生产率低，各种消耗增加。因此，对点火炉的温度及阀门的开度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。烧结机点火炉的温度及阀门的开度的技术成功的关键在于准确控制点火炉的煤气阀门的开度的控制，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。
现有的烧结机点火炉技术中均采用阀门设定值与阀门反馈值进行比较，通过PID运算调整加水阀门的控制，来控制调节阀开度。现有的烧结机点火炉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机点火炉控制中存在的问题，提供一种烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，提高煤气、空气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。
本发明的烧结机点火炉的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复合控制程序的控制流程为：
1)系统数据初始化，
2)自动寻找一个合适的空燃比，
3)设定燃烧温度与反馈燃烧温度的差值，调节阀门的开度作为偏差值|e|，
4)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，
5)当|e|＜|e0|时，采用PID控制策略，
6)当|e|＞|e0|时，采用Fuzzy控制策略，
7)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|，
8)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|，
9)调节器的输出一路送执行机构，另一路返回与设定阀门开度作比较。
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：
UF＝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。
所述的模糊控制设有30条推理规则，采用if-then语句表达形式，这30条推理规则为：
(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
(3)if E is NB and EC is NS then UF is PM or
(4)if E is NB and EC is ZE then UF is PM or
(5)if E is NB and EC is FS then UF is FS or
(6)if E is NB and EC is PM then UF is FS or
(7)if E is NM and EC is NB then UF is PB or
(8)if E is NM and EC is NM then UF is PB or
(9)if E is NM and EC is NS then UF is PM or
(10)if E is NM and EC is ZE then UF is PM or
(11)if E is NM and EC is FS then UF is FS or
(12)if E is NS and EC is NB then UF is PM or
(13)if E is NS and EC is NM then UF is PM or
(14)if E is NS and EC is NS then UF is PM or
(15)if E is NS and EC is ZE then UF is FS or
(16)if E is NS and EC is PM then UF is NS or
(17)if E is ZE and EC is NB then UF is PM or
(18)if E is ZE and EC is NM then UF is FS or
(19)if E is ZE and EC is NS then UF is FS or
(20)if E is ZE and EC is FS then UF is NS or
(21)if E is FS and EC is NB then UF is FS or
(22)if E is FS and EC is NM then UF is FS or
(23)if E is FS and EC is ZE then UF is NS or
(24)if E is FS and EC is FS then UF is NS or
(25)if E is PM and EC is NS then UF is NS or
(26)if E is PM and EC is NM then UF is NB or
(27)if E is PB and EC is NM then UF is NS or
(28)if E is PB and EC is NS then UF is NS or
(29)if E is PB and EC is PM then UF is NB or
(30)if E is PB and EC is PB then UF is NB。
所述的检测仪表包括设在点火炉上的点火炉温度传感器，设在点火用空气管道上的空气压力传感器和空气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气压力传感器和煤气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气流量调节阀，设在点火用空气管道上的空气流量调节阀。
所述的控制装置控制装置包括工业用计算机，分别与此工业用计算机相连接的可编程序逻辑控制器PLC，与此可编程序逻辑控制器PLC相连接的仪表柜，与此仪表柜相连接的调节阀门执行机构，此可编程序逻辑控制器PLC还与被控制设备相连接，此可编程序逻辑控制器PLC中装有Fuzzy-PID复合控制程序。
所述的可编程序逻辑控制器PLC设有CPU，分别与此CPU相连接的数字输入模板、数字输出模板、模拟输入模板、模拟输出模板，所述的仪表柜内设有配套的隔离器、继电器、空气开关、端子。
所述的可编程序逻辑控制器PLC为西门子S7-400可编程序逻辑控制器PLC。
所述的可编程序逻辑控制器PLC通过Profibus通讯总线与所述的工业用计算机相连接。
本发明的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其基本思想是在大偏差(e＞±5％)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(e＜±5％)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(e0＝±5％)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格表，如当系统阀门的绝对值小于5％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进行上位机与下位机信息交互，程序运行，算法实施等，完成Fuzzy-PID复合控制程序流程。
