GSR調(diào)節(jié)閥控制方式及改進(jìn)

本文結(jié)合國(guó)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(shì)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(guó)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GSR比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
目前國(guó)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(hào)對(duì)料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有級(jí)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(duì)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?cè)诠こ虒?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(duì)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)?（°）/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(duì)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(duì)這兩個(gè)角度的控制達(dá)到對(duì)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(cè)系統(tǒng)的通信速度等預(yù)算出一個(gè)值，然后在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)角度加以校正。
δj通?？捎墒剑?）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(chǎng)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?？捎墒剑?）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?cè)谇梆伩刂频幕A(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(duì)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(huì)遇到這樣一種情況：對(duì)于某個(gè)控制對(duì)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到xi與yi的對(duì)應(yīng)關(guān)系列表函數(shù)。
對(duì)于以上問題可采用多種方法求出對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系的解，其中較為簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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?？蓪⑻娲瘮?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(duì)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(cè)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(duì)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?alpha;a替代原模型列表函數(shù)中的對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
2 基于GSR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(duì)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?qǐng)D2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(duì)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(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制效果就會(huì)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(chǎng)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(duì)階躍信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)的靈敏度約為比例閥的40倍；
（2）比例閥對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)從0～100%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(shì)。
3.2 硬件組成
我們采用高爐主控PLC對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(cè)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(hào)對(duì)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(hào)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(hào)接口，可對(duì)各種信號(hào)和控制程序進(jìn)行高速處理。系統(tǒng)對(duì)外接口采用了網(wǎng)絡(luò)方式，能夠方便、快速地將各種信號(hào)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(duì)料流GSR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(hào)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(duì)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(duì)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(zhǎng)期、可靠地工作。
3.4 控制效果
圖5是在國(guó)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(shì)，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(guó)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(duì)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。