專利名稱：焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)自動(dòng)加熱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)加熱技術(shù)領(lǐng)域，屬于焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)技術(shù)。
背景技術(shù)：
焦?fàn)t是冶金和能源工業(yè)中一個(gè)重要的生產(chǎn)裝備，它通過(guò)對(duì)煤的高溫干餾生產(chǎn)焦碳，煤氣和化工產(chǎn)品。作為一個(gè)典型的工業(yè)加熱過(guò)程，焦?fàn)t是一個(gè)大時(shí)滯，大慣性，強(qiáng)非線性以及變參數(shù)和多擾動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，其中，焦?fàn)t直行溫度是煉焦生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的技術(shù)指標(biāo)之一，直接關(guān)系到焦碳質(zhì)量和爐體壽命。焦?fàn)t加熱就是通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣流量和煙道吸力來(lái)調(diào)節(jié)直行溫度，其目標(biāo)是在穩(wěn)定爐溫的同時(shí)通過(guò)吸力調(diào)節(jié)保證燃燒效率的最優(yōu)化。
傳統(tǒng)的人工加熱制度依靠經(jīng)驗(yàn)和人工測(cè)量的火道溫度調(diào)節(jié)煤氣流量和煙道吸力。由于人工測(cè)溫間隔較長(zhǎng)(一般為4個(gè)小時(shí))以及操作人員經(jīng)驗(yàn)的局限性使溫度調(diào)節(jié)效果無(wú)法保證，爐溫波動(dòng)大，燃燒效率較低。焦?fàn)t加熱的自動(dòng)化(自動(dòng)加熱)有助于避免人工加熱的不確定性，提高焦?fàn)t的操作和運(yùn)行水平。
焦?fàn)t自動(dòng)加熱有三種結(jié)構(gòu)，即前饋結(jié)構(gòu)，反饋結(jié)構(gòu)以及反饋+前饋結(jié)構(gòu)。前饋結(jié)構(gòu)根據(jù)供熱模型直接控制總供熱量，缺點(diǎn)是投資大，適應(yīng)性差，維護(hù)困難，且不能克服各種隨機(jī)擾動(dòng)。反饋結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定火道直行溫度為目標(biāo)，通過(guò)比較火道溫度和目標(biāo)溫度來(lái)調(diào)節(jié)煤氣流量和煙道吸力，實(shí)現(xiàn)加熱控制。與前饋結(jié)構(gòu)方式相比，反饋結(jié)構(gòu)能克服各種隨機(jī)擾動(dòng)，投資少，維護(hù)成本低，適應(yīng)性好。但是，火道溫度難于在線檢測(cè)，因此實(shí)施基于反饋結(jié)構(gòu)的加熱自動(dòng)控制存在技術(shù)上的困難。反饋+前饋結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是在反饋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)可測(cè)擾動(dòng)增加前饋補(bǔ)償。
雖然基于反饋結(jié)構(gòu)的自動(dòng)加熱有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于焦?fàn)t生產(chǎn)工藝的特殊性，焦?fàn)t火道溫度難于在線檢測(cè)，這成為實(shí)施反饋?zhàn)詣?dòng)加熱的最大技術(shù)障礙。為了解決此問(wèn)題，目前多采用軟測(cè)量方法，即通過(guò)蓄熱室溫度和火道溫度之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)估計(jì)火道溫度，據(jù)此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱。火道模型是這種方法的關(guān)鍵。為了建立模型，傳統(tǒng)方法要求采集大量的蓄熱室溫度與對(duì)應(yīng)的立火道人工測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，然后通過(guò)一定的數(shù)學(xué)手段得到模型參數(shù)。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，煤氣熱值，煤水分，焦?fàn)t爐況等因素的改變都會(huì)導(dǎo)致蓄熱室溫度和火道溫度間實(shí)際關(guān)系的變化，且變化的時(shí)間和幅度無(wú)法預(yù)知。傳統(tǒng)方法忽視了火道模型的改變，導(dǎo)致所估計(jì)的火道溫度常常有較大誤差。帶有誤差的火道溫度估計(jì)結(jié)果除了給觀察爐溫造成偏差外，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致煤氣流量調(diào)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題。
煤氣流量調(diào)節(jié)一般采用比例調(diào)節(jié)算法，即Q＝kQ(Tsp-Th)+Q0其中，Q和Q0表示煤氣流量及其穩(wěn)態(tài)值，kQ是比例增益，Tsp是火道溫度的設(shè)定值，Th是火道溫度的估計(jì)值。由此，煤氣流量調(diào)節(jié)要基于所估計(jì)的火道溫度和設(shè)定的目標(biāo)溫度間的偏差。然而，由于通過(guò)火道模型估計(jì)的火道溫度不可避免地存在估計(jì)誤差，這有可能導(dǎo)致兩種異常情況1)實(shí)際爐溫低于目標(biāo)溫度，但估計(jì)的火道溫度偏高，于是減小煤氣流量，從而使實(shí)際溫度更低；2)實(shí)際爐溫高于目標(biāo)溫度，但估計(jì)的火道溫度偏低，于是增加煤氣流量，從而使實(shí)際溫度更高。這實(shí)質(zhì)上是將爐溫調(diào)節(jié)變成了對(duì)爐溫的擾動(dòng)，從而引起爐溫的大幅波動(dòng)并進(jìn)一步惡化爐溫調(diào)節(jié)。這是傳統(tǒng)反饋?zhàn)詣?dòng)加熱方法一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。出現(xiàn)該問(wèn)題的原因是火道溫度估計(jì)準(zhǔn)確性低以及調(diào)節(jié)算法的容錯(cuò)性差。
另外，改變煤氣流量的同時(shí)必須改變進(jìn)入焦?fàn)t的空氣量，以保證最佳空燃比，降低能源消耗，避免環(huán)境污染?？諝饬客ㄟ^(guò)煙道吸力來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的目標(biāo)是控制煙道廢氣的含氧量。含氧量可以采用氧化鋯在線測(cè)量，但氧化鋯使用壽命短，故障率高，可靠性差，因此，一般不投入閉環(huán)控制，而僅作為檢測(cè)和監(jiān)視使用。目前，包括焦?fàn)t加熱在內(nèi)的工業(yè)加熱過(guò)程一般都采用人工調(diào)節(jié)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立的粗略模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，燃燒效果無(wú)法保證。由于自動(dòng)加熱需要經(jīng)常改變煤氣流量，如果不能有效地調(diào)節(jié)吸力，有可能造成過(guò)量空氣帶走熱量或空氣不足造成未充分燃燒的煤氣污染環(huán)境和浪費(fèi)能源，從而極大地降低煤氣的燃燒效率并有可能導(dǎo)致煤氣流量調(diào)節(jié)失去作用。
總之，要從根本上改善焦?fàn)t基于反饋結(jié)構(gòu)的自動(dòng)加熱必須解決如下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題(1)提高火道溫度估計(jì)準(zhǔn)確性；(2)增強(qiáng)煤氣流量調(diào)節(jié)的容錯(cuò)性；(3)煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)。
