調(diào)節(jié)閥控制方式及改進(jìn)

本文結(jié)合國內(nèi)多座大型高爐料流調(diào)節(jié)閥實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)以及發(fā)展趨勢和技術(shù)，首先介紹由液壓比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥控制方法、策略及經(jīng)驗(yàn)，然后介紹一種由液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的新型料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已在國內(nèi)某大型高爐上成功應(yīng)用，初步解決了高爐控制中的這一難題。
    1 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
    目前國內(nèi)大、中型高爐大都采用PW公司配套提供的料流調(diào)節(jié)閥及驅(qū)動(dòng)裝置，該料流調(diào)節(jié)閥由液壓比例閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，采用開關(guān)量的高速/低速和停止信號對料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有級速度控制。正是PW公司這種不合理的配置，使得在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對料流調(diào)節(jié)閥的可靠控制成為了一大難題。為了解決這一難題，我們在工程實(shí)踐中經(jīng)過反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一種前饋加自適應(yīng)的控制方式，基本上解決了由比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥的控制和可靠性難題。
    1.1 料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)過程分析
    料流調(diào)節(jié)閥控制的根本需求是在保證其高速運(yùn)行的情況下確保其位置控制的度和可靠性，為說明料流調(diào)節(jié)閥的控制原理和方法，我們有必要先對料流調(diào)節(jié)閥的運(yùn)動(dòng)及停止過程進(jìn)行分析。
    圖1所示為PW公司提供的高爐爐頂料流調(diào)節(jié)閥的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖1 PW料流調(diào)節(jié)閥速度特性曲線

    從圖1可知，在理想情況下，要在高速時(shí)準(zhǔn)確停止料流調(diào)節(jié)閥，需要采取以下步驟：
    （1）在一個(gè)預(yù)定減速角度δj發(fā)出料流調(diào)節(jié)閥由高速轉(zhuǎn)換為低速指令，由圖1可以看出，指令發(fā)出約0.3s后，料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)速度由15（°）/s下降到5（°）/s，這期間閥門運(yùn)動(dòng)的開度（閥門減速慣性角δhtj）大約為（15－5）/2×0.3=1.5°。       
    （2）經(jīng)過一段時(shí)間的速度穩(wěn)定期（響應(yīng)曲線上約為0.1s），閥門速度穩(wěn)定在5（°）/s，該段時(shí)間料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)行角度（閥門機(jī)械慣性停車角δltj）大約為0.5°。
    （3）速度穩(wěn)定后，在距離停車角度為δt時(shí)給出停止指令（速度給定值變?yōu)?/span>0（°）/s），閥門大約經(jīng)過約0.2s后停止，該段時(shí)間料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)行角度約為（5/2）×0.2=0.5°。
    由此可知，要確保料流調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確停車，確定合適的減速角度δj和停車角度δt十分重要。
    1.2 前饋控制
    所謂對料流調(diào)節(jié)閥停止過程的前饋控制就是在其停止控制過程中引入一個(gè)合適的減速角度δj和停止角度δt，通過對這兩個(gè)角度的控制達(dá)到對料流調(diào)節(jié)閥開度準(zhǔn)確控制的目的。
    由于每個(gè)高爐料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的特性、高爐控制系統(tǒng)及通信方式不盡相同，因此其料流調(diào)節(jié)閥的減速角度δj和停止角度δt也不盡相同。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)廠家提供的料流調(diào)節(jié)閥特性曲線、高爐控制系統(tǒng)掃描速度以及角度檢測系統(tǒng)的通信速度等預(yù)算出一個(gè)值，然后在現(xiàn)場調(diào)試中通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對角度加以校正。
    δj通常可由式（1）求出：
        （1）
    式中，δhtf為料流調(diào)節(jié)閥附加減速角，考慮各種延時(shí)因素確定，δhtf≈（2TS+Tti）V1，其中，TS為控制器掃描時(shí)間，ms，Tti為編碼器接口延時(shí)時(shí)間，ms，V1為閥門低速運(yùn)動(dòng)初始速度，（°）/s；δhsw為減速穩(wěn)定角，工程中需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整而定，通常調(diào)整為3°左右。zuijia暴漲減速角需要在以上計(jì)算角度的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際調(diào)整確定。
    δt通常可由式（2）求出：     
        （2）
    式中，δm為本次設(shè)定停止角；δltf為料流調(diào)節(jié)閥附加停車角，考慮各種延時(shí)因素確定。實(shí)際調(diào)試中，考慮各種綜合因素后，一般取δltj+δltf在3°左右。
    采用前饋控制方式后，料流調(diào)節(jié)閥在機(jī)械及液壓系統(tǒng)工作正常、工作狀態(tài)穩(wěn)定的情況下基本能夠保證0.1°左右的控制精度。但高爐投產(chǎn)后，隨著時(shí)間的推移，閥門的機(jī)械及液壓系統(tǒng)特性將發(fā)生一定的變化，這種變化將使控制產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。
    1.3 自適應(yīng)分段線性插值法控制［1］
    為解決由機(jī)械特性改變而影響控制精度的問題，我們在前饋控制的基礎(chǔ)上又增加了一種被稱為“自適應(yīng)控制的分段線性插值法”的控制算法。該控制理念包含了2種控制方式：首先是把采用了前饋控制方式的料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)看做是一個(gè)黑匣子，依據(jù)黑匣子輸入/輸出之間的關(guān)系建立相應(yīng)的控制模型；然后在控制模型的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制對由于機(jī)械特性改變等因素產(chǎn)生的控制誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)正。
    1.3.1 分段插值法
    在工程實(shí)際中我們經(jīng)常會遇到這樣一種情況：對于某個(gè)控制對象，其各種控制參數(shù)之間存在某種函數(shù)y=f（x）關(guān)系，我們雖然知道其在一定范圍內(nèi)肯定有解，但卻很難或找不到其確定的函數(shù)關(guān)系，只能通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到xi與yi的對應(yīng)關(guān)系列表函數(shù)。
    對于以上問題可采用多種方法求出對應(yīng)函數(shù)關(guān)系的解，其中較為簡單實(shí)用的方法就是“分段插值法”。分段插值法就是用某種簡單、已知的函數(shù)p（x），在一定范圍內(nèi)近似地表達(dá)某一未知的表函數(shù)f（x），通過對已知近似函數(shù)p（x）的求解，就能近似地求出未知函數(shù)f（x）的解。可將替代函數(shù)p（x）看做如下的一階線性函數(shù)
        （3）
    用線性函數(shù)（3）替代函數(shù)f（x）時(shí)，只要知道表函數(shù)f（x）中的任意兩點(diǎn)（xn，yn），（xn+1，yn+1）就可用以下插值法公式，近似地求出（xn，yn），（xn+1，yn+1）之間的任何點(diǎn)值。
        （4）
    由此可見，表函數(shù)f（x）的對應(yīng)關(guān)系點(diǎn)（xn，yn）越多，由式（4）所求得的近似值y的精度也就越高。
    1.3.2 控制的實(shí)現(xiàn)
    建立料流調(diào)節(jié)閥控制模型就是要找出料流調(diào)節(jié)閥設(shè)定開度αs與實(shí)際開度αa之間的關(guān)系。為此首先要在料流調(diào)節(jié)閥的有效控制角度內(nèi)（通常為0～60°）測出一組設(shè)定開度αs與實(shí)際開度αa之間的列表函數(shù)，然后將該列表函數(shù)擬合成函數(shù)αs=f（αa），從而得到料流調(diào)節(jié)閥控制模型。
    依據(jù)料流調(diào)節(jié)閥需要的實(shí)際開度αa在模型列表函數(shù)中找到αs，如果沒有與實(shí)際開度相符合的點(diǎn)時(shí)，可先找出與αa相鄰的兩點(diǎn)αa與αa，然后定開度αs，并以其作為開度設(shè)定值對料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。
    為了修正控制誤差，控制程序記錄料流調(diào)節(jié)閥本次的設(shè)定開度αs以及實(shí)際開度αa，并得到（αs，αa）的關(guān)系數(shù)據(jù)。比較αs與αa，如果其差值大于設(shè)定的控制誤差（例如0.2°）且容許修改控制模型數(shù)據(jù)時(shí)，控制程序?qū)⒂?/span>αa替代原模型列表函數(shù)中的對應(yīng)值，從而完成料流調(diào)節(jié)閥開度精度控制的“自適應(yīng)控制”過程。
    現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明：在前饋控制的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方式后，料流調(diào)節(jié)閥的控制通常都能取得比較滿意的結(jié)果，控制精度一般在0.1°左右，基本上保證了料流調(diào)節(jié)閥的長期穩(wěn)定工作。
    2 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)存在的缺陷
    （1）控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差
    “自適應(yīng)控制的分段線性插值法”雖效果較好并在通常情況下能可靠穩(wěn)定工作，但當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、變化沒有規(guī)律時(shí)，比如：由液壓系統(tǒng)故障造成系統(tǒng)壓力無規(guī)律變化時(shí)將使其難以正常工作。
    （2）難以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需要
    有實(shí)驗(yàn)證明［2］，在高爐布料過程中，對應(yīng)于恒定的開度角α，布料的料流量Q不是恒定的。Q和料批質(zhì)量P、料的粒度D、比重ρ、料罐中的料量W等之間的關(guān)系可近似用式（5）來描述：
        （5）
    式中，當(dāng)前布料的P，D，ρ一定，布料過程中只有W變化，布料過程中要保證恒定的Q就要改變α。Q變化曲線大致如圖2所示［2］。

圖2 料罐中剩余料量與料流量的關(guān)系

    要保證Q不變，就需按照圖2曲線變化規(guī)律調(diào)節(jié)α，研究表明，其調(diào)節(jié)角度一般在±2°左右。傳統(tǒng)比例閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差，即使在5（°）/s的低速情況下，要進(jìn)行±2°的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)也十分困難。
    （3）對控制系統(tǒng)要求比較高
    料流調(diào)節(jié)閥有高、低兩個(gè)運(yùn)行速度，高速時(shí)，其運(yùn)行速度不小于15（°）/s，低速時(shí)為5（°）/s。如果我們假設(shè)控制系統(tǒng)I/O接口板更新速度足夠快，同時(shí)忽略編碼器數(shù)據(jù)通過總線傳輸?shù)难舆t等因素，當(dāng)控制精度要分辨出不大于±0.2°的角度時(shí)，其掃描周期應(yīng)為：
    高速時(shí)  TS≤（0.2/15）×1000=13（ms）
    低速時(shí)  TS≤（0.2/5）×1000=40（ms）
    由此可見，為保證控制系統(tǒng)能分辨出±0.2° 的控制精度，zui少要求系統(tǒng)CPU掃描周期不大于40ms，如果考慮到其他因素，則周期通常應(yīng)不大于20ms。這給高爐控制系統(tǒng)提出了一定的配置要求。當(dāng)采用不同的控制系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)性能不同，對料流調(diào)節(jié)閥的控制效果就會有一定影響。
    為了克服上述缺點(diǎn)，中冶賽迪工程技術(shù)有限公司開發(fā)出了基于液壓伺服閥控制的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)。
    3 基于伺服閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
    3.1 伺服閥特性
    液壓伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高，之前被廣泛應(yīng)用于軋機(jī)的壓下控制等要求高精度、快速響應(yīng)的場合中。圖3給出了伺服閥和比例閥的響應(yīng)曲線。

圖3 伺服閥和比例閥響應(yīng)曲線

    通過分析可得到如下結(jié)論：
    （1）比例閥對階躍信號的響應(yīng)延遲時(shí)間約為20ms，伺服閥約為0.5ms，因而伺服閥對輸入信號的靈敏度約為比例閥的40倍；
    （2）比例閥對階躍信號的響應(yīng)從0～用時(shí)大約為80ms，而伺服閥用時(shí)大約為9ms，因而伺服閥調(diào)節(jié)速度約為比例閥的9倍；
    （3）伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度約為比例閥的7倍。
    由以上結(jié)論得知，伺服閥在死區(qū)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和快速調(diào)節(jié)方面較比例閥更具有優(yōu)勢。
    3.2 硬件組成
    我們采用高爐主控PLC對料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)進(jìn)行控制，其系統(tǒng)框圖如圖4所示，圖中1為PLC控制器本體，要求PLC的CPU采用帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元的32b處理器，其正常掃描周期不大于20ms，從而確保迅速準(zhǔn)確地對伺服閥進(jìn)行控制；2為控制器電源接口，包括外部輸入電源接口以及控制器對外供閥門放大器板和編碼器等外部設(shè)備供電的電源接口；3為PLC輸出的速度控制指令及伺服閥閥芯位移反饋的模擬量信號接口（此模擬量接口采用高速模塊）；4為料流調(diào)節(jié)閥閥位檢測編碼器7和8與PLC之間通信的高速網(wǎng)絡(luò)接口；6為由液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥，其可根據(jù)主控系統(tǒng)輸出的4～20mA控制信號對閥門進(jìn)行速度控制，同時(shí)可根據(jù)需要，將閥芯位移信號反饋到主控系統(tǒng)。

