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1、焦炉加热过程无辨识自适应控制 方法控制工程2 0 0 8 雷 琪,吴 敏,曹卫华摘 要 针对焦炉火道温度直接影响焦炭质量和炉体寿命, 而焦炉加热过程的大时滞、难以建立数学模型等 特性造成焦炉加热过程火道温度控制十分困难的 问题,提出一种具有专家修正的无辨识自适应控制 方法。该方法不需要过程的数学模型,而是根据当 前和过去的过程信息,基于专家规则估计过程未来 的输出及变化趋势,对无辨识自适应控制的输出进 行修正,获得过程控制所需的煤气流量设定值。仿 真结果表明,该控制方法简单易行,有较好的鲁棒性 ,能比较好地控制焦炉加热过程火道温度。1.焦炉加热过程数据分析 焦炉温度控制的目标是根据焦炉火道温度
2、变化,适 时调整供热量,自动组织合理燃烧,在各种干扰因素 的作用下,使火道温度保持基本稳定。 为了深入研究焦炉的加热特性,本文利用红外测温 仪测得的火道温度数据和与之相对应的煤气流量 数据来研究焦炉加热过程的特性,通过分析200组 现场历史数据(采样周期为4 h),得到k时刻火道温度 y(k)与不同时刻焦炉煤气流量Qjml,高炉煤气流量 Qgml之间的相关系数。 分析可知,k时刻火道温度y(k)与(k-1)时刻和(k-2)时 刻的焦炉煤气流量Qjml(k-1)和Qjml(k-2)的相关性 明显比其他时刻大很多;而与(k-2)和(k-3)时刻的高 炉煤气流量Qgml(k-2)和Qgml(k-3)
3、的相关性较大 。火道温度与不同时刻煤气流量相关系数,见表1 通过分析可以看出,焦炉火道温度的变化是一个慢 过程,存在较大的滞后环节。每调节一次焦炉煤气 流量,火道温度大约在23 h后才会反映出变化;而 每调节一次高炉煤气流量,则需要大概6 h才会反映 出火道温度的变化。控制系统要依据当前的火道 温度检测值通过调节煤气流量来控制未来的火道 温度,因此,大时滞增加了焦炉加热过程温度控制的 难度。 采用最小二乘法,得到不同加热方式下焦炉火道温 度与加热煤气流量之间数学模型的近似表达式。 混合煤气加热方式下,以机侧火道温度作为输出,调 节高炉煤气流量时,焦炉加热过程近似表示形式如 下:3 无辨识自适应
4、控制方法及仿真 一般的自适应控制算法是在过程辩识的基 础上设计自适应控制律,这样在每个采样周 期内都要进行复杂的运算,而且辩识所得的 数学模型并不十分准确,从而限制了自适应 控制算法的应用范围。无辨识自适应控制 是Marsik和Strejc提出的一种无需辨识系统 参数的自适应PSD控制算法,具有明显的简 单性和可实现性,可以应用于难以建立精确 数学模型的场合。PSD是一种比例(P)、求 和(S)和微分(D)并联控制器。 1)无辨识自适应控制算法 自适应控制律的增量形式为式中,r和y分别为对象的目标值和实际输出 ;u为控制器的输出变量;$u为控制器的增量 输出;e,$e,$2e为控制误差、误差变
5、化率、 误差加速度;g(k)为控制器的增益;Tv(k)为控 制器参数。 2)无辨识自适应控制算法仿真 采用无辨识自适应控制算法,对上述焦炉加 热过程方程式(1)进行输入为周期信号的控 制仿真。在仿真过程中,根据稳定条件与焦 炉自身的特点,变量参数初值的选择如下:仿真曲线,如图1所示 由仿真结果可以看出,如果将无辨识自适应控制算 法直接运用到焦炉加热过程中,由于大滞后环节的 存在,严重影响控制系统的动态品质,使控制性能变 坏;如过渡时间较长,稳定后又出现振荡、超调量较 大等情况,并且需要经过几个周期的调整,系统的超 调才会有明显的减小。 因此,尽管无辨识自适应控制算法的计算量小,并且 在复杂工业
6、过程中也有成功的应用,但是对于焦炉 加热过程这种具有大滞后特性的复杂工业过程而言 ,具有一定的局限性。因此,在焦炉加热过程中,需要 对无辨识自适应控制方法进行进一步的改进,克服 时变大时滞环节的不利影响,才能取得比较好的控 制效果。3 具有专家修正的无辨识自适应控制 方法 考虑到在很多复杂工业过程中,现场操作人员可以 基于长期的操作经验,使过程控制达到预定目标, 本文在不增加对过程模型描述的要求下,引入专家 修正功能,根据当前和过去的过程信息,通过专家 规则,估计过程的输出和趋势,给出适当的补偿量 来修正无辨识自适应控制律,使之在大滞后过程控 制中也能取得较好的控制效果 1)算法的改进本文采用
7、专家推理方法,从焦炉加热 过程的稳定性、稳态误差的修正、减小调节时间 和提高响应速度几个方面,有针对性地对无辨识自 适应控制方法进行修正,以提高控制系统的性能。 具有专家补偿的无辨识自适应控制器结构,如图2 所示。 具有专家修正的无辨识自适应控制方法仿 真 对具有专家修正的无辨识自适应控制进 行仿真,响应曲线,如图3所示 与图1比较,可以看出具有专家修正的无辨识 自适应控制的仿真中,被控对象的动态特性 比没有专家修正时有了明显的改善,且响应 时间、超调量、上升时间都显著减小,达到 稳定后没有周期性的振荡现象发生,并且消 除了稳态误差。 加入扰动后,对没有专家修正的无辨识自适 应方法加扰动时,控制系统能逐渐趋于稳定, 但是仍然出现较大的振荡。对具有专家修 正的无辨识自适应方法加扰动的情况,尽管 有小范围超调,但是系统很快稳定4 结 语 本文提出了一种具有专家修正的无辨识自适应控 制方法,它不要求精确的控制对象模型,适合于解决 难以建数学模型的复杂工业过程控制问题,能根据 现在和过去的过程信息确定当前的控制动作,为解 决工业生产中的大时滞问题提供了一种有效方法; 能够针对仿真过程中无辨识自适应控制方法调节 时间长、容易产生振荡的问题,采用专家方法进行 修正,简单有效;采用这种方法对焦炉加热过程数学 模型进行了仿真,表明了该方法的有效性