傳統(tǒng)自動(dòng)加熱技術(shù)尚未有效解決這三個(gè)問(wèn)題或者存在較大局限性，這使得焦?fàn)t加熱反饋控制的可靠性，適應(yīng)性較差，效果與工業(yè)生產(chǎn)要求有較大差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，針對(duì)焦?fàn)t加熱反饋控制中的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，分別給出了新的解決方法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種基于反饋結(jié)構(gòu)的新型自動(dòng)加熱技術(shù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)自動(dòng)加熱方法，其包括(1)基于自校正火道模型的火道溫度估計(jì)方法；(2)智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法；(3)基于煙道精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法；其中，自校正火道模型就是連續(xù)采集蓄熱室溫度數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的人工測(cè)量得到的火道溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)造“滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口”數(shù)據(jù)集合并修正火道模型參數(shù)，以跟蹤由于系統(tǒng)環(huán)境因素的改變?cè)斐傻男顭崾覝囟群突鸬罍囟乳g函數(shù)關(guān)系的變化，提高火道溫度估計(jì)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)自動(dòng)加熱的可靠性。
所述的方法，其所述蓄熱室溫度和火道溫度間函數(shù)關(guān)系，即火道模型。
所述的方法，其所述滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口，為一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)隊(duì)列，其窗口寬度為隊(duì)列的長(zhǎng)度；該窗口寬度決定了用于校正火道模型的數(shù)據(jù)集合的大小，與特定的焦?fàn)t相關(guān)，表征了焦?fàn)t特性和環(huán)境因素的變化規(guī)律，是火道模型自校正的基礎(chǔ)。
所述的方法，其所述窗口寬度，其最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度的確定方法如下令按照時(shí)間順序排列的歷史數(shù)據(jù)集合為Z＝{z1，z2，K，zl}，其中l(wèi)是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，下標(biāo)與時(shí)間順序?qū)?yīng)，zi=(Txi,Thi)]]>是第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，Tx是蓄熱室溫度數(shù)據(jù)，Th是火道紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，火道模型取一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0。設(shè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是一個(gè)正整數(shù)m，再令Θ＝(a1，a0)T，AT＝(Tx，1)，則火道模型可寫成矢量形式Th＝ATΘ；根據(jù)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，有如下關(guān)系Th(1)MTh(m)=A1TMAmT·Θ]]>令H=Th(1)MTh(m),ΦT=A1TMAmT,]]>則有H＝ΦTΘ，根據(jù)最小二乘算法計(jì)算模型參數(shù)Θ＝(ΦΦT)ΦH；數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)集合Z內(nèi)滑動(dòng)，便可按照前述方法建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)為Θ的火道模型；每一次滑動(dòng)可建立一個(gè)火道模型，通過(guò)該模型可預(yù)估滑動(dòng)窗口外下一個(gè)時(shí)刻的火道溫度T^hm+1=Am+1TΘ,]]>設(shè)預(yù)估誤差em+1=Thm+1-T^hm+1;]]>定義代價(jià)函數(shù)J(m)=Σi=1lei,]]>則使J最小的m即為最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度；由于該代價(jià)函數(shù)曲線形式是下降-最小-上升-穩(wěn)定，具有單一的最小值，所以其最小化過(guò)程可以采用枚舉法，從1開(kāi)始，直到取得一個(gè)最小值，與該最小值對(duì)應(yīng)的m就是最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度；確定了m值以后，實(shí)際使用中每當(dāng)采集到新的數(shù)據(jù)，就按照先進(jìn)先出的方式自動(dòng)更新滑動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)隊(duì)列，并根據(jù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)集合通過(guò)重新計(jì)算并更新火道模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火道溫度模型的自動(dòng)校正。
所述的方法，其所述實(shí)現(xiàn)火道溫度模型的自動(dòng)校正，其過(guò)程是將窗口內(nèi)最早的數(shù)據(jù)刪除，并順次向前移位，在隊(duì)列的最末端存放新數(shù)據(jù)。
所述的方法，其所述(2)智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法，是基于火道溫度的改變量，即趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)煤氣流量；數(shù)字方式下的智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)器第k時(shí)刻的控制量為u(k)＝u(k-1)+Δu(k)Δu(k)=Kp[T^h(k)-T^h(k-1)]+Kp[Tsp(k-1)-Tsp(k)]+[u0(k)-u0(k-1)]]]>其中，u和Δu表示煤氣流量及其增量，k和k-1表示當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻，上標(biāo)表示是與時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)， 是按照前述步驟估計(jì)得到的火道溫度，Kp表示比例增益，Tsp表示設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，u0表示煤氣流量的偏置量；u0在投入自動(dòng)加熱前人工設(shè)定或加熱自動(dòng)控制過(guò)程中人工修改。
所述的方法，其所述(3)基于煙道精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，是建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)以控制煙道廢氣含氧量為目標(biāo)的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法在改變煤氣流量的同時(shí)，將煤氣流量數(shù)據(jù)和期望的煙道廢氣含氧量數(shù)據(jù)輸入煙道模型，與此輸入對(duì)應(yīng)的煙道模型的輸出即為新的煙道吸力的設(shè)定值；該煙道吸力的意義，是在當(dāng)前煤氣流量下，使煙道廢氣含氧量達(dá)到期望的數(shù)值所需要的煙道吸力。
