（机械制造及其自动化专业论文）基于参数预测的高炉风机模糊调节pid控制系统设计与仿真分析.pdf

江苏大学下程硕士学位论文 摘要 高炉鼓风机是炼铁工艺过程中的核心动力设备，为炉内冶金反应提供必要 的氧气，并直接影响炉料的顺行，鼓风机的控制效果与企业的产量、效益、安 全息息相关。为了进一步改善高炉鼓风机的控制性能，保证鼓风机在安全、可 靠、高效点运行，本文丌展高炉鼓风机基于预测基础上的模糊调节p i d 静叶控 制研究，以及鼓风机防喘振模糊控制技术研究。 多级全静叶调节高炉鼓风机的性能参数受多种结构参数的影响，难以建立 以静叶开度为表征参量的性能参数解析表达式，本文通过坐标变换使静叶开度 特性曲线图上不规则的有效工作区转换成为规则的矩形工作区，然后采用契比 雪夫多项式拟合方式建立了以静叶开度为特征参量的性能参数近似数学模型， 以及以温度为特征参量的喘振边界线和喘振控制线的近似数学模型。 根据近似模型进行防喘振控制系统设计，由鼓风机的进出口压力、出口风 量和风温确定鼓风机的喘振控制区，并进行喘振控制区深入度计算，由模糊控 制器根据深入度数值进行模糊判决确定防喘振控制阀的开度，保证既不出现喘 振工况又能减小已压缩的空气排放量，从而减少能量损失。 根据鼓风机输出风量和风压对静叶开度具有相同增减趋势的特点，进行基 于参数预测的模糊调节p i d 静叶调节系统设计，p i d 控制器根据检测值与指 令值的差值进行静叶角度调节，预测模块根据参数检测值的历史数据进行预测， 并由模糊控制器根据预测值调整p i d 控制器的参数。根据预测值进行p i d 参数 调节，一方面可达到提前调节的目的，另一方面，根据鼓风机不同工况调节p i d 参数可提高系统控制精度，避免出现过大的超调量和稳态振荡。 在s i m u l i n k 仿真环境中对静叶开度控制系统和防喘振控制系统进行了仿真 分析。结果表明，基于预测模糊调节的p i d 静叶开度控制系统无论在超调量、 振荡次数还是调节时间方面都明显优于单纯的p i d 控制；防喘振模糊控制系统 基丁参数预测的高炉风机模糊调1 - p i d 控制系统设计与仿真分析 能够根据鼓风机工况的进行防喘振控制阀开度调节，避免了当工况进入喘振控 制区后防喘振控制阀始终处于完全打开状态，减少了已压缩空气的排放量。 关键词：高炉风机，静叶丌度，模糊调节，预测，p i d 控制 h 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t b l a s tf u r n a c ef a na sak e yd y n a m i ce q u i p m e n tp r o v i d e se s s e n t i a lo x y g e nf o r c h e m i c a lr e a c t i o n sa n de f f e c t sb u r d e nd e c r e a s e ，a n di t sc o n t r o le f f e c ti sc l o s e l yr e l a t e d t ot h eo u t p u t ，s a f e t ya n de c o n o m i ce f f i c i e n c yo fs t e e le n t e r p r i s e t h es t u d yf o rt h ep i d c o n t r o ls y s t e ma d j u s t e db yf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nt h ep a r a m e t e r sp r e d i c t i o na n d t h ea n t i - s u r g ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e np e r f o r m e dt oi m p r o v et h ec o n t r o le f f e c to ft h e b l a s tf u r n a c ef a n ，a n dt om a k et h ef a nw o r k sa tt h ep o i n tw h i c hi ss e c u r i t y , r e l i a b l e a n dh i g he f f i c i e n t i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha na n a l y t i ce x p r e s s i o nd e s c r i b e dw i t hs t a t i cb l a d eo p e n d e g r e ef o rt h eo u t p u tp a r a m e t e r so ft h eb l a s tf u r n a c ef a nb e c a u s ei ti se f f e c t e db y v a r i o u sf a c t o r s a p p r o x i m a t em o d e lo ff a n sp a r a m e t e r sw i t ht h es t a t i cb l a d eo p e n d e g r e ev a r i