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1  引言
　　在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)中，高爐、焦爐和轉爐產(chǎn)生的煤氣是重要的高熱值燃料，如排放至大氣，將造成嚴重的空氣污染，若將它們收集加以充分利用，作各種工業(yè)燃氣加熱爐的燃料，其經(jīng)濟效益是相當可觀的。一般處理過程是將產(chǎn)生的各種煤氣分別收集到貯氣罐(或貯氣塔柜)再用管道傳送到中繼站經(jīng)加壓后供各用戶使用。當從一次能源(如煤)轉換成二次能源(煤氣)時，由于一次能源燃質不穩(wěn)，在轉換過程中必然導致二次能源(煤氣)燃質也不穩(wěn)，即煤氣燃質具有較大的不確定性。用戶要求將燃質控制在允許范圍內，且將燃氣的壓力嚴格穩(wěn)定在指定范圍，以便使用。以鋼鐵企業(yè)的燃氣軋鋼加熱爐為例，它要求送入的燃氣燃質和壓力穩(wěn)定，否則燃燒系統(tǒng)很難控制，直接影響軋鋼生產(chǎn)等后續(xù)自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)品質量?，F(xiàn)在的煤氣加壓站有相當部份采用電氣儀表控制系統(tǒng)，也有部份經(jīng)過改造從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后用PLC為主控制器對設備實施控制的，因控制比較粗造，效果并不令人滿意。由于受設備限制還談不上自動監(jiān)控、自動配氣和自動調度，基本上是處于儀表監(jiān)視、手工操作的狀態(tài)，優(yōu)化配氣和調度更無從談起，其核心問題是采用變頻器后，控制部份存在問題較多，本文就有關問題作些討論。
　　2  對象特性分析與控制策略選取
　　2.1 對象特性分析
　　混合煤氣由于來自高、焦和轉爐煤氣，由前述可知，燃氣燃質的不確定性和不確知性是其主要特性。因此既不可能直接用傳統(tǒng)的機理方法建立對象的數(shù)學模型，也不可能用系統(tǒng)辨識方法間接地導出控制的數(shù)學模型，對這種半結構化(或非結構化)的控制問題，常規(guī)控制策略顯然無能為力。煤氣加壓站存在的問題從表面上看是壓力、流量的變化，實質上涉及管網(wǎng)特性的變化，特性的改變要求在對加壓機實施調速時必須適應其特性的變化。不確定性和不確知性表現(xiàn)在多個方面，如系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時變性、隨機性和分散性;系統(tǒng)時滯的未知性和時變性;系統(tǒng)嚴重的非線性;系統(tǒng)各變量間的關聯(lián)性;環(huán)境干擾的未知性等等，傳統(tǒng)控制對具有上述特性的對象是無能為力的，必須尋求有效的控制策略。
　　2.2  控制策略選取
　　由于鋼鐵企業(yè)的特殊性，各分廠或車間之間在地域上的分散性突出，相距距離較遠，資源配置情況差異較大，情況又相當復雜，籠統(tǒng)地討論是不切實際的。文中只針對特定情況討論，即將所收集的各種煤氣分別送中繼加壓站加壓，再根據(jù)需要進行配氣、調度。由于存在不確定性和不確知性，對象特性難以用嚴格的定量方法進行數(shù)學描述，因而從控制角度考慮問題，感興趣的主要目標不應是被控對象，而是控制器的本身。工程中往往采用的是在總結操作者豐富經(jīng)驗和操作規(guī)則的基礎上，對系統(tǒng)動態(tài)特征信息進行識別，再作直覺推理，再在線地確定控制策略的方法，即智能控制策略。它的特點是控制規(guī)則的建立及控制決策過程不是基于被控對象單純的數(shù)學解析模型，而是基于知識(包括定量和定性的知識)，體現(xiàn)了人(專家、嫻熟的操作者)的智能。其控制形式是多種多樣的，如專家控制、仿人智能控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自學習控制等等，其中更貼近實際的是專家控制和仿人智能控制。
　　(1) 專家控制策略
　　實時專家控制系統(tǒng)，實質上是計算機智能軟件系統(tǒng)。它模擬領域專家處理知識和解決問題，是具有獲得反饋信息并能實時在線地控制的系統(tǒng)，對實時數(shù)據(jù)的處理與特征辨識是在線的，能夠及時反映系統(tǒng)的動態(tài)特征。其推理方法一般采用數(shù)據(jù)驅動的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，執(zhí)行規(guī)則必須給出控制決策，決策可以是定性和定量結合的方式。實時專家控制系統(tǒng)主要由知識庫、數(shù)據(jù)庫和推理機組成，其知識庫分為靜態(tài)知識庫和動態(tài)知識庫。靜態(tài)知識庫中存放系統(tǒng)和工況設定值等參數(shù)，動態(tài)知識庫中存放各種專家規(guī)則集，規(guī)則可按不同類型劃分為多個子集，子集間的關系是分級(或協(xié)調)的，為了滿足時間響應要求，每個子集中的規(guī)則數(shù)不宜太多。其難點在于對不確定性和不確知性的系統(tǒng)建立知識庫并非易事，就是建立了完善復雜的知識庫，也未必滿足實時要求，事實上對所研究的特定系統(tǒng)而言，是不可取的。