本发明的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，改善了烧结机点火炉的透气性，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。
烧结机点火炉的温度是保证烧结效果的最基本因素，其中包括最佳温度范围、稳定空燃比，要根据烧结的生产要求调整空气、煤气调节阀门开度。
由于生产过程烧结机点火炉的温度稳定，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为本发明的硬件结构框图。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。
如图1、2所示，本发明的烧结机点火炉的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复合控制程序的控制流程为：
1)系统数据初始化，
2)自动寻找一个合适的空燃比，
3)设定燃烧温度与反馈燃烧温度的差值，调节阀门的开度作为偏差值|e|，
4)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，
5)当|e|＜|e0|时，采用PID控制策略，
6)当|e|＞|e0|时，采用Fuzzy控制策略，
7)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|，
8)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|，
9)调节器的输出一路送执行机构，另一路返回与设定阀门开度作比较。
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＝{-10，-5，-3，0，3，5，10}。
所述的PID控制策略下的输出值：
UF＝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。
所述的模糊控制设有30条推理规则，采用if-then语句表达形式，这30条推理规则为：
(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
(3)if E is NB and EC is NS then UF is PM or
(4)if E is NB and EC is ZE then UF is PM or
(5)if E is NB and EC is FS then UF is FS or
(6)if E is NB and EC is PM then UF is FS or
(7)if E is NM and EC is NB then UF is PB or
(8)if E is NM and EC is NM then UF is PB or
(9)if E is NM and EC is NS then UF is PM or
(10)if E is NM and EC is ZE then UF is PM or
(11)if E is NM and EC is FS then UF is FS or
(12)if E is NS and EC is NB then UF is PM or
(13)if E is NS and EC is NM then UF is PM or
(14)if E is NS and EC is NS then UF is PM or
(15)if E is NS and EC is ZE then UF is FS or
(16)if E is NS and EC is PM then UF is NS or
(17)if E is ZE and EC is NB then UF is PM or
(18)if E is ZE and EC is NM then UF is FS or
(19)if E is ZE and EC is NS then UF is FS or
(20)if E is ZE and EC is FS then UF is NS or
(21)if E is FS and EC is NB then UF is FS or
(22)if E is FS and EC is NM then UF is FS or
(23)if E is FS and EC is ZE then UF is NS or
(24)if E is FS and EC is FS then UF is NS or
(25)if E is PM and EC is NS then UF is NS or
(26)if E is PM and EC is NM then UF is NB or
(27)if E is PB and EC is NM then UF is NS or
(28)if E is PB and EC is NS then UF is NS or
(29)if E is PB and EC is PM then UF is NB or
(30)if E is PB and EC is PB then UF is NB。
所述的检测仪表包括设在点火炉上的点火炉温度传感器，设在点火用空气管道上的空气压力传感器和空气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气压力传感器和煤气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气流量调节阀，设在点火用空气管道上的空气流量调节阀。
如图3所示，所述的控制装置控制装置包括工业用计算机，分别与此工业用计算机相连接的可编程序逻辑控制器PLC，与此可编程序逻辑控制器PLC相连接的仪表柜，与此仪表柜相连接的调节阀门执行机构，此可编程序逻辑控制器PLC还与被控制设备相连接，此可编程序逻辑控制器PLC中装有Fuzzy-PID复合控制程序。
如图3所示，所述的可编程序逻辑控制器PLC设有CPU，分别与此CPU相连接的数字输入模板、数字输出模板、模拟输入模板、模拟输出模板，所述的仪表柜内设有配套隔离器、继电器、空气开关、端子。
所述的可编程序逻辑控制器PLC于为西门子S7-400可编程序逻辑控制器PLC。
所述的可编程序逻辑控制器PLC通过Profibus通讯总线与所述的工业用计算机相连接。
本发明的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其基本思想是在大偏差(e＞±5％)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(e＜±5％)时，采用PID控制算法，充分发挥PI D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(e0＝±5％)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|。