a b l ea n db o u n d a r i e sa p p r o x i m a t em o d e lo fs u r g ea r e aw i t ht h et e m p e r a t u r e v a r i a b l eh a se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ec o o r d i n a t ee x c h a n g eo ft h ef a n s v a l i dw o r k sa r e a a n t i - s u r g ef u z z yc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt oa d j u s tt h eo p e nd e g r e eo f t h er e l i e fv a l v e ，t h ep o s i t i o no fs u r g ea r e at h ed e p t hd e g r e eo fw o r k sp o i n t si ns u r g e a r e ai sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ea d m i s s i o np r e s s u r e ，d i s c h a r g ep r e s s u r ea n di n l e ta i r t e m p e r a t u r ef i r s t l y , t h er e l i e fv a l v eo p e nd e g r e ei sa d j u s t e db yt h ef u z z yc o n t r o l l e r b a s e do nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t st os u r et h a tt h es u r g ed on o ta p p e a r sa n dt h e c o m p r e s s e da i rd i s c h a r g ei sa tm i n i m u m ap i dc o n t r o ls y s t e mw h i c hp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e db yaf u z z yc o n t r o l l e rb a s e d o nt h ef a np a r a m e t e r sp r e d i c t i o nt oa d j u s tt h es t a t i cb l a d eo p e nd e g r e e ，i tw o r k s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t i a lv a l u eb e t w e e nt h ei n s t r u c t i o nv a l u ea n dm e a s u r e m e n t v a l u eo ff a np a r a m e t e r s ，a n di t sp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e db yt h ef u z z yc o n t r o l l e rb a s e d o nt h ep r e d i c t i o nr e s u l t s t h i ss y s t e mc a l le n h a n c et h ec o n t r o lp r e c i s i o nw i t h a d j u s t a b l ep a r a m e t e r sa n da v o i dt h eo v e r s h o o ta n dv i b r a t i o ni ns t a b l es t a t e t h es i m u l a t i o nf o rt h es t a t i cb l a d eo p e nd e g r e ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ea n t i s u r g e i ! i 基于参数预测的高炉风机模糊调：爷一p i d 控制系统设计与仿真分析 c o n t r o ls y s t e mi ns i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z y - a d j u s t m e n t p i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np a r a m e t e r sp r e d i c t i o ni sb e t t e rt h a nt h eg e n e r a lp i d c o n t r o ls y s t e mi na s p e c t so fo v e r s h o o t ，f l u c t u a t i o nt i m e sa n dr e g u l a t i n gt i m e k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c ef a n ，s t a t i cb l a d eo p e nd e g r e e ，f u z z ya d j u s t m e n t ， p r e d i c t i o n ，p i dc o n t r o l 江苏大学工程硕士学位论文 1 0引言 第一章概述 高炉鼓风机是炼铁工艺过程中的核心动力设备，对整个钢铁企业而言，鼓 风机的运行状态与企业的产量、效益、安全息息相关，鼓风机的控制效果在很 大程度上决定了能否充分发挥鼓风机的潜能，并为高炉提供一个安全、稳定、 高效的风源，保证高炉达到理想的利用系数。 