　　(2) 仿人智能控制
　　其基本思想是在控制過程中利用計算機模擬人的控制行為功能，最大限度地識別和利用控制系統(tǒng)動態(tài)過程所提供的特征信息，進行啟發(fā)和直覺推理，從而實現(xiàn)對缺乏精確數(shù)學模型的對象進行有效的控制。其物理實現(xiàn)方法是根據(jù)計算機控制動態(tài)系統(tǒng)的輸入輸出的信息來識別被控系統(tǒng)所處的狀態(tài)、動態(tài)特征及行為，即利用系統(tǒng)誤差e和e的一階、二階導數(shù)，便可構造控制算法，相對而言它是簡捷而實用的，物理意義清晰。與其它智能控制策略(如專家控制策略、模糊控制策略、神經(jīng)控制策略、自學習控制策略、多級遞階智能控制策略、多模變結構智能控制策略等)相比，其優(yōu)點是顯而易見的。因此，在煤氣中繼自動化加壓站中，采用了仿人智能控制策略。
　　3  控制算法
　　基本思路是模仿過程控制系統(tǒng)中富有經(jīng)驗的操作者的普遍行為，如當系統(tǒng)的誤差趨于增加時，發(fā)出強烈的作用(閉環(huán)控制);當系統(tǒng)誤差趨于減小時，則取消控制動作，等待觀察等等。人對被控系統(tǒng)的狀態(tài)、動態(tài)特征及行為了解的越多，控制的效果就會越好。如果en表示離散化的當前采樣時刻誤差值，en-1和en-2分別表示前一個和前二個采樣時刻的誤差值，則有
　　從誤差e和誤差變化Δe這兩個基本的特征變化，便可從動態(tài)過程中獲取更多的特征信息。
　　(1) e·Δe
　　誤差e同誤差變化Δe之積構成了一個新的描述系統(tǒng)動態(tài)過程的特征變量，利用該特征變量的取值是否大于零，就可以描述系統(tǒng)動態(tài)過程變化的趨勢。
　　當e·Δe<0時，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差減小的方向變化，即誤差的絕對值逐漸減小。
　　當e·Δe>0時，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差增大的方向變化，即誤差的絕對值逐漸增大。
　　在控制過程中，識別e·Δe的符號，便可掌握系統(tǒng)動態(tài)過程的行為特征，以便更好地制定下一步控制策略。
　　(2) Δen·Δen-1
　　相鄰兩次誤差變化之積Δen·Δen-1構成了一個表征誤差出現(xiàn)極值狀態(tài)的特征量，若Δen·Δen-1<0表征出現(xiàn)極值，若Δen·Δen-1>0表征無極值。
　　(3)
　　誤差變化Δe與誤差e之比的絕對值的大小，描述了系統(tǒng)動態(tài)過程中誤差變化的姿態(tài)。
　　將與e·Δe聯(lián)合使用, 可對動態(tài)過程作進一步的劃分, 通過這種劃分，可以捕捉到動態(tài)過程的不同姿態(tài)。
　　(4) Δ(Δe)
　　誤差變化的變化率，即二次差分，描述動態(tài)過程處于趨于超調或回調段位;當Δ(Δe)>0，處于超調段:Δ(Δe)<0時，處于回調段。
　　總結上述特征，其基本控制算法可歸納為:
　　k為控制器增益的抑制(衰減)系數(shù), 一般取o<k<1。
　　基本算法控制系統(tǒng)如圖1所示。
　　圖1      基本算法控制系統(tǒng)結構圖
　　上述控制算法對大滯后自衡對象的定值控制是非常適宜的，為了適應流量突變或進一步提高抗干擾能力，還可加入Bang-Bang控制，使動態(tài)品質更好。
　　4  中繼加壓站控制的工程實現(xiàn)
　　在中繼加壓站控制的工程實現(xiàn)中，圍繞經(jīng)濟技術指標要考慮的問題是比較多的，如能耗控制、設備磨損控制、安全控制、穩(wěn)壓調節(jié)控制、配氣與自動調度等。
　　4.1 變頻調速與控制技術的結合
　　加壓站能源主要耗在電動機上，某站改造前靠回流閥開度調節(jié)，即當出口流量大時回流閥關閉或開度小，而出口流量小時為防止壓力過高，則使閥門開度增大以減壓。帶動增壓泵的電動機始終以額定轉速全速運轉，不僅浪費電能而且機器磨損大，常因回流閥不靈造成事故，穩(wěn)壓效果極差。改造后，把變頻調速技術與控制技術相結合，用智能控制算法實施閉環(huán)控制，控制器輸出直接控制變頻器驅動電動機帶動氣泵，通過調節(jié)電動機轉速來控制出口壓力，穩(wěn)壓效果好，而且可根據(jù)工藝參數(shù)要求隨時改變壓力，滿足用戶需要，節(jié)電效果顯著，延長了設備的使用壽命。當然在調速過程中，要注意用屏蔽方法過濾掉變頻器使機器產(chǎn)生共振的頻率，以免引起機器損壞。
　　4.2 監(jiān)控系統(tǒng)構架
　　由于加壓站對各種控制裝置分散管理功能要求很高，一般采用DCS系統(tǒng)比較恰當，其電氣監(jiān)控系統(tǒng)可采用由PLC構成的下位機實現(xiàn)，對各設備的狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)及運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量、電量、起/停、時鐘、連續(xù)運行時間、累計運行時間等作在線記錄、計算和統(tǒng)計, 并將上述數(shù)據(jù)存放在PLC模板的存儲器內，通過PLC通訊接口送上位機作管理用。壓力調節(jié)控制由上位計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成，其硬件可采用高可靠性的工控機，再在視窗操作系統(tǒng)上配以工控組態(tài)軟件作開發(fā)平臺開發(fā)相關的控制應用軟件。由于工控組態(tài)軟件有強大而豐富的軟件功能，如數(shù)據(jù)處理、通訊、存儲、顯示等，因此諸如全站的數(shù)據(jù)功能、顯示功能、設備操作功能、統(tǒng)計功能、設備管理功能和故障診斷功能等，均可滿足管理要求。此外，采用這種構架，自動配氣及自動調度也可在統(tǒng)一的操作界面上完成。
　　4.3 煤氣的自動混氣與調度
　　由于焦爐、高爐和轉爐煤氣不僅燃質不同，而且其燃質還是波動的，各種煤氣的產(chǎn)量也時有變化，為了既保證不同類型用戶的要求，又不致浪費，煤氣資源的混合使用與合理調度是值得關注的。各種煤氣間按多大比例混合才是最經(jīng)濟的，在什么條件下需要補充天燃氣，以保證達到規(guī)定的燃質等等，情況是比較復雜的。粗略的作法可將各種煤氣燃質實際測出，并在變化的范圍內分檔，以便混合搭配，自動配氣與調度可以采用實時專家控制系統(tǒng)實現(xiàn)。實時專家控制系統(tǒng)主要由知識庫、數(shù)據(jù)庫和推理機組成，它與一般應用程序的主要區(qū)別在于:前者問題求解的知識隱含地編入程序，而后者則把應用領域的問題求解知識單獨組成一個實體，即知識庫。知識的處理是通過與知識庫分開的控制策略進行的，也就是說，一般應用程序把知識組織為兩級:數(shù)據(jù)級和程序級。實時專家系統(tǒng)則將知識組織成為三級:數(shù)據(jù)級、知識庫和控制級。推理方法采用數(shù)據(jù)驅動的前向推理，依次判別各條規(guī)則的條件，若滿足則執(zhí)行，然后繼續(xù)循環(huán)，判斷下去。靜態(tài)知識庫中存放配氣系統(tǒng)和工況設定值等參數(shù)，動態(tài)知識庫中存放各種專家規(guī)則集，因為規(guī)則不多，是可以滿足時間響應要求的。實時專家控制系統(tǒng)規(guī)則集采用IF“條件”THEN“結論”的方式或IF(事實1)(事實2)……(事實n)THEN(事實1)(事實2)……(事實n)的方式表達。
　　5  結束語
　　將變頻調速技術與自動控制技術相結合，經(jīng)在某鋼鐵集團公司動力廠煤氣混合中繼加壓站監(jiān)控系統(tǒng)進行技術改造工程的實踐中證實，改造后的系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)需求，而且還為研究系統(tǒng)本身問題提供了較理想的環(huán)境?？刂菩Ч?、控制品質、操作和安全性均能令人滿意。因應用變頻調速設備磨損減少，管道閥及其它管件受壓均勻，損壞率大幅下降，機組長期在低于額定轉速和額定的電流下工作，軸溫大幅度下降，磨損減少，潤滑油用量也隨之減少，維修成本下降。項目投入資金37萬元，每年節(jié)約電費25萬元，維修保養(yǎng)費4萬元，即每年節(jié)約經(jīng)費共29萬元，投資回收期大約1年零3個月。實踐說明，選擇正確的控制策略與控制算法是提升煤氣加壓站技術性能的關鍵。
　　參考文獻
　　[1] 楊 志. 高能耗行業(yè)中不確定性系統(tǒng)的控制問題[A]. 于常友等. 自動化科學和技術[C]. 北京:電子工業(yè)出版社,2000.
　　[2] 李士勇. 模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社，1998.
　　[3] 熊建平. 仿人智能伺服控制器[D]. 重慶:重慶大學,2001.
　　作者簡介
　　李太福(1971-)  男  講師/博士  主要從事機電控制工程及智能自動化方面的教學與科研。