CN108301886B - 基于模糊自适应控制的高炉trt顶压控制模型及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊自适应控制的高炉TRT顶压控制模型及控制方法，包括高炉TRT，高炉TRT的一端与除尘后的高炉煤气连接，另一端一路经过管路与发电机连接，另一路与煤气管网出口连接。以误差e和误差变化ec作为输入，通过在运行中不断检测e和ec，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，对高炉TRT系统进行合理的简化处理，将正常工况下高炉顶压的主要扰动引入模型，确立了正常工况下高炉顶压的动态模型，从而为后续的高炉顶压控制算法的研究和分析打下了基础。

Description

基于模糊自适应控制的高炉TRT顶压控制模型及控制方法

技术领域

本发明属于能源与动力工程技术领域，具体涉及一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统及控制方法。

背景技术

TRT(Blast Furnace Top Gas Pressure Recovery Turbine System)，即高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置，传统高炉TRT顶压控制系统主，副回路均采用经典PID控制的不足。高炉TRT顶压控制系统稳定性的影响因素比较复杂，被控过程存在复杂性，高度非线性，时变不确定性等特点，且静叶对高炉的顶压调节存在一定的滞后。

目前国内工业用高炉TRT系统的顶压控制大都依靠传统的PID实现对透平机可调静叶开度调节的控制方式，但是该控制方法难以应对变化复杂的高炉顶压系统，控制效果较差。加之系统副回路的电液位置伺服控制器是采用模拟电路来实现控制，使得用于该回路的控制算法无法得到改进和完善，限制了控制系统的进一步优化。随着冶金高炉的大型化以及现代炼铁技术的不断发展，对高炉顶压控制的稳定性要求越来越高，传统高炉顶压控制系统已无法满足现代高炉顶压稳定性的控制要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统，弥补传统高炉TRT顶压控制系统主，副回路均采用经典PID控制的不足。

本发明采用以下技术方案：

基于模糊自适应控制的高炉TRT顶压控制模型，包括高炉TRT，高炉TRT的一端与除尘后的高炉煤气连接，另一端一路经过管路与发电机连接，另一路与煤气管网出口连接。

具体的，高炉TRT内设置有反应容器，反应容器的一端与鼓风机进气口连接，另一端经过第一压力容器与管路连接。

进一步的，管路包括第一阻尼，第一阻尼的一端与高炉的第一压力容器连接，另一端依次经过第二压力容器、第二阻尼与透平机连接。

具体的，建立正常工况下高炉顶压的连续数学模型如下：

其中，P(s)为气体压力，U(s)为透平机静叶开度，D(s)为上料扰动；

假设模型不存在误差，则有：

其中，G_P(s)为控制通道传函，G_d(s)为干扰通道传函。

进一步的，高炉顶压与透平机静叶开度之间的传递函数如下：

其中：P₁(s)为系统对象被控量，即高炉顶压；L(s)为过程对象控制变量，即透平机可调静叶开度；顶压过程对象的阶次为2；B为第一压力容器入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系；C为第一压力容器和第二压力容器间管路入口和出口的压降与管路阻尼系数；D为第二压力容器和透平机间管路入口和出口的压降与管路阻尼系数；E为第二压力容器入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系；F₁为透平机前端平衡点的质量流量；F₂为透平机后端平衡点的质量流量。

进一步的，高炉内反应容器生成煤气的过程模型如下：

其中：G₁(S)为冶炼过程中生成煤气的质量流量；Gi(S)为进入高炉内部的空气的质量流量；K₁、T₁为反应常数。

进一步的，第一压力容器模型入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系如下：

其中：R为体常数；V为压力容器的体积；T₀为气体温度；G₁(S)为压力容器入口煤气的质量流量；G₂(S)为压力容器出口煤气的质量流量；P(s)为气体压力。

进一步的，管路入口和出口的压降与管路阻尼系数的关系如下：

其中：P₁(s)、P₂(s)为管路入口、出口的压力；G(s)为煤气流量；G₀为平衡工作点的煤气流量；ε为管路阻尼系数，设定为常数值；ρ为煤气密度；S为管道截面积。

