0 引言
   為滿足現(xiàn)代高爐高效生產(chǎn)的需要，料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟速度不得小于15（°）/s、控制角度誤差不大于0.2°。但在實(shí)際工程中，由于傳統(tǒng)液壓比例閥的特點(diǎn)和盧森堡PaulWurth冶金技術(shù)有限公司（PW公司)配套控制設(shè)備限制等諸多因素的影響，既要保證料流調(diào)節(jié)閥的控制效果能滿足工藝要求，又要保證料流調(diào)節(jié)閥能在各種復(fù)雜的外部條件下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。
   結(jié)合國(guó)內(nèi)多個(gè)大型高爐料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)和最新發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)，首先介紹了液壓比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥的控制方法、策略和經(jīng)驗(yàn)，然后介紹了液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的新型料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大型高爐，初步解決了高爐控制中的這一問(wèn)題。
   1 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
   目前國(guó)內(nèi)大中型高爐大多采用PW公司提供的材料流量調(diào)節(jié)閥和驅(qū)動(dòng)裝置由液壓比例閥驅(qū)動(dòng)，材料流量調(diào)節(jié)閥采用開(kāi)關(guān)量的高速/低速和停止信號(hào)控制。PW該公司的不合理配置使在實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)物流調(diào)節(jié)閥的可靠控制成為一個(gè)大問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中反復(fù)研究和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了前饋和自適應(yīng)控制模式，基本解決了比例閥驅(qū)動(dòng)的物流調(diào)節(jié)閥的控制和可靠性問(wèn)題。
   1. 料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析
   物流調(diào)節(jié)閥控制的基本要求是確保位置控制的準(zhǔn)確性和可靠性，以確保其高速運(yùn)行。為了解釋物流調(diào)節(jié)閥的控制原理和方法，有必要首先分析物流調(diào)節(jié)閥的運(yùn)動(dòng)和停止過(guò)程。
   圖1所示為PW高爐爐頂料流調(diào)節(jié)閥的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖1 PW料流調(diào)節(jié)閥速度特性曲線

