高炉风机防喘振优化控制设计方案
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项目设计方案
• 喘振线与防喘振线的优化设计
本方案采用多变能量头的概念来计算喘振线，即
n 1 n p n RT1 2 1 p2 n 1
hpol
其中，hpol为多变能量头，n为气体压缩指数，R为气体常 数，T1为进口温度，p1、p2分别为进口与出口压力。
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项目设计方案
• 喘振线与防喘振线的优化设计
根据多变能量头公式以及鼓风机性能曲线，可以做出 鼓风机的“能量头~容积流量”曲线如左图所示。用遗传 算法优化计算拟合出喘振线，并进行非线性补偿，在此基 础上进一步采用优化方法拟合出防喘振线如右图所示。 系统喘振线与防喘振线计算好之后，将作为控制器的
输入之一。
• 教授1人，项目负责，方案设计，子课题协调，系 统联调，预计投入3个月；
• 副教授2人，子课题负责，分别负责优化软件设计、 控制系统软硬件设计，系统联调，预计投入4个月； • 讲师、工程师2人，分别负责软件编程开发调试、 控制系统系统开发调试，实验调试及现场数据采 集等，预计投入12-14个月； • 研究生5人，2人在优化软件子课题，3人在控制系 统开发子课题，在老师指导下开展工作，预计投 入12-14个月。
高炉风机防喘振 优化控制设计方案
北京信息科技大学自动化学院 2015年7月
主要内容
• • • • • • 项目概况 项目设计方案 研究进度安排 人员投入与工作分工 成本估算 经济效益
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项目概况
• 高炉鼓风机是高炉炼铁生产的关键动力设备，鼓风机的 运行状态与企业的安全运行、产量、效益息息相关。由 于高炉憋风等原因常会引起与鼓风机相连的管网系统特 性发生变化，鼓风机工况点会随着管网特性的改变而改 变，如不加以控制，很可能会导致鼓风机进入喘振工况。 为确保鼓风机的安全稳定运行，在其控制系统中必须配 备防喘振自动控制，并应兼顾高炉生产、机组安全、节 能降耗等各方因素。 本项目方案拟采用遗传算法对喘振曲线以及防喘振线进 行优化设计，并采用自抗扰控制方法进行实时控制。预 计采用本方案即使鼓风机工况点接近调节线，仍然可以 平稳地供风，确保风机不发生喘振和供风中断事故，确 保系统稳定运行。通过优化设计，可使系统能耗降低， 降低运行成本，增加产品的技术附加值，提高产品的竞 争力。
状态观测器
全局性的 优化结果
进一步采用遗传算法优化 计算防喘振线
控制器
防喘振阀 开度
鼓风机 静叶开度
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研究进度安排
1. 详细设计方案设计及历史数据搜集及调研： 2个月 2. 优化计算软件开发：3个月 3. 控制器软硬件设计：4-5个月 4. 系统联调及实验测试：3-5个月
共计：12-14个月
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人员投入与工作分工
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成本估算
• 实验材料费：10万元（用于系统硬件，系统制作，软硬件联调） • 软件费：15万元（购买正版软件（如MATLAB）用于编程与优化计算， 企业也可提供软件供开发系统使用，项目结束后全部软件包交给企业） • 差旅费：14.72万元（路费1400元往返每人次×40人次往返＋住宿200元 每人天×240人天+补助180元×240人天） • 劳务费：18.6万元，其中
– – – – 教授1.2万元（4000元每月×1人×3个月） 副教授2.4万元（3000元每月×2人×4个月） 讲师6万（2500每月×2人×12个月） 研究生9万元（1500元每月×5人×12个月）
• • • • •
复印资料及耗材费：1万 能源动力及房屋租赁费：1.8万（1500×12个月） 其他不可预见费：3万元 管理费：3万元 税费：5万元
鼓风机实时工况 防喘振阀状态
遗传算法 合适的初 始种群数 量和适应 度函数
鼓风机运行 历史数据 数据预处理
自抗扰控制 PID控制技术 的精髓、现 代控制理论 的成就、不 依赖于被控 对象精确模 型、能够替 代PID技术的 新型实用控 制技术
根据多变能量头公式采用 遗传算法优化计算喘振 线，并进行非线性补偿
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10
Hale Waihona Puke Baidu
• 总计：72.12万元
经济效益
应用本方案后，预计将防喘振阀常用 平均开度减小5%。预期在高炉送风压力、 流量工况不变前提下，将主电机耗电有功 功率由10000KW（按主电机耗电有功功率 为10000KW计算）降低到9600KW。项目实 施后单台风机月节电约30万度，年节电效 益约220万元，预计4个月收回成本。
遗 传 算 法 优 化 计 算
5
项目设计方案
• 鼓风机静叶与防喘振阀开度的自抗扰控制方法
鼓风机 入口温度 入口压力 入口流量 ... 静叶 开度 ... 出口 压力 ... 热风炉 高炉
防喘振阀
放空
数据预处理
状态观测器
静叶开度 控制量
防喘振阀开 度控制量
设定
控制器
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系统方案完整流程图
离线优化 在线控制
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附：美国Linestream Technologies公司采 用自抗扰控制（ADRC）的控制效果
图1 位置误差最大减小81%
图2 RMS扭矩控制量减小41%
图3 跳变减小71%
图4 能量消耗减少58%
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北京信息科技大学自动化学院课题组简介
课题组所在的北京信息科技大学自动化学院，现有教师近 50人，实验技术人员20余人，其中，教授13人，副教授及高 级工程师20余人。我院有2个硕士点一级学科：“电气工 程”；“控制科学与工程”， 6个二级学科，电机与电器、 电力电子与电力传动、控制理论与控制工程、检测技术与自 动化装置、模式识别与智能系统；其中，控制理论与控制工 程和检测技术与自动化装置为北京市重点建设学科。指导电 气工程、控制科学与工程学科工学硕士、控制工程专业硕士 150余人，2位博士生导师在北京交通大学电气工程学院作为 兼职教授指导博士研究生，具有较强的技术实力。院里有微 机150余台，dSPAC半实物仿真系统、电力系统综合实验平 台、各类电机综合实验平台、各类实验仪器及通用实验设备 为进行仿真计算、软件研制、系统测试、实验研究等提供了 物质保证。
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项目设计方案
• 喘振线与防喘振线的优化设计
本方案采用多变能量头的概念来计算喘振线，即
n 1 n p n RT1 2 1 p2 n 1
hpol
其中，hpol为多变能量头，n为气体压缩指数，R为气体常 数，T1为进口温度，p1、p2分别为进口与出口压力。
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项目设计方案
• 喘振线与防喘振线的优化设计
根据多变能量头公式以及鼓风机性能曲线，可以做出 鼓风机的“能量头~容积流量”曲线如左图所示。用遗传 算法优化计算拟合出喘振线，并进行非线性补偿，在此基 础上进一步采用优化方法拟合出防喘振线如右图所示。 系统喘振线与防喘振线计算好之后，将作为控制器的
输入之一。
• 教授1人，项目负责，方案设计，子课题协调，系 统联调，预计投入3个月；
• 副教授2人，子课题负责，分别负责优化软件设计、 控制系统软硬件设计，系统联调，预计投入4个月； • 讲师、工程师2人，分别负责软件编程开发调试、 控制系统系统开发调试，实验调试及现场数据采 集等，预计投入12-14个月； • 研究生5人，2人在优化软件子课题，3人在控制系 统开发子课题，在老师指导下开展工作，预计投 入12-14个月。
高炉风机防喘振 优化控制设计方案
北京信息科技大学自动化学院 2015年7月
主要内容
• • • • • • 项目概况 项目设计方案 研究进度安排 人员投入与工作分工 成本估算 经济效益
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项目概况
• 高炉鼓风机是高炉炼铁生产的关键动力设备，鼓风机的 运行状态与企业的安全运行、产量、效益息息相关。由 于高炉憋风等原因常会引起与鼓风机相连的管网系统特 性发生变化，鼓风机工况点会随着管网特性的改变而改 变，如不加以控制，很可能会导致鼓风机进入喘振工况。 为确保鼓风机的安全稳定运行，在其控制系统中必须配 备防喘振自动控制，并应兼顾高炉生产、机组安全、节 能降耗等各方因素。 本项目方案拟采用遗传算法对喘振曲线以及防喘振线进 行优化设计，并采用自抗扰控制方法进行实时控制。预 计采用本方案即使鼓风机工况点接近调节线，仍然可以 平稳地供风，确保风机不发生喘振和供风中断事故，确 保系统稳定运行。通过优化设计，可使系统能耗降低， 降低运行成本，增加产品的技术附加值，提高产品的竞 争力。
