先进控制技术在热风炉燃烧优化控制系统中的应用

苏培华

(西安外事学院，陕西 西安 710077)

热风炉是冶金工业中高炉的辅助设备之一，是一种复杂的热交换系统，其运行目的是为高炉冶炼提供温度可控的热风，从而提高冶炼强度，降低焦炭消耗。目前,国内热风炉已经安装了基础的自动化控制设备，包括炉灶自动转换逻辑的使用，实现了燃烧过程的自动化和智能化，带来了节能的新进展。但受限于仪表和执行机构的可靠性，目前的控制系统仍存在一些不足，系统仍难以实现自动运行、优化运行，多数设备仍采用手动方式操作，且控制精度易受外界因素影响(如气体压力波动、仪表性能不稳定、燃料主控耦合效应等)。国外热风炉先进控制技术的研究和应用已经比较成熟，但相关控制技术在我国难以推广应用。炉体的运行工况、运行特性和工艺特性给控制系统作用的充分发挥带来了诸多不利因素：执行机构的气动行程大，死区大，液力表畸变严重，甚至完全失效。此外，炉温各温度段调整滞后明显，热值波动频繁，生产节奏多变且不可控。因此，实现精确的自动控制需要克服诸多困难，热风炉的优化控制方法的研究是很大的挑战。

热风炉是一个具有纯延迟、大惯性和时变特性的非线性控制系统。考虑到常规PID控制技术适应能力较差，传统的控制算法已很难取得满意的控制效果。目前炉灶现场多为人工操作，温度控制精度差，能源浪费大。

1 先进的控制技术

1.1 概 述

先进控制技术是随着生产过程中对控制要求的不断提高而迅速发展起来的一种控制技术。在复杂的工业过程中，存在着非线性、大时滞、强干扰、参数多变、变量耦合、参数不可预测等问题。先进的控制技术和方法，包括推理控制、模糊控制、自适应控制、预测控制、多变量控制、智能控制、过程优化、故障检测和诊断等相关内容。

1.2 超前控制策略

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性强、可靠性高，能够对确定性系统建立精确的数学模型，被广泛应用于过程控制和运动控制中。然而，实际工业生产过程往往存在非线性和时变的不确定性问题，难以建立精确的数学模型。常规PID控制器无法达到预期的控制效果，在实际生产现场，受复杂参数整定方法的限制，常规PID控制器在参数整定方面往往表现较差，严重影响了控制系统的控制精度与适应性。

先进控制策略主要包含基于扰动观测器的PID控制器、PID前馈控制器和PID控制器的以及模糊控制器。

1)基于扰动观测器的PID控制器

实际对象与标称输出的差值和模型参数变化引起的扰动等效于控制输入，即观测到的等效干扰。在控制中引入等效补偿，实现了对干扰的完全抑制。

图1中，Gp(s)为对象的传递函数，d^为观测干扰，d为等效干扰，u为控制输入。因此可以获得

2) PID前馈控制器

PID前馈控制器结构如图2所示，前馈控制可以提高系统的跟踪性能。

图2 PID前馈控制器结构图

3)模糊PID控制器

模糊控制是一种基于模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的计算机智能控制，其核心是模糊控制器，其模糊控制律通过计算机程序实现，结果如图3所示。

图3 模糊PID控制器结构图

2 先进控制技术在热风炉上的应用

2.1 基于扰动观测器的PID控制器的应用

加热燃烧优化控制模型包括温度调节控制模型、温度专家控制算法、燃气优化控制、解耦控制模型等。其中，先进的穹顶温度控制系统包括许多影响因素，如燃气和空气歧管压力的变化，热值的变化等。在分析了影响因素的重要性后，采用基于扰动观测器的PID控制器。这种控制方法可以减少大部分影响因素的影响，使系统控制精度高、波动小、稳定快。

2.2 PID前馈控制器的应用

废气温度受炉顶温度、燃烧时间和送风时间的影响。为了实现对烟气温度的稳定控制，需要对排气温度进行控制，减少热风炉改变运行方式引起的炉顶温度波动， 采用PID前馈控制器和预测控制，通过预作用，使炉顶温度快速达到稳定。

2.3 模糊PID控制器的应用

穹顶温度控制精度要求高，对送风温度影响很大。通过使用模糊PID控制器，对燃气主管压力进行适当调整，以协调穹顶温度控制。

3 热风炉先进控制技术的性能

通过对热风炉燃烧控制系统的改造，利用先进的控制技术，对该系统进行了有效的测试，测试结果如下：

(1)自动控制回路均实现自动优化运行，试验控制率可达100%，且长期控制率可保证在95%以上。热风炉的自动控制运行，大大降低了操作人员的劳动强度。

(2)燃烧控制系统采用先进的控制技术，节能效果显著，燃气消耗平均比原控制系统低5.36%，如表1所示。

表1 效果对比表 千万m3

(3)燃烧先进控制系统采用安全控制，通过故障及时诊断和预警，保护了炉具的安全运行。

(4)送风温度控制更加稳定，使整体运行情况稳定，提高了高炉炼铁质量和产量。

4 结 论

先进的控制技术在燃烧系统中的应用已经日渐成熟，在降低燃气消耗的同时，送风温度更加稳定，甚至提高了高炉炼铁质量。先进控制技术的应用为企业带来了可观的经济效益，并对社会产生了积极的影响，因此推广和改进先进控制技术具有重要意义。