这篇智能化设计论文发表了智能化技术在焦炉集气管调节的应用，论文结合集气管中存在的实际问题，设计了一套先进的控制算法，从而让集气管的调节更加稳定，论文对该技术的方案和创新成果进行了如下探讨。
关键词：智能化设计论文,焦炉,集气管,模糊控制
目前，国内常采用PID和模糊控制方法来控制焦炉集气管压力的稳定，形成一个单闭环的反馈控制回路。但是焦炉控制系统不是一个简单的集气控制过程，集气管压力受外界影响较大，如：装煤量大小，装煤时间，出焦时间，炉数的变化，鼓风机入口吸力的变化等，所以采用PID和模糊控制的单一控制算法的效果不佳。
1焦炉集气管调节现状
焦炉的日常操作如摘炉门、关炉门、推焦、装煤、平煤、结焦时间的变更、加热制度的变化、煤气交换机换向、氨水喷淋、工艺设备运行状况及管道阻力变化、煤气后续处理压力等，这些干扰都会导致集气管压力的波动，而且干扰通常不能预先检测并前馈到控制系统，这就需要控制系统本身快速克服外部引入的干扰因素。影响集气管压力调节的因素包括：结焦的时间，装煤和出焦的频率，炉壁的密闭情况等很多因素，每一个因素的变化都会引起集气管压力的稳定，即这个系统是一个非线性系统，不能建立一个精确的模型来设计一个满足各方面要求的最优的控制系统。多座焦炉同时生产，存在于同一个大的鼓风循环系统，由于同属于一个系统内，集气管和集气管之间、集气管和鼓冷系统之间存在压力相互影响、干扰因素并存，再加上各焦炉集气管到鼓风机的距离不同，煤气输送管道分布不对称，鼓风机对每座焦炉的吸力影响也不同，因而耦合关系非常复杂。
2设计总体思路
采用先进控制算法，模糊控制、解耦控制、专家系统相结合的混合智能控制方法;设计开发一套专用于集气管压力控制的上位机组态软件;以网络技术为依托，混合智能控制器与原系统PID控制器并存，形成控制软件级热备份系统;软件采用OPC通信接口，不同型号的DCS连接，保证软件的通用性。
3技术方案及创新成果
3.1技术方案
3.1.1控制策略(1)对单集气管压力控制采用变结构模糊插值方法：根据集气管压力实时值，在考虑集气管压力可能变化的情况下，采用变结构模糊插值方法计算合理的阀位输出值，保证集气管压力逐步逼近设定值。其基本控制方法是将人的控制经验写入计算机程序，而这些经验程序不是固定的控制规律，是根据实际经验总结的特殊性控制规则，在设计中不用建立准确的数学控制模型，使得控制效果更加实用，干扰和参数变化对控制效果的影响减弱，其控制方式借鉴人的思维过程，加入了人类的实际经验，使得能够处理极其特殊的控制系统，使得控制器具有很强的适应现场工况变化的能力。(2)对装煤时集气管压力的大幅波动采用装煤扰动前馈控制方法：装煤过程中要采用高压氨水，通常借助高压氨水的喷射力在碳化室内产生负压，把荒煤气吸入集气管内，减少煤气外泄，当大量荒煤气因高压氨水的喷射力而进入集气管时容易造成某一段时间集气管压力过高的现象。根据现场的实际观察取样，在装煤车装煤的过程中，集气管压力过高的现象经常发生，对集气管压力调节造成很不利的影响，是集气管压力控制技术致力要解决的问题之一。本技术根据焦炉装煤操作信号，对焦炉集气管压力可能出现的阶跃时式干扰进行预判，用前馈控制方法解决装煤瞬间集气管压力过高的问题。(3)对多集气管间产生的耦合现象采用多集气管间解耦方法：耦合因素是困扰许多集气管控制系统的运行不好的重要原因，当焦炉集气管煤气压力平衡系统中，某一点的煤气压力发生变化时，就会以此为中心，向煤气管道平衡系统中的其他的方向传递，就会引起管道内其他检测点的压力发生变化，在煤气压力的传递过程中，会与管道内的阻碍物发生碰撞，并与鼓风机吸力作用叠加发生激荡，就会引发更多煤气压力监测点的压力变化;当更多的煤气压力点的压力发生变化时，整个煤气管道就会发生压力激荡，并遵循“涟漪叠加效应”规律，形成“耦合振荡”，这就是影响集气管压力稳定的基本因素。