序列次规划法在反应炉温度分布控制上的应用.docVIP

序列二次规划法在反应炉温度分布控制上的应用 Katuhito ISHIMARU, Masami KONISHI, Jun IMAI and Tatsushi NISHI 摘要：最近，许多研究已经开始着手观查高炉炉内现象。但是，这些研究只限于炉性能的评价，对于设计炉控制的方法仍然存在着不足。本文提出了一种方法运用临界数据来估计反应炉的温度分布，由此来控制炉内部目标的温度分布。首先，建立一个简化的炉仿真程序来计算炉内气流、压力和温度的分布。接着，用该仿真来估计和控制炉内温度分布。在估计中，用炉仿真中的临界数据，比如温度和压力，在接近炉壁的地方测量。然后，为了控制炉内温度分布，需要提供在炉底的吹气和炉顶的供应负担的所需值。为了估计和控制炉内温度分布，采用了一种迭代优化的方法——序列二次规划法。在我们的方法中，估计炉内温度分布是确定炉控制变量的准备。通过数值试验，证明了我们方法的有效性，说明了炉的温度分布能够通过迭代控制操作调节到所需的值。 关键词：序列二次规划法，最优化，反应炉，温度分布。 1. 引言 反应炉和高炉一样在金属工业中发挥重要的作用。基于炉设备的改进，炉的尺寸有了显著的扩大。众所周知，反应炉内部现象十分复杂【1-4】，并且炉的操作依然依靠熟练操作工的经验和直觉。 由于各种可变因素，比如气流、化学反应、铁矿石的融化和融合以及炉内填料的移动十分的复杂，反应炉的内部反应仍然未知。同时，工厂里需要稳定和低成本的炉操作。并且在将来，希望炉的自动操作能减少熟练工人的数量以及减少寻找他们后继者的难度。 在本研究中，我们提出了一个反应炉温度分布控制系统的设计方法。就如前面所描述的，由于复杂的炉内现象，如化学反应，高压和高温，只有接近炉壁的值能测量。因此，我们设法通过使用接近炉壁的传感器测得的数据来估计炉内温度分布。在估计中，吹炼条件通过序列二次规划法（SQP）来调节，从而实测的值能够匹配炉中相应点计算出的值。在炉内温度分布的控制中，计算出的分布与期望的分布比较。为了使它们之间的相差最小，吹炼条件和供应负担条件被改变。同样SQP法被用来进行控制。 通过这些提议，建立了一个炉内气流和温度分布的仿真，在仿真中使用临界条件来作为控制变量。该仿真是通过先前的研究【5-7】进行简化来获得维持反应炉主要反应和热传递现象的快速计算。 简化的仿真包括SQP方法，即反应炉的温度分布控制是通过使用炉中能测得的临界值的SQP方法来进行估计。这里，能测得临界数据包括炉壁附近的温度、压力和气流。反应炉温度分布是通过调节在炉底多风口和炉顶供料的吹炼条件来进行控制。 2. 温度分布的控制方法 接下来描述的是一个反应炉温度分布的控制方法，该方法见图1。在图中，包括两部分，温度分布的估计部分和控制部分。 图1 反应炉温度分布的控制方法 首先，处理估计部分，为了知道反应炉温度分布，数学模型使用了总气流、材料耗费条件和临界条件作为它的输入。数学模型的建立见参考文献[8]。通过数学模型计算的温度和测量的温度进行比较，多风口气体的体积是确定的，从而减少这两个值之间的误差。所以，多风口的气体体积需要计算。SQP方法被用来估计温度分布。数学模型的描述见附录。 接下来，处理控制部分。炉的操作是为了使估计的反应炉温度分布符合确定的需要的温度分布。这里，反应炉温度分布是操纵炉底的多风口气流和炉顶的供料来实现。SQP方法也被用来控制温度分布。通过SQP方法，使得估计和控制的每个目标函数最小。这些目标函数由于要估计和控制炉内温度而被设计得不同。 2.1 炉内温度分布的估计 由于反应炉的中心是高温和高压，所以很难测量那里的温度。事实上，只有反应炉外侧的温度能够被测量。在本研究中，反应炉内部的温度分布是通过使用能测量的数据来估计【9】。换言之，当在相同位置计算的温度值与测量数据符合时，反应炉计算的温度分布需要与被测的温度分布符合。SQP法就被用来作为使数据符合的方法。 这里，测量仪表的位置见图2。测量仪表装在反应炉壁上。温度计和压力计装在反应炉内侧壁上，而气流表则装在反应炉顶。 图2 测量仪表 这里，估计问题的建立如下：决定的值是从#1-#4入口进入的气体体积流量。当这些值确定了，反应炉的温度分布就能通过仿真计算出来。在估计中，目标函数通过方程（1）确定，即是温度、压力和气流估计值和测量值之差的加权和。方程（1）的变量f需要最小。在该问题中，约束是气流的上下限和气体的总量方程见式（2）-（4）。 （1） 约束： （2）