調(diào)節(jié)閥控制方式及改進

　　本文結(jié)合國內(nèi)多座大型高爐料流調(diào)節(jié)閥實際控制經(jīng)驗以及最新發(fā)展趨勢和技術(shù)，首先介紹由液壓比例閥驅(qū)動的料流調(diào)節(jié)閥控制方法、策略及經(jīng)驗，然后介紹一種由液壓伺服閥驅(qū)動的新型料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)特性好、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點，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)動裝置，該料流調(diào)節(jié)閥由液壓比例閥調(diào)節(jié)驅(qū)動，采用開關(guān)量的高速/低速和停止信號對料流調(diào)節(jié)閥進行有級速度控制。正是PW公司這種不合理的配置，使得在實際工程應(yīng)用中實現(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，我們在工程實踐中經(jīng)過反復(fù)研究和實驗，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)閥運動過程分析
    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)閥的運動及停止過程進行分析。

    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，要在高速時準(zhǔn)確停止料流調(diào)節(jié)閥，需要采取以下步驟：
    （1）在一個預(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)閥運動速度由15（°）/s下降到5（°）/s，這期間閥門運動的開度（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，該段時間料流調(diào)節(jié)閥運行角度（閥門機械慣性停車角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，該段時間料流調(diào)節(jié)閥運行角度約為（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合適的減速角度δj和停止角度δt，通過對這兩個角度的控制達(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。在實際工程設(shè)計中，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)算出一個值，然后在現(xiàn)場調(diào)試中通過現(xiàn)場實驗對角度加以校正。
    δj通?？捎墒剑?）求出：
        （1）
    式中，δhtf為料流調(diào)節(jié)閥附加減速角，考慮各種延時因素確定，δhtf≈（2TS+Tti）V1，其中，TS為控制器掃描時間，ms，Tti為編碼器接口延時時間，ms，V1為閥門低速運動初始速度，（°）/s；δhsw為減速穩(wěn)定角，工程中需根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整而定，通常調(diào)整為3°左右。最佳減速角需要在以上計算角度的基礎(chǔ)上根據(jù)實際調(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，考慮各種延時因素確定。實際調(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，隨著時間的推移，閥門的機械及液壓系統(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)控制對由于機械特性改變等因素產(chǎn)生的控制誤差進行動態(tài)補正。
    1.3.1 分段插值法
    在工程實際中我們經(jīng)常會遇到這樣一種情況：對于某個控制對象，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)場實驗得到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，只要知道表函數(shù)f（x）中的任意兩點（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）之間的任何點值。
        （4）
    由此可見，表函數(shù)f（x）的對應(yīng)關(guān)系點（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)閥需要的實際開度αa在模型列表函數(shù)中找到αs，如果沒有與實際開度相符合的點時，可先找出與αa相鄰的兩點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，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，比如：由液壓系統(tǒng)故障造成系統(tǒng)壓力無規(guī)律變化時將使其難以正常工作。
    （2）難以滿足動態(tài)調(diào)節(jié)的需要
    有實驗證明［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