熱風爐拱頂溫度組合滑?？刂撇呗?/h1>
2022-06-24 04:01:24劉新成
中阿科技論壇(中英文) 2022年6期
袁 陳 劉新成
（西門子電機〔中國〕有限公司,江蘇 揚州 251002）
拱頂溫度是高爐熱風爐燃燒控制過程中的重要控制變量之一，其升溫速度對格子磚的熱交換效率有直接影響，進而影響熱風爐的蓄熱量，最終影響送風溫度的高低[1-2]。拱頂溫度是一個大慣性、純滯后的復雜被控對象，且在燃燒過程中與煙氣溫度存在耦合關系[3]，在工程上運用傳統(tǒng)PID方法控制拱頂溫度難以取得較好的控制效果[4-5]。專家學者針對熱風爐拱頂溫度控制策略進行了深入研究。杜羅通等[6]提出一種DMC-PID串級熱風爐拱頂溫度控制策略，將拱頂溫度作為主被控量，以燃料調節(jié)閥開度作為輔助控制量。該策略改善了拱頂溫度的響應速度和抗干擾性能，但該控制策略參數不易及時作出調整，容易出現拱頂升溫過慢、空氣過剩等問題。劉丕亮等[7]提出一種熱風爐燃燒PID參數自整定控制方法，利用對空氣流量和煤氣流量進行優(yōu)化組合，實現拱頂溫度的快速攀升，但該方法僅進行了離線PID參數的自整定，并未設計在線PID自整定控制器。崔桂梅等[8]提出了一種基于小波濾波的神經網絡拱頂溫度模型預測控制方法。在傳統(tǒng)數據預處理的基礎上，利用小波分析方法對溫度數據進行濾波使殘留噪聲進一步減小，同時剔除了異常值，對建立熱風爐拱頂溫度神經網絡數學模型起到了很好的支撐作用。仿真結果表明，拱頂溫度模型，能夠較為準確的預測拱頂溫度及其變化趨勢。為此，本文提出一種組合滑?？刂撇呗裕瑢②吔梢氲狡揭苹矫媾c旋轉滑模面組合控制方法中，并通過反饋校正技術利用拱頂溫度跟蹤誤差實時更正模型參數，抑制拱頂溫度在調節(jié)過程中的超調和滑模抖振，同時設計了一種干擾附加控制方法，增強對外界干擾的抑制，從而達到有效提高拱頂溫度控制系統(tǒng)抑制擾動能力的目的。
1 組合滑模變結構控制
1.1 組合滑模變結構控制策略
針對熱風爐拱頂溫度超調量大和模型參數易變問題，普通滑模變結構控制僅能確保系統(tǒng)狀態(tài)在初始時刻和達到常規(guī)滑模面之后位于滑模面，而在趨近穩(wěn)定過程中只位于滑模面附近[9-11]。此外，為保證控制系統(tǒng)的“魯棒性”，常規(guī)滑模面都是以犧牲系統(tǒng)的趨近速度為代價，從而導致系統(tǒng)的穩(wěn)定速度大為減緩。因此，為確保系統(tǒng)狀態(tài)始終位于滑模面上，且較好地解決穩(wěn)定速度和“魯棒性”之間的矛盾，應采用組合滑模控制[12-13]。
高爐熱風爐拱頂溫度參數模型如下[14]：
式中：δ為外界擾動；A、B為熱風爐參數；x為熱風爐輸入燃料量，y為輸出拱頂溫度。
假設拱頂溫度的設定值為d，并且設定值與系統(tǒng)輸出間的偏差為e，則有：
設滑模函數為s，根據平移滑模面和旋轉滑模面的定義可知：
由式(2)可得：
將式（3）代入式（4）可得：
1.2 基于FFRLS的組合滑模變結構控制
為實現對拱頂溫度滑模函數的控制，引人趨近律，設:
式中:IDI<1，K>0。
同時，為實現對外界擾動的抑制，從而假設外界擾動的上下界分別為FU和FL，且設:
由式(7)、(8)和(9)可對式(6)進行擾動附加控制，則新的拱頂溫度控制方案為:
下面分別以sm(k)>0和sm(k)<0兩種情況分析系統(tǒng)的準滑動模態(tài)。
當sm(k)>0、st(k)>0，則式(11)變?yōu)?
