1、焦?fàn)t壓力控制的研究摘要在煉焦生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t集氣管壓力是煉焦生產(chǎn)中的重要參數(shù)，它的穩(wěn)定性直接影響著焦?fàn)t的使用壽命和焦碳的生產(chǎn)。因此，如何控制集氣管壓力在給定值范圍內(nèi)是焦化生產(chǎn)中的重要問題，也是解決焦?fàn)t對環(huán)境產(chǎn)生污染的有效方法之一。隨著科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，焦化行業(yè)向大規(guī)模發(fā)展，更多地采用多座焦?fàn)t并聯(lián)的系統(tǒng)。由于管線相通，存在很強(qiáng)的耦合干擾，給集氣管壓力控制帶來很多難題。本文在分析了雙焦?fàn)t共用一套鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)后，提出了基于模糊傳感器技術(shù)和雙閉環(huán)2層反饋控制方案。內(nèi)環(huán)采用PID算法，PID控制器根據(jù)實(shí)測壓力值和給定值的偏差，控制各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成第一層反饋控制。外環(huán)采用模糊控制技術(shù)，集

2、氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器在測量背景知識下，給出當(dāng)前兩個(gè)集氣管壓力狀態(tài)的語言描述。模糊控制器根據(jù)該語言值動(dòng)態(tài)修改總管給定值，通過總管吸力的調(diào)節(jié)，完成第2層反饋控制，實(shí)現(xiàn)集氣管和總管的雙閉環(huán)控制。本文在焦?fàn)t集氣管壓力控制上的主要研究成果如下:基于內(nèi)環(huán)和外環(huán)反饋設(shè)計(jì)了集氣管壓力控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)采用優(yōu)化PID控制，外環(huán)采用模糊控制技術(shù)；采用模糊傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總管給定值的動(dòng)態(tài)修改，解決了焦?fàn)t產(chǎn)氣不足時(shí)和過足時(shí)的控制難題；根據(jù)蝶閥開度動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，采用調(diào)節(jié)總管吸力為監(jiān)督級控制，降低了2個(gè)集氣管的耦合干擾。關(guān)鍵詞：集氣管壓力 模糊控制傳感器 多變量解耦 PLCStudy ofGasCollectorCont

3、rolSystemABSTARCTIn coking process ,the stable pressure of gas collector is an important industrial parameter. Its stability directly influences the life of coke ovens and coke production.Therefore,how to contol the pressure of gas collector within a scope is very important in the coking process ,an

4、d is also valid to solve the environment problem 。Along with the science and techonlogy development,many coke ovens in parallel system are adoped gradually because of coke industry developing on a large scale,and the contol of gas pressure have a lot of difficulties as the gas pipes are conneceted t

5、ogether.This text analyse the technologyfeature of a air-blast system which links to two coke ovens ,and putforward a control scheme based on the technology of fuzzy sensor and the two-storeyfeedback with two closed loop.The inside circle use the PID algorithm ,the PID controllers accomplish the fir

6、st feedback ，controlling the action mechanism according to the deviate between thetrue pressure and the given pressure. The outside use the fuzzy-control technology. The state fuzzy sensor of gas collector give a description of the state of the gas collector,according to the knowledge of measureback

7、ground.Fuzzy controllers modify the given value of the head pipe according to the languagevalue,and the suction of the head pipe is modified ,which accomplishes the second feedback,and accomplishes the control with two closed loop between the gas collector and the head pipe. The achievements in scie

8、ntific research of this text on the control system of the gas collector:The control system of the gas collector based on the design of the feedback in the inside circle and the outside circle is accomplished.The fuzzy sensor technology is used to accomplish the the dynamicmodification,and solve thec

9、ontol problem which appears when the gas is not enough and when the gas is surplus.The plan of modifying the suction of the head pipe is used, according to the characteristics of the dynamic modification of the flygateaperture,and reduce the disturb between the two gas collector.Keywords:gas collect

10、or pressure fuzzy control sensor multivariable decoupling PLC目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc221871754 第一章緒論 PAGEREF _Toc221871754 h 4 HYPERLINK l _Toc221871755 1.1課題背景 PAGEREF _Toc221871755 h 4 HYPERLINK l _Toc221871756 1.1.1 焦化工藝流程簡介 PAGEREF _Toc221871756 h 5 HYPERLINK l _Toc221871757 1.1.2 集氣管壓

11、力控制存在的問題 PAGEREF _Toc221871757 h 6 HYPERLINK l _Toc221871758 1.1.3 荒煤氣對環(huán)境產(chǎn)生的污染及防護(hù) PAGEREF _Toc221871758 h 6 HYPERLINK l _Toc221871759 1.2 工業(yè)控制理論綜述 PAGEREF _Toc221871759 h 7 HYPERLINK l _Toc221871760 1.2.1 經(jīng)典控制理論 PAGEREF _Toc221871760 h 7 HYPERLINK l _Toc221871761 1.2.2 現(xiàn)代控制理論 PAGEREF _Toc221871761 h

12、 8 HYPERLINK l _Toc221871762 1.2.3 智能控制理論 PAGEREF _Toc221871762 h 8 HYPERLINK l _Toc221871763 1.3 集氣管壓力控制方面的國內(nèi)外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc221871763 h 10 HYPERLINK l _Toc221871764 1.4 本項(xiàng)目研究的工作重點(diǎn) PAGEREF _Toc221871764 h 12 HYPERLINK l _Toc221871765 1.5 本章小節(jié) PAGEREF _Toc221871765 h 12 HYPERLINK l _Toc221871766 第二章

13、集氣管壓力控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871766 h 13 HYPERLINK l _Toc221871767 2.1引言 PAGEREF _Toc221871767 h 13 HYPERLINK l _Toc221871768 2.2集氣管壓力控制原理 PAGEREF _Toc221871768 h 14 HYPERLINK l _Toc221871769 2.2.1集氣管壓力與鼓風(fēng)機(jī)吸力的關(guān)系 PAGEREF _Toc221871769 h 14 HYPERLINK l _Toc221871770 2.2.2集氣管壓力控制策略的研究 PAGEREF _Toc2218

