专利名称：焦炉碳化室压力调节装置及其模糊控制方法
技术领域：
本发明涉及焦炉碳化室压力调节装置及其模糊控制方法。
背景技术：
传统工艺上，焦炉各碳化室产生的荒煤气通过上升管及桥管进入集气管，在集气管的另一端通过鼓风机形成负压，从而抽走集气管中的荒煤气，整个焦炉组的荒煤气压力通过安装在集气管上的一个调节阀来控制，由于各个碳化室所处的结焦状态不同，碳化室装煤推焦等过程产生波动，系统整体稳定性差，很容易导致集气管荒煤气倒流入碳化室，碳化室炉墙串漏，炉体冒黄烟等恶劣后果。近年来，国外先后推出一种焦炉碳化室压力调节装置(如专利公开号 201665660U)，该装置安装在碳化室及集气管之间的桥管处，用来调节单孔碳化室压力；这种装置其原理是一个气缸控制的水封阀，装置内上部有氨水喷洒孔喷洒氨水形成一定液位，装置内下部有一个气缸活塞杆连接的放水孔，气缸在行程范围内上下移动来调节水封阀液位的高度，通过压力与水柱高度的对应关系从而调节碳化室压力。焦炉碳化室压力设定值一般在微正压范围IOOPa左右，而一个大气压(IO5Pa)能定起IOm的水柱，IOPa的压力才相当于Imm的水柱，因此这种调压装置的调节量往往在Imm 级的微小量纲上，如何精确有效的控制气缸运动从而控制焦炉碳化室压力在设定值较小的范围内波动，就是一个值得研究的问题。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种焦炉碳化室压力调节装置及其模糊控制方法。通过PLC控制系统采集焦炉碳化室装煤、推焦、炼焦及碳化室压力信号， 采用模糊PID控制器计算出伺服气缸的运动轨迹从而控制碳化室压力在设定值范围内。所述技术方案如下焦炉碳化室压力调节装置的模糊控制方法，包括A采集焦炉碳化室所处状态信号，判断焦炉碳化室所处状态；B采集焦炉碳化室压力值；C计算压力设定值和实际值之间的偏差及偏差变化率；D对偏差及偏差变化率模糊处理，经模糊PID运算后输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制焦炉碳化室压力在设定值区域范围内波动。焦炉碳化室压力调节装置，包括PLC控制系统，用于采集各数字量和模拟量信号，再经模糊PID控制器运算处理后，输出数字量和模拟量的控制信号；压力变送器，用于采集焦炉碳化室压力值；伺服气缸系统，用于接收PLC控制系统中输出的电流信号，并根据该信号做伺服运动；
模糊PID控制器，计算输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制碳化室压力在设定值区域范围内波动；工控机，提供人机操作界面，操作人员可在工控机上进行正常生产操作；UPS电源，为装置提供不间断优质电源。本发明提供的技术方案的有益效果是本模糊控制方法克服了焦炉碳化室压力复杂、不稳定的缺陷特点，系统鲁棒性强， 反应迅速，抗干扰能力强。
图1是焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法流程图；图2是焦炉碳化室状态判断控制图；图3是模糊PID控制器结构图；图4是模糊PID控制器原理图；图5是模糊PID控制器隶属度函数图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述本实施例提供了一种焦炉碳化室压力调节装置及其模糊控制方法，其中，参见图1，为焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法流程，该方法包括以下步骤步骤10采集焦炉碳化室所处状态信号，判断焦炉碳化室所处状态；步骤20采集焦炉碳化室压力值；步骤30计算压力设定值和实际值之间的偏差及偏差变化率；步骤40对偏差及偏差变化率模糊处理，输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制焦炉碳化室压力在设定值区域范围内波动。上述焦炉碳化室压力调节装置包括PLC控制系统，用于采集各数字量和模拟量信号，再经模糊PID控制器运算处理后，输出数字量和模拟量的控制信号；压力变送器，用于采集焦炉碳化室压力值；伺服气缸系统，用于接收PLC控制系统中输出的电流信号，并根据该信号做伺服运动；模糊PID控制器，计算输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制碳化室压力在设定值区域范围内波动；工控机，提供人机操作界面，操作人员可在工控机上进行正常生产操作；UPS电源，为装置提供不间断优质电源。