本发明涉及一种干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法。
背景技术:
干熄焦技术是采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法,在干熄焦过程中,红焦从干熄炉顶部装入,低温惰性气体由循环风机鼓入干熄炉冷却室红焦层内,吸收红焦显热,冷却后的焦炭从干熄炉底部派出,从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体流经干熄焦锅炉进行热交换,锅炉产生蒸汽,冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉,惰性气体在封闭的系统内循环使用。相对于湿熄焦而言,干熄焦具有焦炭质量明显提高;充分利用红焦显热,节约能源等优点,因此,该技术在未来五年,有望在钢铁行业推广比例达到20%以上,成为行业内最重要的推广技术之一。
但在干熄焦生产过程当中,由于气体循环系统负压段会漏进少量空气,而空气中又包含有02和h20,当其通过红焦层时会生成co,而且随着时间的积累,干熄炉内的c0浓度会逐步升高。而当干熄炉开盖准备装焦的时候,由于系统处于负压力段,此时会有部分空气吸入到炉内,与co发生燃烧反应,使得co浓度降低;而当装完红焦后,由于焦炭残余挥发分不断地析出,热解出来的co又会使炉内的co浓度迅速升高。当co浓度超出控制标准时,会使炉体有发生爆炸的危险,且在装焦的过程中,喷出的大量co会使人员中毒。而过低的co浓度又会增加焦炭的烧损和熔损,降低了焦炭的产量,增加了c02的排放。因此,控制好co的浓度具有重要的意义。然而,由于co的浓度受多种因素的影响,整个生产过程往往复杂多变,并且难以获得精确的数学模型,所以常规的pid控制器就很难适应这样的系统,系统控制性能指标很难达到生产工艺控制的要求,因此目前的干熄焦循环气体中的co浓度控制方式还是采用人工手动控制的方式,不仅系统控制精度低,烧损率较高,c0和co2的排放量同样也较高,而且人力成本也较高,需要人员时时刻刻根据co浓度的变化进行相应的操作,增加了操作人员的工作强度。中国发明专利申请号:201710203619.6公开了一种“干熄焦气体循环系统控制方法”,该方法通过将co浓度划分为若干个区间,并在每个区间上设定了相应的控制策略,使co浓度落在了一个比较安全的区间,从而实现了自动控制。但是,由于干熄焦生产过程非常复杂且多变,co浓度的控制不仅受到空气导入量和循环气体风量的影响,还受到装焦过程等多重因素的影响,因此,难以获得精确的数学模型,所以该系统虽然能够实现自动控制,但是系统控制精度很难保证。
技术实现要素:
针对上述现有技术的不足,本发明要解决的技术问题是:提供一种干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法,该控制方法可以提高co浓度控制系统的稳态精度,同时避免出现系统大幅震荡的现象,从而实现既提高了产量又减少了有害物质排放的控制目的。
本发明采取的技术方案是:一种干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法,包括以下步骤:
1)通过监控画面设定理想的co浓度值即co浓度的画面设定值c(set),然后进入步骤2);
2)判定循环气体co浓度自动控制模式是否启动,若是,则进入步骤3);若否,则继续执行步骤2);
3)采样锅炉入口温度信号,循环气体co浓度实际值信号,循环风量信号,导入空气阀门开口度信号,然后进入步骤4);
4)判断锅炉入口温度是否高于960℃,若是,则进入执行步骤5);若否,则进入执行步骤6);
5)判断循环气体co浓度实际值是否大于画面设定值,若是,则通过增加循环风量的方式来降低循环气体co浓度;然后返回步骤2);若否,则进入执行步骤6);
6)计算循环气体co浓度的偏差值,再判断该偏差值的绝对值是否大于切换设定值μ,若是,则进入执行步骤7);若否,则进入执行步骤12);循环气体co浓度的偏差值算法的具体结构是:
e(k)=c(k)-c(set);式中,e(k):第k次采样时刻的循环气体co浓度的偏差值,c(k):第k次采样时刻的循环气体co浓度的实际值,c(set):循环气体co浓度的画面设定值;
7)通过其隶属函数,将循环气体co浓度的偏差值转换为相应隶属度的模糊子集,然后进入步骤8);