   從圖1可以看出，在理想情況下，需要采取以下步驟：
   (1)在預(yù)定減速角度δj從圖1可以看出，發(fā)出料流調(diào)節(jié)閥從高速轉(zhuǎn)換為低速指令，指令約為0.3s之后，料流調(diào)節(jié)閥的運(yùn)動(dòng)速度從15開(kāi)始（°）/s下降到5（°）/s，在此期間的開(kāi)度(閥門(mén)減速慣性角δhtj）(15-5)/2×0.3=1.5°。
   （2）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的速度穩(wěn)定期（響應(yīng)曲線上約為0.1s），閥門(mén)速度穩(wěn)定在5（°）/s，在此期間，在此期間的運(yùn)行角度(閥門(mén)機(jī)械慣性停止角度)δltj）大約為0.5°。
   (3)速度穩(wěn)定后，距離停車(chē)角度為δt給出停止指令(速度給定值為0（°）/s），閥門(mén)經(jīng)過(guò)約0次.2s在此期間，料流調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行角度約為(5/2)×0.2=0.5°。
   因此，有必要確保料流調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確停止，并確定適當(dāng)?shù)臏p速角度δj和停車(chē)角度δt十分重要。
   1.2 前饋控制
   所謂對(duì)料流調(diào)節(jié)閥停止過(guò)程的前饋控制是在停止控制過(guò)程中引入適當(dāng)?shù)臏p速角度δj和停止角度δt，通過(guò)控制這兩個(gè)角度，準(zhǔn)確控制料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。
   由于各高爐料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)、高爐控制系統(tǒng)和通信方式不同，料流調(diào)節(jié)閥的減速角度δj和停止角度δt也有所不同。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可根據(jù)制造商提供的材料流量調(diào)節(jié)閥特性曲線、高爐控制系統(tǒng)的掃描速度和角度檢測(cè)系統(tǒng)的通信速度進(jìn)行預(yù)算，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)糾正角度。
   δj通?？捎墒?1)求出：
   （1）
   式中，δhtf由各種延遲因素決定，δhtf≈（2TS Tti）V1，其中，TS掃描控制器的時(shí)間，ms，Tti延遲編碼器接口的時(shí)間，ms，V一是閥門(mén)低速運(yùn)動(dòng)的初始速度，（°）/s；δhsw為減速穩(wěn)定角，工程應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，通常調(diào)整為3°左右。根據(jù)上述計(jì)算角度的實(shí)際調(diào)整，需要確定最佳減速角。
   δt通?？捎墒?2)求出:
   （2）
   式中，δm為此設(shè)置停止角；δltf考慮各種延遲因素，確定料流調(diào)節(jié)閥附加的停車(chē)角。在實(shí)際調(diào)試中，考慮各種綜合因素后，一般采用δltj δltf在3°左右。
   采用前饋控制模式后，在機(jī)械和液壓系統(tǒng)工作正常、工作狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，物流調(diào)節(jié)閥基本可保證0.1°左右的控制精度。但高爐投產(chǎn)后，隨著時(shí)間的推移，閥門(mén)的機(jī)械及液壓系統(tǒng)特性將發(fā)生一定的變化，這種變化將使控制產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。
   1.3 1
   為了解決機(jī)械特性變化影響控制精度的問(wèn)題，我們?cè)谇梆伩刂频幕A(chǔ)上增加了一種叫做自適應(yīng)控制的分段線性插值法的控制算法?？刂评砟畎▋煞N控制方法：一是將采用前饋控制方法的料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)視為黑匣子，根據(jù)黑匣子輸入/輸出之間的關(guān)系建立相應(yīng)的控制模型；然后，在控制模型的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)糾正機(jī)械特性變化引起的控制誤差。
   1.3.1 分段插值法
   在工程實(shí)踐中，我們經(jīng)常遇到這樣的情況：對(duì)于某個(gè)控制對(duì)象，在各種控制參數(shù)之間存在某個(gè)函數(shù)y=f（x）雖然我們知道它必須在一定范圍內(nèi)得到解決，但很難或找到它確定的函數(shù)關(guān)系，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得xi與yi對(duì)應(yīng)系列表函數(shù)。
   對(duì)于上述問(wèn)題，可以使用多種方法來(lái)解決相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，其中更簡(jiǎn)單和實(shí)用的方法是分段插值法。分段插值法是使用一些簡(jiǎn)單和已知的函數(shù)p（x），在一定范圍內(nèi)近似地表達(dá)未知的表函數(shù)f（x），通過(guò)已知的近似函數(shù)p（x）求解可以近似地找到未知函數(shù)f（x）解?？商娲瘮?shù)p（x）看看以下一階線性函數(shù)
   （3）
   用線性函數(shù)(3)代替函數(shù)f（x）只要知道表函數(shù)f（x）任意兩點(diǎn)（xn，yn），（xn 1，yn 1)可以使用以下插值法公式近似求出（xn，yn），（xn 1，yn 1)之間的任何點(diǎn)值。
   （4）
   表函數(shù)由此可見(jiàn)f（x）對(duì)應(yīng)關(guān)系點(diǎn)（xn，yn）由公式(4)獲得的近似值越多y精度越高。
   1.3.實(shí)現(xiàn)2 控制
   建立物流調(diào)節(jié)閥控制模型，找出物流調(diào)節(jié)閥設(shè)定的開(kāi)度αs與實(shí)際開(kāi)度αa之間的關(guān)系。因此，首先要在料流調(diào)節(jié)閥的有效控制角度(通常為0~60°）測(cè)量一組設(shè)定開(kāi)度αs與實(shí)際開(kāi)度αa列表函數(shù)之間，然后將列表函數(shù)擬合成函數(shù)αs=f（αa），從而獲得料流調(diào)節(jié)閥控制模型。
   根據(jù)料流調(diào)節(jié)閥所需的實(shí)際開(kāi)度αa在模型列表函數(shù)中找到αs，如果不符合實(shí)際開(kāi)度，可以先找出與實(shí)際開(kāi)度不符的點(diǎn)αa相鄰的兩點(diǎn)αa與αa，然后定開(kāi)度αs，控制料流調(diào)節(jié)閥作為開(kāi)度設(shè)定值。
   為了糾正控制誤差，控制程序記錄了物流調(diào)節(jié)閥的設(shè)定開(kāi)度αs實(shí)際開(kāi)度αa，并得到（αs，αa）關(guān)系數(shù)據(jù)αs與αa，若差值大于設(shè)定的控制誤差(例如0.2°）當(dāng)允許修改控制模型數(shù)據(jù)時(shí)，將使用控制程序αa替換原模型列表函數(shù)中的對(duì)應(yīng)值，完成料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度精度控制的自適應(yīng)控制過(guò)程。
   現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，在前饋控制的基礎(chǔ)上，材料流量調(diào)節(jié)閥的控制通?？梢匀〉昧钊藵M意的結(jié)果，控制精度一般為0.1°料流調(diào)節(jié)閥的長(zhǎng)期穩(wěn)定性基本保證。
   2 基于比例閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)存在的缺陷
   (1)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差
   雖然自適應(yīng)控制分段線性插值法效果良好，通常工作可靠穩(wěn)定，但當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，變化不規(guī)則時(shí)，如液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不規(guī)則變化，難以正常工作。
   (2)難以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需要
   有實(shí)驗(yàn)證明，在高爐布料過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于恒定的開(kāi)度角α，布料流量Q不是恒定的。Q和料批質(zhì)量P、料的粒度D、比重ρ、罐內(nèi)料量W等之間的關(guān)系可近似用式（5）來(lái)描述：
   （5）
   型，目前的布料P，D，ρ必須的，只有在布料過(guò)程中W變化，布料過(guò)程中要保證恒定的Q就要改變?chǔ)?。Q變化曲線大致如圖2所示2。

