尹志豪 溫開芬 朱自科 馮麗輝

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500； (2.云南省計量測試技術(shù)研究院信息與電學(xué)計量科學(xué)研究所，昆明 650228)

基于富氧頂吹爐噴槍插入深度軟測量的噴槍端壓模糊控制研究

尹志豪1溫開芬1朱自科2馮麗輝1

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500； (2.云南省計量測試技術(shù)研究院信息與電學(xué)計量科學(xué)研究所，昆明 650228)

首先對噴槍工作機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，利用生產(chǎn)臺賬數(shù)據(jù)，建立了噴槍插入深度機(jī)理軟預(yù)測模型和噴槍端壓動態(tài)數(shù)學(xué)模型并驗(yàn)證了模型的有效性；其次重點(diǎn)進(jìn)行了基于噴槍插入深度軟預(yù)測的噴槍端壓模糊控制研究，仿真結(jié)果表明：模糊控制效果優(yōu)于PID控制。同時，通過OPC接口，在WinCC中實(shí)現(xiàn)了噴槍端壓模糊控制曲線顯示，為富氧頂吹爐噴槍控制的進(jìn)一步工程實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

模糊控制 富氧頂吹爐 噴槍插入深度 機(jī)理軟預(yù)測模型 噴槍端壓動態(tài)數(shù)學(xué)模型

富氧頂吹爐采用富氧頂吹浸沒式噴槍技術(shù)進(jìn)行精礦熔煉[1,2]，因具有能源消耗量小、對物料適應(yīng)性范圍廣、物料在爐內(nèi)的反應(yīng)速度快、處理能力強(qiáng)、對環(huán)境污染小及工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)，使其在有色冶煉行業(yè)得到迅速推廣應(yīng)用。富氧頂吹爐通過噴槍噴入的高速富氧氣流來攪拌摻混物料，可強(qiáng)化熱量傳遞、質(zhì)量傳遞并提高化學(xué)反應(yīng)的速度，使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)高效、劇烈，提高了冶煉效率[3～5]。

在富氧頂吹連續(xù)熔煉過程中，需確保噴槍在熔池內(nèi)插入適宜的深度。若噴槍插入深度不夠則易產(chǎn)生泡沫渣而導(dǎo)致噴爐事故；若噴槍插入過深則會加速噴槍的燒損而影響熔煉反應(yīng)效率和爐體壽命。因富氧頂吹爐內(nèi)環(huán)境惡劣(多粉塵、多氣氛、熔體溫度高達(dá)1 200℃以上)，一般通過卷揚(yáng)系統(tǒng)上的位置增量型編碼器來獲取噴槍在爐外的位置，并非噴槍槍頭在熔池中的實(shí)際插入深度。而噴槍插入深度的控制效果又直接關(guān)系到噴槍壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，噴槍插入深度的測量與控制問題已成為富氧頂吹技術(shù)能否應(yīng)用好的關(guān)鍵。

為了確保噴槍槍頭不被燒損且保證正常的熔煉狀態(tài)，筆者針對噴槍插入深度難以在線測量的問題，采集現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)對其影響因素進(jìn)行分析，擬采用軟測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)噴槍插入深度的在線預(yù)測并在建立噴槍端壓(靜壓)與噴槍插入深度關(guān)聯(lián)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究噴槍端壓的模糊控制，以獲得良好的控制效果。

富氧頂吹爐主要由爐殼、襯底、噴槍、噴槍夾持架、升降裝置及出料口等部分組成[6，7]，如圖1所示。在富氧頂吹爐連續(xù)正常生產(chǎn)過程中，加入新的混合精礦后，熔渣液面會升高，而隨著熔煉的持續(xù)進(jìn)行和成品的排放，熔渣液面又會相應(yīng)地下降。隨著熔煉周期的變化，熔渣液面會隨著冶煉周期的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，為了保證熔煉正常持續(xù)地進(jìn)行，噴槍也需要跟隨熔渣液面變化而上升或下降。

圖1 富氧頂吹爐結(jié)構(gòu)簡圖

2 噴槍插入深度與噴槍端壓關(guān)系分析

2.1經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，為確保噴槍的壽命和熔煉反應(yīng)效率，噴槍插入熔渣的深度h應(yīng)穩(wěn)定在200～400mm左右。對某冶煉企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的端壓值進(jìn)行聚類分析，可見，熔煉過程中的噴槍端壓值主要集中分布在8～30kPa(圖2)。

