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一種基于模糊pid控制的高爐冷卻強度控制方法

文檔序號:8921808閱讀:518來源:國知局
一種基于模糊pid控制的高爐冷卻強度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高爐冷卻控制技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說,涉及一種基于模糊PID控制的 高爐冷卻強度控制方法,本發(fā)明尤其適用于高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高爐長壽的發(fā)展過程,最顯著的特征之一就是盡力提高爐體冷卻設(shè)備的冷卻能 力,高爐冷卻設(shè)備冷卻能力的不斷提高,使高爐壽命在很大程度上得到延長。目前常規(guī)的高 爐冷卻設(shè)計采用"恒流量"的供水冷卻方式。高爐各部位冷卻元件的供水量,不能根據(jù)冷卻 強度的具體需要而變化,每個冷卻元件所得到的冷卻水量,只能滿足高爐一般熱負荷條件 下的需要,而不能滿足峰值熱負荷時的需要。因此,需要根據(jù)高爐各部分的熱負荷變動情況 調(diào)節(jié)供水量,使冷卻強度與冷卻壁熱負荷相適應(yīng)并能始終保持平衡,從而降低爐體熱負荷 和爐襯熱負荷波動,保持無過熱、低應(yīng)力的爐體和冷卻壁結(jié)構(gòu),進而構(gòu)成合理的高爐內(nèi)襯, 同時也減緩冷卻設(shè)備的侵蝕,實現(xiàn)高爐長壽。
[0003] 目前,調(diào)節(jié)冷卻水供水量主要通過人工調(diào)節(jié)或采用溫差自力式調(diào)節(jié)閥。其中,現(xiàn)行 普遍采用的人工調(diào)節(jié)方式,當且僅當水溫差長時間異常時,才通過人工調(diào)節(jié)冷卻水進水閥 門,從而改變冷卻水流量,調(diào)節(jié)實時性差,消耗大量人力且存在安全隱患。
[0004] 溫差自力式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參看圖8,溫差自力式調(diào)節(jié)閥主要包括上水腔1、彈簧2、 隔熱活塞3、下水腔4和閥芯5。冷卻壁進水和出水分別通過上水腔1和下水腔4,冷卻壁的 進出口水溫差為調(diào)節(jié)閥提供推力,當冷卻水溫差恒定時,彈簧2保持穩(wěn)定,上水腔1和下水 腔4內(nèi)的流量為恒定;當冷卻水溫差產(chǎn)生變化時,推力產(chǎn)生變化,上水腔1和下水腔4內(nèi)的 流量產(chǎn)生變化,從而達到控制冷卻水流量、控制冷卻壁水溫差的目的。
[0005] 然而,采用溫差自力式調(diào)節(jié)閥依據(jù)冷卻壁的熱負荷自動調(diào)節(jié)冷卻壁進水流量,雖 然控制簡單易行,但適用范圍較窄,無法適用于目前應(yīng)用廣泛的高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系 統(tǒng),且無法適應(yīng)高爐冷卻系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境,穩(wěn)定性不好,無法達到精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0007] 本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種基于模糊PID控制的高爐冷卻 強度控制方法。本發(fā)明提出了一種新穎的高爐供水冷卻方式,在模糊PID控制系統(tǒng)控制下, 設(shè)定冷卻水溫差值,進行三通分流閥的調(diào)節(jié),當溫差達到設(shè)定值并穩(wěn)定后,停止三通分流閥 的動作,實現(xiàn)了高爐冷卻強度的有效控制。
[0008] 2?技術(shù)方案
[0009] 為達到上述目的,本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0010] 本發(fā)明的一種基于模糊PID控制的高爐冷卻強度控制方法,其步驟為:
