CN115576194A - 基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，该方法通过数据拟合煤气管道压力调节阀的点火的烧嘴数量Num与阀门开度CV之间的特性；在控制炉区热负荷率变化时，烧嘴点火的数量也与之改变，此时根据阀门特性可直接计算出当前点火烧嘴数量Num下维持煤气压力稳定所需的阀门开度CV_y，叠加PID控制器输出的CV′，则煤气调压阀的实际开度为CV＝CV_y+CV′，采用前馈控制+PID控制的模式来调节煤气压力。本发明可在烧嘴点火数量变化速度很快的情况下，使阀门能快速响应至对应开度，且在PID控制器的双重作用下，保证煤气压力调节效果又快又稳，从而保证退火炉稳定生产。

Description

基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法

技术领域

本发明属于退火炉煤气总管压力控制技术领域，具体涉及一种基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法。

背景技术

脉冲燃烧是一种通过控制烧嘴的燃烧时间、烧嘴数量及烧嘴位置分布来控制炉子温度的技术，这种控制方法不需要对单个烧嘴的燃料流量和助燃空气流量进行调节，单个烧嘴的用量是固定的。

由于脉冲燃烧的特性，使得实际生产过程中，特别在升温及降温阶段，点火的烧嘴数量变化特别快且数量相差大，煤气总管压力控制如果采用单一的PID反馈控制很容易出现超调或者压力突降调节跟不上的现象，这对烧嘴的燃烧会造成很大的波动，既缩短了烧嘴的使用寿命，又影响了烟气排放指标。而且煤气压力的突然降低容易触发炉区控制的保护机制，从而影响生产。

对于基于脉冲燃烧的连续退火炉，如何保证煤气总管压力持续稳定是退火炉控制的一个技术难题。目前对煤气总管压力控制的方法主要有大小调节阀混合控制方式，但是这种方式提高了成本，且控制响应速度也不理想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，在点火的烧嘴数量不断变化的情况下，使煤气压力调节阀能快速、稳定地调节煤气压力，从而保证烧嘴燃烧稳定，延长烧嘴寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，包括以下步骤：

S1、数据采集

在煤气总管压力正常时，采集点火的烧嘴数量Num与煤气压力调节阀的阀门开度CV；

S2、曲线拟合

对点火的烧嘴数量Num与煤气压力调节阀的阀门开度CV的关系进行曲线拟合，得到拟合曲线：CV＝f(Num)；其中，Num为整数且0≤Num≤N，N为烧嘴总数；

S3、前馈准备

设置第一PID控制器、第二PID控制器以及前馈控制器；

前馈控制尚未投入时，由第一PID控制器对煤气总管压力进行自动调节，实时计算煤气压力调节阀的阀门开度为CV并直接输出给煤气压力调节阀；前馈控制器根据拟合曲线和当前点火的烧嘴数量Num，实时计算出当前点火烧嘴数量Num下维持煤气总管压力所需的阀门开度为CV_y，第二PID控制器为手动且其开度则为CV′＝CV-CV_y；

S4、前馈投入

当前馈控制投入时，第二PID控制器立即置为自动，开始实时计算煤气压力调节阀的阀门开度为CV′，同时第一PID控制器置为手动；煤气压力调节阀的阀门开度CV由前馈控制器实时计算的阀门开度CV_y及第二PID控制器实时计算的阀门开度CV′叠加得到，即CV＝CV_y+CV′，并通过手动的第一PID控制器输出给煤气压力调节阀；

S5、前馈切出

当前馈控制切出时，第一PID控制器重新切为自动，第二PID控制器切为手动，并进入步骤S3的前馈准备。

进一步的，数据采集时，仅由第一PID控制器对煤气总管压力进行自动调节。

进一步的，煤气总管压力PV满足下式时，煤气总管压力正常：

SP-σ≤PV≤SP+σ

式中，SP为压力设定值，σ为偏差。

进一步的，曲线拟合公式为：

CV＝ae^b*Num+ce^d*Num

式中，a、b、c和d均为系数。

进一步的，采用levenberg-marquardt算法对曲线进行拟合。

进一步的，采集的点火的烧嘴数量Num覆盖0～N时，再进行曲线拟合。

进一步的，前馈准备时，对第二PID控制器的输出进行约束，约束条件为：-CV_y≤CV′≤ 100-CV_y。

进一步的，退火炉炉区热负荷率变化时或点火的烧嘴数量变化快时，进行前馈投入。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、直接利用数据拟合点火烧嘴数量与阀门开度之间的关系，可移植性高；

