CN109055640B - 一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法及装置 - Google Patents

一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，包括：采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断热风炉状态，计算热风炉燃烧进度k；计算烟道温度实际温升与目标温升两者偏差e；采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e模糊化为模糊输入量，进行模糊推理和决策得到模糊输出量，并将模糊输出量解模糊化为控制输出量u,进行煤气流量调节；根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期进行煤气流量调节，同时根据空燃比进行空气流量调节。本发明同时公开了相应的控制装置。该方法可有效克服热风炉系统非线性、时变以及大滞后的特点，实现对高炉热风炉烧炉烟道温度的精确控制，并满足热风炉协调换炉对燃烧时间的严格要求。

Description

一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法及装置
技术领域
本发明涉及钢铁高炉热风炉的燃烧加热控制领域，具体而言涉及一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法及装置。
背景技术
高炉热风炉是为高炉炼铁提供一定温度助燃空气的装置，通过对热风炉的格子砖进行蓄热，再利用热风炉格子砖的蓄热对供给高炉的助燃空气进行换热交换。热风炉作为高炉的重要辅助生产设备，是高炉煤气消耗的主要单元，约占高炉煤气产量的40％左右。当不同高炉间的热风炉出现多个同时换炉时，煤气用气量会产生较大波动，极易导致煤气管网压力剧烈波动和煤气放散。
现有的高炉热风炉燃烧优化控制技术主要是侧重考虑单个热风炉燃烧过程的自动化控制技术。北京冠科环保科技有限公司公开了一项申请号为201521031023.5专利名称为“一种高炉热风炉精确燃烧控制系统()”的实用新型专利，提出了以燃料的燃烧热与系统热转移相平衡为理论基础，以多种类型传感器为控制依据的燃烧控制系统。北京合隆优化科技股份有限公司公开了一项申请号位201210312159.8发明名称为“一种高炉热风炉智能优化控制系统()”的专利，提出基于热量平衡实现对蓄热速率的在线计算，根据高炉需要的送风总热量及烧炉时间与热风炉蓄热速率特性，根据蓄热速率实时控制烧炉阶段的燃料量。
为了减少由热风炉同时换炉引起煤气管网压力波动，现在许多钢铁企业制定了严格的热风炉烧炉和换炉时间制度。现有的相关燃烧控制技术主要是基于数学模型和智能模型的优化与控制。基于数学模型的优化控制技术其主要特征是依据总热量需求，在烧炉时间段上按平均法求取燃料瞬时流量设定值，其缺点在于需根据工艺和机理建立精确的数学模型；基于智能模型的方法缺陷在于，当高炉负荷变化、热风炉格子砖蓄热能力特性随使用时间变化时，参数整定起来很不方便，可操作性和使用性差。由于烟道温度是表征热风炉蓄热是否达到要求的主要标志，因此，在综合考虑现有企业对热风炉蓄热和协调换炉制度对燃烧时间的严格要求，以及现有技术局限性的基础上，提出本方法。
发明内容
本发明的目的，在于考虑热风炉蓄热和协调换炉制度对燃烧时间节点的严格要求，以及热风炉系统非线性、时变以及大滞后系统的特点，提出一种鲁棒性强，可以大大减弱干扰和参数变化对控制效果影响的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度方法及装置。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，包括以下步骤：
步骤1：采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k；
步骤2：根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e；
步骤3：采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
步骤4：将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
步骤5：根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。
上述技术方案中，所述步骤1中的燃烧进度计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000021
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
上述技术方案中，所述步骤2中热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000022
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
上述技术方案中，所述步骤2中热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000031
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝set-Vnow
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
上述技术方案中，所述步骤3中燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化。
上述技术方案中，模糊控制规则中，燃烧前期和中期的燃烧实际温升要略大于目标温升。
上述技术方案中，所述步骤5中控制周期T根据燃烧进度进行动态调整，且控制周期T大于用于计算实际烟道温升的时间间隔ΔT。
本发明同时提出了一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，包括：
数据采集模块：用于采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k；
温升偏差计算模块：用于根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e；
模糊化模块：用于采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
模糊推理和决策模块：用于将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
控制周期调整模块：用于根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。
进一步地，所述数据采集模块中燃烧进度计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000041
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
进一步地，所述温升偏差计算模块中热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000042
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
进一步地，所述温升偏差计算模块中热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000043
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝now-Vset
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
进一步地，所述模糊化模块中燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化。
进一步地，所述模糊化模块中，燃烧前期和中期的燃烧实际温升要略大于目标温升。
进一步地，所述控制周期调整模块中控制周期T根据燃烧进度进行动态调整，且控制周期T大于用于计算实际烟道温升的时间间隔ΔT。
本发明的有益效果是：本方法可有效克服热风炉系统非线性、时变以及大滞后的特点，减弱干扰和参数变化对控制效果的影响，满足热风炉蓄热和协调换炉对燃烧时间节点的严格要求，实现对高炉热风炉烧炉烟道温度的精确控制。
附图说明
图1是一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。应强调的是，下述说明仅仅是示例性质的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1所示是本发明的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度方法流程图，本发明通过采用模糊控制算法，实现对热风炉烧炉烟道温度的精确控制，以满足热风炉协调换炉对燃烧时间节点的严格要求以及热风炉蓄热的要求，具体包括以下步骤：
步骤1：采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k，燃烧进度计算公式为：
Figure BDA0001839440560000051
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
步骤2：根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e。
热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000052
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000053
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝now-Vset
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
步骤3：采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
燃烧进度k的模糊集合为[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM),正大(PB)]，论域范围为[0,100]；
烟道温升偏差e的模糊集合为[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM),正大(PB)]，论域范围为[-5,5]；
煤气流量调节量u的模糊集合为[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM),正大(PB)]，论域范围为[-10,10]；
步骤4：将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，按Mamdani推理法进行模糊推理决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化，并经尺度变换到实际输出范围。
燃烧进度k的隶属度函数为三角型，燃烧后期调节频率增加，具体函数为：
Figure BDA0001839440560000061
Figure BDA0001839440560000062
Figure BDA0001839440560000063
Figure BDA0001839440560000064
Figure BDA0001839440560000065
Figure BDA0001839440560000066
Figure BDA0001839440560000067
温升偏差e的隶属函数为正态函数型，具体函数为：
Figure BDA0001839440560000071
Figure BDA0001839440560000072
Figure BDA0001839440560000073
Figure BDA0001839440560000074
Figure BDA0001839440560000075
Figure BDA0001839440560000076
Figure BDA0001839440560000077
煤气流量调节量u的隶属函数为三角型，具体函数为：
Figure BDA0001839440560000078
Figure BDA0001839440560000079
Figure BDA0001839440560000081
Figure BDA0001839440560000082
Figure BDA0001839440560000083
Figure BDA0001839440560000084
Figure BDA0001839440560000085
燃烧控制过程中，尽量使热风炉燃烧前期增加蓄热,即燃烧前期和中期燃烧实际温升略大于目标温升，模糊控制规则如下表所示：
Figure BDA0001839440560000086
步骤5：动态调整控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。控制周期T燃烧后期调节频率增加，根据燃烧进度的增加由大到小进行动态调整,且T-ΔT≥0.5，具体如下：
Figure BDA0001839440560000091
上述用于精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法主要是采用模糊控制策略，通过对热风炉煤气和空气的自动控制，实现对高炉热风炉烧炉烟道温度的精确控制和满足热风炉协调换炉对燃烧时间节点的严格要求，具有鲁棒性强，可有效克服热风炉系统非线性、时变以及大滞后的特点。
本发明同时提出了一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，包括：
数据采集模块：用于采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k；
温升偏差计算模块：用于根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e；
模糊化模块：用于采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
模糊推理和决策模块：用于将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
控制周期调整模块：用于根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。
进一步地，所述数据采集模块中燃烧进度计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000092
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
进一步地，所述温升偏差计算模块中热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000093
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
进一步地，所述温升偏差计算模块中热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure BDA0001839440560000101
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝now-Vset
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
进一步地，所述模糊化模块中燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化。
进一步地，所述模糊化模块中，燃烧前期和中期的燃烧实际温升要略大于目标温升。
进一步地，所述控制周期调整模块中控制周期T根据燃烧进度进行动态调整，且控制周期T大于用于计算实际烟道温升的时间间隔ΔT。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。

Claims (14)

1.一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k；
步骤2：根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e；
步骤3：采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
步骤4：将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
步骤5：根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，所述步骤1中燃烧进度计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000011
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，所述步骤2中热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000012
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
4.根据权利要求1所述的精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，所述步骤2中热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000021
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝Vnow-Vset
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
5.根据权利要求1所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，所述步骤3中燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化。
6.根据权利要求1所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，模糊控制规则中，燃烧前期和中期的燃烧实际温升要略大于目标温升。
7.根据权利要求1所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的方法，其特征在于，所述步骤5中控制周期T根据燃烧进度进行动态调整，且控制周期T大于用于计算实际烟道温升的时间间隔ΔT。
8.一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，包括：
数据采集模块：用于采集热风炉控制系统的运行参数数据，判断当前热风炉状态，并根据热风炉协调换炉燃烧制度计算本炉燃烧总时长tset和当前已处于燃烧状态的时长tnow，计算热风炉的燃烧进度k；
温升偏差计算模块：用于根据实际烟道温度Tnow和设定的烟道目标温度Tset，计算烟道实际温升Vnow和目标温升Vset，并计算实际温升与目标温升两者的偏差e；
模糊化模块：用于采用模糊控制算法，将燃烧进度k和烟道温升偏差e作为模糊控制的输入量，将煤气流量调节量u作为输出量，同时设定各输入输出变量的模糊集合及其论域范围；
模糊推理和决策模块：用于将输入变量k和e模糊化为模糊输入量，基于所述模糊输入量进行模糊推理和决策以得到模糊输出量，并将所述模糊输出量解模糊化为控制输出量u；
控制周期调整模块：用于根据燃烧进度，动态决定调节的控制周期T，每个控制周期调节煤气流量，同时根据空燃比调节空气流量。
9.根据权利要求8所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述数据采集模块中燃烧进度计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000031
式中：tset本炉燃烧总时间，tnow为当前已燃烧时间，k为燃烧进度。
10.根据权利要求8所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述温升偏差计算模块中热风炉实际烟道温升为在时间间隔ΔT内烟道温度的增长幅度，计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000032
式中，ΔT为计算实际烟道温升的时间间隔；TΔT为当前时间之前间隔ΔT时刻的烟道温度，Tnow为当前实际烟道温度,Vnow为烟道当前时刻实际温升。
11.根据权利要求8所述的精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述温升偏差计算模块中热风炉烟道目标温升计算公式如下：
Figure FDA0001839440550000033
实际温升与目标温升两者的偏差e计算公式如下：
e＝Vnow-Vset
式中，Tset为烟道目标温度，Vset为烟道目标温升，e为实际温升与目标温升偏差。
12.根据权利要求8所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述模糊化模块中燃烧进度k语言值模糊子集的隶属度函数为三角型，温升偏差e语言值模糊子集的隶属函数为正态函数型，模糊输出量通过重心法进行清晰化。
13.根据权利要求8所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述模糊化模块中，燃烧前期和中期的燃烧实际温升要略大于目标温升。
14.根据权利要求8所述的一种精确控制高炉热风炉烧炉烟道温度的装置，其特征在于，所述控制周期调整模块中控制周期T根据燃烧进度进行动态调整，且控制周期T大于用于计算实际烟道温升的时间间隔ΔT。
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