专利名称：一种煤气混合加压的智能解耦控制方法
技术领域：
本发明涉及过程控制领域的加压过程的智能解耦方法以及气体加压的压力控制系统。
背景技术：
钢铁是国民经济的重要基础原料和战略物资，但钢坯生产中所用煤气的热值和压力波动大，会导致钢坯质量低、轧费率高，影响钢铁质量和生产成本。
加压站是对煤气进行按要求混合加压的关键设备，主要是对热值压力较低的高炉煤气和热值压力较高的焦炉煤气进行配比和混合加压，生产出具有一定的热值和压力的混合煤气，以满足不同钢坯的加热要求。目前，我国煤气加压普遍采用的生产方式为高炉管道和焦炉管道各有两道蝶阀，通过手动调节这四道蝶阀来调节焦炉煤气和高炉煤气流量的比值，来实现热值的配比和压力的调节。煤气混合后再通过加压机加压，调节压力。手动进行调节时，在热值稳定方面有一定的效果，但热值波动仍然较大且调节速度缓慢，不仅与煤气用户的生产工艺要求存在一定的差距，而且也不利于煤气的充分利用，同时增加了管理人员的劳动强度和工作压力。在采用传统的经典控制手段时，由于煤气混合加压控制是非线性、强耦合和分布参数的非线性系统，很难求得系统的精确数学模型，难以达到控制要求。
发明内容
为了对煤气的热值和压力进行及时有效地的控制和调节，本发明利用智能控制技术，建立了一种煤气混合加压过程智能解耦控制模型，同时设计了一个智能解耦控制系统。
本发明将系统划分为解耦控制回路和压力控制回路，在解耦控制回路中，将混压作为一个控制目标，通过推导双蝶阀并联状态增益矩阵属性并结合专家经验，设计智能解耦控制器，对热值和混压控制量进行解耦，并转化为高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量的控制输出。本发明设计蝶阀组控制策略，将高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量转化为四个蝶阀的实际开度输出。在压力控制回路中，将混压作为前馈值引入到控制器的设计中，设计二自由度专家控制器，通过变频器控制加压机的转速来稳定加压机后的压力。
本发明煤气混合加压过程智能解耦控制系统，包括以下几个部分煤气混合过程智能解耦控制；煤气加压过程二自由度专家控制；采用OPC通讯协议，建立精确、稳定的实时通讯机制，并利用ATL技术对通讯协议进行封装；控制参数在线修改；实时数据监控和信息管理。
图1本发明煤气混合加压过程控制回路图；图2本发明热值压力解耦控制方框图；图3(a)、(b)本发明焦炉煤气压力—流量过程图；图4本发明二自由度专家控制方框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细的说明。
如图2所示，热值与压力解耦控制回路设计主要有模糊解耦控制器结构设计和模糊解耦规则的确定两方面的内容，分别说明如下步骤1模糊解耦控制器结构设计煤气混合加压时，进加压站煤气为高炉煤气和焦炉煤气，出加压站煤气为混合煤气，进加压站高炉煤气和焦炉煤气的热值、压力和配比的改变既影响混合煤气压力，又影响混合煤气热值。因此，煤气混合加压过程的被控对象是一个非线性强耦合的双输入、双输出多变量非线性系统，必须设计一个解耦控制器对其进行控制。
解耦控制策略的具体设计内容如下所述(1)分别设计高炉煤气和焦炉煤气模糊控制器，将当前的热值偏差信号和混压偏差信号转化为中间控制量，通过使用中间变量反映热值压力偏差和偏差的变化率的趋势；(2)设计模糊解耦控制器将转化后的热值控制量和压力控制量进行解耦，然后转化为高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量的控制输出；(3)设计蝶阀专家控制器将高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量转化为蝶阀的实际开度输出，这是由于现场高炉管道与焦炉管道分别有两道蝶阀，因此必须设计控制器将高阀增量与焦阀增量在这两道阀门上进行分配，并根据阀门流量特此性曲线进行补偿。
