1 引言
在钢铁行业生产中，高炉、焦炉和转炉产生的煤气是重要的高热值燃料，如排放至大气，将造成严重的空气污染，若将它们收集加以充分利用，作各种工业燃气加热炉的燃料，其经济效益是相当可观的。一般处理过程是将产生的各种煤气分别收集到贮气罐（或贮气塔柜）再用管道传送到中继站经加压后供各用户使用。当从一次能源（如煤）转换成二次能源（煤气）时，由于一次能源燃质不稳，在转换过程中必然导致二次能源（煤气）燃质也不稳，即煤气燃质具有较大的不确定性。用户要求将燃质控制在允许范围内，且将燃气的压力严格稳定在指定范围，以便使用。以钢铁企业的燃气轧钢加热炉为例，它要求送入的燃气燃质和压力稳定，否则燃烧系统很难控制，直接影响轧钢生产等后续自动化生产线的产品质量。现在的煤气加压站有相当部份采用电气仪表控制系统，也有部份经过改造从现场采集数据后用PLC为主控制器对设备实施控制的，因控制比较粗造，效果并不令人满意。由于受设备限制还谈不上自动监控、自动配气和自动调度，基本上是处于仪表监视、手工操作的状态，优化配气和调度更无从谈起，其核心问题是采用变频器后，控制部份存在问题较多，本文就有关问题作些讨论。
2 对象特性分析与控制策略选取
2.1 对象特性分析
混合煤气由于来自高、焦和转炉煤气，由前述可知，燃气燃质的不确定性和不确知性是其主要特性。因此既不可能直接用传统的机理方法建立对象的数学模型，也不可能用系统辨识方法间接地导出控制的数学模型，对这种半结构化（或非结构化）的控制问题，常规控制策略显然无能为力。煤气加压站存在的问题从表面上看是压力、流量的变化，实质上涉及管网特性的变化，特性的改变要求在对加压机实施调速时必须适应其特性的变化。不确定性和不确知性表现在多个方面，如系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性;系统时滞的未知性和时变性;系统严重的非线性;系统各变量间的关联性;环境干扰的未知性等等，传统控制对具有上述特性的对象是无能为力的，必须寻求有效的控制策略。
2.2 控制策略选取
由于钢铁企业的特殊性，各分厂或车间之间在地域上的分散性突出，相距距离较远，资源配置情况差异较大，情况又相当复杂，笼统地讨论是不切实际的。文中只针对特定情况讨论，即将所收集的各种煤气分别送中继加压站加压，再根据需要进行配气、调度。由于存在不确定性和不确知性，对象特性难以用严格的定量方法进行数学描述，因而从控制角度考虑问题，感兴趣的主要目标不应是被控对象，而是控制器的本身。工程中往往采用的是在总结操作者丰富经验和操作规则的基础上，对系统动态特征信息进行识别，再作直觉推理，再在线地确定控制策略的方法，即智能控制策略。它的特点是控制规则的建立及控制决策过程不是基于被控对象单纯的数学解析模型，而是基于知识（包括定量和定性的知识），体现了人（专家、娴熟的操作者）的智能。其控制形式是多种多样的，如专家控制、仿人智能控制、模糊控制、神经网络控制、自学习控制等等，其中更贴近实际的是专家控制和仿人智能控制。
（1） 专家控制策略
实时专家控制系统，实质上是计算机智能软件系统。它模拟领域专家处理知识和解决问题，是具有获得反馈信息并能实时在线地控制的系统，对实时数据的处理与特征辨识是在线的，能够及时反映系统的动态特征。其推理方法一般采用数据驱动的前向推理，依次判别各条规则的条件，若满足则执行，执行规则必须给出控制决策，决策可以是定性和定量结合的方式。实时专家控制系统主要由知识库、数据库和推理机组成，其知识库分为静态知识库和动态知识库。静态知识库中存放系统和工况设定值等参数，动态知识库中存放各种专家规则集，规则可按不同类型划分为多个子集，子集间的关系是分级（或协调）的，为了满足时间响应要求，每个子集中的规则数不宜太多。其难点在于对不确定性和不确知性的系统建立知识库并非易事，就是建立了完善复杂的知识库，也未必满足实时要求，事实上对所研究的特定系统而言，是不可取的。
