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基于模糊理论的焦炉集气管压力控制
一、绪论
目前炼焦生产过程中的关键且常用的装置是焦炉，焦炉的生产任务是将来自配煤系统符合炼焦的煤隔绝空气加热干馏制得焦炭和煤气。由于冶金工业的快速发展，焦炉炼焦也发展迅速，我国己成为世界炼焦大国，新焦炉不断涌现，因此对焦炉控制技术的研究意义较大。焦炉集气管压力控制是焦炉控制中的难点之一，因此在这里我们主要采用人工智能技术之一的模糊控制技术对集气管压力控制进行了尝试，焦炉集气系统是焦炉系统的重要组成部分，它负责收集焦炉生产过程中产生的焦炉煤气，对其进行气液分离、冷却、洗涤等净化操作，提供给用户。集气管压力是焦炉操作的重要参数之一，一般应保持在80-120Pa。在生产过程中，它受多种因素的影响会不断波动，若压力过低会导致炭化室负压，使大量空气从炉门等不严密处进入炭化室，与焦炭接触燃烧造成损失，影响焦炉寿命:若压力过高，会导致上升管煤气放散，造成环境污染及能源浪费，因此，稳定集气管压力十分重要。由于焦炉集气管压力具有多变量、强偶合的特点，也是焦炉控制中的难点，目前尚无很好的办法达到满意的控制效果。本文介绍了一种在常规模糊控制算法的基础上增加了扰动量作为模糊控制器的一个输入，取得了较好的效果。
二、焦炉控制的目的和特点
焦炉控制的目的主要是按工艺要求，控制加热过程，保证炉内燃料完全燃烧，降低能源消耗，尽可能提高热效率。焦炉是个大热容对象，温度滞后非常大，控制难度大。主要控制内容有:火道温度的检测和控制(既焦炉加热控制)、结焦终了时间的判定、烟道吸力的控制、集气管压力的优化控制等。
焦炉控制的特点：
(1)焦炉的生产过程伴随着物理化学反应及物质和能量的转换与传递，是一个复杂的具有分布参数的工业大系统。系统本身存在的大惯性、纯滞后、慢时变等不确定性和非线性因素决定了它的控制难度。
(2)焦炉工艺过程是一个连续生产过程，强调生产过程的实时性、整体性。焦炉内复杂的物质能量关系导致加热生产各工艺参数以及不同工艺环节之间复杂的祸合与制约。
(3)焦炉生产过程存在高温、易燃、易爆、有毒物质等危及生产设备和人身安全的因素，生产的安全性十分重要。
三、焦炉控制研究的现状和发展趋势
近年来，国内外在焦炉控制的研究与应用方面有不少成果，例如世界各国使用的焦炉加热控制系统的种类很多，如美钢联的CBC系统，伯利恒公司雀点厂的焦炉加热控制系统，法国索尔莫钢铁厂的CRAPO系统。法国于齐诺尔公司敦刻尔厂的COBAFT系统，北芬兰劳塔鲁基钢铁公司拉赫厂的CPMS系统，德国斯蒂尔·奥托公司的ABC系统，日本钢管公司的CCCS系统，新日铁公司的ACC系统，川崎钢铁公司的焦炉控制系统，美国凯撒公司的COHC系统，德国矿类研究所的CODECO系统和荷兰霍戈尔文公司的CETCO系统等。我国的上海焦化厂、武钥焦化厂、新疆八一钢铁公司焦化厂和包钢焦化厂也先后开发成功了焦炉加热计算机控制系统。若按控制方法分类，上述众多的控制系统中分为两类，一是以前馈为主的供热量控制系统;二是以温度反馈控制为主的系统。焦炉是焦化生产的主要设备，保证集气管压力的稳定是焦炉正常生产的主要指标。以前集气管压力的控制多采用液压比例控制器，如前苏联“国立焦化工业设计院焦化机械设计院”设计的集气管压力控制系统[141。目前国内焦炉控制系统多采用电动单元仪表系统，如上海浦东煤气厂采用的“定阀位集气管调节系统”115]，马钢焦化厂JN60 -82型焦炉采用的定制调节系统1161。近年来，陆续有一些焦化厂采用了PLC、单片机或工控机系统，对焦炉集气管压力及鼓风机吸力进行自动控制，如长春市煤气公司站煤气厂
的三座66型焦炉采用的以8098单片机为主构成的GFCS控制系统;铁岭焦化厂用
STD-5801工控机构成的CRB集气管压力控制系统;太原化工焦化厂集气管两级计算机控制系统，上位机为工控486，下位机为PLC。目前的控制方案多为PID控制，虽技术上比较成熟，设计调试简单易行，但由于影响焦炉压力的因素多而强烈，而且随焦炉工况的变化，控制对象的模型也发生变化，PID控制很难兼顾减小超调量和提高快速性的要求，系统的调节品质会因参数变化而变坏，使压力常有超出正常范围的现象。鉴于此，近年来，一些先进的控制算法正在引入，如鞍钢8号焦炉横河u XL集散控制系统中，集气管采用可变增益的PID 算法;唐山工程技术学院设计的基于自校正调节器的集气管压力自适应控制系统:涟钢焦化厂的焦炉集气管压力智能控制系统，采用了模糊控制与专家控制相结合的先进策略，取得良好的控制效果。
四、模糊控制理论
1. 模糊控制的产生背景和发展
模糊控制技术是人工智能技术的一个分枝，近年来研究和应用取得长足发展。经典数学是以精确方法来描述事物的，精确数学一般用微分方程来描述自然科学的某些基本规律或系统。然而，随着社会进步和科学技术的发展，人们渐渐发现，现在的精确数学在解决一些问题时往往会显得十分繁琐或甚至是束手无策，是因为在实际中有的系统所涉及的因素极多，而每个因素还存在祸合的关系;同时，系统所处的条件也千变万化;要用微分方程来描述这种系统，或者要设定大量的约束条件，并且对系统进行简化，以简化后的结果去用微分方程表示;或者就根本不能准确地说明原来的系统，求解之后意义可能不大，而有的微分方程也是难以求解的。至于无法用微分方程表示的系统也就不可能求解了。实际上，人们在社会中，运用模糊概念的时间占了生活的大部分。既然大量的模糊问题难以用传统的精确数学进行解决，人们就不得不寻找新的出路，在这种背景下，就产生了和精确数学有巨大区别的数学一一模糊数学。模糊数学大致经历了如下三个阶
段:第一个阶段是1965 -1974年，是Zadeh在1965年开创模糊集合论及相应模糊理
论的发展阶段。第二阶段大约从1974 -1979年，这是产生简单模糊控制器的阶段。
1979年至今是发展高性能模糊控制器的第三阶段。1979年T.J.Procky和E.H.
Marndani共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善。如今，模糊控制技术己经应用到了相当广泛的领域中，例如，家用电器设备己成为主攻市场，诸如智能洗衣机、微波炉、空调机、照相机和摄录机等。在工业闭环控制系统中有水净化处理、发醉控制、化学反应釜等。在专用系统和其他方面的应用有地铁控制、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎、声控直升机以及机器人等。传统的逻辑关系为非“0”则“i"，而模糊逻辑则把绝对的“0"、"1”关系进一步延伸，在{0,1}之间的区间内，称为隶属度1221。模糊控制通常以人的经验或专家系统为基础进行推理，其一般模式为:if x is low and y is high then z = medium.等1231
2. 模糊控制的特点
自从1965年美国加利福尼亚大学的Zadeh教授创建模糊集合理论和1974年英国的
E. H. Mamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法1241模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点:
(1)模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制。
(2)模糊控制器是易于控制，易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制
器。
(3)模糊控制器抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。
当然模糊控制器也存在计算复杂、控制粗糙等问题，为此某些文章提出了一些与其他方法结合的方案，如文献[2习提出基于遗传算法的控制规则;利用模糊逻辑调整PID参数的控制思路(Realization of Fuzzy Controler with Parameters PID Self-tuning by Combination of Software and Hardware 2nd [261)等。
3. 模糊控制的基本思想
在人们的生产、生活过程中凭借人们的生活实践经验，可以采用手动控制方式来达到某一对象运动状态的目的，比如在夏天屋内温度很高则空调全开，屋内温度较高则空调大开，温度适中则空调开度适中，温度较低则空调小开，温度很低则空调全关。在这些控制过程中，我们的感觉和控制量都是用语言来描述的，而这一系列的条件语句，我们也常称之为语言控制规则。在这些语言控制规则中，一些词语如: “很高”、“ 较高”、“适中”、“较低”、， 氏”等概念都具有一定的模糊性。模糊控制方法模仿人的思维方式和人的控制经验，用电脑来代替人脑实施有效的控制措施[271。传统的控制理论依赖于被控系统的数学模型，而模糊控制则是依赖于被控系统的物理特性。物理特性的提取要靠人的直觉和经验，这些物理特性在人脑中是用自然语言来抽象成一系列的概念和规则的，自然语言的重要特点是具有模糊性。人可以根据不精确信息来进行推理而得到有意义的结果。为了用机器来模仿人的这种过程，Zadeh提出了模糊集合论这种数学工具(Fuzzy Sets and their Applications 1281)。用这种方法可以把人的经验形式化并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理过程，实现模糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制效果。
4. 模糊控制器的结构
模糊控制器的功能是根据观测控制过程中的状态变量去计算作用变量的值。状态变量和作用变量之间的关系可看作为一组逻辑法则，当这个关系只是定性地知道时，则可指定许多模糊逻辑法则来完成一个近似的策略，其模糊逻辑法则即语言控制规则。模糊控制器实质上是反映了输入语言变量及语言控制规则的模糊定量关系及其算法结构。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经模糊控制判决得出输出控制的精确量，作用于被控对象，即可在复杂的控过程中取得良好的控制效果。因此模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量、模糊化、模糊推理和决策算法、模糊判决等部分组成。常规模糊控制器是按一定的语言控制规则进行工作的，而这些控制规则是建立在总结操作者对被控过程所进行的手动控制策略的基础上的，模糊控制器的作用就是模仿人工控制，其设计方法都采用基于操作员经验的直接试探法。当人工控制某一生产过程时，一般操作人员只能观察到被控对象的输出变量和输出变量的变化率，或者观察到输出变量和输出变量变化率的总和这两个状态，再凭借经验，就可以对其生产过程进行控制[321。因此在常规模糊控制器中总是选取被控对象的输出变量的偏差值e以及偏差变化t2f edt率△e。和偏差的积分.1 tl 作为它的输入变量，给模糊算法器转化为模糊量进行处理，模糊算法器根据系统控制规则决定的模糊关系R，应用模糊推理合成算法，推理决
策出输出控制的模糊量，然后再经过模糊判决，给出输出控制量u的确切值去控制被控对象。这就组成了一个常规模糊控制器。
模糊推理决策机构的主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取得语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出控制量。按照常规的模糊控制器算法，由n条模糊控制规则可得n个输入输出关系R1、R2.....Rn，从而得到总的系统模糊关R.I IM系: 二。对于任何输入偏差Ai，和偏差变化率巧，其对应模糊输出即为:Ci j=(AixBj)·R (2.6)在实际应用中，由于模糊关系R一般是一个高阶矩阵，如果对于任何一个偏差和偏差变化率，都用式(2.6)n关系矩阵R求合成运算来求取即时的控制量Cij，显然要化大量的计算时间，导致在实时控制过程中出现响应速度不够，实时性差的问题。为了克服这个问题，常规模糊控制器在实际中也通常采用查表法和公式法。本论文中使用了查表法。模糊输出接口的主要功能是对经模糊推理决策后所得的模糊控制量即进行模糊判决，把输出模糊量转化为精确量后，施于被控对象。由常规模糊控制器结构的功能可见，常规的模糊控制器有其局限性，首先控制器的输入量仅有被调量的偏差及其变化率，它实质上相当于一个变参数的单输入的PD控制器，然而在复杂的生产过程中，除了这两项外，还需要考虑其他环境因素，需要对多个输入量进行处理。而且常规的模糊控制器完全依赖人的经验，往往会受到人的主观意识的影响，因此对于复杂的生产过程或那些人们尚未认识和尚未获得操作经验的生产过程，为了进一步提高控制器效果，可以通过改进常规模糊控制器的性能，使其具有自组织和自适应能力来满足控制过程的不同要求。下面在介绍模糊控制器的设计之前，先介绍模糊控制算法。
5. 模糊控制的CRI算法
根据模糊集合和模糊关系理论，对于不同的模糊规则可用不同的模糊推理方法。下面主要介绍CRI算法。对于模糊条件语句:
“if A and B Then C'
设A(x)=(al.an )，B(y)=01.二b-)，C(z)二(cl.ct )
采用Zadeh的近似推理规则CRI(compositional Role of inference)，取模糊取式FMP (Fuzzy Modus Pones )，有:

其中: +x;笛卡尔积，计算的结果是。nxm模糊阵。而(A x B)T表示把这个。
nxm模糊阵按行“拉直”成nm元模糊行向量，再转置成nm元模糊列向量，而R最终
计算结果为nmxt模糊阵。对于给定的模糊集A1(x )和Bl(x )可以推理得出结果:

6. 模糊判决
由以上方法得出的控制量是一个模糊集，为了实现控制，还必须将其转化为精确的执行量，这就是模糊判决133)。模糊判决常用的有三种方法:最大隶属度法、中位数法和加权平均法。最后作出控制查询表。
五. 结论
关于模糊控制器的结构，还有许多其它的设计方法，需视具体系统的设计要求而定。焦炉集气管压力的控制，一直是一个无法彻底解决的难题。其主要原因在于，焦炉本身就是一个多变量、时变的、祸合严重的、机理复杂的对象，数学模型难以获得外，每个焦炉的情况又存在较大差别，集气管道粗细、拐弯多少、管道长度均不尽同。所以，往往在一个焦化厂运用较好的控制方案，到了其它地方又无法使用，很难找到一个通用性比较好的方案。本文中讨论的模糊两模式控制器的控制效果是比较好的。通过一定的仿真效果说明具有一定的可行性。