方林 張壽明

摘 要：鼓風(fēng)機(jī)是高爐冶煉的核心動(dòng)力設(shè)備，喘振是鼓風(fēng)機(jī)固有的機(jī)械特性，一旦鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振，將會給鼓風(fēng)機(jī)和冶煉高爐帶來嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)采用單一PID控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對喘振的調(diào)節(jié)時(shí)間長，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振幾率較高。將專家系統(tǒng)與PID相結(jié)合，可克服單一PID控制的缺點(diǎn)，通過專家系統(tǒng)對管網(wǎng)壓力與氣體出口流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)防喘振線的動(dòng)態(tài)化，提高鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)對復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力與工作效率，降低鼓風(fēng)機(jī)喘振幾率。

關(guān)鍵詞：鼓風(fēng)機(jī)；喘振；防喘控制；專家系統(tǒng)；防喘振線

DOI：10.11907/rjdk.172634

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0141-03

Abstract：The blower is the main power equipment for blast furnace smelting， and the surge is the inherent mechanical characteristic of the blower.Once the blower appears surging， it will cause serious harm to the blower and smelting blast furnace. The traditional blower anti-surge control system adopts a single PID control， but the pure PID anti surge control system has poor stability， and has a long time for surge regulation， which leads to a higher probability of blower surge. The combination of expert system and PID overcomes the shortcoming of single PID control. The data of pipe network pressure and gas outlet flow are analyzed by expert system so as to realize the dynamic blower surge line， improve the adaptability to the complex industrial environment and efficiency of the blower anti-surge control system and reduce the chance of blower surging.

Key Words：blower； surge； anti-surge control；expert system； anti surge line

0 引言

鼓風(fēng)機(jī)是我國金屬冶煉中的核心動(dòng)力設(shè)備，鼓風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，可保障金屬冶煉的順利進(jìn)行。喘振是鼓風(fēng)機(jī)固有的機(jī)械特性，如果鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí)無法快速得到消除，將使鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組產(chǎn)生周期性振動(dòng)，高爐內(nèi)的高溫氣體回流到鼓風(fēng)機(jī)，從而對機(jī)組精密部件以及機(jī)組密封性造成嚴(yán)重破壞，甚至導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)軸瓦斷裂。因此，在鼓風(fēng)機(jī)喘振控制過程中，應(yīng)采取先進(jìn)、科學(xué)的控制方法，達(dá)到對喘振的有效預(yù)測及控制[1]。

目前，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，鼓風(fēng)機(jī)防喘控制仍然采用PID算法控制，主要由于單一的PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[2]，但單純基于PID算法的鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)很難達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化對其動(dòng)態(tài)性能及抗外界干擾能力的要求。

隨著科技的不斷發(fā)展，為提高工業(yè)控制系統(tǒng)的綜合性能，智能控制逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。專家系統(tǒng)為智能控制的一個(gè)分支，其具有類似專家的知識與思維方式，且具有調(diào)節(jié)速度快、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。將專家系統(tǒng)與PID算法相結(jié)合，可克服單一PID的缺點(diǎn)，從而對鼓風(fēng)機(jī)的防喘控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使在無人干預(yù)的情況下保證鼓風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到防喘控制的預(yù)期效果[3]。

1 鼓風(fēng)機(jī)防喘功能實(shí)現(xiàn)

1.1 鼓風(fēng)機(jī)喘振分析

鼓風(fēng)機(jī)對吸入的空氣做功后，再通過排氣管網(wǎng)輸出到高爐內(nèi)[4]。在鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，鼓風(fēng)機(jī)的防喘振閥處于關(guān)閉狀態(tài)。一旦鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振，鼓風(fēng)機(jī)對氣體做功則出現(xiàn)紊亂，使鼓風(fēng)機(jī)葉柵處產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致氣體管網(wǎng)壓力增大，氣體出口流量與排氣壓力急劇下降，甚至出現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)氣體回流的現(xiàn)象。此時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)防喘振閥打開，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢下降[5]。

