張緩緩 朱斌祥 李金榮 趙宗彬

(合肥通用機械研究院，合肥 230031)

煉焦生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的焦爐煤氣。集氣管主要用于將荒煤氣匯集并引導至后續(xù)環(huán)節(jié)。焦爐集氣管系是高度復雜的工業(yè)系統(tǒng)，數(shù)學模型建立困難，各集氣管間耦合嚴重[1]。集氣管壓力是煉焦生產(chǎn)的關鍵技術參數(shù)，集氣管壓力的大幅波動不僅影響煉焦產(chǎn)品的質(zhì)量，還會造成環(huán)境污染和能源浪費，甚至影響焦爐的使用壽命[2]。應用先進的智能控制技術進行集氣管系的解耦，是實現(xiàn)焦爐集氣管壓力精確控制的前提和基礎。

1 控制對象特性分析與建模①

1.1 控制對象特性分析

焦爐集氣管系是復雜的多變量耦合系統(tǒng)。以某焦化廠3座焦爐為例，該焦化系統(tǒng)3座焦爐共用一套初冷和鼓風系統(tǒng)[3]。距離較近的1#和3#為Ⅰ組，2#焦爐單獨為Ⅱ組。Ⅰ組組內(nèi)連接管道很短，兩組間的連接管道較長，集氣管總管的連接管道最長。焦爐集氣管系的工藝流程如圖1所示。

3座焦爐并聯(lián)連接，各集氣管之間為負耦合關系[4]。組內(nèi)集氣管間并聯(lián)管道較短，耦合關系較強，自平衡較快；而組間集氣管并聯(lián)管道較長，耦合關系相對較弱，自平衡也較慢。這些耦合現(xiàn)象會使系統(tǒng)超調(diào)和振蕩現(xiàn)象嚴重，降低系統(tǒng)的控制效果，嚴重時甚至使系統(tǒng)無法運行，對正常的煉焦生產(chǎn)造成惡劣的影響[5]。

1.2 系統(tǒng)數(shù)學建模

在集氣管系的管道中，流體的阻力除一部分在管道上，多數(shù)集中在蝶閥上。蝶閥的阻力系數(shù)R與其開度有關。在建模的過程中，考慮到氣體的可壓縮性，對氣體的體積流量和氣體壓力間的關系應予以充分考慮。

圖1 焦爐集氣管系的工藝流程

C1、C2、C3、C12、C31、C24——對象的容量系數(shù)；

p1、p2、p3——集氣管的煤氣壓力；

p4——鼓風機前壓力；

p1′、p2′、p3′——集氣管后煤氣壓力；

ps1、ps2、ps3——產(chǎn)出煤氣的壓力；

Q1、Q2、Q3——進入集氣管的煤氣流量；

R1、R2、R3、R31、R12、R24——對象的阻力系數(shù)

建模中，對象的控制輸入為R1、R2和R3；對象的擾動輸入為ps1、ps2、ps3和p4；系統(tǒng)輸出為p1、p2和p3。對象的阻力系數(shù)R=dp/dQ，對象的容量系數(shù)C=dV/dp。由dQ=dV/dt得到dQ=C·dp/dt。由氣體流量動態(tài)平衡方程dQ=Q入-Q出，可得dQ=Q入-Q出=C·dp/dt。由此，建立各集氣管的氣體動態(tài)平衡方程：

2 智能解耦系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

3座焦爐集氣管系的解耦方案要求能夠較大程度地減弱甚至消除3座焦爐集氣管間的耦合作用。筆者采用模糊控制原理進行3座焦爐集氣管系的模糊解耦控制器設計。模糊控制能不依賴被控對象的精確數(shù)學模型，具有控制性能高、能夠針對非線性復雜對象且魯棒性能好的優(yōu)點[6]。

依據(jù)模糊控制原理，首先將Ⅰ組進行組內(nèi)解耦，組內(nèi)解耦輸出控制增量的修正值。再將Ⅱ組與Ⅰ組進行組間解耦，組間解耦輸出控制增量的二次修正值。圖2為焦爐集氣管系智能解耦系統(tǒng)解耦示意圖。

