CN111412174B - 一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法及控制系统，控制系统包括性能控制回路、防喘振控制回路和相应的模糊控制器。性能控制回路由性能模糊控制器控制，防喘振控制回路由防喘振模糊控制器控制。控制系统根据性能控制回路和防喘振控制回路各控制参数的耦合关系，建立解耦矩阵，计算出解耦系数，修正解耦系数值，进而修正性能模糊控制器输出和防喘振模糊控制器输出。本发明控制精度高、鲁棒性好，可以提高控制品质和运行安全性。

Description

一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及高炉鼓风机的控制系统，具体涉及高炉鼓风机的性能和防喘振解耦控制系统。

背景技术

高炉和高炉鼓风机是钢铁厂的重要设备，高炉鼓风机主要有离心式和轴流式两种，随着高炉容量的增大，目前高炉鼓风机都采用静叶可调轴流式压缩机组，由原动机(电机或汽轮机等)驱动轴流压缩机。高炉鼓风机出口的性能参数(排风流量和压力)由轴流压缩机的静叶伺服系统(一般是液压伺服系统)调整静叶的角度完成控制；同时，当通过轴流压缩机的流量小于最低喘振流量时，压缩机将发生喘振，通过打开防喘阀(一般是气动调节阀)增加通过压缩机的流量，以避免喘振的发生。

在工业自动化生产过程中，系统间的变量存在着耦合现象。系统变量之间的耦合现象是指，当某一个变量发生变化时会波及并影响其他一些变量的变化，而其他一些变量发生变化时会反过来影响这一个变量的变化。某些系统变量之间的耦合将严重影响系统的稳定和性能，甚至引发振荡。

目前高炉鼓风机的控制方法是性能控制回路(静叶控制)与防喘振控制回路(防喘阀控制)相互独立控制，当压缩机组运行进入到喘振区域时，由于轴流压缩机由静叶角度决定的性能曲线非常陡，加之防喘振阀及管路回路延时较大，性能控制会进一步恶化防喘振控制的调节品质，甚至造成系统震荡，严重影响高炉鼓风机的安全运行。因此，在传统的鼓风机操作中，操作人员需要始终监视鼓风机的运行画面以随时提供人工干预，即人工地开关静叶，或者人工地开关防喘振放空阀门，使压缩机的运行点远离喘振线，使防喘振放空阀门被长期打开，导致高炉鼓风机运行自动化程度低、调节品质不高，并造成了能源浪费。

对于高炉鼓风机的防喘振控制和性能控制之间存在的耦合关系，目前尚无有效的解耦控制算法，生产过程中往往需要增大压缩机的防喘振余量，否则就有使压缩机发生喘振的危险，而防喘振余量的增加必然导致能源浪费的加剧。

中国专利“CN104238584A”公开了一种水下作业平台压载水舱进排水控制系统及控制方法，其使用了一种应对液位震荡(影响液位计对进排水水量计量的准确性)的基于状态反馈的多变量模糊解耦控制方法。但该专利并未公布“解耦补偿器”具体的解耦控制算法，更多的是在描述对横倾角、纵倾角和深度三个参数的模糊控制。

发明内容

本发明的目的在于一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法及控制系统，以提高高炉鼓风机的调节品质和能效。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法，包括以下步骤：

根据高炉鼓风机性能控制回路和防喘振控制回路之间控制参数的耦合关系建立解耦矩阵，根据解耦矩阵计算得到解耦系数，对解耦系数进行修正，根据解耦系数的初始值或修正值以及性能模糊控制输出和防喘振模糊控制输出，计算得到性能控制指令(例如，静叶角度控制指令)和防喘振控制指令(例如，防喘阀开度控制指令)。

优选的，所述性能控制回路根据性能控制指令控制静叶角度，使送风流量或送风压力满足高炉的要求。性能控制回路主要由性能控制器完成控制。

优选的，所述防喘振控制回路根据防喘振控制指令控制防喘阀的开度，使运行点在安全区内。防喘振控制回路主要由防喘振控制器完成控制。

优选的，所述解耦矩阵表示为：

H＝T·R·B·G

其中，

为解耦系数矩阵，

为传递函数矩阵，T表示时间常数，R表示防喘阀控制单元和静叶控制单元；

求解基于解耦矩阵的解耦方程，得到解耦系数。

优选的，所述解耦方程表示为：

令解耦方程中的B₁₁＝1及B₂₂＝1，得到解耦系数B₁₂和B₂₁的初始值：

优选的，所述修正包括以下步骤：在防喘振控制模糊规则表和性能控制模糊规则表基础上，通过对喘振控制偏差输出和性能控制输出的模糊化处理，得到解耦系数B₁₂和解耦系数B₂₁的模糊规则表，根据该模糊规则表计算得到相应的解耦系数的修正值。