PLC控制系统的AO模块输出4_20mA的模拟量电流信号给压力控制装置的伺服气缸系统，使伺服气缸系统在0-200mm的行程范围内做位移运动。上述PLC控制系统包括冗余型CPU、直流电源、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、空开、继电器等；CPU是控制的大脑，控制程序写在CPU的储存卡中。如图2所示，PLC通过数据量采集模块采集碳化室炼焦状态，当碳化室装煤时，模拟量输出模块输出4mA电流控制伺服气缸全部缩回，水封阀打开，煤粉吸入集气管，防止煤粉进入大气污染环境；当碳化室推焦时，模拟量输出模块输出20mA电流控制伺服气缸全部伸出，水封阀关闭，切断推焦时该碳化室对系统波动的影响；当碳化室炼焦时，模糊控制器调节碳化室压力。当碳化室炼焦时，两路压力变送器所测量得到的碳化室压力PI、P2进行品质判断，通过品质判断模块判断模拟量的品质，并输出P1、P2的均值P3，再通过均值滤波模块对P3进行滤波，得到碳化室压力值P。量程判断压力表的正常测量范围在_400Pa到400Pa之间，用P1、P2的绝对值分别与400比较，当P1、P2的绝对值小于等于400时，P1、P2有效，当P1、P2的绝对值大于400 时，PU P2超量程无效并报警；当有一路压力值超量程时，自动剔除这路压力值，平均压力值P3取另一路未超量程的压力值。均值判断取两路压力值Pl，P2的平均值P3，计算两路压力值与平均压力值的偏差P4，P5，P4 = P3-P1，P5 = P3-P2，若两路压力值与平均值的偏差P4，P5的绝对值大于 15Pa,说明两路压力变送器所测量出来的压力值相差在30Pa以上，发出报警信号，需要人工清扫测量装置或检修。经压力信号品质判断后，得到碳化室压力平均值P3，对P3进行滤波处理，连续采集5个平均压力值信号，形成一个长度5的队列，没一次采集信号都放在队列的最前位置， 队列中所有元素都后移一位，最后一位元素剔除，取队列的平均值为滤波后的输出值，也就是碳化室压力值P。如图3所示，在炼焦过程中碳化室压力值P经偏差计算模块计算处理，即碳化室压力值P和设定值P相减，得到偏差值σ ρ ( σ ρ = Ρ-ρ)，对σ P进行判断，如果偏差值σ P的绝对值大于等于160Pa时，进入勻速开关控制。勻速开关控制方法如果偏差值σ ρ大于等于160Pa，此时碳化室压力比设定值高 160Pa以上，水封阀需要放水，程序输出值控制伺服气缸以每秒钟15mm的速度勻速提升，水封阀放水口勻速打开，碳化室荒煤气逸出，压力下降直到偏差值σ ρ小于120Pa，然后进入模糊PID控制；如果偏差值ο ρ小于等于_160Pa，此时碳化室压力比设定值低160Pa以上， 水封阀需要蓄水，程序输出值控制伺服气缸以每秒钟15mm的速度勻速下降，水封阀放水口勻速关闭，阻止碳化室荒煤气逸出，压力上升直到偏差值0 大于-120 3，然后进入模糊 PID控制。如图4所示，模糊控制器通过数据采集、A/D转换、计算控制变量、模糊量化处理、 模糊控制规则、模糊决策、非模糊化处理、D/A转换后，计算出伺服气缸的运动轨迹，控制伺服气缸精确运动从而控制碳化室压力。A/D转换采集到PLC中的模拟量数据通常是0-27648的线形化数据量，A/D转换就是把采集到的0-27648测量值线性对应成量程所设定的数(如_400Pa到400Pa)，计算出实际所测量到的压力值，D/A转换过程则刚好相反。计算控制变量通过偏差值σ P计算出偏差变化率ε P，压力偏差采集周期为 100ms，定义一个长度为10的数据队列，每次采集的偏差值σ ρ都放在队列的最前位，队列数据后移一位，10个数据取平均值得到这一秒的偏差平均值σ pl，同理通过定时器取得下
6一秒的偏差平均值σ ρ2，σ ρ2- σ pi得到差变化率ε ρ,也就是每秒钟偏差压力的变化值。模糊量化处理如图5所示，对偏差ο ρ和偏差变化率ε ρ进行模糊化，用负大 (NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)，正中(PM)、正大(PB)七个词来形容偏差值 σρ和偏差值变化率ερ，偏差值σρ的论域在(-120，120) Pa，偏差变化率ε ρ的论域在 (-10，10)Pa/s。模糊控制规则通过模糊量化处理后的偏差值σ ρ和偏差变化率ε ρ确定PID控制的比例系数Κρ、积分系数Ki、微分系数Kd，这些PID的参数也用负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z0)、正小(PS)，正中(PM)、正大(PB)七个词来定义，可通过论域调节器调节其具体数值(如表1，Kp、Ki、Kd的模糊控制规则)。表 权利要求
