JP3546620B2

JP3546620B2 - 転炉炉口部圧力制御装置

Info

Publication number: JP3546620B2
Application number: JP33979896A
Authority: JP
Inventors: 快人太田; 裕司若槻; 修飯田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: JPH10183220A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＯＧ方式によって転炉廃ガスを回収する際に転炉の炉口部の圧力を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＯＧ方式によって転炉廃ガスを回収する際の炉口部の圧力制御には、所謂ＰＩＤ制御が用いられている。即ち、図７に示すような圧力制御装置では、炉口部に取付けられた圧力検出器で当該炉口部内の圧力と大気圧との差圧を検出し、この検出された差圧と目標差圧との偏差をＰＩＤ制御装置に入力し、この制御装置が前記差圧偏差に応じたＰＩＤ操作量を圧力調整装置に指令するように構成されている。そして、このような制御によって、転炉の炉口部の圧力を大気圧とほぼ同じ圧力に保持することにより、炉口部から外部への転炉廃ガスの吹出しや大気の吸込みを抑制防止して、転炉廃ガスを効率よく回収することが可能となる。
【０００３】
ところで、このような転炉炉口部圧力制御装置において、当該転炉炉口部の圧力変動を十分に抑制するためには、例えば前記ＰＩＤ制御装置のゲインを、制御系が安定な範囲でできるだけ大きくすることが要求される。しかしながら、ＰＩＤ制御のように単純な補償要素が３つしかない制御装置では、予想される操業条件によるプロセスゲインの変化やプロセスの遅れ要素のために制御ゲインを十分に大きく設定することが困難である。
【０００４】
そこで、例えば特開昭６１−１７４３１０号公報に記載されるように、プロセスゲインの変化に対して制御ゲインを適応させながら変更するゲインスケジュール法や、特開昭６３−１５１５０６号公報に記載されるように、前記ＰＩＤ制御装置に加え、プロセスの遅れ要素をモデルとして考慮して外乱量をオンラインで推定し、これを補償する外乱オブザーバ制御装置を適用するものが提案されている。これらの制御手段によれば、圧力制御系の遅れ要素を考慮して制御装置を設定するため、単純なＰＩＤ制御装置に比して、プロセスが安定な範囲で、より制御ゲインを大きくすることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの転炉炉口部圧力制御装置では、設定されたプロセスモデルの圧力伝播遅れやプロセスゲインが、操業条件によって変化したときには、実際のプロセスモデルとの間で差が生じるため、制御系の安定性が損なわれる恐れがある。また、このような状況を回避するためには、安定性と制御性とのトレードオフを補うために、例えば最適化制御を取り入れるなどして、多大な時間と演算処理のエネルギとをかけて制御ゲインの調整や切替えを行わなければならないという問題がある。
【０００６】
本発明はこれらの諸問題に鑑みて開発されたものであり、圧力制御系のモデルを考慮しながら、そのモデルの誤差についても設定段階から考慮することによって、制御系の安定性と制御ゲインの大きさによる制御性とのトレードオフを効率的に補い、プロセス変動に対しては安定しており且つ外乱に伴う圧力変動をより抑制防止可能な転炉炉口部圧力制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の転炉炉口部圧力制御装置は、転炉の炉口部の圧力を調整するための圧力調整装置を備えて、ＯＧ方式により転炉廃ガスを回収する際の転炉の炉口部の圧力を制御する装置であって、前記転炉の炉口部から圧力調整装置までの圧力伝播の遅れ及び圧力調整装置の動作の遅れ及び前記転炉の炉口部に取付けられた圧力検出器による圧力検出の遅れを含む線形モデルを設定し、この線形モデルにおいて操業条件によって変動する圧力伝播遅れ及びプロセスゲインに対して、Ｈ無限大制御理論に基づいて圧力制御系の閉ループ伝達特性の相補感度関数を高周波数領域で低減化し且つその感度関数を低周波数領域から可及的高周波数領域まで低減化する補償器を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明では、前記諸問題を解決するために、圧力制御系のモデルを用いて制御装置の設定を行う際に、前述のように想定し得る圧力伝播遅れとプロセスゲインの変動誤差範囲を、制御系の閉ループ伝達特性の相補感度関数により評価することによって安定性を確保し、この制御系の安定性を決定した後に、できるだけ制御ゲインを上げるように感度関数を低減させる制御装置を、Ｈ無限大制御理論に基づき周波数領域で設定する。より具体的には、外乱から操作量出力までの伝達関数の大きさを所望の高周波数領域で小さくするために伝達関数で表現される安定性重み関数と、当該外乱から当該外乱が加わる手前までの伝達関数の大きさを所望の低周波数領域で小さくするために伝達関数で表現される制御性重み関数とを設定し、少なくとも前記プロセスモデルの圧力伝播遅れやプロセスゲインの変動に伴うモデル誤差より常に大きな安定性重み関数及び前記Ｈ無限大制御理論による相補感度関数が高周波数領域で小さく且つ感度関数が低周波数領域から可及的高周波数領域まで小さい制御性重み関数を用い、これをＨ無限大制御理論に基づいて解法することによって前記補償器，一般的にはコントローラを構成すれば、前述のような安定性と制御性とを最も効率よくトレードオフして、プロセス変動に対しては安定し且つ圧力変動は可及的に抑制防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る転炉炉口部圧力制御装置を実施化したＯＧ方式による炉口部の圧力制御系の主要部のみを抜粋したものである。この圧力制御系の構成要件についてより具体的に説明すれば、転炉１の内部に発生した廃ガスは、転炉１の炉口部２上部から配設された配管３を通じて図示されないファンにより回収される。この配管３内には、例えばポペット型の圧力調整弁４ａが介装されており、そのポペットの移動量，つまり圧力調整弁４ａの開度はアクチュエータである油圧シリンダ４ｂによって調整される。従って、この圧力調整弁４ａと油圧シリンダ４ｂとによって圧力調整装置４が構成される。一方、前記炉口部２には、当該炉口部２内の圧力を検出して大気圧との差圧を炉圧ＰＶとして出力する圧力発信器（圧力検出器）５が取付けられており、この圧力発信器５からの炉圧ＰＶと、図示されない目標炉圧発信器からの目標炉圧ＳＶ，即ち炉口部２内の圧力と大気圧との目標差圧とが、例えばパソコンやワークステーション，或いはもっと大掛かりなプロセスコンピュータ等から構成される炉口部圧力制御装置（炉圧制御装置）６に入力され、当該炉圧制御装置６は、両者の偏差を用いて、前記油圧シリンダへの指令信号Ｙ_（ｎ）を出力する。
【００１０】
前記炉圧制御装置６は、図示されない入出力インターフェースや、ハードディスクドライバ（ＨＤＤ）等の記憶装置や、動作プログラムを内蔵するＲＯＭ，動作プログラムに従った動作を行うＣＰＵ，ワークエリア等として動作するＲＡＭ等の電子ディバイスで構成される演算処理装置を備えて構成されることから、この炉圧制御装置６はパーソナルコンピュータやワークステーション，場合によってはプロセスコンピュータ等の情報処理装置で実現可能である。但し、このような情報処理装置の出力信号そのものでは、前記アクチュエータである油圧シリンダを直接駆動することができないので、両者の間には適宜のインターフェース或いはドライバ等が必要である。
【００１１】
次に、前記炉圧制御装置（以下、システム中のそれをコントローラとも称する）の構成の詳細について説明する。
まず、前記図１に示す圧力制御系のプロセスのうち、図２に示すように、圧力発信器の検出遅れを１次遅れ系の（１／Ｔ_３ｓ＋１）、配管での圧力伝播遅れを１次遅れ系の（１／Ｔ_２ｓ＋１）、圧力調整装置の動作遅れ，特に油圧系の動作遅れを１次遅れ系の（Ｔ_１ｓ＋１）で夫々近似し、更に無駄時間ｅ^ａｔ，圧力制御ゲインＫを考慮して、これらを直列に結合して、系のプロセスモデルＰ_０（ｓ）を構築する（ｓは、全てラプラス演算子）。従って、この系のプロセスモデルＰ_０（ｓ）は下記１式で表される。
【００１２】

