專利名稱:玻璃窯爐n—開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制方法
本發(fā)明涉及N個(gè)相同的連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程的自動(dòng)控制方法。
N-開(kāi)關(guān)過(guò)程在工業(yè)中普遍存在，它是由開(kāi)關(guān)控制N個(gè)相同的連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程，N為任一正整數(shù)。如玻璃窯爐的蓄熱室為2-過(guò)程，高爐熱風(fēng)爐為3-過(guò)程或4-過(guò)程，煤氣發(fā)生爐為1-過(guò)程，煤焦?fàn)t為1-過(guò)程，等等。
現(xiàn)有玻璃窯爐蓄熱室等N-開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制均采用對(duì)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的靜態(tài)控制方法(如定值、定位、定時(shí)控制等)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法、經(jīng)驗(yàn)公式的三種方法，或是以上三種方法的組合。這些方法在局部時(shí)間、特定運(yùn)行狀態(tài)下，使性能接近最優(yōu)，但不是最優(yōu)的，其原因有二(1)因工程近似方法的缺陷所造成的固有弊病;
(2)系統(tǒng)的各參數(shù)一般是時(shí)變的，且狀態(tài)測(cè)量值有噪音干擾，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)有純滯后存在時(shí)，靜態(tài)逼近或經(jīng)驗(yàn)方法難于做到準(zhǔn)確地跟蹤預(yù)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)。
目前大多數(shù)玻璃窯爐蓄熱室的燃燒，一般為每隔15分鐘開(kāi)關(guān)切換一次，或當(dāng)溫度達(dá)到某一值時(shí)，開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。這種定值控制方法并不根據(jù)窯爐實(shí)際燃燒狀況，也不管開(kāi)關(guān)是否應(yīng)該切換，因而難免造成能耗浪費(fèi)及效率降低。
極小值原理或動(dòng)態(tài)規(guī)則方法已用于動(dòng)態(tài)過(guò)程的最優(yōu)控制。自校正控制也已廣泛用于軍事、工業(yè)中連續(xù)量的控制。經(jīng)查找各國(guó)專利文獻(xiàn)，目前尚未見(jiàn)極小值原理及自校正控制方法用于N-開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制。
本發(fā)明的目的在于提出玻璃窯爐蓄熱室開(kāi)關(guān)切換的新控制方法，使每一個(gè)開(kāi)關(guān)切換時(shí)刻都處于最佳時(shí)刻，保證連續(xù)運(yùn)行過(guò)程取得最好效益。
本發(fā)明是根據(jù)常用的輸入-輸出關(guān)系模型，建立了在固定切換程序下描述時(shí)間-輸出關(guān)系的改寫(xiě)模型。在硬件配置上，將存貯元件按照新的方式，組成二個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列，每對(duì)列有N個(gè)區(qū)。將N個(gè)子過(guò)程的輸入輸出值
ur(k)，
xr(k)，
ur(k-1)，
xr(k-1)等，(其中r＝1，2…N)放在第一個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列中，稱為物理數(shù)據(jù)區(qū)，每個(gè)單元存放一個(gè)物理子過(guò)程的輸入輸出值，其輸入值隨切換而周期性改變。改寫(xiě)模型把N個(gè)子過(guò)程重新排列，稱為N個(gè)邏輯子過(guò)程，其輸出數(shù)據(jù)依此排列放在第二個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列中，該隊(duì)列稱為邏輯數(shù)據(jù)區(qū)，其特點(diǎn)為每個(gè)寄存區(qū)代表一個(gè)邏輯子過(guò)程，對(duì)應(yīng)著一個(gè)固定的輸入狀態(tài)，分別稱為第1過(guò)程，第2過(guò)程…第N過(guò)程。
邏輯數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)來(lái)源是物理數(shù)據(jù)區(qū)，因此，必須解決兩區(qū)之間寄存區(qū)的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。在每次切換之后，邏輯數(shù)據(jù)區(qū)與物理數(shù)據(jù)區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系改變，見(jiàn)圖3.(15)、(16)…(17)、(18)為物理數(shù)據(jù)區(qū)隊(duì)列，(19)，(20)…(21)，(22)為邏輯數(shù)據(jù)區(qū)隊(duì)列，它對(duì)應(yīng)于第一子過(guò)程，第二子過(guò)程，…第N-1子過(guò)程，第N子過(guò)程。