韓一杰

（河鋼唐鋼自動(dòng)化有限公司，河北 唐山 063000）

在冶金行業(yè)中，燒結(jié)生產(chǎn)在冶煉生產(chǎn)過程中占有重要地位，是煉鐵生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燒結(jié)礦的質(zhì)量直接影響煉鐵的穩(wěn)定運(yùn)行，是保證高爐獲得優(yōu)質(zhì)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵所在。燒結(jié)是燒結(jié)礦生產(chǎn)的重要工序，燒結(jié)混合布料在燒結(jié)生產(chǎn)中，布料的厚度和均勻穩(wěn)定程度直接影響著燒結(jié)礦的質(zhì)量。同時(shí)，混合布料的好壞，對(duì)燒結(jié)機(jī)表面點(diǎn)火、熱能的有效利用、風(fēng)量的合理分布和料層的提高均有響應(yīng)影響。料面平整均勻，可使混合料表面點(diǎn)火均勻、受熱均衡，從而可減少煤氣耗量，并有助于進(jìn)一步提高料層，減少表層燒結(jié)礦的影響，提高燒結(jié)成品率。相反，若布料不當(dāng)，料面凹凸不平，呈波浪狀或出現(xiàn)局部堆積、局部拉溝等現(xiàn)象，都會(huì)使風(fēng)從壓力相對(duì)較小的地方大量抽出，造成點(diǎn)火熱量的浪費(fèi)，增大煤氣消耗。此時(shí)，機(jī)尾燒結(jié)餅斷面表現(xiàn)為紅火層不整齊，局部過燒、局部夾生，燒結(jié)礦強(qiáng)度降低。

1 燒結(jié)混合模型

燒結(jié)混合料布料控制模型（SMFC）是一級(jí)控制模型，包括混合料厚度控制模型和混合料均勻布料控制模型。

混合料厚度控制模型用于在線控制混合料料槽的混合料流量，采用雷達(dá)料位計(jì)監(jiān)視燒結(jié)機(jī)料層厚度，設(shè)有5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，取其平均值作為控制模型的測(cè)量輸入，與料厚給定值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)偏差值控制圓輥給料機(jī)速度，使通過圓輥給料機(jī)輸出的混合料保持設(shè)定值，從而使燒結(jié)混合料的厚度保持恒定?；旌狭虾穸瓤刂颇Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 混合料厚度控制模型

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

PID控制是最早作為自動(dòng)閉環(huán)控制的策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性較好和較高的可靠性，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域，特別適用于精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。然而燒結(jié)混合布料系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性和滯后性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，往往應(yīng)用傳統(tǒng)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果，在燒結(jié)混合布料系統(tǒng)中通常整定不良、性能欠佳，其適應(yīng)性很差?；谏鲜銮闆r，本文提出模糊PID控制算法。

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制器由二維模糊控制器和傳統(tǒng)PID控制器并聯(lián)而成，即模糊PID控制的輸出為傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)輸入，用于對(duì)傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)的調(diào)整。其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

模糊PID控制器以設(shè)定值與測(cè)量值的誤差E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入，運(yùn)用模糊規(guī)則推理實(shí)時(shí)對(duì)PID控制器3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的自適應(yīng)控制。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖2 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器采用雙輸入三輸出的多維模糊控制結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)P、I、D三個(gè)參數(shù)表現(xiàn)為三個(gè)雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)。本文選用混合料厚度的誤差E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入，誤差E對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-50，50]，誤差變化率EC對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-3，3]，取語言值均為[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。模糊控制器的輸出分別為P、I、D，P對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-3， 3]，I對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-0.3，0.3]，D對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-0.3，0.3]，語言值均采用[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]。

模糊控制規(guī)則依據(jù)相關(guān)資料和操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下控制規(guī)則：

（1）當(dāng)E和EC很大，E×EC＞0，說明系統(tǒng)輸出與設(shè)定值的偏差很大，而且系統(tǒng)正向著偏差增大的方向變化，系統(tǒng)誤差進(jìn)一步加大，此時(shí)P應(yīng)選擇大些，I和D選擇應(yīng)該小些。

（2）當(dāng)E和EC很大，E×EC＜0，雖然系統(tǒng)輸出與設(shè)定值的偏差很大，但是系統(tǒng)正向著偏差減小的方向變化，系統(tǒng)誤差將會(huì)逐漸減小，此時(shí)P維持較大值，I維持較小值，D選擇中等大小。

（3）當(dāng)E和EC中等大小，為了減弱系統(tǒng)振蕩，確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度，此時(shí)P取較小值，I取中等大小，D維持中等大小。

（4）當(dāng)E趨近于零，EC中等大小，系統(tǒng)輸出與設(shè)定值偏差很小，此時(shí)P取0值，I取中等大小，D取0值。

總結(jié)以上經(jīng)驗(yàn)，得出P、I、D三個(gè)參數(shù)整定的模糊控制規(guī)則如表1。

3 系統(tǒng)仿真

燒結(jié)混合布料系統(tǒng)由控制器、變頻器、電氣控制柜和異步電動(dòng)機(jī)等設(shè)備組成。變頻器和異步電動(dòng)機(jī)可以等效為時(shí)間常數(shù)T的一階慣性環(huán)節(jié)，電氣控制柜和調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)可以等效為比例環(huán)節(jié)，由于混合布料系統(tǒng)存在一定的滯后性，因此其等效模型為

圖3 系統(tǒng)階躍信號(hào)響應(yīng)仿真曲線

通過利用MATLAB中的控制系統(tǒng)工具箱和模糊邏輯工具箱，在Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型，采用上述系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。初始設(shè)定PID參數(shù)kp=1.3、ki=0.03、kd=0.02，輸入單位階躍信號(hào)，分別在傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制下進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)仿真，測(cè)得仿真曲線如圖3所示。

分析圖3響應(yīng)曲線，兩種控制方法的靜態(tài)特性均較好，沒有系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但在動(dòng)態(tài)性能方面，傳統(tǒng)PID控制下系統(tǒng)的超調(diào)量要遠(yuǎn)大于模糊PID控制，而且其調(diào)節(jié)時(shí)間也稍長(zhǎng)于模糊PID控制器。綜合比較，模糊PID控制在混合布料系統(tǒng)的控制效果要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

4 結(jié)語

燒結(jié)混合布料系統(tǒng)由于存在滯后性，采用傳統(tǒng)PID控制器難以解決系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量之間的矛盾。模糊PID控制通過結(jié)合模糊控制的快速響應(yīng)性和魯棒性，與傳統(tǒng)PID控制組成新型控制器，實(shí)時(shí)在線調(diào)整PID控制器的三個(gè)參數(shù)，能過減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到較大的改善。

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