所述的方法，其所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，是采用人工智能領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，該方法采集歷史數(shù)據(jù)，包括煤氣流量，煙道廢氣含氧量和煙道吸力，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式表達(dá)的非線性數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；煙道模型的輸入是煤氣流量和煙道廢氣含氧量，煙道模型的輸出是煙道吸力。
所述的方法，其所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，其具體步驟包括(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(2)構(gòu)造訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集；(3)使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(4)使用測(cè)試樣本集測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
所述的方法，其所述系統(tǒng)環(huán)境因素，為焦?fàn)t爐況，煤氣熱值，入爐煤水分和吸力。
所述的方法，其所述智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法，能夠在火道溫度估計(jì)存在誤差的情況下，提高煤氣流量調(diào)節(jié)的正確性，避免錯(cuò)誤調(diào)節(jié)導(dǎo)致的爐溫波動(dòng)，改善加熱控制效果。
所述的方法，其所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型需要的煙道廢氣含氧量，其數(shù)據(jù)可來(lái)自氧化鋯檢測(cè)，或者來(lái)自實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果。


圖1煤氣流量控制結(jié)構(gòu)示意圖；圖2煤氣流量調(diào)節(jié)過(guò)程曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括三個(gè)基本內(nèi)容(1)用于火道溫度在線檢測(cè)的自校正火道溫度模型；(2)智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法；(3)基于精確煙道模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。
1火道溫度檢測(cè)在焦?fàn)t各個(gè)立火道下部對(duì)應(yīng)的兩個(gè)蓄熱室的機(jī)焦側(cè)各安裝兩根熱電偶，如果整座焦?fàn)t直行溫度的均勻性良好，可以只取中間若干蓄熱室安裝(一般應(yīng)大于8個(gè))。焦?fàn)t換向后十分鐘，待下降蓄熱室溫度趨于穩(wěn)定之后，采集機(jī)焦側(cè)各個(gè)下降蓄熱室的溫度數(shù)據(jù)并分別進(jìn)行幾何平均，平均值作為整座焦?fàn)t的機(jī)側(cè)蓄熱室溫度和焦側(cè)蓄熱室溫度。
機(jī)焦側(cè)蓄熱室溫度數(shù)據(jù)與在時(shí)間上對(duì)應(yīng)的通過(guò)紅外測(cè)溫得到的機(jī)焦側(cè)火道溫度數(shù)據(jù)(即直行溫度)構(gòu)成數(shù)據(jù)對(duì)，若干個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)集合。通過(guò)該數(shù)據(jù)集合可以建立蓄熱室溫度和火道溫度間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即火道關(guān)系模型。本發(fā)明采用了一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列存放建立模型所需要的數(shù)據(jù)集合，該隊(duì)列稱為“滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口”，隊(duì)列的長(zhǎng)度稱為“滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度”。每當(dāng)有新的數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，將窗口內(nèi)最早的數(shù)據(jù)刪除，并順次向前移位，新數(shù)據(jù)放在隊(duì)列的最末端，這種數(shù)據(jù)更新過(guò)程稱為數(shù)據(jù)窗口的滑動(dòng)。采用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的意義在于使建立模型的數(shù)據(jù)集合能夠及時(shí)充分地反映焦?fàn)t當(dāng)前的工況，提高由此建立的模型的準(zhǔn)確性，避免失效數(shù)據(jù)造成的模型誤差。
建立火道模型的方法如下令滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是m，火道關(guān)系模型取為一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0，再令Θ＝(a1，a0)T，AT＝(Tx，1)，則火道模型可寫成矢量形式Th＝ATΘ。根據(jù)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，有如下關(guān)系
Th(1)MTh(m)=A1TMAmT·Θ]]>令H=Th(1)MTh(m),ΦT=A1TMAmT,]]>則有H＝ΦTΘ，根據(jù)最小二乘算法計(jì)算模型參數(shù)Θ＝(ΦΦT)ΦH數(shù)據(jù)窗口的滑動(dòng)及模型參數(shù)的估計(jì)構(gòu)成了火道模型不斷校正的過(guò)程，由此建立起來(lái)的火道模型稱為自校正火道模型。
在火道模型建立后，每當(dāng)有新的蓄熱室溫度數(shù)據(jù)的時(shí)候就可以估計(jì)火道溫度，T^h=a1Tx+a0,]]>從而實(shí)現(xiàn)火道溫度的在線檢測(cè)?；谀Ｐ偷幕鸬罍囟葯z測(cè)周期一般可以縮短為半個(gè)小時(shí)，而人工紅外測(cè)量方式一般為四個(gè)小時(shí)。對(duì)火道溫度更快的檢測(cè)意味著能夠更加及時(shí)地反映焦?fàn)t工作狀況，為加熱控制提供參考信息，以便快速抑制溫度波動(dòng)，克服各種干擾因素的影響。
滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是火道模型自校正的基礎(chǔ)，對(duì)模型的可靠性和準(zhǔn)確性有重要影響。該數(shù)據(jù)與特定的焦?fàn)t相關(guān)，表征了焦?fàn)t本身及相關(guān)各種擾動(dòng)因素的綜合變化規(guī)律。確定方法如下令歷史數(shù)據(jù)集合為Z＝{z1，z2，K，zl}，l是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，下標(biāo)與時(shí)間順序?qū)?yīng)，zi=(Txi,Thi)]]>是第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，火道模型取一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0。設(shè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是一個(gè)正整數(shù)m，則數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)集合Z內(nèi)滑動(dòng)便可按照前述方法建立火道模型(參數(shù)為Θ)。每一次滑動(dòng)可建立一個(gè)火道模型，通過(guò)該模型可預(yù)估滑動(dòng)窗口外下一個(gè)時(shí)刻的火道溫度T^hm+1=Am+1TΘ,]]>設(shè)預(yù)估誤差em+1=Thm+1-T^hm+1.]]>定義代價(jià)函數(shù)J(m)=Σi=1lei,]]>則使J最小的m即為最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度。由于該代價(jià)函數(shù)曲線形式是下降-最小-上升-穩(wěn)定，具有單一的最小值，所以其最小化過(guò)程可以采用枚舉法，從1開(kāi)始，直到取得一個(gè)最小值，與該最小值對(duì)應(yīng)的m就是最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度。