14、71770 h 15 HYPERLINK l _Toc221871771 2.2.3集氣管壓力控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc221871771 h 17 HYPERLINK l _Toc221871772 2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理 PAGEREF _Toc221871772 h 17 HYPERLINK l _Toc221871773 2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc221871773 h 17 HYPERLINK l _Toc221871774 2.3.2 PLC的工作原理 PAGEREF _Toc221871774 h 19 HYPERLINK l

15、 _Toc221871775 2.3.3 PLC的編程語言 PAGEREF _Toc221871775 h 20 HYPERLINK l _Toc221871776 2.4 PLC控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc221871776 h 21 HYPERLINK l _Toc221871777 2.5 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 PAGEREF _Toc221871777 h 21 HYPERLINK l _Toc221871778 2.6 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 PAGEREF _Toc221871778 h 21 HYPERLINK l _Toc221871779 2.7 PLC控制

16、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871779 h 23 HYPERLINK l _Toc221871780 2.7.1 PLC機(jī)型選擇 PAGEREF _Toc221871780 h 23 HYPERLINK l _Toc221871781 2.7.2 I/O模塊及點(diǎn)數(shù)的選擇 PAGEREF _Toc221871781 h 23 HYPERLINK l _Toc221871782 2.7.3 存儲容量的選擇 PAGEREF _Toc221871782 h 24 HYPERLINK l _Toc221871783 2.5.4 特殊功能模塊的選擇 PAGEREF _Toc2218717

17、83 h 24 HYPERLINK l _Toc221871784 2.5.5 集氣管壓力控制系統(tǒng)的硬件配置 PAGEREF _Toc221871784 h 24 HYPERLINK l _Toc221871785 2.6 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871785 h 25 HYPERLINK l _Toc221871786 2.6.1 PLC程序設(shè)計(jì)步驟 PAGEREF _Toc221871786 h 25 HYPERLINK l _Toc221871787 2.6.2 PLC程序設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc221871787 h 26 HYPERLINK l

18、 _Toc221871788 2.6.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871788 h 28 HYPERLINK l _Toc221871789 2.7 本章小節(jié) PAGEREF _Toc221871789 h 31 HYPERLINK l _Toc221871790 第三章集氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器的研究 PAGEREF _Toc221871790 h 32 HYPERLINK l _Toc221871791 3.1引言 PAGEREF _Toc221871791 h 32 HYPERLINK l _Toc221871792 3.2模糊理論綜述 PAGEREF _Toc221

19、871792 h 32 HYPERLINK l _Toc221871793 3.2.1模糊集合的定義和表達(dá)形式 PAGEREF _Toc221871793 h 33 HYPERLINK l _Toc221871794 3.2.2模糊邏輯與推理 PAGEREF _Toc221871794 h 34 HYPERLINK l _Toc221871795 3.3集氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器的研究與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871795 h 36 HYPERLINK l _Toc221871796 3.3.1模糊傳感器的基本結(jié)構(gòu)和功能 PAGEREF _Toc221871796 h 36 HYPE

20、RLINK l _Toc221871797 3.3.2模糊傳感器概念生成的基本原理 PAGEREF _Toc221871797 h 38 HYPERLINK l _Toc221871798 3.3.3 集氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器的語言描述方法 PAGEREF _Toc221871798 h 39 HYPERLINK l _Toc221871799 3.3.4 集氣管壓力狀態(tài)的測量和語言輸出 PAGEREF _Toc221871799 h 40 HYPERLINK l _Toc221871800 3.3.5集氣管壓力狀態(tài)對環(huán)境的適應(yīng)性 PAGEREF _Toc221871800 h 41 HYPE

21、RLINK l _Toc221871801 3.4 模糊傳感器在焦?fàn)t集氣管壓力控制上的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc221871801 h 45 HYPERLINK l _Toc221871802 3.5 本章小節(jié) PAGEREF _Toc221871802 h 46 HYPERLINK l _Toc221871803 第四章系統(tǒng)的內(nèi)、外環(huán)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871803 h 47 HYPERLINK l _Toc221871804 4.1內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc221871804 h 47 HYPERLINK l _Toc221871

22、805 4.1.1 PID算法的簡單原理 PAGEREF _Toc221871805 h 48 HYPERLINK l _Toc221871806 4.1.2 內(nèi)環(huán)數(shù)字PID算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc221871806 h 48 HYPERLINK l _Toc221871807 4.1.3 積分飽和問題的解決方法 PAGEREF _Toc221871807 h 49 HYPERLINK l _Toc221871808 4.1.4參數(shù)整定 PAGEREF _Toc221871808 h 50 HYPERLINK l _Toc221871809 4.2 外環(huán)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

23、PAGEREF _Toc221871809 h 50 HYPERLINK l _Toc221871810 4.2.1模糊控制的基本原理 PAGEREF _Toc221871810 h 51 HYPERLINK l _Toc221871811 4.2.2 外環(huán)監(jiān)督控制策略的研究 PAGEREF _Toc221871811 h 52 HYPERLINK l _Toc221871812 4.3 本章小節(jié) PAGEREF _Toc221871812 h 63 HYPERLINK l _Toc221871813 第五章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc221871813 h 64 HYPERLINK

24、l _Toc221871814 5.1 全文總結(jié) PAGEREF _Toc221871814 h 64 HYPERLINK l _Toc221871815 5.2 主要研究成果和創(chuàng)新性 PAGEREF _Toc221871815 h 64 HYPERLINK l _Toc221871816 5.3 主要不足與今后研究工作展望 PAGEREF _Toc221871816 h 65 HYPERLINK l _Toc221871817 致謝 PAGEREF _Toc221871817 h 66 HYPERLINK l _Toc221871818 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc221871818