對(duì)應(yīng)關(guān)系重建時(shí)，各寄存區(qū)的地址以及作用均不改變，要變的只是其數(shù)據(jù)傳送的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相當(dāng)于兩個(gè)隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)一步。重建之后，物理寄存區(qū)(15)原對(duì)應(yīng)邏輯寄存區(qū)(19)即第一過(guò)程，現(xiàn)對(duì)應(yīng)為第N過(guò)程(22)，其余對(duì)應(yīng)關(guān)系變?yōu)?16)對(duì)應(yīng)(19)，(18)對(duì)應(yīng)(21)。此外，切換時(shí)的邏輯數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)數(shù)值，代表著切換前對(duì)應(yīng)的物理數(shù)據(jù)區(qū)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)的終值，邏輯數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)存放的數(shù)值應(yīng)朝隊(duì)列方向循環(huán)移動(dòng)一步，即數(shù)據(jù)沿下列方向移動(dòng)由邏輯數(shù)據(jù)區(qū)(19)移到(22)，而(22)移到(21)依此類推。改寫(xiě)模型用到的這兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列的配置方法及相對(duì)應(yīng)關(guān)系的循環(huán)移位方法，是本發(fā)明的新的排列方法。與通常移位寄存器的不同在于它放置數(shù)據(jù)集合構(gòu)成的隊(duì)列，而不是數(shù)位隊(duì)列，它的移位不是指地址及作用的改變，而僅僅是對(duì)數(shù)據(jù)傳送的對(duì)應(yīng)關(guān)系的改變。
玻璃窯爐蓄熱室的N-開(kāi)關(guān)的改寫(xiě)模型
或簡(jiǎn)寫(xiě)為X(i.j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
該改寫(xiě)模型明確表示出了N-開(kāi)關(guān)的循環(huán)作用，并且其中真正的控制量是作用區(qū)間的長(zhǎng)度j＊即切換時(shí)刻。u在這里是一組常數(shù)。這樣就將極小值原理應(yīng)用于本控制方法之中。它使窯爐開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間為最佳時(shí)刻，熱效率等指定的性能指標(biāo)比其它控制方法都好。
在改寫(xiě)模型中，窯爐開(kāi)關(guān)切換之間的時(shí)間間隔稱為作用區(qū)間，而i則表示第i個(gè)作用區(qū)間。j表示采樣周期數(shù)。X(i.j)表示在時(shí)間(i，j)N個(gè)過(guò)程的輸出值。
用窯爐中配置的熱電偶測(cè)出蓄熱室平均溫度
x(k)(單位為攝氏度)，每采樣周期進(jìn)入蓄熱室的高溫廢氣或大氣所帶入的熱量
u(k)分別為兩個(gè)常數(shù)，(單位是兆卡/周期)。根據(jù)物理數(shù)據(jù)區(qū)當(dāng)前各過(guò)程的輸入輸出，運(yùn)用遞推最小二乘法求得參數(shù)
。據(jù)
x(k)、ū(k)及
作L步預(yù)測(cè)，將結(jié)果存放在邏輯數(shù)據(jù)區(qū)，即為X(i，j)。這就是本發(fā)明應(yīng)用自校正方法，克服了純滯后時(shí)間，以及由于進(jìn)氣風(fēng)量、溫度的經(jīng)常漂移所造成的開(kāi)關(guān)切換時(shí)間不正確、熱效率性能低等缺點(diǎn)。
圖1為玻璃窯爐蓄熱室控制示意圖。
圖2為窯爐蓄熱室N-開(kāi)關(guān)過(guò)程最優(yōu)控制方框圖。
圖3為兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列配置示意圖。
圖4為控制系統(tǒng)功能框圖。
參照?qǐng)D1，玻璃窯爐(1)有兩個(gè)蓄熱室(2)、(3)，換向閥(4)、燃料閥(5)、(6)控制熱交換過(guò)程的切換。自然風(fēng)通過(guò)換向閥(4)進(jìn)入蓄熱室(2)冷風(fēng)被加熱，燃油閥(5)接通燃油，在爐(1)內(nèi)燃燒，同時(shí)室(2)內(nèi)平均溫度一直下降，而窯內(nèi)高溫廢氣經(jīng)蓄熱室(3)及閥(4)由煙囪(7)排出。蓄熱室(3)吸收廢氣熱量而溫度上升。(經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，閥(4)切換后，室(2)與室(3)作用反了過(guò)來(lái))。此玻璃窯爐為2-開(kāi)關(guān)過(guò)程控制，換向閥(4)輪流切換風(fēng)道，閥(5)、(6)輪流接通燃油閥。當(dāng)大氣進(jìn)入室(3)時(shí)，閥(6)接通，閥(5)關(guān)閉。然后再反之，完成左右蓄熱室的輪流交換。
用一臺(tái)八位微型計(jì)算機(jī)即可勝任，視生產(chǎn)規(guī)模及復(fù)雜程度，全部自校正一般用內(nèi)存為2-4KB。該計(jì)算機(jī)必須具備下列配置1.中央處理器，具有浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳遞、中斷響應(yīng)，控制各接口的輸入輸出功能。
2.2N個(gè)模擬量輸入通道3.一個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它隔一定時(shí)間向中央處理器發(fā)出一次時(shí)鐘中斷，作為采樣周期。
4.N個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出通道，具有驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力。
5.2-4K字節(jié)的內(nèi)存容量，用于存放控制程序和內(nèi)部數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的配置如圖4所示。
具體步驟如下(1)先測(cè)出純滯后時(shí)間，對(duì)于玻璃窯爐通常為30秒～12分鐘，據(jù)輸入-輸出模型的結(jié)構(gòu)求出表達(dá)式
x(k)＝-aX(k-1)+bū(k-L-1)+(K)，系數(shù)a、b不必精確。求出單位零輸入響應(yīng)函數(shù)φ(t)及決策目標(biāo)函數(shù)J，由此推出決策函數(shù)R。
(2)根據(jù)過(guò)程平均時(shí)間常數(shù)的 1/100 ～ 1/10 以及純滯后的時(shí)間，確定采樣(8)的采樣周期ts(秒)，應(yīng)使純滯后為ts的整倍數(shù)。按ts設(shè)定計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘。隔一定時(shí)間向中央處理器發(fā)出一次時(shí)鐘中斷，作為采樣周期及工作循環(huán)的周期。
將窯爐蓄熱室收受廢氣中熱量的過(guò)程為第一過(guò)程，而吹入大氣放熱降溫的過(guò)程為第二過(guò)程。圖3為兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列配置的示意圖。
存貯元件用新的配置方法構(gòu)成兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列，分別存放N個(gè)邏輯子過(guò)程的完整數(shù)據(jù)，包括多步預(yù)測(cè)得到的數(shù)據(jù)Xr(i，j)、△Xr(i，j)。開(kāi)關(guān)每次切換時(shí)，兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列的對(duì)應(yīng)關(guān)系循環(huán)移動(dòng)一次。
控制執(zhí)行的過(guò)程如下控制系統(tǒng)啟動(dòng)以后，把系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)如a、b等賦予初值，隨即開(kāi)始接受時(shí)鐘控制。按照采樣周期ts，對(duì)N個(gè)過(guò)程的輸入、輸出狀態(tài)值進(jìn)行采樣，對(duì)于玻璃窯爐N為2。共有2N個(gè)模擬量經(jīng)圖4中模擬量輸入通道(23)進(jìn)入控制系統(tǒng)。經(jīng)校正，模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)
xr(k)，ūr(k)分別表示蓄熱室平均溫度及蓄熱室輸入熱量，其中r＝1、2…N，存入物理數(shù)據(jù)區(qū)(15)、(16)、(17)、(18)。每個(gè)周期只需進(jìn)行一次采樣。
系統(tǒng)辨識(shí)(9)通過(guò)常用的最小二乘或其它遞推方法，求出一個(gè)采樣周期的模型參數(shù)a、b。由于N個(gè)子過(guò)程的模型相同，因此只需算出一個(gè)子過(guò)程的模型參數(shù)，即可作為各個(gè)子過(guò)程所用的模型參數(shù)了。
再據(jù)模型參數(shù)
算出函數(shù)φ(j)，這里
。將φ(j)暫予寄存，每當(dāng)切換時(shí)才送至決策器(11)，用于計(jì)算決策函數(shù)R。
L步預(yù)測(cè)(10)根據(jù)每個(gè)采樣周期所得到的模型參數(shù)及實(shí)測(cè)值u(k)、x(k)，按多步預(yù)測(cè)，求出N個(gè)子過(guò)程L步以后的預(yù)測(cè)輸出值X(i，j)，分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的邏輯數(shù)據(jù)區(qū)中的原有值X(i，j-1)，相減得到新的△Xr(i，j)＝Xr(i，j)-Xr(i，j-1)，其中r＝1，2…N。把新Xr(i，j)及△Xr(i，j)存入該區(qū)中。由于本法的L步預(yù)測(cè)給出了L步之后系統(tǒng)輸出預(yù)測(cè)值，有效地克服了采用常規(guī)方法的純滯后的弊病。
決策器(11)根據(jù)預(yù)測(cè)(10)所得到數(shù)據(jù)X(i，j)、△X(X，j)，該組數(shù)據(jù)存放于邏輯數(shù)據(jù)區(qū)中。求取R值(本例中R= (x1(i,j)-x2(i,j)-co)/(j)
)剛剛切換時(shí)R＜0，當(dāng)R值由負(fù)轉(zhuǎn)正，即R≥0時(shí)，則給出切換命令。這種決策控制的方法是根據(jù)實(shí)時(shí)得到的數(shù)學(xué)模型，用最優(yōu)控制的方法得出的，因此比常規(guī)靜態(tài)方法及種種近似的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法及經(jīng)驗(yàn)公式方法更利于取得最高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
