专利名称:玻璃窑炉n—开关过程的控制方法
本发明涉及N个相同的连续动态过程的自动控制方法。
N-开关过程在工业中普遍存在，它是由开关控制N个相同的连续动态过程，N为任一正整数。如玻璃窑炉的蓄热室为2-过程，高炉热风炉为3-过程或4-过程，煤气发生炉为1-过程，煤焦炉为1-过程，等等。
现有玻璃窑炉蓄热室等N-开关过程的控制均采用对过程数学模型的静态控制方法(如定值、定位、定时控制等)、动态补偿方法、经验公式的三种方法，或是以上三种方法的组合。这些方法在局部时间、特定运行状态下，使性能接近最优，但不是最优的，其原因有二(1)因工程近似方法的缺陷所造成的固有弊病;
(2)系统的各参数一般是时变的，且状态测量值有噪音干扰，当系统响应有纯滞后存在时，静态逼近或经验方法难于做到准确地跟踪预测系统的状态。
目前大多数玻璃窑炉蓄热室的燃烧，一般为每隔15分钟开关切换一次，或当温度达到某一值时，开关进行切换。这种定值控制方法并不根据窑炉实际燃烧状况，也不管开关是否应该切换，因而难免造成能耗浪费及效率降低。
极小值原理或动态规则方法已用于动态过程的最优控制。自校正控制也已广泛用于军事、工业中连续量的控制。经查找各国专利文献，目前尚未见极小值原理及自校正控制方法用于N-开关过程的控制。
本发明的目的在于提出玻璃窑炉蓄热室开关切换的新控制方法，使每一个开关切换时刻都处于最佳时刻，保证连续运行过程取得最好效益。
本发明是根据常用的输入-输出关系模型，建立了在固定切换程序下描述时间-输出关系的改写模型。在硬件配置上，将存贮元件按照新的方式，组成二个寄存区队列，每对列有N个区。将N个子过程的输入输出值
ur(k)，
xr(k)，
ur(k-1)，
xr(k-1)等，(其中r＝1，2…N)放在第一个寄存区队列中，称为物理数据区，每个单元存放一个物理子过程的输入输出值，其输入值随切换而周期性改变。改写模型把N个子过程重新排列，称为N个逻辑子过程，其输出数据依此排列放在第二个寄存区队列中，该队列称为逻辑数据区，其特点为每个寄存区代表一个逻辑子过程，对应着一个固定的输入状态，分别称为第1过程，第2过程…第N过程。
逻辑数据区的数据来源是物理数据区，因此，必须解决两区之间寄存区的对应问题。在每次切换之后，逻辑数据区与物理数据区的对应关系改变，见图3.(15)、(16)…(17)、(18)为物理数据区队列，(19)，(20)…(21)，(22)为逻辑数据区队列，它对应于第一子过程，第二子过程，…第N-1子过程，第N子过程。对应关系重建时，各寄存区的地址以及作用均不改变，要变的只是其数据传送的对应关系。相当于两个队列相对移动一步。重建之后，物理寄存区(15)原对应逻辑寄存区(19)即第一过程，现对应为第N过程(22)，其余对应关系变为(16)对应(19)，(18)对应(21)。此外，切换时的逻辑数据区内数值，代表着切换前对应的物理数据区传过来的数据的终值，逻辑数据区内存放的数值应朝队列方向循环移动一步，即数据沿下列方向移动由逻辑数据区(19)移到(22)，而(22)移到(21)依此类推。改写模型用到的这两个寄存区队列的配置方法及相对应关系的循环移位方法，是本发明的新的排列方法。与通常移位寄存器的不同在于它放置数据集合构成的队列，而不是数位队列，它的移位不是指地址及作用的改变，而仅仅是对数据传送的对应关系的改变。
玻璃窑炉蓄热室的N-开关的改写模型
或简写为X(i.j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
该改写模型明确表示出了N-开关的循环作用，并且其中真正的控制量是作用区间的长度j＊即切换时刻。u在这里是一组常数。这样就将极小值原理应用于本控制方法之中。它使窑炉开关的切换时间为最佳时刻，热效率等指定的性能指标比其它控制方法都好。
在改写模型中，窑炉开关切换之间的时间间隔称为作用区间，而i则表示第i个作用区间。j表示采样周期数。X(i.j)表示在时间(i，j)N个过程的输出值。
