CN108388278A - 一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法及系统。该方法包括：获取高炉煤气和转炉煤气的设定流量信号；对高炉煤气的设定流量信号和转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和转炉煤气的流量信号；获得高炉煤气和转炉煤气的输出流量信号；根据高炉煤气和转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；获取焦炉煤气的输出流量信号；根据一次混合后的煤气的流量信号与焦炉煤气的输出流量信号进行二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。采用本发明的方法或系统，在保证煤气二次混合过程安全运行的前提下，稳定混合煤气的热值，降低企业的生产成本。

Description

一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法及系统

技术领域

本发明涉及钢铁生产领域，特别是涉及一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法及系统。

背景技术

在钢铁企业生产过程中，会产生大量的工业副产煤气，如转炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气以及发生炉煤气等，这些煤气具有不同的热值。为了降低生产过程的能源消耗，现在企业会将上述煤气按照一定比例混合后，得到一定热值的混合煤气，作为燃料使用。

多种煤气混合的过程为：经过加压后具有一定压力和流量的高炉煤气和转炉煤气首先进行一次混合，得到具有一定压力和流量的一次混合煤气，但由于高炉煤气和转炉煤气的热值相对较低，混合后得到的一次混合煤气的热值不足以提供悬浮炉所需要的热量，因此，还需要混入热值较高的焦炉煤气来提高混合煤气的热值，从而满足悬浮炉对热量的需求。一定压力的焦炉煤气与一次混合煤气进行二次混合，得到二次混合煤气，作为悬浮炉的燃料，为其提供热量。

煤气混合过程安全运行的前提是保证混合后的煤气具有一定的压力或流量，如果混合煤气流量过低(或压力过低)，如低于燃烧器出口的火焰传播速度时，将会产生回火现象，轻则造成不完全燃烧，影响燃烧器的稳定工作；重则引起燃烧器变形，更为严重时，燃烧器上的回火现象发展到混合煤气管道时，会引起混合煤气管道的大爆炸，引起严重的安全生产事故。如果混合煤气流量过高，就需要消耗更多的压力，增加煤气加压过程的能量消耗，提高企业的生产成本。在实际生产中，很多混合煤气的供应系统为低压燃气系统，压力一般在4～10KPa，这种低压燃气系统在压力波动时，根据流体力学原理，其流量也会产生同样的波动，这就很容易发生回火现象。

为了实现煤气混合过程的安全运行，需要实时调整源煤气的流量(或压力)，但在高炉煤气与转炉煤气的一次混合过程中，由于转炉煤气与高炉煤气的流量和压力近似，所以在这两种煤气进行混合时，会产生严重的耦合现象，即调整某一种煤气的调节阀时，另一种煤气的流量(或压力)会随之发生改变，这样就给一次煤气混合过程的控制带来了很大挑战。另一方面，在煤气混合过程中，由于源煤气热值的波动，按照不同比例混合后得到的混合煤气热值将很难保持在固定值上，煤气热值的变化就会引起煤气流量(或压力)的变化，这就会影响到企业的生产成本。

综上所述，对于煤气二次混合过程，决定其安全运行的关键是混合煤气的流量(或压力)，影响企业经济指标的是混合煤气的热值。因此，本发明要解决的技术难题就是在保证煤气二次混合过程安全运行的前提下，尽量稳定混合煤气的热值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法及系统，在保证煤气二次混合过程安全运行的前提下，稳定混合煤气的热值，降低企业的生产成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法，所述方法包括：

获取高炉煤气的设定流量信号；

获取转炉煤气的设定流量信号；

对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号；

获得所述高炉煤气的输出流量信号；

获得所述转炉煤气的输出流量信号；

根据所述高炉煤气的输出流量信号和所述转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；

获取焦炉煤气的输出流量信号；

根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

可选的，所述获取高炉煤气的设定流量信号，之前还包括：

利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

可选的，所述获得所述高炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号；

所述获得所述转炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号；

所述获取焦炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

可选的，所述第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数。

可选的，所述对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号，具体包括：

采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。

一种基于多变量解耦的多种煤气混合系统，所述系统包括：

高炉煤气设定流量信号获取模块，用于获取高炉煤气的设定流量信号；

转炉煤气设定流量信号获取模块，用于获取转炉煤气的设定流量信号；

解耦模块，用于对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号；

高炉煤气输出流量信号获取模块，用于获得所述高炉煤气的输出流量信号；

转炉煤气输出流量信号获取模块，用于获得所述转炉煤气的输出流量信号；

一次混合模块，用于根据所述高炉煤气的输出流量信号和所述转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；