步骤2模糊解耦规则的确定模糊解耦控制器中解耦规则是系统设计的核心，其品质、以及具体参数设置，直接关系整个系统控制效果好坏。本发明解耦规则的确立依据来自两个方面双蝶阀并联状态增益矩阵和专家经验。
双蝶阀并联结构如附图3(a)所示，图中Q1为焦炉煤气流量，Q2为高炉煤气流量，U1、U2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，Q为混合管道煤气总流量，A为混合煤气热值。
设高炉、焦炉煤气热值分别为α、β，由图3(a)可写出混合过程静态关系式为A=αQ1+βQ2Q1+Q2Q=Q1+Q2---(1)]]>设操作量u1＝Q1，u2＝Q2被调量 y1＝A，y2＝Q则式(1)可以写成y1=αu1+βu2u1+u2y2=u1+u2---(2)]]>根据相对增益的定义，先求取u1到y1通道的第一和第二放大系数p11=∂y1∂u1|u2=(α-β)u2u1+u2=α-y1y2]]>q11=∂y1∂u1|y2=β-αy2]]>因此可求得λ11=p11q11=α-y1α-β]]>同理可求得λ12、λ21、λ22，结合相对增益矩阵的性质可求得相对增益矩阵为Λ=λ11λ12λ21λ22=1α-βα-y1y1-βy1-βα-y1---(3)]]>在实际生产中，焦炉煤气热值α＝17000，高炉煤气热值β＝3000，混合煤气热值A在3000～17000之间变化。假设此时混合煤气热值偏低，A＝4000，由公式(3)可得到此时的系统相对增益矩阵为Λ=114131113]]>此时热值偏低，有两种调节方法开大焦阀或关小高阀。根据增益矩阵，若开大焦阀，调节热值的同时对流量影响很小，因为∧矩阵的第一列两个值分别为13和1，可以计算出ΔA＝13×Δu1(4)ΔQ＝1×Δu1(5)式(4)说明此时开大焦阀调节热值很有效，只需改变焦阀很小开度就能实现热值调节目标；式(5)说明改变焦阀开度对压力影响很小，这种调节解除了耦合，系统是趋向稳定的。
若采用关小高阀来调节热值，根据相对增益矩阵计算得到ΔA＝1×Δu2(6)ΔQ＝13×Δu2 (7)式(6)说明此时关小高阀调节热值效果很微弱，高阀需要动作很大才能实现调节目标；式(7)说明高阀动作对压力影响很大，破坏了压力的稳定，这种调节是发散的，使系统从一种不稳定状态转化为另一种不稳定状态。
在设计该解耦控制规则时，操作人员通过长期实践所积累的专家经验是重要的指导依据操作人员在对四蝶阀进行操作时，并不是只看热值或只看混压，而是要兼顾这两个目标，首先判断热值或者混压这两个控制目标是否处于正常，如不正常相应的控制量应该为多少，然后根据热值的控制量和混压的控制量来综合考虑如何调节四个阀门；在对蝶阀进行操作时，并不是只调单个阀门，如开关单个高炉阀门来控制加压机前管压，而是根据当前情况来灵活进行处置。在某种意义上说，操作人员通过自己的经验对热值调节与混压调节进行了解耦。
本发明通过推导双蝶阀并联状态增益矩阵属性，并结合现场观察总结的专家经验，设计了模糊解耦规则当混压发生变化时，同比例的开大或关小高炉管道阀门和焦炉管道阀门，可以调节混压，同时保证热值的稳定；当热值发生变化时，反比例的开大或关小高炉煤气管道阀门和焦炉煤气管道阀门，可以调节热值，同时保证压力的不变；而当混压、热值均发生变化时，则第一步先同比例的变化阀门来调压力，第二步再反比例的变化阀门来调热值，最后将这两步得出控制量进行合成，得出一个最终的控制量下发，即相当于将原来两步进行的控制合成为一步进行控制。所有专家解耦控制规则总结如表1所示。
