CN104898433A - 一种基于模糊pid控制的高炉冷却强度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，属于高炉冷却控制技术领域。本发明基于传热学和工程热力学，提出了一种新颖的高炉供水冷却方式，以三通分流阀作为执行机构，并结合常规PID控制和模糊控制的优点，根据高炉冷却强度控制系统的非线性、时滞性和可能的不确定因素，以及高炉软水密闭循环冷却系统的工作特性，建立了PID参数自整定推导规则，调节三通分流阀开度，进而控制冷却壁冷却强度；相比现有技术，实现了冷却强度的实时控制，同时提高了控制的精确性和稳定性，减少了人力消耗。

Description

一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法

技术领域

本发明涉及高炉冷却控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，本发明尤其适用于高炉软水密闭循环冷却系统。

背景技术

高炉长寿的发展过程，最显著的特征之一就是尽力提高炉体冷却设备的冷却能力，高炉冷却设备冷却能力的不断提高，使高炉寿命在很大程度上得到延长。目前常规的高炉冷却设计采用“恒流量”的供水冷却方式。高炉各部位冷却元件的供水量，不能根据冷却强度的具体需要而变化，每个冷却元件所得到的冷却水量，只能满足高炉一般热负荷条件下的需要，而不能满足峰值热负荷时的需要。因此，需要根据高炉各部分的热负荷变动情况调节供水量，使冷却强度与冷却壁热负荷相适应并能始终保持平衡，从而降低炉体热负荷和炉衬热负荷波动，保持无过热、低应力的炉体和冷却壁结构，进而构成合理的高炉内衬，同时也减缓冷却设备的侵蚀，实现高炉长寿。

目前，调节冷却水供水量主要通过人工调节或采用温差自力式调节阀。其中，现行普遍采用的人工调节方式，当且仅当水温差长时间异常时，才通过人工调节冷却水进水阀门，从而改变冷却水流量，调节实时性差，消耗大量人力且存在安全隐患。

温差自力式调节阀的结构参看图8，温差自力式调节阀主要包括上水腔1、弹簧2、隔热活塞3、下水腔4和阀芯5。冷却壁进水和出水分别通过上水腔1和下水腔4，冷却壁的进出口水温差为调节阀提供推力，当冷却水温差恒定时，弹簧2保持稳定，上水腔1和下水腔4内的流量为恒定；当冷却水温差产生变化时，推力产生变化，上水腔1和下水腔4内的流量产生变化，从而达到控制冷却水流量、控制冷却壁水温差的目的。

然而，采用温差自力式调节阀依据冷却壁的热负荷自动调节冷却壁进水流量，虽然控制简单易行，但适用范围较窄，无法适用于目前应用广泛的高炉软水密闭循环冷却系统，且无法适应高炉冷却系统复杂的现场环境，稳定性不好，无法达到精确控制。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法。本发明提出了一种新颖的高炉供水冷却方式，在模糊PID控制系统控制下，设定冷却水温差值，进行三通分流阀的调节，当温差达到设定值并稳定后，停止三通分流阀的动作，实现了高炉冷却强度的有效控制。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其步骤为：

步骤一、建立高炉冷却强度控制系统，该控制系统以三通分流阀作为执行机构，冷却壁作为被控对象，采用模糊PID控制器调节三通分流阀开度，进而控制冷却壁冷却强度；

步骤二、实时检测高炉冷却水温差Δt＝(t_o-t_i)和冷却水体积流量q_w，并计算出水温差与其设定值的偏差e_Δt；

步骤三、将步骤二所得偏差e_Δt输入到步骤一所述模糊PID控制器中，利用模糊PID控制器进行模糊控制，输出三通分流阀开度控制量l来调节冷却水体积流量q_w，使冷却水温差回归设定值；

步骤四、当高炉热负荷发生改变时，重复步骤二～三，进行新一轮的控制。

更进一步地，步骤三中模糊控制采用Mamdani推理算法，输入变量为冷却水温差偏差值e和温差变化率ec，e和ec分别乘以设定的量化因子，上述量化因子由高炉冷却系统的设计参数确定，不同的高炉冷却系统以及同一座高炉不同位置的冷却系统的量化因子均不相同。e和ec经过模糊化处理后得到E和EC，输出变量为PID控制的比例增益系数ΔK_p，积分增益系数ΔK_i，微分增益系数ΔK_d，所述温差偏差值E、温差变化率EC、比例增益系数ΔK_p、积分增益系数ΔK_i和微分增益系数ΔK_d的论域为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，模糊集为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

