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1、引言
    在煉焦生產(chǎn)過程中，焦爐集氣管壓力是煉焦生產(chǎn)中的重要參數(shù)，它的穩(wěn)定性直接影響著焦爐的使用壽命和焦碳的生產(chǎn)。由于焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)是一個具有強干擾、多耦合、時變、非線性的復雜多變量系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學模型，因此，對于這樣復雜的系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典控制手段無法圓滿解決現(xiàn)有的問題。因此，采用模糊控制、專家系統(tǒng)等智能控制技術(shù)是建立焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)有效控制手段的必由之路。
    模糊控制是應(yīng)用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮控制的一種控制方式。與傳統(tǒng)控制理論不同，它具有的最突出的特點就是在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立被控對象精確的數(shù)學模型，只要求掌握現(xiàn)場操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗、知識或者操作數(shù)據(jù)，模糊控制規(guī)則是以語言的形式進行定性的描述。這樣，對于模型未知的復雜系統(tǒng)，采取模糊控制的方法去進行分析和設(shè)計，不失為一種有效的控制策略。
    但是，依靠操作人員的經(jīng)驗來建立合理的模糊控制算法，從建立模糊控制模型到編寫程序仿真再到分析結(jié)果都是非可視化的，需要很長時間的試探和摸索，并且模糊控制器的修改和控制對象的改變都需要重新編制計算程序，從而要耗費大量的時間和精力[1][2]。
MATLAB軟件的誕生使控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得簡單了，它為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供了強有力的工具，為從事控制工程應(yīng)用的大科技人員帶來了極大的方便。尤其是Simulink工具平臺的出現(xiàn)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真變得相當容易和直觀。
    本文以MATLAB軟件作為仿真平臺，提出將參數(shù)在線自調(diào)節(jié)模糊控制與多變量模糊規(guī)則解耦相結(jié)合的多級智能控制策略，同時構(gòu)建焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)的仿真模型，探討改善焦爐集氣管壓力控制品質(zhì)的新途徑，實現(xiàn)了可視化仿真研究。
2、 焦爐集氣管壓力智能控制系統(tǒng)設(shè)計
    本文焦爐集氣管壓力智能控制系統(tǒng)主要分為集氣管壓力單回路參數(shù)在線自調(diào)節(jié)模糊控制、模糊規(guī)則解耦控制兩部分，集氣管壓力為被控制量，集氣管上的蝶閥開度為控制量，以三焦爐集氣管壓力系統(tǒng)為例，控制流程見圖2.1。

圖2.1 三焦爐集氣管壓力系統(tǒng)控制流程圖

2.1集氣管單回路參數(shù)在線自調(diào)節(jié)模糊控制
    依據(jù)模糊控制的理論和模糊控制器的組成原理，選取壓力的誤差和誤差變化率為模糊控制器的輸入變量，集氣管壓力增量為輸出變量，實際控制輸出則為前一時刻控制輸出加上本時刻模糊控制器輸出。
    誤差、誤差變化率和控制輸出的增量模糊化所對應(yīng)的語言變量分別為E、EC和∆U。E的8個語言值取為{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，分別表示{負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大}，劃分為14個等級，即E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}。EC的7個語言值取為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，劃分為13個等級，即EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。∆U的7個語言值取為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別表示{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，劃分為15個等級，即∆U ={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}。
    根據(jù)經(jīng)驗建立誤差E、誤差變化EC和控制增量∆U的隸屬度賦值表，之后根據(jù)實際對象的特性以及人們的操作經(jīng)驗，得到焦爐集氣管壓力控制的控制規(guī)則表。例如：集氣管壓力上升很大，這時E= PB，同時誤差的變化率下降較慢， EC= NS，現(xiàn)場工人操作是根據(jù)經(jīng)驗增大蝶閥開度，即所需控制增量∆U= PM。根據(jù)規(guī)則得出模糊控制規(guī)則表，模糊推理方法可以采用Mamdani方法。
當系統(tǒng)的偏差較大時，系統(tǒng)的快速性是主要矛盾，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度卻是次要的，這時應(yīng)使系統(tǒng)快速減小偏差；而當系統(tǒng)偏差較小時，則要求設(shè)計的控制器應(yīng)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度。模糊控制器中量化因子K_e、K_ec和K_u對控制效果有很大影響，對于比較復雜的被控過程，采用一組固定的量化因子和比例因子難以收到預期的控制效果，因此在控制過程中通過自調(diào)節(jié)模糊控制器的量化因子和比例因子，來調(diào)整控制過程中不同階段上的控制特性，以使對復雜過程收到良好的控制效果。圖2.2為單回路參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊控制器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，MATLAB Fcn1模塊同樣是調(diào)用的是事先編寫的實現(xiàn)模糊控制功能的文件, MATLAB Fcn1調(diào)用的是實現(xiàn)參數(shù)自調(diào)節(jié)功能的文件。