优选的，所述性能控制指令和防喘振控制指令的计算方法为：

其中，U′_D为防喘阀(例如，气动放风阀)开度控制指令，U′_P为静叶角度控制指令，U_D为根据防喘振控制模糊规则表生成的喘振控制偏差输出(即防喘振模糊控制输出)，U_P为根据性能控制模糊规则表生成的性能控制输出(即性能模糊控制输出)。

上述高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法在透平压缩机控制系统(同样具有性能和防喘振控制)中的应用。

一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制系统，该控制系统包括防喘阀控制单元、静叶控制单元、防喘振模糊控制器及性能模糊控制器；

所述防喘振模糊控制器用于根据喘振控制偏差生成防喘振模糊控制输出；

所述性能模糊控制器用于根据送风流量或送风压力信号生成性能模糊控制输出；

所述防喘阀控制单元用于根据防喘振控制指令控制防喘阀的开度，使运行点在安全区内；

所述静叶控制单元用于根据性能控制指令控制静叶角度，使流量或压力满足高炉的要求；

所述性能控制指令和防喘振控制指令是根据解耦系数的初始值或修正值以及性能模糊控制输出和防喘振模糊控制输出计算得到。

本发明的有益效果体现在：

本发明针对高炉鼓风机所具有的严重非线性和强耦合性控制系统，在高炉鼓风机的性能控制回路及防喘振控制回路均采用了模糊控制，并基于性能与防喘振解耦控制，以消除回路之间耦合的影响，使各回路能分别独立控制，并达到了解耦控制的目的。本发明的模糊解耦控制策略控制精度高、鲁棒性好，可以提高整个系统的控制品质、能效和运行安全性。

进一步的，本发明可以根据机组运行工况变化对解耦系数做相应修正，进而修正性能模糊控制输出和防喘振模糊控制输出，这样根据机组运行工况变化对解耦系数做相应修正，可以更好的消除回路之间耦合的影响。

附图说明

图1为高炉鼓风机控制系统结构示意图；

图2为高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制框图；

图中：101—原动机；102—压缩机；103—静叶伺服位置传感器；104—止回阀；105—电动送风阀；106—电动放风阀；107—气动放风阀；108—压缩机喉部差压传感器；109—入口压力传感器；110—入口温度传感器；111—排气压力传感器；112—排气温度传感器；113—送风温度传感器；114—送风流量传感器；115—送风压力传感器；116—防喘阀位置传感器；117—防喘振控制器；118—性能控制器；119—进气管道；120—排气管道；201—第一微分器；202—第一模糊算法单元；203—第二微分器；204—第二模糊算法单元；205—第三模糊算法单元；206—第四模糊算法单元；207—防喘阀控制单元；208—静叶控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，轴流式高炉鼓风机的压缩机工艺如下：原动机101(一般为电机或汽轮机)驱动压缩机102旋转，气源通过进气管道119进入压缩机102，压缩机102将空气压缩到一定压力，然后将其中一部分气体经过排气管道120、止回阀104和电动送风阀105送至高炉，另一部分气体通过气动放风阀107(防喘阀)放空(电动放风阀106由于响应较慢，一般作为防喘阀的后备或辅助，采用手动控制，不参与自动防喘振调节，对于轴流式高炉鼓风机这种控制精度和安全性要求高的设备，一般两种阀同时配置，如只配置电动放风阀106，则调节精度差，如只配置气动放风阀107，则安全性差，一旦气动放风阀107故障，高炉鼓风机系统可能损坏和发生重大事故，本发明涉及自动防喘振控制，故相应描述只针对气动放风阀107控制，不涉及电动放风阀106)。

所述压缩机工艺的控制系统包括防喘振控制器117、性能控制器118及测量传感器。所述测量传感器包括压缩机喉部差压传感器108、入口压力传感器109、入口温度传感器110、排气压力传感器111、排气温度传感器112、送风温度传感器113、送风流量传感器114、送风压力传感器115、静叶伺服位置传感器103及防喘阀位置传感器116。

所述防喘振控制器117接收相应传感器测量的压缩机喉部差压PdT、压缩机入口压力P_S、压缩机排气压力P_d信号并根据这些信号计算喘振控制偏差Dev(喘振控制偏差Dev计算方法参照发明专利201810387977.1“一种并列运行透平压缩机控制方法及控制系统”)，并依据喘振控制偏差Dev控制防喘阀的开度，使压缩机运行点在安全区内，防喘阀位置传感器116用于防喘阀开度控制的位置反馈。所述性能控制器118接收相应的送风流量F_T或送风压力P_T信号，通过控制静叶角度，使流量或压力满足高炉的要求；静叶伺服位置传感器103用于静叶角度控制的静叶开度信号反馈。

参见图2，本发明在上述防喘振控制器117及性能控制器118中引入了模糊解耦控制方法，可以模拟人工并智能地控制性能回路和防喘振回路，消除各回路之间的耦合现象，从而有助于改善高炉鼓风机的控制品质、减少能源浪费。

所述防喘振控制器117计算的喘振控制偏差Dev是一个无因次参量，当Dev小于0时，表明运行点位于喘振控制线的左侧，进入喘振区，当Dev大于0时，表明运行点位于喘振控制线的右侧，逐渐远离喘振区，防喘振控制就是避免Dev小于0，将0与Dev比较得到喘振距离偏差e_D，通过第一微分器201得到喘振距离偏差变化率ec_D，对喘振距离偏差e_D和喘振距离偏差变化率ec_D，通过第一模糊算法单元202进行模糊化处理，根据实际运行数据以及模糊算法要求，得到以下防喘振控制模糊规则表：

防喘振控制模糊规则表中，对喘振距离偏差e_D设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]；对喘振距离偏差变化率ec_D设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]；对第一模糊算法单元202的输出变量U_D设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]。

所述性能控制器118将送风压力传感器115检测的送风压力P_T与压力设定P_S比较，得到相应的压力偏差e_P，通过第二微分器203得到压力偏差变化率ec_P，对压力偏差e_P和压力偏差变化率ec_P，通过第二模糊算法单元204进行模糊化处理，得到以下性能控制模糊规则表：

性能控制模糊规则表中，对压力偏差e_P设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]；对压力偏差变化率ec_P设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]；对第二模糊算法单元204的输出变量U_P设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]。

对于送风流量、送风压力两个性能控制参数，最终输出控制都是静叶角度，控制方法相同。

根据图2中解耦系数B₁₁、B₁₂、B₂₁、B₂₂组成的解耦系数矩阵为：

其中，B₁₁为防喘振输出到防喘阀控制间的系数，B₁₂为防喘振输出到静叶角度控制间的系数，B₂₁为性能控制输出到防喘阀控制间的系数，B₂₂为性能控制输出到静叶角度控制间的系数。

根据图2，定义气动放风阀开度变化到防喘振参数变化的传递函数G₁₁、气动放风阀开度变化到性能参数变化的传递函数G₁₂、静叶开度变化到性能参数变化的传递函数G₂₂，以及静叶开度变化到防喘参数变化的传递函数G₂₁，则传递函数矩阵为：

根据式(1)和式(2)，则解耦矩阵为：

其中，T表示时间常数，R表示防喘阀控制单元和静叶控制单元。

由式(3)可得解耦方程：

由式(4)可得：

由于B₁₁为防喘振输出到防喘阀控制间的系数，属于防喘振控制自身参数，B₂₂为性能控制输出到静叶角度控制间的系数，属于性能控制自身参数，两者不会对其他参数产生影响，为工程计算方便，可取B₁₁＝B₂₂＝1，得：

通过解耦计算后得到气动放风阀开度控制指令U′_D和静叶角度控制指令U′_P：

″

U_P通过静叶控制单元208控制静叶角度X₂，使送风压力P_T满足高炉的要求；U_D通过防喘阀控制单元207控制气动放风阀开度X₁，使运行点在安全区内。

根据式(6)计算出解耦系数B₁₂和B₂₁的初始值，由于高炉鼓风机系统运行工况复杂，无法用精确的数学模型表示，所以固定解耦系数B₁₂和B₂₁的值无法满足各种工况变化的要求(在大部分时间内高炉鼓风机运行工况相对稳定的，固定的B₁₂、B₂₁解耦控制作用较好)，例如，有些复杂工况下传递函数计算不一定准确，所以有些工况B₁₂、B₂₁是需要变化的，需要做相应修正。

所述修正具体过程如下：所述防喘振控制器117利用第三模糊算法单元205，对喘振控制偏差输出(即U_D)和性能控制输出(即U_P)进行模糊化处理，得到解耦系数B₁₂模糊规则表，所述性能控制器118利用第四模糊算法单元206，对喘振控制偏差输出(即U_D)和性能控制输出(即U_P)进行模糊化处理，得到解耦系数B₂₁模糊规则表：

解耦系数B₁₂、B₂₁模糊规则表中，对U_D和U_P分别设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]，对模糊算法的输出解耦系数B₁₂和B₂₁设定模糊子集为：[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB]。解耦系数模糊规则表里输出ZR时，就是公式6求解的B₁₂和B₂₁的初始值，输出其他时，根据解模糊化方法的量化因子和比例因子算出新的解耦系数B₁₂和B₂₁。

