基于模糊自寻优控制技术在热风炉中的研究与应用＊

杨青峰

（山东工业职业学院电气学院，山东 淄博 256414）

1 概述

热风炉主要是为高炉提供冶炼需要的热风，根据高炉容积的大小，配套的热风炉数量通常为3座或4座。圣戈班穆松桥马鞍山基地高炉配套3座热风炉，高炉所产生的荒煤气经过煤气净化后，为热风炉和锅炉提供燃烧使用的煤气，由于没有经过煤气柜进行缓冲，造成高炉在布料过程中对煤气压力影响非常大。同时加之高炉容积比较小，高炉炉况不稳定造成其产生的煤气热焓值也不稳定。因此，热风炉使用该煤气烧炉进行自动控制难度比较大[1]。

经过对现场设备、工艺参数的数据采集分析，确定了基于模糊自适应控制策略实现对圣戈班穆松桥马鞍山基地的热风炉自动燃烧控制方案。该控制方案有效克服了热风炉燃烧使用的煤气压力波动大、热焓值不稳定等不利因素，有效提高了热风温度和节约了煤气。

2 模糊自寻优技术应用

2.1 工艺简介

热风炉的工作过程：燃烧→闷炉→送风→闷炉→燃烧，整个循环工作过程是格子砖（蓄热室内）在燃烧期间吸收热量，然后把热量在送风期间传给空气，加热后送入高炉。

如图1 所示，热风炉的燃烧分两个周期：1）强化燃烧期，短时间达到最高拱顶温度，如果实际温度＞=Tmax，自动进入下个循环；2）蓄热期，烟道温度达到要求的最高温。

图1 热风炉燃烧工艺原理图

当炉子送风时间和蓄热面一定后，热风炉蓄热程度以烟道温度达到规定温度来衡量。影响烟道温度的因素是燃烧时间T、空气燃烧量以及煤气燃烧量。

2.2 系统控制功能架构

通过模糊自寻优控制在快速加热期保证拱顶温度快速上升，在蓄热期拱顶温度稳定在设定值。为了实现空气流量和空燃比的最优控制，从而保证热风炉加热过程处于最优，因此，初步设计整个系统包括下列模块：专家协调控制器、快速加热期空燃比模糊自寻优控制器、蓄热器空燃比模糊自寻优控制器、蓄热器空气流量模糊自寻优控制器、流量给定计算模块和流量调节阀前馈协调器。第四模块完成流量对空燃比和煤气流量设定的跟随即优化控制。前三模块对空燃比寻优。流量调节阀前馈协调器在流量给定计算模块给出流量后计算煤气、空气阀开度[2]。

2.3 模糊自寻优控制器

模糊控制器用于快速燃烧期及蓄热期空燃比的优化设定，控制输入为拱顶温度偏差以及偏差变化率，控制输出是空燃比调节增量。在给定空燃比初始值的前提下增量调节控制，得到最优空燃比[3]。

模糊自寻优控制器设计步骤：

1）确定输入输出变量：

拱顶温度偏差e和偏差变化率ec为模糊控制器的输入，空燃比增量u是输出。

2）模糊自寻优控制器的控制规则的设计：

表1 偏差 e 隶属函数中心和宽度表

表2 偏差变化率 ec 隶属函数中心和宽度表

图2 手动烧炉烟道氧含量

e、ec的隶属度函数采用高斯隶属函数，解析式如下：

偏差e的高斯型隶属函数中心和宽度如表1所示。

高斯型隶属函数中心和宽度如表2所示。

3）模糊自寻优控制器系数设定：

Ke选大了，系统动态性能上升较快，超调量较大，过渡过程长。

Ke的初选值：Ke=6/60=0.1。

Kec 选较大时系统超调量减小，响应速度变慢，因此Kec对系统超调抑制明显。

Kec的初选值：Kec=6/40=0.15。

模糊自寻优控制器系数在线修正：利用专家系统对模糊控制器量化因子Ke、Kec 进行修正。根据E 和EC 的大小确定Ke、Kec 的取值。当E 和EC 很大时，控制系统要减小误差，加快动态过程，得到较大的控制量，应减小Ke 和Kec；当E和EC很小时，应加大Ke和Kec。

通过模糊自寻优控制器，将e 和ec 模糊化后求得E、EC，得到u，空燃比的增量通过对被触发的规则输出加权平均后求得，然后加上当前空燃比实际值，得到输出设定值[4]。

3 效果对比

本系统在圣戈班穆松桥马鞍山基地的热风炉上已经成功应用，该系统能把热风炉的烟道氧含量控制在0.5～1.0 之间，正常燃烧过程中烟道一氧化碳含量小于500 ppm。图2、图3为现场烟道氧含量对比图。

图3 自动烧炉烟道氧含量

从上面两幅图中可以看出手动烧炉对烟道氧含量控制不平稳，间接的反应出空气和煤气的配比不合适，自动控制能把氧含量控制在目标范围内，使空气和煤气达到合理的配比，煤气得到充分燃烧达到节约能源的目的。

4 结论

钢铁企业广泛应用热风炉自动燃烧控制系统，本系统只需常规的氧含量、流量、压力参数，可以实现自动优化燃烧。