表1热值压力解耦模糊表
下面再给出蝶阀组的控制策略。
当控制器计算出焦炉和高炉阀门组控制值后，由蝶阀组控制策略决定到底如何调节相应阀门组的两个阀门，控制策略推导如下以焦炉蝶阀组为例。焦炉煤气压力—流量管道系统如图3(b)所示。
在图3(b)中，P0为1#蝶阀前焦炉煤气压力，P1为2#蝶阀前焦炉煤气压力，P2为2#蝶阀后焦炉煤气压力，U1、U2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，H为焦炉管道煤气流量。
根据公式，压力—流量过程可以描述为H=U1(P0-P1)=U2(P1-P2)=U1U2(P0-P2)U1+U2---(8)]]>两个回路都处于开环下，被调流量H对U1的增量即第一放大系数是∂H∂U1|U2=(U2U1+U2)2(P0-P2)---(9)]]>压力回路闭合时，H对U1的偏导数即第二偏导数即第二放大系数是∂H∂U1|P2=P0-P1=(U2U1+U2)(P0-P2)---(10)]]>
根据相对增益定义有λ11=∂H∂U1|U2∂H∂U1|P2=U2U1+U2---(11)]]>从公式(8)中解出U1和U2并带入(11)，就可以用压力来表示增益，即λ11=P0-P1P0-P2---(12)]]>同样可以求出U2对流量H的相对增益λ12λ12=P1-P2P0-P2]]>如果改用P1来描述此压力—流量系统，即P1=P0-HU1=P2+HU2=U1P0+U2P2U1+U2---(13)]]>则可确定另—增益对(13)求取偏导数，就可分别推导出U1、U2对P1的两个通道的相对增益。最后，压力—流量系统的相对增益矩阵∧可写为Λ=λ11λ12λ21λ22=P0-P1P0-P2P1-P2P0-P2P1-P2P0-P2P0-P1P0-P1---(14)]]>分析相对增益矩阵∧得到蝶阀组控制策略如果系统中P1接近P2，则用阀1控制流量，用阀2控制压力P1；如果P1接近P0，则用阀2控制流量，用阀1控制压力P1；如果P1接近(P0-P2)的中点，则同时调节两个阀门。
蝶阀的流量特性曲线是一个分段函数，在不同的阀位区域所进行的相同阀位调节，其作用是不同的，因此有必要专门对阀门进行专家修正。因此设计了单碟阀专家修正器，拟合了蝶阀的流量特性曲线，在不同的阀门开度区间，用不同的参数修正控制量，其专家修正规则如下R1IF蝶阀的检测值U∈[5，30]，计算得阀门增量为ΔUThen U＝U+ΔU；R2IF蝶阀的检测值U∈[30，85]，计算得阀门增量为ΔUThen U＝U+ΔU*；其中ΔU*=ΔU2K;]]>
R3IF蝶阀的检测值U≥85，计算得阀门增量为ΔU≥0Then U＝U+0；R4IF蝶阀的检测值U≥5，计算得阀门增量为ΔU≤0Then U＝U+0；下面对压力控制回路二自由度专家控制系统进行说明。
本发明对鼓风机进行二自由度的专家智能变频调压技术，反馈专家控制器和前馈专家控制器形成了一个二自由度的专家控制器，具体控制步骤如下步骤1当程序启动后，在对话框类的初始化控制模型。
步骤2根据压力设定值和加压机后压力检测值偏差，由反馈专家控制器计算得到控制增量up1。
步骤3根据加压机前压力值由前馈专家控制器计算得到控制增量up2。
步骤4由up1、up2合成计算总的控制增量up。
采用一个二自由度的专家控制策略，既可以保证对控制目标的跟踪精度，又具有较好的干扰抑制特性，取得了较好的效果。
下面对OPC通讯控件设计进行具体说明。
针对工业现场检测点多和硬件驱动繁杂等特点，利用ATL技术，将OPC协议封装在一个ActiveX控件中，实现了智能解耦控制应用软件与集散控制系统监控软件的实时、精确通讯，同时使应用软件具有良好的可移植性。OPC通信控件的开发内容如下所示(1)创建ATL项目本文将创建一个名为OPCControl的ActiveX控件。