耦合强度与管道阻力传输距离有关，集气管之间距离越近耦合越强，同时其压力自平衡能力也越强。本技术引入耦合强度概念，耦合强度与管道阻力和传输距离有关，集气管之间的距离越近，耦合越强，并根据集气管间压力和阀位的不同，对用变结构模糊插值方法得到的阀位输出值进行调整，弥补集气管间的耦合影响，实现多集气管系统的解耦控制。(4)对鼓风机前电液执行器自动调节来保持初冷器前吸力稳定的问题，采用鼓风机前执行器控制与自动智能控制系统协同合作的方法：鼓风机前电液执行器翻版的变化会引起集气管压力的不稳定，集气管压力出现大的波动或阀门调节无法满足压力调整等情况下，需要根据工况对初冷器前吸力进行调整。但是鼓风机的控制仍以维持集气管压力为主，根据焦炉集气管压力和阀位的分布情况，通过煤气发生量和吸力情况，将鼓风机前电液执行器的动作方向设置为以集气管压力为参考值，使鼓风机前电液执行器动作为焦炉集气管调节阀创造更大的可调空间。此方法意在给出合理的集气管压力设定值，来保证集气管调节阀对集气管压力的控制。3.1.2技术特点(1)鉴于影响集气管压力的扰动因素其特性各不相同，本控制技术对于单集气管压力回路控制采用变结构模糊控制，在设计粗调和精调模糊控制器的基础上由专家系统进行决策，行之有效的解决了集气管压力在无大干扰时的快速收敛问题。当压力给定值与反馈值的偏差超出设定范围时，为了将压力快速调回到正常范围内，采用设定的粗调模糊控制器控制方式;当其偏差值在规定的范围内时，采用步长较小的精调模糊控制器控制方式。(2)针对多座焦炉的多点集气管压力发生变化时，整个管道内就会发生压力激荡，并遵循“涟漪叠加效应”规律形成“耦合震荡”。本技术对集气管之间的压力耦合进行补偿，在单座焦炉控制的基础上叠加解耦修正量，弥补其他集气管对此集气管的耦合影响，实现多集气管系统的解耦控制，减缓多集气管的耦合现象。同时引入耦合强度的概念，耦合强度与管道阻力和传输距离有关，集气管之间距离越近，耦合越强。并根据耦合度的强弱把集气管进行决策分组，对耦合较强的两个集气管做第一次解耦，再此基础上再与耦合较弱的集气管做第二次解耦，通过分布来强化解耦作用。
3.2创新成果
引入单回路集气管压力模糊控制算法和焦炉集气管压力专家抗扰与解耦算法两种算法使集气管压力控制稳定。由于在线模糊推理需要一定的计算时间，考虑到软件的实时性，采用离线推理——在线查询的方式实现模糊控制。(离线推理：根据集气管压力系统特性，结合专家经验，设计模糊规则，经过离线模糊推理，生成集气管压力模糊控制查询表)当算法检测到某段集气管存在装煤扰动时，即进行前馈补偿，补偿的大小由专家系统模块根据压力状态判断得出。考虑到各个并联集气管之间存在压力耦合，尤其有装煤作用时，耦合作用更明显，甚至会引起集气管之间压力耦合震荡，本软件采用集气管压力解耦控制算法，由专家系统模块根据压力状态、已设定的影响系数，对集气管之间的压力耦合进行补偿，当临近集气管受到装煤强干扰时，在单回路输出的基础上叠加解耦修正量，以弥补其它集气管对此集气管压力耦合的影响。
4结语
该技术已经应用于唐钢美锦煤化工有限公司的焦炉集气管调节系统中，现在的集气管压力控制在170Pa±20Pa范围内的比率达到70%以上,较以前集气管压力明显更加稳定。对保证焦炉炉体质量和环境保护方面都起到了良好的作用。
参考文献
[1]姚昭章.炼焦学[M].冶金工业出版社，1995.