[0011] 步驟一、建立高爐冷卻強度控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)以三通分流閥作為執(zhí)行機構(gòu),冷 卻壁作為被控對象,采用模糊PID控制器調(diào)節(jié)三通分流閥開度,進而控制冷卻壁冷卻強度;
[0012] 步驟二、實時檢測高爐冷卻水溫差A(yù)t= (、-&)和冷卻水體積流量qw,并計算出 水溫差與其設(shè)定值的偏差eAt;
[0013] 步驟三、將步驟二所得偏差eAt輸入到步驟一所述模糊PID控制器中,利用模糊 PID控制器進行模糊控制,輸出三通分流閥開度控制量1來調(diào)節(jié)冷卻水體積流量qw,使冷卻 水溫差回歸設(shè)定值;
[0014] 步驟四、當高爐熱負荷發(fā)生改變時,重復(fù)步驟二~三,進行新一輪的控制。
[0015] 更進一步地,步驟三中模糊控制采用Mamdani推理算法,輸入變量為冷卻水溫差 偏差值e和溫差變化率ec,e和ec分別乘以設(shè)定的量化因子,上述量化因子由高爐冷卻系 統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)確定,不同的高爐冷卻系統(tǒng)以及同一座高爐不同位置的冷卻系統(tǒng)的量化因子 均不相同。e和ec經(jīng)過模糊化處理后得到E和EC,輸出變量為PID控制的比例增益系數(shù) AKp,積分增益系數(shù)AI,微分增益系數(shù)AKd,所述溫差偏差值E、溫差變化率EC、比例增益 系數(shù)AKP、積分增益系數(shù)八心和微分增益系數(shù)AKd的論域為{-3、-2、-1、0、1、2、3},模糊集 為{NB、匪、NS、ZO、PS、PM、PB},分別代表{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大}。
[0016] 更進一步地,步驟三中比例增益系數(shù)AKp的模糊控制規(guī)則表為:
[0018] 更進一步地,步驟三中積分增益系數(shù)A&的模糊控制規(guī)則表為:
[0020] 更進一步地,步驟三中微分增益系數(shù)AKd的模糊控制規(guī)則表為:
[0021]
[0022] 3.有益效果
[0023] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案,與已有的公知技術(shù)相比,具有如下顯著效果:
[0024] (1)本發(fā)明的一種基于模糊PID控制的高爐冷卻強度控制方法,基于傳熱學(xué)和工 程熱力學(xué),通過實際冷卻水溫差與設(shè)定水溫差的差值來調(diào)節(jié)冷卻水流量,從而改變冷卻強 度消除高爐熱負荷的波動量,維持水溫差的恒定,使冷卻強度與熱負荷之間形成平衡,可以 實現(xiàn)在任何熱負荷狀態(tài)下的冷卻強度自動控制;
[0025] (2)本發(fā)明的一種基于模糊PID控制的高爐冷卻強度控制方法,以三通分流閥作 為執(zhí)行機構(gòu),冷卻壁作為被控對象,調(diào)節(jié)冷卻壁傳熱,并結(jié)合常規(guī)PID控制和模糊控制的優(yōu) 點,根據(jù)高爐冷卻強度控制系統(tǒng)的非線性、時滯性和可能的不確定因素,以及高爐軟水密閉 循環(huán)冷卻系統(tǒng)的工作特性,建立了PID參數(shù)自整定推導(dǎo)規(guī)則,相比現(xiàn)有技術(shù),實現(xiàn)了冷卻強 度的實時控制,同時提高了控制的精確性和穩(wěn)定性,減少了人力消耗。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明基于模糊PID控制的高爐冷卻強度控制原理圖;
[0027] 圖2為本發(fā)明的仿真數(shù)學(xué)模型圖;
[0028] 圖3為本發(fā)明中冷卻壁的熱量傳遞關(guān)系圖;
[0029] 圖4為本發(fā)明中三通閥的流量分配圖;
[0030] 圖5為本發(fā)明中模糊PID的控制原理圖;
[0031] 圖6為本發(fā)明中輸入變量的隸屬度函數(shù)圖;
[0032] 圖7為本發(fā)明中輸出變量的隸屬度函數(shù)圖;
[0033] 圖8為溫差自力式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 不意圖中的標號說明:
[0035] 1、上水腔;2、彈簧;3、隔熱活塞;4、下水腔;5、閥芯。
【具體實施方式】