(2)加入控件对象在Insert菜单中，点击New ATL Object。给该控件设置属性并给出该控件的C++类名。属性设置为默认即可，C++类名设置为OPCControl，这也是生成的ActiveX控件的名字。
(3)加入处理方法(Method)该控件所要满足的功能都是通过调用方法(Method)来完成的。所以还需进行最后也是最重要的一步定义方法(Method)。在上一步已经生成的接口ILGOPCControl的右键菜单中选取New Method，然后分别添加如下方法
①连接到本地OPC服务器，服务器名作输入参数ConnectToServer([in]BSTR ProgID)②连接到远程OPC服务器，此时要增加远程服务器所在的计算机名作参数ConnectToRemoteServer([in]BSTR StationName，[in]BSTR ProgID)；③增加读数据的项(Item)，Item数目和Item名作参数。
AddReadItem([in]long len，[in，size_is(len)]VARIANT*TagName)；④增加写数据的项(Item)，Item数目和Item名作参数。
AddWriteItem([in]long len，[in，size_is(len)]VARIANT*TagName)；⑤同步读数据，返回数据存在Data中。
ReadData([in]long len，[out，size_is(len)]VARIANT*Data)；⑥同步写数据，下发数据存在WriteData中WriteData([in]long len，[in，size_is(len)]VARIANT*WriteData，[in，size_is(len)]long*TagList)；⑦异步读数据，返回数据存在TagData中AsyRead([in]long len，[out]VARIANT*TagData)；⑧异步写数据，下发数据存在TagData中AsyWrite([in]long len，[in]VARIANT*TagData)；⑨断开与OPC服务器的连接，并释放资源，防止内存泄漏DisconnectOPC()；下面是煤气混合加压过程智能解耦控制系统具有的主要功能。
(1)煤气混合过程智能解耦控制控制系统根据用户输入的热值设定值，采集现场生产过程参数，通过智能解耦算法计算得到控制值，并结合专家经验进行修正得到阀门开度的给定值，从而对煤气混合过程热值实现了自动控制，大大提高了热值配比的控制速度和热值稳定程度，实现了热值的实时、准确控制。
(2)煤气加压过程二自由度专家控制本系统采用专家智能变频调压技术，用调节变频器来控制加压机转速，从而稳定加压机后压力。这样既可保证对给定压力的跟踪精度，又具有较好的干扰抑制特性。通过调节变频器频率来改变鼓风机转速进而调节煤气压力的方法具有简单、节能、高效等优点。
(3)OPC通讯功能针对工业现场检测点多和硬件驱动繁杂等特点，利用ATL技术，将OPC协议封装在一个ActiveX控件中，实现了智能解耦控制应用软件与集散控制系统监控软件的实时、精确通讯，同时使应用软件具有良好的可移植性。
(4)控制参数在线修改因为每天的气源供况不同，用户用气量变化很大，整个生产过程的本质属性存在着漂移，例如随着使用时间的增加，阀门机械间隙增加，阀门流量特性曲线会发生变化，阀门控制步长就应改变。三加压站智能解耦控制系统留有控制参数修改的接口，知道系统密码的高级操作者可以根据当时的实际情况修改控制参数，提高控制品质。
(5)实时数据监控和信息管理实时显示煤气混合加压过程参数，实现了阀门开度的棒状图显示、混合煤气热值与压力的监视、混合煤气热值与压力设定值修改、蝶阀开度和变频器频率的手动修改等功能，同时还实现了整个系统手动/自动的无扰切换。
本发明建立的煤气混合加压过程智能解耦控制系统可实现混合煤气热值与压力的自动控制，降低加压站生产成本，保证混合煤气热值与压力的稳定，减小电能消耗，提高企业自动化和信息化程度。本发明的控制和耦方法，保证了钢坯的加热质量，降低能耗，获得高质量、低成本的钢材产品。
权利要求
1.一种煤气混合加压的智能解耦控制方法，其特征在于将当前的热值偏差信号和混压偏差信号转化为中间控制量，设计高炉煤气和焦炉煤气模糊控制器，通过中间变量反映热值压力偏差和偏差的变化率的趋势；用模糊解耦控制器将转化后的热值控制量和压力控制量进行解耦，再转化为高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量的控制输出；用蝶阀专家控制器将高炉阀门开度增量和焦炉阀门开度增量转化为蝶阀的实际开度输出，控制器将高阀增量与焦阀增量在这两道阀门上进行分配并修正。
2.根据权利要求1所述的煤气混合加压的智能解耦控制方法，其特征在于所述的模糊解耦控制器的解耦规则是混压发生变化时，同比例开大或关小高炉管道阀门和焦炉管道阀门，调节压力的同时保证热值不变；热值发生变化时，反比例的开大或关小高炉煤气管道阀门和焦炉煤气管道阀门，调节热值同时保证压力的不变；混压、热值均发生变化时，先同比例的变化阀门来调压力，再反比例的变化阀门来调热值，最后将这两步得出控制量进行合成，得出最终的控制量进行控制，由阀组控制策略调节相应阀门组的两个阀门。
3.根据权利要求1所述的煤气混合加压的智能解耦控制方法，其特征在于根据下述压力—流量系统的相对增益矩阵对蝶阀组进行控制^=λ11λ12λ21λ22=P0-P1P0-P2P1-P2P0-P2P1-P2P0-P2P0-P1P0-P2]]>系统中P1接近P2，用阀1控制流量，用阀2控制压力P1；P1接近P0，则用阀2控制流量，用阀1控制压力P1；P1接近(P0-P2)的中点，同时调节两个阀门，式中P0为1#蝶阀前焦炉煤气压力，P1为2#蝶阀前焦炉煤气压力，P2为2#蝶阀后焦炉煤气压力。
4.根据权利要求1所述的煤气混合加压的智能解耦控制方法，所述的修正采用的是单蝶阀专家修正器，拟合蝶阀的流量特性曲线，在不同的阀门开度区间，用不同的参数修正控制量，专家修正规则为R1IF蝶阀的检测值U∈[5，30]，计算得阀门增量为ΔUThenU＝U+ΔU；R2IF蝶阀的检测值U∈[30，85]，计算得阀门增量为ΔUThenU＝U+ΔU*；其中ΔU*=ΔU2&Kgr;,]]>K由蝶阀的流量特性决定；R3IF蝶阀的检测值U≥85，计算得阀门增量为ΔU≥0ThenU＝U+0；R4IF蝶阀的检测值U≥5，计算得阀门增量为ΔU≤0ThenU＝U+0。
全文摘要
一种煤气混合加压智能解耦建模控制方法，本发明建立了一个煤气混合加压智能解耦控制模型，将系统划分为解耦控制回路和压力控制回路，解耦控制回路消除了混合煤气热值和压力的耦合影响，并利用蝶阀专家控制策略实现了四蝶阀控制量的合理分配；压力控制回路利用二自由度专家控制方法实现了煤气加压过程压力的自动控制；系统采用OPC通讯协议实现了与原集散控制系统实时、精确的数据交换。该系统控制效果明显，减少了煤气的热值和压力的波动，降低了生产成本，提高了钢铁质。
文档编号F23L13/00GK1952481SQ20051003226
公开日2007年4月25日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者吴敏, 刘建群, 曹卫华, 黄兆军, 陈炜, 向婕 申请人:中南大学