更进一步地，步骤三中比例增益系数ΔK_p的模糊控制规则表为：

更进一步地，步骤三中积分增益系数ΔK_i的模糊控制规则表为：

更进一步地，步骤三中微分增益系数ΔK_d的模糊控制规则表为：

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，基于传热学和工程热力学，通过实际冷却水温差与设定水温差的差值来调节冷却水流量，从而改变冷却强度消除高炉热负荷的波动量，维持水温差的恒定，使冷却强度与热负荷之间形成平衡，可以实现在任何热负荷状态下的冷却强度自动控制；

(2)本发明的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，以三通分流阀作为执行机构，冷却壁作为被控对象，调节冷却壁传热，并结合常规PID控制和模糊控制的优点，根据高炉冷却强度控制系统的非线性、时滞性和可能的不确定因素，以及高炉软水密闭循环冷却系统的工作特性，建立了PID参数自整定推导规则，相比现有技术，实现了冷却强度的实时控制，同时提高了控制的精确性和稳定性，减少了人力消耗。

附图说明

图1为本发明基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制原理图；

图2为本发明的仿真数学模型图；

图3为本发明中冷却壁的热量传递关系图；

图4为本发明中三通阀的流量分配图；

图5为本发明中模糊PID的控制原理图；

图6为本发明中输入变量的隶属度函数图；

图7为本发明中输出变量的隶属度函数图；

图8为温差自力式调节阀的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、上水腔；2、弹簧；3、隔热活塞；4、下水腔；5、阀芯。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

结合附图，本实施例的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，目的是通过调节冷却水流量来控制高炉冷却强度，维持高炉冷却水温差的恒定，保持冷却强度和高炉热负荷之间的平衡，实现高炉长寿。

冷却壁的热平衡方程为：

Q＝Q₁+Q₂       (1)

Q₁＝c_wm_f(t_o-t_i)＝c_wvSρ(t_o-t_i)＝c_wq_wρ(t_o-t_i)     (2)

式中，Q为高炉传给冷却壁的总传热量；Q₁为冷却水从冷却壁带走的热量；Q₂为冷却壁冷面和空气之间的对流传热量；c_w为冷却水的比热容，m_f为冷却水的质量流量，S为冷却水管的横截面积，ρ为冷却水密度，q_w为冷却水体积流量，v为冷却水流速，t_i为冷却壁进口水温度，t_o为冷却壁出口水温度。

由于Q₂约占总热收入的2％左右，可以忽略不计，且c_w、ρ为定值，由式(1)、(2)可得冷却壁的冷却强度同q_w，(t_o-t_i)有关，即可通过调节冷却水的流量和水温差来调节冷却壁的冷却强度，从而消除炉体热负荷波动。冷却水的流量和冷却水温差既反映了冷却壁的热负荷，又代表冷却壁的冷却强度，每一个温差(t_o-t_i)对应一个流量q_w，每一组q_w和(t_o-t_i)，就构成这一状态下的冷却强度，这一冷却强度也等于这一状态时冷却壁的热负荷。当高炉热负荷产生波动时，冷却壁热负荷也产生变化。由于高炉软水密闭循环冷却系统的冷却水总流量不变，所以冷却壁热负荷变化首先反应为温差的变化。

本实施例正是依据上述原理，确定通过实际冷却水温差与设定冷却水温差的差值来调节冷却水流量，从而改变冷却强度消除热负荷的波动量，使温差回归设定值，维持水温差的恒定，冷却强度与热负荷之间又形成新的平衡。在这种控制状态下，高炉炉体的热负荷越高，流量越高，热负荷越低，流量越低。只要温差和流量在所允许的范围内波动，并且可以包容热负荷的波动范围，就可以实现在任何热负荷状态下的冷却强度自动控制。

本实施例基于传热学和工程热力学，以三通分流阀作为执行机构，冷却壁作为被控对象，调节冷却壁传热。结合常规PID控制和模糊控制的优点，根据高炉冷却强度控制系统的非线性、时滞性和可能的不确定因素，以及高炉软水密闭循环冷却系统的工作特性，建立了PID参数自整定推导规则，设计了高炉冷却强度控制系统的模糊PID控制器。