自校正模型在控制器中編程實(shí)現(xiàn)，其輸入是機(jī)焦側(cè)蓄熱室溫度的平均數(shù)據(jù)和機(jī)焦側(cè)火道溫度的紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，輸出是機(jī)焦側(cè)火道溫度的估計(jì)值?；瑒?dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度在實(shí)施自動(dòng)加熱前的準(zhǔn)備階段確定。如果需要，在自動(dòng)加熱的過(guò)程也可以重新收集數(shù)據(jù)，計(jì)算并修改。
2煤氣流量調(diào)節(jié)通過(guò)1中所述方法能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)焦?fàn)t火道溫度，此溫度反映了焦?fàn)t當(dāng)前的實(shí)際溫度狀況。如果該溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度有差別，則需要增減煤氣流量，即增減供熱量，使火道溫度上升或下降，這一過(guò)程就是煤氣流量調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的煤氣流量調(diào)節(jié)方法是一種定量計(jì)算公式，在控制器中編程實(shí)現(xiàn)，其輸入是由火道模型得到的機(jī)焦側(cè)火道溫度，輸出是機(jī)焦側(cè)煤氣流量的優(yōu)化設(shè)定值。該設(shè)定值送給煤氣閥門控制回路(包含在焦?fàn)t的基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)中)，使其改變安裝在煤氣管道上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的開(kāi)度，從而使供給的實(shí)際煤氣流量跟隨該優(yōu)化設(shè)定值。
如圖1所示，為煤氣流量控制結(jié)構(gòu)示意圖，數(shù)字方式下煤氣流量調(diào)節(jié)算法如下u(k)＝u(k-1)+Δu(k)
Δu(k)=Kp[T^h(k)-T^h(k-1)]+Kp[Tsp(k-1)-Tsp(k)]+[u0k-u0(k-1)]]]>其中，u和Δu表示煤氣流量及其增量，k和k-1表示當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻，上標(biāo)表示是與時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)，T^h(k)=a1(k)Tx(k)+a0(k),]]>T^h(k-1)=a1(k-1)Tx(k-1)+a0(k-1)]]>是通過(guò)火道溫度模型估計(jì)的火道溫度，Kp表示比例增益，Tsp表示設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，u0表示煤氣流量的偏置量。u0在投入自動(dòng)加熱前人工設(shè)定或加熱自動(dòng)控制過(guò)程中人工修改?；鸬罍囟饶Ｐ臀锤缕陂g，同樣的模型參數(shù)使擬和火道溫度有相同方向的誤差，因此可減小模型誤差的影響，以火道溫度的變化量來(lái)計(jì)算控制量，提高流量調(diào)節(jié)的正確性。如果第k時(shí)刻火道溫度模型作了更新，則新的模型可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的火道溫度估計(jì)，并通過(guò)與k-1時(shí)刻的估計(jì)結(jié)果的差值產(chǎn)生修正控制量，補(bǔ)償先前由于估計(jì)誤差產(chǎn)生的控制作用的累積偏差。
圖2所示的調(diào)節(jié)過(guò)程如下Th和Th′分別表示實(shí)際火道溫度和擬和火道溫度，Tsp表示設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，k時(shí)刻進(jìn)行了火道溫度模型的更新。按照趨勢(shì)的調(diào)節(jié)過(guò)程(見(jiàn)圖2中實(shí)線)在k-2時(shí)刻，根據(jù)火道溫度的下降趨勢(shì)，煤氣流量的增量q(k-2)＞0，總煤氣流量增加，這使得k-1時(shí)刻估計(jì)火道溫度和實(shí)際火道溫度的上升；k-1時(shí)刻上升的火道溫度趨勢(shì)使煤氣流量增量q(k-1)＜0，總煤氣流量減小，實(shí)際火道溫度趨于穩(wěn)定；k時(shí)刻火道模型更新，擬和火道溫度更接近實(shí)際火道溫度并顯示有一個(gè)下降趨勢(shì)，根據(jù)該趨勢(shì)，k時(shí)刻煤氣增量q(k)＞0，總煤氣流量較前一時(shí)刻增加，這將補(bǔ)償先前由于擬和火道溫度偏高導(dǎo)致的煤氣流量計(jì)算偏差，使實(shí)際火道溫度上升并進(jìn)一步接近設(shè)定的目標(biāo)溫度。
本發(fā)明的煤氣流量調(diào)節(jié)方法具有智能容錯(cuò)特性，所謂容錯(cuò)是指火道溫度存在誤差的情況下，始終保持流量調(diào)節(jié)方向的正確性。其意義在于增強(qiáng)調(diào)節(jié)的可靠性，避免錯(cuò)誤調(diào)節(jié)導(dǎo)致的焦?fàn)t溫度惡化。之所以具有這種特性是因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)方法實(shí)質(zhì)上是按照火道溫度的改變量，即火道溫度趨勢(shì)來(lái)計(jì)算煤氣流量的。與傳統(tǒng)的基于火道溫度和目標(biāo)溫度偏差的調(diào)節(jié)方法相比，趨勢(shì)更準(zhǔn)確地反映了焦?fàn)t溫度的變化情況，所以由此得到的煤氣流量的調(diào)節(jié)方法具有更好的容錯(cuò)性。在這種調(diào)節(jié)方法中，火道溫度的估計(jì)誤差僅影響調(diào)節(jié)的幅度，調(diào)節(jié)方向的正確性極大增強(qiáng)。
3煙道吸力調(diào)節(jié)根據(jù)2中所述方法增減煤氣流量的同時(shí)，必須調(diào)整空氣供給量，使進(jìn)入焦?fàn)t的煤氣充分燃燒且燃燒效率最高?？諝饬康恼{(diào)整是通過(guò)煙道吸力調(diào)節(jié)，即改變機(jī)焦側(cè)分煙道內(nèi)調(diào)節(jié)翻板的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)的，其作用是改變進(jìn)入焦?fàn)t并輔助煤氣燃燒的空氣量。煙道吸力調(diào)節(jié)必須避免兩種情況，即(1)空氣量不足使煤氣過(guò)剩并排放到大氣中；(2)空氣過(guò)量使廢氣帶走了大量的熱量，這兩種情況直接導(dǎo)致了能源浪費(fèi)和燃燒效率的極大降低。
空氣量適當(dāng)與否要通過(guò)分析機(jī)焦側(cè)廢氣中的氧含量來(lái)衡量，空氣量不足或過(guò)剩將導(dǎo)致氧含量過(guò)低或過(guò)高。氧含量數(shù)據(jù)可以通過(guò)兩種方式得到一種是廢氣取樣，實(shí)驗(yàn)室分析；另一種是在機(jī)焦側(cè)分煙道安裝氧化鋯進(jìn)行在線檢測(cè)。
本發(fā)明是一種基于精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力調(diào)節(jié)方法，該方法包括兩個(gè)部分建立精確煙道吸力模型和基于模型的煙道吸力調(diào)節(jié)。
本發(fā)明中的煙道吸力模型是指煤氣流量，煙道吸力和廢氣含氧量之間的精確數(shù)學(xué)關(guān)系。模型采用人工智能領(lǐng)域的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模型的輸入是煤氣流量和廢氣含氧量，模型的輸出是煙道吸力。采集煤氣流量，廢氣含氧量和煙道吸力三種歷史數(shù)據(jù)構(gòu)造數(shù)據(jù)集合，利用數(shù)據(jù)集合訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以獲取隱含在這些數(shù)據(jù)中的三種量間的非線性函數(shù)關(guān)系，即模型。如果只控制總管煤氣流量，則建立一個(gè)煙道吸力模型即可；如果機(jī)焦側(cè)煤氣流量分開(kāi)控制，則需要分別建立機(jī)焦兩側(cè)的煙道吸力模型。