圖2 噴槍端壓散點(diǎn)

通過多年生產(chǎn)實(shí)踐，操作人員發(fā)現(xiàn)噴槍端壓p與插入深度h之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，即隨著噴槍插入深度的加大，端壓也隨之增加，兩者間呈近似的線性關(guān)系(也稱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即:

(1)

其中，K為噴槍插入深度最大值減最小值與噴槍端壓最大值減最小值的比值；p0為噴槍端壓值的最小值；h0為噴槍插入深度的最小值。

2.2噴槍插入深度的機(jī)理軟測量建模

噴槍由4個同心圓管組成，從內(nèi)管到外管分別為燃料管、氧氣管、噴槍風(fēng)管和套筒風(fēng)管。熔池反應(yīng)的劇烈程度與噴槍插入深度及風(fēng)壓等因素息息相關(guān)。噴槍插入深度不僅與噴槍端壓密切相關(guān)，還受噴槍管內(nèi)氣體的流速、鼓風(fēng)壓力、熔渣渣型(主要由MgO、Fe3O4等組成)及熔體溫度等多種因素的影響。

由于目前無法得到噴槍插入深度的測量值，難以采用成熟的多元線性回歸、主元分析及最小二乘法等軟測量手段來建立預(yù)測模型。機(jī)理建模法雖然難度大，但能反映被研究對象的本質(zhì)特征。為此，筆者通過全面分析噴槍工作機(jī)理并利用流體力學(xué)理論，建立噴槍流體的能量平衡方程(伯努利方程)，以獲得噴槍插入深度的機(jī)理軟測量模型。

設(shè)富氧頂吹爐頂端平面為平面1，噴槍槍口所處的平面為平面2，爐內(nèi)渣層表面為平面3。將噴槍風(fēng)流體經(jīng)過3個平面看成是3種狀態(tài)，則噴槍風(fēng)氣體從平面1到平面2，從平面3到平面2均滿足實(shí)際流體的伯努利方程，即：

(2)

(3)

利用有關(guān)公式，經(jīng)過相關(guān)計算，最終得出如下噴槍的插入深度機(jī)理模型：

(4)

其中，Q1、Q2和Q3分別為氧氣流量、噴槍風(fēng)流量和套筒風(fēng)流量;T為爐內(nèi)溫度。

將495組有關(guān)的生產(chǎn)臺賬數(shù)據(jù)分別代入式(1)、(4)中，可得如圖3所示的噴槍插入深度對比曲線。其中，h1表示由式(1)得到的經(jīng)驗(yàn)計算結(jié)果；h2表示由式(4)得到的機(jī)理計算結(jié)果。

圖3 噴槍插入深度檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型對比曲線

從圖3中可以看出：兩種模型的曲線走勢基本一致，但h1僅考慮端壓的影響，其走勢波動幅度較大，不利于噴槍的平穩(wěn)控制；而h2走勢變化幅度比較平穩(wěn)，表明基于機(jī)理模型的噴槍插入深度軟預(yù)測結(jié)果走勢更加合理。

3 噴槍端壓的模糊控制研究

3.1噴槍端壓動態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立

在實(shí)際生產(chǎn)中，噴槍端壓是可在線測量與控制的，而噴槍插入深度又與噴槍端壓密切相關(guān)，通過控制好噴槍端壓，即可通過式(4)的模型來預(yù)測噴槍插入深度，進(jìn)而指導(dǎo)操作人員進(jìn)行控制。

要控制好噴槍端壓，先要研究其合適的控制策略，而建立噴槍端壓動態(tài)模型則是關(guān)鍵。為此，筆者通過影響因素分析，確定了噴槍端壓動態(tài)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)為五輸入一輸出。其輸入量為k-1時刻的噴槍端壓p(k-1)、熔渣溫度T(k)、渣型成分MgO(k)和Fe3O4(k)與噴槍插入深度h(k)；其輸出量為k時刻的噴槍端壓p(k)。

在Matlab平臺下，基于剔除異常數(shù)據(jù)后剩余的300組樣本數(shù)據(jù)，利用最小二乘辨識方法得到的噴槍端壓動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

p(k)=0.326563p(k-1)-0.060885T(k)-

0.041899MgO(k)+0.21999Fe3O4(k)+

0.229521h(k)

(5)

對所得模型進(jìn)行驗(yàn)證，其預(yù)測曲線如圖4所示?？梢钥闯觯簞討B(tài)模型預(yù)測曲線與端壓實(shí)測值有較多重疊的部分，表明所建動態(tài)模型具有較高的可靠性。