1.焦炉碳化室压力调节装置的模糊控制方法，其特征在于，所述方法包括A采集焦炉碳化室所处状态信号，判断焦炉碳化室所处状态；B采集焦炉碳化室压力值；C计算压力设定值和实际值之间的偏差及偏差变化率；D对偏差及偏差变化率模糊处理，经模糊PID运算后输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制焦炉碳化室压力在设定值区域范围内波动。
2.根据权利要求1所述的焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法，其特征在于，所述步骤A中焦炉碳化室的状态包括装煤、推焦、炼焦，并根据采集得到的装煤或推焦的状态信号控制伺服气缸的状态，炼焦状态时由模糊控制器控制碳化室压力。
3.根据权利要求1所述的焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法，其特征在于，所述步骤B具体包括分别采集两个焦炉碳化室压力值，并根据所述压力值判断两个碳化室压力值的模拟量品质，根据模拟量品质输出两个碳化室压力的均值，并将所述均值进行滤波得到滤波后的碳化室压力值。
4.根据权利要求1所述的焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法，其特征在于，所述步骤C还包括根据压力设定值和实际值之间的偏差，判断焦炉碳化室压力调节装置的控制状态。
5.根据权利要求4所述的焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法，其特征在于，所述控制状态包括勻速控制和模糊PID控制。
6.根据权利要求1所述的焦炉碳化室压力调节装置模糊控制方法，其特征在于，所述步骤D具体包括所述伺服气缸的运动轨迹是通过模糊PID控制器计算输出，并且伺服气缸的运动轨迹带动水封阀液位变化，由所述水封阀液位的变化控制焦炉碳化室压力在设定值区域范围内波动。
7.焦炉碳化室压力调节装置，其特征在于，所述装置包括PLC控制系统，用于采集各数字量和模拟量信号，再经模糊PID控制器运算处理后，输出数字量和模拟量的控制信号；压力变送器，用于采集焦炉碳化室压力值；伺服气缸系统，用于接收PLC控制系统中输出的电流信号，并根据该信号做伺服运动；模糊PID控制器，计算输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制碳化室压力在设定值区域范围内波动；工控机，提供人机操作界面，操作人员可在工控机上进行正常生产操作；UPS电源，为装置提供不间断优质电源。
8.根据权利要求7所述的焦炉碳化室压力调节装置，其特征在于，所述装置还包括品质判断模块、均值滤波模块和偏差计算模块，所述品质判断模块，用于判断两个碳化室压力值模拟量的品质，并输出两个碳化室压力值的均值；均值滤波模块，对两个碳化室压力值的均值进行滤波，得到滤波后的碳化室压力值；偏差计算模块，用于计算碳化室压力设定值和实际值之间的偏差。
9.根据权利要求7所述的焦炉碳化室压力调节装置，其特征在于，所述PLC控制系统包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，所述模拟量输出模块，输出电流控制伺服气缸做缩回或伸出的伺服运动。
全文摘要
本发明公开了一种焦炉碳化室压力调节装置及其模糊控制方法，所述方法包括采集焦炉碳化室所处状态信号，判断焦炉碳化室所处状态；采集焦炉碳化室压力值；计算压力设定值和实际值之间的偏差及偏差变化率；对偏差及偏差变化率模糊处理，经模糊PID运算后输出伺服气缸的运动轨迹，从而控制焦炉碳化室压力在设定值区域较小范围内波动。本发明模糊控制方法克服了焦炉碳化室压力复杂、不稳定的缺陷特点，系统鲁棒性强，反应迅速，抗干扰能力强。
文档编号G05B13/04GK102433137SQ20111044313
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者周小俊, 姜智伟, 尹萍, 惠秦川, 曹迎新, 汪安逸 申请人:北京佰能电气技术有限公司