建立模型的步驟(詳見(jiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)文獻(xiàn)資料)(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)歸一化；(2)構(gòu)造訓(xùn)練樣本集合和測(cè)試樣本集合二者分別用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，結(jié)果是一個(gè)結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，用來(lái)驗(yàn)證步驟(3)中得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性和可靠性；經(jīng)過(guò)以上步驟即可建立一個(gè)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式表達(dá)的非線性數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，即煙道吸力模型。建立模型可以在實(shí)施自動(dòng)加熱前，也可以在自動(dòng)加熱的過(guò)程中根據(jù)需要，重新收集數(shù)據(jù)，建立并更新。
在本自動(dòng)加熱技術(shù)中，每當(dāng)如2中所述改變煤氣流量的時(shí)候，就基于模型調(diào)節(jié)煙道吸力，過(guò)程如下(1)將新的煤氣流量設(shè)定值和期望的廢氣含氧量數(shù)據(jù)作歸一化處理；(2)歸一化處理后的數(shù)據(jù)輸入煙道吸力模型；
(3)將煙道吸力模型的輸出做反歸一化處理，所得數(shù)據(jù)即是新的煙道吸力設(shè)定值，該設(shè)定值送給煙道翻板控制回路(包含在焦?fàn)t的基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)中)；(4)煙道翻板控制回路根據(jù)新的設(shè)定值調(diào)整翻板開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)整進(jìn)入焦?fàn)t的空氣量。
整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程在控制器中編程實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算得到新的煤氣量和吸力的優(yōu)化設(shè)定值后，應(yīng)根據(jù)“雙交叉”操作的要求送給煤氣閥門控制回路和煙道翻板控制回路。
基于模型的煙道吸力調(diào)節(jié)方法實(shí)質(zhì)上還提供了一種不需要氧化鋯的煙道吸力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。建立模型所需要的氧含量數(shù)據(jù)可以來(lái)自實(shí)驗(yàn)室，煙道吸力調(diào)節(jié)只需要煤氣流量數(shù)據(jù)和期望的煙道廢氣含氧量數(shù)據(jù)(由人工設(shè)定)，從而使自動(dòng)加熱擺脫了對(duì)氧化鋯的依賴。這種去掉了氧化鋯的煙道吸力調(diào)節(jié)簡(jiǎn)化了吸力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了投資和維護(hù)成本，提高了吸力調(diào)節(jié)的可靠性。
實(shí)施條件(1)焦?fàn)t生產(chǎn)工藝正常；(2)已經(jīng)具有基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)；(3)檢測(cè)儀表和執(zhí)行結(jié)構(gòu)性能良好。
定義火道模型蓄熱室溫度與火道溫度間的一種函數(shù)關(guān)系；滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列，用于存放建立火道模型所需要的數(shù)據(jù)集合；
滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度隊(duì)列的長(zhǎng)度；數(shù)據(jù)窗口的滑動(dòng)就是數(shù)據(jù)的更新過(guò)程，每當(dāng)有新的數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，將窗口內(nèi)最早的數(shù)據(jù)刪除，并順次向前移位，新數(shù)據(jù)放在隊(duì)列的最末端；煙道吸力模型煤氣流量，煙道廢氣含氧量和煙道吸力間的精確數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；一準(zhǔn)備階段1安裝熱電偶。在焦?fàn)t各個(gè)立火道下部對(duì)應(yīng)的兩個(gè)蓄熱室的機(jī)焦側(cè)各安裝兩根熱電偶，如果整座焦?fàn)t直行溫度的均勻性良好，可以只取中間若干蓄熱室安裝(一般應(yīng)大于8個(gè))。
2采集機(jī)焦側(cè)蓄熱室溫度數(shù)據(jù)，紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。焦?fàn)t換向后十分鐘，待下降蓄熱室溫度趨于穩(wěn)定之后，采集機(jī)焦側(cè)各個(gè)下降蓄熱室的溫度數(shù)據(jù)并分別進(jìn)行幾何平均，平均值作為整座焦?fàn)t的機(jī)側(cè)蓄熱室溫度和焦側(cè)蓄熱室溫度。火道溫度的紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)人工測(cè)量獲得。機(jī)焦側(cè)蓄熱室溫度數(shù)據(jù)和在時(shí)間上對(duì)應(yīng)的通過(guò)紅外測(cè)溫得到的機(jī)焦側(cè)火道溫度數(shù)據(jù)(即直行溫度)構(gòu)成數(shù)據(jù)對(duì)，若干個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)成一個(gè)溫度數(shù)據(jù)集合Z＝{z1，z2，K，zl}，l是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，下標(biāo)與時(shí)間順序?qū)?yīng)，zi=(Txi,Thi)]]>是第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，Tx表示蓄熱室溫度，Th是火道溫度。
3采集煤氣流量Q，煙道吸力P和煙道廢氣含氧量ρ0三種歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成煙道吸力數(shù)據(jù)集合。三種數(shù)據(jù)在時(shí)間上必須是對(duì)應(yīng)的。如果機(jī)焦側(cè)煤氣流量單獨(dú)控制，則分別采集機(jī)焦側(cè)的煤氣流量，否則只采集總管的煤氣流量。如果采用混合煤氣加熱，則需采集混合前的各種煤氣的流量。4數(shù)據(jù)分析與處理，包括確定滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度，建立煙道吸力模型。
1)確定滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度令步驟2建立的溫度數(shù)據(jù)集合為Z＝{z1，z2，K，zl}，其中l(wèi)是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，下標(biāo)與時(shí)間順序?qū)?yīng)，zi=(Txi,Thi)]]>是第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，Tx是蓄熱室溫度數(shù)據(jù)，Th是火道紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，火道模型取一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0。設(shè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是一個(gè)正整數(shù)m，再令Θ＝(a1，a0)T，AT＝(Tx，1)，則火道模型可寫成矢量形式Th＝ATΘ。根據(jù)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，有如下關(guān)系Th(1)MTh(m)=A1TMAmT·Θ]]>令H=Th(1)MTh(m),ΦT=A1TMAmT,]]>則有H＝ΦTΘ，根據(jù)最小二乘算法計(jì)算模型參數(shù)Θ＝(ΦΦT)ΦH。數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)集合Z內(nèi)滑動(dòng)便可按照前述方法建立對(duì)應(yīng)的火道模型(參數(shù)為Θ)。每一次滑動(dòng)可建立一個(gè)火道模型，通過(guò)該模型可預(yù)估滑動(dòng)窗口外下一個(gè)時(shí)刻的火道溫度T^hm+1=Am+1TΘ,]]>設(shè)預(yù)估誤差em+1=Thm+1-T^hm+1.]]>定義代價(jià)函數(shù)J(m)=Σi=1lei,]]>則使J最小的m即為最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度。由于該代價(jià)函數(shù)曲線形式是下降-最小-上升-穩(wěn)定，具有單一的最小值，所以其最小化過(guò)程可以采用枚舉法，從1開(kāi)始，直到取得一個(gè)最小值，與該最小值對(duì)應(yīng)的m就是最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度。
