煤气压力调节阀的稳压技术研究

    0 引言
    钢厂在生产中产生了大量的焦炉煤气和高炉煤气。为了减小环境污染，有些钢厂将焦炉煤气和高炉煤气混合，利用混合煤气作为燃气蒸汽联合循环发电的燃料。燃气轮机对混合煤气的压力控制要求比较高，目前各钢厂均通过调节阀对混合煤气的压力进行控制。选择何种控制方法对调节阀进行控制关系到调节阀的压力控制性能。PID控制的算法简单、可靠性较高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。然而实践表明，由于混合煤气的压力控制过程具有非线性和时变不确定性等，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果[1-4]。为此，本文设计出一种适用于混合煤气压力控制场合的模糊PID控制器。
    1 调节阀煤气稳压系统原理
    图1为调节阀煤气稳压系统原理图。调节阀稳压系统工作时，首先启动液压泵2，并使电磁溢流阀10的电磁铁通电，此时整个电液系统工作在调定的压力下，调节溢流阀可以改变液压系统的工作压力。PC机根据系统的设置，以模拟信号的形式输出控制信号，使伺服阀8左端电磁铁通电。液压泵打出的液压油经过伺服阀8的左位进入液压缸的左腔，推动活塞向右移动，调节阀的阀门17打开。压力传感器实时检测煤气的压力，并将压力信号输入PC机控制器中。经过与设定值进行比较处理后，控制器又将信号输出给伺服阀。伺服阀根据传来的信号符号与大小确定活塞的移动方向和位移量，调整调节阀开口的大小，直至煤气压力达到设定值。

    2 调节阀稳压系统数学模型
    经线性化处理得伺服阀的流量方程为[5-9]
     
    式中，qL为流经伺服阀的负载流量；Kq为伺服阀总的流量增益；Kc为伺服阀总的流量压力系数；xv为伺服阀的阀芯位移；pL为负载压降。
     液压缸流量连续性方程为
     
    式中，A为液压缸活塞有效面积；y为活塞的运动位移；Ctc为液压缸总的泄漏系数；Vt为液压缸两个腔室的总容积；βe为等效体积弹性模量，在计算时一般取为700MPa。
    液压缸力平衡方程为
    
    式中，m为活塞及负载折算到活塞上的总质量；BP为黏性阻尼系数；K为负载弹性刚度；FL为作用在活塞上的负载。
    调节阀阀芯力不平衡方程为
    
    式中，F为不平衡力；dg为阀芯直径；ds为阀杆直径；P1阀前压力；P2为阀后压力。
    根据伺服阀的流量方程、液压缸流量连续性方程、液压缸力平衡方程和调节阀阀芯力不平衡方程等[4-6]，经推导可得稳压系统的传递函数为
    
    稳压系统扰动通道的传递函数：
    3 模糊PID控制器设计
    图2为模糊PID控制器的结构图，利用模糊控制规则对PID参数进行修改，以误差e和误差变化率de/dt作为输入，可以满足不同时刻e和de/dt对PID参数自整定的要求[10-20]。表1为PID控制器参数的模糊规则表[16]。

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    4 仿真分析
    图3与图4分别为常规PID与模糊PID仿真模型。图5与图6分别为常规PID控制下的系统压力阶跃响应曲线和方波响应曲线。图7与图8分别为模糊PID控制下的系统压力阶跃响应曲线和方波响应曲线。

    从常规PID控制下的系统压力阶跃响应曲线可以看出，阶跃响应的上升时间为0.15s，调节时间为0.45s，超调量为10%。采用模糊PID控制后，阶跃响应的上升时间为0.12s，调节时间为0.15s，超调量约为0。与常规PID控制的压力阶跃响应相比，模糊控制的阶跃响应的上升时间减小了0.03s，调节时间减小了0.3s，超调量减小了10%。将图6与图8进行比较可知，模糊PID控制下，调节阀压力控制系统能对输入信号的变化作出快速响应，对输入信号的跟踪精度远高于常规PID的跟踪精度，有利于调节阀稳压系统对混合煤气的压力波动进行及时有效地抑制。

    5 结束语
    如何实现混合煤气的稳压控制已经成为循环发电工程的一个关键技术问题。由于混合煤气的压力控制过程具有非线性和时变不确定性等，常规PID控制器参数的整定往往达不到理想的效果，导致煤气稳压系统的性能欠佳，对运行工况的适应性比较差。针对上述问题，本文为煤气稳压系统设计出模糊PID控制器，仿真结果表明，模糊PID控制器可以显著提高稳压系统的动态控制品质，改善调节阀稳压系统对煤气压力波动的抑制能力。
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