一种干熄焦循环气体CO浓度的闭环控制方法

摘要

本发明公开了一种干熄焦循环气体CO浓度的闭环控制方法，其通过分析循环风量、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对干熄焦循环气体CO浓度所产生的影响，构建干熄焦循环气体CO浓度闭环控制系统的数学模型，并将模糊PID控制技术引入到循环气体CO浓度控制系统当中，再以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，从而有效改变了传统的循环气体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，而且还能够将CO浓度控制在理想的设定值附近范围内，减少烧损，降低CO2的排放，提高干熄焦产量，从而实现了既增产又节能减排的控制目标。

说明书

技术领域

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。

发明内容

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U_D，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U_G，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U_Z，然后将U_Z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：U_Z＝U_D+U_G，式中，U_Z：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式中K_D：微分系数；K_I：积分系数；Kp：比例系数；U(k)：控制算法输出值。

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：式中，a：循环气体CO浓度的偏差值的分点差值，N_i为分点值对应子集{-3a，-2a，-a，0，a，2a，3a}，D_i为循环气体CO浓度的偏差值隶属度映射子集{NB，NM，NS,0,PS,PM,PB}。

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：式中，V(k)：循环气体CO浓度的偏差值变化率，b：循环气体CO浓度的偏差值变化率的分点差值，L_i为分点值对应子集{-3b，-2b，-b，0，b，2b，3b}，G_i为循环气体CO浓度偏差值变化率隶属度映射子集{NBV，NMV，NSV,0,PSV,PMV,PBV}。

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：式中，U_D：循环气体CO浓度偏差值的模糊控制输出值，J_i为循环气体CO浓度偏差值模糊控制的当权系数。

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：式中，U_G：循环气体CO浓度偏差值变化率的模糊控制输出值，Q_i为循环气体CO浓度偏差值变化率模糊控制的当权系数。

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：式中，a：循环气体CO浓度的偏差值的分点差值，N_i为分点值对应子集{-3a，-2a，-a，0，a，2a，3a}，D_i为循环气体CO浓度的偏差值隶属度映射子集{NB，NM，NS,0,PS,PM,PB}；

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：式中，V(k)：循环气体CO浓度的偏差值变化率，b：循环气体CO浓度的偏差值变化率的分点差值，L_i为分点值对应子集{-3b，-2b，-b，0，b，2b，3b}，G_i为循环气体CO浓度偏差值变化率隶属度映射子集{NBV，NMV，NSV,0,PSV,PMV,PBV}；

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U_D，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：式中，U_D：循环气体CO浓度偏差值的模糊控制输出值，J_i为循环气体CO浓度偏差值模糊控制的当权系数；

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U_G，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：式中，U_G：循环气体CO浓度偏差值变化率的模糊控制输出值，Q_i为循环气体CO浓度偏差值变化率模糊控制的当权系数；

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U_Z，然后将U_Z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：U_Z＝U_D+U_G，式中，U_Z：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式中K_D：微分系数；K_I：积分系数；Kp：比例系数；U(k)：控制算法输出值；

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。