基于高炉系统的PID控制器研究
焦灵侠
（西安工业大学北方信息工程学院，陕西，710032）
摘要：高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置(TRT)，是利用高炉煤气的特性来实现二次能源再生的一种新型装置.本课题通过建立高炉TRT控制系统的动态数学模型，设计了基于模型的模糊PID控制器，并对其进行仿真验证。利用了基于VHDL程序实现了该模糊PID控制器的设计。实验结果表明，该方法可使系统控制效果得到明显改善。
关键词：高炉；模糊控制;PID;VHDL
中图分类号：TN273 文献标识码：A
The Rearch of Blast PID Controller System
Jiao Lingxia
（ Xi'An Technological University North Institute of Information Engineering，Shaanxi，710032）
Abstract：Blast Furnace Top Gas Pressure Recovery Turbine Unit(TRT)，as an efficient condary energy recovery unit,feature can be ud to achieve the cond blast furnace gas renewable energy.This topic TRT blast furnace control system through the establishment of a mathematical model.Fuzzy PID controller is designed bad on the model,and carried out simulation.Design on VHDL program implements the fuzzy PID controller.Experimental results show that this method allows the system to control the effect has been significantly improved.
Keywords：blast;fuzzy control;PID;VHDL
在高炉TRT控制系统的各个参数中，炉顶的压力是十分关键
的影响因素。高炉系统要求高炉炉顶的压力必须非常稳定，如果
高炉炉顶的压力不稳定，就会影响炉况顺行，使炉况失常，甚至造
成崩料、悬料等不良情况。均压过程、布料过程、热风炉换炉、鼓风
机风量、TRT系统状态、高炉生产工况等都对高炉TRT炉顶压力
有很大的影响，因此稳定控制高炉炉顶压力具有一定的难度。本万达广场美食
课题设计的模糊PID控制器，既具有PID控制精度高的特点，又
具有模糊控制灵活、适应性强的优点，对各种复杂的数学模型难
以建立的控制对象、各种控制性能指标均可以取得较好的控制效黄少萍
果。因此本项目采用模糊PID控制算法对高炉炉顶压力和TRT控
制系统进行控制。
1 高炉TRT炉顶压力控制系统的优化及特点
高炉TRT炉顶压力的优化控制，一般遵循以下原则：
(1) 所有控制参数实现实时可调，并且保证数据下发的实时
性，易于日常维护和参数调试。
(2) 原有的控制方式与改进的控制方式能够进行实时无扰
动切换，若出现异常情况，能及时切换到原有的控制方式，保证整
个系统的可靠性和安全性。
(3) 不改变系统原有的主要控制结构，采用TRT可调静叶调
节TRT前压和环缝调节高炉炉顶压力。
(4) 人机接口界面友好，易于操作。
优化之后的炉顶压力控制系统应具备以下特点：
鲁山揽锅菜(1) 在上位机组态监控画面，实现所有相关参数的在线整
定。
(2) 通过切换按钮，保证新旧控制方式的无扰动切换。
(3)完成模糊PID控制器模块的设计，实现模糊PID控制算
法。
当高炉TRT控制系统正常运行时，优化控制的条件满足时，
TRT前压和高炉炉顶压力将切换到新的控制方式，优化控制条件
有：
(1)将PID控制方式设定为自动方式，外部设定其设定值。
(2)TRT完成并网。
(3)切换按钮打到新的控制方式。
基金项目：西安工业大学北方信息工程学院院长科研基金项目，编号YZ1203。
DOI:10.ki.1000-8519.2015.05.050
(4)高炉炉顶压力达到130 kPa ；
在选择新控制方式后，根据压力偏差的大小，控制过程分为两部分，即PID 控制和模糊PID 控制。当压力偏差在自动切换设定值的限定范围之内时，将采用PID 控制方式，保证压力控制的稳态性能；当压力偏差在设定值的限定范围之外时，将采用模糊PID 控制方式，保证压力控制的动态性能。
2 高炉TRT 数学模型的建立
忽略系统中的阀门对高炉顶压的影响作用。将高炉简化为反应容器、压力容器串联的模型，管路简化
为压力容器与上游阻尼和下游阻尼的串联模型，透平机简化为一个线性调节阀，系统简化之后最终得到的高炉TRT 系统正常工况下的简化模型如图1所示。其中G 代表的是高炉炉顶煤气的质量流量，P 代表的是高炉炉顶煤气的压力值。
在炉顶顶压控制系统结构和高炉顶压模型己知的基础上，通过对炉顶顶压控制系统进行闭环可辨识性分析，得到高炉顶压控制系统正常工况下的辨识对象。即高炉炉顶压力P 与上料扰动D 及透平膨胀机可调静叶开度U 的输入输出关系表达式为：
(1)最终辨识且采用双线性变换，高炉顶压正常工况下的数学模型表达式为
：
(2)
假设模型不存在误差，则有
：
(3) (4)
—干扰通道的传递函数；
—反馈通道上控制器的传递函数；—前向通道上被控对象的传递函数
高炉TRT 控制系统的动态模型建立，为高炉炉顶压力控制算法的研究奠定了理论基础。
3 模糊控制器的设计
模糊PID 控制系统结构如图2所示。
根据模糊控制理论的设计原理，设计了基于对象数学模型基础上的一个二维模糊控制器。
朴籽树（1）确定模糊控制器的两个输入变量和一个输出变量两个输入变量分别是炉顶压力偏差e 和偏差变化率ec ；输出变量为叠加在PID 输出的增量△
u。
图1 TRT 装置简化模型
Fig.1 TRT device simplified model
图2 模糊PID 控制系统结构图
Fig.2 Fuzzy PID controller structure
（2）输入变量和输出变量隶属度函数的设计
偏差e的论域设为e＝［－6,6］，偏差变化率ec的论域设
送教上门工作实施方案为e＝［－6,6］，输出u的论域设为u＝［－1,1］，，一般情况下，
语言变量取的越多，对系统描述就越准确，每个变量用7个语言
变量{NB NM NS ZO PS PM PB}来描述，均采用三角型、全交迭、
均匀分布的隶属度函数。
（3）模糊推理方法
采用Mamdani最小运算规则。
（4）模糊控制规则
根据输入变量/输出变量论域上的模糊语言变量划分为7
个语言变量，分别为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，由此设计的
模糊控制规则有49条，如表1所示：
（5）解模糊
根据模糊控制器结构中已经设计好了的输入变量、输出变
量、隶属度函数、模糊推理方法和模糊控制规则进行模糊推理，模
糊控制器输出的是一个模糊量，不能直接作用于控制系统之上，
要通过反模糊的方法将模糊量转换为精确量。模糊PID控制器采
用重心法来实现解模糊。
图3模糊PID控制算法仿真模型
Fig. 3Fuzzy PID simulation model
表1 模糊控制规则表
模糊控制器设计解模糊时，要将要根据实际情况合理地选择其输入变量的量化因子Ke、Kec 和输出控制量的比例因子Ku，量化因子和比例因子对模糊控制器的控制性能影响很大，在调试的过程中要不断调整参数值使系统达到理想稳定状态。
4 高炉TRT 系统的仿真
在MATLAB-Simulink 环境中建立的模糊PID 控制系统仿真模型如图3所示。
高炉顶压设定值为100.2 Kpa，选择了其中2个上料周期内的炉顶压力的变化值进行了仿真。在仿真模型中，分别在100～150s 和400～450s 之间加入了单位阶跃响应干扰源，并通过干扰传递函数加入到了炉顶压力控制系统中。为了对比仿真效果，特与传统的PID 控制算法进行了仿真对比，仿真结果如图4所示。
通过对模糊PID 控制与传统经典PID 控制效果的对比分析，可以看出模糊PID 控制算法比传统经典PID 控制算法的响应速度更快，超调量更小，过渡过程时间更短，抗干扰性能更强等优点，对高炉顶压控制系统具有更好的控制效果。
5 基于FPGA 的模糊PID 控制模块软件设计
二维模糊控制算法子模块和PID 运算子模块该模块具体的控制算法流程如图5所示：
最终生成的模糊自适应PID 控制算法IP 核如图6所示
：
图6 模糊PID 控制模块IP 软核
Fig.6 fuzzy PID control module IP soft core
图4 模糊PID 与经典PID 控制算法仿真对比
Fig. 4 Fuzzy PID simulation comparison with the traditional PID control system
图5 模糊PID 控制算法流程图
Fig. 5 fuzzy PID control algorithm flow chart
6 系统功能仿真
利用Quartus II软件中的仿真工具，对核心的模糊PID控
制模块的输入和输出进行了时序仿真分析。功能仿真时序如图7
所示。
pidsum,pidsum1,pidsum2,pidsum3,pidu2的值如图所
示。根据PID的算法有pidsum= pidsum1*pide0+pidsum2*
pide1+pidsum3, adoutdata= pidu2+ pidsum0100，0311，
06b5,057a,01ff等等。
时序仿真结果表明，分析结果与模糊PID模块功能仿真结果
吻合，证明了该方法的可行性。
关于规范7 结束语
本文基于高炉炉顶压力控制系统工艺和扰动性分析，进行
了炉顶压力模糊PID控制算法的研究，设计了基于动态数学模型
基础上的模糊PID控制器，并进行了软件仿真，达到了项目预定
的控制目标。模糊PID控制器具有灵活易操作的在线参数调试功
能，随着优化软件运行时间的增加，在不同工况下可对控制器参
数作进一步优化，进而改进控制器的控制性能，具有广泛的应用
和推广价值。
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作者简介
焦灵侠（1983—），女，陕西省西安市人，硕士，讲师，研究方
向：控制理论与控制工程
图7 功能仿真图3
Fig.7 Function simulation is shown in figure 3
