一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统的制作方法

本发明属于能源与动力工程技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统。

背景技术：

TRT(Blast Furnace Top Gas Pressure Recovery Turbine System)，即高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置，传统的高炉TRT控制系统副回路的电液位置伺服控制器是采用模拟电路来实现控制，使得用于该回路的控制算法无法得到改进和完善，限制了控制系统的进一步优化，顶压控制系统的副回路是一个电液位置伺服系统，该系统中的控制器通常是以经典PID实现的模拟伺服控制器。该控制器虽然具有快速跟踪的优势，但同时也存在PID参数调节不便以及温漂和零漂等问题，且由于其硬件特性的限制，智能控制等一系列先进的优化控制算法无法应用于高炉TRT的顶压控制系统中，这对提升高炉顶压的控制品质造成了极大的不便。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统，以改善高炉TRT控制系统的顶压控制品质。

本发明采用以下技术方案：

一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统，包括FPGA核心控制板，FPGA核心控制板分别接收A/D1信号采集电路板采集的静叶液压缸活塞位置信号以及A/D2信号采集电路板采集的透平机静叶开度设定值信号，FPGA核心控制板对接收到的信息进行处理后通过D/A信号输出板发送至电液伺服阀，通过电液伺服阀控制透平机的静叶开度。

具体的，静叶液压缸设置有位置传感器，位置传感器用于采集4～20mA静叶液压缸活塞的位置信号并发送给A/D1信号采集电路板。

进一步的，A/D1信号采集电路板用于获取位置传感器采集的静叶液压缸活塞位置信号并经过A/D转换后发送给FPGA核心控制板。

具体的，透平机设置有顶压控制器，顶压控制器用于输出4～20mA透平机静叶开度的设定值信号并发送给A/D2信号采集电路板。

进一步的，A/D2信号采集电路板用于获取顶压控制器传来的透平机静叶开度设定值信号并经过A/D转换后发送给FPGA核心控制板。

具体的，FPGA核心控制板包括两路A/D采集控制模块，两路A/D采集控制模块分别用于和A/D1信号采集电路板、A/D2信号采集电路板的A/D转换芯片连接；

一路A/D采集控制模块依次经过FIR数字滤波模块、模糊自适应PID控制模块、D/A输出模块与D/A信号输出板上的D/A转换芯片连接；第二路A/D采集控制模块与NIOS系统连接；

NIOS系统经过双口RAM1与模糊自适应PID控制模块连接，模糊自适应PID控制模块经过双口RAM2与NIOS系统连接构成数据回路。

进一步的，NIOS系统采用C语言实现基于NIOSII的键盘和显示模块连接。

具体的，FPGA核心控制板还连接有外围设备，外围设备包括SDRAM、FLASH、I2C和人机交互设备。

具体的，FPGA核心控制板上的核心控制器采用EP1C12FPGA芯片。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明在高炉TRT顶压控制系统的设计中，基于FPGA的设计方法可提高系统的集成度，从而减小设计过程中的复杂程度，提高系统运算速度及可靠性，具有设计灵活，现场可编程，调试简单和体积小等特点，FPGA还可内嵌CPU或DSP内核，支持软硬件协同设计，可作为SOPC的硬件平台，而SOPC技术可将FPGA强大的逻辑运算功能和微处理器丰富的资源和灵活性结合到一起，使得基于FPGA的电液伺服控制器的设计更加方便，人机交互更易实现，控制器的参数更便于调节，使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减小资金投入。

进一步的，由于FPGA使用内部的逻辑模块单元实现所需的功能，各个模块之间并行运行，这使得系统运算速度更快、实时性更强，而且只需修改核心的控制模块，并重新烧写，就可实现算法的改进和升级，为提高TRT装置顶压控制效果打下良好的基础。

综上所述，本发明有效提高高炉的顶压。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明FPGA控制系统总体结构框图；

图2为本发明FPGA内部具体的逻辑框图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统，采用FPGA作为控制器，可利用其以数字电路实现控制的特点，在硬件逻辑电路的基础上实现控制算法的升级，从而解决原系统因模拟电路的硬件特性而带来的不足以及PID参数不便调节等问题，进一步提升了伺服控制器的速度优势，优化了系统的控制性能。