[0036] 為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容,結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0037] 結(jié)合附圖,本實施例的一種基于模糊PID控制的高爐冷卻強度控制方法,目的是 通過調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制高爐冷卻強度,維持高爐冷卻水溫差的恒定,保持冷卻強度和 高爐熱負荷之間的平衡,實現(xiàn)高爐長壽。
[0038] 冷卻壁的熱平衡方程為:
[0039] Q = 0^02 (1)
[0040] Q:= = cwvSp (t0-ti) = cwqwp (t〇-ti) (2)
[0041] 式中,Q為高爐傳給冷卻壁的總傳熱量;QiS冷卻水從冷卻壁帶走的熱量;Q2為冷 卻壁冷面和空氣之間的對流傳熱量;cw為冷卻水的比熱容,mfS冷卻水的質(zhì)量流量,S為冷 卻水管的橫截面積,P為冷卻水密度,qw為冷卻水體積流量,v為冷卻水流速,、為冷卻壁 進口水溫度,t。為冷卻壁出口水溫度。
[0042] 由于%約占總熱收入的2%左右,可以忽略不計,且cw、P為定值,由式(1)、(2) 可得冷卻壁的冷卻強度同qw,(k-tj有關(guān),即可通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量和水溫差來調(diào)節(jié)冷 卻壁的冷卻強度,從而消除爐體熱負荷波動。冷卻水的流量和冷卻水溫差既反映了冷卻 壁的熱負荷,又代表冷卻壁的冷卻強度,每一個溫差(t。-!^)對應(yīng)一個流量qw,每一組qJP (Hi),就構(gòu)成這一狀態(tài)下的冷卻強度,這一冷卻強度也等于這一狀態(tài)時冷卻壁的熱負荷。 當高爐熱負荷產(chǎn)生波動時,冷卻壁熱負荷也產(chǎn)生變化。由于高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的 冷卻水總流量不變,所以冷卻壁熱負荷變化首先反應(yīng)為溫差的變化。
[0043] 本實施例正是依據(jù)上述原理,確定通過實際冷卻水溫差與設(shè)定冷卻水溫差的差值 來調(diào)節(jié)冷卻水流量,從而改變冷卻強度消除熱負荷的波動量,使溫差回歸設(shè)定值,維持水溫 差的恒定,冷卻強度與熱負荷之間又形成新的平衡。在這種控制狀態(tài)下,高爐爐體的熱負荷 越高,流量越高,熱負荷越低,流量越低。只要溫差和流量在所允許的范圍內(nèi)波動,并且可以 包容熱負荷的波動范圍,就可以實現(xiàn)在任何熱負荷狀態(tài)下的冷卻強度自動控制。
[0044] 本實施例基于傳熱學(xué)和工程熱力學(xué),以三通分流閥作為執(zhí)行機構(gòu),冷卻壁作為被 控對象,調(diào)節(jié)冷卻壁傳熱。結(jié)合常規(guī)PID控制和模糊控制的優(yōu)點,根據(jù)高爐冷卻強度控制系 統(tǒng)的非線性、時滯性和可能的不確定因素,以及高爐軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的工作特性,建 立了PID參數(shù)自整定推導(dǎo)規(guī)則,設(shè)計了高爐冷卻強度控制系統(tǒng)的模糊PID控制器。
[0045] 參看圖1,本實施例將冷卻水溫差的偏差值eAt,輸入到模糊PID控制器中,利用模 糊PID控制器輸出三通分流閥開度控制量1,從而對冷卻水流量^進行調(diào)節(jié),進而控制冷卻 壁的冷卻強度,同時消除高爐熱負荷擾動AQ對控制系統(tǒng)的影響,使得冷卻強度同熱負荷 相適應(yīng),實現(xiàn)高爐冷卻強度的有效控制,減小冷卻水溫差的波動范圍。
[0046] 參看圖2,本實施例根據(jù)高爐冷卻系統(tǒng)的工作參數(shù)指標,建立了基于冷卻壁傳熱和 三通分流閥流量特性的仿真數(shù)學(xué)模型。下面將結(jié)合所述仿真數(shù)學(xué)模型對本實施例的高爐冷 卻強度控制方法進行具體分析。
[0047] (1)冷卻壁傳熱
[0048] 冷卻水從冷卻壁水管中流過,對高爐爐體進行冷卻。在分
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