进一步的，线性调节阀在其平衡点的质量流量G(s)如下：

其中，P₁₀、P₂₀为线性调节阀前后两端平衡点的压力；P₁(s)、P₂(s)为阀门两端的压力；L(s)为阀门开度；k、k₀为调节阀的比例常数参数；ρ为气体密度；l₀为阀门平衡工作点开度。

一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统的控制方法，以误差e和误差变化ec作为输入，通过在运行中不断检测e和ec，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，具体如下：

误差|e|较大时，取较大的ΔK_P和较小的ΔK_D，同时限制ΔK_I的大小或使其为零；误差|e|和|ec|中等大小时，取较小的ΔK_P；误差|e|较小时，取较大的ΔK_P和ΔK_I；|ec|较大时，取较小ΔK_D；|ec|较小时，取较大ΔK_D。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于模糊自适应控制的高炉TRT顶压控制模型，高炉TRT装置运行在正常工况下时，透平膨胀机正常发电，此时的减压阀组和旁通阀是处于关闭状态的，而入口蝶阀、入口插板阀、出口蝶阀、出口插板阀以及快切阀则是处于全开状态，故可以忽略系统中的阀门对高炉顶压的影响作用，高炉TRT的一端与鼓风机进气管道连接，另一端经过管路与透平机连接，透平机与煤气出口连接，系统中高炉顶压的大小实际上是通过透平机中静叶开度的调节来实现的，且该开度值在系统运行正常的情况下一直等于或接近于一个设置值，根据以上特点及高炉TRT的工艺流程，将高炉简化为反应容器和压力容器的串联模型，管路简化为压力容器与上下游阻尼的串联模型，透平膨胀机简化为一个线性调节阀，最终得到的正常工况下高炉TRT系统的简化模型，对高炉TRT系统进行合理的简化处理，将正常工况下高炉顶压的主要扰动(高炉间歇上料操作)引入模型，确立了正常工况下高炉顶压的动态模型，从而为后续的高炉顶压控制算法的研究和分析打下了基础。

进一步的，由于高炉TRT装置的复杂性，为建立适合于控制的高炉顶压动态数学模型，需根据正常工况下TRT装置的特点及影响高炉顶压稳定的因素，对TRT装置高炉炉顶压力对象进行合理的假设和简化，建立其动态数学模型。

进一步的，根据TRT系统简化模型及各单元模型得到正常工况下高炉炉顶压力与透平机静叶开度之间的传递函数，以此确定高炉顶压动态数学模型的结构。

本发明公开了一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统的控制方法，采用模糊自适应PID控制，以误差e和误差变化ec作为输入，通过在运行中不断检测e和ec，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，应用模糊推理的方法实现对高炉TRT顶压控制系统中PID参数的自动整定，以期改善控制效果，达到对高炉顶压的稳定控制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高炉TRT控制系统模型示意图；

图2为正常工况下高炉顶压控制系统结构框图；

图3为本发明模糊自适应PID控制器结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统，结合传统PID控制和现代模糊控制的优点，采用模糊自适应PID控制，应用模糊推理的方法实现对高炉TRT顶压控制系统中PID参数的自动整定，以期改善控制效果，达到对高炉顶压的稳定控制。

请参阅图1，本发明一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统，包括高炉、管路和透平机，鼓风机进气依次通过高炉、管路、透平机后从煤气出口排出；高炉内设置有反应容器和第一压力容器；管路包括第一阻尼、第二压力容器和第二阻尼。

TRT装置运行在正常工况下时，透平机正常发电，此时的减压阀组和旁通阀是处于关闭状态的，而入口蝶阀、入口插板阀、出口蝶阀、出口插板阀以及快切阀则是处于全开状态，故可以忽略系统中的阀门对高炉顶压的影响作用。这时系统中高炉顶压的大小实际上是通过透平机中静叶开度的调节来实现的，且该开度值在系统运行正常的情况下一直等于或接近于一个设置值。根据以上特点及高炉TRT的工艺流程，将高炉简化为反应容器和压力容器的串联模型，管路简化为压力容器与上下游阻尼的串联模型，透平机简化为一个线性调节阀，最终得到的正常工况下高炉TRT控制系统模型如图1所示。其中，G代表的是高炉炉顶煤气的质量流量，P代表的是高炉炉顶煤气的压力值。