为了使高炉鼓风机系统满足生产过程对安全性、稳定性、可靠性和经济性 越来越高的要求，实现高炉鼓风机各种参数的自动控制( 如模拟量控制、定风 量控制、定风压控制、反喘振、反逆流控制) ，才能最大限度地保证鼓风机在安 全、可靠、高效点运行。 随着自动控制理论的发展和r 益完善，以及计算机性能的不断提高，许多 新型控制理论得以在高炉鼓风机的控制中应用与推广，本课题以淮安钢铁厂1 撑 高炉的鼓风机为被控对象，研究鼓风机基于预测的模糊整定p i d 静叶调节，并 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模块对高炉鼓风机静叶调节控制系统的控 制特性进行仿真分析。 1 1 高炉炼铁工艺简介 高炉炼铁生产是冶金( 钢铁) 工业最主要的环节，高炉冶炼是把铁矿石还原 成生铁的连续生产过程高炉生产工艺过程由高炉本体和五个辅助设备系统完 成，如图2 1 所示f 1 1 。 ( 1 ) 高炉本体高炉本体是炼铁的核心设备，包括炉基、炉壳、炉衬、 冷却设备、炉顶装料设备等。高炉内部工作空间的形状称为高炉内型，高炉内 型从上往下分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的 有效容积矿反应高炉所具备的生产能力，整个冶炼过程是在高炉内完成的。 ( 2 ) 上料系统上料系统包括储矿场、储矿槽、焦仓、焦炭滚筛、称量 基丁参数预测的高炉风机模糊调节p i d 控制系统设计与仿真分析 漏斗、称量车等，其主要任务是将高炉所需燃料通过上料设备装入高炉以供冶 炼使用。 ( 3 ) 送风系统送风系统包括鼓风机、热风炉、热风弯管、直吹管等， 其主要任务是将鼓风机送来的冷风经热风炉预热后送入高炉内。 ( 4 ) 煤气净化系统煤气净化系统包括上升管、下降管、重力除尘器、 洗涤塔、文氏管、脱水器等，其主要任务是将高炉冶炼所产生的荒煤气进行净 化处理，以获得合格的气体燃料。 图1 1 高炉炼铁生产，i ：艺流程 f i 9 1 1 p r o c e s sd r a w i n gf o rb l a s tf u r n a c ei r o n m a k i n g 1 储矿槽2 焦仓3 料车4 斜桥5 高炉本体6 铁水罐7 艟罐8 放敖阀9 切断 阀1 0 一除尘器1 1 一洗涤塔1 2 文氏管1 3 脱水器1 4 净煤气总管1 5 热风炉1 6 炉 基基墩 1 7 炉基基庳 1 8 一烟肉1 9 一蒸汽透平机2 0 鼓风机2 1 煤粉收集罐2 2 一储煤 罐2 3 喷吹罐2 4 储油罐2 5 过滤器2 6 力口油泵 ( 5 ) 喷吹燃料系统喷吹燃料系统包括煤粉收集罐、储煤罐、喷吹罐、 混合器和喷枪等，其主要任务是将按一定要求准备好的燃料喷入炉内可代替部 分昂贵的冶金焦，以降低冶炼成本，改善高炉操作指标。 高炉生产是连续进行的，生产时，炉料从炉顶装料设备装入高炉后自上而 下的运动。从高炉下部的风口吹进热风( 1 0 0 0 - 1 3 0 0 摄氏度) ，燃料中的碳素 ( 包括少量碳氢化合物) 在热风中燃烧反应，产生具有很高温度的还原性气体 ( c o 、h 2 ) 。炉料下降过程中被上升的炽热煤气流加热，在此过程中发生一系 列的物理化学变化：有炉料的挥发与分解、铁氧化物和其他物质的还原、生铁 与铁渣的形成、燃料的燃烧、热交换等。这些过程不是单独进行的，而是在数 2 江苏大学工程硕士学位论文 个过程相互制约下同时进行的，基本过程是燃料在炉缸风口前燃烧形成高温煤 气、煤气不停向上运动，与不断下降的炉料相互作用，其温度、数量和化学成 分逐渐发生变化，最后从炉顶逸出炉外。炉料在不断下降过程中，由于受到高 温还原煤气的加热和化学作用，其物理形态和化学成分逐渐发生变化，最后在 炉缸罩形成液态渣铁，铁水定期从铁口放出。矿石中的脉石与熔剂作用变成炉 渣浮在液态的金属铁液面上，从渣口排出。反应后的气态产物称为高炉煤气， 从炉顶排出。煤气含有可燃性气体，经净化处理后成为气体燃料。现代化高炉 还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。 在高炉炼铁工艺设备中，送风系统相当于高炉炼铁的血液循环系统，而鼓 风机则相当于高炉炼铁的心脏，送风系统供给炉内发生化学反应所需的氧气， 鼓风机的工况直接影响炉内的化学反应、煤气压力、高炉顶压和炉料运行状况， 对高炉炼铁生产效率具有至关重要的影响。 1 2 送风系统简介 高炉送风系统包括鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路以及管路上的各 种阀门等。热风带入高炉的热量约占总热量的四分之一，目前鼓风温度一般为 1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 ，最高可达1 4 0 0 ，提高风温是降低焦比的重要手段，也有利于 增大喷煤量。 准确选择送风系统鼓风机，合理布置管路系统，阀门工作可靠，热风炉工 作效率高，是保证高炉优质、低耗、高产的重要因素之一。 高炉送风系统( 外燃式热风炉) 如图1 1 所示，热风炉的燃烧与吹风交替 进行，焦炉煤气和高炉煤气通过相应的管道阀门系统送入燃烧的热风炉，同时 助燃风机将空气送入热风炉，煤气在热风炉内燃烧，燃烧产生的热量被蓄热室 内的蓄热材料吸收，当蓄热材料达到一定温度后，关闭燃烧的热风炉煤气控制 阀与助燃空气阀门，燃烧的热风炉换炉进入送风状态，高炉鼓风机将冷空气送 入蓄热室，冷空气被加热后进入混合室与热风炉燃烧产生的烟气混合后送入高 炉。几台热风炉燃烧与送风交替进行，协同作业为高炉送风f 2 】。 高炉内炉料运动是在高炉炼铁过程中从高炉炉顶加入的原、燃料在炉内的 3 基于参数预测的高炉风机模糊调节p i d 控制系统设计与仿真分析 运动过程。冶炼中炉料不断下降，并与上升的高温煤气流相接触，矿石和熔剂 被加热、分解、还原，经软化、熔融，最后形成铁水和熔渣，积存于炉缸，定 期或连续排出炉外；焦炭则与鼓风机送入的热风进行化学反应被氧化形成上升 的煤气流。高炉内炉料不断均匀下降和煤气流稳定上升并尽可能与铁矿石接触 是正常冶炼的基本前提。 图1 1 高炉送风系统示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i co fb l a s tf u r n a c ea i rs u p p l ys y s t e m l 一焦炉煤气压力调= 节阀2 一高炉煤气压力调节阀3 空气流量调节阀4 焦炉煤气流量 调+ 符阀5 高炉煤气流量调节阀6 空气燃烧阀7 一焦炉煤气阀8 吹扫阀9 高炉 煤气阀1 0 一焦炉煤气放散阀1 1 高炉煤气放散阀1 2 一焦炉煤气燃烧阀1 3 高炉煤 气燃烧阀1 4 一热风放散阀1 5 热风阀1 6 一点火装置1 7 燃烧室1 8 。混合室 1 9 混风阀2 0 混风流量调肖阀2 1 蓄热窒2 2 一充风阀2 3 废风阀2 4 冷风阀 2 5 - 烟道阀2 6 冷风流量调节阀 炉料在炉内下降的基本条件是高炉中必须有自由空间，而风口前的焦炭不 断燃烧生成煤气则是形成自由空间的一个重要条件。炉料下降的一个重要影响 因素是炉内煤气的压力，而炉缸煤气的压力主要决定于风量、风压、炉顶压力 和料柱透气性。风量愈大，风温愈高炉项压力愈高，料柱透气性愈差则炉缸煤 气压力愈高；反之则愈低。 鼓风机的送风量和送风压力直接影响风口前焦炭的燃烧量和煤气的压力， 进而对炉料的下降产生影响，因此鼓风机的工况直接影响高炉的生产效率。 4 江苏大学工程硕士学位论文 1 3 自动控制理论研究现状及其在高炉送风系统中应用 1 3 1自动控制理论研究现状 自动控制理论经过多年的发展，已形成门类繁多的一个大学科，按照其对 被控系统数学模型的依赖程度，可以分为常规控制理论和智能控制理论【3 1 。常 规控制理论依赖被控对象的精确数学模型，通过反馈调节的方式实现系统的自 动控制。 常规控制理论按照其发展的时间顺序可以分为经典控制理论、现代控制理 论和大系统理论【4 l 。 经典控制理论的研究对象多为线性定常系统的单输入单输出问题，研究方 法主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法，它的控制思 想首先旨在对机器进行“调节 ，使之能够稳定运行，其次是采用反馈的方式， 使得一个动力学系统能够按照人们的要求精确地工作，最终实现对系统按指定 目标进行控制，其主要控制方式都属于p i d 类型。 经典控制理论对线性定常系统可产生良好的控制效果，但是它对多输入多 输出、时变、非线性系统的控制却力不从心。现代控制理论将古典力学中的状 态、状态空间概念加以发展与推广，将经典控制理论中的高阶常微分方程转化 为一阶微分方程组，用以描述多变量控制系统，并深刻揭示了用状态空间描述 的系统内部结构特性如可控性、可观性。现代控制理论包括以下几个主要分支。 ( 1 ) 最优控制【5 以1 1 ：最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问 题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或 极小值。 ( 2 )自适应控制【1 2 侧：自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性 的系统，自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模 型的控制方法，不同的是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较 少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。 ( 3 ) 鲁棒控锘1 1 w , 2 2 】：自动控制系统最重要的特性是稳定性，鲁棒性是 对系统稳定性的更高要求，鲁棒控制就是研究如何设计一个固定的控制器，使 5 基于参数预测的高炉风机模糊调节p i d 控制系统设计与仿真分析 具有不确定性的对象满足控制品质，主要的鲁棒控制理论有：( 1 ) k h a r i t o n o v 区间理论；( 2 ) h o o 控制理论；( 3 ) 结构奇异值理论( 1 a 理论) 等等。 ( 4 ) 预测控制【2 3 - 2 8 1 ：预测控制根据对象的历史信息和未来输入预测其 未来输出，它一般包括预测模型、滚动优化、反馈校正3 部分，拓宽了模型 含义只有功能要求，而无结构限制，以有限时段的反复滚动优化代替最优控 制的一次离线优化， 以时刻最优代替全局最优，提高了控制精度【2 9 】。 大系统理论是第二代控制理论与运筹学相结合的产物，代表传统控制理论 向着广度发展【矧。它主要采用状态方程及代数方程的数学模型，利用“分解 协调相结合的设计原则，使求解复杂的控制问题得到简化，并以集中与 分散相结合的控制系统加以实现，使每个控制器处理的信息大大减少，从而 简化了处理器的结构。 常规控制理论都是建立在数学模型之上的，为了控制必须建模，但许多实 际系统的高维性及系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性使基于数 学模型的常规控制理论面临巨大的挑战。智能控制理论不完全以控制对象为研 究主体，而以控制器为研究对象，以用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专 家系统解决难于建立数学模型的问题。智能控制理论是控制理论与人工智能相 结合的产物，代表传统控制理论向着深度方向发展。它的目标是提高控制系统 自寻优、自适应、自学习、自组织等方面的智能水平。从不同角度模拟人的智 能产生了不同的智能控制理论分支【3 1 】： ( 1 ) 专家控制【3 2 3 3 】：专家控制是指将专家系统理论与控制理论相结合， 在未知环境下，根据某个应用领域的一个或多个人类专家提供的知识和经验进 行推理和判断，模拟人类专家的决策过程以解决那些需要人类专家才能完成的 系统控制。 ( 2 ) 模糊控制f 3 删：模糊控制理论提出模糊集合、模糊语言变量以及模 糊推理并应用于控制领域【4 1 】，它模拟人的思维方式，将人的判断、思维过程用 比较简单的数学形式直接表达出来，对难建模的对象实施的一种控制方法，实 际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 神经网络控制【4 2 椰1 ：从仿生学观点来看，由于人工神经网络具有 许多优异的性能，它的可塑性、自适应性和自组织性使它具有很强的学习能力： 它的并行处理机制使它求解问题时间很短，满足实时性要求：它的分布式存储 使它的鲁棒性和容错性相当好，所以将它与控制理论结合，建立神经元到神 经元之间的联结关系模型，模拟人智能的神经网络控制成为智能控制发展的一 条重要途径。 ( 4 ) 仿人智能控隹j l i 3 9 , 4 2 , 4 5 】：模糊控制从思维方式上模拟人类决策过程， 神经网络从结构上模拟人类智能，仿人智能控制则是从行为功能上综合性地模 拟人的控制过程。仿人智能控制系统在结构和实现上遵循精度递增，智能递 减( i p d i ) 原则，要具有在线辨识与特征记忆能力，能运用启发式与直觉 推理进行问题求解。 各行各业对过程控制的要求r 益提高，促进了自动控制理论进一步深入发 展与完善，自动控制理论发展趋势和热点领域主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 现有理论的进一步完善t 随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的 增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足， 以满足更高的控制性能指标。比如：p i d 控制需要进一步融入对象辨识、自 适应、模糊推理及人工神经网络等现代控制理论和智能控制技术，利用先进的 技术手段合理的选择匹配、在线整定、实时动态调整p i d 参数，从而适应控 制对象的变化，满足不同系统的控制品质要求【4 6 舶】。预测控制需要建立高精 度的信息预测模型，研究新的滚动优化策略和更有效的反馈校正方法【2 9 1 。鲁 棒控制要求寻找保守性小，且易于验证的判据，探求易实现便于设计的鲁棒控 制方案f 4 9 】。模糊控制需要提高稳态精度【剐，寻找一般性的稳定分析方法【5 l l ， 寻求系统化设计方法【5 2 1 。神经网络控制需要加速算法的收敛速度，提高神经 网络的泛化能力。 ( 2 ) 其他学科最新研究成果与控制理论结合形成新的控制理论分支【3 l ：控 制理论本身是一个开放式系统，在其发展过程中不断吸收其它相关学科的新技 术、新思想，从而产生新的自动控制理论分支，进一步满足人们更高的控制要 求。如现代控制理论与随机优化理论形成的随机控制理论，主要是分析随机系 7 基于参数预测的高炉风机模糊调节一p i d 控制系统设计与仿真分析 统受控状态过程在随机控制作用下的特征，以及在一定费用结构下最佳随机控 制的存在性及其作用形态；又如混沌理论与控制理论相结合形成的混沌控制理 论，特点是尽可能利用混沌运动自身的各种特性来达到控制目的，混沌控制方 法大体可分为反馈控制和无反馈控制两大类反馈控制法包括o g y 法及各种 改进法、偶然正比反馈技术( o p f 技术) 、连续变量反馈法、正比变量脉冲反 馈法、线性反馈法、非线性反馈法等无反馈控制法包括自适应控制法、参数 周期扰动法、周期激励法、传输迁移法、神经网络法、外部噪声法、混沌信号 同步法、相位调节法、人工智能法等。 ( 3 ) 多目标优化【5 1 巧4 】：对一个动态系统设计控制器时，通常有多个相互 矛盾的目标需要考虑，如何分析和协调这些目标，以达到最优化设计成为近 年来的一重要课题。 ( 4 ) 混合式控制理论： 1 ) 复合式控制【5 5 5 6 】：各控制理论分支都有自己的长处与不足，以一种 控制理论为主，结合其它控制理论优点构成复合式控制往往能取得更佳的控制 效果。比如：模糊p i d 控制、模糊预测控制、模糊神经网络控制、变结构预 测控制、鲁棒神经网络控制等。 2 )多模态控制、多模型自适应控制【5 7 弼】：多模态控制指多个控制器存在 于同一控制系统中，在适当时刻切换处于工作态的控制器，发挥控制作用。比 如：神经网络擅长于反射型推理，专家系统擅长于解释型推理，两者组合可 实现争家控制与神经网络控制的双模态控制。 3 ) 大系统智能控制【盼7 0 】：随着控制问题的复杂，控制要求的提高，智 能控制给大系统理论提供先进的控制算法，大系统理论给分级递阶智能控制提 供协调等理论指导，两者有机结合代表了第三代控制理论的发展方向。 1 3 2 高炉鼓风机自动控制研究与应用现状 高炉鼓风机是炼铁生产的重要组成部分，由于高炉冶炼的连续性，要求 鼓风机比较均匀稳定地供风，同时应有一定的压力，以克服送风系统和料柱的 阻损，并保持一定的炉顶压力。 8 江苏大学工程硕士学位论文 高炉鼓风机的供风参数一方面随大气条件的变化而变化，另一方面要满足 高炉冶炼过程中由于燃料和操作条件的变化带来的炉况改变的需要，因此对高 炉操作鼓风机的供风要具备一定的控制手段，使之具有一定的调节范围 高炉鼓风机作为大型高速旋转设备，一旦发生事故损失巨大。为了保证设 备安全，防止设备损坏事故的发生，要求有很可靠的保护装置。 因此，高炉鼓风机的自动控制包括调节控制和保护控制两部分，调节控制 用以调节鼓风机的运行工况，以满足生产工艺对风量、风压的要求，而保护控 制则用来控制鼓风机及辅助设备，避免因外部工况突变和鼓风机自身发生故障 时造成设备损坏或其他事故。 高炉鼓风机调节控制包括风量控制和风压控制。风量控制在高炉稳定运行 时实行定风量控制，即鼓风机自动保持风量稳定，保证高炉顺行，而当炉况发 生变化，需要改变风量时，实现鼓风机的风量调节。 风压控制在高炉热风炉倒炉时，若仍为定风量，则风压下降，会引起炉况不 稳，此时应为定风压控制，维持风压不变，鼓风机自动增加热风炉风量，定压完 毕仍恢复定风量操作，而风压则根据具体生产要求进行调节。 高炉鼓风机的保护性控制主要包括以下几个方面： ( 1 ) 防喘振：喘振对鼓风机各部件有较大的损害，极严重时会把机器毁 掉， 鼓风机运行时，一定要确保使其避免喘振。 ( 2 ) 防旋转失速：旋转失速使叶片产生交变应力而导致疲劳破坏，这种 破坏是很危险的，鼓风机要避免在旋转失速下运行。 ( 3 ) 防阻塞：鼓风机产生阻塞时，一方面不能满足生产运行；另一方面 长期在阻塞区域运行，对鼓风机也是不利的。 ( 4 )防逆流逆流虽然少见， 但非常危险，大量的能量被鼓风机内的 空气吸收转化为热量，产生高温，很可能在短时间内将鼓风机烧坏。 由于高炉鼓风机直接影响高炉炼铁的效率、成本等，对高炉生产具有至关 重要的作用，因此钢铁企业对高炉鼓风机控制系统的设计、改进较为审慎，面 前高炉鼓风机调节控制系统的主流产品仍以比较成熟的经典控制理论为主 【7 1 删。如文献 7 6 1 介绍的包钢的静叶可调式轴流鼓风机，其计算机自动控制系 9 基于参数预测的高炉风机模糊调节一p i d 控制系统设计与仿真分析 统主要完成定风量、定风压、定角度、变工况、防喘振、防逆流、自动手动切 换等控制功能控制，其中的定风量、定风压与定角度控制均采用的p i d 调节； 而文献7 1 介绍的某赛尔机泵开发的缸内全静叶可调的鼓风机，其控制系统主要 功能包括风量压力调节、防喘振控制、机组主要参数监测及报警和逻辑联锁功 能，该系统的控制调节则是采用p i 调节方式。 随着现代控制理论和智能控制理论的发展与完善，许多领域开始采用现代 控制理论和智能控制理论设计自动控制系统并取得成功，引起钢铁企业及相关 产品设计制造企业的兴趣和关注，一些企业开始尝试采用现代控制理论和智能 控制理论设计自动控制系统，以便改进高炉鼓风机的控制性能。 参考文献 7 8 ，7 9 1 介绍了包头钢铁集团公司5 号汽轮鼓风机组控制系统技 术改造的案例，包头钢铁集团公司5 号汽轮鼓风机组是1 9 9 1 年引进的捷克设 备。机组原配有一套计算机控制系统，但是由于当时的计算机控制技术的限制 和设计、操作方面的种种原因，导致机组在投运后经常发生故障，作者戚学锋、 樊丁在已获得风机特性曲线的基础上，结合风机的效率流量曲线，设计了一套可 以实现机组所有控制操作并具有寻优控制功能的高可靠性计算机控制系统，通 过控制风机的转速和静叶角度，使风机能运行在具有较高运行效率和适宜的喘 振裕度的工作点上。 参考文献 8 0 1 介绍了某大型钢铁公司的高炉鼓风站有四台4 8 mw 同步电 机拖动的全静翼可调轴流风机控制系统的开发工作t 根据高炉鼓风机组已有的 监测、控制系统的具体情况和分析设备运行状况、动态管理、视情维修的需要， 利用l a b w i n d o ws c v i 虚拟仪器开发平台，采用虚拟仪器技术，开发了具有远 程监测诊断能力的4 8 m w 高炉鼓风机组群在线状态监测与故障诊断系统。