高炉软水密闭循环系统PID调节控制

高炉软水密闭循环系统PID调节控制

【摘要】本文主要通过实际调试中的难重点展开讨论PID调节的可行性.

【关键词】高炉密闭循环系统；PID调节；膨胀罐

高炉冷却系统是保证高炉正常安全生产重要的先决条件之一。本高炉工程冷却系统由高压、常压工业循环水和密闭循环软水等三个部分组成。高压循环水是供风口小套、中套等部位冷却，常压循环水供给鼓风机等机组冷却用。软水密闭循环系统主要是供高炉冷却壁和蛇形管冷却，系统相对复杂，调试也更难一些，下文针对此系统为主要对象来进行论述。

软水密闭循环系统总水量为2600t/h，其中大约1900t/h供给高炉冷却壁，其余供给炉底和蛇形管等系统（有部分的软水以蒸汽的形式损耗掉，）。

高炉软水密闭循环系统包括：软水自备系统、水泵站、高炉膨胀罐和管式热交换器等部分组成，详见下图。

其中加压循环泵用于保证管道内软水的压力和流量，而高炉炉顶设置的膨胀罐，用向内充入氮气的办法来控制、稳定密闭循环系统整体压力。高炉膨胀罐保证了整个管道中的压力保持在一定的值，不会因管路过长或缺水等原因造成压力大幅度变化（基于此原因高炉膨胀罐为密闭循环系统压力调节的对象）。

它的结构形式见图。当管道缺水或压力不稳时，将膨胀罐的罐内的水迅速补充进去，同时开启水泵补水，当压力超过时，水会被罐体吸收进去，从而稳定管道压力，可实现自动稳压。

上图中PI和LI分别表示膨胀罐的压力和液位，PV01为调节阀，用于调节膨胀罐压力。在实际情况中，膨胀罐压力参数不能预知也没有精确的数学模型，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI 和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

理想的PID控制规律形式如下：

pk=p（k-1）+kn*（1+t/rc）e（k）+kn*e（k-1）

u（t）=1/p{e（t）+1/t∫e（t）dt+tdde（t）/dt}+m

式中e（t）---偏差信号，即设定值SV与测量值PV之差；P---比列度；KP---

比列系数，即1/P；

Tt----积分时间常数；

Td---微分时间常数；

M---E=0时的阀位开度（初始值），由人工调整；u（t）--控制器输出。

在PID三种作用中，微分作用主要用来减少超调，克服震荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，减少超调时间，用来改善系统的动态特性；积分作用主要用来消除静差，改善系统的静态特性；比列作用可对偏差做出及时响应。若能将三种作用的强度配合适当，可以使控制器快速，平稳，准确，从而获得满意的控制效果。

现场编程调试过程中发现同时调节膨胀罐压力和液位，想要达到平衡较为困难。原因在于这是一个多输入多输出的多变量相关联耦合的系统（MIMO系统）一直以来就是控制理论和工程研究的重点和难点。多变量关联和耦合会使系统的可控性能变差，加之采样频率和系统响应时间，通讯网络的延迟造成整个系统压力有较大的振荡。再考虑了“解耦”算法后觉得“解耦”不但使算法复杂化，加重了CPU的运算负荷，也并没有太大改善振荡问题。原因是：解耦器主要针对于受控对象数学模型已知且保持线性不变时的情况。综合上述原因，为了简化系统，决定仅对膨胀罐的压力进行PID调节控制。液体体积无法压缩，充入罐内的液体对容积改变而造成压力变化不大。当液位过低时进行补水，保证膨胀罐不空。由此得出受控变量为膨胀罐压力，操纵变量为充入罐内的氮气压力（通过控制调节阀的开度来实现）。

压力是在特定时段内连续变化的模拟信号，但实际PID在控制中，只能控制趋近于一个压力设定点。

PID调节的最终目标是使系统达到稳定状态，使最大动态偏差尽可能小、调节时间最短、调节过程系统输出的误差积分值最小等等，综合这些首先我们必须明确力控PID算法原理和PID对系统调节的影响趋势。

首先我们选的采样时间为1次/s，时间过长会使系统振荡增大，时间过短又会造成CPU运算负荷过重或者阻塞网络。比例系数和比例增益经反复实验分别设为80%和2.0。比例系数设的过大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例系数设的太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。增益值初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再调节积分或微分系数。过大的增益值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的增益值又会使系统反应迟钝。

系统中对于输出变量增加了一个输出死区属性，这个功能在一定程度上减缓了变化频率，减轻了系统的负荷，提高了系统的稳定性。但死区设的不合适相当于增大了系统惯性。

经上述调整后整个系统压力趋于稳定，在不出现极端情况下（加压泵突然停车，系统失压）调节阀动作不频繁。

结束语：PID控制算法一直是自动化控制中重要的一种手段，用的好可以简化控制，反之会导致失调。本文是基于调试过程总结的一点经验，管中窥豹希望能给读者一点点帮助。