1.2 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制與喘振預(yù)測原理分析

鼓風(fēng)機(jī)喘振主要表現(xiàn)為管網(wǎng)壓力過大，排氣壓力與氣體出口流量減小。采用專家系統(tǒng)與PID算法對鼓風(fēng)機(jī)管網(wǎng)壓力、排氣壓力與氣體出口流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，可將鼓風(fēng)機(jī)控制在安全的工作區(qū)域內(nèi)，以達(dá)到喘振控制與喘振預(yù)測的目的[6]，如圖1所示。隨著機(jī)械設(shè)備的老化，鼓風(fēng)機(jī)的防喘振線也不斷變化，如圖2所示。通過專家系統(tǒng)對鼓風(fēng)機(jī)喘振數(shù)據(jù)的分析，使防喘振線隨著設(shè)備老化程度而變化，從而達(dá)到對鼓風(fēng)機(jī)喘振的精確控制[7]。

2 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PID控制原理

PID算法是工業(yè)現(xiàn)場最常用與最經(jīng)典的算法之一。PID算法是將設(shè)定值R（t）與輸出值u（t）的差值即穩(wěn)態(tài)誤差e（t）=R（t）-y（t）作為PID控制系統(tǒng)的輸入值，通過u（t）=Kp+1Ti∫e（t）dt+Tdde（t）dt計(jì)算出的結(jié)果作為控制信號輸出值。在控制系統(tǒng)中，只要調(diào)節(jié)比例系數(shù)（Kp）、積分時(shí)間常數(shù)（Ti）、微分時(shí)間常數(shù)（Td），即可實(shí)現(xiàn)PID算法控制[7]。

2.2 專家系統(tǒng)原理

專家系統(tǒng)又稱為專家智能控制，是指將控制領(lǐng)域?qū)＜业闹R、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)程序相結(jié)合，使控制系統(tǒng)在未知或無人干預(yù)的情況下，用專家的思維和知識解決遇到的技術(shù)問題[8]。專家系統(tǒng)的主體框架由知識庫與推理機(jī)構(gòu)成，通過對控制領(lǐng)域知識（先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲取與組織，按其控制策略，及時(shí)選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出[9]，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際對象的控制。而人機(jī)接口可方便實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)控制算法知識庫的補(bǔ)充、問題反饋及算法移植等[10]。專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 專家PID設(shè)計(jì)原理

專家PID算法是在PID控制器基礎(chǔ)上加入專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)的推理輸出結(jié)果，從而控制PID的比例系數(shù)（Kp）、積分時(shí)間常數(shù)（Ti）、微分時(shí)間常數(shù)（Td）3個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鼓風(fēng)機(jī)喘振的控制。專家PID控制器結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

專家PID控制器的構(gòu)成包括以下部分：

（1）控制規(guī)則：通過對采集的管網(wǎng)壓力、氣體出口流量、排氣壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，判斷鼓風(fēng)機(jī)此刻的運(yùn)行狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)PID算法的比例、微分、積分參數(shù)值。

（2）數(shù)據(jù)采集：專家系統(tǒng)將采集的管網(wǎng)壓力及氣體出口流量儲存到知識庫中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)防喘振線的動(dòng)態(tài)化，從而達(dá)到預(yù)測喘振的目的。

（3）參數(shù)組：在一定的喘振線下，參數(shù)組1應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)輸入值處于防喘振線5%～8%的安全裕度情況下，參數(shù)組2應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)輸入值接近或處于防喘振線的情況下，參數(shù)組3應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)輸入值處于喘振報(bào)警線的情況下，參數(shù)組4應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)處于喘振的情況下。一旦參數(shù)組3與參數(shù)組4被啟用時(shí)，即使鼓風(fēng)機(jī)沒有喘振，控制系統(tǒng)也會發(fā)出報(bào)警信號，從而達(dá)到預(yù)測喘振的目的。

（4）PID控制器：根據(jù)不同參數(shù)組的選擇，直接對鼓風(fēng)機(jī)防喘振閥進(jìn)行控制。

設(shè)鼓風(fēng)機(jī)輸入信號值為Input（x），其中x為管網(wǎng)壓力值或鼓風(fēng)機(jī)氣體口流量，Output為控制系統(tǒng)輸出量，t為鼓風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)采集的采樣時(shí)間，r（t）為專家PID控制系統(tǒng)中輸出值與輸入值的靜態(tài)差值，第k次與第k-1次的靜態(tài)誤差值分別為 r（k）、r（k-1）；N1、N2、N3、N4為常量（N1< N2P2>P3>P4），T1、T2、T3、T4（T1

當(dāng)r（t）≤N1時(shí)，此時(shí)靜態(tài)誤差較小，鼓風(fēng)機(jī)在防喘振線的5%～8%安全裕度下運(yùn)行，處于安全運(yùn)行狀態(tài)。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)增加PID的比例系數(shù)與積分系數(shù)，適當(dāng)選取微分系數(shù)，所以專家系統(tǒng)應(yīng)選擇參數(shù)組1。

當(dāng)N1

當(dāng)N2

當(dāng)N3≤r（t）時(shí)，此時(shí)靜態(tài)誤差最大的鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振，防喘振閥全部打開，應(yīng)適當(dāng)減小參數(shù)組4的比例系數(shù)與微分系數(shù)，增加積分時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化。

3 鼓風(fēng)機(jī)防喘控制性能分析

通過分別對單一PID控制下與專家系統(tǒng)PID控制下鼓風(fēng)機(jī)的氣體出口流量、排氣壓力及喘振線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，得出鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)在單一PID 算法與專家系統(tǒng)PID算法控制下的氣體出口流量、排氣壓力、防喘振線一小時(shí)內(nèi)的變化值，如圖5～圖7所示。由圖可見，在一定時(shí)間內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)出口流量與排氣壓力在單一PID控制下的變化幅度較大，而在專家系統(tǒng)PID控制下的變化趨于穩(wěn)定；同時(shí)，單一PID控制下的鼓風(fēng)機(jī)防喘振線較為穩(wěn)定，而在專家PID算法控制下的鼓風(fēng)機(jī)防喘振線隨鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性處于不斷變化的狀態(tài)。

對采用單一PID防喘控制系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在同樣時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)的氣體出口量與排氣壓力波動(dòng)性較大，而且某一時(shí)刻內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)氣體出口流量與排氣壓力有突然減少的趨勢，此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)有出現(xiàn)喘振的危險(xiǎn)。而且無論鼓風(fēng)機(jī)本身特性如何變化，防喘振線均是恒定值，不會隨著鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性變化而變化，可見鼓風(fēng)機(jī)采用單一PID防喘控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差，對喘振的調(diào)節(jié)時(shí)間長，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)喘振幾率較高。

對于采用專家PID防喘控制系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的氣體出口流量與排氣壓力比較穩(wěn)定，對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)相對較快，對復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的適應(yīng)能力較強(qiáng)，并且防喘控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，明顯降低了鼓風(fēng)機(jī)的喘振幾率，提高了高爐冶煉安全性能。同時(shí)，控制系統(tǒng)的防喘振線可隨著鼓風(fēng)機(jī)機(jī)械特性的變化而變化，從而提高了鼓風(fēng)機(jī)的工作效率，有效防止了喘振發(fā)生。因此，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場，采用專家PID算法的鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)比單一PID算法防喘控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，更容易適應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)所在的復(fù)雜工業(yè)控制環(huán)境。

4 結(jié)語

本文提出的鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用的PID算法與專家系統(tǒng)相結(jié)合，彌補(bǔ)了單一PID算法穩(wěn)定性差、超調(diào)時(shí)間長的缺陷。專家系統(tǒng)通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷修正防喘控制系統(tǒng)設(shè)定的喘振線，從而降低了鼓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)喘振的幾率，保障了鼓風(fēng)機(jī)的工作效率，提升了鼓風(fēng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)對復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力。

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（責(zé)任編輯：黃 健）