25、h 67第一章 緒論1.1 課題背景中國是全世界最大的焦炭生產(chǎn)國，每年估計(jì)有3億噸左右的優(yōu)質(zhì)煤用于生產(chǎn)焦炭。煤在煉焦時(shí)約75%變成焦炭供冶金使用，另外25%生成各種其它化學(xué)產(chǎn)品和煤氣。因此，煉焦化工對我國煤炭資源的綜合利用有著極其重要的作用。煉焦工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提高焦炭質(zhì)量和產(chǎn)量、延長焦?fàn)t的使用壽命、維持焦?fàn)t的正常生產(chǎn)。集氣管壓力的穩(wěn)定是焦?fàn)t正常生產(chǎn)的前提，集氣管壓力的穩(wěn)定直接影響到焦炭和煤氣的質(zhì)量、焦?fàn)t的使用壽命和生產(chǎn)環(huán)境。集氣管壓力過低，焦?fàn)t吸入空氣導(dǎo)致焦炭燃燒，影響爐體使用壽命，降低煤氣質(zhì)量。集氣管壓力過高，導(dǎo)致焦?fàn)t冒煙，既污染環(huán)境又浪費(fèi)大量能源。因此，集氣管壓力的穩(wěn)定對焦?fàn)t生產(chǎn)有

26、著十分重要的意義。雖然我國煉焦裝備和工藝水平有一定的提高，環(huán)境保護(hù)設(shè)施也有一定的改善。但從整體上看，所采用的工藝方法和設(shè)備控制手段與國際先進(jìn)水平相比仍比較落后。其產(chǎn)品質(zhì)量及能源消耗和發(fā)達(dá)國家相比都存在很大差距，尤其是對環(huán)境的污染已經(jīng)引起國家有關(guān)部門的高度重視。1.1.1 焦化工藝流程簡介焦炭的生產(chǎn)過程稱為煉焦，將配好的原料煤在焦?fàn)t內(nèi)進(jìn)行高溫干餾。所謂干餾是:在密閉的焦?fàn)t內(nèi)，將煤隔絕空氣高溫加熱放出水分和吸附氣體，分解產(chǎn)生煤氣和焦油，剩下的是焦炭。這種煤熱解過程通常稱為煤的干餾。煤成焦后，由推焦機(jī)推出 。一般焦化廠普遍采用一套鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶兩座焦?fàn)t的工作方式，見圖1-1所示：在煉焦生產(chǎn)過程中，焦

27、爐產(chǎn)生的荒煤氣，首先進(jìn)入集氣管。650-750左右的荒煤氣在初冷處經(jīng)循環(huán)氨水的噴灑，冷卻到90左右，再由總管風(fēng)機(jī)吸入凈化處理系統(tǒng)，可得到各種化學(xué)產(chǎn)品及煤氣。焦化生產(chǎn)過程中，主要包括燃燒控制操作和推焦/加煤操作:一、燃燒控制操作:按照生產(chǎn)計(jì)劃和來自配煤車間的煤成份分析數(shù)據(jù)決定煤的結(jié)焦時(shí)間，以保證生產(chǎn)的焦炭質(zhì)量。二、推焦/加煤操作:根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和配煤成分確定的焦化時(shí)間，制定推焦/圖l-1雙焦?fàn)t一套鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程圖加煤操作計(jì)劃。推焦/加煤操作需要打開爐門，會對集氣管產(chǎn)生較大的干擾。裝煤車將煤料裝入炭化室中，燃燒室中煤氣燃燒產(chǎn)生熱量，通過爐墻傳給炭化室中的煤料，使煤料結(jié)焦，最終成為焦炭。最

28、后由推焦車將焦炭推出。1.1.2集氣管壓力控制存在的問題集氣管壓力調(diào)節(jié)的簡單原理設(shè)1#集氣管壓力為P，2#集氣管壓力為P，總管吸力的壓力為P(參見圖l-1)。兩個(gè)集氣管蝶閥的動(dòng)作直接影響到集氣管壓力P和P，改變蝶閥開度可使兩個(gè)集氣管壓力穩(wěn)定在給定值的范圍之內(nèi)。蝶閥開度增大，集氣管壓力下降。蝶閥開度減小，集氣管壓力上升?？偣芪Φ淖兓矔?，1#集氣管壓力P和2#集氣管壓力P的變化。若鼓風(fēng)機(jī)前的蝶閥開度增大，吸力P增大，集氣管壓力P、P下降。反之，吸力P下降，P、P上升。從氣體流量的概念來理解，蝶閥開度大，意味著氣流量大，使集氣管壓力下降。存在的問題根據(jù)焦化生產(chǎn)工藝原理，要求集氣管壓力維持在(

29、90Pa20Pa)的范圍內(nèi)，才能保證焦?fàn)t底部不出現(xiàn)負(fù)壓、焦?fàn)t不出現(xiàn)冒煙、污染環(huán)境等現(xiàn)象。但在控制上存在以下幾個(gè)難點(diǎn):對于一個(gè)鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)帶兩座焦?fàn)t的工藝，由于煤氣輸送管線采用并聯(lián)方式，且距離不等。風(fēng)機(jī)對兩個(gè)集氣管的影響不同，常見的問題是兩個(gè)蝶閥脫離正常位置(最佳位置是50%)；由于管道相通，兩個(gè)集氣管之間存在嚴(yán)重的耦合干擾。常出現(xiàn)一個(gè)壓力偏高，一個(gè)壓力偏低；單一調(diào)節(jié)集氣管蝶閥，無法使集氣管壓力適應(yīng)焦?fàn)t產(chǎn)氣量的；焦?fàn)t煉焦的生產(chǎn)工藝與一般的化工生產(chǎn)不同，在連續(xù)生產(chǎn)伴隨著有規(guī)律的加煤、推焦的過程。在加煤推焦過程中，由于要爐的封閉門，必然會對集氣管壓力產(chǎn)生很大的干擾。因此，集氣是一個(gè)具有非線性、多耦合

30、、強(qiáng)擾動(dòng)的多變量時(shí)變系統(tǒng)。1.1.3 荒煤氣對環(huán)境產(chǎn)生的污染及防護(hù)荒煤氣是指未經(jīng)過濾的煤氣(主要成分是一氧化炭、氮氧化合物)。焦?fàn)t在加煤和推焦時(shí)會產(chǎn)生對人體有害的荒煤氣，煤在低于800攝氏度燃燒時(shí)還會產(chǎn)生強(qiáng)致癌物質(zhì)苯丙芘。 文獻(xiàn)5，6介紹了國內(nèi)外焦?fàn)t污染物的排放情況，并列舉了大據(jù)加以說明。近年來我國也非常重視焦?fàn)t的污染排放量，制定了工業(yè)污染的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了減少焦?fàn)t的污染，工藝操作上應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):加強(qiáng)集氣管壓力的穩(wěn)定控制，從而減少荒煤氣的外逸；減少工況過程中人與外逸有害氣體的接觸；加強(qiáng)焦?fàn)t密閉、負(fù)壓操作，裝煤、推焦、熄焦、均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。1.2 工業(yè)控制理論綜述工業(yè)控制技術(shù)是一種運(yùn)用控制理論、

31、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化的綜合性技術(shù)。在企業(yè)生產(chǎn)過程中有著舉足輕重的地位。工業(yè)控制理論的發(fā)展與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用是不可分的，20世紀(jì)的控制理論經(jīng)歷了幾個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期:首先是20世紀(jì)初的Lyapunov穩(wěn)定理論和PID控制器；而后，20年代的反饋放大器；30年代的Nyquist與Bode圖；40年代Weiner控制論；50年代美國學(xué)者Bellman的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論和蘇聯(lián)學(xué)者龐特里雅金的最大值原理；60年代Kalman濾波器；70年代的自適應(yīng)控制；80年代的魯棒控制；90年代的智能控制理論。文獻(xiàn)7介紹了現(xiàn)代控制技術(shù)的基本理論，深入探討當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

32、及基于知識的專家控制等智能控制技術(shù)。并指出了21世紀(jì)現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。1.2.1 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論是建立在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型上，而數(shù)學(xué)模型的精確程度對控制系統(tǒng)性能的影響很大，往往由于對象參數(shù)發(fā)生變化，使數(shù)學(xué)模型不能準(zhǔn)確地反映對象特性，從而無法達(dá)到期望的控制水平。1、PID控制PID控制是經(jīng)典控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的控制方式。它是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算得到控制輸出。傳統(tǒng)的PID控制應(yīng)用于復(fù)雜的實(shí)際系統(tǒng)時(shí)存在一定的局限性，許多專家將傳統(tǒng)PID融合了先進(jìn)智能控制思想，文獻(xiàn)8介紹幾種常見的智能PID控制器的構(gòu)成方式，包括模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、專

33、家PID控制及基于遺傳算法的PID控制等，并分析了各自的特點(diǎn)。2、DDC直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制技術(shù)是基于離散理論，被控對象可以用離散模型來描述。離散理論的基礎(chǔ)是Z變換。直接數(shù)字控制是從被控對象的實(shí)際特性出發(fā)，根據(jù)采樣系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。IBM公司的達(dá)林在1968年提出了一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含純滯后的控制算法(稱為達(dá)林算法)。文獻(xiàn)10通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步說明達(dá)林算法的動(dòng)態(tài)控制性能。文獻(xiàn)11給出了實(shí)現(xiàn)達(dá)林算法的計(jì)算機(jī)程序。1.2.2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論相比，它更適用于工業(yè)過程的復(fù)雜性、非線性和不確定性。因此受到工程界越來越多的重視并得到廣泛的應(yīng)用。由于基于定

34、量數(shù)學(xué)模型的控制方法己不能滿足高性能控制的要求，因此，現(xiàn)代控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。1、系統(tǒng)辨識所謂系統(tǒng)辨識就是通過觀測一個(gè)系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系來確定其數(shù)學(xué)模型的方法。系統(tǒng)辨識領(lǐng)域有3個(gè)熱點(diǎn)研究方向:魯棒辨識(基于魯棒控制的數(shù)學(xué)模型)，系統(tǒng)辨識(基于特殊信號驅(qū)動(dòng))和非線性系統(tǒng)辨識(基于智能信息處理)。2、最優(yōu)控制最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制技術(shù)中一個(gè)重要的組成部分。最優(yōu)控制問題是在己知系統(tǒng)的狀態(tài)方程、初始條件以及某些約束條件下，尋求一個(gè)最優(yōu)控制向量，使系統(tǒng)的狀態(tài)或輸出在控制向量滿足某種最佳準(zhǔn)則或使某一指標(biāo)泛函達(dá)到最優(yōu)值。解決最優(yōu)控制方法有:變分法、龐特里亞金的極大值原理和貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法等。3、自適應(yīng)

35、控制自適應(yīng)控制系統(tǒng)是控制器的參數(shù)要適應(yīng)環(huán)的變化而自動(dòng)變化，使得整個(gè)系統(tǒng)仍然滿足最優(yōu)準(zhǔn)則。有兩類自制:模型參考自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的使自適應(yīng)控制得到了廣泛的應(yīng)用。1.2.3 智能控制理論1966年，Leondes和Mendel教授首次使用“Intelligent Control”一詞。并給出了定義:若對于一個(gè)問題的激勵(lì)輸入，系統(tǒng)具備一定的智能行為，它能夠產(chǎn)生合適的輸出，這樣的系統(tǒng)便稱為智能控制系統(tǒng)。智能控制理論不同于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，它研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對象，而且也包含控制器本身。文獻(xiàn)12對智能控制產(chǎn)生、發(fā)展給出了全面的回顧，并指出智能控制是一個(gè)復(fù)雜的概

36、念，包含學(xué)科層次、技術(shù)層次、目標(biāo)層次、系統(tǒng)層次。1、模糊控制技術(shù)模糊控制是一種非線性控制，它不需要準(zhǔn)確的控制對象模型。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，因此它是一種智能控制的方法。模糊控制是基于規(guī)則的控制，這些規(guī)則通常是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識積累而組成。由于模糊控制的機(jī)理和策略易于接受與理解，所以模糊控制既可用于簡單的控制對象，也可用于復(fù)雜的控制過程。2、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種不依賴于模型的控制方法，它比較適用于那些具有不確定性或高度非線性的控制對象。人工神經(jīng)網(wǎng)是模擬人腦神經(jīng)元的活動(dòng)，由大量的神經(jīng)元組成。它利用神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)與權(quán)值的分布來表示特定的信息。因此

37、具有分布存儲信息的特點(diǎn)，是智能控制中一種流行的方式。美國物理學(xué)家J.J.Hopfield在1982和1984年發(fā)表了兩篇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的文章并提出了一種反饋互連網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)后來稱為Hopfield網(wǎng)。1986年D.E.Rumelhart.和J.L.Meclelland等人提出了多層前饋網(wǎng)的反向傳播算法，簡稱BP網(wǎng)絡(luò)或BP算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有:適應(yīng)性、魯棒性、智能性。能較好的處理復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的控制問題。但人們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的很多理論問題尚未解決，真正的在線應(yīng)用有待進(jìn)一步發(fā)展。3、遺傳算法遺傳算法是一種新發(fā)展起來的優(yōu)化算法，遺傳算法的概念最早是由Bagley J.D在1967年提出的，19

38、75年Michigan大學(xué)的J.H.Holland教授開始了遺傳算法的理論和方法的系統(tǒng)性研究，并給出了大量的數(shù)學(xué)證明。1989年，David E.Goldberg教授出版了“Genetic Algorichms”一書，是對遺傳算法的全面總結(jié)。4、專家控制瑞典學(xué)者K.J.Astorm1983年首先把專家系統(tǒng)引入控制領(lǐng)域，1986年提出了專家控制的概念。專家控制是基于知識的智能控制，是體現(xiàn)知識決策的推理機(jī)構(gòu)和控制領(lǐng)域的知識庫構(gòu)成的主體框架。通過對控制領(lǐng)域知識的獲取與組織，按某種策略及時(shí)地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，進(jìn)而對過程對象實(shí)施控制。5、學(xué)習(xí)控制1970年，著名學(xué)者K.5.Full詳細(xì)的闡述了

39、學(xué)習(xí)控制的意義:學(xué)習(xí)控制的任務(wù)是在系統(tǒng)運(yùn)行中估計(jì)未知信息，并基于這種估計(jì)的信息確定最優(yōu)控制，逐步改進(jìn)系統(tǒng)性能。1992年，L.Walter和J.A.Farrel教授給出學(xué)習(xí)控制的定義:一個(gè)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是具有這樣能力的系統(tǒng)，它能通過與控制對象和環(huán)境的閉環(huán)交互作用，根據(jù)過去獲得的信息，逐步改進(jìn)系統(tǒng)自身的未來特性。自從美國學(xué)者Wiener于20世紀(jì)40年代創(chuàng)立控制論以來，控制科學(xué)己經(jīng)經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。在處理復(fù)雜問題時(shí)，經(jīng)典控制理論無法面對系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性和突變性。越來越多的控制專家把經(jīng)典控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合，充分利用人

40、的控制經(jīng)驗(yàn)對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，逐漸形成了智能控制理論的完整體系。1.3 集氣管壓力控制方面的國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)自80年代以來，對焦?fàn)t自動(dòng)控制引起重視，并采用開發(fā)和引進(jìn)兩種方法來提高焦?fàn)t控制的水平。如:寶鋼二期引進(jìn)美國凱撒公司的COHC技術(shù)，酒鋼引進(jìn)德國OTTO公司的ABC技術(shù)等。自行開發(fā)的有:鞍鋼與冶金部自動(dòng)化研究院合作研制成功的焦?fàn)t燃燒控制系統(tǒng)、中科院新疆物理所和上海焦化廠的焦?fàn)t計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、北京科技大學(xué)和鐵道科學(xué)研究院及北京焦化廠的焦?fàn)t模糊優(yōu)化控制系統(tǒng)等。經(jīng)過調(diào)研，在國內(nèi)具有一定特點(diǎn)的焦?fàn)t集氣管壓力控制技術(shù)主要有:中國礦業(yè)大學(xué)的譚得健等人，通過分析影響集氣管壓力控制的多種因素，提出一種

41、基于模糊控制和變頻技術(shù)的多級控制算法，并在充州礦區(qū)焦化廠投入實(shí)際應(yīng)用。湖南株洲工學(xué)院的王欣等人，針對焦?fàn)t集氣管壓力多變量非線性系統(tǒng)，提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能協(xié)調(diào)控制方案。應(yīng)用遺傳算法對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并采用PLC的邏輯梯形圖語言編程實(shí)現(xiàn)智能協(xié)調(diào)運(yùn)算。設(shè)計(jì)了焦?fàn)t集氣管壓力模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并在湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司焦化廠投人運(yùn)行。中南大學(xué)的秦斌等人提出了一種基于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多變量解禍控制方案，RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對多變量對象進(jìn)行解耦，PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器控制過程的動(dòng)態(tài)特性。西林鋼鐵公司焦化廠原有集氣管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)為人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，現(xiàn)采用德國西門子公司的

42、S7-300系列可編程序控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)兩套集氣管壓力及變頻器對鼓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制，最終實(shí)現(xiàn)集氣管總管壓力的控制。西安石油大學(xué)的張乃祿等人采用組態(tài)王和新一代邏輯控制軟件KingACT實(shí)現(xiàn)了針對焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的精確控制，為非線性、多時(shí)變、多耦合的復(fù)雜系統(tǒng)提出了一種新的方法。該方法在山西靜樂焦化廠得到了應(yīng)用。太原亞樂士新技術(shù)有限公司開發(fā)的焦?fàn)t集氣管壓力與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(簡稱PACS系統(tǒng))，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，聯(lián)合調(diào)節(jié)集氣管壓力與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在正常生產(chǎn)情況下集氣管壓力的平衡。系統(tǒng)在山焦集團(tuán)、陽光集團(tuán)等幾組焦?fàn)t上投入運(yùn)行。凌鋼集團(tuán)第一焦化廠的焦?fàn)t集氣管壓力計(jì)算機(jī)控制改造項(xiàng)目，通過