2、将前馈控制与PID控制相结合，在点火烧嘴数量变化时，前馈控制可直接让调节阀变化至所需开度，再由PID控制器对阀门进行微调，从而可以保证煤气压力稳定。

附图说明

图1是本发明的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法流程图；

图2是本发明实施例的曲线拟合示意图；

图3是本发明实施例的切换过程阀门开度变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对目前硅钢连续退火炉煤气压力控制问题，本发明提供了一种用于硅钢连续退火炉煤气压力控制的方法，在点火的烧嘴数量不断变化的情况下，使煤气压力调节阀能快速、稳定地调节煤气压力，从而保证烧嘴燃烧稳定，延长烧嘴寿命。该方法通过数据拟合煤气管道压力调节阀的点火的烧嘴数量Num与阀门开度CV之间的特性；在控制炉区热负荷率变化时，烧嘴点火的数量也与之改变，此时根据阀门特性可直接计算出当前点火烧嘴数量Num下维持煤气压力稳定所需的阀门开度CV_y，叠加PID控制器输出的CV′，则煤气调压阀的实际开度为CV＝CV_y+ CV′，采用前馈控制+PID控制的模式来调节煤气压力。

本发明的用于硅钢连续退火炉煤气压力控制的方法，涉及煤气压力调节阀、N个烧嘴和压力变送器，如图1所示，控制方法包括如下步骤：

S1、数据采集，前期仅有第一PID控制器投入，在压力设定值SP下，采集满足反馈值PV 等于设定值SP时，已经点火的烧嘴数量Num和此时的阀门开度CV。

S2、曲线拟合，采集到尽量多、烧嘴数量覆盖0～N的数据后，对点火烧嘴数量Num与阀门开度的关系进行曲线拟合，根据先验模型，拟合的曲线公式设为y＝ae^bx+ce^dx，再采用levenberg-marquardt算法对曲线进行拟合，得到曲线公式CV＝ae^b*Num+ce^d*Num，0≤Num≤N。

S3、前馈准备，在前馈控制尚未投入时，由第一PID控制器对压力进行自动调节，此时阀门开度为CV。前馈控制器根据当前点火烧嘴数量Num计算出阀门开度为CV_y，第二PID控制器为手动，其开度则为CV′＝CV-CV_y。

S4、前馈投入，当前馈控制投入时，第二PID控制器立即置为自动，并将第一PID控制器的设定值赋给第二PID控制器，同时第一PID控制器置为手动。阀门开度CV由前馈控制器计算出的CV_y及第二PID控制器计算的阀门开度CV′叠加得到，即CV＝CV_y+CV′，并通过手动的第一PID控制器输出给阀门。第二PID控制器置为自动的瞬间，会将S3计算的CV′传递给自动设定值，以保证切入切出前馈控制时，阀门的输出CV值不出现阶跃性的变化，即式子 CV＝CV_y+CV′在任何时候均成立，换言之，就是前馈控制投入切出过程的无扰切换。

S5、前馈切出，当由前馈模式切出时，第一PID控制器立即切为自动，且将设定值SP赋给第一PID控制器，第二PID控制器切为手动模式，自动进入S3前馈准备模式。

以某冷轧厂硅钢连续退火炉的辐射加热段为例，该段共有60个烧嘴，在正常生产时，煤气压力需保持在SP，在该背景下按照发明的步骤来实现煤气压力控制。

在数据采集过程中，当煤气压力实际值PV满足公式(1)时，则认为PV＝SP，其中，σ为偏差，采集此时的烧嘴数量Num和阀门开度CV为一组数据，当采集的数据中Num基本可以覆盖 0～60时，则认为数据量可以满足拟合曲线要求，本实例采集的数据量约为两万组。

SP-σ≤PV≤SP+σ (1)

曲线拟合过程中，首先将拟合的公式设为式(2)，levenberg-marquardt算法是一种非线性最小二乘法，对数据进行拟合后，得到参数a、b、c、d的值。拟合后的曲线如图2所示，X轴为烧嘴数量Num，Y轴为阀门开度CV。

CV＝ae^b*Num+ce^d*Num (2)

前馈准备阶段，在前馈控制尚未投入时，由第一PID控制器对压力进行自动调节，此时阀门开度为CV，前馈控制器根据当前点火烧嘴数量Num及公式(2)计算出阀门开度为CV_y，第二 PID控制为手动，其开度则为式(3)。

CV′＝CV-CV_y (3)

当前馈控制投入时，第二PID控制器立即置为自动，并将第一PID控制器的设定值赋给第二PID控制器，同时第一PID控制器置为手动，其阀门开度CV由前馈控制器计算出的CV_y及第二PID控制器计算的阀门开度CV′叠加，即如式(4)。此时阀门的控制模式为前馈控制+PID控制模式。

CV＝CV_y+CV′ (4)

为了保证阀门的输出是在0～100％之间，该过程还需对第二PID控制器的输出进行约束，约束条件为：

-CV_y≤CV′≤100-CV_y (5)

当阀门的控制模式由前馈控制+PID控制模式切为单PID控制模式时，第一PID控制器立即切为自动，且将设定值SP赋给第一PID控制器，第二PID控制器切为手动模式，自动进入前馈准备模式，该过程主要是保证切入切出前馈控制+PID控制模式时，可以无扰切换，防止对煤气压力造成影响产生波动。切换过程阀门开度变化曲线如图3所示。

上述实例是以辐射加热段为例来介绍本发明的流程，对于其他加热炉、退火炉炉段，其控制方法和流程是一样的，对于不同炉段、不同工况，仅仅是拟合的阀门曲线公式和参数不一样，但是方法均相同。

综上所述，本发明可在烧嘴点火数量变化速度很快的情况下(可以设置一个单位时间烧嘴点火数量变化阈值)，使阀门能快速响应至对应开度，且在PID控制器的双重作用下，保证煤气压力调节效果又快又稳，从而保证退火炉稳定生产。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、数据采集

在煤气总管压力正常时，采集点火的烧嘴数量Num与煤气压力调节阀的阀门开度CV；

S2、曲线拟合

对点火的烧嘴数量Num与煤气压力调节阀的阀门开度CV的关系进行曲线拟合，得到拟合曲线：CV＝f(Num)；其中，Num为整数且0≤Num≤N，N为烧嘴总数；

S3、前馈准备

设置第一PID控制器、第二PID控制器以及前馈控制器；

前馈控制尚未投入时，由第一PID控制器对煤气总管压力进行自动调节，实时计算煤气压力调节阀的阀门开度为CV并直接输出给煤气压力调节阀；前馈控制器根据拟合曲线和当前点火的烧嘴数量Num，实时计算出当前点火烧嘴数量Num下维持煤气总管压力所需的阀门开度为CV_y，第二PID控制器为手动且其开度则为CV′＝CV-CV_y；

S4、前馈投入

当前馈控制投入时，第二PID控制器立即置为自动，开始实时计算煤气压力调节阀的阀门开度为CV′，同时第一PID控制器置为手动；煤气压力调节阀的阀门开度CV由前馈控制器实时计算的阀门开度CV_y及第二PID控制器实时计算的阀门开度CV′叠加得到，即CV＝CV_y+CV′，并通过手动的第一PID控制器输出给煤气压力调节阀；

S5、前馈切出

当前馈控制切出时，第一PID控制器重新切为自动，第二PID控制器切为手动，并进入步骤S3的前馈准备。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，数据采集时，仅由第一PID控制器对煤气总管压力进行自动调节。

3.根据权利要求1或2所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，煤气总管压力PV满足下式时，煤气总管压力正常：

SP-σ≤PV≤SP+σ

式中，SP为压力设定值，σ为偏差。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，曲线拟合公式为：

CV＝ae^b*Num+ce^d*Num

式中，a、b、c和d均为系数。

5.根据权利要求1或4所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，采用levenberg-marquardt算法对曲线进行拟合。

6.根据权利要求1所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，采集的点火的烧嘴数量Num覆盖0～N时，再进行曲线拟合。

7.根据权利要求1所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，前馈准备时，对第二PID控制器的输出进行约束，约束条件为：-CV_y≤CV′≤100-CV_y。

8.根据权利要求1所述的基于脉冲燃烧连续退火炉的煤气总管压力控制方法，其特征在于，退火炉炉区热负荷率变化时或点火的烧嘴数量变化快时，进行前馈投入。

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