8)将连续两个采样周期内的循环气体co浓度偏差值的差值作为循环气体co浓度的偏差值变化率,再通过其隶属函数,将其转换为相应隶属度的模糊子集,然后进入步骤9);循环气体co浓度的偏差值变化率算法的具体结构是:v(k)=e(k)-e(k-1);
9)计算由循环气体co浓度偏差值所决定的模糊控制输出值ud,然后进入步骤10);
10)计算由循环气体co浓度偏差值变化率所决定的模糊控制输出值ug,然后进入步骤11);
11)计算由循环气体co浓度偏差值和循环气体co浓度偏差值变化率共同决定的模糊控制总输出值uz,然后将uz作为导入空气阀门开口度的给定值输出给阀门控制器,最后返回步骤2);模糊控制总输出值的具体结构是:uz=ud+ug,式中,uz:循环气体co浓度模糊控制总输出值;
12):计算通过pid控制算法调整系统控制算法输出值u(k),然后将u(k)作为导入空气阀门开口度的给定值输出给阀门控制器,最后返回步骤2);循环气体co浓度的pid控制算法输出值的具体结构是
本发明的进一步技术方案是:步骤5)增加循环风量算法的具体结构是:f(k)=f(k-1)*1.02;式中,f(k):循环风量。
本发明的进一步技术方案是:上述co浓度的闭环控制方法中,采用西门子wincc监控软件进行各种相关数据采集和记录。
本发明的进一步技术方案是:步骤7)循环气体co浓度的偏差值隶属函数算法的具体结构是:
本发明的进一步技术方案是:步骤8)循环气体co浓度的偏差值变化率隶属函数算法的具体结构是:
本发明的进一步技术方案是:步骤9)循环气体co浓度偏差值的模糊控制输出值的具体结构是:
本发明的进一步技术方案是:步骤10)循环气体co浓度偏差值变化率的模糊控制输出值的具体结构是:
本发明的有益效果是:本发明通过实验研究和理论分析相结合,构建的基于混合型模糊pid的干熄焦循环气体co浓度控制系统数学模型为核心算法,开发出智能控制系统,从而有效解决了传统的循环气体co浓度控制方式必须采用人工手动控制的现状,不仅实现了系统的自动控制,而且系统还具有更高的控制精度,更快的系统响应速度,完全适应装焦期间负荷周期、快速变化的需要,同时也减少了烧损,降低了co2的排放,提高了干熄焦产量,从而实现了既增产又节能减排的控制目标。
附图说明
图1为本发明干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法的操作流程图;
图2为传统手动控制的co浓度曲线;
图3为本发明控制方法控制的co浓度曲线。
具体实施方式
下面,结合附图和实施例对本发明之干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法的技术特征作进一步的说明。
实施例1
一种干熄焦循环气体co浓度的闭环控制方法,包括以下步骤:
1)通过监控画面设定理想的co浓度值即co浓度的画面设定值c(set),然后进入步骤2);
2)判定循环气体co浓度自动控制模式是否启动,若是,则进入步骤3);若否,则继续执行步骤2);
3)采样锅炉入口温度信号,循环气体co浓度实际值信号,循环风量信号,导入空气阀门开口度信号,然后进入步骤4);
4)判断锅炉入口温度是否高于960℃,若是,则进入执行步骤5);若否,则进入执行步骤6);
5)判断循环气体co浓度实际值是否大于画面设定值,若是,则通过增加循环风量的方式来降低循环气体co浓度;然后返回步骤2);若否,则进入执行步骤6);增加循环风量算法的具体结构是:
f(k)=f(k-1)*1.02;式中,f(k):循环风量;
6)计算循环气体co浓度的偏差值,再判断该偏差值的绝对值是否大于切换设定值μ,若是,则进入执行步骤7);若否,则进入执行步骤12);循环气体co浓度的偏差值算法的具体结构是:
e(k)=c(k)-c(set);式中,e(k):第k次采样时刻的循环气体co浓度的偏差值,c(k):第k次采样时刻的循环气体co浓度的实际值,c(set):循环气体co浓度的画面设定值;
7)通过其隶属函数,将循环气体co浓度的偏差值转换为相应隶属度的模糊子集,然后进入步骤8);循环气体co浓度的偏差值隶属函数算法的具体结构是:
8)将连续两个采样周期内的循环气体co浓度偏差值的差值作为循环气体co浓度的偏差值变化率,再通过其隶属函数,将其转换为相应隶属度的模糊子集,然后进入步骤9);循环气体co浓度的偏差值变化率算法的具体结构是:v(k)=e(k)-e(k-1);循环气体co浓度的偏差值变化率隶属函数算法的具体结构是:
9)计算由循环气体co浓度偏差值所决定的模糊控制输出值ud,然后进入步骤10);循环气体co浓度偏差值的模糊控制输出值的具体结构是:
10)计算由循环气体co浓度偏差值变化率所决定的模糊控制输出值ug,然后进入步骤11);循环气体co浓度偏差值变化率的模糊控制输出值的具体结构是:
11)计算由循环气体co浓度偏差值和循环气体co浓度偏差值变化率共同决定的模糊控制总输出值uz,然后将uz作为导入空气阀门开口度的给定值输出给阀门控制器,最后返回步骤2);模糊控制总输出值的具体结构是:uz=ud+ug,式中,uz:循环气体co浓度模糊控制总输出值;
当步骤6)中循环气体co实际浓度与画面设定值的偏差值大于切换设定值μ时,通过上述模糊推理法则可以迅速改变系统控制量,从而提高了控制系统的鲁棒性和系统响应速度,使之适应装焦期间负荷周期、快速变化的需要。
12):计算通过pid控制算法调整系统控制算法输出值u(k),然后将u(k)作为导入空气阀门开口度的给定值输出给阀门控制器,最后返回步骤2);循环气体co浓度的pid控制算法输出值的具体结构是
当步骤6)中循环气体co实际浓度与画面设定值的偏差值小于切换设定值μ时,可以通过上述pid控制算法调整系统控制量,从而提高co浓度控制系统的稳态精度,同时避免出现系统大幅震荡的现象。
本发明的研究过程为:本发明通过实验研究和理论分析相结合,构建基于混合型模糊pid的干熄焦循环气体co浓度控制系统的数学模型,并以此数学模型为核心算法,以西门子wincc实时采集的数据集合为基础数据,设计出干熄焦循环气体co浓度的智能控制器。这种控制器能使系统处于当co浓度偏差值大于某一门槛值时,可以通过模糊推理法则迅速改变系统控制量,从而提高co浓度控制系统的鲁棒性和系统响应速度,使之适应装焦期间负荷周期、快速变化的需要;而系统处于当co浓度偏差值小于某一门槛值时,可以通过切换到pid控制算法调整系统控制量,从而提高co浓度控制系统的稳态精度,同时避免出现系统大幅震荡的现象,从而实现既提高了产量又减少了有害物质排放的控制目的。具体内容分析如下:
a.研究干熄焦系统程序和循环气体co浓度运行曲线
本发明的应用直接对象是干熄焦循环气体co浓度控制系统,相当于对原有的控制系统进行了“系统升级”,所以要研究原有程序的控制构思和相关连锁,避免新系统与外围机械系统产生冲突、甚至不能正常运行,影响生产。研究循环气体co浓度运行曲线是为了分析循环风量、导入空气阀门开口度变化值和循环气体co浓度变化值及系统响应时间等关键数据之间的相互影响,为模型构建提供数据支撑。
b.构建循环气体co浓度的智能控制器
本发明以西门子wincc监控软件为工具对循环风量、导入空气阀门开口度变化值和循环气体co浓度变化值及系统响应时间等关键数据进行实时跟踪记录数据,并将循环气体co浓度变化值的运行轨迹数据划分为3个典型周期动作,再将采集到的数据集合应用模型构建理论,通过matlab构建基于混合型模糊pid控制器的数学模型。通过matlab仿真和验证,可以获得智能控制器参数对导入空气阀门开口度变化值和循环气体co浓度变化值及响应时间等关键数据的抑制/加剧作用的影响。实验结果表明,锅炉入口温度低于960℃时,采用增加导入空气流量来降低循环气体co浓度比较合适;锅炉入口温度高于960℃时,采用增加循环风量来降低循环气体co浓度比较合适;循环气体co浓度控制在6%左右时,系统能够在保证设备安全的前提下,实现干熄焦烧损率相对最低的工况。
c.构建基于混合型模糊pid的干熄焦循环气体co浓度控制系统。
本发明结合以上两方面的科学研究,设计了基于混合型模糊pid的干熄焦循环气体co浓度控制系统。本系统将模糊控制器引入到pid控制系统当中,设计了二维模糊pid控制器。循环气体co浓度偏差值与循环气体co浓度偏差值的变化率成为模糊pid控制器的两个输入变量,导入空气阀门开口度信号作为模糊pid的单输出。当循环气体co浓度偏差值大于切换设定值μ时,控制系统为了克服惯性引起的循环气体co浓度变化缓慢,通过模糊控制法则加大导入空气阀门开口度信号控制量,尽量消除误差,从而提高控制系统的动态特性;当循环气体co浓度偏差值小于切换设定值μ时,控制系统除了要消除误差外,还要考虑系统的稳定性,防止超调和震荡,通过切换到pid控制算法调整导入空气阀门开口度信号控制量,从而提高co浓度控制系统的稳态精度,同时避免出现系统大幅震荡的现象,从而实现既提高了产量又减少了有害物质排放的控制目的。