实 现了b e n t l y 振动监测系统、g x l 集散控制系统和w i n d o wsn t 计算机网络系 统的多复杂异构系统的信息集成。采用分层分类诊断策略，提出了一种基于产 生式规则、事例、模糊诊断、神经网络集成模式的多参数综合智能故障诊断方 法，并与灰色理论的g m ( 1 ，1 ) 预测模型有机结合，进行智能故障预报。 鉴于模糊控制不需要控制对象的精确数学模型、在复杂过程控制中具有良 好控制效果的优点，参考文献8 1 1 提出在风机变频调速系统中采用模糊控制的 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 方案，以达到高性能的控制要求。 1 - 3 课题研究目的、内容、技术路线与创新点 淮钢1 # 号高炉鼓风机组采用陕西鼓风机集团生产的电动机驱动的a v 5 0 1 2 全静叶可调式轴流压缩机组，其特点是流量、压力调节范围宽广，各工况点效 率高。该机组具有流量调节系统、防喘振调节系统和逆流保护系统。 研究目的：为进一步改善鼓风机调节系统的性能，使鼓风机输出风量、风 j k 能够更好的满足高炉生产工艺过程的动态要求，本课题开展鼓风机静叶调节 自动控制系统设计研究。 研究内容：全静叶调节轴流鼓风机的输出性能参数受多种结构因素影响， 难以建立以静叶开度为特征参量的解析表达式，风机的工作特性一般由生产厂 家根据实验检测结果以静叶开度特性曲线的形式提供给用户，课题根据静叶开 度特性曲线图，通过坐标变换将静叶开度曲线图上不规则的工作区域转换为规 则的工作区域，使自变量具有相同的定义域，在此基础上对静叶开度特性曲线 进行拟合建立鼓风机静叶开度特性近似数学模型以及喘振控制区的边界模型； 通过分析相关插值、拟合与预测模型理论，根据历史数据建立系统预测模型， 在此基础上设计基于系统预测的鼓风机静叶调节模糊整定p i d 自动控制系统， 静叶开度由p i d 控制器进行调节，但p i d 的控制器的各个参数则由模糊控制器 根据预测结果进行调整，以保证系统具有良好的控制性能；设计防喘振控制系 统，根据鼓风机的进出口压力、进口流量、进口温度在新坐标系中进行喘振裕 度和喘振区深入度计算，并利用模糊控制器对喘振区深入度进行模糊合成推理， 进而调节防喘振控制阀开度，在保证鼓风机工况不出现喘振的前提下减少压缩 空气排放量；利用m a t i _ a b 软件对鼓风机静叶调节自动控制系统进行动态响 应分析，并根据分析结果进一步完善鼓风机静叶调节自动控制系统。 技术路线：课题研究的技术路线如图1 1 所示。 创新点：通过坐标变换将静叶开度特性曲线图上不规则的工作区变换为规 则的工作区，使自变量具有统一的定义域，并利用曲线拟合方法建立静叶开度 特性近似数学模型和喘振控制区边界特性数学模型；提出喘振区深入度的概念， 1 1 基于参数预测的高炉风机模糊调节p i d 控制系统设计与仿真分析 并根据喘振区深入度进行喘振控制阀开度的模糊调节；提出基于系统输出预测 基础上的模糊调节- p i d 控制方法，并进行控制系统设计和仿真分析。 1 4 小结 图1 1 技术路线图 f i 9 1 1t e c h n o l o g yr o a d m a pf o rt h ep r o j e c tr e s e a r c h i n g 本章简要介绍了高炉炼铁的工艺过程和送风系统的结构组成，以及自动控 制理论的研究现状与发展趋势，并阐述了高炉鼓风机自动控制系统的研究与应 用现状，进而对本课题的研究内容、技术路线和创新点进行了简要说明。 1 2 江苏人学工程硕士学位论文 第二章全静叶调节轴流风机的近似模型建立 2 0 引言 在冶金工业中，常用的高炉鼓风机主要有三种型式：( 1 ) 固定静叶角度轴 流式鼓j x l 机。其工作原理是利用升力的作用，对空气作功并使其压力和动能得 以提高。固定静叶角度轴流式鼓风机的稳定工况区通常比较狭窄，为保证稳定 运行，在某些工况需要放风，导致能源浪费。( 2 ) 离心式鼓风机。离心鼓风机 是通过离心力的作用，通过叶轮叶片对空气作功，使空气的压力和动能得以升 高，离心式鼓风机的工作效率较低，但是由于其价格低及对空气过滤的要求不 高，所以仍普遍采用。( 3 ) 可调静叶角度轴流式鼓风机。它是目前高炉鼓风机 的主要机型，这种鼓风机的主要优点是：效率高、稳定工况区宽、稳定工况区 内效率变化小，以及当静叶角度固定时，性能曲线较陡，易于高炉定风量操作。 此外，其外形尺寸与重量较小，因此所需的基础及厂房面积较少。因此，基于 经济性和调节精度上的考虑，一般钢铁厂所选用的鼓风机的类型都为静叶可调 式轴流鼓风机。 静叶调节多级轴流鼓风机的流量、压力与静叶开度之间的关系比较复杂， 受多种结构参数的影响，建立精确的静叶调节多级轴流鼓风机流体性能的解析 关系表达式比较困难，一般根据设备出厂时厂家提供的鼓风机静叶开度特性曲 线确定鼓风机的工况点。本课题通过对静叶开度曲线解析拟合建立鼓风机的近 似模型，为后续的控制系统设计和仿真分析提供依据。 2 2a v 5 0 1 2 鼓风机简介 淮安钢铁厂1 ，高炉送风系统采用的鼓风机为陕西鼓风机集团生产的 a v 5 0 1 2 轴流压缩机，是一种全静叶调节的轴流压缩机，其空气动力学特点是流 量、压力调节范围宽广，各工况点效率高。