[2]李士勇.模糊控制[M].哈尔滨工业大学出版社，2011.
作者：李晓东 单位：河北钢铁唐钢自动化公司
关键词：智能化设计论文,焦炉,集气管,模糊控制
目前，国内常采用PID和模糊控制方法来控制焦炉集气管压力的稳定，形成一个单闭环的反馈控制回路。但是焦炉控制系统不是一个简单的集气控制过程，集气管压力受外界影响较大，如：装煤量大小，装煤时间，出焦时间，炉数的变化，鼓风机入口吸力的变化等，所以采用PID和模糊控制的单一控制算法的效果不佳。
1焦炉集气管调节现状
焦炉的日常操作如摘炉门、关炉门、推焦、装煤、平煤、结焦时间的变更、加热制度的变化、煤气交换机换向、氨水喷淋、工艺设备运行状况及管道阻力变化、煤气后续处理压力等，这些干扰都会导致集气管压力的波动，而且干扰通常不能预先检测并前馈到控制系统，这就需要控制系统本身快速克服外部引入的干扰因素。影响集气管压力调节的因素包括：结焦的时间，装煤和出焦的频率，炉壁的密闭情况等很多因素，每一个因素的变化都会引起集气管压力的稳定，即这个系统是一个非线性系统，不能建立一个精确的模型来设计一个满足各方面要求的最优的控制系统。多座焦炉同时生产，存在于同一个大的鼓风循环系统，由于同属于一个系统内，集气管和集气管之间、集气管和鼓冷系统之间存在压力相互影响、干扰因素并存，再加上各焦炉集气管到鼓风机的距离不同，煤气输送管道分布不对称，鼓风机对每座焦炉的吸力影响也不同，因而耦合关系非常复杂。
2设计总体思路
采用先进控制算法，模糊控制、解耦控制、专家系统相结合的混合智能控制方法;设计开发一套专用于集气管压力控制的上位机组态软件;以网络技术为依托，混合智能控制器与原系统PID控制器并存，形成控制软件级热备份系统;软件采用OPC通信接口，不同型号的DCS连接，保证软件的通用性。
3技术方案及创新成果
3.1技术方案
3.1.1控制策略(1)对单集气管压力控制采用变结构模糊插值方法：根据集气管压力实时值，在考虑集气管压力可能变化的情况下，采用变结构模糊插值方法计算合理的阀位输出值，保证集气管压力逐步逼近设定值。其基本控制方法是将人的控制经验写入计算机程序，而这些经验程序不是固定的控制规律，是根据实际经验总结的特殊性控制规则，在设计中不用建立准确的数学控制模型，使得控制效果更加实用，干扰和参数变化对控制效果的影响减弱，其控制方式借鉴人的思维过程，加入了人类的实际经验，使得能够处理极其特殊的控制系统，使得控制器具有很强的适应现场工况变化的能力。(2)对装煤时集气管压力的大幅波动采用装煤扰动前馈控制方法：装煤过程中要采用高压氨水，通常借助高压氨水的喷射力在碳化室内产生负压，把荒煤气吸入集气管内，减少煤气外泄，当大量荒煤气因高压氨水的喷射力而进入集气管时容易造成某一段时间集气管压力过高的现象。根据现场的实际观察取样，在装煤车装煤的过程中，集气管压力过高的现象经常发生，对集气管压力调节造成很不利的影响，是集气管压力控制技术致力要解决的问题之一。本技术根据焦炉装煤操作信号，对焦炉集气管压力可能出现的阶跃时式干扰进行预判，用前馈控制方法解决装煤瞬间集气管压力过高的问题。(3)对多集气管间产生的耦合现象采用多集气管间解耦方法：耦合因素是困扰许多集气管控制系统的运行不好的重要原因，当焦炉集气管煤气压力平衡系统中，某一点的煤气压力发生变化时，就会以此为中心，向煤气管道平衡系统中的其他的方向传递，就会引起管道内其他检测点的压力发生变化，在煤气压力的传递过程中，会与管道内的阻碍物发生碰撞，并与鼓风机吸力作用叠加发生激荡，就会引发更多煤气压力监测点的压力变化;当更多的煤气压力点的压力发生变化时，整个煤气管道就会发生压力激荡，并遵循“涟漪叠加效应”规律，形成“耦合振荡”，这就是影响集气管压力稳定的基本因素。