1)反应容器模型

简化后高炉煤气的生成过程模型可用经验公式1表示为：

其中：

G₁(S)为冶炼过程中生成煤气的质量流量；

Gi(S)为进入高炉内部的空气的质量流量；

K₁、T₁为反应常数，其值的大小与高炉结构及高炉炉料等有关。

2)压力容器模型

高炉压力容器入、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系如式2：

其中：

R为体常数；

V为压力容器的体积；

T₀为气体温度；

G₁(S)为压力容器入口煤气的质量流量；

G₂(S)为压力容器出口煤气的质量流量；

P(s)为气体压力。

3)管路阻尼模型

管路入口和出口的压降与管路阻尼系数的关系为：

其中：

P₁(s)、P₂(s)为管路入口、出口的压力；

G(s)为煤气流量；

G₀为平衡工作点的煤气流量；

ε为管路阻尼系数，设定为常数值；

ρ为煤气密度；

S为管道截面积。

4)线性调节阀模型

线性调节阀在其平衡点的质量流量为：

其中：

P₁₀、P₂₀为线性调节阀前后两端平衡点的压力；

P₁(s)、P₂(s)为阀门两端的压力；

L(s)为阀门开度；

k、k₀为调节阀的比例常数参数；

ρ为气体密度；

l₀为阀门平衡工作点开度。

根据以上各单元模型函数及正常工况下的高炉TRT系统的整体简化模型得正常工况下高炉顶压的动态数学模型如下：

令：

综合所得的高炉顶压与透平机静叶开度之间的传递函数为：

其中：

P₁(s)为系统对象被控量，即高炉顶压；

L(s)为过程对象控制变量，即透平机可调静叶开度；

代入A、B、C、D、E、F₁和F₂则可确定正常工况下高炉顶压动态数学模型的结构，其顶压过程对象的阶次为2。

请参阅图2，在高炉TRT系统正常运行的情况下，R为炉顶压力设定值；P为炉顶压力测量值；E为压力值偏差；U为透平机静叶开度；D为上料扰动；G_d(z^-1)为干扰通道传递函数；G_C(z^-1)为反馈通道上控制器的传递函数；G₀(z^-1)为前向通道上被控对象的传递函数，即正常工况下高炉顶压数学模型。

正常工况下的控制系统输入量为炉顶压力设定值R，控制量(即控制器输出值)为透平机可调静叶开度U，系统输出量为实际的高炉炉顶压力值P，扰动量为所引入的影响高炉顶压的主要干扰，即高炉间歇上料操作D。在实际的高炉生产工艺流程中，高炉间歇上料操作一般4～5分钟一次，在本次设计中，将该周期量固定设置为5分钟，且在每个操作周期内大概持续约40秒的时间。工艺过程中的间歇上料操作还对高炉顶压控制存在一定的滞后影响，根据经验，该滞后时间值大约为6秒。

在高炉顶压模型结构及顶压控制系统结构己知的基础上，通过对顶压控制系统进行闭环可辨识性分析，可得正常工况下高炉顶压控制系统的辨识对象。即炉顶压力P与透平机可调静叶开度U以及上料扰动D的输入输出关系式为：

p(k)＝G₀(z^-1)u(k)G_d(z^-1)d(k) (12)

最终辨识并采用双线性变换得到的正常工况下高炉顶压的连续数学模型如下：

假设模型不存在误差，则有：

高炉TRT动态模型的建立，为后续高炉顶压控制算法的研究及整个控制系统的优化设计奠定了基础。

以误差e和误差变化ec作为输入，通过在运行中不断检测e和ec，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，以使被控对象具有良好的静态、动态性能，如图3所示。

对于系统被控过程中不同的|e|和|ec|，PID参数ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D的自整定原则如下：