如果在自動(dòng)加熱的過(guò)程由于某種原因需要重新確定滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的的寬度，也可以按照前述操作，重新收集數(shù)據(jù)，計(jì)算并修改。
所確定的m值送給火道模型校正部分(詳見(jiàn)三)，以調(diào)整隊(duì)列長(zhǎng)度和模型參數(shù)計(jì)算。
2)建立煙道吸力模型模型采用人工智能領(lǐng)域的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模型的輸入是煤氣流量和廢氣含氧量，模型的輸出是煙道吸力。建立模型的過(guò)程就是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程，訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)自于步驟3的煙道吸力數(shù)據(jù)集合。建立模型的方法如下(1)數(shù)據(jù)歸一化將煙道吸力數(shù)據(jù)集合中數(shù)據(jù)變換到相同的區(qū)間內(nèi)。令x是原始數(shù)據(jù)，y是歸一化數(shù)據(jù)，歸一化區(qū)間為[amin，amax]，則計(jì)算公式如下y=x-aminamax-amin]]>(2)構(gòu)造樣本數(shù)據(jù)集合根據(jù)歸一化后的數(shù)據(jù)分別構(gòu)造輸入數(shù)據(jù)集合和輸出數(shù)據(jù)集合I={Xi=[Q^(i),ρ^0(i)],i=1,2,Λ,n},O={P^i,i=1,2,Λ,n}.]]>于是{I，O}構(gòu)成樣本數(shù)據(jù)集合。將樣本數(shù)據(jù)集合分成兩個(gè)部分{I1，O1}和{I2，O2}分別用作訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集，其中I1＝{Xj}，O1＝{Pj}，j{1，2，Λ，n}和I2＝{Xk}，O2＝{Pk}，k{1，2，Λ，n}，j≠k。
(3)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立煙道吸力模型。具體參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。
(4)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用測(cè)試樣本集驗(yàn)證步驟(4)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，測(cè)試模型的準(zhǔn)確性和可靠性。具體參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。
通過(guò)驗(yàn)證后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)即可確定下來(lái)，該模型供實(shí)施自動(dòng)加熱過(guò)程中的基于模型的煙道吸力調(diào)節(jié)過(guò)程使用(詳見(jiàn)二中步驟3)。
二加熱自動(dòng)控制加熱自動(dòng)控制通過(guò)控制器編程以程序的方式實(shí)現(xiàn)，包括三個(gè)主要操作，即估計(jì)火道溫度、調(diào)整煤氣流量和調(diào)整煙道吸力。整個(gè)自動(dòng)加熱程序的輸入是(1)安裝在蓄熱室中熱電偶測(cè)量的各個(gè)下降蓄熱室的溫度數(shù)據(jù)；(2)期望的目標(biāo)火道溫度；(3)煙道廢氣含氧量；(4)煤氣流量的初試偏置量。自動(dòng)加熱程序的輸出是(1)煤氣閥門控制回路的煤氣流量設(shè)定值；(2)煙道翻板控制回路的煙道吸力設(shè)定值。
自動(dòng)加熱三個(gè)操作的具體執(zhí)行過(guò)程詳述如下。
1估計(jì)火道溫度焦?fàn)t換向后十分鐘，待下降蓄熱室溫度趨于穩(wěn)定之后，采集機(jī)焦側(cè)各個(gè)下降蓄熱室的溫度數(shù)據(jù)，控制器將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何平均，平均值作為整座焦?fàn)t的機(jī)側(cè)蓄熱室溫度和焦側(cè)蓄熱室溫度。
火道模型的參數(shù)為Θ＝(a1，a0)T，則由蓄熱室溫度和火道模型計(jì)算火道溫度的計(jì)算公式為T^h=ATΘ,]]>其中AT＝(Tx，1)，Tx蓄熱室溫度。通過(guò)機(jī)焦側(cè)的火道模型和蓄熱室溫度，按照這種計(jì)算方法即可分別估計(jì)對(duì)應(yīng)的機(jī)焦側(cè)火道溫度。
2調(diào)整煤氣流量數(shù)字方式下煤氣流量調(diào)節(jié)算法如下u(k)＝u(k-1)+Δu(k)Δu(k)=Kp[T^h(k)-T^h(k-1)]+Kp[Tsp(k-1)-Tsp(k)]+[u0(k)-u0(k-1)]]]>其中，u和Δu表示煤氣流量及其增量，k和k-1表示當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻，上標(biāo)表示是與時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)， 是按照前述步驟估計(jì)得到的火道溫度，Kp表示比例增益，Tsp表示設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，u0表示煤氣流量的偏置量。u0在投入自動(dòng)加熱前人工設(shè)定或加熱自動(dòng)控制過(guò)程中人工修改。
所得到的煤氣流量u(k)就是新的煤氣流量的優(yōu)化設(shè)定值，該設(shè)定值送給煤氣閥門控制回路(包含在焦?fàn)t的基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)中)，由閥門控制回路調(diào)整閥門開(kāi)度，使煤氣流量跟隨該設(shè)定值而變化。
3調(diào)整煙道吸力每次調(diào)整煤氣流量設(shè)定值的同時(shí)進(jìn)行煙道吸力調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程根據(jù)準(zhǔn)備階段中建立起來(lái)的煙道吸力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合函數(shù)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。所需要的煙道吸力的計(jì)算過(guò)程實(shí)質(zhì)上是對(duì)該函數(shù)的輸入輸出數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，具體如下(1)將煤氣流量設(shè)定值和期望的廢氣含氧量數(shù)據(jù)作歸一化處理，計(jì)算公式y(tǒng)=x-aminamax-amin,]]>其中各個(gè)參數(shù)的意義和數(shù)值與準(zhǔn)備階段建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)的歸一化公式相同。
(2)煙道吸力模型將歸一化處理后的煤氣流量和廢氣含氧量作為輸入，計(jì)算模型輸出；(3)將煙道吸力模型的輸出做反歸一化處理，計(jì)算公式
