焦炉集气管压力智能预测控制方法及应用研究

摘要

焦炭是冶金工业炼铁的主要原料，在炼焦生产过程中会伴随产生大量的副产品荒煤气。通过集气过程有效回收利用荒煤气，不仅节约能源，而且降低环境污染，是钢铁生产的重要环节。焦炉集气管压力是炼焦生产中的重要参数，它的稳定与否直接影响着焦炭和煤气质量、设备寿命以及生产环境。现场调研发现，目前很多焦化厂集气管压力的控制效果并不理想，跑烟冒火现象严重，是焦化行业公认的控制难题。因此，研究焦炉集气过程的控制对钢铁工业生产有着重要的意义。
　　由于连通作用，焦炉集气管压力与主管吸力之间存在着耦合影响。另外，集气管压力还受到间歇性装煤脉冲强干扰的影响。但是目前焦化生产现场大多仍采用传统的单独调节策略，单集气管压力和主管吸力的控制分别独立进行，很难达到理想的控制效果。本文针对集气管压力控制问题，在不改变现有工艺的情况下，提出一种焦炉集气管压力智能预测控制策略，并且开发了专用的可组态软件产品，在实际应用中取得了较好的效果，为有效解决焦炉集气管压力的控制问题提供了一种新的途径。本文主要研究内容如下:
　　针对集气过程的多变量、闭环连续运行以及装煤扰动等问题，提出了一种焦炉集气系统闭环子空间辨识策略。首先，针对多变量系统变量、噪声间具有相关性时，子空间辨识不具有一致性估计的问题，在闭环子空间辨识方法PARSIM-E的基础上，提出了结合PLS的闭环子空间矩阵预估方程求解方法;其次，针对PARSIM-E方法在求解状态空间模型时计算复杂的问题，结合开环子空间辨识方法N4SID，提出了一种快速求解状态空间模型的闭环子空间辨识方法;最后，通过系统分析，采用一定宽度的脉冲信号模拟装煤扰动信号，并且对焦炉集气过程数据利用闭环子空间辨识策略进行辨识与压力输出预测。
　　在考虑集气管压力系统的可测扰动输入以及工艺指标软约束的前提下，设计了集气管压力子空间预测控制及稳态目标计算方法。首先，在直接结构子空间预测控制方法的基础上，针对集气系统中的可测扰动和约束问题，设计了包含前馈作用的集气管压力增量式子空间预测控制方法;其次，针对多焦炉集气管压力预测控制在线优化求解时的时效性问题，引入拉盖尔函数实现集气管压力预测控制输入信号轨迹参数化，从而降低优化问题求解的复杂程度，节约在线运算时间;最后，为了在焦炉集气管压力系统输入输出的最优工艺区域中找到最佳的输入输出目标值，设计了基于子空间矩阵预估模型的集气管压力稳态目标计算方法。当系统受到扰动时，通过调整预测控制中的控制目标值，使系统的稳态输入、输出满足软约束条件。
　　针对焦炉集气管压力系统的复杂性以及单一控制方法难以取得理想控制效果的问题，结合鼓冷车间的主管吸力优化，提出了一种焦炉集气管压力智能预测控制算法。首先，针对实际被控对象中的未建模动态、参数时变、有界干扰等导致的模型失配问题，引入模糊预测控制方法，使用模糊控制方法对子空间预测控制的输出进行校正。其次，针对目前主管吸力在鼓冷车间单独调节，没有考虑其对集气管压力控制影响的问题，提出了一种多集气管综合吸力状态多级模糊评判和引风机转速调节专家控制方法。最后，利用ABC-BP算法对鼓冷吸力系统数据进行辨识，建立了焦炉集气过程混合模型，通过混合模型验证了本文方法的有效性。
　　针对目前集气管压力控制算法嵌入在不同控制平台上造成可移植性差、开发周期长和难以推广等问题。设计并开发了一套焦炉集气管压力智能预测控制软件产品，实现了集气管压力智能预测控制策略在焦化生产中的应用。该软件提供通用的OPC通信接口，并且以焦炉集气管压力系统专用可组态软件的形式为不同的炉型提供灵活的组态功能，保证了软件的适用性。目前该软件已经先后在两个企业的不同型号焦炉上长时间正常运行，并且达到了现场的工艺要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外焦炉集气管压力建模研究

1．2．2 国内外焦炉集气管压力控制研究

1．3 焦炉集气管压力控制存在的主要问题

1．4 本文的主要工作和内容安排

第二章 焦炉集气系统介绍

2．1 焦炉集气过程工艺

2．2 集气管压力控制

2．2．1 控制系统结构

2．2．2．集气管压力的测量与设定

2．2．3 集气管压力系统分析

2．3 本章小结

第三章 子空间辨识以及焦炉集气管压力预测

3．1 引言

3．2 开环子空间辨识方法

3．2．1 预备知识

3．2．2 子空间矩阵描述

3．2．3 子空间矩阵的开环辨识方法

3．2．4 子空间状态空间模型辨识

3．3 结合PLS的闭环子空间矩阵辨识

3．3．1 闭环子空间矩阵辨识方法

3．3．2 PLS方法求解子空间矩阵

3．3．3 仿真研究

3．4 改进的闭环子空间状态模型辨识方法

3．4．1 问题分析

3．4．2 改进的闭环子空间状态模型辨识步骤

3．5 基于改进闭环子空间辨识方法的集气管压力预测

3．5．1 焦炉集气系统装煤信号分析

3．5．2 焦炉集气系统子空间辨识与预测

3．6 本章小结

第四章 集气管压力子空间预测控制及稳态目标计算

4．1 引言

4．2 子空间预测控制基本方法

4．2．1 直接子空间预测控制方法

4．2．2 间接子空间预测控制方法

4．2．3 仿真研究

4．3 集气管压力直接子空间预测控制

4．4 基于拉盖尔函数的动态优化问题快速求解

4．4．1 拉盖尔函数

4．4．2 控制输入轨迹的拉盖尔函数参数化

4．4．3 输入信号参数化后的集气管压力动态优化控制

4．5 基于子空间矩阵的集气管压力稳态目标计算

4．6 仿真研究

4．7 本章小结

第五章 集气管压力智能预测控制方法研究

5．1 引言

5．2 焦炉集气管压力系统智能预测控制框架设计

5．2．1 炼焦车间集气管压力控制模块

5．2．2 鼓冷车间吸力优化模块

5．3 集气管压力控制的模糊反馈校正

5．3．1 模糊预测控制方法概述

5．3．2 集气管压力模糊反馈校正设计

5．4 焦炉集气系统吸力智能优化方法

5．4．1 吸力对集气管压力的影响

5．4．2 基于模糊推理的焦炉集气过程吸力状态判断

5．4．3 正常工况下单集气管吸力状态判断

5．4．4 装煤工况下集气管吸力状态判断

5．4．5 多集气管吸力状态的多级模糊评判

5．4．6 引风机转速的专家调整

5．5 仿真研究

5．5．1 焦炉集气管压力系统仿真模型

5．5．2 仿真结果

5．6 本章小结

第六章 控制软件研发与工业应用

6．1 引言

6．2 控制系统结构

6．3 控制软件开发与实现

6．3．1 软件结构

6．3．2 用户组态模块

6．3．3 OPC变量通信模块

6．3．4 智能预测控制算法模块

6．4 实际应用情况与控制效果

6．4．1 应用实例一

6．4．2 应用实例二

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目