開(kāi)關(guān)量輸出通道(12)接受決策器(11)送來(lái)的切換指令后，立即在其輸出口給出驅(qū)動(dòng)值。由于玻璃窯爐的換向閥(4)、閥(5)、閥(6)等切換裝置已裝有執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電磁閥、空氣開(kāi)關(guān)等等)，接受了驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，立即按照生產(chǎn)次序進(jìn)行切換。
機(jī)內(nèi)切換器(13)在決策器(11)給出切換命令時(shí)，執(zhí)行內(nèi)部的切換操作，包括i，j的計(jì)數(shù)，使i＝i+1，j＝0。并使物理數(shù)據(jù)區(qū)與邏輯數(shù)據(jù)區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系重建。相當(dāng)于兩個(gè)隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)一步，即物理數(shù)據(jù)區(qū)(15)對(duì)應(yīng)的邏輯數(shù)據(jù)區(qū)由原來(lái)的(19)改為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)(22)，依次類推(18)對(duì)應(yīng)(21)。此外，邏輯數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)存放的數(shù)據(jù)應(yīng)朝隊(duì)列方向循環(huán)移動(dòng)一步，即邏輯數(shù)據(jù)區(qū)(19)移到(22)，而數(shù)據(jù)區(qū)(22)移到數(shù)據(jù)區(qū)(21)。其它依次類推。
非切換操作(14)的作用是若R小于零，則給出不切換的信號(hào)指令，則繼續(xù)下一采樣周期操作，并且j＝j(luò)+1。
本控制方法使得在相同的輸入條件下，開(kāi)關(guān)切換不頻繁，而且蓄熱室第一過(guò)程的切換值趨于最高，第二過(guò)程切換值趨于最低，這樣，排入大氣的廢氣溫度低，而送入窯爐的予熱風(fēng)的溫度高，從而提高了整個(gè)窯爐的熱效率。
該控制方法與同樣過(guò)程中采用常規(guī)的方法相比較，其性能指標(biāo)達(dá)到最佳，因此可直接節(jié)省能量、原料消耗，提高了過(guò)程的生產(chǎn)率。
本控制方法可以直接用于玻璃窯爐、煤炭焦化爐，煉鐵高爐的熱風(fēng)爐、水煤氣發(fā)生爐。也可以于開(kāi)關(guān)控制的其他動(dòng)態(tài)過(guò)程，如化工生產(chǎn)、泵站、冷庫(kù)等設(shè)備。
權(quán)利要求
1.玻璃窯爐蓄熱室N-開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制方法，由程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，其特征是在硬件配置上，存貯元件按新的改寫(xiě)模型組成兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列有N個(gè)區(qū)，將窯爐蓄熱室平均溫度X(K)，每采樣周期進(jìn)入蓄熱室的高溫廢氣或大氣所帶入的熱量，即蓄熱室的進(jìn)氣溫度u(K)放入物理數(shù)據(jù)區(qū)，改寫(xiě)模型把N個(gè)子過(guò)程重新排列，其輸出數(shù)據(jù)依次放在邏輯數(shù)據(jù)區(qū)中，開(kāi)關(guān)每次切換之后，邏輯數(shù)據(jù)區(qū)與物理數(shù)據(jù)區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系改變，對(duì)應(yīng)關(guān)系重建時(shí)，各寄存區(qū)的地址及作用均不改變，改變的只是其數(shù)據(jù)傳送的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相當(dāng)于兩個(gè)隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)一步。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的控制方法，其特征在于改寫(xiě)模型是根據(jù)時(shí)間-輸出關(guān)系寫(xiě)出，是據(jù)N個(gè)邏輯子過(guò)程建立的，
或簡(jiǎn)寫(xiě)為X(i，j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
專利摘要
玻璃窯爐N—開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制方法提出了新的改寫(xiě)模型代替常用的輸入輸出關(guān)系模型，采用物理數(shù)據(jù)區(qū)和邏輯數(shù)據(jù)區(qū)兩個(gè)寄存區(qū)隊(duì)列的配置方式，運(yùn)用極小值原理和自校正方法使得窯爐蓄熱室換向閥及燃油閥在最佳時(shí)刻進(jìn)行切換，克服了常用方法中切換時(shí)刻不正確的弊病，且不受純滯后及因進(jìn)氣風(fēng)量、溫度等漂移的影響。本發(fā)明還廣泛用于煤焦?fàn)t、煉鐵熱風(fēng)爐、水煤氣發(fā)生爐、泵站、冷庫(kù)及開(kāi)關(guān)控制的化工等設(shè)備。
文檔編號(hào)C03B5/00GK87102502SQ87102502
公開(kāi)日1988年3月30日 申請(qǐng)日期1987年3月31日
發(fā)明者吳士淵 申請(qǐng)人:常州工業(yè)技術(shù)學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan