基于富氧顶吹炉喷枪插入深度软测量的喷枪端压模糊控制研究

尹志豪 温开芬 朱自科 冯丽辉

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500； (2.云南省计量测试技术研究院信息与电学计量科学研究所，昆明 650228)

基于富氧顶吹炉喷枪插入深度软测量的喷枪端压模糊控制研究

尹志豪1温开芬1朱自科2冯丽辉1

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500； (2.云南省计量测试技术研究院信息与电学计量科学研究所，昆明 650228)

首先对喷枪工作机理和影响因素进行分析，利用生产台账数据，建立了喷枪插入深度机理软预测模型和喷枪端压动态数学模型并验证了模型的有效性；其次重点进行了基于喷枪插入深度软预测的喷枪端压模糊控制研究，仿真结果表明：模糊控制效果优于PID控制。同时，通过OPC接口，在WinCC中实现了喷枪端压模糊控制曲线显示，为富氧顶吹炉喷枪控制的进一步工程实现奠定了基础。

模糊控制 富氧顶吹炉 喷枪插入深度 机理软预测模型 喷枪端压动态数学模型

富氧顶吹炉采用富氧顶吹浸没式喷枪技术进行精矿熔炼[1,2]，因具有能源消耗量小、对物料适应性范围广、物料在炉内的反应速度快、处理能力强、对环境污染小及工艺流程短等优点，使其在有色冶炼行业得到迅速推广应用。富氧顶吹炉通过喷枪喷入的高速富氧气流来搅拌掺混物料，可强化热量传递、质量传递并提高化学反应的速度，使炉内反应高效、剧烈，提高了冶炼效率[3～5]。

在富氧顶吹连续熔炼过程中，需确保喷枪在熔池内插入适宜的深度。若喷枪插入深度不够则易产生泡沫渣而导致喷炉事故；若喷枪插入过深则会加速喷枪的烧损而影响熔炼反应效率和炉体寿命。因富氧顶吹炉内环境恶劣(多粉尘、多气氛、熔体温度高达1 200℃以上)，一般通过卷扬系统上的位置增量型编码器来获取喷枪在炉外的位置，并非喷枪枪头在熔池中的实际插入深度。而喷枪插入深度的控制效果又直接关系到喷枪寿命和产品的质量。因此，喷枪插入深度的测量与控制问题已成为富氧顶吹技术能否应用好的关键。

为了确保喷枪枪头不被烧损且保证正常的熔炼状态，笔者针对喷枪插入深度难以在线测量的问题，采集现场大量数据对其影响因素进行分析，拟采用软测量技术来实现喷枪插入深度的在线预测并在建立喷枪端压(静压)与喷枪插入深度关联动态数学模型的基础上，进一步研究喷枪端压的模糊控制，以获得良好的控制效果。

富氧顶吹炉主要由炉壳、衬底、喷枪、喷枪夹持架、升降装置及出料口等部分组成[6，7]，如图1所示。在富氧顶吹炉连续正常生产过程中，加入新的混合精矿后，熔渣液面会升高，而随着熔炼的持续进行和成品的排放，熔渣液面又会相应地下降。随着熔炼周期的变化，熔渣液面会随着冶炼周期的变化而发生相应的变化。因此，为了保证熔炼正常持续地进行，喷枪也需要跟随熔渣液面变化而上升或下降。

图1 富氧顶吹炉结构简图

2 喷枪插入深度与喷枪端压关系分析

2.1经验模型

根据实际生产工艺的要求，为确保喷枪的寿命和熔炼反应效率，喷枪插入熔渣的深度h应稳定在200～400mm左右。对某冶炼企业生产数据中的端压值进行聚类分析，可见，熔炼过程中的喷枪端压值主要集中分布在8～30kPa(图2)。

图2 喷枪端压散点

通过多年生产实践，操作人员发现喷枪端压p与插入深度h之间有一定的对应关系，即随着喷枪插入深度的加大，端压也随之增加，两者间呈近似的线性关系(也称经验模型)，即:

(1)

其中，K为喷枪插入深度最大值减最小值与喷枪端压最大值减最小值的比值；p0为喷枪端压值的最小值；h0为喷枪插入深度的最小值。

2.2喷枪插入深度的机理软测量建模

喷枪由4个同心圆管组成，从内管到外管分别为燃料管、氧气管、喷枪风管和套筒风管。熔池反应的剧烈程度与喷枪插入深度及风压等因素息息相关。喷枪插入深度不仅与喷枪端压密切相关，还受喷枪管内气体的流速、鼓风压力、熔渣渣型(主要由MgO、Fe3O4等组成)及熔体温度等多种因素的影响。

由于目前无法得到喷枪插入深度的测量值，难以采用成熟的多元线性回归、主元分析及最小二乘法等软测量手段来建立预测模型。机理建模法虽然难度大，但能反映被研究对象的本质特征。为此，笔者通过全面分析喷枪工作机理并利用流体力学理论，建立喷枪流体的能量平衡方程(伯努利方程)，以获得喷枪插入深度的机理软测量模型。

设富氧顶吹炉顶端平面为平面1，喷枪枪口所处的平面为平面2，炉内渣层表面为平面3。将喷枪风流体经过3个平面看成是3种状态，则喷枪风气体从平面1到平面2，从平面3到平面2均满足实际流体的伯努利方程，即：

(2)

(3)

利用有关公式，经过相关计算，最终得出如下喷枪的插入深度机理模型：

(4)

其中，Q1、Q2和Q3分别为氧气流量、喷枪风流量和套筒风流量;T为炉内温度。

将495组有关的生产台账数据分别代入式(1)、(4)中，可得如图3所示的喷枪插入深度对比曲线。其中，h1表示由式(1)得到的经验计算结果；h2表示由式(4)得到的机理计算结果。

图3 喷枪插入深度检验模型和机理模型对比曲线

从图3中可以看出：两种模型的曲线走势基本一致，但h1仅考虑端压的影响，其走势波动幅度较大，不利于喷枪的平稳控制；而h2走势变化幅度比较平稳，表明基于机理模型的喷枪插入深度软预测结果走势更加合理。

3 喷枪端压的模糊控制研究

3.1喷枪端压动态数学模型的建立

在实际生产中，喷枪端压是可在线测量与控制的，而喷枪插入深度又与喷枪端压密切相关，通过控制好喷枪端压，即可通过式(4)的模型来预测喷枪插入深度，进而指导操作人员进行控制。

要控制好喷枪端压，先要研究其合适的控制策略，而建立喷枪端压动态模型则是关键。为此，笔者通过影响因素分析，确定了喷枪端压动态数学模型结构为五输入一输出。其输入量为k-1时刻的喷枪端压p(k-1)、熔渣温度T(k)、渣型成分MgO(k)和Fe3O4(k)与喷枪插入深度h(k)；其输出量为k时刻的喷枪端压p(k)。

在Matlab平台下，基于剔除异常数据后剩余的300组样本数据，利用最小二乘辨识方法得到的喷枪端压动态数学模型为：

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

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

0.229521h(k)

(5)

对所得模型进行验证，其预测曲线如图4所示。可以看出：动态模型预测曲线与端压实测值有较多重叠的部分，表明所建动态模型具有较高的可靠性。

3.2喷枪端压模糊控制规则的确定

由于富氧顶吹炉在有色冶金企业已成功应用多年，对于喷枪的控制也积累了大量人工操作经验。又因模糊控制规则更接近于人的思维方式和推理习惯，便于现场操作人员的理解和控制，因此模糊控制比PID调节更灵活、快速。

图4 喷枪端压动态模型预测曲线

为了提高熔炼阶段喷枪控制的稳定性和准确性，笔者采用如图5所示的模糊控制方案来进行喷枪端压的控制研究。以喷枪端压pk的测量值与其设定值psp之差e及其偏差变化率ec作为模糊控制器(Fuzzy)的输入量，输出变量U则用于控制喷枪的升降。

图5 喷枪端压模糊控制系统原理框图

通过分析富氧顶吹工艺，选取喷枪端压偏差e的论域为[-6，6]，其偏差变化率ec的论域为[-6，6]，控制变量U的论域为[60，66]；喷枪端压偏差及其偏差变化率的语言值划分为7个模糊状态，即[PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB]；在正常熔炼过程中，喷枪的控制需稳定在所要求的范围内，则隶属度函数选择正态分布型。

在富氧顶吹熔炼过程中，当喷枪端压偏差为PB(设定值-端压值大于0)，此时喷枪端压值较小，需增加喷枪插入深度来加大端压值；当端压偏差为NB(设定值-端压值小于0)表明此时端压值较大，需减小喷枪插入深度来降低端压值。具体模糊控制规则表因篇幅有限，在此省略。

通常计算解模糊化的方法有最大隶属度函数法、中位数法和加权平均法(重心法)，而笔者采用加权平均法来进行解模糊化运算。

3.3喷枪端压模糊控制仿真

采用Simulink进行喷枪端压模糊控制与PID控制的仿真对比研究，其结果如图6所示。可见，在相同的控制条件下，模糊控制达到设定值所需要的时间较短且无超调，其控制效果更好。

图6 喷枪端压PID控制与模糊控制效果对比

3.4基于OPC的Simulink 喷枪端压控制与WinCC的数据交换

笔者将WinCC用作OPC的服务器，将Matlab用作OPC的客户机，通过Simulink中的OPC集成模块来实现WinCC与Matlab之间的数据传递。即Matlab通过OPC read block模块将WinCC中的富氧顶吹熔炼生产实时数据传输到Matlab中，而通过OPC write block模块将Matlab模糊控制和PID控制的运行结果返回到WinCC中显示，以便操作人员及时掌握控制信息。

可以看出，图7所示的WinCC界面中的喷枪端压控制曲线与图6中的曲线一致，表明基于OPC接口成功实现了两者间的数据交换。

图7 WinCC中喷枪端压的模糊控制和PID控制效果

4 结束语

在富氧顶吹炉喷枪插入深度机理软测量模型的基础上，进行了喷枪端压模糊控制仿真研究，并与传统的PID控制进行了对比。对比结果表明：模糊控制具有较好的抗干扰能力，效果优于PID控制。同时，成功实现了基于OPC接口的Matlab喷枪端压控制程序与WinCC监控界面之间的数据交换，为喷枪控制的进一步工程实现奠定了理论与技术基础。

[1] 李卫锋，贾著红．硫化铅精矿富氧低吹及富氧顶吹熔炼技术[M]．长沙：中南大学出版社，2010：2～7.

[2] Chen Y．Implementation of Integrated Automatic Control System of Copper Smelter Based on Bath Smelting Technique[J]．International Journal of Manufacturing Technology and Management,2012，25(4)：224～236.

[3] 娄文涛，张邦琪，施哲．艾萨炉水模型内气泡运动的模拟[J]．中国有色冶金，2010，(1)：48～53.

[4] Satyanaranana A,Kumar R,Kuloor N R.Studies in Bubble Formation(2):Bubble Formation Underconstant Pressure Conditions[J]．Chemical Engineering Science,1969,24(4):749～761.

[5] Liu H,Xie M Z,Han J D.Bubble Formation from Submerged Orifice in Viscous Liquid[J]．Journal of Thermal Science and Technology，2005，4(3)：262～266.

[6] 杨柳青，陈雯，沈强华，等．影响顶吹喷枪枪位的因素分析[J].矿冶，2014，23(3)：64～67.

[7] 曹珂菲．5m×16.5m富氧顶吹镍熔炼炉的设计[J]．中国有色冶金，2011，40(5)：37～39,53.

[8] Wen K F, Liao Y D, Feng L H,et al.Study on Applied Technology with Soft Measurement for Lance Position Based on MLR and PCR[J].Advanced Materials Research，2014,859：379～383.

[9] 温开芬.富氧顶吹熔炼喷枪位置的软预测与模糊控制研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.

(Continued on Page 139)

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)