主回路是一个定值控制系统，它的主要目标是使高炉炉顶的压力值达到一个稳定的状态，因此主回路的主要控制变量为高炉的炉顶压力。副回路中的给定值是主控制器即顶压控制器的输出控制量，用来使副回路中的透平机静叶开度尽量地实时跟踪主控制器输出的给定值，该回路中的主要控制变量为静叶液压缸的活塞位置。

请参阅图1，本发明一种基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统，包括FPGA核心控制板、A/D1信号采集电路板、A/D2信号采集电路板、D/A信号输出板和外围设备，A/D1信号采集电路板用于获取静叶液压缸活塞的位置信号并经过A/D转换后发送给FPGA核心控制板，A/D2信号采集电路板用于获取透平机静叶开度的设定值信号并经过A/D转换后发送给FPGA核心控制板，FPGA核心控制板将处理结果传递给D/A信号输出板，D/A信号输出板将结果进行D/A转换后发送至电液伺服阀，D/A信号输出板用于将数字信号转换成电液伺服阀所需的4～20mA的电流信号，用于控制透平机静叶开度。

外围设备包括SDRAM、FLASH、I2C和人机交互设备。

电液伺服系统采集4～20mA静叶液压缸活塞位置信号及4～20mA透平机静叶开度设定值信号，两路模拟信号经过A/D转换后，将所得的数字信号传递给FPGA核心控制板。

整个系统以ALTERA公司cyclone系列EP1C12FPGA芯片为核心控制器，内嵌NiosII 32位CPU软核处理器。一方面该软核处理器可以通过FPGA内配置的两块双口RAM与核心控制模块进行信息交互，获取其状态和参数等信息，并通过与之连接的键盘和显示器配置、显示其工作参数；另一方面，它也可以实现对系统的实时监控，从而确保系统稳定无误的运行。其中，FPGA内部的各个控制模块用以实现对其对应的外部设备或芯片的控制。

请参阅图2，FPGA核心控制板包括两路A/D采集控制模块，两路A/D采集控制模块分别用于和A/D1信号采集电路板、A/D2信号采集电路板的A/D转换芯片连接；一路A/D采集控制模块依次经过FIR数字滤波模块、模糊自适应PID控制模块、D/A输出模块与D/A信号输出板上的D/A转换芯片连接，采用VHDL语言实现A/D采集控制模块、D/A输出控制模块和模糊自适应PID控制模块；

模糊自适应PID控制模块依次经过双口RAM2、NIOS系统、双口RAM1和模糊自适应PID控制模块连接构成回路；NIOS系统利用FPGA的集成开发环境配置实现NIOSII软核及其外围拓展模块(SDRAM、FLASH、I2C)和双口RAM1、双口RAM2模块以及FIR数字滤波模块连接。

第二路A/D采集控制模块与NIOS系统连接；NIOS系统采用C语言实现基于NIOSII的键盘和显示模块连接。

本发明基于FPGA的高炉TRT伺服控制系统作为一种投资最省，见效最快，低投入，高产出的无公害节能环保设备，其优越性总结如下：

(1)二次能源回收利用，提高了资源利用率，创造了一定的经济效益；

(2)减少了污染物的排放，降低了噪音及振动，使环境条件得到很好地改善。高炉在安装TRT装置后，可使高炉原有的减压阀组带来的140分贝噪声污染降低至85分贝以下，有效的防止了因噪音带来的环境污染；同时，采用袋式除尘、石灰石炉内脱硫等技术措施，可大大降低污染物的排放；

(3)采用静叶可调技术控制高炉顶压，提高了顶压控制的效果，使得炉顶压力的调节范围由原来的15KPa左右提高到了2～5KPa，保证了高炉冶炼的品质；

(4)通过对控制过程的优化，合理设计控制功能,可将煤气消耗降低至最低水平，发电功率尽量提高，做到既节能又环保，同时兼顾操作简易性和控制的稳定性等等。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。