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专利名称：一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411127812.2

专利申请（专利权）人：娄底市五江实业有限公司
权利人地址：湖南省娄底市涟源市茅塘镇石门村

专利发明（设计）人：发明人:周栋梁,周跃飞

专利摘要：本发明涉及利用焦炉煤气的窑炉的技术领域，具体涉及一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法及系统，本发明将焦炉煤气窑炉的控制特性视为黑箱模型，通过对历史参数进行拟合，得到拟合的输入函数和输出函数，然后基于拟合的输入函数和输出函数求得PID控制参量，则构建起针对任意一台焦炉煤气窑炉所特有的控制函数，可以实现炉内压力和温度的基准控制，且具有普适性，可以适用于任意一台相似的焦炉煤气窑炉，甚至是使用其他类型燃气的燃气窑炉。

主权利要求：
1.一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、燃气与空气比例的自动调节：通过在燃气管道和空气管道上安装的流量计，实时检测焦炉煤气和空气的流量，并将检测信号输入至中央控制系统；
S2、温度实时监测与调节：在窑炉内多个位置安装温度传感器，实时检测炉内温度，并将温度数据传输至中央控制系统；
S3、煤气压力实时监测与调节：在煤气管道上安装压力传感器，实时检测煤气压力，并将压力数据传输至中央控制系统；
S4、联合控制：基于接收到的温度和压力数据，中央控制系统采用改进型PID控制算法，调节燃气与空气的比例和燃气流量，以维持炉内温度和压力在预设范围内；所述改进型PID控制算法具体包括：S41、建立温度和压力对PID控制器参数的关系函数模型；满足：；
其中：为时间参数； 表示PID控制拟合函数，由实际记录的PID控制实际函数回归拟合得到； 为差值拟合函数，表示回归拟合得到的在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 、 、 和 分别为PID控制函数的比例参量、积分参量、压力微分参量和温度微分参量；
S42、调取历史数据：所述历史数据来自PID数据记录单，构建为历史数据组集合，其中，上标 表示历史数据组的编号；
表示第 个历史数据组中的PID控制实际函数； 表示第 个历史数据组中实测得到的，在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 和分别表示第 个历史数据组的控制起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度；
S43、求取差值拟合函数和控制拟合函数：对所有差值实测函数 进行回归拟合，得到差值拟合函数 ；对所有PID控制实际函数 进行回归拟合，得到控制拟合函数；
S44、求取PID拟合控制函数：将控制拟合函数 和差值拟合函数 代入关系函数模型，求得拟合比例参量 、拟合积分参量 、拟合压力微分参量 和拟合温度微分参量 ，得到PID拟合控制函数；
；
其中， 为PID输出控制函数；
S45、求取PID输出控制函数：基于本次控制的起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度，按照PID拟合控制函数求取PID输出控制函数 ；
S46、执行焦炉煤气窑炉的炉内温度及压力的联合控制：按照PID输出控制函数 执行焦炉煤气窑炉的炉内温度及压力的联合控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法，其特征在于：还包括：S5、减压控制：监测煤气压力并在超过安全阈值时自动启动保护措施。
3.根据权利要求2所述的一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法，其特征在于：步骤S5中，自动启动保护措施是指当炉压和管道压力超过预设的阈值时，利用安全阀和泄压装置自动排气泄压。
4.根据权利要求1所述的一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法，其特征在于：步骤S46中，执行焦炉煤气窑炉的炉内温度及压力的联合控制是指：将PID控制器的输出信号用于调节燃气阀门开度、空气阀门开度和排气阀门开度，以实现温度和压力的联合控制。
5.一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统，其特征在于，包括：温度传感器：实时监测炉内温度，并将数据传输至中央控制系统；
压力传感器：实时检测煤气的压力，并将数据传输至中央控制系统；
中央控制系统：接收和处理来自温度传感器和压力传感器的数据，将温度传感器和压力传感器的数据发送给控制算法模块，并接收控制算法模块反馈的控制参数，并基于控制参数向燃气阀门、空气阀门和排气阀门发送控制信号；
控制算法模块：用于拟合如权利要求1或2所述的联合控制方法中的步骤S4的改进型PID控制算法，并向中央控制系统反馈控制参数。
6.根据权利要求5所述的一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统，其特征在于：所述温度传感器包括安装在窑炉内的不同位置的多个热电偶传感器，用于实时监测各个温区的温度。
7.根据权利要求5所述的一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统，其特征在于：所述压力传感器是安装在焦炉煤气管道上的压力传感器。
8.一种焦炉煤气窑炉，其特征在于，包括炉体和如权利要求5?7任一项所述的用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统。
9.根据权利要求8所述的一种焦炉煤气窑炉，其特征在于：所述炉体连接有燃气阀门、空气阀门和排气阀门。
10.根据权利要求9所述的一种焦炉煤气窑炉，其特征在于：所述燃气阀门、空气阀门和排气阀门均为比例电磁阀。 说明书 : 一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及利用焦炉煤气的窑炉的技术领域，具体涉及一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法及系统。背景技术[0002] 焦炉煤气窑炉是利用焦炉煤气作为燃料的一种工业窑炉。焦炉煤气是一种副产品，主要来自焦炭生产过程中通过干馏产生的煤气。它是一种高效、低污染的燃料，广泛应用于工业窑炉中，尤其是在钢铁、化工和陶瓷等行业。[0003] 焦炉煤气主要成分包括氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮气和少量其他气体。焦炉煤气的热值较高，燃烧效率高。焦炉煤气窑炉可以有多种结构形式，如隧道窑、回转窑和马蹄窑等，根据具体的工业应用需求而设计，由于燃烧热值高，温度控制较为精确，可以满足不同工艺的温度需求。[0004] 焦炉煤气窑炉的优点包括：[0005] 1、低排放：焦炉煤气燃烧后的废气排放相对较低，减少了二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等污染物的排放；[0006] 2、资源利用率高：利用焦炉煤气作为燃料，可以有效利用炼焦过程中产生的副产品，减少资源浪费；[0007] 3、成本低：相较于其他燃料，如天然气或重油，焦炉煤气成本较低，且可以通过内部资源循环利用，降低生产成本；[0008] 4、高效生产：由于焦炉煤气的高热值和良好的燃烧特性，生产效率高，能满足大规模工业生产的需求；[0009] 5、应用广泛：在钢铁工业中，焦炉煤气广泛用于加热和热处理工艺；在陶瓷和建材行业，焦炉煤气窑炉用于烧成和烘干工艺，保证产品质量。[0010] 上述现有技术仍然存在以下问题：[0011] 现有技术中，针对炉内压力和温度的阀门控制，特别是对于用作燃气阀门、空气阀门和排气阀门的比例电池阀的电性控制，通常是基于PID进行预设控制或者经验控制，对于不同类型、不同参数的焦炉煤气窑炉缺乏适应性，对于不同的窑炉，甚至可能出现控制失稳，偏离量越来越大的问题。发明内容[0012] 针对上述问题，本发明的目的在于提出：[0013] 一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制方法，包括以下步骤：[0014] S1、燃气与空气比例的自动调节：通过在燃气管道和空气管道上安装的流量计，实时检测焦炉煤气和空气的流量，并将检测信号输入至中央控制系统；[0015] S2、温度实时监测与调节：在窑炉内多个位置安装温度传感器，实时检测炉内温度，并将温度数据传输至中央控制系统；[0016] S3、煤气压力实时监测与调节：在煤气管道上安装压力传感器，实时检测煤气压力，并将压力数据传输至中央控制系统；[0017] S4、联合控制：基于接收到的温度和压力数据，中央控制系统采用改进型PID控制算法，调节燃气与空气的比例和燃气流量，以维持炉内温度和压力在预设范围内；所述改进型PID控制算法具体包括：[0018] S41、建立温度和压力对PID控制器参数的关系函数模型；满足：[0019] ；[0020] 其中：为时间参数； 表示PID控制拟合函数，由实际记录的PID控制实际函数回归拟合得到； 为差值拟合函数，表示回归拟合得到的在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 、 、 和 分别为PID控制函数的比例参量、积分参量、压力微分参量和温度微分参量；[0021] S42、调取历史数据，所述历史数据来自PID数据记录单，构建为历史数据组集合，其中，上标 表示历史数据组的编号；表示第 个历史数据组中的PID控制实际函数； 表示第 个历史数据组中实测得到的在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 和分别表示第 个历史数据组的控制起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度；[0022] S43、对所有差值实测函数 进行回归拟合，得到差值拟合函数 ；对所有PID控制实际函数 进行回归拟合，得到控制拟合函数 ；[0023] S44、将控制拟合函数 和差值拟合函数 代入关系函数模型，求得拟合比例参量 、拟合积分参量 、拟合压力微分参量 和拟合温度微分参量 ，得到PID拟合控制函数；[0024] ；[0025] 其中， 为PID输出控制函数；[0026] S45、基于本次控制的起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度，按照PID拟合控制函数求取PID输出控制函数 ；[0027] S46、按照PID输出控制函数 执行焦炉煤气窑炉的炉内温度及压力的联合控制。