玻璃窯爐n—開關過程的控制方法
2023-08-04 04:41:26 1
專利名稱:玻璃窯爐n—開關過程的控制方法
本發明涉及N個相同的連續動態過程的自動控制方法。
N-開關過程在工業中普遍存在，它是由開關控制N個相同的連續動態過程，N為任一正整數。如玻璃窯爐的蓄熱室為2-過程，高爐熱風爐為3-過程或4-過程，煤氣發生爐為1-過程，煤焦爐為1-過程，等等。
現有玻璃窯爐蓄熱室等N-開關過程的控制均採用對過程數學模型的靜態控制方法(如定值、定位、定時控制等)、動態補償方法、經驗公式的三種方法，或是以上三種方法的組合。這些方法在局部時間、特定運行狀態下，使性能接近最優，但不是最優的，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)系統的各參數一般是時變的，且狀態測量值有噪音幹擾，當系統響應有純滯後存在時，靜態逼近或經驗方法難於做到準確地跟蹤預測系統的狀態。
目前大多數玻璃窯爐蓄熱室的燃燒，一般為每隔15分鐘開關切換一次，或當溫度達到某一值時，開關進行切換。這種定值控制方法並不根據窯爐實際燃燒狀況，也不管開關是否應該切換，因而難免造成能耗浪費及效率降低。
極小值原理或動態規則方法已用於動態過程的最優控制。自校正控制也已廣泛用於軍事、工業中連續量的控制。經查找各國專利文獻，目前尚未見極小值原理及自校正控制方法用於N-開關過程的控制。
本發明的目的在於提出玻璃窯爐蓄熱室開關切換的新控制方法，使每一個開關切換時刻都處於最佳時刻，保證連續運行過程取得最好效益。
本發明是根據常用的輸入-輸出關係模型，建立了在固定切換程序下描述時間-輸出關係的改寫模型。在硬體配置上，將存貯元件按照新的方式，組成二個寄存區隊列，每對列有N個區。將N個子過程的輸入輸出值
ur(k)，
xr(k)，
ur(k-1)，
xr(k-1)等，(其中r＝1，2…N)放在第一個寄存區隊列中，稱為物理數據區，每個單元存放一個物理子過程的輸入輸出值，其輸入值隨切換而周期性改變。改寫模型把N個子過程重新排列，稱為N個邏輯子過程，其輸出數據依此排列放在第二個寄存區隊列中，該隊列稱為邏輯數據區，其特點為每個寄存區代表一個邏輯子過程，對應著一個固定的輸入狀態，分別稱為第1過程，第2過程…第N過程。
邏輯數據區的數據來源是物理數據區，因此，必須解決兩區之間寄存區的對應問題。在每次切換之後，邏輯數據區與物理數據區的對應關係改變，見圖3.(15)、(16)…(17)、(18)為物理數據區隊列，(19)，(20)…(21)，(22)為邏輯數據區隊列，它對應於第一子過程，第二子過程，…第N-1子過程，第N子過程。對應關係重建時，各寄存區的地址以及作用均不改變，要變的只是其數據傳送的對應關係。相當於兩個隊列相對移動一步。重建之後，物理寄存區(15)原對應邏輯寄存區(19)即第一過程，現對應為第N過程(22)，其餘對應關係變為(16)對應(19)，(18)對應(21)。此外，切換時的邏輯數據區內數值，代表著切換前對應的物理數據區傳過來的數據的終值，邏輯數據區內存放的數值應朝隊列方向循環移動一步，即數據沿下列方向移動由邏輯數據區(19)移到(22)，而(22)移到(21)依此類推。改寫模型用到的這兩個寄存區隊列的配置方法及相對應關係的循環移位方法，是本發明的新的排列方法。與通常移位寄存器的不同在於它放置數據集合構成的隊列，而不是數位隊列，它的移位不是指地址及作用的改變，而僅僅是對數據傳送的對應關係的改變。
玻璃窯爐蓄熱室的N-開關的改寫模型
或簡寫為X(i.j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
該改寫模型明確表示出了N-開關的循環作用，並且其中真正的控制量是作用區間的長度j＊即切換時刻。u在這裡是一組常數。這樣就將極小值原理應用於本控制方法之中。它使窯爐開關的切換時間為最佳時刻，熱效率等指定的性能指標比其它控制方法都好。
