調(diào)節(jié)閥控制方式及改進(jìn)

　　本文結(jié)合國內(nèi)多座大型高爐料流調(diào)節(jié)閥實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)以及最新發(fā)展趨勢和技術(shù)，首先介紹由液壓比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥控制方法、策略及經(jīng)驗(yàn)，然后介紹一種由液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的新型料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已在國內(nèi)某大型高爐上成功應(yīng)用，初步解決了高爐控制中的這一難題。
    1 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
    目前國內(nèi)大、中型高爐大都采用PW公司配套提供的料流調(diào)節(jié)閥及驅(qū)動(dòng)裝置，該料流調(diào)節(jié)閥由液壓比例閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，采用開關(guān)量的高速/低速和停止信號對料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有級速度控制。正是PW公司這種不合理的配置，使得在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對料流調(diào)節(jié)閥的可靠控制成為了一大難題。為了解決這一難題，我們在工程實(shí)踐中經(jīng)過反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一種前饋加自適應(yīng)的控制方式，基本上解決了由比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥的控制和可靠性難題。
    1.1 料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)過程分析
    料流調(diào)節(jié)閥控制的根本需求是在保證其高速運(yùn)行的情況下確保其位置控制的精確度和可靠性，為說明料流調(diào)節(jié)閥的控制原理和方法，我們有必要先對料流調(diào)節(jié)閥的運(yùn)動(dòng)及停止過程進(jìn)行分析。

    圖1所示為PW公司提供的高爐爐頂料流調(diào)節(jié)閥的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖1 PW料流調(diào)節(jié)閥速度特性曲線

    從圖1可知，在理想情況下，要在高速時(shí)準(zhǔn)確停止料流調(diào)節(jié)閥，需要采取以下步驟：
    （1）在一個(gè)預(yù)定減速角度δj發(fā)出料流調(diào)節(jié)閥由高速轉(zhuǎn)換為低速指令，由圖1可以看出，指令發(fā)出約0.3s后，料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)速度由15（°）/s下降到5（°）/s，這期間閥門運(yùn)動(dòng)的開度（閥門減速慣性角δhtj）大約為（15－5）/2×0.3=1.5°。       
    （2）經(jīng)過一段時(shí)間的速度穩(wěn)定期（響應(yīng)曲線上約為0.1s），閥門速度穩(wěn)定在5（°）/s，該段時(shí)間料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)行角度（閥門機(jī)械慣性停車角δltj）大約為0.5°。
    （3）速度穩(wěn)定后，在距離停車角度為δt時(shí)給出停止指令（速度給定值變?yōu)?（°）/s），閥門大約經(jīng)過約0.2s后停止，該段時(shí)間料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)行角度約為（5/2）×0.2=0.5°。
    由此可知，要確保料流調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確停車，確定合適的減速角度δj和停車角度δt十分重要。
    1.2 前饋控制
    所謂對料流調(diào)節(jié)閥停止過程的前饋控制就是在其停止控制過程中引入一個(gè)合適的減速角度δj和停止角度δt，通過對這兩個(gè)角度的控制達(dá)到對料流調(diào)節(jié)閥開度準(zhǔn)確控制的目的。
    由于每個(gè)高爐料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的特性、高爐控制系統(tǒng)及通信方式不盡相同，因此其料流調(diào)節(jié)閥的減速角度δj和停止角度δt也不盡相同。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)廠家提供的料流調(diào)節(jié)閥特性曲線、高爐控制系統(tǒng)掃描速度以及角度檢測系統(tǒng)的通信速度等預(yù)算出一個(gè)值，然后在現(xiàn)場調(diào)試中通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對角度加以校正。
    δj通?？捎墒剑?）求出：
        （1）
    式中，δhtf為料流調(diào)節(jié)閥附加減速角，考慮各種延時(shí)因素確定，δhtf≈（2TS+Tti）V1，其中，TS為控制器掃描時(shí)間，ms，Tti為編碼器接口延時(shí)時(shí)間，ms，V1為閥門低速運(yùn)動(dòng)初始速度，（°）/s；δhsw為減速穩(wěn)定角，工程中需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整而定，通常調(diào)整為3°左右。最佳減速角需要在以上計(jì)算角度的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際調(diào)整確定。
    δt通?？捎墒剑?）求出：     
        （2）
    式中，δm為本次設(shè)定停止角；δltf為料流調(diào)節(jié)閥附加停車角，考慮各種延時(shí)因素確定。實(shí)際調(diào)試中，考慮各種綜合因素后，一般取δltj+δltf在3°左右。
    采用前饋控制方式后，料流調(diào)節(jié)閥在機(jī)械及液壓系統(tǒng)工作正常、工作狀態(tài)穩(wěn)定的情況下基本能夠保證0.1°左右的控制精度。但高爐投產(chǎn)后，隨著時(shí)間的推移，閥門的機(jī)械及液壓系統(tǒng)特性將發(fā)生一定的變化，這種變化將使控制產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。
    1.3 自適應(yīng)分段線性插值法控制［1］
    為解決由機(jī)械特性改變而影響控制精度的問題，我們在前饋控制的基礎(chǔ)上又增加了一種被稱為“自適應(yīng)控制的分段線性插值法”的控制算法。該控制理念包含了2種控制方式：首先是把采用了前饋控制方式的料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)看做是一個(gè)黑匣子，依據(jù)黑匣子輸入/輸出之間的關(guān)系建立相應(yīng)的控制模型；然后在控制模型的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制對由于機(jī)械特性改變等因素產(chǎn)生的控制誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)正。
    1.3.1 分段插值法
    在工程實(shí)際中我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣一種情況：對于某個(gè)控制對象，其各種控制參數(shù)之間存在某種函數(shù)y=f（x）關(guān)系，我們雖然知道其在一定范圍內(nèi)肯定有解，但卻很難或找不到其確定的函數(shù)關(guān)系，只能通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到xi與yi的對應(yīng)關(guān)系列表函數(shù)。
    對于以上問題可采用多種方法求出對應(yīng)函數(shù)關(guān)系的解，其中較為簡單實(shí)用的方法就是“分段插值法”。分段插值法就是用某種簡單、已知的函數(shù)p（x），在一定范圍內(nèi)近似地表達(dá)某一未知的表函數(shù)f（x），通過對已知近似函數(shù)p（x）的求解，就能近似地求出未知函數(shù)f（x）的解?？蓪⑻娲瘮?shù)p（x）看做如下的一階線性函數(shù)
        （3）
    用線性函數(shù)（3）替代函數(shù)f（x）時(shí)，只要知道表函數(shù)f（x）中的任意兩點(diǎn)（xn，yn），（xn+1，yn+1）就可用以下插值法公式，近似地求出（xn，yn），（xn+1，yn+1）之間的任何點(diǎn)值。
        （4）
    由此可見，表函數(shù)f（x）的對應(yīng)關(guān)系點(diǎn)（xn，yn）越多，由式（4）所求得的近似值y的精度也就越高。
    1.3.2 控制的實(shí)現(xiàn)
    建立料流調(diào)節(jié)閥控制模型就是要找出料流調(diào)節(jié)閥設(shè)定開度αs與實(shí)際開度αa之間的關(guān)系。為此首先要在料流調(diào)節(jié)閥的有效控制角度內(nèi)（通常為0～60°）測出一組設(shè)定開度αs與實(shí)際開度αa之間的列表函數(shù)，然后將該列表函數(shù)擬合成函數(shù)αs=f（αa），從而得到料流調(diào)節(jié)閥控制模型。
    依據(jù)料流調(diào)節(jié)閥需要的實(shí)際開度αa在模型列表函數(shù)中找到αs，如果沒有與實(shí)際開度相符合的點(diǎn)時(shí)，可先找出與αa相鄰的兩點(diǎn)αa與αa，然后定開度αs，并以其作為開度設(shè)定值對料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。
    為了修正控制誤差，控制程序記錄料流調(diào)節(jié)閥本次的設(shè)定開度αs以及實(shí)際開度αa，并得到（αs，αa）的關(guān)系數(shù)據(jù)。比較αs與αa，如果其差值大于設(shè)定的控制誤差（例如0.2°）且容許修改控制模型數(shù)據(jù)時(shí)，控制程序?qū)⒂?alpha;a替代原模型列表函數(shù)中的對應(yīng)值，從而完成料流調(diào)節(jié)閥開度精度控制的“自適應(yīng)控制”過程。
    現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明：在前饋控制的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方式后，料流調(diào)節(jié)閥的控制通常都能取得比較滿意的結(jié)果，控制精度一般在0.1°左右，基本上保證了料流調(diào)節(jié)閥的長期穩(wěn)定工作。
    2 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)存在的缺陷
    （1）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差
    “自適應(yīng)控制的分段線性插值法”雖效果較好并在通常情況下能可靠穩(wěn)定工作，但當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、變化沒有規(guī)律時(shí)，比如：由液壓系統(tǒng)故障造成系統(tǒng)壓力無規(guī)律變化時(shí)將使其難以正常工作。
    （2）難以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需要
    有實(shí)驗(yàn)證明［2］，在高爐布料過程中，對應(yīng)于恒定的開度角α，布料的料流量Q不是恒定的。Q和料批質(zhì)量P、料的粒度D、比重ρ、料罐中的料量W等之間的關(guān)系可近似用式（5）來描述：
        （5）
    式中，當(dāng)前布料的P，D，ρ一定，布料過程中只有W變化，布料過程中要保證恒定的Q就要改變α。Q變化曲線大致如圖2所示［2］。

圖2 料罐中剩余料量與料流量的關(guān)系