通过对解耦系数的修正，提高了高炉鼓风机控制系统应对一些复杂工况(例如，热风炉换炉、阀门故障以及高炉座料等)的响应能力和控制精度。

Claims (6)

1.一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

根据高炉鼓风机性能控制回路和防喘振控制回路之间控制参数的耦合关系建立解耦矩阵，根据解耦矩阵计算得到解耦系数，对解耦系数进行修正，根据解耦系数的初始值或修正值以及性能模糊控制输出和防喘振模糊控制输出，计算得到性能控制指令和防喘振控制指令；

所述解耦矩阵表示为：

H＝T·R·B·G

其中，

为解耦系数矩阵，

为传递函数矩阵，T表示时间常数，R表示防喘阀控制单元和静叶控制单元；B₁₁为防喘振输出到防喘阀控制间的系数，B₁₂为防喘振输出到静叶角度控制间的系数，B₂₁为性能控制输出到防喘阀控制间的系数，B₂₂为性能控制输出到静叶角度控制间的系数；G₁₁为防喘阀开度变化到防喘振参数变化的传递函数，G₁₂为防喘阀开度变化到性能参数变化的传递函数，G₂₂为静叶开度变化到性能参数变化的传递函数，G₂₁为静叶开度变化到防喘参数变化的传递函数；

求解基于解耦矩阵的解耦方程，得到解耦系数；

所述解耦方程表示为：

令解耦方程中的B₁₁＝1及B₂₂＝1，得到解耦系数B₁₂和B₂₁的初始值：

所述修正包括以下步骤：在防喘振控制模糊规则表和性能控制模糊规则表基础上，通过对喘振控制偏差输出和性能控制输出的模糊化处理，得到解耦系数B₁₂和解耦系数B₂₁的模糊规则表，根据该模糊规则表计算得到相应的解耦系数的修正值。

2.根据权利要求1所述一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法，其特征在于：所述性能控制回路根据性能控制指令控制静叶角度，使送风流量或送风压力满足高炉的要求。

3.根据权利要求1所述一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法，其特征在于：所述防喘振控制回路根据防喘振控制指令控制防喘阀的开度，使运行点在安全区内。

4.根据权利要求1所述一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法，其特征在于：所述性能控制指令和防喘振控制指令的计算方法为：

其中，U′_D为防喘阀开度控制指令，U′_P为静叶角度控制指令，U_D为根据防喘振控制模糊规则表生成的喘振控制偏差输出，U_P为根据性能控制模糊规则表生成的性能控制输出。

5.一种如权利要求1所述的高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制方法在透平压缩机控制系统中的应用。

6.一种高炉鼓风机性能与防喘振解耦控制系统，其特征在于：该控制系统包括防喘阀控制单元、静叶控制单元、防喘振模糊控制器及性能模糊控制器；

所述防喘振模糊控制器用于根据喘振控制偏差生成防喘振模糊控制输出；

所述性能模糊控制器用于根据送风流量或送风压力信号生成性能模糊控制输出；

所述防喘阀控制单元用于根据防喘振控制指令控制防喘阀的开度，使运行点在安全区内；

所述静叶控制单元用于根据性能控制指令控制静叶角度，使流量或压力满足高炉的要求；

所述性能控制指令和防喘振控制指令是根据解耦系数的初始值或修正值以及性能模糊控制输出和防喘振模糊控制输出计算得到；

根据高炉鼓风机性能控制回路和防喘振控制回路之间控制参数的耦合关系建立解耦矩阵，根据解耦矩阵计算得到解耦系数，对解耦系数进行修正，其中，解耦矩阵表示为：

H＝T·R·B·G

其中，

为解耦系数矩阵，

为传递函数矩阵，T表示时间常数，R表示防喘阀控制单元和静叶控制单元；B₁₁为防喘振输出到防喘阀控制间的系数，B₁₂为防喘振输出到静叶角度控制间的系数，B₂₁为性能控制输出到防喘阀控制间的系数，B₂₂为性能控制输出到静叶角度控制间的系数；G₁₁为防喘阀开度变化到防喘振参数变化的传递函数，G₁₂为防喘阀开度变化到性能参数变化的传递函数，G₂₂为静叶开度变化到性能参数变化的传递函数，G₂₁为静叶开度变化到防喘参数变化的传递函数；

求解基于解耦矩阵的解耦方程，得到解耦系数；

所述解耦方程表示为：

令解耦方程中的B₁₁＝1及B₂₂＝1，得到解耦系数B₁₂和B₂₁的初始值：

在防喘振控制模糊规则表和性能控制模糊规则表基础上，通过对喘振控制偏差输出和性能控制输出的模糊化处理，得到解耦系数B₁₂和解耦系数B₂₁的模糊规则表，根据该模糊规则表计算得到相应的解耦系数的修正值。

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