误差|e|较大时，为了加快系统的响应速度，使系统具有快速的跟踪性能，应取较大的ΔK_P和较小的ΔK_D。同时，为了防止积分饱和，避免系统超调过大，应限制ΔK_I的大小或使其为零。

误差|e|和|ec|中等大小时，为了使系统具有较小的超调，应取较小的ΔK_P，适当的ΔK_I和ΔK_D，特别是ΔK_D的取值对系统响应的影响较大(一般取值较小)。

误差|e|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，应取较大的ΔK_P和K_I。同时，为避免系统在平衡点附近出现振荡，应选取合适的ΔK_D值。

|ec|较大时，应取较小ΔK_D；|ec|较小时，应取较大ΔK_D。

ΔK_P的模糊控制规则表如下：

ΔK_I的模糊控制规则表如下：

ΔK_D的模糊控制规则表如下：

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于模糊自适应PID控制的高炉TRT顶压控制系统的控制方法，其特征在于，基于模糊自适应控制的高炉TRT顶压控制系统包括高炉TRT，高炉TRT的一端与除尘后的高炉煤气连接，另一端一路经过管路与发电机连接，另一路与煤气管网出口连接；

建立正常工况下高炉顶压的连续数学模型如下：

其中，P(s)为气体压力，U(s)为透平机静叶开度，D(s)为上料扰动；

设模型不存在误差，则有：

其中，G_P(s)为控制通道传函，G_d(s)为干扰通道传函；

高炉顶压与透平机静叶开度之间的传递函数如下：

其中：P₁(s)为系统对象被控量，即高炉顶压；L(s)为过程对象控制变量，即透平机可调静叶开度；顶压过程对象的阶次为2；B为第一压力容器入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系；C为第一压力容器和第二压力容器间管路入口和出口的压降与管路阻尼系数；D为第二压力容器和透平机间管路入口和出口的压降与管路阻尼系数；E为第二压力容器入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系；F₁为透平机前端平衡点的质量流量；F₂为透平机后端平衡点的质量流量；

高炉内反应容器生成煤气的过程模型如下：

其中：G₁(S)为冶炼过程中生成煤气的质量流量；Gi(S)为进入高炉内部的空气的质量流量；K₁、T₁为反应常数；

第一压力容器模型入口、出口煤气的质量流量变化与容器中的密度变化在其平衡点附近的关系如下：

其中：R为体常数；V为压力容器的体积；T₀为气体温度；G₁(S)为压力容器入口煤气的质量流量；G₂(S)为压力容器出口煤气的质量流量；P(s)为气体压力；

管路入口和出口的压降与管路阻尼系数的关系如下：

其中：P₁(s)、P₂(s)为管路入口、出口的压力；G(s)为煤气流量；G₀为平衡工作点的煤气流量；e为管路阻尼系数，设定为常数值；ρ为煤气密度；S为管道截面积；

线性调节阀在其平衡点的质量流量G(s)如下：

其中，P₁₀、P₂₀为线性调节阀前后两端平衡点的压力；P₁(s)、P₂(s)为阀门两端的压力；L(s)为阀门开度；k、k₀为调节阀的比例常数参数；ρ为气体密度；l₀为阀门平衡工作点开度；

高炉TRT内设置有反应容器，反应容器的一端与鼓风机进气口连接，另一端经过第一压力容器与管路连接，管路包括第一阻尼，第一阻尼的一端与高炉的第一压力容器连接，另一端依次经过第二压力容器、第二阻尼与透平机连接；

以误差e和误差变化ec作为输入，通过在运行中不断检测e和ec，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求，利用模糊规则在线对PID参数进行修改，具体如下：

误差|e|较大时，取较大的ΔK_P和较小的ΔK_D，同时限制ΔK_I的大小或使其为零；误差|e|和|ec|中等大小时，取较小的ΔK_P；误差|e|较小时，取较大的ΔK_P和ΔK_I；|ec|较大时，取较小ΔK_D；|ec|较小时，取较大ΔK_D。