圖4 伺服閥控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

     
    由圖4可以看到，該控制系統(tǒng)具有快速、高精度控制所需的高速控制器和高速信號接口，可對各種信號和控制程序進(jìn)行高速處理。系統(tǒng)對外接口采用了網(wǎng)絡(luò)方式，能夠方便、快速地將各種信號通過網(wǎng)絡(luò)送到控制系統(tǒng)。
    3.3 控制軟件
    圖4中的5為料流調(diào)節(jié)閥位控制模塊，該模塊為料流調(diào)節(jié)閥控制的核心控制模塊，其特點(diǎn)是能夠在基本不產(chǎn)生超調(diào)的情況下對料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行快速、的定位和位置跟隨控制。該控制模塊將料流調(diào)節(jié)閥開度控制過程分為兩個(gè)階段：第1階段為驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥高速開啟階段，在該階段中，模塊將根據(jù)料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開度和設(shè)定開度之間的關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)高速開啟信號使料流調(diào)節(jié)閥快速開啟，當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥距目標(biāo)值小于一定數(shù)值后對料流調(diào)節(jié)閥的控制則進(jìn)入第2階段；在第2階段中，在模塊算法的控制下，閥門速度隨目標(biāo)的接近而減小，當(dāng)開度小于設(shè)定誤差后，料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)入對設(shè)定值的跟隨狀態(tài)。該控制模塊具有控制精度高，閥門響應(yīng)速度快且不受閥門機(jī)械特性和液壓系統(tǒng)特性變化影響等特點(diǎn)，能夠保證系統(tǒng)長期、可靠地工作。
    3.4 控制效果
    圖5是在國內(nèi)某大型高爐上采用的伺服閥控制系統(tǒng)的料流閥動(dòng)作曲線圖。由圖5可以看出：
    （1）料流調(diào)節(jié)閥設(shè)定開度角度為46.5°，由伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥由動(dòng)作指令發(fā)出到閥門開到46.305°（不大于工藝要求0.2°的控制精度）所耗費(fèi)的時(shí)間約為2.2s。而傳統(tǒng)的由比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥通常需要4s以上。由此可見，由伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)速度是比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)速度的1.8倍。
    （2）由速度設(shè)定曲線可以看到，在料流調(diào)節(jié)閥開的過程中，開始速度設(shè)定為zui大值，閥門為全速開，當(dāng)閥門開到一定角度（由模塊算法計(jì)算給定）后，速度設(shè)定在控制模塊的控制下快速下降到一個(gè)較小的值，從而使料流調(diào)節(jié)閥快速減速，然后慢速跟隨設(shè)定速度的動(dòng)作狀態(tài)，由此保證了閥門動(dòng)作過程的快速性、準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 由液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥控制效果

    4 結(jié)論
    由上面的論述我們得出結(jié)論：該控制系統(tǒng)無論在運(yùn)動(dòng)速度、控制靈敏度、控制精度和可靠性等方面均比基于比例閥的料流控制系統(tǒng)有較大優(yōu)勢，用于控制高爐料流調(diào)節(jié)閥*可以滿足工藝快速、的控制要求。
    由液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥及其控制系統(tǒng)已于2009年在國內(nèi)某大型高爐上得到了應(yīng)用，其快速性、度和穩(wěn)定性等方面均取得了較好效果。我們將繼續(xù)對伺服閥控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)高爐恒流量布料的要求。