Smith預估補償在轉爐干法除塵系統中的應用

郭海濱

（寶鋼集團梅山鋼鐵公司煉鋼廠，江蘇南京）

摘  要：在干法除塵系統中，分析轉爐煙氣生成機理和干法除塵系統除塵工藝特點，以及影響除塵效果重要參數的基礎上，針對干法除塵系統溫度控制系統對象具有非線性、純滯后、不確定、干擾大的特點，本文提出了基于Smith預估補償的非線性PID控制策略，應用此控制算法對實際轉爐對象的辨識模型進行仿真分析，并投入應用，結果表明此控制策略能夠明顯地改善控制系統的動態品質和抗干擾性能，達到了較好的生產應用效果。

關鍵詞：Smith 預估器；非線性PID；干法除塵；溫度控制

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

轉爐煉鋼過程中產生的高溫煙氣，煙溫高達1450 ～ 1600℃，嚴重影響了干法除塵系統的除塵效率，以及煤氣的回收，如果蒸發冷卻器出口溫度太高，煙氣不允許進入靜電除塵器，因為煙氣溫度高，粉塵比電阻升高，所以不利于除塵，煙氣溫度直接影響除塵效率。如果蒸發冷卻器出口溫度低，在捕集粗顆粒粉塵的同時容易產生濕底、掛壁現象，增大蒸發冷卻器輸灰系統維護量，嚴重時影響轉爐生產，且溫度太低的煙氣進入靜電除塵器會引起結露，結露就會引起殼體腐蝕或高壓爬電。蒸發冷卻器的溫度控制系統不僅關系到轉爐一次除塵效果同時也關系到轉爐正常生產的順利進行。目前，工業生產中普遍采用的仍然是傳統的PID控制方法。但由于PID調節器增益參數是固定的,故對于諸如轉爐煤氣干法除塵系統這樣的非線性、純滯后復雜系統，經常會存在快速性和超調量之間的矛盾,因而使得控制系統在整個運行過程中很難達到滿意的動態控制效果。為了克服超調量和快速性之間的矛盾，近年來

人們提出各種非線性PID控制策略，以提高系統的動態控制性能。本文在非線性PID控制算法的基礎上，采用Smith預估器進行純滯后補償的方案，應用于梅山煉鋼廠150噸轉爐煤氣回收系統中，有效地有效地提高了除塵系統中溫度調節過程的動態性能指標，達到了較好的生產效果。

2 工藝原理

  實現蒸發冷卻器溫度控制的關鍵是系統噴水量的控制，噴入EC中的冷確水既要保證煙氣在EC中得到足夠的冷確，同時又要確保冷確水在EC中被完全的汽化，不會形成水滴與粉塵相結合附著在EC的內壁上。向EC中噴入冷確水的主要目的是冷確煙氣，同時由于煙氣在EC中的流速降低，造成較大顆粒的粉塵在EC下部沉淀被收集起來。當轉爐吹煉開始后，在氧氣閥打開的同時，打開EC的蒸汽切斷閥，向EC內噴入蒸汽，當EC的入口溫度大于預設定值時，EC的噴水切斷閥自動打開，同時EC的出口溫度控制被激活；當轉爐吹煉結束后，EC的入口溫度低于預設定值時，EC的出口溫度控制失效，EC的冷確水切斷閥自動關閉；當EC冷確水切斷閥關閉后，延時一定的時間，系統自動關閉EC的蒸汽切斷閥，以確保噴入EC的冷確水能被完全汽化。在轉爐濺渣護爐、打爐口及出鋼階段。EC的出口溫度大于200°時蒸汽切斷閥自動打開；當EC的入口溫度大于預設定值時，冷確水切斷閥自動打開，EC出口溫度控制被激活。

3 轉爐干法除塵溫度控制系統

目前在干法除塵系統中溫度的控制過程中，普遍采用的控制方法仍是傳統的PID控制方法，PID控制理論雖然成熟，易于實現，能夠消除系統的靜態誤差，在大多數情況下能夠滿足系統的性能要求，實現蒸發冷卻器溫度控制的關鍵是系統噴水量的控制，針對系統工藝設備特點本系統采用串級PID 控制。串級PID 控制有主、輔兩個控制回路，如圖2 所示，它采用兩個PID 函數塊，主PID 函數塊（控制溫度) 及輔PID 函數塊( 控制流量) 。

但PID控制性能取決于參數自整定的情況，且快速性和超調量存在矛盾，對于轉爐干法除塵這樣的非線性、時變、不確定性和干擾大的系統,采用PID控制不能夠達到滿意的動態控制效果。為改善PID控制器自適應性，本文直接利用非線性函數進行修正。基于轉爐干法除塵溫度調節系統的純滯后、非線性特點，采用Smith預估器進行補償。Smith預估器設計思想是：預先估計出控制過程的動態響應，然后由預估器進行補償，力圖使被遲延了的被調量超前反映到調節器，使調節器提前動作，從而減小超調量，加速調節過程。圖3所示為采用Smith預估補償的非線性PID控制系統框圖：

如果非線性增益函數中的各項參數選擇適當的話，就能夠使控制系統達到響應快、超調小的目標。另外非線性PID調節器中的增益參數能夠隨控制誤差而變化，因而其抗干擾能力也比常規線性PID控制器強。圖4為采用Smith預估補償的非線性PID參數變化曲線。

4 工程應用

   本文采用西門子S7-300 PLC作為現場控制器，以 Wincc 組態軟件開發上位機監控程序，考慮到煙氣流量具有較大滯后的特點，并滿足噴水閥門設備不頻繁動作的要求，控制器調節周期設置為7～9秒。用Step7 中的SCL語言編程，編寫一個FB1功能塊和一個FC1功能，其中FB1作PID控制器，FC1計算kp ,ki和kd的值。并在線設置和修改控制器的一些參數。該控制系統需要調節的多個參數，然后下載到PLC使用。上位機可顯示蒸發冷卻器出口溫度的變化趨勢圖，如圖5所示，可以看出，Smith預估補償的非線性PID控制策略對蒸發冷卻器的溫度具有較高的控制精度，并對干擾具有較強的抑制能力。

5 結論

本文闡述了轉爐煙氣生成機理和電除塵器除塵工藝特點以及影響回收效果重要參數，以轉爐干法除塵溫度控制系統為研究對象，提出了基于Smith預估補償的非線性PID控制方案；并以梅山煉鋼廠150噸轉爐為對象，在對系統辨識模型進行仿真的基礎上，將其應用于鋼水冶煉生產過程中，達到了較好的動態控制目標，使電除塵器的除塵效果得到了明顯的改進，產生了顯著的經濟和社會效益。

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