焦炉煤气输出流量信号获取模块，用于获取焦炉煤气的输出流量信号；

二次混合模块，用于根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

可选的，所述系统还包括：

比例系数确定模块，用于获取高炉煤气的设定流量信号之前，利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

可选的，所述高炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号；

所述转炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号；

所述焦炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

可选的，所述第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数。

可选的，所述解耦模块具体包括：

采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)针对多种煤气混合过程存在的变量耦合严重、干扰大、需要实现双重控制目标等难题，通过多变量解耦、前馈-反馈和比值控制相结合的复合控制方法。运用多变量解耦控制方法消除一次混合过程中的高炉煤气和转炉煤气流量之间的相互耦合；在煤气压力波动大的情况下，利用前馈-反馈控制实现对每种煤气流量的稳定控制，在实现了上述两项控制的基础上，利用比值控制方法实现对煤气热值的控制(即调节煤气流量之间的配比)，最终解决多种煤气混合过程存在的控制难题，实现稳定控制。

(2)目前对于多种煤气混合过程的控制，现有技术都是采用规则推理或模糊推理的智能算法来消除煤气之间的耦合关系，但规则推理或模糊推理算法中的规则库都是针对具体的实际工业过程对象建立的，具有一定的特殊性，无法推广应用到具有相同特性的类似工业过程对象上。本发明所提出的控制器集成结构中所用到的控制方法都是应用控制理论中的工程化方法，具有一定的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法的流程示意图；

图2为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法中解耦控制器的示意图；

图3为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法中前馈-反馈复合控制器的示意图；

图4为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法的控制过程示意图；

图5为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：

步骤100：获取高炉煤气的设定流量信号。

步骤200：获取转炉煤气的设定流量信号。

步骤300：对高炉煤气的设定流量信号和转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号。由于转炉煤气与高炉煤气的流量和压力近似，所以在这两种煤气进行混合时，会产生严重的耦合现象，即调整某一种煤气的调节阀时，另一种煤气的流量(或压力)会随之发生改变，这样就给一次煤气混合过程的控制带来了很大挑战。因此，本发明在高炉煤气和转炉煤气混合前进行解耦，以提高控制的精度。

本发明采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。

步骤400：获得所述高炉煤气的输出流量信号。根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号。

步骤500：获得所述转炉煤气的输出流量信号。根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号。

步骤600：根据高炉煤气的输出流量信号和转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号。

步骤700：获取焦炉煤气的输出流量信号。根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

步骤800：根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

其中，第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数。

本发明在进行多种煤气混合之前，需要确定煤气混合的比例系数，具体的，利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

对于煤气二次混合过程，混合后煤气压力的稳定是保证用气设备稳定燃烧的前提，在此前提下，可以通过调整每种煤气之间的流量配比达到调节混合煤气热值的目的。基于以上考虑，本发明将串级控制、前馈控制和解耦控制相结合，实现多种煤气混合的智能协调控制，其目的是首先实现煤气二次混合过程的压力，进而实现混合煤气热值的调节。引入串级控制的目的是为了实现混合煤气压力和热值两个被控控制变量的同时调节；前馈控制的目的是为了抑制高炉煤气和转炉煤气来源压力的波动对流量控制造成的干扰；解耦控制是为了消除或降低高炉煤气和转炉煤气一次混合过程的耦合作用，使得煤气一次混合过程的流量控制更容易实现。

具体包括以下部分：

(1)高炉煤气与转炉煤气一次混合过程解耦控制器

根据流体动力学原理，高炉煤气与转炉煤气在一次混合过程中会产生流量之间的耦合作用，这样就对实现其流量的稳定控制提出了挑战，因此，需要首先设计解耦控制器，实现上述两种煤气流量之间的耦合作用。考虑到工程实现上的便利性，本发明采用解耦控制中常用的对角阵解耦控制方法来设计解耦控制器。如图2所示，图2为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法中解耦控制器的示意图。其中G_c11(s)：高炉煤气流量控制器；G_c22(s)：转炉煤气流量控制器；解耦控制器；耦合系统

所谓的系统解耦，即要实现：

由图2可知：

若：

则：

即：

其中：

可以通过现场阶跃实验得到过程的阶跃响应曲线，从而得到过程的传递函数，进而可求得解耦控制器的表达式。通过合理的简化，就可以得到工程应用的解耦控制器。

在进行现场实验，对执行机构施加阶跃信号时，但需要注意：

施加合适的阶跃变化量。变化量太大，会影响设备和生产过程的安全正常运行；变化量太小，不能充分激励生产过程，造成实验误差太大。通常取阶跃变化量为输入信号正常值的5％～15％左右，以不影响正常生产过程为准。

实验应在其他外在条件不变的前提下，重复多做几次实验，需要获得两次及以上比较相近的测试数据或响应曲线，以减少其他条件的影响。

在实验时应对被控对象施加正、反两个方向的阶跃信号变化实验，分别测取其响应曲线，以便检验对象中存在的非线性程度。

在进行实验之前，必须保证整个生产工艺已经进入到稳态运行的工况下。在完成一次实验之后，必须等待被控系统的运行状态在此达到稳定时，才可进行下一次实验。

(2)煤气流量的前馈-反馈控制器设计

由于本发明所针对的煤气混合过程前的煤气加压过程中高炉煤气和转炉煤气的加压鼓风机电机为高压非变频，这就导致了来源于高炉煤气和转炉煤气的压力波动无法通过加压过程消除，这给实现煤气的流量稳定控制带来了挑战。

对于煤气流量控制过程而言，流量是被控变量，调节阀门是控制变量，而可测的煤气压力可以看作为干扰变量。在控制领域中，对于可测的干扰，为消除其对被控变量的影响，可以考虑采用前馈控制方案。

动态前馈补偿为常用的前馈控制方案，其依据不变性原理。在扰动发生后，必将经过过程的扰动通道引起被控量的变化，与此同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控量的影响。要实现干扰的完全补偿，需要准确地掌握过程扰动通道特性及控制通道特性，这在工业现场中是实现的，同时，实际的生产过程中，往往同时存在着若干个干扰，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量，而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响。

基于以上考虑，为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。

对于高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的流量控制，均采用前馈-反馈复合控制器进行控制。如图3所示，图3为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法中前馈-反馈复合控制器的示意图。

其中：R(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的流量设定值；

F(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的干扰；

Y(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的流量检测值；

G_c(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的反馈控制器；

G_FF(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的前馈控制器；

G_PD(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的干扰通道传递函数；

G_PC(s)：高炉煤气/转炉煤气/焦炉煤气的控制通道传递函数；

根据前馈控制所依据的不变性原理：

当：F(s)≠0，Y(s)≡0，即：

则：

G_PD(S)和G_PC(S)可以通过现场实验得到，因此可得到前馈控制器G_FF(S)。

由于煤气流量是一个快过程，因此，反馈控制器G_c(S)可以采用PI控制方法：

K_p、K_i分别为比例系数、积分时间常数。在进行PID控制器编程实现时，需要特别注意控制器手自动控制模式的无扰切换。

(3)混合煤气压力控制器设计

混合煤气压力控制器依据当前混合煤气压力设定值与检测值之间的偏差，根据PI控制方法，得到混合煤气压力控制器的输出，该输出值与高炉煤气流量的正常流量范围作比较，如果在正常流量范围内，则将其作为高炉煤气流量反馈-前馈控制器的设定值。由于煤气压力是一个快过程，可以采用PI控制方法来实现煤气压力的控制。

由于煤气压力控制器与煤气流量控制器构成串级调节回路，因此，在进行煤气压力控制器的PI参数整定时，需要首先将煤气流量反馈-前馈控制器置于自动控制状态，然后再通过现场试验对煤气压力控制器的参数进行整定，从而得到混合煤气压力控制器的参数。

(4)比例系数K₁和K₂的确定

对于多种煤气混合过程，为了调节混合后煤气的热值，可以通过调整具有不同热值的煤气流量之间的比例关系来实现。针对三种煤气二次混合过程，从流量和热值的角度出发，得到：

F_BFG+F_LDG＝F_MG1，F_BFGQ_BFG+F_LDGQ_LDG＝F_MG1Q_MG1；

F_MG1+F_COG＝F_MG2，F_MG1Q_MG1+F_COGQ_COG＝F_MG2Q_MG2；

F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG

可得比例系数应满足F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2

式中：F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG1为一次混合后煤气的流量，Q_MG1为一次混合后煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

图4为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合方法的控制过程示意图。如图4所示，具体的控制方案如下：

(a)设计3个单回路流量控制器，分别以高炉煤气流量、转炉煤气流量、焦炉煤气流量为被控变量，以高炉煤气调节阀、转炉煤气调节阀、焦炉煤气调节阀为执行机构，完成3个单回路闭环控制，以保证高炉煤气流量、转炉煤气流量、焦炉煤气流量能够及时跟踪各自的设定值。

(b)鉴于在正常工作状态，高炉煤气流量和转炉煤气流量处于同一个数量级，数值相差不大，因此根据空气动力学原理，两路气体混合时，两个流量回路之间会存在比较严重的耦合，造成互相干扰，常规控制器的调节品质变差，甚至可能难以投入自动控制，因此，设计解耦控制器，对高炉煤气流量和转炉煤气流量的两个控制回路进行解耦，之后再用各自的单回路控制器，控制效果会大大提升。由于焦炉煤气的流量比较小，耦合效果不严重，因此不必使用解耦控制器。

(c)鉴于高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气的来源都有可能不稳定，表现在气体来源的压力不断波动，势必会影响到各自的流量稳定，因此将压力信号作为可测扰动变量，设计3个前馈控制器，可以有效降低压力波动造成的流量不稳的影响。

(d)设计两路比值控制环节，首先保证转炉煤气严格按照一定的比例(比例系数K1)与高炉煤气混合，将高炉煤气流量设定值和转炉煤气流量设定值相加作为一次混合煤气流量的标准值，乘以比例系数K2送至焦炉煤气流量控制器作为焦炉煤气流量设定值，使得焦炉煤气按照事前确定的比例与一次混合煤气混合，以生成热值合格的二次混合煤气，同时保证了二次混合煤气的流量稳定，总体流量稳定自然就保证了混合煤气压力稳定。

(e)总体上为混合煤气压力串级控制器，外环控制混合煤气压力，外环控制器输出为高炉煤气流量设定值，内环为以高炉煤气流量为主导变量的多路比值控制器。若出现混合煤气压力偏高的情况，则采用智能算法降低高炉煤气流量设定值，使得各调节阀同步关小，在保证二次混合煤气热值不变的前提下，降低二次混合煤气流量，从而使总管压力恢复正常，防止焦炉煤气出现倒灌现象。

上述控制方法在工业现场中的实现步骤为：

第一步：针对高炉煤气与转炉煤气的一次混合过程，通过工业现场试验，得到G₁₁(s)、G₁₂(s)、G₂₁(s)、G₂₂(s)的模型表达式，从而根据公式(1)得到解耦控制器的表达式；

第二步：针对高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的流量过程，通过工业现场试验，得到G_PD(s)和G_PC(s)，从而根据公式(2)得到前馈控制器的表达式；

第三步：针对高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的流量过程，基于PI控制方法，建立煤气流量反馈控制器；

第四步：针对高炉煤气的压力控制过程，基于PI控制方法，建立高炉煤气压力反馈控制器；

第五步：按照图4所示的控制器结构，将上述三个步骤建立的各控制器连接起来；

第六步：根据图4所示的控制器结构，建立与其相对应的HMI操作界面，实现控制器与人机交互的功能。

图5为本发明基于多变量解耦的多种煤气混合系统的结构示意图。如图5所示，所述系统包括：

高炉煤气设定流量信号获取模块501，用于获取高炉煤气的设定流量信号；

转炉煤气设定流量信号获取模块502，用于获取转炉煤气的设定流量信号；

解耦模块503，用于对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号；

高炉煤气输出流量信号获取模块504，用于获得所述高炉煤气的输出流量信号；

转炉煤气输出流量信号获取模块505，用于获得所述转炉煤气的输出流量信号；

一次混合模块506，用于根据所述高炉煤气的输出流量信号和所述转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；