圖2.2單回路參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2模糊規(guī)則解耦
    集氣管間的耦合是目前許多控制系統(tǒng)投運不好的重要原因。耦合強度與管道阻力、傳輸距離有關(guān)，距離越近，耦合越強，同時其壓力自平衡能力也越強。因此，本文提出分次模糊規(guī)則解耦的解耦方案，首先對耦合較強的兩個集氣管做第一解耦，在此基礎(chǔ)上，在與距離較遠的集氣管做第二解耦。
    考慮到煤氣自身流體特性，第一解耦修正主要在正常情況下，通過對距離較近兩管壓力偏差及偏差變化率進行分段、比較，通過修正各集氣管蝶閥輸出控制增量，對輸出控制作用適度削弱或加強。由于對各焦爐集氣管壓力回路而言，壓力的波動都將在其回路調(diào)節(jié)增量(蝶閥開度變化)中反映出來，因此第一解耦控制規(guī)則選取兩個單回路控制的控制增量∆u₁、∆u₂作為輸入，控制增量的修正值a₁、a₂作為輸出。根據(jù)焦爐工藝特點，可以整理出相應(yīng)的經(jīng)驗規(guī)則，進而可得出第一解耦控制修正表。最后經(jīng)第一解耦補償后的蝶閥控制增量為∆u₁’=∆u₁+a₁， ∆u₂’=∆u₂+a₂，∆u₃’=∆u₃。
    第二解耦修正在第一解耦修正后進行后，由于集氣管之間距離的原因，第一解耦作用時間相對快得多，所以第二解耦可在第一解耦的基礎(chǔ)上予以處理。第一解耦后各焦爐單集氣管壓力控制調(diào)節(jié)量分別為∆u₁׳，∆u₂׳，∆u₃׳，第二解耦控制規(guī)則的輸入量為第一解耦后距離最近的兩焦爐集氣管壓力控制增量調(diào)節(jié)值的平均值(∆u₁׳+∆u2׳)/₂，控制增量的修正值b₁、b₂作為輸出。根據(jù)經(jīng)驗規(guī)則，得出第二解耦規(guī)則控制修正表。最后，經(jīng)過第一與第二解耦修正后，各焦爐集氣管蝶閥的實際控制調(diào)節(jié)量分別為∆u’’1=∆u₁+a₁+b₁，∆u’’2=∆u₂+a₂+b₁，∆u’’3=∆u₃+ b₂。圖2.3為多變量模糊規(guī)則解耦控制仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)uzzy Logic Controller和Fuzzy Logic Controller1分別為第一、第二解耦模糊控制器。

圖2.3多變量模糊規(guī)則解耦控制仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

 3、焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)MATLAB仿真研究
    仿真控制對象為三焦爐集氣管壓力系統(tǒng)，三個集氣管給定壓力輸入分別為110Pa、100 Pa、120 Pa，壓力控制仿真模型中加入連續(xù)方波，作為擾動量，幅值分別為10Pa和60Pa。控制系統(tǒng)仿真曲線見圖3.1（a、b)。

圖3.1（a）擾動為10Pa時的系統(tǒng)仿真曲線         圖3.1（b）擾動為60Pa時的系統(tǒng)仿真曲線

    從仿真結(jié)果可以看出，壓力最終接近設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)誤差滿足±10 Pa控制要求，響應(yīng)速度快，不間斷的的擾動并沒有使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，控制系統(tǒng)抗干擾能力強，魯棒性能好。計算機仿真表明，采用該模糊智能控制方法控制焦爐集氣管壓力效果較好。
4、 結(jié)論
    筆者將MATLAB應(yīng)用于焦爐集氣管壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真之中，使得從集氣管壓力控制器的設(shè)計、仿真到控制結(jié)果的顯示與分析都可以有效迅速地完成，實現(xiàn)了可視化仿真研究。本文的研究驗證了智能控制的應(yīng)用可較好地改善焦爐集氣管壓力控制的品質(zhì)，具有一定的工程實用價值。