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摘 要 介绍柳钢焦化厂四炼焦系统集气管压力控制改造，比较传统控制方式与智能控制的优劣势，并分析先进智能控制在实际生产中的应用效果。
关键词 集气管压力；PID；模糊控制；专家解耦；前馈控制
中图分类号 TM92 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）147-0068-02
一直以来，集气管压力控制都是焦炉生产的重要环节，不仅关系着环境污染、能源损耗、产品回收，也影响到生产工况和焦炉寿命。而许多焦炉集气管压力长期使用单回路PID方式进行控制。对于集气管压力具有的干扰因素复杂、耦合强、非线性、大滞后等特性，实际控制难以达到设定值±20Pa的工艺要求。
1 主要问题及传统控制方式
在炼焦过程中，影响集气管压力稳定的因素很多，如：加煤、开关高压氨水、启闭上升管水封盖等操作，会造成压力大幅波动。另外，荒煤气产气量也会随结焦时间变化而变化。对于焦炉生产而言，集气管压力越稳定越好，设定值依炉型不同通常为80Pa～160Pa，属于微压控制，因此，集气管压力的稳定一直是焦炉工艺控制的难点。
柳钢焦化厂四炼焦系统为JN-43型焦炉，集气管共分四段，并联结构，各段集气管均设有人工翻板和调节阀。支管在一侧汇总，经初冷器后与鼓风机串联，管道分布不平衡，实际生产操作过程中耦合作用明显。
四焦集气管压力一直采用单回路PID控制。鼓冷调节包括：初冷器前吸力控制，煤气风机回流控制，三个控制回路相互独立，却相互影响。常规PID依据被控参数的偏差大小实施控制，不能预测其变化趋势，存在“滞后”。且集气管组间，及与初冷器前吸力控制系统之间各自为政，相互耦合。传统控制方式，不仅难以克服集气管压力波动，甚至还会加剧波动，导致压力控制系统进入失效或过敏状态，造成焦炉冒烟冒火。
2 集气管压力智能控制策略
由于被控对象是一个相互耦合，具有很强时变性和非线性的不确定过程，难以通过数理分析，获得精确数学模型。因此，引入模糊控制、专家解耦以及前馈控制，以优化集气管压力的控制。
2.1 复合式模糊控制
通过分析，将集气管压力偏差值E及其变化率EC作为模糊控制器的输入变量，将集气管压力调节阀的阀位控制增量∆U作为输出变量，构建Mamdani型二维模糊控制器。
控制器的两个输入变量，相当于PID中的比例和微分环节，能提高系统阻尼性能，减少响应过度超调，但缺少积分环节，使得系统的稳态性能较差。因此，控制系统采用F-PI的复合控制器进行调节。根据专家经验，当测量偏差大于设定阈值时，选择模糊控制；小于阈值时，进入PI细调，使稳态值渐渐逼近设定值。既获得模糊控制的动态响应，又发挥PI控制器消除余差的
优点。
根据集气管压力偏差、偏差变化率以及调节阀输出增量，均选定7个模糊子集，分别为{NB，NM，NS，Z0，PS，PN，PB}，即{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}，E/EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，表示压力偏差及其变化率在正反方向上大小的程度。用∆U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}，分别表示调节阀的阀位增减量大小。所有模糊子集均选取三角形隶属函数，描绘分布图，建立隶属函数表达式。
在建立规则表，获得变量大致输出结果后，采用面积重心法，利用Matlab的simulink工具箱，可方便地离线计算获得模糊控制查询表。通过解模糊得出具体的精确值，再通过比例因子进行缩放，获得调节阀的实际执行信号。整个判断、查询、推理过程，采用PLC的梯形图来完成。
2.2 前馈补偿控制
在集气管压力系统中，各段压力受初冷器前吸力影响很大。因此，引入初冷器前吸力，作为集气管压力控制的前馈补偿。将前馈与反馈控制结合起来，利用前馈控制克服主要干扰，反馈控制克服其余干扰及前馈补偿不完全的部分。
以初冷器吸力P（k）大小进行分段补偿，分为3档。①P（k）≥2.1kPa时，前馈补偿系数G=0.5；①1.5≤P（k）≤2.1kPa时，G=1.0；③P（k-1）≤1.5kPa时，G=1.8。并将该系数在集气管压力控制反模糊化后，与模糊输出量相乘，进行相应补偿。
2.3 专家解耦控制
集气管压力系统是一个多变量耦合系统，炉间并联，存在负耦合，焦炉与鼓风机串联，存在正耦合。运用生产实践中获得的专家知识，设计专家控制器对系统的一些特殊工况进行解耦。
2.3.1 集气管间解耦
在焦炉生产过程中，炉间存在很大耦合作用，常出现一座焦炉集气管压力过高，而其他焦炉压力过低的情况。当1#集气管压力高于2#时，1#的煤气不但流向总管，同时还流向2#集气管，使1#管压力下降，2#管压力上升，两管压力趋于平衡，这是系统的自平衡能力，也是其耦合所在。若仅对单管分开实施控制，必然在耦合作用下产生超调，加剧系统的波动。解决方案就是对单个焦炉集气管，在原控制器计算控制增量后，再构造一修正系数进行叠加，实现补偿解耦，使得各分管控制器输出增量及修正后的控制量分别为：
这种方法在原单管控制输出基础上，增加补偿解耦系数。通过快速恢复自身压力，减小单管异常突变引起的组间不平衡。使控制输出不仅以单管工况的模糊控制算法为基础，而且考虑了组内快速负耦合的影响，减小了压力波动。
2.3.2 集气管与初冷器吸力间解耦
除了焦炉组间耦合外，集气管压力系统中，还存在集气管压力与初冷器吸力之间的正耦合作用。若初冷器前吸力波动较大，可能会引起各焦炉集气管压力同时产生振荡。其特征是：各集气管压力同方向波动，但初冷器前吸力调节却出现反向变化，进一步加剧各集气管压力的同向波动。此时，通过将初冷器前吸力调节与各集气管压力值相关联来消除耦合。
当各段集气管压力测量的平均值PV与设定的平均值SV之差，大于45Pa，而初冷器吸力小于1.8kPa时，则初冷器前吸力调节阀在原来输出阀位基础上叠加5%，作为输出。当各座焦炉集气管压力较长时间存在同一方向变化偏差时，通过主动调节初冷器前吸力克服耦合
作用。
3 结论
利用经典PID控制结合模糊控制，并引入前馈和专家解耦后，实现了柳钢焦化厂四焦集气管压力的自动调节。实际投用效果要比单回路PID控制好很多，大大提高了系统的响应速度，各段压力值90%以上时间稳定在设定值±20Pa范围内，满足工艺控制要求。每年可减少煤气损失2%～3%，为企业降低大量成本，减少环境污染。
参考文献
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