圖1 組合滑?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)變化圖
2 仿真分析
采用組合滑模控制策略可以在保證系統(tǒng)快速性的同時有效提高系統(tǒng)“魯棒性”，但由于系統(tǒng)控制表達式中的參數、未知，因此仿真時需要引入FFRLS算法對熱風爐輸入輸出數據進行辨識，從而求取最終控制參數[15]。對于高爐熱風爐拱頂溫度控制系統(tǒng)，由于現場干擾會造成系統(tǒng)參數時變，而FFRLS算法是在遞推最小二乘法的基礎上引入遺忘因子，具有辨識速度快和強大的非線性逼近能力，對參數時變系統(tǒng)具有很好的辨識效果[16]。其公式如下:
為保證辨識精度，引入如下性能指標函數:
式中：L為數據長度；η為遺忘因子，
將K值代入式（16），并考慮到β(k)的值在算法實現過程中保持不變，其值為常數，即：
則最終的拱頂溫度控制律為：
式中：
圖2 組合滑?？刂平Y構圖
為驗證本文所提熱風爐拱頂溫度組合滑?？刂撇呗缘挠行?，以寶武集團某煉鐵廠2 060 m3高爐配套的4座熱風爐為應用對象，拱頂溫度設定值為1 200 ℃，采用FFRLS算法對熱風爐拱頂溫度模型參數進行辨識，運用本文設計的組合滑膜算法對熱風爐拱頂溫度進行控制，并與常規(guī)PID算法和滑模算法進行對比仿真，算法仿真如圖3所示。為驗證組合滑?？刂撇呗栽跓犸L爐拱頂溫度控制系統(tǒng)中的“魯棒性”和抗干擾能力，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行900 s時加入幅值為20%階躍干擾，比較組合滑?？刂撇呗?、常規(guī)滑?？刂撇呗院蚉ID控制策略的優(yōu)劣性。
由圖3可知，本文提出的組合滑模算法僅需120 s即可達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量僅為4.9%。普通滑模算法和常規(guī)PID算法分別需要400 s和420 s才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量分別為14.2%和16.6%。在算法運行900 s時加入15%的階躍干擾模擬實際生產過程中的外界干擾，組合滑模算法僅需150 s即可重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量僅為8.3%。普通滑模算法和常規(guī)PID算法分別需要250 s和300 s才能再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量分別為13.1%和25%。由此可見，本文提出的組合滑模算法在熱風爐拱頂溫度的控制中表現良好。
圖3 三種控制策略仿真對比
為進一步驗證組合滑?？刂撇呗栽诂F場工況發(fā)生變化時的控制效果，分別針對三種算法進行仿真實驗，仿真結果如圖4所示。
由圖4可知，組合滑模控制策略、常規(guī)滑模控制策略和PID控制策略在工況第一次改變后的調節(jié)時間分別為40 s、110 s和120 s，超調量分別為0%、0%和2.1%；在工況第二次改變后的調節(jié)時間分別為50 s、155 s和170 s，超調量分別為0%、1.5%和5%。由此可見，組合滑?？刂撇呗該碛懈鼉?yōu)越的動態(tài)響應能力，“魯棒性”更強，受現場工況變化影響更小。
圖4 拱頂溫度負荷變化仿真
3 工程應用
為驗證組合滑?？刂撇呗缘目刂朴行?，以寶武集團某煉鐵廠2 060 m3高爐配套的4座熱風爐為對象進行工程應用。在不改變原DCS系統(tǒng)硬件配置和結構的前提下，增加一套由監(jiān)控計算機和拱頂溫度優(yōu)化控制器組成的熱風爐拱頂溫度優(yōu)化控制系統(tǒng)。監(jiān)控計算機與優(yōu)化控制器之間采用OPC協議并通過工業(yè)以太網進行數據通信，而現有PLC系統(tǒng)操作員站與優(yōu)化控制系統(tǒng)則通過OPC協議進行信息傳輸和連接。系統(tǒng)之間具體架構如圖5所示。
圖5 拱頂溫度優(yōu)化控制架構
圖6和圖7是在熱風爐額定負荷下連續(xù)16 h分別采用常規(guī)滑?？刂坪徒M合滑模控制的拱頂溫度實時曲線，拱頂溫度設定值為1 200 ℃，監(jiān)測時間為8 h。
圖6 投運前拱頂溫度趨勢圖
圖7 投運后拱頂溫度趨勢圖
通過對比兩種控制策略下的曲線圖可知，采用常規(guī)滑模控制時拱頂溫度在1 155 ℃～1 230 ℃間波動，這是由于常規(guī)滑?？刂葡到y(tǒng)無法及時抑制因換爐、負荷升降、煤氣壓力波動等帶來的拱頂溫度變化；而采用組合滑?？刂茣r拱頂溫度僅在1 190 ℃～1 207 ℃之間波動，拱頂溫度波動范圍較小，且變化較為平緩。由上述分析可知，通過采用組合滑?？刂?，系統(tǒng)抖振較傳統(tǒng)滑?？刂乒绊敎囟冉档土?0%，且熱風爐拱頂溫度實時曲線沒有出現明顯的波峰和波谷，曲線整體走勢較為平緩，拱頂溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力和總體穩(wěn)定性得到顯著提升。