次に、前記プロセスモデルＰ_０（ｓ）と、前述したコントローラＣ（ｓ）とで図３に示す閉ループを構成し、更に外乱の加わる箇所を特定して、外乱から操作量出力までの伝達関数の大きさを所望の高周波数領域で小さくするために伝達関数で表現される安定性重み関数Ｗ_１（ｓ）と、当該外乱から当該外乱が加わる手前までの伝達関数の大きさを所望の低周波数領域で小さくするために伝達関数で表現される制御性重み関数Ｗ_２（ｓ）とを設定する。そして、図３の制御系において相補感度関数（１／（１＋Ｐ_０（ｓ）Ｃ（ｓ））と呼ばれる閉ループ伝達特性が、図４ａに示すように高周波数領域で小さくなるように重み関数Ｗ_１（ｓ）を設定し、且つ外乱から炉圧変動への影響を示す感度関数（（Ｐ_０（ｓ）Ｃ（ｓ））／（１＋Ｐ_０（ｓ）Ｃ（ｓ））と呼ばれるゲイン特性が、図４ｂに示すように低周波数領域でできるだけ小さくなるように重み関数Ｗ_２（ｓ）を設定することによって、一般化プラントと呼ばれるモデル誤差を考慮したプロセスモデルＰ（ｓ）を構成する。
【００１３】
なお、前記二つの重み関数Ｗ_１（ｓ），Ｗ_２（ｓ）は以下のようにして設定する。まず、前述した相補感度関数の周波数上での具体的な形状を以下のようにして決定する。即ち、今回モデルとして考慮した図２の各要素において、圧力調整装置と圧力検出装置である圧力発信器については、モデルと実際のプロセスとのずれが大きくなることがないので、無駄時間及び配管圧力伝達遅れ及びプロセスゲインのモデル誤差について図５に示すモデル誤差Δ（ｓ）として見積もる。ここで、前述のように、元来使用されるプロセスモデルＰ_０（ｓ）に対して、このモデル誤差Δ（ｓ）を含んだ一般化されたプロセスモデルＰ（ｓ）は下記２式の関係で表れる。
【００１４】

この２式において、前述したモデル誤差要因のパラメータを変動範囲で変化させてモデル誤差Δ（ｓ）を求め、このモデル誤差Δ（ｓ）に対して、常時下記３式を満足する前記安定化重み関数Ｗ_１（ｓ）を設定する。
【００１５】

従って、前述したモデル誤差要因のパラメータを変化させても、前記３式を常時満足する安定化重み関数Ｗ_１（ｓ）を用いて、前記図３における相補感度関数を設定すれば、モデル誤差Δ（ｓ）があってもプロセスは安定になる。一方、前述した感度関数は、外乱からの感度を規定するものであり、できるだけ感度関数が小さくなるように制御性重み関数Ｗ_２（ｓ）を設定したいが、前記定義式からも明らかなように相補感度関数と感度関数との和が常時“１”になることから、相補感度関数が大きな値となる周波数領域で、できるだけ感度関数が小さくなるように重み関数Ｗ_２（ｓ）を設定する。以上より、本実施形態で設定された安定性重み関数Ｗ_１（ｓ），及び制御性重み関数Ｗ_２（ｓ）は下記４式及び５式で表れる。
【００１６】

なお、式中のα，β，γ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは、夫々所定の係数を表す。
【００１７】
このようにして重み関数Ｗ_１（ｓ），Ｗ_２（ｓ）を算出したら、下記６式を満足するコントローラＣ（ｓ）を、Ｈ無限大制御理論におけるグローバ、ドイルの解法によって求める（以後、ラプラス演算子ｓは省略する）。
【００１８】