圖2 罐內(nèi)剩余物料量與物料流量的關(guān)系

   要保證Q不變，需要根據(jù)圖2曲線變化規(guī)律進(jìn)行調(diào)整α，研究表明，調(diào)整角度一般在±2°即使在5左右，傳統(tǒng)比例閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也很差（°）/s在低速條件下，要進(jìn)行±2°動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)也很困難。
   (3)對(duì)控制系統(tǒng)要求較高
   料流調(diào)節(jié)閥運(yùn)行速度高低，高速時(shí)運(yùn)行速度不小于15（°）/s，低速時(shí)為5（°）/s。假設(shè)我們假設(shè)控制系統(tǒng)I/O接口板更新速度足夠快，忽略了編碼器數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸?shù)难舆t等因素。當(dāng)控制精度不大于時(shí)±0.2°掃描周期應(yīng)為：
   高速時(shí) TS≤（0.2/15）×1000=13（ms）
   低速時(shí) TS≤（0.2/5）×1000=40（ms）
   可以看出，為了確?？刂葡到y(tǒng)能夠區(qū)分±0.2° 控制精度至少要求系統(tǒng)CPU掃描周期不大于40ms，如果考慮其他因素，周期通常不應(yīng)大于20ms。這對(duì)高爐控制系統(tǒng)提出了一定的配置要求。采用不同的控制系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)性能不同，會(huì)對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制效果產(chǎn)生一定的影響。
   為克服上述缺點(diǎn)，中冶賽迪工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了基于液壓伺服閥控制的物流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)。
   3 基于伺服閥的料流調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)
   3.1 伺服閥特性
   液壓伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高，廣泛應(yīng)用于軋機(jī)壓力控制等高精度、快速響應(yīng)。圖3顯示了伺服閥和比例閥的響應(yīng)曲線。

圖3

   通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論：
   (1)比例閥對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)延遲約為20ms，伺服閥約為0.5ms，因此，伺服閥對(duì)輸入信號(hào)的靈敏度約為比例閥的40倍；
   (2)比例閥對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)約為0~100%ms，而伺服閥用時(shí)大約為9ms，因此，伺服閥的調(diào)節(jié)速度約為比例閥的9倍；
   (3)伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度約為比例閥的7倍。
   從以上結(jié)論可以看出，伺服閥在死區(qū)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和快速調(diào)節(jié)方面比比例閥更有優(yōu)勢(shì)。
   3.2 硬件組成
   我們采用高爐主控PLC控制料流調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4所示，圖1為PLC控制器本體，要求PLC的CPU32采用帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元b正常掃描周期不超過(guò)20個(gè)ms，確保伺服閥服閥的快速準(zhǔn)確控制；2為控制器電源接口，包括外部輸入電源接口，控制器為外部設(shè)備供電，如外部閥門(mén)放大器板和編碼器；3PLC伺服閥芯位移反饋的輸出速度控制指令和模擬量信號(hào)接口（該模擬量接口采用高速模塊）；4為料流調(diào)節(jié)閥閥位檢測(cè)編碼器7和8PLC通信之間的高速網(wǎng)絡(luò)接口；6是液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)主控系統(tǒng)輸出4~20mA控制信號(hào)控制閥門(mén)的速度，并將閥芯位移信號(hào)反饋給主控制系統(tǒng)。

