CN114995159A - 一种trt发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法 - Google Patents

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李西海
董淑恩
宋超
刘继忠
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Abstract

本发明公开了一种TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，属于钢铁生产领域，所述的算法基于模糊控制器，计算得到的压力偏差e、压力变化趋势de这两个值作为模糊控制器的输入参数进入所述的模糊化接口，并对这两个参数进行模糊化，根据隶属度函数曲线，计算得到这两个变量各自的7个语言值变量的隶属度；然后结合知识库进行模糊推理，获得所有规则下的各自的输出值；最后根据重心法，对模糊推理值进行解模糊化，获得模糊控制器的最终输出值u(t)去控制静叶开度，进行曲线拟合获得压力变化趋势de；设置最短间隔时间和最长间隔时间，根据压力变化趋势de进行线形变换获得间隔时间。与现有技术相比较具有控制精准的特点。

Description

一种TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法
技术领域
本发明涉及工业过程监控领域，特别是一种适用于TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制的算法。
背景技术
钢铁行业目前普遍使用高炉余压回收装置以回收部分能量。高炉煤气顶压回收透平发电装置(Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit，以下简称TRT)，是利用高炉冶炼的高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，再将机械能转化为电能。
TRT机组通过静叶开度来调整高炉顶压煤气压力，控制时，必须保证该压力的稳定，这样可以使高炉更加易于控制，对高炉产量有着积极的作用。但是在实际应用中，该压力具有较大的扰动性，即压力随着高炉频繁的上料过程导致压力产生较大的波动，且响应快，导致压力迅速的增大或减小，同时，系统通过调节机组静页开度去控制距离较远的炉顶压力(大于50米)，系统有一定的滞后性，系统调节完成后的滞后惯性导致系统经常出现超调，致使高炉炉顶煤气压力波动较大。
目前，TRT发电调节高炉炉顶煤气压力常规采用PID控制算法，PID是一种线性控制器，它将给定值与实际反馈的偏差(e(t)＝设定值-反馈值)的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。PID控制算法公式
Figure BDA0003721505300000011
故只要偏差存在，则压力就需要调节，在偏差始终存在的情况下，积分一直在增加，造成积分过量，即会引起积分饱和。当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调。
同时，当系统发生扰动时，压力突然快速增减，系统偏差快速增大，系统必须进行快速调节，快速调节虽然让偏差缩小，但系统的滞后性又致使后面需要克服过调，超调加剧，快速调节导致系统稳定性下降，一小点波动，导致系统震荡。
综上，TRT调节高炉炉顶煤气压力具有典型的扰动大和滞后性，且扰动响应速度快的特点，很难取得精确的数学模型等，需要设计一种满足高炉炉顶压力稳定控制的算法，实现高炉炉顶压力平稳自动控制。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，来实现TRT高炉炉顶煤气压力的自动控制。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的算法基于模糊控制器，所述的模糊控制器包括模糊化接口、模糊推理、解模糊化、知识库；计算得到的压力偏差e、压力变化趋势de这两个值作为模糊控制器的输入参数进入所述的模糊化接口，并对这两个参数进行模糊化，两个参数的模糊化隶属度语言值变量个数均为7个；根据隶属度函数曲线，计算得到这两个变量各自的7个语言值变量的隶属度；然后根据这两个变量各语言值变量隶属度值，结合知识库进行模糊推理，获得所有规则下的各自的输出值；最后根据重心法，对模糊推理值进行解模糊化，获得模糊控制器的最终输出值u(t)；根据模糊控制算法所得最终输出值u(t)去控制静叶开度，从而获得n个炉顶压力值进行曲线拟合，获得压力变化趋势de；设置最短间隔时间和最长间隔时间，根据压力变化趋势de进行线形变换获得间隔时间。
进一步的，上述的压力偏差e隶属度函数言值变量个数i为7个，分别为NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB；各变量中，除ZO采用梯形隶属函数，其它均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)。
进一步的，上述的高炉炉顶压力变化趋势de采用隶属度函数语言值变量个数j为7个，分别为NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB；各变量均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)。
进一步的，上述的知识库内容为规则推导表。
进一步的，上述的解模糊化的方法采用重心法，其计算公式如下：
Figure BDA0003721505300000031
进一步的，上述的压力偏差e获得方式为：根据设定压力和反馈压力计算获得。
进一步的，上述的曲线拟合方法具体为采集最近压力，通过曲线拟合获得曲线方程，再根据最近值切线获得压力变化趋势，根据现状分析，曲线拟合采用一次线性方程，即采用最小二乘法实现；其公式为y＝a+bx；a,b的计算公式为：
Figure BDA0003721505300000041