[0028] 进一步的，还包括：S5、减压控制：监测煤气压力并在超过安全阈值时自动启动保护措施。[0029] 进一步的，步骤S5中，自动启动保护措施是指当炉压和管道压力超过预设的阈值时，利用安全阀和泄压装置自动排气泄压。[0030] 进一步的，步骤S46中，执行焦炉煤气窑炉的炉内温度及压力的联合控制是指：将PID控制器的输出信号用于调节燃气阀门开度、空气阀门开度和排气阀门开度，以实现温度和压力的联合控制。[0031] 本发明还提供了一种用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统，包括：温度传感器：实时监测炉内温度，并将数据传输至中央控制系统；压力传感器：实时检测煤气的压力，并将数据传输至中央控制系统；中央控制系统：接收和处理来自温度传感器和压力传感器的数据，将温度传感器和压力传感器的数据发送给控制算法模块，并接收控制算法模块反馈的控制参数，并基于控制参数向燃气阀门、空气阀门和排气阀门发送控制信号；控制算法模块：用于拟合所述的联合控制方法中的步骤S4的改进型PID控制算法，并向中央控制系统反馈控制参数。[0032] 进一步的，所述温度传感器包括安装在窑炉内的不同位置的多个热电偶传感器，用于实时监测各个温区的温度。[0033] 进一步的，所述压力传感器为安装在焦炉煤气管道上的压力传感器。[0034] 本发明还提供了一种焦炉煤气窑炉，包括炉体和所述的用于焦炉煤气窑炉的炉内温压联合控制系统；所述炉体连接有燃气阀门、空气阀门和排气阀门，所述燃气阀门、空气阀门和排气阀门均为比例电磁阀。[0035] 本发明的有益效果为：[0036] 本发明将焦炉煤气窑炉的控制特性视为黑箱模型，通过对历史参数进行拟合，得到拟合的输入函数和输出函数，然后基于拟合的输入函数和输出函数求得PID控制参量，则构建起针对任意一台焦炉煤气窑炉所特有的控制函数，可以实现炉内压力和温度的基准控制，且具有普适性，可以适用于任意一台相似的焦炉煤气窑炉，甚至是使用其他类型燃气的燃气窑炉。附图说明[0037] 图1是本发明的改进型PID控制算法的步骤示意图。[0038] 图2是本发明的炉内温压联合控制方法的程序的一次迭代测试的前10阶参数值。[0039] 图3是本发明的炉内温压联合控制方法的车程序的另一次迭代测试的前10阶参数值。具体实施方式[0040] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。实施例一[0041] 本实施例提供了一种用于焦炉煤气窑炉，具体包括炉内温压联合控制方法和系统，具体包括以下步骤和组件：[0042] 步骤S1：燃气与空气比例的自动调节：在焦炉煤气管道和空气管道上分别安装流量计和比例电磁阀，实时检测焦炉煤气和空气的流量，并将检测信号传输至中央控制系统。[0043] 步骤S2：温度实时监测与调节：在窑炉内多个位置安装热电偶传感器，实时监测各个温区的温度，并将温度数据传输至中央控制系统。[0044] 步骤S3：煤气压力实时监测与调节：安装压力传感器在焦炉煤气管道上，实时检测煤气的压力，并将压力数据传输至中央控制系统。[0045] 步骤S4：联合控制：基于接收到的温度和压力数据，中央控制系统采用改进型PID控制算法，调节燃气与空气的比例和燃气流量，以维持炉内温度和压力在预设范围内。[0046] 如图1所示，改进型PID控制算法具体包括以下子步骤：[0047] S41、建立温度和压力对PID控制器参数的关系函数模型；满足：[0048] ；[0049] 其中：为时间参数； 表示PID控制拟合函数，由实际记录的PID控制实际函数回归拟合得到； 为差值拟合函数，表示回归拟合得到的在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 、 、 和 分别为PID控制函数的比例参量、积分参量、压力微分参量和温度微分参量；[0050] S42、调取历史数据，所述历史数据来自PID数据记录单，构建为历史数据组集合，其中，上标 表示历史数据组的编号；表示第 个历史数据组中的PID控制实际函数； 表示第 个历史数据组中实测得到的，在 时刻时当前压力与温度和目标压力与温度之间的二维差值函数； 和分别表示第 个历史数据组的控制起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度；[0051] S43、对所有差值实测函数 进行回归拟合，得到差值拟合函数 ；对所有PID控制实际函数 进行回归拟合，得到控制拟合函数 ；[0052] S44、将控制拟合函数 和差值拟合函数 代入关系函数模型，求得拟合比例参量 、拟合积分参量 、拟合压力微分参量 和拟合温度微分参量 ，得到PID拟合控制函数；[0053] ；[0054] 其中， 为PID输出控制函数；[0055] S45、基于本次控制的起始压力和起始温度，以及目标压力和目标温度，按照PID拟合控制函数求取PID输出控制函数 ；[0056] 步骤S5：减压控制：监测煤气压力，当超过安全阈值时，自动启动保护措施。