方林 张寿明

摘 要：鼓风机是高炉冶炼的核心动力设备，喘振是鼓风机固有的机械特性，一旦鼓风机出现喘振，将会给鼓风机和冶炼高炉带来严重危害。传统鼓风机防喘控制系统采用单一PID控制，系统稳定性差，对喘振的调节时间长，导致鼓风机喘振几率较高。将专家系统与PID相结合，可克服单一PID控制的缺点，通过专家系统对管网压力与气体出口流量数据进行分析，从而实现鼓风机防喘振线的动态化，提高鼓风机防喘控制系统对复杂工业环境的适应能力与工作效率，降低鼓风机喘振几率。

关键词：鼓风机；喘振；防喘控制；专家系统；防喘振线

DOI：10.11907/rjdk.172634

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）004-0141-03

Abstract：The blower is the main power equipment for blast furnace smelting， and the surge is the inherent mechanical characteristic of the blower.Once the blower appears surging， it will cause serious harm to the blower and smelting blast furnace. The traditional blower anti-surge control system adopts a single PID control， but the pure PID anti surge control system has poor stability， and has a long time for surge regulation， which leads to a higher probability of blower surge. The combination of expert system and PID overcomes the shortcoming of single PID control. The data of pipe network pressure and gas outlet flow are analyzed by expert system so as to realize the dynamic blower surge line， improve the adaptability to the complex industrial environment and efficiency of the blower anti-surge control system and reduce the chance of blower surging.

Key Words：blower； surge； anti-surge control；expert system； anti surge line

0 引言

鼓風机是我国金属冶炼中的核心动力设备，鼓风机的稳定运行，可保障金属冶炼的顺利进行。喘振是鼓风机固有的机械特性，如果鼓风机出现喘振时无法快速得到消除，将使鼓风机机组产生周期性振动，高炉内的高温气体回流到鼓风机，从而对机组精密部件以及机组密封性造成严重破坏，甚至导致鼓风机轴瓦断裂。因此，在鼓风机喘振控制过程中，应采取先进、科学的控制方法，达到对喘振的有效预测及控制[1]。

目前，在工业自动化领域，鼓风机防喘控制仍然采用PID算法控制，主要由于单一的PID控制具有结构简单、稳定性好、易于实现的优点[2]，但单纯基于PID算法的鼓风机防喘控制系统很难达到工业自动化对其动态性能及抗外界干扰能力的要求。

随着科技的不断发展，为提高工业控制系统的综合性能，智能控制逐渐进入工业领域。专家系统为智能控制的一个分支，其具有类似专家的知识与思维方式，且具有调节速度快、鲁棒性强的优点。将专家系统与PID算法相结合，可克服单一PID的缺点，从而对鼓风机的防喘控制系统进行优化，使在无人干预的情况下保证鼓风机稳定运行，达到防喘控制的预期效果[3]。

1 鼓风机防喘功能实现

1.1 鼓风机喘振分析

鼓风机对吸入的空气做功后，再通过排气管网输出到高炉内[4]。在鼓风机运转正常的情况下，鼓风机的防喘振阀处于关闭状态。一旦鼓风机出现喘振，鼓风机对气体做功则出现紊乱，使鼓风机叶栅处产生涡流，导致气体管网压力增大，气体出口流量与排气压力急剧下降，甚至出现管网内气体回流的现象。此时，鼓风机防喘振阀打开，鼓风机转速缓慢下降[5]。

1.2 鼓风机防喘控制与喘振预测原理分析

鼓风机喘振主要表现为管网压力过大，排气压力与气体出口流量减小。采用专家系统与PID算法对鼓风机管网压力、排气压力与气体出口流量数据进行采集与分析，可将鼓风机控制在安全的工作区域内，以达到喘振控制与喘振预测的目的[6]，如图1所示。随着机械设备的老化，鼓风机的防喘振线也不断变化，如图2所示。通过专家系统对鼓风机喘振数据的分析，使防喘振线随着设备老化程度而变化，从而达到对鼓风机喘振的精确控制[7]。

2 鼓风机防喘控制系统设计

2.1 PID控制原理

PID算法是工业现场最常用与最经典的算法之一。PID算法是将设定值R（t）与输出值u（t）的差值即稳态误差e（t）=R（t）-y（t）作为PID控制系统的输入值，通过u（t）=Kp+1Ti∫e（t）dt+Tdde（t）dt计算出的结果作为控制信号输出值。在控制系统中，只要调节比例系数（Kp）、积分时间常数（Ti）、微分时间常数（Td），即可实现PID算法控制[7]。

2.2 专家系统原理

专家系统又称为专家智能控制，是指将控制领域专家的知识、技术、经验与计算机程序相结合，使控制系统在未知或无人干预的情况下，用专家的思维和知识解决遇到的技术问题[8]。专家系统的主体框架由知识库与推理机构成，通过对控制领域知识（先进经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按其控制策略，及时选用恰当的规则进行推理输出[9]，从而实现对实际对象的控制。而人机接口可方便实现鼓风机控制算法知识库的补充、问题反馈及算法移植等[10]。专家系统结构如图3所示。

