一种高炉热风炉的拱顶温度模型辅助空燃比自寻优方法与流程

1.本发明涉及高炉热风炉温度控制技术领域，具体涉及一种高炉热风炉的拱顶温度模型辅助空燃比自寻优方法。


背景技术：

2.以煤气为燃烧介质的工业炉窑的燃烧过程，是一个大时滞、非线性的过程。国际上通常采用空燃比自寻优方法来发现最佳空燃比，使燃烧充分而不过氧。再动态调节煤气流量，以达到稳定的目标拱顶温度。
3.通常的自寻优方法存在多次寻优、局部高点的情况，同时，由于燃烧初始阶段工况多变、煤气热值与压力频繁大幅波动、检测灵敏度与执行机构的非线性，导致寻优过程可能会发散，从而寻优失败。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高炉热风炉的拱顶温度模型辅助空燃比自寻优方法，解决以下技术问题：
5.提高自寻优过程的效率，保证空燃比寻优质量。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种高炉热风炉的拱顶温度模型辅助空燃比自寻优方法，包括以下步骤：
8.预备区加热：按照初始的空燃比参数对空气阀和煤气阀进行预开启；
9.非工作区加热：按照预设规则对空燃比参数进行调节；
10.工作区加热：根据预设调控规则更新与每个控制周期对应的拱顶温度模型，由所述拱顶温度模型对当前控制周期的空燃比参数进行调节；当高炉热风炉的拱顶温度满足预设控制终止条件时，将当前控制周期的空燃比参数作为最优空燃比，并停止寻优。
11.作为本发明进一步的方案：所述预设调控规则包括：
12.fn(x)＝b+axc；其中，fn(x)为高炉热风炉在第n个控制周期内的拱顶温度模型，fn为高炉热风炉在第n个控制周期内的拱顶温度，x为加热时间，a、b、c均为影响因子；
13.进入第n个控制周期时，选取至少三个模型构建基点，根据所述模型构建基点求得a、b、c的值，构建与所述模型构建基点对应的拱顶温度模型；
14.根据构建的所述拱顶温度模型计算第n+1个控制周期内的拱顶温度为f
n+1
；若第n+1个控制周期内实际的拱顶温度q
n+1
与f
n+1
的差d
n+1
为负数，则调高空燃比参数，若第n+1个控制周期内实际的拱顶温度q
n+1
与f
n+1
的差d
n+1
为正数，则调低空燃比参数。
15.作为本发明进一步的方案：所述控制周期为1分钟。
16.作为本发明进一步的方案：所述模型构建基点在不同且相邻的所述控制周期内选取。
17.作为本发明进一步的方案：第n个控制周期的空燃比参数为kn，kn＝k
n-1
+d*p，其中，d为空燃比调节步长，p为当前控制周期对应模型构建基点之间的最大时间差。
18.作为本发明进一步的方案：所述预设控制终止条件包括：dn与d
n+1
的符号相反。
19.作为本发明进一步的方案：所述预设控制终止条件包括：加热时间达到预设终止时间。
20.作为本发明进一步的方案：所述预设控制终止条件包括：拱顶温度终止寻优值为tg_s，fn》＝tg_s*98％。
21.本发明的有益效果：
22.(1)在工作区加热的阶段，在每个控制周期都会对拱顶温度模型进行在线更新，再根据更新后的拱顶温度模型对空燃比参数进行调节，从而使得空燃比参数逐渐的接近最优，并在达到最优或者拱顶温度满足预设控制终止条件时停止寻优，减少无效寻优、寻优过程时间长的情况，最大概率避免因外部扰动导致的寻优过程发散的情况发生；
23.(2)通过在加热的工作区设置控制周期，可在起始阶段选取3个模型构建基点，来通过最小二乘法构建对应的拱顶温度模型，然后将下一控制周期的时间参数代入该拱顶温度模型来得到对应温度，根据dt来判断空燃比的调节方向，然后根据预设的步长对当前空燃比进行调整，之后可以继续选择新的3个模型构建基点来继续在下一控制周期更新拱顶温度模型，如此循环通过对拱顶温度模型在每个控制周期进行调整，来实现对空燃比进行持续的调整，直至达到最佳空燃比时停止对拱顶温度模型的更新，从而提高自寻优过程的效率，保证空燃比寻优质量。
附图说明
24.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
25.图1是本发明高炉热风炉空燃比自寻优过程图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明为一种高炉热风炉的拱顶温度模型辅助空燃比自寻优方法，包括以下步骤：
28.预备区加热：按照初始的空燃比参数对空气阀和煤气阀进行预开启；
29.非工作区加热：按照预设规则对空燃比参数进行调节；
30.工作区加热：根据预设调控规则更新与每个控制周期对应的拱顶温度模型，由拱顶温度模型对当前控制周期的空燃比参数进行调节；当高炉热风炉的拱顶温度满足预设控制终止条件时，将当前控制周期的空燃比参数作为最优空燃比，并停止寻优。
31.本发明在工作区加热的阶段，在每个控制周期都会对拱顶温度模型进行在线更新，再根据更新后的拱顶温度模型对空燃比参数进行调节，从而使得空燃比参数逐渐的接近最优，并在达到最优或者拱顶温度满足预设控制终止条件时停止寻优，减少无效寻优、寻优过程时间长的情况，最大概率避免因外部扰动导致的寻优过程发散的情况发生。
32.作为本发明进一步的方案：预设调控规则包括：