用窑炉中配置的热电偶测出蓄热室平均温度
x(k)(单位为摄氏度)，每采样周期进入蓄热室的高温废气或大气所带入的热量
u(k)分别为两个常数，(单位是兆卡/周期)。根据物理数据区当前各过程的输入输出，运用递推最小二乘法求得参数
。据
x(k)、ū(k)及
作L步预测，将结果存放在逻辑数据区，即为X(i，j)。这就是本发明应用自校正方法，克服了纯滞后时间，以及由于进气风量、温度的经常漂移所造成的开关切换时间不正确、热效率性能低等缺点。
图1为玻璃窑炉蓄热室控制示意图。
图2为窑炉蓄热室N-开关过程最优控制方框图。
图3为两个寄存区队列配置示意图。
图4为控制系统功能框图。
参照图1，玻璃窑炉(1)有两个蓄热室(2)、(3)，换向阀(4)、燃料阀(5)、(6)控制热交换过程的切换。自然风通过换向阀(4)进入蓄热室(2)冷风被加热，燃油阀(5)接通燃油，在炉(1)内燃烧，同时室(2)内平均温度一直下降，而窑内高温废气经蓄热室(3)及阀(4)由烟囱(7)排出。蓄热室(3)吸收废气热量而温度上升。(经过一定时间，阀(4)切换后，室(2)与室(3)作用反了过来)。此玻璃窑炉为2-开关过程控制，换向阀(4)轮流切换风道，阀(5)、(6)轮流接通燃油阀。当大气进入室(3)时，阀(6)接通，阀(5)关闭。然后再反之，完成左右蓄热室的轮流交换。
用一台八位微型计算机即可胜任，视生产规模及复杂程度，全部自校正一般用内存为2-4KB。该计算机必须具备下列配置1.中央处理器，具有浮点算术运算，逻辑运算，数据传递、中断响应，控制各接口的输入输出功能。
2.2N个模拟量输入通道3.一个计算机内部的实时时钟，它隔一定时间向中央处理器发出一次时钟中断，作为采样周期。
4.N个开关量输出通道，具有驱动执行机构的能力。
5.2-4K字节的内存容量，用于存放控制程序和内部数据。整个系统的配置如图4所示。
具体步骤如下(1)先测出纯滞后时间，对于玻璃窑炉通常为30秒～12分钟，据输入-输出模型的结构求出表达式
x(k)＝-aX(k-1)+bū(k-L-1)+(K)，系数a、b不必精确。求出单位零输入响应函数φ(t)及决策目标函数J，由此推出决策函数R。
(2)根据过程平均时间常数的 1/100 ～ 1/10 以及纯滞后的时间，确定采样(8)的采样周期ts(秒)，应使纯滞后为ts的整倍数。按ts设定计算机内部的时钟。隔一定时间向中央处理器发出一次时钟中断，作为采样周期及工作循环的周期。
将窑炉蓄热室收受废气中热量的过程为第一过程，而吹入大气放热降温的过程为第二过程。图3为两个寄存区队列配置的示意图。
存贮元件用新的配置方法构成两个寄存区队列，分别存放N个逻辑子过程的完整数据，包括多步预测得到的数据Xr(i，j)、△Xr(i，j)。开关每次切换时，两个寄存区队列的对应关系循环移动一次。
控制执行的过程如下控制系统启动以后，把系统过程参数如a、b等赋予初值，随即开始接受时钟控制。按照采样周期ts，对N个过程的输入、输出状态值进行采样，对于玻璃窑炉N为2。共有2N个模拟量经图4中模拟量输入通道(23)进入控制系统。经校正，模/数转换变成数字信号
xr(k)，ūr(k)分别表示蓄热室平均温度及蓄热室输入热量，其中r＝1、2…N，存入物理数据区(15)、(16)、(17)、(18)。每个周期只需进行一次采样。
系统辨识(9)通过常用的最小二乘或其它递推方法，求出一个采样周期的模型参数a、b。由于N个子过程的模型相同，因此只需算出一个子过程的模型参数，即可作为各个子过程所用的模型参数了。
再据模型参数
算出函数φ(j)，这里
。将φ(j)暂予寄存，每当切换时才送至决策器(11)，用于计算决策函数R。