圖4 伺服閥控制系統(tǒng)構(gòu)成框架圖

   從圖4可以看出，控制系統(tǒng)具有快速高精度控制所需的高速控制器和高速信號(hào)接口，可以高速處理各種信號(hào)和控制程序。該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方便快速地將各種信號(hào)發(fā)送到控制系統(tǒng)。
   3.3 控制軟件
   圖4中的5是料流調(diào)節(jié)閥的位置控制模塊，是料流調(diào)節(jié)閥控制的核心控制模塊。其特點(diǎn)是可以快速、準(zhǔn)確地定位和跟蹤控制料流調(diào)節(jié)閥的位置，而無(wú)需超調(diào)?？刂颇K將料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟控制過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段是驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥的高速開(kāi)啟階段。在此階段，模塊將根據(jù)料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)啟和設(shè)定開(kāi)啟之間的關(guān)系，產(chǎn)生高速開(kāi)啟信號(hào)，使料流調(diào)節(jié)閥快速開(kāi)啟。當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)值小于一定值時(shí)，料流調(diào)節(jié)閥的控制進(jìn)入第二階段；在第二階段，在模塊算法的控制下，閥門(mén)速度隨目標(biāo)的接近而降低。當(dāng)開(kāi)啟小于設(shè)定誤差時(shí)，料流調(diào)節(jié)閥進(jìn)入設(shè)定值的跟蹤狀態(tài)?？刂颇K控制精度高，閥門(mén)響應(yīng)速度快，不受閥門(mén)機(jī)械特性和影響液壓系統(tǒng)特性變化的影響可以保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。
   3.4 控制效果
   圖5是我國(guó)某大型高爐伺服閥控制系統(tǒng)的料流閥動(dòng)作曲線圖。從圖5可以看出:
   (1)料流調(diào)節(jié)閥設(shè)定開(kāi)度角46.5°，伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥從動(dòng)作指令發(fā)送到閥門(mén)到46.305°(不超過(guò)工藝要求0.2°控制精度)約需2次.2s。傳統(tǒng)的比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥通常需要4s以上。由此可見(jiàn)，伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度是比例閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥的1.8倍。
   (2)從速度設(shè)定曲線可以看出，在料流調(diào)節(jié)閥打開(kāi)過(guò)程中，啟動(dòng)速度設(shè)定為最大值，閥門(mén)全速打開(kāi)。當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)到一定角度(由模塊算法計(jì)算給定)時(shí)，在控制模塊的控制下，速度設(shè)定迅速降低到較小值，使料流調(diào)節(jié)閥快速減速，然后慢慢跟隨設(shè)定速度的動(dòng)作狀態(tài)，從而保證閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程的快速性、準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥控制效果

   4 結(jié)論
   從上述討論中得出結(jié)論：控制系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)速度、控制靈敏度、控制精度和可靠性方面比基于比例閥的物流控制系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。用于控制高爐物流調(diào)節(jié)閥，可完全滿足快速準(zhǔn)確的工藝控制要求。
   液壓伺服閥驅(qū)動(dòng)的料流調(diào)節(jié)閥及其控制系統(tǒng)于2009年應(yīng)用于中國(guó)大型高爐，在快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面取得了良好的效果。我們將繼續(xù)進(jìn)一步研究和實(shí)踐伺服閥控制系統(tǒng)，以滿足高爐恒流布的要求。
   參考文獻(xiàn)：
   1雷仲賢。料流調(diào)節(jié)閥的精確控制J2002(3):37-40.鋼鐵技術(shù)
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