参看图1，本实施例将冷却水温差的偏差值e_Δt，输入到模糊PID控制器中，利用模糊PID控制器输出三通分流阀开度控制量l，从而对冷却水流量q_w进行调节，进而控制冷却壁的冷却强度，同时消除高炉热负荷扰动ΔQ对控制系统的影响，使得冷却强度同热负荷相适应，实现高炉冷却强度的有效控制，减小冷却水温差的波动范围。

参看图2，本实施例根据高炉冷却系统的工作参数指标，建立了基于冷却壁传热和三通分流阀流量特性的仿真数学模型。下面将结合所述仿真数学模型对本实施例的高炉冷却强度控制方法进行具体分析。

(1)冷却壁传热

冷却水从冷却壁水管中流过，对高炉炉体进行冷却。在分析冷却壁传热时将换热过程视作整体。根据热量平衡关系，单位时间内冷却水管中冷却水和冷却水管的蓄热量等于单位时间内高炉传给冷却壁的热量减去单位时间内冷却水带走的热量。冷却壁热量传递关系如图3所示，数学表达式如下：

W_D＝m_wc_w+m_cc_c             (4)

式中，W_D为冷却水管内的冷却水和冷却壁的总热容量；m_w，c_w分别为冷却水的质量和比热容；m_c，c_c分别为冷却壁的质量和比热容；Q(τ)为单位时间内高炉传给冷却壁的热量；m_f为冷却水的质量流量；t_o，t_i分别为冷却水管出口冷却水温度和进口冷却水温度。

(2)三通分流阀开度

由高炉软水密闭循环冷却系统的工作特性可知，系统对某一块冷却壁或者某段冷却壁进行控制时，需改变被控冷却壁的进水流量，且不影响循环冷却系统的总流量和其他冷却壁的进水流量，因此采用三通分流阀来调节流入被控冷却壁的水流量，未流入被控冷却壁的冷却水通过管道绕过被控冷却壁后再进行合流。系统通过三通分流阀调节被控冷却壁进水流量，继而实现对冷却壁冷却强度的控制。

三通分流阀的流量分配图如图4所示，数学表达式如下：

q_w＝lq_hf           (5)

q_t＝(1-l)q_hf         (6)

式中，q_w为三通分流阀某一开度时流入被控冷却壁的体积流量；q_t为未流进被控冷却壁的冷却水体积流量；q_hf为冷却水的总体积流量；l为三通分流阀某一开度。

(3)纯滞后环节

高炉冷却强度控制系统同多数工业控制过程一样，具有时滞环节。其主要由水温采集的采集周期及系统处理响应时间等因素导致。

参看图5，本实施例将模糊控制和常规PID控制相结合，将系统的控制器设计成能够自适应调节PID参数K_p、K_i、K_d的模糊控制器。首先利用冷却水温差的偏差值e_Δt求出温差变化率然后把温差的偏差e及其变化率ec分别乘以量化因子k_e、k_ec后，输入到模糊控制器中，再通过图6所示的规则进行模糊化处理为E和EC，并把经过模糊化处理后的E和EC在模糊控制算法中运算，得出PID参数增益的模糊量并解模糊，得出ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，再将其分别乘以比例因子k_p、k_i、k_d得到ΔK_p’、ΔK_i’、ΔK_d’后，输出给常规PID控制器，然后由PID控制器输出三通分流阀开度控制量l，对系统产生控制作用。

PID控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d是通过分析系统的传递函数后并基于大量工程试验采用试探法确定出来的。系统的模糊PID控制算法如下：

式中，l(τ)为三通分流阀的输入信号；e_ΔT(τ)为冷却水温差的偏差值，e_ΔT(τ)＝ΔT₀(τ)-ΔT₁(τ)；ΔT₀(τ)为冷却水温差设定值；ΔT₁(τ)为冷却水温差的瞬时值；K_p、K_i、K_d分别为PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数；ΔK_p’、ΔK_i’、ΔK_d’分别为PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数的增益量。

模糊控制的具体计算过程如下：

所述误差E、误差变化率EC、比例系数增益ΔKp、积分系数增益ΔKi、微分系数增益ΔKd的模糊集为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，它们的论域为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，输入输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数结合高斯隶属度函数，分别如图6、7所示。

