Smith预估补偿在转炉干法除尘系统中的应用

Smith预估补偿在转炉干法除尘系统中的应用

郭海滨

（宝钢集团梅山钢铁公司炼钢厂，江苏南京）

摘  要：在干法除尘系统中，分析转炉烟气生成机理和干法除尘系统除尘工艺特点，以及影响除尘效果重要参数的基础上，针对干法除尘系统温度控制系统对象具有非线性、纯滞后、不确定、干扰大的特点，本文提出了基于Smith预估补偿的非线性PID控制策略，应用此控制算法对实际转炉对象的辨识模型进行仿真分析，并投入应用，结果表明此控制策略能够明显地改善控制系统的动态品质和抗干扰性能，达到了较好的生产应用效果。

关键词：Smith 预估器；非线性PID；干法除尘；温度控制

Smith estimated compensation put into application in dry dedusting of converter

Abstract：In the dry dust removal system, analysis of converter flue gas generation mechanism and the technological characteristics of dry dust removal system, as well as the important parameters, on the basis of the same object for dry dust removal system temperature control system with nonlinear, large pure time-delay, uncertainty and disturbance, is proposed in this paper based on the Smith estimated compensation for nonlinear PID control strategy, the control algorithm to the actual converter object identification model for the simulation analysis, and put into application, the results show that this control strategy can obviously improve the dynamic quality of control system and anti-jamming performance, achieved good application effect.

Keyword：Smith predictor; nonlinear PID;dry dust;Temperature control;

1 引言

转炉炼钢过程中产生的高温烟气，烟温高达1450 ～ 1600℃，严重影响了干法除尘系统的除尘效率，以及煤气的回收，如果蒸发冷却器出口温度太高，烟气不允许进入静电除尘器，因为烟气温度高，粉尘比电阻升高，所以不利于除尘，烟气温度直接影响除尘效率。如果蒸发冷却器出口温度低，在捕集粗颗粒粉尘的同时容易产生湿底、挂壁现象，增大蒸发冷却器输灰系统维护量，严重时影响转炉生产，且温度太低的烟气进入静电除尘器会引起结露，结露就会引起壳体腐蚀或高压爬电。蒸发冷却器的温度控制系统不仅关系到转炉一次除尘效果同时也关系到转炉正常生产的顺利进行。目前，工业生产中普遍采用的仍然是传统的PID控制方法。但由于PID调节器增益参数是固定的,故对于诸如转炉煤气干法除尘系统这样的非线性、纯滞后复杂系统，经常会存在快速性和超调量之间的矛盾,因而使得控制系统在整个运行过程中很难达到满意的动态控制效果。为了克服超调量和快速性之间的矛盾，近年来

人们提出各种非线性PID控制策略，以提高系统的动态控制性能。本文在非线性PID控制算法的基础上，采用Smith预估器进行纯滞后补偿的方案，应用于梅山炼钢厂150吨转炉煤气回收系统中，有效地有效地提高了除尘系统中温度调节过程的动态性能指标，达到了较好的生产效果。

2 工艺原理

  实现蒸发冷却器温度控制的关键是系统喷水量的控制，喷入EC中的冷确水既要保证烟气在EC中得到足够的冷确，同时又要确保冷确水在EC中被完全的汽化，不会形成水滴与粉尘相结合附着在EC的内壁上。向EC中喷入冷确水的主要目的是冷确烟气，同时由于烟气在EC中的流速降低，造成较大颗粒的粉尘在EC下部沉淀被收集起来。当转炉吹炼开始后，在氧气阀打开的同时，打开EC的蒸汽切断阀，向EC内喷入蒸汽，当EC的入口温度大于预设定值时，EC的喷水切断阀自动打开，同时EC的出口温度控制被激活；当转炉吹炼结束后，EC的入口温度低于预设定值时，EC的出口温度控制失效，EC的冷确水切断阀自动关闭；当EC冷确水切断阀关闭后，延时一定的时间，系统自动关闭EC的蒸汽切断阀，以确保喷入EC的冷确水能被完全汽化。在转炉溅渣护炉、打炉口及出钢阶段。EC的出口温度大于200°时蒸汽切断阀自动打开；当EC的入口温度大于预设定值时，冷确水切断阀自动打开，EC出口温度控制被激活。

3 转炉干法除尘温度控制系统

目前在干法除尘系统中温度的控制过程中，普遍采用的控制方法仍是传统的PID控制方法，PID控制理论虽然成熟，易于实现，能够消除系统的静态误差，在大多数情况下能够满足系统的性能要求，实现蒸发冷却器温度控制的关键是系统喷水量的控制，针对系统工艺设备特点本系统采用串级PID 控制。串级PID 控制有主、辅两个控制回路，如图2 所示，它采用两个PID 函数块，主PID 函数块（控制温度) 及辅PID 函数块( 控制流量) 。

但PID控制性能取决于参数自整定的情况，且快速性和超调量存在矛盾，对于转炉干法除尘这样的非线性、时变、不确定性和干扰大的系统,采用PID控制不能够达到满意的动态控制效果。为改善PID控制器自适应性，本文直接利用非线性函数进行修正。基于转炉干法除尘温度调节系统的纯滞后、非线性特点，采用Smith预估器进行补偿。Smith预估器设计思想是：预先估计出控制过程的动态响应，然后由预估器进行补偿，力图使被迟延了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量，加速调节过程。图3所示为采用Smith预估补偿的非线性PID控制系统框图：

如果非线性增益函数中的各项参数选择适当的话，就能够使控制系统达到响应快、超调小的目标。另外非线性PID调节器中的增益参数能够随控制误差而变化，因而其抗干扰能力也比常规线性PID控制器强。图4为采用Smith预估补偿的非线性PID参数变化曲线。

4 工程应用

   本文采用西门子S7-300 PLC作为现场控制器，以 Wincc 组态软件开发上位机监控程序，考虑到烟气流量具有较大滞后的特点，并满足喷水阀门设备不频繁动作的要求，控制器调节周期设置为7～9秒。用Step7 中的SCL语言编程，编写一个FB1功能块和一个FC1功能，其中FB1作PID控制器，FC1计算kp ,ki和kd的值。并在线设置和修改控制器的一些参数。该控制系统需要调节的多个参数，然后下载到PLC使用。上位机可显示蒸发冷却器出口温度的变化趋势图，如图5所示，可以看出，Smith预估补偿的非线性PID控制策略对蒸发冷却器的温度具有较高的控制精度，并对干扰具有较强的抑制能力。

5 结论

本文阐述了转炉烟气生成机理和电除尘器除尘工艺特点以及影响回收效果重要参数，以转炉干法除尘温度控制系统为研究对象，提出了基于Smith预估补偿的非线性PID控制方案；并以梅山炼钢厂150吨转炉为对象，在对系统辨识模型进行仿真的基础上，将其应用于钢水冶炼生产过程中，达到了较好的动态控制目标，使电除尘器的除尘效果得到了明显的改进，产生了显著的经济和社会效益。

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