43、控制集氣管蝶閥與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了“解耦”。改造運(yùn)行以來，避免了集氣管壓力拉鋸式振蕩。國外方面，美國、法國、荷蘭、德國和日本等國家都實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t自動(dòng)控制。隨著對環(huán)境污染的重視，90年代起，國外很多6米以下的焦?fàn)t基本關(guān)停。只有8米以上的焦?fàn)t在使用，而且都采用現(xiàn)代自動(dòng)化的焦?fàn)t工藝。例如：德國史威爾根新焦化廠采用炭化室調(diào)壓技術(shù)，明顯減小對焦?fàn)t密封系統(tǒng)的壓力；日本室蘭焦化廠采用焦?fàn)t煙道氣對煤料調(diào)濕的流化床CMC裝置，美國弗吉尼亞萬森特太陽煉焦廠的Jewell-Thompson焦?fàn)t、澳大利亞伊拉瓦拉ThysenKrupp Eneok焦?fàn)t和烏克蘭阿夫迭也焦化廠采用SCOPE21(21世紀(jì)焦?fàn)t技術(shù))技術(shù)等。綜

44、上，目前焦?fàn)t集氣管壓力控制的主要方法有：變頻控制：結(jié)合風(fēng)機(jī)的變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總管和集氣管的閉環(huán)控制，控制效果比較好，但要求風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻控制，改造難度及經(jīng)費(fèi)比較大；PLC邏輯控制器：利用PLC邏輯控制器和控制算法(PID)，這種方法簡單實(shí)用，但控制算法調(diào)節(jié)難度大，適用于通用場合；模糊控制：根據(jù)具體的控制對象，設(shè)計(jì)模糊控制器，能更好的適應(yīng)具體的情況；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：近幾年，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展，很多工作者把該技術(shù)引進(jìn)到集氣管壓力控制中。該方法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，但對具體的、復(fù)雜環(huán)境能得到比較好的控制結(jié)果；組態(tài)軟件：使用工業(yè)控制組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)簡單，功能齊全，界面好。但對待具體問題時(shí)，控制算法的調(diào)整不是非常靈

45、活；控制儀表：使用3型控制儀表和執(zhí)行器，儀表的控制策略采用PID算法。這種方法簡單，很多焦化廠仍然在采用，控制效果不理想；目前我國的焦化廠普遍采用集氣管和總管單閉環(huán)；風(fēng)機(jī)恒速；靠蝶閥阻擋煤氣的流量來改變集氣管壓力。單環(huán)內(nèi)的控制算法各不相同，如采用：PID控制、模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。1.4 本項(xiàng)目研究的工作重點(diǎn)通過分析雙焦?fàn)t一套鼓冷系統(tǒng)下的集氣管壓力不穩(wěn)定因素，采用合適的控制策略，使集氣管壓力穩(wěn)定在給定值的范圍之內(nèi)，從而改善焦?fàn)t對環(huán)境的污染。主要研究的內(nèi)容是：1、控制策略的研究在焦化生產(chǎn)中的集氣管壓力調(diào)節(jié)是一個(gè)難題，特別是對于雙焦?fàn)t共用一套鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)，原因是耦合干擾大、調(diào)節(jié)滯后、非線

46、性和吸力不平衡等。經(jīng)過大量的現(xiàn)場分析、實(shí)驗(yàn)研究、同儀表操作人員的討論、結(jié)合專家控制的知識，得到一些控制經(jīng)驗(yàn)。我們綜合考慮各種因素，參考國內(nèi)外文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了基于模糊傳感器技術(shù)的雙閉環(huán)集氣管壓力控制系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)采用優(yōu)化的PID技術(shù)，外環(huán)采用模糊控制技術(shù)。2、集氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器的研究根據(jù)模糊邏輯的基本原理和焦?fàn)t集氣管工作狀態(tài)的特點(diǎn)，作者對集氣管壓力狀態(tài)模糊傳感器進(jìn)行了比較深入的研究。在集氣管壓力狀態(tài)的模糊傳感器中，蝶閥狀態(tài)起到非常重要的作用，它反映了焦?fàn)t產(chǎn)氣狀態(tài)。作者把蝶閥開度作為測量背景，對數(shù)值測量結(jié)果進(jìn)行了適應(yīng)性處理。解決了吸力不平衡造成的閥位偏移和耦合干擾等問題。3、控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)

47、系統(tǒng)由西門子S7-300系列PLC構(gòu)成，解決了兩座焦?fàn)t的集氣管之間、集氣管與風(fēng)機(jī)吸力之間的壓力耦合問題。1.5 本章小節(jié)本章首先介紹了課題的背景，并對各種工業(yè)控制理論作了綜述。接下來介紹了集氣管壓力控制方面的國內(nèi)外現(xiàn)狀，最后對本項(xiàng)目研究的工作重點(diǎn)作了簡明扼要的概括。第二章 集氣管壓力控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1引言集氣管的作用是匯集各焦?fàn)t導(dǎo)出的荒煤氣，集氣管壓力則是焦化工藝的重要參數(shù)之一。若壓力過低會導(dǎo)致焦?fàn)t負(fù)壓，造成焦炭接觸空氣而燃燒，影響焦?fàn)t壽命。若壓力過高，會導(dǎo)致上升管煤氣放散，造成環(huán)境污染及能源浪費(fèi)。因此集氣管壓力的穩(wěn)定是焦?fàn)t生產(chǎn)中的重要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)24采用了自適應(yīng)模糊控制算法控制集氣管

48、壓力，在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)。文獻(xiàn)25針對回爐煤氣壓力的特點(diǎn)及焦?fàn)t加熱系統(tǒng)的工藝要求，利用專家PID控制方法控制回爐煤氣主管壓力，使其穩(wěn)定在給定壓力上。文獻(xiàn)26對典型非線性的集氣管壓力系統(tǒng)，提出一種智能協(xié)調(diào)算法，并采用DCS的邏輯梯形圖語言編程完成智能協(xié)調(diào)運(yùn)算。文獻(xiàn)27針對焦?fàn)t集氣管壓力的強(qiáng)耦合、多變量、參數(shù)時(shí)變的特點(diǎn)，在進(jìn)行系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上，提出了一種自尋優(yōu)模糊控制器。文獻(xiàn)28采用西門子可編程控制器實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t集氣管壓力自動(dòng)控制。綜上文獻(xiàn)，在集氣管壓力控制中都采用單閉環(huán)控制，單環(huán)內(nèi)采用各種不同的控制算法。因此普遍存在2個(gè)問題：集氣管壓力無法適應(yīng)焦產(chǎn)氣狀態(tài)，2個(gè)集氣管蝶閥經(jīng)常偏離正常位置。本文通過對