圖2 焦爐集氣管系智能解耦系統(tǒng)解耦示意圖

2.2 組內(nèi)解耦

集氣管各個回路的控制增量能夠反映出壓力的波動，因此，輸入語言變量選取1#和3#集氣管兩個單回路控制的控制增量ΔU1和ΔU3，輸出語言變量選取控制增量的修正值V1和V3。V1、V3的組內(nèi)解耦規(guī)則見表1。

表1 V1、V3的組內(nèi)模糊解耦規(guī)則

控制器采用重心法進行模糊判決，計算公式為：

u=∑xi·μN(xi)/∑μN(xi)

2.3 組間解耦

組間解耦是對控制增量進行的二次修正。設經(jīng)組內(nèi)解耦修正后各集氣管壓力控制增量的語言值分別為ΔU1′、ΔU2和ΔU3′，?。?/p>

ΔUZ2=ΔU2

組間解耦控制的輸入量取為ΔUZ1和ΔUZ2，輸出語言值設為W1和W2，是控制增量的二次修正量。W1、W2的組內(nèi)模糊解耦規(guī)則見表2。

表2 W1、W2的組內(nèi)模糊解耦規(guī)則

控制器采用重心法進行模糊判決。設語言變量W1、W2的輸出量為w1、w2，單回路控制輸出的控制增量Δu1和Δu3經(jīng)組內(nèi)和組間解耦控制修正后的蝶閥控制增量為：

Δu1″=Δu1′+w1=Δu1+v1+w1

Δu2″=Δu2+w2

Δu3″=Δu3′+w1=Δu3+v1+w1

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)數(shù)學模型仿真及驗證

利用Matlab/Simulink對焦爐集氣管系數(shù)學模型進行仿真實驗，建立系統(tǒng)的仿真實驗模型。對系統(tǒng)仿真模型，分別給R1、R2、R3突加階躍信號(在其他輸入均為零的前提下)，可得到各自的階躍響應曲線。

以R1=10為例進行分析，R1=10時的階躍響應曲線如圖3所示，當R1增大時，壓力p1升高，壓力p2和p3降低，p2降低的幅度比p3降低的幅度小。實際中，當阻力系數(shù)R1增大，即1#集氣管蝶閥開度減小時，1#集氣管壓力增大，2#、3#集氣管壓力都會減小，且離1#集氣管較近的3#集氣管壓力減小的幅度更大。仿真結(jié)果與實際符合。

圖3 R1=10時的階躍響應曲線

3.2 模糊智能解耦系統(tǒng)的仿真

根據(jù)3座不對稱焦爐集氣管系的解耦控制方案，利用Simulink建立組內(nèi)、組間解耦控制的仿真模型。對解耦仿真模型分別給控制量R1、R2、R3突加階躍信號(其他輸入均為零的前提下)，得到仿真結(jié)果如圖4～6所示，經(jīng)過組內(nèi)、組間解耦后，任一集氣管蝶閥動作時，其他集氣管壓力波動非常小，且能較快穩(wěn)定到零點，各集氣管之間的耦合作用幾乎被完全消除?？梢?，系統(tǒng)的智能模糊解耦方案能夠達到理想的解耦效果。

圖4 R1=30時的階躍響應曲線

圖5 R2=30時的階躍響應曲線

圖6 R3=30時的階躍響應曲線

4 結(jié)束語

筆者采用機理建模的方法成功建立了焦爐集氣管系的動態(tài)數(shù)學模型，并通過計算機仿真驗證了數(shù)學模型的合理性。將智能模糊控制的原理應用于焦爐集氣管系的解耦控制，由仿真實驗結(jié)果可以看出：筆者所建立的智能解耦控制系統(tǒng)基本消除了焦爐集氣管系的耦合作用。研究結(jié)果能夠為焦爐集氣管系的解耦控制提供理論依據(jù)，可將耦合嚴重的多回路控制系統(tǒng)視作相互獨立的單回路進行控制，為焦爐集氣管壓力的穩(wěn)定控制奠定了良好的基礎。