参看图6，实际水温差及其变化率乘以量化因子后，其论域变为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，当E为-3～-2.5时为负大即水温差下降至较大值，-3～0时为负中即水温差下降至中等值，-3～1时为负小即下降较小，-2～2时为零，-1～3时为正小即水温差上升较小，0～3时为正中即水温差上升至中等值，2～3时为正大即水温差上升至较大值。当EC为-3～-2.5时为负大即水温差下降速度较大，-3～0时为负中即水温差以中等速度下降，-3～1时为负小即水温差下降速度缓慢，-2～2时为零，-1～3时为正小即水温差上升速度缓慢，0～3时为正中即水温差以中等速度上升，2～3时为正大即水温差上升速度较快。

本实施例模糊控制采用Mamdani推理算法，针对高炉的软水密闭循环冷却系统的工作特性，制定具体的参数模糊规则表，通过设定不同的量化因子k_e，k_ec来适应不同部位的高炉冷却壁或者不同的高炉。其中，高炉软水密闭循环冷却系统的工作特性与经验总结如下：

(a)当冷却壁水温差快速上升至较大值时，判断可能是炉墙脱落，则进入冷却壁的水流量应快速加大。

(b)当冷却壁水温差以中等速度上升时，判断可能是气流分布不合理或其他原因导致，则进入冷却壁的水流量需以适当速度加大。

(c)当冷却壁水温差上升缓慢时，属于正常波动，则进入冷却壁的水流量可缓慢加大。

(d)当冷却壁水温差以中等速度下降时，判断可能是气流分布不合理导致，则进入冷却壁的水流量需适当速度减小，但不可少于原流量的50％。

(e)当冷却壁水温差下降缓慢时，属于正常波动，则进入冷却壁的水流量可缓慢减小或不变。

制定的参数模糊规则表参见表1～表3：

表1  ΔK_p模糊控制规则表

表2  ΔK_i模糊控制规则表

表3  ΔK_d模糊控制规则表

本实施例基于上述冷却强度控制系统，控制高炉冷却强度的具体过程如下：

(1)实时检测高炉冷却水温差Δt＝(t_o-t_i)和冷却水体积流量q_w，并计算出与水温差设定值的偏差e_Δt。

(2)将当前水温差的偏差e_Δt，输入到模糊PID控制器中，利用模糊PID控制器输出三通分流阀开度控制量l来对冷却水流量q_w进行调节，从而控制冷却壁的冷却强度，使得冷却强度同热负荷波动相适应，使冷却水温差回归设定值。

(3)当高炉热负荷发生改变时，重复上述步骤，进行新一轮的控制。

本实施例实现了高炉冷却强度的有效控制，提高了高炉冷却系统的抗干扰能力，同时也减少了人力消耗。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其步骤为：

步骤一、建立高炉冷却强度控制系统，该控制系统以三通分流阀作为执行机构，冷却壁为被控对象，采用模糊PID控制器调节三通分流阀开度；

步骤二、实时检测高炉冷却水温差Δt＝(t_o-t_i)和冷却水体积流量q_w，并计算出水温差与其设定值的偏差e_Δt；

步骤三、将步骤二所得偏差e_Δt输入到步骤一所述模糊PID控制器中，利用模糊PID控制器进行控制，输出三通分流阀开度控制量l来调节冷却水体积流量q_w，使冷却水温差回归设定值；

步骤四、当高炉热负荷发生改变时，重复步骤二～三，进行新一轮的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其特征在于：步骤三中模糊控制采用Mamdani推理算法，输入变量为冷却水温差偏差值e和温差变化率ec，e和ec分别乘以量化因子，并经过模糊化处理后得到E和EC，输出变量为PID控制的比例增益系数ΔK_p，积分增益系数ΔK_i，微分增益系数ΔK_d，所述温差偏差值E、温差变化率EC、比例增益系数ΔK_p、积分增益系数ΔK_i和微分增益系数ΔK_d的论域为{-3、-2、-1、0、1、2、3}，模糊集为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其特征在于：步骤三中比例增益系数ΔK_p的模糊控制规则表为：

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其特征在于：步骤三中积分增益系数ΔK_i的模糊控制规则表为：

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊PID控制的高炉冷却强度控制方法，其特征在于：步骤三中微分增益系数ΔK_d的模糊控制规则表为：