このようにしてコントローラＣ（ｓ）を求めると、下記７式及び８式に示すような状態空間表現の行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを得る。
【００１９】

なお、Ａ：８×８の正方行列、Ｂ：８×１の行列、Ｃ：１×８の行列、Ｄ：１×１のパラメータである。
【００２０】
これを、前述のようなパソコンやプロセスコンピュータ等のディジタル演算処理装置に実装するために、双一次変換によって離散化すると、下記９式及び１０式を得る。
【００２１】

なお、式中、Ａ”，Ｂ”，Ｃ”，Ｄ”は、夫々前記行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを双一次変換したものであり、Ｕ（ｎ）は下記１１式で与えられる。
【００２２】

この演算処理を前記ディジタル演算処理層に実装し、実機として転炉炉口部圧力制御装置６を構成した。
【００２３】
このように構成された本実施形態の炉口部圧力制御装置において、制御系に外乱が加わる副原料投入時の炉口部２の圧力変動の様子を図６に、また従来のＰＩＤ制御における炉口部圧力変動の様子を図８に示す。両図から明らかなように、本実施形態の炉口部圧力制御装置によれば、従来のＰＩＤ制御によるものよりも炉口部２の圧力変動が抑制されていることが分かる。また、本実施形態により、従来発生していた圧力変動を約４０％削減できることが確認された。また、制御系の安定性についても長期間の連続使用において問題なく適用されている。また、初期設定後の調整においても、時間や演算負荷等のエネルギをかけることなく対応できている。
【００２４】
このように本実施形態の炉口部圧力制御装置では、制御系の安定性と制御性のトレードオフが周波数上の設定で合理的に行われているために、従来の誤差を含まないモデルに基づいた制御装置の設定で行っていた，所謂試行錯誤でのゲイン調整にかける時間や演算負荷を軽減でき、且つモデルの精度に応じて制御系の安定性を確保したまま、炉圧変動を限界まで向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の転炉炉口部圧力制御装置によれば、制御系の安定性と制御性のトレードオフを周波数上で合理的に行うことにより、制御装置で行わなければならない試行錯誤でのゲイン調整にかける時間や演算負荷を軽減でき、プロセス変動に対しては安定し且つ圧力変動は可及的に抑制防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転炉炉口部圧力制御装置を実施化した制御系の主要概略構成図である。
【図２】図１に示す制御系の基本的なプロセスモデルのブロック図である。
【図３】図２に示すプロセスモデルにモデル誤差を含んだ一般化されたプロセスモデルのブロック図である。
【図４】図３に示すプロセスモデルで必要とされる相補感度関数及び感度関数の周波数特性の説明図である。
【図５】モデル誤差を用いて各重み関数を設定するための説明図である。
【図６】本実施形態の転炉炉口部圧力制御装置による炉圧変動を示す説明図である。
【図７】従来の転炉炉口部圧力制御装置の主要概略構成図である。
【図８】従来の転炉炉口部圧力制御装置による炉圧変動を示す説明図である。
【符号の説明】
１は転炉
２は炉口部
３は配管
４は圧力調整装置
５は圧力発信器（圧力検出器）
６は炉口部圧力制御装置

Claims

転炉の炉口部の圧力を調整するための圧力調整装置を備えて、ＯＧ方式により転炉廃ガスを回収する際の転炉の炉口部の圧力を制御する装置であって、前記転炉の炉口部から圧力調整装置までの圧力伝播の遅れ及び圧力調整装置の動作の遅れ及び前記転炉の炉口部に取付けられた圧力検出器による圧力検出の遅れを含む線形モデルを設定し、この線形モデルにおいて操業条件によって変動する圧力伝播遅れ及びプロセスゲインに対して、Ｈ無限大制御理論に基づいて圧力制御系の閉ループ伝達特性の相補感度関数を高周波数領域で低減化し且つその感度関数を低周波数領域から可及的高周波数領域まで低減化する補償器を備えたことを特徴とする転炉炉口部圧力制御装置。