L步预测(10)根据每个采样周期所得到的模型参数及实测值u(k)、x(k)，按多步预测，求出N个子过程L步以后的预测输出值X(i，j)，分别对应相应的逻辑数据区中的原有值X(i，j-1)，相减得到新的△Xr(i，j)＝Xr(i，j)-Xr(i，j-1)，其中r＝1，2…N。把新Xr(i，j)及△Xr(i，j)存入该区中。由于本法的L步预测给出了L步之后系统输出预测值，有效地克服了采用常规方法的纯滞后的弊病。
决策器(11)根据预测(10)所得到数据X(i，j)、△X(X，j)，该组数据存放于逻辑数据区中。求取R值(本例中R= (x1(i,j)-x2(i,j)-co)/(j)
)刚刚切换时R＜0，当R值由负转正，即R≥0时，则给出切换命令。这种决策控制的方法是根据实时得到的数学模型，用最优控制的方法得出的，因此比常规静态方法及种种近似的动态补偿方法及经验公式方法更利于取得最高的技术经济效益。
开关量输出通道(12)接受决策器(11)送来的切换指令后，立即在其输出口给出驱动值。由于玻璃窑炉的换向阀(4)、阀(5)、阀(6)等切换装置已装有执行机构(如电磁阀、空气开关等等)，接受了驱动信号后，立即按照生产次序进行切换。
机内切换器(13)在决策器(11)给出切换命令时，执行内部的切换操作，包括i，j的计数，使i＝i+1，j＝0。并使物理数据区与逻辑数据区的对应关系重建。相当于两个队列相对移动一步，即物理数据区(15)对应的逻辑数据区由原来的(19)改为对应数据区(22)，依次类推(18)对应(21)。此外，逻辑数据区内存放的数据应朝队列方向循环移动一步，即逻辑数据区(19)移到(22)，而数据区(22)移到数据区(21)。其它依次类推。
非切换操作(14)的作用是若R小于零，则给出不切换的信号指令，则继续下一采样周期操作，并且j＝j+1。
本控制方法使得在相同的输入条件下，开关切换不频繁，而且蓄热室第一过程的切换值趋于最高，第二过程切换值趋于最低，这样，排入大气的废气温度低，而送入窑炉的予热风的温度高，从而提高了整个窑炉的热效率。
该控制方法与同样过程中采用常规的方法相比较，其性能指标达到最佳，因此可直接节省能量、原料消耗，提高了过程的生产率。
本控制方法可以直接用于玻璃窑炉、煤炭焦化炉，炼铁高炉的热风炉、水煤气发生炉。也可以于开关控制的其他动态过程，如化工生产、泵站、冷库等设备。
权利要求
1.玻璃窑炉蓄热室N-开关过程的控制方法，由程序设计、驱动机构和开关执行机构三部分组成，其特征是在硬件配置上，存贮元件按新的改写模型组成两个寄存区队列，每个队列有N个区，将窑炉蓄热室平均温度X(K)，每采样周期进入蓄热室的高温废气或大气所带入的热量，即蓄热室的进气温度u(K)放入物理数据区，改写模型把N个子过程重新排列，其输出数据依次放在逻辑数据区中，开关每次切换之后，逻辑数据区与物理数据区的对应关系改变，对应关系重建时，各寄存区的地址及作用均不改变，改变的只是其数据传送的对应关系，相当于两个队列相对移动一步。
2.根据权利要求
1所述的控制方法，其特征在于改写模型是根据时间-输出关系写出，是据N个逻辑子过程建立的，
或简写为X(i，j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
专利摘要
玻璃窑炉N—开关过程的控制方法提出了新的改写模型代替常用的输入输出关系模型，采用物理数据区和逻辑数据区两个寄存区队列的配置方式，运用极小值原理和自校正方法使得窑炉蓄热室换向阀及燃油阀在最佳时刻进行切换，克服了常用方法中切换时刻不正确的弊病，且不受纯滞后及因进气风量、温度等漂移的影响。本发明还广泛用于煤焦炉、炼铁热风炉、水煤气发生炉、泵站、冷库及开关控制的化工等设备。
文档编号C03B5/00GK87102502SQ87102502
公开日1988年3月30日 申请日期1987年3月31日
发明者吴士渊 申请人:常州工业技术学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan