图1  工艺流程图

图2  PI调节器的阶跃响应

3.4  PI调节器的参数整定

(1)  方法概述
    当系统安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。
    参数整定的方法可归纳为两大类：理论计算整定法和工程整定法。在工程实际中流行的是后一类，它虽然是一种近似的经验方法，但相当实用。

(2)  本工程中的参数整定方法
    本工程中，参数整定方法采用工程整定法中的经验整定法。
    此方法实质上是一种经验试凑法：根据运行经验，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器的设定值扰动），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的整定参数值。一般先δ后Ti，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。表1就不同对象给出了调节器参数的经验数据。[1]
表1  经验法调节器参数经验数据

4  PID控制算法及其实际效果

4.1  概述
    为了实现套筒竖窑控制系统中的模拟量调节，共采用了10个PID控制回路，具体的PID控制算法如图3所示。

图3   PID控制框图

4.2  控制供热的PID控制算法

(1)  下燃烧器煤气流量调节器FIC410
    FIC410通过控制调节阀FV410的开度对下燃烧器煤气的流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                            (2)
式中：
0.005―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC410的设定值：
FIC410_SP=GF*PERC410                        (3)
式中：
PERC410―下燃烧器煤气流量分配百分比；
GF―每小时煤气消耗量，单位：Nm3/h。
对于GF，有以下公式：
GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）                    (4)
式中：
TPD―每日石灰产量，单位：吨/天；
HC―每公斤石灰消耗热量，单位：kcal/kg；
PCI―煤气热值，单位：kcal/Nm3。

(2)  上燃烧器煤气流量调节器FIC430
FIC430通过控制调节阀FV430的开度对上燃烧器煤气的流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                            (5)
式中：
0.005―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC430的设定值：
FIC430_SP=GF*PERC430                        (6)
式中：
PERC430―上燃烧器煤气流量分配百分比。
PERC410与PERC430相除，称为煤气分配比，取值范围由工艺给出。

(3)  下燃烧器助燃气体流量调节器FIC321
FIC321通过控制调节阀FV321的开度对下燃烧器助燃气体的流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                            (7)
式中：
0.01―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC321的设定值：
FIC321_SP=GF*FIC321_TA*FIC321_K            (8)
式中：
FIC321_TA―空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出；
FIC321_K―下燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出。

(4)  上燃烧器助燃气体流量调节器FIC322
    FIC322通过控制调节阀FV322的开度对上燃烧器助燃气体的流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                            (9)
式中：
0.005―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC322的设定值：
FIC322_SP=GF*FIC322_TA*FIC322_K           (10)
式中：
FIC322_TA―空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出。
FIC322_K―上燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出。

4.3  控制循环气体温度的PID控制算法
    (1)  下内筒冷却空气放散流量调节器FIC310
FIC310通过控制调节阀FV320的开度对下内筒冷却空气的放散流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (11)
式中：
0.001―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC310的设定值：
FIC310_SP=TPD*1*KFIC310/24                 (12)
式中：
KFIC310―修正系数，取值范围由工艺给出。

(2)  上内筒冷却空气放散流量调节器FIC350
    FIC350通过控制调节阀FV350的开度对上内筒冷却空气的放散流量进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (13)
式中：
0.001―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中，FIC350的设定值：
FIC350_SP=TPD*1*KFIC350/24                 (14)
式中：
KFIC350―修正系数，取值范围由工艺给出。

(3)  热交换器出口处的驱动空气温度调节器TIC520
    TIC520通过控制调节阀FV602（位于热交换器出口处）的开度对热交换器出口处的驱动空气温度进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (15)
式中：
0.01―PID调节器的增益系数；
10―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。

(4)  驱动风机出口压力调节器PIC510
PIC510通过控制变频器SIC502的给定，间接控制驱动风机M502的速度对驱动风机的出口压力进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (16)
式中：
0.3―PID调节器的增益系数；
0.3―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
(5)  除尘风机入口压力调节器PIC606
PIC606通过控制变频器SIC606的给定，间接控制除尘风机M606的速度对除尘风机的入口压力进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (17)
式中：
0.2―PID调节器的增益系数；
0.6―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
(6)  下燃烧室压力调节器PIC611
PIC611通过控制变频器SIC605的给定，间接控制废气风机M605的速度对下燃烧室压力进行调节，其传递函数如下：
Gc(S)=0.005(1+ )                           (18)
式中：
0.3―PID调节器的增益系数；
0.2―PID调节器的积分时间常数，单位：秒。
注：对于(3)~(6)中的设定值（TIC520_SP、PIC510_SP、PIC606_SP、PIC611_SP），均由操作人员通过CRT进行设置，取值范围由工艺给出。

4.4   PID控制算法的实际效果

(1)  控制供热PID控制算法的实际效果
    控制目标：将上、下燃烧室的温度（TT631~636、TT611~616）控制在1100℃~1300℃的范围之内。
下燃烧室的温度（TT616）曲线如图4所示.

图4  下燃烧室的温度曲线(TT616)

上燃烧室的温度（TT636）曲线如图5所示。

图5  上燃烧室的温度曲线（TT636）

(2)  控制循环气体温度的PID控制算法的实际效果
    控制目标：将循环气体的温度(TT651)控制在820℃~920℃的范围之内。
循环气体的温度(TT651)曲线如图6所示。

图6  循环气体的温度曲线(TT651)

 


5  结语

    套筒竖窑自2004年2月15日点火投产以来，产量、质量等技术指标稳步提高。目前，10个PID控制回路全部投运正常，石灰活性度稳定在350ml以上，完全满足了不锈钢对活性石灰的需求。表2是新、旧石灰窑平均活性度的对比数据。
表2  活性度对比一览表（单位：ml）

    PID在套筒竖窑中的应用已在上海宝钢集团一钢公司得到实施，实践表明：通过PID控制回路的使用，确保了关键工艺参数的控制，因而使得石灰活性度完全满足了炼钢的需要，本文所阐述的方法值得大力推广和普及，对其它相关工艺控制也具有一定的借鉴意义。