保护措施包括利用安全阀和泄压装置自动排气泄压，以确保系统安全运行。[0057] 步骤S6：联合控制执行：将PID输出控制函数用于调节燃气阀门开度、空气阀门开度和排气阀门开度，以实现焦炉煤气窑炉炉内温度及压力的联合控制。[0058] 针对上述控制方法，在此给出基于python语言的控制程序代码，测试迭代结果如图2－图3所示：[0059] classCokingOvenControl:[0060] def__init__(self):[0061] self.history_data=[][0062] self.kc=1.0[0063] self.kt=0.1[0064] self.kP=0.5[0065] self.kT=0.5[0066] defadd_history_data(self,u_t,e_t,P_0,T_0,P_aim,T_aim):[0067] self.history_data.append({[0068] 'u_t':u_t,[0069] 'e_t':e_t,[0070] 'P_0':P_0,[0071] 'T_0':T_0,[0072] 'P_aim':P_aim,[0073] 'T_aim':T_aim[0074] })[0075] defpolyfit(self,x,y,degree):[0076] coeffs=[0]*(degree+1)[0077] foriinrange(len(y)):[0078] forjinrange(degree+1):[0079] coeffs[j]+=y[i]*(x[i]**j)[0080] returncoeffs[0081] defpoly1d(self,coeffs):[0082] defpoly(x):[0083] returnsum(c*(x**i)fori,cinenumerate(coeffs))[0084] returnpoly[0085] defregression_fit(self):[0086] all_e_t=[][0087] all_u_t=[][0088] fordatainself.history_data:[0089] all_e_t.extend(data['e_t'])[0090] all_u_t.extend(data['u_t'])[0091] x=list(range(len(all_e_t)))[0092] E_t_coeffs=self.polyfit(x,all_e_t,2)[0093] U_t_coeffs=self.polyfit(x,all_u_t,2)[0094] E_t=self.poly1d(E_t_coeffs)[0095] U_t=self.poly1d(U_t_coeffs)[0096] returnE_t,U_t[0097] defcalculate_control_function(self,E_t,U_t,t,P,T):[0098] E_t_val=E_t(t)[0099] dE_t_dP=(E_t(t+1)?E_t(t))/1#simpledifference[0100] dE_t_dT=(E_t(t+1)?E_t(t))/1#simpledifference[0101] q_t=self.kc*E_t_val+self.kt*sum(E_t(i)foriinrange(t+1))+self.kP*dE_t_dP+self.kT*dE_t_dT[0102] returnq_t[0103] defcontrol(self,P_0,T_0,P_aim,T_aim,time_steps=100):[0104] E_t,U_t=self.regression_fit()[0105] P=P_0[0106] T=T_0[0107] q_t=[][0108] P_t=[][0109] T_t=[][0110] fortinrange(time_steps):[0111] q=self.calculate_control_function(E_t,U_t,t,P,T)[0112] q_t.append(q)[0113] P+=(P_aim?P)*q[0114] T+=(T_aim?T)*q[0115] P_t.append(P)[0116] T_t.append(T)[0117] returnP_t,T_t[0118] control_system=CokingOvenControl()[0119] control_system.add_history_data([1,2,3],[1,0.5,0],100,200,110,210)[0120] control_system.add_history_data([1,2,3],[1,0.4,0],120,220,130,230)[0121] P_t,T_t=control_system.control(100,200,110,210)[0122] print("TimeStep\tPressure\tTemperature")[0123] fort,(P,T)inenumerate(zip(P_t,T_t)):[0124] print(f"{t}\t\t{P:.2f}\t\t{T:.2f}")[0125] 对于拟合步骤，在此给出拟合算法的执行代码：[0126] importnumpyasnp[0127] importmatplotlib.pyplotasplt[0128] fromscipy.optimizeimportcurve_fit[0129] historical_data=[[0130] {'Kp':1.0, 'Ki':0.1, 'Kd':0.05, 'temperature':300, 'pressure':100},[0131] {'Kp':1.1, 'Ki':0.12, 'Kd':0.06, 'temperature':320, 'pressure':110},[0132] {'Kp':1.2, 'Ki':0.11, 'Kd':0.07, 'temperature':330, 'pressure':115},[0133] #添加更多历史数据...[0134] ][0135] #提取历史数据中的参数和对应的温度、压力[0136] Kp_history=np.array([data['Kp']fordatainhistorical_data])[0137] Ki_history=np.array([data['Ki']fordatainhistorical_data])[0138] Kd_history=np.array([data['Kd']fordatainhistorical_data])[0139] temperature_history=np.array([data['temperature']fordatainhistorical_data])[0140] pressure_history=np.array([data['pressure']fordatainhistorical_data])[0141] #假设根据历史数据建立的影响模型函数[0142] defmodel(T,P,Kp,Ki,Kd):[0143] returnKp*(T?300)+Ki*(P?100)+Kd[0144] #使用scipy的curve_fit函数拟合模型[0145] popt,pcov=curve_fit(model,(temperature_history,pressure_history),Kp_history)[0146] #输出拟合得到的参数[0147] Kp_fit,Ki_fit,Kd_fit=popt[0148] print(f"FittedParameters:")[0149] print(f"Kp_fit:{Kp_fit}")[0150] print(f"Ki_fit:{Ki_fit}")[0151] print(f"Kd_fit:{Kd_fit}")[0152] #绘制拟合效果示意图[0153] fig=plt.figure(figsize=(10,6))[0154] ax=fig.add_subplot(111,projection='3d')[0155] #绘制历史数据点[0156] ax.scatter(temperature_history,pressure_history,Kp_history,color='b',label='HistoricalData')[0157] #生成拟合面[0158] T_grid,P_grid[0159] =np.meshgrid(np.linspace(min(temperature_history),max(temperature_history),50),np.linspace(min(pressure_history),max(pressure_history),50))Kp_fit_surface=model(T_grid,P_grid,*popt)[0160] #绘制拟合面[0161] ax.plot_surface(T_grid,P_grid,Kp_fit_surface,cmap='coolwarm',alpha=0.5,label='FittedSurface')[0162] ax.set_xlabel('Temperature')[0163] ax.set_ylabel('Pressure')[0164] ax.set_zlabel('Kp')[0165] ax.set_title('FittedRelationshipbetweenKpandTemperature/Pressure')[0166] plt.legend()[0167] plt.show()[0168] 系统组件包括：[0169] 温度传感器：安装在窑炉内不同位置的多个热电偶传感器，用于实时监测各个温区的温度，并将数据传输至中央控制系统。[0170] 压力传感器：安装在焦炉煤气管道上的压力传感器，用于实时监测煤气的压力，并将数据传输至中央控制系统。[0171] 中央控制系统：接收和处理来自温度传感器和压力传感器的数据，通过控制算法模块向燃气阀门、空气阀门和排气阀门发送控制信号，实现炉内温度及压力的联合控制。[0172] 这种实施例能够有效地维持焦炉煤气窑炉内部温度和压力的稳定，提高了系统的安全性和操作效率。[0173] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

专利地区：湖南

专利申请日期：2024-08-16

专利公开日期：2024-10-18

专利公告号：CN118642553B