3.2噴槍端壓模糊控制規(guī)則的確定

由于富氧頂吹爐在有色冶金企業(yè)已成功應(yīng)用多年，對于噴槍的控制也積累了大量人工操作經(jīng)驗(yàn)。又因模糊控制規(guī)則更接近于人的思維方式和推理習(xí)慣，便于現(xiàn)場操作人員的理解和控制，因此模糊控制比PID調(diào)節(jié)更靈活、快速。

圖4 噴槍端壓動態(tài)模型預(yù)測曲線

為了提高熔煉階段噴槍控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，筆者采用如圖5所示的模糊控制方案來進(jìn)行噴槍端壓的控制研究。以噴槍端壓pk的測量值與其設(shè)定值psp之差e及其偏差變化率ec作為模糊控制器(Fuzzy)的輸入量，輸出變量U則用于控制噴槍的升降。

圖5 噴槍端壓模糊控制系統(tǒng)原理框圖

通過分析富氧頂吹工藝，選取噴槍端壓偏差e的論域?yàn)閇-6，6]，其偏差變化率ec的論域?yàn)閇-6，6]，控制變量U的論域?yàn)閇60，66]；噴槍端壓偏差及其偏差變化率的語言值劃分為7個模糊狀態(tài)，即[PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB]；在正常熔煉過程中，噴槍的控制需穩(wěn)定在所要求的范圍內(nèi)，則隸屬度函數(shù)選擇正態(tài)分布型。

在富氧頂吹熔煉過程中，當(dāng)噴槍端壓偏差為PB(設(shè)定值-端壓值大于0)，此時噴槍端壓值較小，需增加噴槍插入深度來加大端壓值；當(dāng)端壓偏差為NB(設(shè)定值-端壓值小于0)表明此時端壓值較大，需減小噴槍插入深度來降低端壓值。具體模糊控制規(guī)則表因篇幅有限，在此省略。

通常計算解模糊化的方法有最大隸屬度函數(shù)法、中位數(shù)法和加權(quán)平均法(重心法)，而筆者采用加權(quán)平均法來進(jìn)行解模糊化運(yùn)算。

3.3噴槍端壓模糊控制仿真

采用Simulink進(jìn)行噴槍端壓模糊控制與PID控制的仿真對比研究，其結(jié)果如圖6所示?？梢?，在相同的控制條件下，模糊控制達(dá)到設(shè)定值所需要的時間較短且無超調(diào)，其控制效果更好。

圖6 噴槍端壓PID控制與模糊控制效果對比

3.4基于OPC的Simulink 噴槍端壓控制與WinCC的數(shù)據(jù)交換

筆者將WinCC用作OPC的服務(wù)器，將Matlab用作OPC的客戶機(jī)，通過Simulink中的OPC集成模塊來實(shí)現(xiàn)WinCC與Matlab之間的數(shù)據(jù)傳遞。即Matlab通過OPC read block模塊將WinCC中的富氧頂吹熔煉生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)組atlab中，而通過OPC write block模塊將Matlab模糊控制和PID控制的運(yùn)行結(jié)果返回到WinCC中顯示，以便操作人員及時掌握控制信息。

可以看出，圖7所示的WinCC界面中的噴槍端壓控制曲線與圖6中的曲線一致，表明基于OPC接口成功實(shí)現(xiàn)了兩者間的數(shù)據(jù)交換。

圖7 WinCC中噴槍端壓的模糊控制和PID控制效果

4 結(jié)束語

在富氧頂吹爐噴槍插入深度機(jī)理軟測量模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了噴槍端壓模糊控制仿真研究，并與傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明：模糊控制具有較好的抗干擾能力，效果優(yōu)于PID控制。同時，成功實(shí)現(xiàn)了基于OPC接口的Matlab噴槍端壓控制程序與WinCC監(jiān)控界面之間的數(shù)據(jù)交換，為噴槍控制的進(jìn)一步工程實(shí)現(xiàn)奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

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FuzzyControlResearchofSprayGunEndPressureBasedonSoftMeasurementofItsInsertionDepthinRichOxygenTop-blownFurnace

YIN Zhi-hao1, WEN Kai-fen1, ZHU Zi-ke2, FENG Li-hui1

TH865

A

1000-3932(2016)02-0120-05

2015-12-11(修改稿)