高炉冲渣水供水池液位PID控制研究与设计

摘 要

本文主要针对宣钢高炉渣处理粒化供水系统水池液位的控制，我们参考两个水池的相互影响液位系统，构造了冲渣三个水池的模型，并进行了PID控制。同时对上述三个控制系统进行了仿真，得到的结果很理想，都能适应现场复杂的生产要求。

对循环水池的液位进行单闭环控制，使液位一直处于理想的期望值附近，在满足正常生产需求的基础上最大限度地减少水资源的浪费。

【关键词】供水池 控制系统模型 PID matlab仿真

随着科学的发展，PID控制在控制领域的优越性体现愈来愈明显，当今工业社会对生产系统精确性和节能性等的要求，使得PID控制的陆续改进系统成为应用热点。

高炉冲渣系统的水源均来自于冲渣系统的沉淀池、净化池和循环池三个水池，水池补水都是由操作人员观测原始水漂水位计来手动控制补水截门，水池液位高度的保证及科学使用不仅能保障粒化和采暖的供水需求，而且能减少水源溢流、过度使用的浪费现象。

本文建立了三个水池相互影响的系统模型，通过matlab仿真验证了控制效果。

1 高炉渣处理水系统供水池液位控制现状及存在的问题

在高炉渣处理粒化供水及采暖供水两套系统中，水源均来自于三个容积相同的水池，分为沉淀池、净化池、循环池，三个水池分层过滤。高炉冲渣系统完成渣处理水淬后由脱水器进行渣水分离，水渣产品进入皮带系统，而最初分离的水直接回流到沉淀池。循环池内的水经过两次过滤后又供给冲渣粒化水泵。所以保证循环池内的水位科学合理，既可以保障生产安全，杜绝冲渣粒化泵缺水造成缓冲罐爆炸、采暖系统缺水发生冻害等事故，又可以经济合理的节约用水，杜绝水源补充超标，造成浪费现象的发生。

目前控制系统存在的问题，一是渣处理生产不是连续进行的，高炉每炉的熔渣量也不是一成不变的，需求有时会瞬间增大，这就要求现场操作人员不定期观测液位，由于人员素质、技术水平等原因，可能会造成阶段性供水不足，而由于粒化供水和采暖供水均需要水池内有一定的水量，就会造成设备损伤，甚至造成生产事故。二是如果为了保证生产盲目的补充工业水，会造成水池水位溢流，造成水源的浪费。同时由于冲渣水内含有污染物质，溢流后悔造成地表、地下水的污染，散发的蒸汽还会造成大气污染。

所以我们研究为液位增设自动控制系统，保证一个科学合理的理想水位，不仅能保证生产需求，还可以节约用水，避免不必要的浪费，杜绝对环境造成二次污染。

2 宣钢高炉渣处理水系统中供水池液位控制方案研究

本研究拟采用单闭环控制理论来实现循环池液位高度的控制，使其保持在理想的预设值附近，达到既保证安全生产又能经济合理使用水源的目的。

根据实际系统的构成，沉淀池、净化池、循环池是三个容积相等的水池，由于三个水池之间的连接，当补充工业用水时循环池水位会比沉淀池水位上升的慢，系统存在一定的延迟，调节阀的动作往往需要经过一段时间的延迟后才会被调节量表现出来。同时实际生产过程中液位受到了水渣蒸汽、地面震动、供水机械运动等的影响，使得沉淀池、循环池的水位存在扰动，液位控制需要消除这些扰动，来保证液位的真实准确，保证安全经济的供水液位。

3 供水池水位控制系统设计

单独的水池模型可设置为水池的传递函数可定义为

（1）

R取值为1，C为水池的液容，定义是引起单位位能变化所需要的容器中存储的液体量的变化，即引起水池单位液位（1米）变化所需要的水池内存储水量的变化，实际也就是水池的横截面积。

在渣处理供水水池这个系统中，三个水池是相互影响的，水从沉淀池流入净化池，再由净化池流入循环池。根据实际建筑组成，创建相互影响的液位系统。

我们假设变量相对于稳态值的变化很小。

得出以下方程：

（1-1）

对公式（1-1）两边做拉普拉斯变换，并对公式求解，得到的传递函数为

（1-2）

A=C1C2C3R12R22R3

B=C1C2R12R2R3+C1C2R12R22+C2C3R1R22+C1C3R12R2R3+C1C3R22R1R3

C=C2R1R2R3++C2R1R22+C1R1R2R3+C1R12R2+C3R1R2R3+C1R22R1

D=R2R3+R3R1+R2R1

4 供水池水位控制系统仿真设计及仿真结果

宣钢冲渣系统使用的沉淀池、净化池、循环池是三个容积相等的水池，其横断面面积为30平米，所以C1=C2=C3=30。假设阻尼系数R1=R2=R3=0.5，于是，代入公式（1-2）传递函数计算得

根据传递函数在simulink中建立控制仿真模型，输入单位阶跃信号进行PID参数调节，得到的结果是：KP=8，Ti=0.3，Td=90。

然后进行了有干扰情况下的仿真，为了验证系统的抗干扰能力，我们在300s处加入阶跃信号仿真结果如图1所示。

通过仿真结果可见，外界干扰对液位控制系统影响不大，系统能够在不到100s内再次达到稳态，系统比较稳定，适应水池的控制现场生产现场干扰复杂的实际，控制效果很好。

5 总结

本文主要针对宣钢高炉渣处理粒化供水系统水池液位的控制，我们参考两个水池的相互影响液位系统，构造了冲渣三个水池的模型，并进行了PID控制。同时对上述三个控制系统进行了仿真，得到的结果很理想，都能适应现场复杂的生产要求。

当然，本设计仅处于设计研究阶段，对整个操作系统布局和实际使用功能设定方面还没有完成，而且由于控制的复杂性，现场实际被控对象模型的建立还需要更加精确，同时现场生产系统中的干扰也是复杂多变，本文仅仅研究被控对象和干扰均采用了最理想的模型。

参考文献

[1]李宏燕，范永宁.单回路液位控制系统与串级液位控制系统的性能分析[J].石油化工应用，2009，28（1）：97-99.

[2]王显正，陈正航，王旭永.控制理论基础[M].北京：科学出版出版社，2001.

[3]张子旭.自动控制系统分析与设计[M].西安：陕西科学技术出版社，1999.

作者单位

河北钢铁集团宣钢公司 河北省张家口市 075100