a v s 0 1 2 轴流压缩机组的配置方式如 图2 1 所示： a v 5 0 1 2 轴流压缩机主要由机壳、叶片承缸、调节缸、转子、进口圈、扩压 基于参数预测的高炉风机模糊凋节p i d 控制系统设计与仿真分析 器、轴承箱、油封、轴承、平衡通道、伺服马达、底座等组成，如图2 2 和2 3 所示。该机组由电动机拖动，采用膜片联轴器联接，止推轴承设置在进气侧，机 壳死点设置在排气侧，从轴流压缩机进气端向排气端看其旋转方向为顺时针。 主风帆 射冉日 图2 1a v 5 0 1 2 配置图 f i 9 2 1c o n f i g u r a t i o nd r a w i n go f a v 5 0 - 1 2 图2 2 a v 5 0 1 2 结构图 f i 9 2 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f a v 5 0 1 2 1 止推轴承2 径向轴承3 一转子4 一机壳5 进口圈6 一叶片承缸7 一调节缸8 扩压器 9 密封1 0 一油封 ，i 1 4 图2 3a v s 0 - 1 2 外形图 f i 9 2 3s h a p ed i a g r a mo fa v 5 0 1 2 1 轴承箱盖2 平衡管道3 伺服马达 江苏大学工程硕士学位论文 a v s 0 1 2 的工作范围为： 流量范围：1 1 0 0 。1 8 0 0 0n m 3 m i n 功率范围：4 0 0 0 9 0 0 0 0k w 最高压力：0 6 , - , 0 7m p a 输送介质：空气、煤气、硝酸气、c h 混合气、制冷介质等 a v 5 0 1 2 的技术参数见表2 1 。 表2 1a v 5 0 1 2 技术参数表 t a b l e 2 1 介质 空气 项目abcde 入口压力m p a ( a )0 0 9 6 9 70 0 9 6 9 70 1 0 2 2 90 1 0 2 2 90 0 9 9 4 7 入口温度 3 13 1331 4 流量n m 3 m i n 2 4 4 22 0 8 52 0 1 52 2 0 02 3 0 0 出口压力m p a ( a )0 3 9 90 3 0 90 3 1 40 4 0 40 4 0 1 相对湿度 6 76 75 4 5 47 3 轴功率k w 9 9 1 96 8 7 15 6 0 5 7 3 6 38 3 5 0 工作转速r m i n 6 4 0 0 a v 5 0 1 2 的第一级静叶最小启动角为1 4 。，最小运行角为2 2 。，静叶调节 范围2 2 7 9 。 2 3 全静叶调节轴流压缩机开度特性的近似模型 鼓风机开度特性曲线如图2 4 所示，其中包( f = 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ) 为不同静叶角度的 性能曲线，而鼓风机的有效工作区由压力限制线、初级叶片阻塞线、防阻塞线、 旋转失速边界线和喘振边界线组成。 图2 4 鼓风机开度特性曲线图 f i 9 2 4o p e nd e g r e ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo ff a n 基于参数预测的高炉风机模糊调节一p i d 控制系统设计与仿真分析 由性能曲线图可见，不同静叶角度，鼓风机流量工作区间不同，如岛曲线 的工作区间为眠，v 2 ，】，而幺曲线的工作区间则为眠，v 3 。】o 不同曲线的工作 区间不同，且有效工作区的边界不规则，这给采用统一的解析表达式来拟合性 能曲线带来困难，因此需通过坐标变换使有效工作区间转换为规则区域，且将 不同性能曲线的工作区间统一起来。 2 3 1 坐标变换 规则工作区间一般为矩形，而矩形只具有四条边界，而图2 4 中的有效工 作区有五条边界，因此我们根据将压力限制线和初级叶片阻塞线作为一条边界 线对待，如图2 5 所示，图2 5 中的静叶重大开度线即为压力限制线和初级叶片 阻塞线构成。 图2 5 坐标燹换不恿图 f i 9 2 5c o o r d i n a t es y s t e mc h a n g es c h e m a t i c 根据厂家提供的鼓风机性能曲线，在图2 5 中，有效工作区相邻边界曲线 的交点坐标为己知值( 从性能曲线上量取) ，设各边界曲线交点坐标分别为：a ( v a ，岛) 、c ( 屹，) 、e 以，气) 、g 化，) 。连接图3 7 中相邻有效工 作区边界线的交点得到四条直线a c 、d e 、e g 和g a ，构成个四边形，四边 形的中点坐慌曰( 半，学) 、d ( 半，半) 、 f ( 半，半) 、h ( 半，半) 。 连接四边形对边的中点b f 和d h ，其交点o 的坐标为 d ( 匕二垦 垦垦，三二量 盥) ，以b f 线和d h 线为坐标轴，为原点、 4 。 4 7 。 。 一 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 建立非正交坐标系7 7 d f 。 在以后的叙述中，为简洁起见，前述各点的坐标仍以表示点的字母作为下 标，如片( ，知) 。 在原坐标系阳占中任取一点，化，乞) ，过，点作7 7 轴和善轴的平行线如、1 2 ， 交7 7 轴和孝轴于点j 、k ，如图2 6 所示。 图2 6 坐标值计算图 f i 9 2 6s c h e m a t i cf o rc o o r d i n a t ed a t ac a l c u l a t i n g 在坐标系