耦合强度与管道阻力传输距离有关，集气管之间距离越近耦合越强，同时其压力自平衡能力也越强。本技术引入耦合强度概念，耦合强度与管道阻力和传输距离有关，集气管之间的距离越近，耦合越强，并根据集气管间压力和阀位的不同，对用变结构模糊插值方法得到的阀位输出值进行调整，弥补集气管间的耦合影响，实现多集气管系统的解耦控制。(4)对鼓风机前电液执行器自动调节来保持初冷器前吸力稳定的问题，采用鼓风机前执行器控制与自动智能控制系统协同合作的方法：鼓风机前电液执行器翻版的变化会引起集气管压力的不稳定，集气管压力出现大的波动或阀门调节无法满足压力调整等情况下，需要根据工况对初冷器前吸力进行调整。但是鼓风机的控制仍以维持集气管压力为主，根据焦炉集气管压力和阀位的分布情况，通过煤气发生量和吸力情况，将鼓风机前电液执行器的动作方向设置为以集气管压力为参考值，使鼓风机前电液执行器动作为焦炉集气管调节阀创造更大的可调空间。此方法意在给出合理的集气管压力设定值，来保证集气管调节阀对集气管压力的控制。3.1.2技术特点(1)鉴于影响集气管压力的扰动因素其特性各不相同，本控制技术对于单集气管压力回路控制采用变结构模糊控制，在设计粗调和精调模糊控制器的基础上由专家系统进行决策，行之有效的解决了集气管压力在无大干扰时的快速收敛问题。当压力给定值与反馈值的偏差超出设定范围时，为了将压力快速调回到正常范围内，采用设定的粗调模糊控制器控制方式;当其偏差值在规定的范围内时，采用步长较小的精调模糊控制器控制方式。(2)针对多座焦炉的多点集气管压力发生变化时，整个管道内就会发生压力激荡，并遵循“涟漪叠加效应”规律形成“耦合震荡”。本技术对集气管之间的压力耦合进行补偿，在单座焦炉控制的基础上叠加解耦修正量，弥补其他集气管对此集气管的耦合影响，实现多集气管系统的解耦控制，减缓多集气管的耦合现象。同时引入耦合强度的概念，耦合强度与管道阻力和传输距离有关，集气管之间距离越近，耦合越强。并根据耦合度的强弱把集气管进行决策分组，对耦合较强的两个集气管做第一次解耦，再此基础上再与耦合较弱的集气管做第二次解耦，通过分布来强化解耦作用。
3.2创新成果
引入单回路集气管压力模糊控制算法和焦炉集气管压力专家抗扰与解耦算法两种算法使集气管压力控制稳定。由于在线模糊推理需要一定的计算时间，考虑到软件的实时性，采用离线推理——在线查询的方式实现模糊控制。(离线推理：根据集气管压力系统特性，结合专家经验，设计模糊规则，经过离线模糊推理，生成集气管压力模糊控制查询表)当算法检测到某段集气管存在装煤扰动时，即进行前馈补偿，补偿的大小由专家系统模块根据压力状态判断得出。考虑到各个并联集气管之间存在压力耦合，尤其有装煤作用时，耦合作用更明显，甚至会引起集气管之间压力耦合震荡，本软件采用集气管压力解耦控制算法，由专家系统模块根据压力状态、已设定的影响系数，对集气管之间的压力耦合进行补偿，当临近集气管受到装煤强干扰时，在单回路输出的基础上叠加解耦修正量，以弥补其它集气管对此集气管压力耦合的影响。
4结语
该技术已经应用于唐钢美锦煤化工有限公司的焦炉集气管调节系统中，现在的集气管压力控制在170Pa±20Pa范围内的比率达到70%以上,较以前集气管压力明显更加稳定。对保证焦炉炉体质量和环境保护方面都起到了良好的作用。
参考文献
[1]姚昭章.炼焦学[M].冶金工业出版社，1995.
[2]李士勇.模糊控制[M].哈尔滨工业大学出版社，2011.
作者：李晓东 单位：河北钢铁唐钢自动化公司
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