33.fn(x)＝b+axc；其中，fn(x)为高炉热风炉在第n个控制周期内的拱顶温度模型，fn为高炉热风炉在第n个控制周期内的拱顶温度，x为加热时间，a、b、c均为影响因子；
34.其中，拱顶温度模型将表征热风炉不同结构的燃烧室特征变量统一以影响因子c来描述，它是燃烧时间的幂。拱顶温度模型将表征热传递热辐射热对流的影响统一表征为一个影响因子a，分段控制的拱顶温度与火焰温度可以考虑为近似线性关系。将包括烧嘴出口至整个燃烧室内的最高温度统一称定义为火焰温度b，它是拱顶温度模型的截距，理想情况下，拱顶温度最终可以无限接近火焰温度。
35.进入第n个控制周期时，选取至少三个模型构建基点，根据模型构建基点求得a、b、c的值，构建与模型构建基点对应的拱顶温度模型；
36.根据构建的拱顶温度模型计算第n+1个控制周期内的拱顶温度为f
n+1
；若第n+1个控制周期内实际的拱顶温度q
n+1
与f
n+1
的差d
n+1
为负数，则调高空燃比参数，若第n+1个控制周期内实际的拱顶温度q
n+1
与f
n+1
的差d
n+1
为正数，则调低空燃比参数。
37.以煤气为燃烧介质的工业炉窑的燃烧过程，是一个大时滞、非线性的过程。国际上通常采用空燃比自寻优方法来发现最佳空燃比，使燃烧充分而不过氧。再动态调节煤气流量，以达到稳定的目标拱顶温度。通常的自寻优方法存在多次寻优、局部高点的情况，同时，由于燃烧初始阶段工况多变、煤气热值与压力频繁大幅波动、检测灵敏度与执行机构的非线性，导致寻优过程可能会发散，从而寻优失败。而本发明在第n+1个控制周期时跟根据之前获取的三个模型构建基点对拱顶温度模型进行在线更新，并根据由更新后的拱顶温度模型对空燃比的调节方向进行确定，从而能够在每个控制周期都能够使空燃比更快的接近最优，实现动态的空燃比调整。
38.作为本发明进一步的方案：控制周期可以为1分钟。
39.作为本发明进一步的方案：模型构建基点在不同且相邻的控制周期内选取。如此设置，可以尽量的提升3个模型构建基点的间距，使得初次构建的拱顶温度模型更加接近最优解，从而提升自寻优的效率和质量。
40.作为本发明进一步的方案：第n个控制周期的空燃比参数为kn，kn＝k
n-1
+d*p，其中，d为空燃比调节步长，p为当前控制周期对应模型构建基点之间的最大时间差。
41.作为本发明进一步的方案：预设控制终止条件包括：dn与d
n+1
的符号相反。符号相反代表当前实际的拱顶温度开始在拱顶温度模型的预期上下浮动，此时便可以判断收敛在增强，因此便可以
42.作为本发明进一步的方案：预设控制终止条件包括：加热时间达到预设终止时间。
43.作为本发明进一步的方案：预设控制终止条件包括：拱顶温度终止寻优值为tg_s，fn》＝tg_s*98％。
44.在加热前，可将加热段分成预备区、非工作区、工作区、后工作区四个控制区域。
45.其中，预备区是指预开空气阀或预开煤气阀时的加热段区域；
46.非工作区是加热段从点火开始到工作区的加热区域，在本发明的本实施例中，可指加热的第1至第3分钟。这一区域中煤气与空气阀开度调节频繁，流量与压力不稳定。
47.工作区则可以指第4分钟开始至自寻优结束的加热段区域。可参考如图1所示的高炉热风炉空燃比自寻优过程图。
48.在控制周期为1分钟的情况下，以上一炉的最优空燃比作为本次寻优的起始空燃
比，步长为0.02。如果系统丢失上一炉的最优空燃比，则取缺省空燃比(如0.6)。
49.确定加热段时长：若拱顶温度终止寻优值为tg_s，则fn》＝tg_s*98％时，加热段结束；有时由于煤气热值偏低，一直烧不到设定的拱顶温度，这时依经验大致确定即可，一般可选为第15分钟强制结束。
50.在加热过程中，可以第4、5、6分钟的温度为基点，构建拱顶温度模型。
51.根据(4，f4)、(5，f5)、(6，f6)以最小二乘法求得拱顶温度模型y＝b+axc的a，b，c值。
52.首先，可确定寻优方向：
53.先用得到的拱顶温度计算第7分钟的温度点(7，f7)；
54.第6分钟时刻，空燃比下爬一步(如0.58)，此为正方向，即下爬方向。
55.第7分钟时刻采集实际拱顶温度t7，计算dt＝t
7-f756.若dt》＝0，则寻优方向为正，接下来继续下爬，即第7分钟空燃比设定为(7，0.6-0.02*(7-5))；
57.若dt《0，则寻优方向为负，接下来改为上爬，即第7分钟空燃比设定为(7，0.6+0.02*(7-5))；
58.因此，在每一个新的控制周期，可以根据最新的三个拱顶温度值，在线生成新的拱顶温度模型；依次继续寻优，并观察每一步的dt；若dt反号，则停止寻优，记录此时的空燃比，此为最佳点。
59.本发明的工作原理：本发明通过在加热的工作区设置控制周期，可在起始阶段选取3个模型构建基点，来通过最小二乘法构建对应的拱顶温度模型，然后将下一控制周期的时间参数代入该拱顶温度模型来得到对应温度，根据dt来判断空燃比的调节方向，然后根据预设的步长进行对当前空燃比进行调整，之后可以继续选择新的3个模型构建基点来继续在下一控制周期更新拱顶温度模型，如此循环通过对拱顶温度模型在每个控制周期进行调整，来实现对空燃比进行持续的调整，直至达到最佳空燃比时停止对拱顶温度模型的更新，从而提高自寻优过程的效率，保证空燃比寻优质量。
60.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。