状态观测器
全局性的 优化结果
进一步采用遗传算法优化 计算防喘振线
控制器
防喘振阀 开度
鼓风机 静叶开度
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研究进度安排
1. 详细设计方案设计及历史数据搜集及调研： 2个月 2. 优化计算软件开发：3个月 3. 控制器软硬件设计：4-5个月 4. 系统联调及实验测试：3-5个月
共计：12-14个月
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人员投入与工作分工
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成本估算
• 实验材料费：10万元（用于系统硬件，系统制作，软硬件联调） • 软件费：15万元（购买正版软件（如MATLAB）用于编程与优化计算， 企业也可提供软件供开发系统使用，项目结束后全部软件包交给企业） • 差旅费：14.72万元（路费1400元往返每人次×40人次往返＋住宿200元 每人天×240人天+补助180元×240人天） • 劳务费：18.6万元，其中
– – – – 教授1.2万元（4000元每月×1人×3个月） 副教授2.4万元（3000元每月×2人×4个月） 讲师6万（2500每月×2人×12个月） 研究生9万元（1500元每月×5人×12个月）
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复印资料及耗材费：1万 能源动力及房屋租赁费：1.8万（1500×12个月） 其他不可预见费：3万元 管理费：3万元 税费：5万元
鼓风机实时工况 防喘振阀状态
遗传算法 合适的初 始种群数 量和适应 度函数
鼓风机运行 历史数据 数据预处理
自抗扰控制 PID控制技术 的精髓、现 代控制理论 的成就、不 依赖于被控 对象精确模 型、能够替 代PID技术的 新型实用控 制技术
根据多变能量头公式采用 遗传算法优化计算喘振 线，并进行非线性补偿
13
10
Hale Waihona Puke Baidu
• 总计：72.12万元
经济效益
应用本方案后，预计将防喘振阀常用 平均开度减小5%。预期在高炉送风压力、 流量工况不变前提下，将主电机耗电有功 功率由10000KW（按主电机耗电有功功率 为10000KW计算）降低到9600KW。项目实 施后单台风机月节电约30万度，年节电效 益约220万元，预计4个月收回成本。
遗 传 算 法 优 化 计 算
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项目设计方案
• 鼓风机静叶与防喘振阀开度的自抗扰控制方法
鼓风机 入口温度 入口压力 入口流量 ... 静叶 开度 ... 出口 压力 ... 热风炉 高炉
防喘振阀
放空
数据预处理
状态观测器
静叶开度 控制量
防喘振阀开 度控制量
设定
控制器
6
系统方案完整流程图
离线优化 在线控制
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附：美国Linestream Technologies公司采 用自抗扰控制（ADRC）的控制效果
图1 位置误差最大减小81%
图2 RMS扭矩控制量减小41%
图3 跳变减小71%
图4 能量消耗减少58%
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北京信息科技大学自动化学院课题组简介
课题组所在的北京信息科技大学自动化学院，现有教师近 50人，实验技术人员20余人，其中，教授13人，副教授及高 级工程师20余人。我院有2个硕士点一级学科：“电气工 程”；“控制科学与工程”， 6个二级学科，电机与电器、 电力电子与电力传动、控制理论与控制工程、检测技术与自 动化装置、模式识别与智能系统；其中，控制理论与控制工 程和检测技术与自动化装置为北京市重点建设学科。指导电 气工程、控制科学与工程学科工学硕士、控制工程专业硕士 150余人，2位博士生导师在北京交通大学电气工程学院作为 兼职教授指导博士研究生，具有较强的技术实力。院里有微 机150余台，dSPAC半实物仿真系统、电力系统综合实验平 台、各类电机综合实验平台、各类实验仪器及通用实验设备 为进行仿真计算、软件研制、系统测试、实验研究等提供了 物质保证。