49、集氣管壓力變化的研究和參考各種關(guān)于集氣管壓力控制方面的文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了基于模糊傳感器技術(shù)和雙閉環(huán)2層反饋控制術(shù)的集氣管壓力控制系統(tǒng)。通過2年多的實(shí)際運(yùn)行，證明系統(tǒng)的有效性、可行性和合理性，基本解決了以上2個(gè)常見問題。本章主要介紹控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。2.2集氣管壓力控制原理焦化生產(chǎn)工藝流程見圖2-1所示，1#焦?fàn)t和2#焦?fàn)t產(chǎn)生的煤氣在其蝶閥的作用下被總管風(fēng)機(jī)吸入冷卻塔。由于1#、2#焦?fàn)t和風(fēng)機(jī)的距離不等，所以風(fēng)機(jī)對l#、2#集氣管的吸力就不一樣。通過調(diào)節(jié)1#和2#蝶閥，可以使1#集氣管和2#集氣管壓力穩(wěn)定在給定值的范圍之內(nèi)。圖2-1雙焦?fàn)t生產(chǎn)工藝流程示意圖影響集氣管壓力變化的因素很多且都是動(dòng)態(tài)的。因

50、此集氣管壓力實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性的、具有較強(qiáng)禍合特性的時(shí)變參數(shù)，用數(shù)學(xué)模型很難描述其過程。2.2.1集氣管壓力與鼓風(fēng)機(jī)吸力的關(guān)系在雙焦?fàn)t生產(chǎn)工藝下，兩座焦?fàn)t產(chǎn)生的煤氣首先進(jìn)入各自的集氣管，經(jīng)集氣管上的控制蝶閥匯入煤氣總管，再由鼓風(fēng)機(jī)將2座焦?fàn)t的煤氣吸出。1#和2#焦?fàn)t的集氣管管線并聯(lián)，同時(shí)又與鼓風(fēng)機(jī)串聯(lián)，相互間存在著嚴(yán)重的耦合關(guān)系，其中存在負(fù)耦合和正耦合。文獻(xiàn)31詳細(xì)分析了雙焦?fàn)t工藝下，兩個(gè)集氣管壓力和風(fēng)機(jī)吸力的耦合關(guān)系，可以描述為:1、正耦合1#和2#集氣管是一條總管上的兩條并聯(lián)支路，是典型的雙變量正耦合系統(tǒng)。其中P、P分別為1#和2#集氣管壓力，控制量V、V分別控制1#和2#集氣管蝶閥的開度

51、，Q為總管流量，Q、Q分別是1#、2#集氣管通道的煤氣流量，他們之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：Q=Q+QQ=V+ VQ=V+ V式2-1其中：是1#集氣管通道的系數(shù)；是1#集氣管對2#集氣管通道的影響系數(shù)；是2#集氣管對#1集氣管通道的影響系數(shù)；是#2集氣管通道的系數(shù)。當(dāng)V恒定(2#集氣管蝶閥固定)、總管吸力Q恒定。若1#焦?fàn)t打開爐門加煤瞬間，P下降，V關(guān)小，Q流量減少，Q流量則增大，導(dǎo)致2#集氣管壓力P下降。而1#焦?fàn)t加煤結(jié)束關(guān)門瞬間，P突然上升，V加大，Q流量增加，Q流量則減小，導(dǎo)致2#集氣管壓力P升高。2、負(fù)耦合1#和2#集氣管與鼓風(fēng)機(jī)為串聯(lián)關(guān)系，任何焦?fàn)t煤氣量的變化，都會引起該焦?fàn)t集氣管壓力的變

52、化。例如：某時(shí)刻煤氣產(chǎn)量高，Q變化將引起鼓風(fēng)機(jī)吸力變化，吸力變化又會引起各焦?fàn)t集氣管壓力的變化。吸力升高，導(dǎo)致集氣管壓力下降。所以各焦?fàn)t集氣管壓力與鼓風(fēng)機(jī)的吸力之間屬于負(fù)耦合方式。1#集氣管壓力P、2#集氣管壓力P和總管吸力P互為條件互為促進(jìn)，一旦1#焦?fàn)t的煤氣流量Q和2#焦?fàn)t的煤氣流量Q發(fā)生變化，都會造成集氣管壓力的波動(dòng)。2.2.2集氣管壓力控制策略的研究集氣管壓力調(diào)節(jié)看似簡單的操作過程，但是用常規(guī)工業(yè)控制技術(shù)很難取得好的效果。原因是干擾大、調(diào)節(jié)滯后、非線性等。根據(jù)手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)以下控制經(jīng)驗(yàn)：2個(gè)集氣管壓力直接反映各焦?fàn)t的煤氣產(chǎn)量，其蝶閥的開度直接影響煤氣的輸出量，如果壓力偏高，應(yīng)加大蝶

53、閥的開度。如果壓力偏低，應(yīng)減小蝶閥的開度；調(diào)節(jié)一個(gè)蝶閥其它的集氣管壓力也會變化，因?yàn)閹讉€(gè)管道是相通的，氣體是流動(dòng)的，一個(gè)蝶閥的動(dòng)作會影響其它管道的氣體流量；總管鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)維持一個(gè)較大的機(jī)前吸力（-4000Pa左右）。一般風(fēng)機(jī)前的調(diào)節(jié)蝶閥和2個(gè)集氣管蝶閥的最佳開度為50%；2個(gè)集氣管壓力均超過給定值時(shí)，則應(yīng)加大鼓風(fēng)機(jī)前的蝶閥開度，保證比較大的總管吸力。實(shí)踐證明，通過總管吸力控制2個(gè)集氣管壓力，可以消除耦合干擾；2個(gè)集氣管壓力均小于給定值，則減小鼓風(fēng)機(jī)前的蝶閥開度；焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)中因人工操作（如加煤、推焦、開、關(guān)氨水）會引起的較大的壓力波動(dòng)值，要求在短時(shí)間內(nèi)，通過控制相應(yīng)的蝶閥，使集氣管壓力回到正

54、常值；集氣管壓力調(diào)節(jié)看似簡單，其實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的操作過程。對于雙焦?fàn)t而言，不能以單個(gè)集氣管為控制回路，應(yīng)該以集氣管壓力、總管吸力和集氣管蝶閥開度為雙控制回路?？刂扑惴ú荒軉我訮ID控制為主，應(yīng)該采用擬人操作的模糊控制和PID算法相結(jié)合。輸入?yún)?shù)不能只是集氣管壓力，還應(yīng)該考慮集氣管的蝶閥開度。綜合考慮以上因素，結(jié)合操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專家的知識，參閱文獻(xiàn)32，我們設(shè)計(jì)了以圖2-2為控制方式的雙閉環(huán)2層反饋控制策略：內(nèi)環(huán)控制采用改進(jìn)的PID控制器，即3個(gè)單回路控制（1#集氣管、2#集氣管和總管）。用戶根據(jù)工藝需要可以自由修改控制參數(shù)。外環(huán)控制采用基于蝶閥狀態(tài)為測量背景的模糊傳感器技術(shù)。將1#集氣管、2#

55、集氣管壓力狀態(tài)的模糊傳感器輸出，反饋到總管給定值的修改回路中，自動(dòng)修正總管給定值。使總管吸力適應(yīng)焦?fàn)t產(chǎn)氣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)第二層反饋控制。外環(huán)控制解決了焦?fàn)t產(chǎn)氣不足和產(chǎn)氣過足時(shí)，集氣管蝶閥無法適應(yīng)其產(chǎn)氣狀態(tài)的難題，也解決了2個(gè)集氣管的耦合干擾問題?？偣芪Φ膬?yōu)化控制是集氣管壓力穩(wěn)定的主要保證。在調(diào)節(jié)每個(gè)集氣管壓力時(shí)，不同的總管吸力均可保證集氣管壓力控制在給定值的范圍內(nèi)。這是因?yàn)楦骷瘹夤艿牡y開度可以處于不同的位置。同樣的氣體流量，蝶閥開度大，所需要圖2-2雙層反饋控制的集氣管壓力控制示意圖的風(fēng)機(jī)吸力就小，蝶閥開度小，所需要的風(fēng)機(jī)吸力就大。因此，在保證集氣管壓力為正常范圍內(nèi)，優(yōu)化控制的條件是：集氣管蝶閥

56、是否在最佳開度，最佳開度為50%。將總管吸力作為監(jiān)督控制，實(shí)現(xiàn)2個(gè)集氣管壓力的解耦控制。2.2.3集氣管壓力控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)集氣管壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)見圖2-3所示：3個(gè)單閉環(huán)回路：1#集氣管、2#集氣管和總管吸力，通過壓力變送器得到的壓力值，送入PLC。PLC根據(jù)實(shí)際壓力值和采用的控制算法，計(jì)算出合理的控制電流，送到執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥，控制管道的煤氣流量，達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的。邏輯結(jié)構(gòu)能反映系統(tǒng)的控制流程。從邏輯結(jié)構(gòu)圖中，我們看出3個(gè)內(nèi)環(huán)反饋控制的流程。外環(huán)控制是在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)部通過軟件形成模糊控制器來實(shí)現(xiàn)的，模糊控制器的控制對象是總管給定值。模糊控制器根據(jù)集氣管壓力和蝶閥狀態(tài)，動(dòng)態(tài)

57、修改總管給定值，完成外環(huán)控制。下一章我們要詳細(xì)介紹。2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的組成與計(jì)算機(jī)十分相似，主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、電源等部分組成，如圖2-4所示。圖2-4 PLC的基本組成簡圖圖2-3 集氣管壓力控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖（1）中央處理器（CPU）：CPU是PLC的核心，控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲；用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；執(zhí)行用戶程序、完成各種數(shù)據(jù)的運(yùn)算、傳遞和存儲等功能；根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新相關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)

58、寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能?，F(xiàn)代PLC常用的CPU有通用微處理器、單片微處理器（2）存儲器：根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，PLC存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)程序，并固化在ROM中，用戶不能直接更改。用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和功能存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲器用來存放根據(jù)具體的控制任務(wù)編寫的PLC程序，需要經(jīng)常調(diào)試、修改，存儲器類型一般為RAM（有掉電保護(hù)）、EPROM或EEPROM等。用戶功能存儲器則一般用來存放用戶程序中使用的狀態(tài)變量、數(shù)值數(shù)據(jù)等。（3）輸入/輸出（I/O）接口：PLC通過I/O接口與外界連接，輸入

59、接口接收和采集開關(guān)量輸入信號或模擬量輸入信號，如按鈕、行程開關(guān)、電位器、傳感器等；輸出接口連接被控對象中的各種執(zhí)行元件，如電磁閥、指示燈、電機(jī)等。（4）電源：小型PLC內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)式穩(wěn)壓電源，一般可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供24V直流電源。2.3.2 PLC的工作原理PLC從硬件結(jié)構(gòu)上看與計(jì)算機(jī)組成相似，它也有中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）接口、電源等。PLC有兩種操作方式：RUN方式與STOP方式。在RUN方式，通過執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能；在STOP方式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，并將用戶程序下載到PLC中。PLC的工作過程可以概

60、括地歸納為上電初始化，CPU自診斷過程，網(wǎng)絡(luò)通信處理，用戶程序掃描，輸入/輸出信息處理等五個(gè)階段。圖2-5為PLC的工作過程示意圖。圖2-5 PLC的工作過程（1）上電初始化：PLC上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)位定時(shí)器等，對電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法進(jìn)行檢查。（2）CPU自診斷：PLC在每個(gè)掃描周期都要進(jìn)入CPU自診斷階段，以確保系統(tǒng)可靠進(jìn)行。自診斷程序定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、I/O總線是否正常，定期復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器等。（3）網(wǎng)絡(luò)通信處理：配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有此處理過程。在這個(gè)階段，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)或其他終端設(shè)備之間的信息交換。（4）