Figure BDA0003721505300000042
最终采用b作为曲线的切线作为压力的变化趋势de，即de＝b作为变化趋势。
进一步的，上述采集的采集周期为1s，采集个数n取值为5～20。
与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：
1、采用模糊控制算法，实现了TRT高炉炉顶煤气压力的自动控制；
2、根据高炉炉顶压力的变化率，动态调整算法执行间隔时间，提升了系统的响应时间，提升了系统的控制精度。
附图说明
图1是本发明的模糊控制器结构原理图。
图2是本发明炉顶压力偏差e的隶属度函数曲线图。
图3是本发明炉顶压力变化率de隶属函数图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
出于以下详细描述的目的，应该理解的是，除非明确相反地指出，否则本发明可以采取各种替代变型和步骤次序。此外，除了在任何操作实例中或在另外指示的地方以外，所有表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的数字在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。至少，并且不企图限制对权利要求书的范围的相等物的原理的应用，每个数字参数应至少按照报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来理解。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实例中阐述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地含有某些由其相应测试测量值中所发现的标准差必然造成的误差。
还应理解的是，本文陈述的任何数值范围旨在包含所有其中纳入的子范围。例如，“1到10”的范围旨在包含所有介于(及包含)所陈述的最小值1及所陈述的最大值10之间的子范围，也就是说，具有等于或大于1的最小值及等于或小于10的最大值。
在本申请中，除非另外特别说明，否则单数的使用包含复数并且复数涵盖单数。另外，在本申请中，除非另有明确说明，否则“或”的使用意指“和/或”，即使在某些情况下可以明确地使用“和/或”。进一步地，在本申请中，除非另外特别说明，否则“一个”或“一种”的使用意指“至少一个/种”。例如，“一种”第一材料、“一种”涂料组合物等是指这些项目中的任何项目中的一个或多个项目。
由于高炉炉顶煤气压力具有典型的扰动性、滞后性和扰动响应速度快的特点，常规的PID控制算法控制，导致高炉炉顶压力波动大(偏差超过8kpa)，无法满足高炉顶压稳定要求。但是操作工实时控制却能达到较好的效果，操作工控制策略主要是观察顶压曲线趋势作出动态判断，进行快速调节，进而达到提前预判的目的。
人工操作动作的依据基于两点：压力偏差、压力变化趋势，然后基于这两个参数，根据长期的工作经验进行输出控制。例如，当前压力正偏差大(实际压力大于设定值较多)，压力继续缓慢往上增长，则需要增大较多的静叶开度。这个过程中，涉及三个参数：压力偏差、压力变化趋势、输出值。人工判断中，对这三个参数一般会规划出大、偏大、正好、偏小、小等大小程度的模糊概念，而有经验的操作工就是基于这些参数及参数大小程度的模糊值作出一系列规则来控制，而这些规则全部基于操作工固化在脑海中的经验值。
模糊控制算法是通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，对于解决复杂的系统有较好的效果。所以本发明改进方案就是采用模糊控制算法实现顶压的自动稳定调节。
本发明结构如图1所示，模糊控制器包括模糊化接口、模糊推理、解模糊化、知识库。
所述的模糊化接口采用2个变量：压力偏差(e)、压力变化趋势(de)。
(1)高炉炉顶压力偏差(e)
压力偏差(e)＝设定压力-实际压力
隶属度函数μ(ei)语言值变量个数i为7个，分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(正好)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。各变量中，除ZO(零)采用梯形隶属函数，其它均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)，其隶属度函数曲线见图2所示。
(2)高炉炉顶压力变化趋势(de)
要获得高炉炉顶压力变化趋势，必须对压力曲线进行分析和预测，确定当前压力的变化趋势，对压力曲线分析可采用曲线拟合方法，即采集最近压力，通过曲线拟合获得曲线方程，再根据最近值切线获得压力变化趋势，根据现状分析，曲线拟合采用一次线性方程，即采用最小二乘法实现。
其公式为y＝a+bx；
a,b的计算公式为：
Figure BDA0003721505300000071
Figure BDA0003721505300000072
最终采用b作为曲线的切线作为压力的变化趋势de，即de＝b作为变化趋势。
采用该算法需要确定数据采集个数(n)及间隔周期，采集周期采用1s，采集个数(n)过长，则不能反映最新的趋势状况，过短，则变化太快，一般取值为5～20。
隶属度函数μ(dej)语言值变量个数j为7个，分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(正好)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。各变量均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)，其隶属度函数曲线见图3所示。
所述的模糊推理的形式为：如果e为A且de为B，则输出为Uij。
其中，A为压力偏差(e)论域上的7个模糊子集(NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB)，B为压力变化趋势(de)论域上的7个模糊子集(NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB)，Uij的取值，根据有经验的操作工的经验数值进行归纳总结，并在实践调试中进行调整优化获得，最终的规则推导表就是所述的知识库内容，其输出关系见下表：
Figure BDA0003721505300000073
Figure BDA0003721505300000081
在实行模糊控制时，将许多控制规则进行上述推论演算，然后结合各个由演算得到的推论结果获得控制输出。
所述的解模糊化的方法采用重心法，其计算公式如下：
Figure BDA0003721505300000082
其中μ(ei)为压力偏差(e)论域上的7个模糊子集(NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB)对应模糊函数所计算得到的模糊度；μ(dej)为压力变化趋势(de)论域上的7个模糊子集(NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB)对应模糊函数所计算得到的模糊度。最终获得输出值U作为控制静叶开度增量值。值为正表示增大静叶开度，为负表示减少静叶开度。
本发明的控制执行如图1所示，首先根据设定压力和反馈压力(炉顶压力)计算获得压力偏差e；采集周期为1s，采集最近n个炉顶压力值进行曲线拟合，获得压力变化趋势de。
计算得到的压力偏差e、压力变化趋势de这两个值作为模糊控制器的输入参数，并对这两个参数进行模糊化，两个参数的模糊化隶属度语言值变量个数均为7个。根据图2、图3的隶属度函数曲线，计算得到这两个变量各自的7个语言值变量的隶属度。然后根据这两个变量各语言值变量隶属度值，结合知识库进行模糊推理，获得所有规则下的各自的输出值。最后根据重心法，对模糊推理值进行解模糊化，获得模糊控制器的最终输出值u(t)。根据模糊控制算法所得最终输出值u(t)去控制静叶开度(被控对象)，从而获得n个炉顶压力值进行曲线拟合，获得压力变化趋势de。
一次输出后，由于系统有滞后性，人工可根据压力变化趋势，动态调整下次输出时间间隔，而自动控制却无法获得合适的控制执行周期，执行周期过长，无法响应系统快速变化要求；过短，系统还未对上次输出做出响应，加剧系统的超调，所以常规的模糊控制算法对压力的调节效果不是很理想，必须对控制间隔执行时间进行动态调整。为满足系统需求，控制算法输出的间隔时间采用动态变化值，动态变化值根据根据炉压变化率的快慢而进行调整，从而解决了算法固定执行周期而带来的响应慢和滞后性大的难题，也对压力变化过快能得到及时响应。
动态间隔时间的获得，具体调整方式为：炉压变化越快，说明系统进入快速变化阶段，需要及时进行调整，这时的间隔时间就缩短，反之加长。系统设置最短间隔时间和最长间隔时间，根据压力变化趋势(de)进行线形变换获得间隔时间。
本发明实施例中未作详细说明之处，为本领域公知的技术，为本领域技术人员熟知，再次不再累述。
需要说明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的算法基于模糊控制器，所述的模糊控制器包括模糊化接口、模糊推理、解模糊化、知识库；计算得到的压力偏差e、压力变化趋势de这两个值作为模糊控制器的输入参数进入所述的模糊化接口，并对这两个参数进行模糊化，两个参数的模糊化隶属度语言值变量个数均为7个；根据隶属度函数曲线，计算得到这两个变量各自的7个语言值变量的隶属度；然后根据这两个变量各语言值变量隶属度值，结合知识库进行模糊推理，获得所有规则下的各自的输出值；最后根据重心法，对模糊推理值进行解模糊化，获得模糊控制器的最终输出值u(t)；根据模糊控制算法所得最终输出值u(t)去控制静叶开度，从而获得n个炉顶压力值进行曲线拟合，获得压力变化趋势de；设置最短间隔时间和最长间隔时间，根据压力变化趋势de进行线形变换获得间隔时间。
2.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的压力偏差e隶属度函数言值变量个数i为7个，分别为NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB；各变量中，除ZO采用梯形隶属函数，其它均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)。
3.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的高炉炉顶压力变化趋势de采用隶属度函数语言值变量个数j为7个，分别为NB、NM、NS、Z0，PS，PM，PB；各变量均采用三角隶属函数，隶属度取值范围为(0～1)。
4.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的知识库内容为规则推导表。
5.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的解模糊化的方法采用重心法，其计算公式如下：
Figure FDA0003721505290000021
6.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的压力偏差e获得方式为：根据设定压力和反馈压力计算获得。
7.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述的曲线拟合方法具体为采集最近压力，通过曲线拟合获得曲线方程，再根据最近值切线获得压力变化趋势，根据现状分析，曲线拟合采用一次线性方程，即采用最小二乘法实现；其公式为y＝a+bx；a,b的计算公式为：
Figure FDA0003721505290000022
Figure FDA0003721505290000023
最终采用b作为曲线的切线作为压力的变化趋势de，即de＝b作为变化趋势。
8.根据权利要求1所述的TRT发电系统高炉炉顶煤气压力稳定控制算法，其特征在于：所述采集的采集周期为1s，采集个数n取值为5～20。
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