基于模糊控制的热风炉燃烧控制模型研究

基于模糊控制的热风炉燃烧控制模型研究

0热风炉燃烧自动控制热风炉是重要的热交换器，在钢铁精炼过程中起着重要作用。为高标准提供固定温度的热量，能耗高。提高发热风的温度和降低能耗是热风炉优化运行的重要指标。因此，提高热交换率并合理使用是非常重要的。为了确保燃烧过程中的最佳气流量和最佳空气率。某钢厂1#高炉热风炉燃烧系统,采用手动控制,煤气流量空气流量大小由人工凭经验手动调节,供热温度波动较大,使高炉炉况不稳,产品的产量、合格率、优质品率降低,对热风炉的寿命也有很大影响,并造成煤气的巨大浪费,因此实现热风炉的燃烧过程的自动控制具有巨大的意义。实现热风炉燃烧自动控制的方法有很多,例如:基于热风炉数学模型的控制方法,基于废气残氧量的控制方法等。这些方法对硬件要求很高,成本较大,不适合小型高炉热风炉的自动燃烧控制。针对热风炉燃烧系统的复杂性、参数不确定性、非线性以及其工艺特点,结合国内外热风炉的控制方法和某钢厂1#高炉热风炉的燃烧现状,开发了基于模糊控制的热风炉燃烧控制模型,并在某钢厂1#高炉热风炉中进行了有效应用,实现了热风炉燃烧过程的自动控制。1设计热风炉燃烧控制模型1.1拱顶温度上升缓慢,容易导致下部温度上升缓慢,是造成火炬气燃烧过程就是蓄热室的蓄热过程,它分为两个基本阶段。在燃烧初期,蓄热室拱顶的温度很低,废气的热量大部分被拱顶吸收,拱顶的温度上升迅速,蓄热室中下部温度则上升缓慢,所以燃烧初期拱顶温度的上升速率传热效率有着很大的意义。当拱顶温度上升的一定值后,需要保持拱顶温度维持在这个定值,此时拱顶几乎不再吸收废气的热量,而废气热量主要被蓄热室中下部所吸收。从废气管道排出的废气,它的温度比较低时,说明热风炉的热交换效率比较高,反之,热交换效率比较低,因此,在拱顶温度达到一定值后,废气的温度上升速率对热风炉的燃烧有着重要的意义。1.2燃烧控制结构初期拱顶温度的上升速率和进入拱顶温度管理其废气温度的上升速率,主要取决于燃烧过程的空燃比和煤气流量,同时还受煤气、空气质量波动和压力波动的影响。所以,实现热风炉燃烧过程自动控制的关键是随着煤气、空气压力和质量的波动,并根据热风炉不同的燃烧状态进行煤气流量和空气流量的实时调整,空气流量的调整可以转化为对空燃比的调整。因此,在燃烧初期,我们以最大煤气量进行加热,并调整合适的空燃比,迅速提高拱顶温度;到达拱顶温度管理期,适当减小煤气流量,并调整合适的空燃比,保证拱顶温度不变的情况下,提高废气的升温速率。控制结构如图1所示。根据拱顶温度状态辨识器,即判定拱顶温度是否到达设定值,选择不同燃烧阶段的模糊控制器。燃烧控制如何燃烧控制模型主要体现在模糊控制器的设计上,按照不同的燃烧阶段,根据人工燃烧经验,我们设计的模糊控制器包括两个部分:根据拱顶温度调节的最佳空燃比模糊控制器和根据废气温度调节的最佳煤气流量模糊控制器。而最佳空燃比模糊控制器的设计又分为快速加热期最佳空燃比模糊控制器和拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器。1.3最佳空燃比模糊控制器设计针对不同的燃烧阶段对空燃比和煤气流量的不同要求,采用模糊控制的方法,设计快速加热期和拱顶为温度管理期最佳空燃比模糊控制器与最佳煤气流量模糊控制。在不同的燃烧阶段,各个模糊控制器采用不同的控制输入,并采用适合工艺要求的燃烧规则,开发了热风炉燃烧控制模型。1.4快速加热期最佳空燃比模糊控制器确定初期最佳空燃比模糊控制器采用双输入单输出的控制结构,将拱顶温度当前时间段和上一时间段上升速率的差值和空燃比变化方向作为控制器的输入,空燃比的调节增量U作为控制器的输出,快速加热期最佳空燃比模糊控制器示意图如图2所示。温度上升速率差值具体划分为7个等级:高速上升(PB)、中速上升(PM)、低速上升(PS)、零(ZO)、低速下降(NS)、中速下降(NM)、高速下降(NB);空燃比变化方向分为两个方向:变大(P)、变小(N),空燃比调节增量划分为7级:快速加大(PB)、中速加大(PM)、低速加大(PS)、不变(ZO)、低速减小(NS)、中速减小(NM)、高速减小(NB),其模糊控制规则表如表1所示。1.5拱顶不同控制规则与初期最佳空燃比模糊控制器相同,这里的控制器也采用双输入单输出的控制结构,但是输入量和控制规则是不同的,将拱顶温度偏差和温升速率作为控制输入,空燃比的调节增量U作为控制输出,拱顶温度偏差分为7个等级的模糊量级,温度上升速率分为5个等级,空燃比调节增量分为7个等级。1.6最佳煤气流量模糊控制器的设计为了保证送风开始时废气温度正好是设定值,到达拱顶温度管理期以前,以最大煤气流量进行加热,当进入温度管理期以后,把废气温升速率作为控制目标,最高废气温度作为限制终点,我们设计的拱顶温度管理期最佳煤气流量模糊控制器采用双输入单输出的控制结构,将升温速率偏差和偏差变化率作为控制输入,煤气流量调节增量作为控制输出。根据升温速率的变化来调节煤气流量,当升温速率过大,且有继续增大的趋势,减小煤气流量;当升温速率偏大,但速率变化率为负值时,保持流量不变;当升温速率偏低,且有继续减小的趋势时,加大煤气流量。2实际应用案例燃烧控制模型在实际应用过程中,涉及了模糊控制输入输出的论域设定、隶属度函数的选取等。另外,实际调试过程中,模糊控制器的增量步长设定尤为关键。在拱顶温度控制过程中,空燃比增量步长太小,空燃比的改变无法使拱顶温度上升速率显著提高,难以得到最佳空燃比;步长过大,则会导致控制不稳定。实际运行结果表明,空燃比的调节范围一般在-0.15~+0.15之间。在拱顶温度管理期废气温度的模糊控制中,煤气流量的增量步长的选取是关键,此值过小,不能迅速达到最佳流量,此值过大,则PLC的PID调节会有较大的超条量,从而影响控制的准确性。步长值是根据现场调试经验所得到的。空燃比和煤气流量的改变都是通过改变煤气管道和空气管道调节阀门的开度来实现。本模型嵌入到某钢厂原有WinCC控制系统组态平台的运行环境和操作平台下,利用可与之相兼容的VisualC++语言进行参数检测和燃烧模型程序的编写,数据通讯采用基于OPC的技术,主要完成的功能是从WinCC控制系统取得实时数据,并将数据经过处理之后传送给燃烧模型中,从模型得到的空燃比、煤气流量增量转化为空气调节阀和煤气调节阀控制量下发到PLC,从而实现对现场设备的控制,完成集散系统和应用软件的无缝连接。系统的数据流程如图3所示。3自动控制的投运率某钢铁公司1#高炉热风炉燃烧过程自动控制系统自2004-11正式投入自动控制以来,经过快半年的实际运行,自动控制的投运率达到95%以