蘇培華

(西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077)

熱風(fēng)爐是冶金工業(yè)中高爐的輔助設(shè)備之一，是一種復(fù)雜的熱交換系統(tǒng)，其運(yùn)行目的是為高爐冶煉提供溫度可控的熱風(fēng)，從而提高冶煉強(qiáng)度，降低焦炭消耗。目前,國內(nèi)熱風(fēng)爐已經(jīng)安裝了基礎(chǔ)的自動化控制設(shè)備，包括爐灶自動轉(zhuǎn)換邏輯的使用，實(shí)現(xiàn)了燃燒過程的自動化和智能化，帶來了節(jié)能的新進(jìn)展。但受限于儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，目前的控制系統(tǒng)仍存在一些不足，系統(tǒng)仍難以實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行、優(yōu)化運(yùn)行，多數(shù)設(shè)備仍采用手動方式操作，且控制精度易受外界因素影響(如氣體壓力波動、儀表性能不穩(wěn)定、燃料主控耦合效應(yīng)等)。國外熱風(fēng)爐先進(jìn)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但相關(guān)控制技術(shù)在我國難以推廣應(yīng)用。爐體的運(yùn)行工況、運(yùn)行特性和工藝特性給控制系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮帶來了諸多不利因素：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動行程大，死區(qū)大，液力表畸變嚴(yán)重，甚至完全失效。此外，爐溫各溫度段調(diào)整滯后明顯，熱值波動頻繁，生產(chǎn)節(jié)奏多變且不可控。因此，實(shí)現(xiàn)精確的自動控制需要克服諸多困難，熱風(fēng)爐的優(yōu)化控制方法的研究是很大的挑戰(zhàn)。

熱風(fēng)爐是一個具有純延遲、大慣性和時變特性的非線性控制系統(tǒng)?？紤]到常規(guī)PID控制技術(shù)適應(yīng)能力較差，傳統(tǒng)的控制算法已很難取得滿意的控制效果。目前爐灶現(xiàn)場多為人工操作，溫度控制精度差，能源浪費(fèi)大。

1 先進(jìn)的控制技術(shù)

1.1 概 述

先進(jìn)控制技術(shù)是隨著生產(chǎn)過程中對控制要求的不斷提高而迅速發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。在復(fù)雜的工業(yè)過程中，存在著非線性、大時滯、強(qiáng)干擾、參數(shù)多變、變量耦合、參數(shù)不可預(yù)測等問題。先進(jìn)的控制技術(shù)和方法，包括推理控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、多變量控制、智能控制、過程優(yōu)化、故障檢測和診斷等相關(guān)內(nèi)容。

1.2 超前控制策略

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高，能夠?qū)Υ_定性系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動控制中。然而，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往存在非線性和時變的不確定性問題，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。常規(guī)PID控制器無法達(dá)到預(yù)期的控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場，受復(fù)雜參數(shù)整定方法的限制，常規(guī)PID控制器在參數(shù)整定方面往往表現(xiàn)較差，嚴(yán)重影響了控制系統(tǒng)的控制精度與適應(yīng)性。

先進(jìn)控制策略主要包含基于擾動觀測器的PID控制器、PID前饋控制器和PID控制器的以及模糊控制器。

1)基于擾動觀測器的PID控制器

實(shí)際對象與標(biāo)稱輸出的差值和模型參數(shù)變化引起的擾動等效于控制輸入，即觀測到的等效干擾。在控制中引入等效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對干擾的完全抑制。

圖1中，Gp(s)為對象的傳遞函數(shù)，d^為觀測干擾，d為等效干擾，u為控制輸入。因此可以獲得

2) PID前饋控制器

PID前饋控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，前饋控制可以提高系統(tǒng)的跟蹤性能。

圖2 PID前饋控制器結(jié)構(gòu)圖

3)模糊PID控制器

模糊控制是一種基于模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的計算機(jī)智能控制，其核心是模糊控制器，其模糊控制律通過計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

2 先進(jìn)控制技術(shù)在熱風(fēng)爐上的應(yīng)用

2.1 基于擾動觀測器的PID控制器的應(yīng)用

加熱燃燒優(yōu)化控制模型包括溫度調(diào)節(jié)控制模型、溫度專家控制算法、燃?xì)鈨?yōu)化控制、解耦控制模型等。其中，先進(jìn)的穹頂溫度控制系統(tǒng)包括許多影響因素，如燃?xì)夂涂諝馄绻軌毫Φ淖兓?，熱值的變化等。在分析了影響因素的重要性后，采用基于擾動觀測器的PID控制器。這種控制方法可以減少大部分影響因素的影響，使系統(tǒng)控制精度高、波動小、穩(wěn)定快。

2.2 PID前饋控制器的應(yīng)用

廢氣溫度受爐頂溫度、燃燒時間和送風(fēng)時間的影響。為了實(shí)現(xiàn)對煙氣溫度的穩(wěn)定控制，需要對排氣溫度進(jìn)行控制，減少熱風(fēng)爐改變運(yùn)行方式引起的爐頂溫度波動， 采用PID前饋控制器和預(yù)測控制，通過預(yù)作用，使?fàn)t頂溫度快速達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 模糊PID控制器的應(yīng)用

穹頂溫度控制精度要求高，對送風(fēng)溫度影響很大。通過使用模糊PID控制器，對燃?xì)庵鞴軌毫M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以協(xié)調(diào)穹頂溫度控制。

3 熱風(fēng)爐先進(jìn)控制技術(shù)的性能

通過對熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)的改造，利用先進(jìn)的控制技術(shù)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了有效的測試，測試結(jié)果如下：

(1)自動控制回路均實(shí)現(xiàn)自動優(yōu)化運(yùn)行，試驗(yàn)控制率可達(dá)100%，且長期控制率可保證在95%以上。熱風(fēng)爐的自動控制運(yùn)行，大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。

(2)燃燒控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制技術(shù)，節(jié)能效果顯著，燃?xì)庀钠骄仍刂葡到y(tǒng)低5.36%，如表1所示。

表1 效果對比表 千萬m3

(3)燃燒先進(jìn)控制系統(tǒng)采用安全控制，通過故障及時診斷和預(yù)警，保護(hù)了爐具的安全運(yùn)行。

(4)送風(fēng)溫度控制更加穩(wěn)定，使整體運(yùn)行情況穩(wěn)定，提高了高爐煉鐵質(zhì)量和產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

先進(jìn)的控制技術(shù)在燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)日漸成熟，在降低燃?xì)庀牡耐瑫r，送風(fēng)溫度更加穩(wěn)定，甚至提高了高爐煉鐵質(zhì)量。先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并對社會產(chǎn)生了積極的影響，因此推廣和改進(jìn)先進(jìn)控制技術(shù)具有重要意義。