x＝amin+y·(amax-amin)，其中各個(gè)參數(shù)的意義和數(shù)值與準(zhǔn)備階段建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)的歸一化公式相同。反歸一化后所得到的數(shù)據(jù)即是新的煙道吸力優(yōu)化設(shè)定值并送給煙道翻板控制回路(包含在焦?fàn)t的基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)中)，由煙道翻板控制回路調(diào)整翻板開(kāi)度，使煙道吸力跟隨該設(shè)定值而變化。
4煤氣流量和煙道吸力的“雙交叉”操作前述步驟2和步驟3得到煤氣流量和煙道吸力后，在作為設(shè)定值送到煤氣閥門控制回路和煙道吸力控制回路的過(guò)程中采用“雙交叉”操作(1)如果要增加煤氣流量，則先增加煙道吸力，延遲20秒后再增加煤氣流量；(2)如果要減小煤氣流量，則先減小煤氣流量，延遲20秒后再減小煙道吸力。
三火道模型校正校正過(guò)程在控制器中編程實(shí)現(xiàn)。所謂校正，是指采集到新的火道溫度的紅外測(cè)量數(shù)據(jù)(一般為人工測(cè)量并手工輸入計(jì)算機(jī))后，重新計(jì)算并更新火道模型參數(shù)的過(guò)程。該操作由事件觸發(fā)，即采集到新的火道紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。具體操作如下1數(shù)據(jù)窗口滑動(dòng)每當(dāng)有新的數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，將窗口內(nèi)最早的數(shù)據(jù)刪除，并順次向前移位，新數(shù)據(jù)放在隊(duì)列的最末端。采用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的意義在于使建立模型的數(shù)據(jù)集合能夠及時(shí)充分地反映焦?fàn)t當(dāng)前的工況，提高由此建立的模型的準(zhǔn)確性，避免失效數(shù)據(jù)造成的模型誤差。
2火道模型參數(shù)計(jì)算火道模型取一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0，滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度為m，令Θ＝(a1，a0)T，AT＝(Tx，1)，則火道模型可寫成矢量形式Th＝ATΘ。根據(jù)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，有如下關(guān)系Th(1)MTh(m)=A1TMAmT·Θ]]>令H=Th(1)MTh(m),ΦT=A1TMAmT,]]>則有H＝ΦTΘ，根據(jù)最小二乘算法計(jì)算模型參數(shù)Θ＝(ΦΦT)ΦH。
計(jì)算出新的火道模型參數(shù)后，將該參數(shù)送到加熱自動(dòng)控制程序中，用于估計(jì)火道溫度(詳見(jiàn)二中步驟1)。
實(shí)施例1準(zhǔn)備階段記錄，收集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括蓄熱室溫度及對(duì)應(yīng)火道溫度；煤氣流量，煙道吸力及對(duì)應(yīng)的煙道廢氣含氧量。
2數(shù)據(jù)處理階段對(duì)上一階段收集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立自動(dòng)加熱系統(tǒng)需要的相關(guān)參數(shù)，包括滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度m和初始火道模型；煙道吸力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
3自動(dòng)加熱自動(dòng)加熱過(guò)程中包括三個(gè)基本操作(1)測(cè)量下降蓄熱室頂部溫度并根據(jù)火道模型估計(jì)當(dāng)前立火道溫度；(2)根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算煤氣流量；(3)根據(jù)煙道吸力模型計(jì)算煙道吸力。
4火道溫度模型修正如果有新的火道溫度(紅外測(cè)溫或光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫)數(shù)據(jù)輸入，則找到對(duì)應(yīng)的下降蓄熱室頂部溫度數(shù)據(jù)，更新滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)集合并校正火道模型。
5煙道吸力模型修正一旦有新的數(shù)據(jù)(煤氣流量，廢氣含氧量和對(duì)應(yīng)的煙道吸力)輸入，即可對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)吸力模型進(jìn)行校正。
權(quán)利要求
1.一種焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)自動(dòng)加熱方法，其特征在于，包括(1)基于自校正火道模型的火道溫度估計(jì)方法；(2)智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法；(3)基于煙道精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法；其中，自校正火道模型就是連續(xù)采集蓄熱室溫度數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的人工測(cè)量得到的火道溫度數(shù)據(jù)，構(gòu)造“滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口”數(shù)據(jù)集合并修正火道模型參數(shù)，以跟蹤由于系統(tǒng)環(huán)境因素的改變?cè)斐傻男顭崾覝囟群突鸬罍囟乳g函數(shù)關(guān)系的變化，提高火道溫度估計(jì)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)自動(dòng)加熱的可靠性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述蓄熱室溫度和火道溫度間函數(shù)關(guān)系，即火道模型。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口，為一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)隊(duì)列，其窗口寬度為隊(duì)列的長(zhǎng)度；該窗口寬度決定了用于校正火道模型的數(shù)據(jù)集合的大小，與特定的焦?fàn)t相關(guān)，表征了焦?fàn)t特性和環(huán)境因素的變化規(guī)律，是火道模型自校正的基礎(chǔ)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述窗口寬度，其最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度的確定方法如下令按照時(shí)間順序排列的歷史數(shù)據(jù)集合為Z＝{z1，z2，K，zl}，其中l(wèi)是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，下標(biāo)與時(shí)間順序?qū)?yīng)，zi=(Txi,Thi)]]>是第i個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，Tx是蓄熱室溫度數(shù)據(jù)，Th是火道紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，火道模型取一階多項(xiàng)式形式Th＝a1Tx+a0。