在改寫模型中，窯爐開關切換之間的時間間隔稱為作用區間，而i則表示第i個作用區間。j表示採樣周期數。X(i.j)表示在時間(i，j)N個過程的輸出值。
用窯爐中配置的熱電偶測出蓄熱室平均溫度
x(k)(單位為攝氏度)，每採樣周期進入蓄熱室的高溫廢氣或大氣所帶入的熱量
u(k)分別為兩個常數，(單位是兆卡/周期)。根據物理數據區當前各過程的輸入輸出，運用遞推最小二乘法求得參數
。據
x(k)、ū(k)及
作L步預測，將結果存放在邏輯數據區，即為X(i，j)。這就是本發明應用自校正方法，克服了純滯後時間，以及由於進氣風量、溫度的經常漂移所造成的開關切換時間不正確、熱效率性能低等缺點。
圖1為玻璃窯爐蓄熱室控制示意圖。
圖2為窯爐蓄熱室N-開關過程最優控制方框圖。
圖3為兩個寄存區隊列配置示意圖。
圖4為控制系統功能框圖。
參照圖1，玻璃窯爐(1)有兩個蓄熱室(2)、(3)，換向閥(4)、燃料閥(5)、(6)控制熱交換過程的切換。自然風通過換向閥(4)進入蓄熱室(2)冷風被加熱，燃油閥(5)接通燃油，在爐(1)內燃燒，同時室(2)內平均溫度一直下降，而窯內高溫廢氣經蓄熱室(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。(經過一定時間，閥(4)切換後，室(2)與室(3)作用反了過來)。此玻璃窯爐為2-開關過程控制，換向閥(4)輪流切換風道，閥(5)、(6)輪流接通燃油閥。當大氣進入室(3)時，閥(6)接通，閥(5)關閉。然後再反之，完成左右蓄熱室的輪流交換。
用一臺八位微型計算機即可勝任，視生產規模及複雜程度，全部自校正一般用內存為2-4KB。該計算機必須具備下列配置1.中央處理器，具有浮點算術運算，邏輯運算，數據傳遞、中斷響應，控制各接口的輸入輸出功能。
2.2N個模擬量輸入通道3.一個計算機內部的實時時鐘，它隔一定時間向中央處理器發出一次時鐘中斷，作為採樣周期。
4.N個開關量輸出通道，具有驅動執行機構的能力。
5.2-4K字節的內存容量，用於存放控制程序和內部數據。整個系統的配置如圖4所示。
具體步驟如下(1)先測出純滯後時間，對於玻璃窯爐通常為30秒～12分鐘，據輸入-輸出模型的結構求出表達式
x(k)＝-aX(k-1)+bū(k-L-1)+(K)，係數a、b不必精確。求出單位零輸入響應函數φ(t)及決策目標函數J，由此推出決策函數R。
(2)根據過程平均時間常數的 1/100 ～ 1/10 以及純滯後的時間，確定採樣(8)的採樣周期ts(秒)，應使純滯後為ts的整倍數。按ts設定計算機內部的時鐘。隔一定時間向中央處理器發出一次時鐘中斷，作為採樣周期及工作循環的周期。
將窯爐蓄熱室收受廢氣中熱量的過程為第一過程，而吹入大氣放熱降溫的過程為第二過程。圖3為兩個寄存區隊列配置的示意圖。
存貯元件用新的配置方法構成兩個寄存區隊列，分別存放N個邏輯子過程的完整數據，包括多步預測得到的數據Xr(i，j)、△Xr(i，j)。開關每次切換時，兩個寄存區隊列的對應關係循環移動一次。
控制執行的過程如下控制系統啟動以後，把系統過程參數如a、b等賦予初值，隨即開始接受時鐘控制。按照採樣周期ts，對N個過程的輸入、輸出狀態值進行採樣，對於玻璃窯爐N為2。共有2N個模擬量經圖4中模擬量輸入通道(23)進入控制系統。經校正，模/數轉換變成數位訊號
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，存入物理數據區(15)、(16)、(17)、(18)。每個周期只需進行一次採樣。
系統辨識(9)通過常用的最小二乘或其它遞推方法，求出一個採樣周期的模型參數a、b。由於N個子過程的模型相同，因此只需算出一個子過程的模型參數，即可作為各個子過程所用的模型參數了。
再據模型參數
算出函數φ(j)，這裡
。將φ(j)暫予寄存，每當切換時才送至決策器(11)，用於計算決策函數R。
L步預測(10)根據每個採樣周期所得到的模型參數及實測值u(k)、x(k)，按多步預測，求出N個子過程L步以後的預測輸出值X(i，j)，分別對應相應的邏輯數據區中的原有值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)存入該區中。由於本法的L步預測給出了L步之後系統輸出預測值，有效地克服了採用常規方法的純滯後的弊病。
決策器(11)根據預測(10)所得到數據X(i，j)、△X(X，j)，該組數據存放於邏輯數據區中。求取R值(本例中R= (x1(i,j)-x2(i,j)-co)/(j)
)剛剛切換時R＜0，當R值由負轉正，即R≥0時，則給出切換命令。這種決策控制的方法是根據實時得到的數學模型，用最優控制的方法得出的，因此比常規靜態方法及種種近似的動態補償方法及經驗公式方法更利於取得最高的技術經濟效益。
開關量輸出通道(12)接受決策器(11)送來的切換指令後，立即在其輸出口給出驅動值。由於玻璃窯爐的換向閥(4)、閥(5)、閥(6)等切換裝置已裝有執行機構(如電磁閥、空氣開關等等)，接受了驅動信號後，立即按照生產次序進行切換。
機內切換器(13)在決策器(11)給出切換命令時，執行內部的切換操作，包括i，j的計數，使i＝i+1，j＝0。並使物理數據區與邏輯數據區的對應關係重建。相當於兩個隊列相對移動一步，即物理數據區(15)對應的邏輯數據區由原來的(19)改為對應數據區(22)，依次類推(18)對應(21)。此外，邏輯數據區內存放的數據應朝隊列方向循環移動一步，即邏輯數據區(19)移到(22)，而數據區(22)移到數據區(21)。其它依次類推。
非切換操作(14)的作用是若R小於零，則給出不切換的信號指令，則繼續下一採樣周期操作，並且j＝j+1。
本控制方法使得在相同的輸入條件下，開關切換不頻繁，而且蓄熱室第一過程的切換值趨於最高，第二過程切換值趨於最低，這樣，排入大氣的廢氣溫度低，而送入窯爐的予熱風的溫度高，從而提高了整個窯爐的熱效率。
該控制方法與同樣過程中採用常規的方法相比較，其性能指標達到最佳，因此可直接節省能量、原料消耗，提高了過程的生產率。
本控制方法可以直接用於玻璃窯爐、煤炭焦化爐，煉鐵高爐的熱風爐、水煤氣發生爐。也可以於開關控制的其他動態過程，如化工生產、泵站、冷庫等設備。
權利要求
1.玻璃窯爐蓄熱室N-開關過程的控制方法，由程序設計、驅動機構和開關執行機構三部分組成，其特徵是在硬體配置上，存貯元件按新的改寫模型組成兩個寄存區隊列，每個隊列有N個區，將窯爐蓄熱室平均溫度X(K)，每採樣周期進入蓄熱室的高溫廢氣或大氣所帶入的熱量，即蓄熱室的進氣溫度u(K)放入物理數據區，改寫模型把N個子過程重新排列，其輸出數據依次放在邏輯數據區中，開關每次切換之後，邏輯數據區與物理數據區的對應關係改變，對應關係重建時，各寄存區的地址及作用均不改變，改變的只是其數據傳送的對應關係，相當於兩個隊列相對移動一步。
2.根據權利要求
1所述的控制方法，其特徵在於改寫模型是根據時間-輸出關係寫出，是據N個邏輯子過程建立的，
或簡寫為X(i，j)＝Φ(j)X(i-1)+Γ(j)u
專利摘要
玻璃窯爐N—開關過程的控制方法提出了新的改寫模型代替常用的輸入輸出關係模型，採用物理數據區和邏輯數據區兩個寄存區隊列的配置方式，運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刻進行切換，克服了常用方法中切換時刻不正確的弊病，且不受純滯後及因進氣風量、溫度等漂移的影響。本發明還廣泛用於煤焦爐、煉鐵熱風爐、水煤氣發生爐、泵站、冷庫及開關控制的化工等設備。
文檔編號C03B5/00GK87102502SQ87102502
公開日1988年3月30日 申請日期1987年3月31日
發明者吳士淵 申請人:常州工業技術學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan