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(dāng)且僅當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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