4 結論
熱風爐拱頂溫度控制系統(tǒng)具有純滯后、大慣性等特點，且在熱風爐運行過程中容易受到換爐等外界擾動因素影響，導致拱頂溫度頻繁波動。鑒于常規(guī)PID控制策略不能很好地對拱頂溫度進行控制，本文提出了一種基于組合滑模控制的熱風爐拱頂溫度控制策略，并利用Matlab軟件對該策略進行仿真驗證。仿真結果表明，該控制策略對拱頂溫度的超調量、調節(jié)時間等動態(tài)性能指標有較好的控制效果。將本文提出的控制策略應用于寶武集團某煉鐵廠2 060 m3高爐配套的4座熱風爐上，拱頂溫度控制偏差在±10 ℃以內，有效提高了高爐熱風爐拱頂溫度控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。
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1 組合滑模變結構控制
1.1 組合滑模變結構控制策略
針對熱風爐拱頂溫度超調量大和模型參數易變問題，普通滑模變結構控制僅能確保系統(tǒng)狀態(tài)在初始時刻和達到常規(guī)滑模面之后位于滑模面，而在趨近穩(wěn)定過程中只位于滑模面附近[9-11]。此外，為保證控制系統(tǒng)的“魯棒性”，常規(guī)滑模面都是以犧牲系統(tǒng)的趨近速度為代價，從而導致系統(tǒng)的穩(wěn)定速度大為減緩。因此，為確保系統(tǒng)狀態(tài)始終位于滑模面上，且較好地解決穩(wěn)定速度和“魯棒性”之間的矛盾，應采用組合滑模控制[12-13]。
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由式(7)、(8)和(9)可對式(6)進行擾動附加控制，則新的拱頂溫度控制方案為:
下面分別以sm(k)>0和sm(k)<0兩種情況分析系統(tǒng)的準滑動模態(tài)。
當sm(k)>0、st(k)>0，則式(11)變?yōu)?
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由圖3可知，本文提出的組合滑模算法僅需120 s即可達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量僅為4.9%。普通滑模算法和常規(guī)PID算法分別需要400 s和420 s才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量分別為14.2%和16.6%。在算法運行900 s時加入15%的階躍干擾模擬實際生產過程中的外界干擾，組合滑模算法僅需150 s即可重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量僅為8.3%。普通滑模算法和常規(guī)PID算法分別需要250 s和300 s才能再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，且超調量分別為13.1%和25%。由此可見，本文提出的組合滑模算法在熱風爐拱頂溫度的控制中表現良好。
圖3 三種控制策略仿真對比
為進一步驗證組合滑?？刂撇呗栽诂F場工況發(fā)生變化時的控制效果，分別針對三種算法進行仿真實驗，仿真結果如圖4所示。
由圖4可知，組合滑模控制策略、常規(guī)滑模控制策略和PID控制策略在工況第一次改變后的調節(jié)時間分別為40 s、110 s和120 s，超調量分別為0%、0%和2.1%；在工況第二次改變后的調節(jié)時間分別為50 s、155 s和170 s，超調量分別為0%、1.5%和5%。由此可見，組合滑?？刂撇呗該碛懈鼉?yōu)越的動態(tài)響應能力，“魯棒性”更強，受現場工況變化影響更小。
圖4 拱頂溫度負荷變化仿真
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圖5 拱頂溫度優(yōu)化控制架構
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圖6 投運前拱頂溫度趨勢圖
圖7 投運后拱頂溫度趨勢圖
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4 結論
熱風爐拱頂溫度控制系統(tǒng)具有純滯后、大慣性等特點，且在熱風爐運行過程中容易受到換爐等外界擾動因素影響，導致拱頂溫度頻繁波動。鑒于常規(guī)PID控制策略不能很好地對拱頂溫度進行控制，本文提出了一種基于組合滑模控制的熱風爐拱頂溫度控制策略，并利用Matlab軟件對該策略進行仿真驗證。仿真結果表明，該控制策略對拱頂溫度的超調量、調節(jié)時間等動態(tài)性能指標有較好的控制效果。將本文提出的控制策略應用于寶武集團某煉鐵廠2 060 m3高爐配套的4座熱風爐上，拱頂溫度控制偏差在±10 ℃以內，有效提高了高爐熱風爐拱頂溫度控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。
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