（2） 仿人智能控制
其基本思想是在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息，进行启发和直觉推理，从而实现对缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制。其物理实现方法是根据计算机控制动态系统的输入输出的信息来识别被控系统所处的状态、动态特征及行为，即利用系统误差e和e的一阶、二阶导数，便可构造控制算法，相对而言它是简捷而实用的，物理意义清晰。与其它智能控制策略（如专家控制策略、模糊控制策略、神经控制策略、自学习控制策略、多级递阶智能控制策略、多模变结构智能控制策略等）相比，其优点是显而易见的。因此，在煤气中继自动化加压站中，采用了仿人智能控制策略。
3 控制算法
基本思路是模仿过程控制系统中富有经验的操作者的普遍行为，如当系统的误差趋于增加时，发出强烈的作用（闭环控制）;当系统误差趋于减小时，则取消控制动作，等待观察等等。人对被控系统的状态、动态特征及行为了解的越多，控制的效果就会越好。如果en表示离散化的当前采样时刻误差值，en-1和en-2分别表示前一个和前二个采样时刻的误差值，则有
从误差e和误差变化Δe这两个基本的特征变化，便可从动态过程中获取更多的特征信息。
（1） e·Δe
误差e同误差变化Δe之积构成了一个新的描述系统动态过程的特征变量，利用该特征变量的取值是否大于零，就可以描述系统动态过程变化的趋势。
当e·Δe<0时，表明系统的动态过程正向着误差减小的方向变化，即误差的绝对值逐渐减小。
当e·Δe>0时，表明系统的动态过程正向着误差增大的方向变化，即误差的绝对值逐渐增大。
在控制过程中，识别e·Δe的符号，便可掌握系统动态过程的行为特征，以便更好地制定下一步控制策略。
（2） Δen·Δen-1
相邻两次误差变化之积Δen·Δen-1构成了一个表征误差出现极值状态的特征量，若Δen·Δen-1<0表征出现极值，若Δen·Δen-1>0表征无极值。
（3）
误差变化Δe与误差e之比的绝对值的大小，描述了系统动态过程中误差变化的姿态。
将与e·Δe联合使用, 可对动态过程作进一步的划分, 通过这种划分，可以捕捉到动态过程的不同姿态。
（4） Δ（Δe）
误差变化的变化率，即二次差分，描述动态过程处于趋于超调或回调段位;当Δ（Δe）>0，处于超调段:Δ（Δe）<0时，处于回调段。
总结上述特征，其基本控制算法可归纳为:
k为控制器增益的抑制（衰减）系数, 一般取o<k<1。
上述控制算法对大滞后自衡对象的定值控制是非常适宜的，为了适应流量突变或进一步提高抗干扰能力，还可加入Bang-Bang控制，使动态品质更好。
4 中继加压站控制的工程实现
在中继加压站控制的工程实现中，围绕经济技术指标要考虑的问题是比较多的，如能耗控制、设备磨损控制、安全控制、稳压调节控制、配气与自动调度等。
4.1 变频调速与控制技术的结合
加压站能源主要耗在电动机上，某站改造前靠回流阀开度调节，即当出口流量大时回流阀关闭或开度小，而出口流量小时为防止压力过高，则使阀门开度增大以减压。带动增压泵的电动机始终以额定转速全速运转，不仅浪费电能而且机器磨损大，常因回流阀不灵造成事故，稳压效果极差。改造后，把变频调速技术与控制技术相结合，用智能控制算法实施闭环控制，控制器输出直接控制变频器驱动电动机带动气泵，通过调节电动机转速来控制出口压力，稳压效果好，而且可根据工艺参数要求随时改变压力，满足用户需要，节电效果显著，延长了设备的使用寿命。当然在调速过程中，要注意用屏蔽方法过滤掉变频器使机器产生共振的频率，以免引起机器损坏。
4.2 监控系统构架
由于加压站对各种控制装置分散管理功能要求很高，一般采用DCS系统比较恰当，其电气监控系统可采用由PLC构成的下位机实现，对各设备的状态参数、控制参数及运行参数，如温度、压力、流量、电量、起/停、时钟、连续运行时间、累计运行时间等作在线记录、计算和统计, 并将上述数据存放在PLC模板的存储器内，通过PLC通讯接口送上位机作管理用。压力调节控制由上位计算机监控系统完成，其硬件可采用高可靠性的工控机，再在视窗操作系统上配以工控组态软件作开发平台开发相关的控制应用软件。由于工控组态软件有强大而丰富的软件功能，如数据处理、通讯、存储、显示等，因此诸如全站的数据功能、显示功能、设备操作功能、统计功能、设备管理功能和故障诊断功能等，均可满足管理要求。此外，采用这种构架，自动配气及自动调度也可在统一的操作界面上完成。
4.3 煤气的自动混气与调度
由于焦炉、高炉和转炉煤气不仅燃质不同，而且其燃质还是波动的，各种煤气的产量也时有变化，为了既保证不同类型用户的要求，又不致浪费，煤气资源的混合使用与合理调度是值得关注的。各种煤气间按多大比例混合才是最经济的，在什么条件下需要补充天燃气，以保证达到规定的燃质等等，情况是比较复杂的。粗略的作法可将各种煤气燃质实际测出，并在变化的范围内分档，以便混合搭配，自动配气与调度可以采用实时专家控制系统实现。实时专家控制系统主要由知识库、数据库和推理机组成，它与一般应用程序的主要区别在于:前者问题求解的知识隐含地编入程序，而后者则把应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即知识库。知识的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的，也就是说，一般应用程序把知识组织为两级:数据级和程序级。实时专家系统则将知识组织成为三级:数据级、知识库和控制级。推理方法采用数据驱动的前向推理，依次判别各条规则的条件，若满足则执行，然后继续循环，判断下去。静态知识库中存放配气系统和工况设定值等参数，动态知识库中存放各种专家规则集，因为规则不多，是可以满足时间响应要求的。实时专家控制系统规则集采用IF“条件”THEN“结论”的方式或IF（事实1）（事实2）……（事实n）THEN（事实1）（事实2）……（事实n）的方式表达。
5 结束语
将变频调速技术与自动控制技术相结合，经在某钢铁集团公司动力厂煤气混合中继加压站监控系统进行技术改造工程的实践中证实，改造后的系统不仅满足了生产需求，而且还为研究系统本身问题提供了较理想的环境。控制效果、控制品质、操作和安全性均能令人满意。因应用变频调速设备磨损减少，管道阀及其它管件受压均匀，损坏率大幅下降，机组长期在低于额定转速和额定的电流下工作，轴温大幅度下降，磨损减少，润滑油用量也随之减少，维修成本下降。项目投入资金37万元，每年节约电费25万元，维修保养费4万元，即每年节约经费共29万元，投资回收期大约1年零3个月。实践说明，选择正确的控制策略与控制算法是提升煤气加压站技术性能的关键。
参考文献
[1] 杨 志. 高能耗行业中不确定性系统的控制问题[A]. 于常友等. 自动化科学和技术[C]. 北京:电子工业出版社,2000.
[2] 李士勇. 模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业出版社，1998.
[3] 熊建平. 仿人智能伺服控制器[D]. 重庆:重庆大学,2001.
作者简介
李太福（1971-） 男 讲师/博士 主要从事机电控制工程及智能自动化方面的教学与科研。