焦炉煤气输出流量信号获取模块507，用于获取焦炉煤气的输出流量信号；

二次混合模块508，用于根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

其中，所述系统还包括：

比例系数确定模块，用于获取高炉煤气的设定流量信号之前，利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

所述高炉煤气输出流量信号获取模块504根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号；

所述转炉煤气输出流量信号获取模块505根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号；

所述焦炉煤气输出流量信号获取模块507根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

其中，所述第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数，S为微分算子，是传递函数在频域内的表达参数，S＝jω。

所述解耦模块503采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于多变量解耦的多种煤气混合方法，其特征在于，所述方法包括：

获取高炉煤气的设定流量信号；

获取转炉煤气的设定流量信号；

对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号；

获得所述高炉煤气的输出流量信号；

获得所述转炉煤气的输出流量信号；

根据所述高炉煤气的输出流量信号和所述转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；

获取焦炉煤气的输出流量信号；

根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取高炉煤气的设定流量信号，之前还包括：

利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得所述高炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号；

所述获得所述转炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号；

所述获取焦炉煤气的输出流量信号，具体包括：

根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号，具体包括：

采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。

6.一种基于多变量解耦的多种煤气混合系统，其特征在于，所述系统包括：

高炉煤气设定流量信号获取模块，用于获取高炉煤气的设定流量信号；

转炉煤气设定流量信号获取模块，用于获取转炉煤气的设定流量信号；

解耦模块，用于对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，获得解耦后的高炉煤气的流量信号和解耦后的转炉煤气的流量信号；

高炉煤气输出流量信号获取模块，用于获得所述高炉煤气的输出流量信号；

转炉煤气输出流量信号获取模块，用于获得所述转炉煤气的输出流量信号；

一次混合模块，用于根据所述高炉煤气的输出流量信号和所述转炉煤气的输出流量信号进行高炉煤气与转炉煤气的一次混合，得到一次混合后的煤气的流量信号；

焦炉煤气输出流量信号获取模块，用于获取焦炉煤气的输出流量信号；

二次混合模块，用于根据一次混合后的煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号进行所述焦炉煤气与所述一次混合后的煤气的二次混合，得到二次混合后的煤气的流量信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

比例系数确定模块，用于获取高炉煤气的设定流量信号之前，利用F_BFGQ_BFG+K₁F_BFGQ_LDG+K₂F_BFGQ_COG＝F_MG2Q_MG2确定煤气混合的比例系数K₁和K₂，其中F_BFG*K₁＝F_LDG，F_BFG*K₂＝F_COG，F_BFG为高炉煤气的流量，Q_BFG为高炉煤气的热值；F_MG2为二次混合后煤气的流量，Q_MG2为二次混合后煤气的热值；Q_LDG为转炉煤气的热值；Q_COG为焦炉煤气的热值。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述高炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的高炉煤气的流量信号与所述高炉煤气的输出流量信号采用第一前馈-反馈复合控制器对所述高炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述高炉煤气阀门的开度调节所述高炉煤气的输出流量信号；

所述转炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的转炉煤气的流量信号与所述转炉煤气的输出流量信号采用第二前馈-反馈复合控制器对所述转炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述转炉煤气阀门的开度调节所述转炉煤气的输出流量信号；

所述焦炉煤气输出流量信号获取模块根据解耦后的焦炉煤气的流量信号与所述焦炉煤气的输出流量信号采用第三前馈-反馈复合控制器对所述焦炉煤气的设定流量信号进行调节，进而通过调节所述焦炉煤气阀门的开度调节所述焦炉煤气的输出流量信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一前馈-反馈复合控制器、所述第二前馈-反馈复合控制器和所述第三前馈-反馈复合控制器的控制过程相同，均采用前馈控制器和PI反馈控制器进行控制，其中G_PD(S)为干扰通道传递函数，G_PC(S)为控制通道传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分时间常数。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述解耦模块具体包括：

采用解耦控制器对所述高炉煤气的设定流量信号和所述转炉煤气的设定流量信号进行解耦，其中Y₁(S)为解耦后的高炉煤气的流量信号，Y₂(S)为解耦后的转炉煤气的流量信号，G₁₁(S)为高炉煤气的传递函数，G₂₂(S)为转炉煤气的传递函数，U_c1(S)为高炉煤气的设定流量信号，U_c2(S)为转炉煤气的设定流量信号。