設(shè)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的寬度是一個(gè)正整數(shù)m，再令Θ＝(a1，a0)T，AT＝(Tx，1)，則火道模型可寫成矢量形式Th＝ATΘ；根據(jù)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)，有如下關(guān)系Th(1)MTh(m)=A1TMAmT·Θ]]>令H=Th(1)MTh(m),]]>ΦT=A1TMAmT,]]>則有H＝ΦTΘ，根據(jù)最小二乘算法計(jì)算模型參數(shù)Θ＝(ΦΦT)ΦH；數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)集合Z內(nèi)滑動(dòng)，便可按照前述方法建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)為Θ的火道模型；每一次滑動(dòng)可建立一個(gè)火道模型，通過(guò)該模型可預(yù)估滑動(dòng)窗口外下一個(gè)時(shí)刻的火道溫度T^hm+1=Am+1TΘ,]]>設(shè)預(yù)估誤差em+1=Thm+1-T^hm+1;]]>定義代價(jià)函數(shù)J(m)=Σi=1lei,]]>則使J最小的m即為最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度；由于該代價(jià)函數(shù)曲線形式是下降-最小-上升-穩(wěn)定，具有單一的最小值，所以其最小化過(guò)程可以采用枚舉法，從1開(kāi)始，直到取得一個(gè)最小值，與該最小值對(duì)應(yīng)的m就是最佳滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口寬度；確定了m值以后，實(shí)際使用中每當(dāng)采集到新的數(shù)據(jù)，就按照先進(jìn)先出的方式自動(dòng)更新滑動(dòng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)隊(duì)列，并根據(jù)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)集合通過(guò)重新計(jì)算并更新火道模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火道溫度模型的自動(dòng)校正。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述實(shí)現(xiàn)火道溫度模型的自動(dòng)校正，其過(guò)程是將窗口內(nèi)最早的數(shù)據(jù)刪除，并順次向前移位，在隊(duì)列的最末端存放新數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述(2)智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法，是基于火道溫度的改變量，即趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)煤氣流量；數(shù)字方式下的智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)器第k時(shí)刻的控制量為u(k)＝u(k-1)+Δu(k)Δu(k)=Kp[T^h(k)-T^h(k-1)]+Kp[Tsp(k-1)-Tsp(k)]+[u0(k)-u0(k-1)]]]>其中，u和Δu表示煤氣流量及其增量，k和k-1表示當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻，上標(biāo)表示是與時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)， 是按照前述步驟估計(jì)得到的火道溫度，Kp表示比例增益，Tsp表示設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，u0表示煤氣流量的偏置量；u0在投入自動(dòng)加熱前人工設(shè)定或加熱自動(dòng)控制過(guò)程中人工修改。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述(3)基于煙道精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，是建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)以控制煙道廢氣含氧量為目標(biāo)的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法在改變煤氣流量的同時(shí)，將煤氣流量數(shù)據(jù)和期望的煙道廢氣含氧量數(shù)據(jù)輸入煙道模型，與此輸入對(duì)應(yīng)的煙道模型的輸出即為新的煙道吸力的設(shè)定值；該煙道吸力的意義，是在當(dāng)前煤氣流量下，使煙道廢氣含氧量達(dá)到期望的數(shù)值所需要的煙道吸力。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，是采用人工智能領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，該方法采集歷史數(shù)據(jù)，包括煤氣流量，煙道廢氣含氧量和煙道吸力，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式表達(dá)的非線性數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；煙道模型的輸入是煤氣流量和煙道廢氣含氧量，煙道模型的輸出是煙道吸力。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型，其具體步驟包括(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(2)構(gòu)造訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集；(3)使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；(4)使用測(cè)試樣本集測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)環(huán)境因素，為焦?fàn)t爐況，煤氣熱值，入爐煤水分和吸力。
11.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述智能容錯(cuò)煤氣流量調(diào)節(jié)方法，能夠在火道溫度估計(jì)存在誤差的情況下，提高煤氣流量調(diào)節(jié)的正確性，避免錯(cuò)誤調(diào)節(jié)導(dǎo)致的爐溫波動(dòng)，改善加熱控制效果。
12.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述建立煙道精確數(shù)學(xué)模型需要的煙道廢氣含氧量，其數(shù)據(jù)可來(lái)自氧化鋯檢測(cè)，或者來(lái)自實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及工業(yè)加熱技術(shù)領(lǐng)域的焦?fàn)t煉焦生產(chǎn)，屬于焦?fàn)t自動(dòng)加熱技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤氣流量和煙道吸力的優(yōu)化設(shè)定與調(diào)節(jié)，穩(wěn)定焦?fàn)t火道直行溫度。本發(fā)明為一種基于反饋結(jié)構(gòu)的焦?fàn)t自動(dòng)加熱技術(shù)，包括(1)基于自校正火道溫度模型，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t火道溫度的準(zhǔn)確估計(jì)；(2)煤氣流量的智能容錯(cuò)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)火道溫度存在估計(jì)誤差的情況下煤氣流量的正確調(diào)節(jié)；(3)基于煙道精確數(shù)學(xué)模型的煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，在改變煤氣流量的同時(shí)，將煤氣流量數(shù)據(jù)和期望的煙道廢氣含氧量數(shù)據(jù)輸入煙道模型，與此輸入對(duì)應(yīng)的煙道模型的輸出即為新的煙道吸力設(shè)定值。本發(fā)明能夠提高焦?fàn)t生產(chǎn)的可靠性和適應(yīng)性，有效降低能源消耗和環(huán)境污染，提高焦碳質(zhì)量，延長(zhǎng)爐體壽命。
文檔編號(hào)C10B21/00GK1635050SQ20031012341
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者王學(xué)雷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所, 北京三博中自科技有限公司