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。
本发明的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统改善了烧结机点火炉的透气性，提高了烧结层厚度，提高了烧结机速度，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。
烧结机点火炉的温度是保证烧结效果的最基本因素，其中包括最佳温度范围、稳定空燃比，要根据烧结的生产要求调整空气、煤气调节门的开度。
表1 模糊控制规则表
Claims (10)
1.一种烧结机点火炉的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复合控制程序的控制流程为：
1)系统数据初始化，
2)自动寻找一个合适的空燃比，
3)设定燃烧温度与反馈燃烧温度的差值，调节阀门的开度作为偏差值|e|，
4)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，
5)当|e|＜|e0|时，采用PID控制策略，
6)当|e|＞|e0|时，采用Fuzzy控制策略，
7)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|，
8)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|，
9)调节器的输出一路送执行机构，另一路返回与设定阀门开度作比较。
2.根据权利要求1所述的烧结机点火炉的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所述的烧结点火炉的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所述的烧结机点火炉的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：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。
5.根据权利要求1所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的模糊控制设有30条推理规则，采用if-then语句表达形式，这30条推理规则为：
(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
(3)if Eis NB and EC is NS then UF is PM or
(4)if Eis NB and EC is ZE then UF is PM or
(5)if Eis NB and EC is FS then UF is FS or
(6)if Eis NB and EC is PM then UF is FS or
(7)if Eis NM and EC is NB then UF is PB or
(8)if Eis NM and EC is NM then UF is PB or
(9)if Eis NM and EC is NS then UF is PM or
(10)if Eis NM and EC is ZE then UF is PM or
(11)if Eis NM and EC is FS then UF is FS or
(12)if Eis NS and EC is NB then UF is PM or
(13)if Eis NS and EC is NM then UF is PM or
(14)if Eis NS and EC is NS then UF is PM or
(15)if Eis NS and EC is ZE then UF is FS or
(16)if Eis NS and EC is PM then UF is NS or
(17)if Eis ZE and EC is NB then UF is PM or
(18)if Eis ZE and EC is NM then UF is FS or
(19)if Eis ZE and EC is NS then UF is FS or
(20)if Eis ZE and EC is FS then UF is NS or
(21)if Eis FS and EC is NB then UF is FS or
(22)if Eis FS and EC is NM then UF is FS or
(23)if Eis FS and EC is ZE then UF is NS or
(24)if Eis FS and EC is FS then UF is NS or
(25)if Eis PM and EC is NS then UF is NS or
(26)if Eis PM and EC is NM then UF is NB or
(27)if Eis PB and EC is NM then UF is NS or
(28)if Eis PB and EC is NS then UF is NS or
(29)if Eis PB and EC is PM then UF is NB or
(30)if E is PB and EC is PB then UF is NB。
6.根据权利要求1所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的检测仪表包括设在点火炉上的点火炉温度传感器，设在点火用空气管道上的空气压力传感器和空气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气压力传感器和煤气流量传感器，设在点火用煤气管道上的煤气流量调节阀，设在点火用空气管道上的空气流量调节阀。
7.根据权利要求1所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的控制装置包括工业用计算机，分别与此工业用计算机相连接的可编程序逻辑控制器PLC，与此可编程序逻辑控制器PLC相连接的仪表柜，与此仪表柜相连接的调节阀门执行机构，此可编程序逻辑控制器PLC还与被控制设备相连接，此可编程序逻辑控制器PLC中装有Fuzzy-PID复合控制程序。
8.根据权利要求7所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的可编程序逻辑控制器PLC设有CPU，分别与此CPU相连接的数字输入模板、数字输出模板、模拟输入模板、模拟输出模板，所述的仪表柜内设有配套的隔离器、继电器、空气开关、端子。
9.根据权利要求7所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的可编程序逻辑控制器PLC于为西门子S7-400可编程序逻辑控制器PLC。
10.根据权利要求7所述的烧结机点火炉的Fuzzy-PID复合控制系统，其特征在于所述的可编程序逻辑控制器PLC通过Profibus通讯总线与所述的工业用计算机相连接。
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