2.3 专家PID设计原理

专家PID算法是在PID控制器基础上加入专家系统，通过专家系统的推理输出结果，从而控制PID的比例系数（Kp）、积分时间常数（Ti）、微分时间常数（Td）3个参数，实现对鼓风机喘振的控制。专家PID控制器结构框架如图4所示。

专家PID控制器的构成包括以下部分：

（1）控制规则：通过对采集的管网压力、气体出口流量、排气压力数据进行分析、处理，判断鼓风机此刻的运行状态，从而调节PID算法的比例、微分、积分参数值。

（2）数据采集：专家系统将采集的管网压力及气体出口流量储存到知识库中，并对数据进行分析、判断，以实现控制系统防喘振线的动态化，从而达到预测喘振的目的。

（3）参数组：在一定的喘振线下，参数组1应用于鼓风机输入值处于防喘振线5%～8%的安全裕度情况下，参数组2应用于鼓风机输入值接近或处于防喘振线的情况下，参数组3应用于鼓风机输入值处于喘振报警线的情况下，参数组4应用于鼓风机处于喘振的情况下。一旦参数组3与参数组4被启用时，即使鼓风机没有喘振，控制系统也会发出报警信号，从而达到预测喘振的目的。

（4）PID控制器：根据不同参数组的选择，直接对鼓风机防喘振阀进行控制。

设鼓风机输入信号值为Input（x），其中x为管网压力值或鼓风机气体口流量，Output为控制系统输出量，t为鼓风机数据采集的采样时间，r（t）为专家PID控制系统中输出值与输入值的静态差值，第k次与第k-1次的静态误差值分别为 r（k）、r（k-1）；N1、N2、N3、N4为常量（N1< N2P2>P3>P4），T1、T2、T3、T4（T1

当r（t）≤N1时，此时静态误差较小，鼓风机在防喘振线的5%～8%安全裕度下运行，处于安全运行状态。为了保证控制系统的稳定性，应适当增加PID的比例系数与积分系数，适当选取微分系数，所以专家系统应选择参数组1。

当N1

当N2

当N3≤r（t）时，此时静态误差最大的鼓风机出现喘振，防喘振阀全部打开，应适当减小参数组4的比例系数与微分系数，增加积分时间，从而实现控制系统的最优化。

3 鼓风机防喘控制性能分析

通过分别对单一PID控制下与专家系统PID控制下鼓风机的气体出口流量、排气压力及喘振线数据进行采集、分析，得出鼓风机防喘控制系统在单一PID 算法与专家系统PID算法控制下的气体出口流量、排气压力、防喘振線一小时内的变化值，如图5～图7所示。由图可见，在一定时间内，鼓风机出口流量与排气压力在单一PID控制下的变化幅度较大，而在专家系统PID控制下的变化趋于稳定；同时，单一PID控制下的鼓风机防喘振线较为稳定，而在专家PID算法控制下的鼓风机防喘振线随鼓风机的机械特性处于不断变化的状态。

对采用单一PID防喘控制系统的鼓风机特性进行分析，发现在同样时间内，该系统鼓风机的气体出口量与排气压力波动性较大，而且某一时刻内，鼓风机气体出口流量与排气压力有突然减少的趋势，此时鼓风机有出现喘振的危险。而且无论鼓风机本身特性如何变化，防喘振线均是恒定值，不会随着鼓风机的机械特性变化而变化，可见鼓风机采用单一PID防喘控制系统稳定性差，对喘振的调节时间长，导致鼓风机喘振几率较高。

对于采用专家PID防喘控制系统的鼓风机特性进行分析，发现该系统的气体出口流量与排气压力比较稳定，对控制系统的调节相对较快，对复杂工业现场的适应能力较强，并且防喘控制系统稳定性较好，明显降低了鼓风机的喘振几率，提高了高炉冶炼安全性能。同时，控制系统的防喘振线可随着鼓风机机械特性的变化而变化，从而提高了鼓风机的工作效率，有效防止了喘振发生。因此，在实际工业现场，采用专家PID算法的鼓风机防喘控制系统比单一PID算法防喘控制系统的稳定性更强，更容易适应鼓风机所在的复杂工业控制环境。

4 结语

本文提出的鼓风机防喘控制系统将广泛应用的PID算法与专家系统相结合，弥补了单一PID算法稳定性差、超调时间长的缺陷。专家系统通过对采集的数据进行分析，不断修正防喘控制系统设定的喘振线，从而降低了鼓风机在运行中出现喘振的几率，保障了鼓风机的工作效率，提升了鼓风机防喘控制系统对复杂工业环境的适应能力。

参考文献：

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[3] 黄丽梅，李鸣，张宇.基于PLC的鼓风机防喘振控制系统[J].电气传动，2012，42（8）：73-76.

[4] LIU X Y， WANG P. Anti-surge control technologies of large-sized Chinese gas compression pump[J]. IJCSI International Journal of Computer Science Issues，2013，10（2）：118-120.

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[9] 陶倩，马刚，史忠植.基于Agent的专家系统推理模型[J].智能系统学报，2013，8（2）：135-142.

[10] 张晓冬，张志强，陈进，等.基于交互仿真的生产决策专家系统构建方法[J].计算机集成制造系统，2013，19（2）：404-410.

（责任编辑：黄 健）