内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第一章 绪论
焦炉是比较复杂的热工设备，在总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的70%。焦炭是焦炉的主要产品，钢铁企业炼铁过程中焦炭是必不可少的原材料，钢铁质量的好坏焦炭质量是必可可少的主要影响因素之一，提高焦炭的生产质量对钢铁质量生产起着关键性的影响，能更好的提高焦炭和钢铁企业的市场竞争力。焦炭质量的好坏的取决因素主要是焦炉立火道内部温度高低和焦炉立火道内部温度稳定。焦炉炼焦生产过程是一个相对复杂的生产过程，焦炉主要由蓄热室、燃烧室、立火道等重要部分组成。焦炉的混合煤气在燃烧室中燃烧将其热量通过热辐射方式传递给炭化室中的煤粉，炭化室中的煤粉在隔绝空气高温的条件下逐渐结焦成焦炭。焦炉的基本特性主要有大时滞、非线性、大惯性、生产参数变化的特点。焦炭的生成是个相当复杂的化学变化，还有就是焦炉的炉体结构也比较复杂，操作条件也是比较困难，焦炉立火道内部温度检测手段相对贫乏，所以焦炉立火道内部温度很难达到稳定的控制，对于稳定的控制焦炉立火道内部温度对于焦炉的使用寿命和焦炭的生产质量有着显著的作用。本文提出了相应的控制策略，温度模糊控制系统在焦炉加热方面的应用逐步得到开发和利用[1]。
1.1课题研究背景
焦炉是冶金工业中重要的热工设备，其生产原理是将煤粉在隔绝空气的情况下进行高温干馏、煤气以及焦油等其他有机化学副产品。我国是世界上焦炭生产大国，也是最大的焦炭出口国[2]。
焦炉生产出占整个钢铁企业70%的二次能源，但焦炉自身又是一个比较耗能的热工设备。焦炉立火道加热过程很容易环境的污染，如果焦炉立火道内部温度控制不好，焦炭受热不均匀，焦炉的烟道就会发生冒黑烟的现象；焦炉立火道内部温度的稳定性，也会对焦炉的使用寿命和焦炭生产质量的好坏有着决定性的影响。焦炉立火道温度的控制在生产条件不断变化和外部环境不断变化的情况下进行焦炉立火道的温度控制，从而使焦炉立火道温度控制达到实际生产要求温度，进一步达到能源损耗见到最低和是焦炉的生产使用寿命。在焦炉实际的生产过程中，焦炉立火道内部温度的平均性和稳定型要达到实际的生要求，此时焦炉立火道温度被成为焦炉立火道的直行温度。焦炉立火道的直行温度其实就是焦炉焦侧温度，同样也是焦炉的炼焦温度。由于不同操作人员操作的熟
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练程度各不相同，也会对焦炉立火道直行温度造成严重的影响，这样焦炭质量就不能的以保证，焦炉的使用寿命也会受到严重影响。
1.2焦炉立火道温度控制系统发展状况
在我国刚刚成立之时，国外重工业发达的国家美国、前苏联（俄罗斯）等中工业发达的国家就已经对焦炉立火道温度的操作方面和焦炉立火道内部温度控制方面进行探索，但是由于当时生产条件和当时的科技水平的影响，焦炉立火道温度控制方面没有取得明显的控制效果。但是进入70年代，计算机控制技术的不断发展，还有自动控制理论的提出，焦炉立火道温度控制进入新的控制时代。在焦炉立火道温度进入计算机控制时代，焦炭的生产质量的焦炉的使用寿命都有着显著改善，但是我国当时在焦炉立火道温度控制方面与国外的重工业发达的国家还存在着明显的差距。
到了80年代初期，我国很多焦化厂也开展了研究工作，也取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内的焦炉控制水平较落后，还需进一步的研究及开发。自90年代末期以来由于国内经济的快速发展以及我国焦炭产量的大幅增加，由焦炭大国向焦炭强国转变的欲望和要求，广大的焦化工作者根据国内焦炉结构和生产特点积极开发计算机加热自动控制系统。无论控制系统还是控制数学模型均充分考虑结焦特点焦炉立火道特性，取得较为成熟的经验。近年来随着模糊控制、专家系统、神经网络和预测控制等人工智能技术的广泛应用，也为焦炉计算机控制开辟了新的领域。人工智能控制技术与传统控制方法相结合，取得比较好的控制效果[5]。
1.3焦炉立火道温度控制理论
焦炉立火道温度控制系统首先在焦炉立火道PID控制系统取得比较明显的控制效果，但是焦炉立火道PID控制系统在实际生产过程中有着明显的控制作用但是在焦炉立火道温度控制上也有着明显的不足。后来焦炉立火道温度PID控制系统与其他的控制手段相结合，焦炉立火道温度控制效果也有所改善。随着计算机控制技术的不断发展和现代控制理论的提出，焦炉立火道温度控制系统进入人工智能阶段，相继提出了焦炉立火道温度模糊控制系统、焦炉立火道温度遗传算法控制系统、焦炉立火道温度神经网络控制系统，在焦炉立火道加热燃烧控制中取得了明显效果【15】。
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1.3.1 PID控制
由于焦炉立火道温度PID控制系统的组成结构相对简单，焦炉立火道温度控制的稳定行也比较好，控制器的控制参数相互独立之间不相互影响的有点，在焦炉实际生产过程中得到广泛的应用，在焦炉立火道温度控制领域起着至关重要的作用。有焦炉立火道温度变送器测量的到焦炉立火道内部温度的平均值与焦炉立火道温度给定值之间形成的差值，控制焦炉混合煤气在焦炉立火道中的实际流量，从而是焦炉立火道温度保持在焦炉实际生产的要求温度范围之内。 1.3.2模糊控制
在焦炉实际生产炼焦过程中，对焦炉立火道温度控制的影响因素有很多方面，切影响因素具有很多的不确定因素存在，模糊控制系统-非线性控制系统在焦炉实际生产过程中的意义重大，根据焦炉立火道温度控制系统的温度输出值的结果分析和焦炉操作人员多年的焦炉立火道温度控制经验，可以对焦炉立火道温度控制系统进行有效地事实控制，从而满足焦炉实际生产要求。
焦炉立火道温度模糊控制系统也是在焦炉立火道温度PID控制系统控制的基础之上引入模糊控制规则，为了实现焦炉立火道温度控制的自动化控制往往单一的控制手段不能满足焦炉立火道温度控制要求，从而必须与其它控制手段相结合，焦炉立火道温度控制的自动化控制是焦炉立火道温度控制走向和趋势。
1.4焦炉立火道焦热技术展望
我国焦炉温度控制水平与国外的先进国家相比，还存在着一定的差距，整体和单体设备的控制水平都有待继续提高。根据我国的实际情况，加热炉控制技术的发展主要应注意以下几点：
1.尽管国内许多更先进的计算机系统的企业，但仅限于比较简单的PID控制的一些计算机的潜力没有发挥好，最专业的国有企业将保持计算机只能识别人才的缺乏，导致计算机控制炉并不十分令人满意的结果，所以，首先有必要把现有设备要很好地利用起来。
2.对国内发展的一些数学模型，其焦炉立火道温度预测模型几乎都是实验模型。访问主要是通过黑箱实验得到的实验数据，但是这是昂贵的实验手段。中国目前的技术还比较落后，就必须处理焦炉烟道的特点和实验数据在一起，形成一个新的模型结构和模
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型和热平衡计算来修复实验模型的机制，使之能适应工作条件和焦炉烟道变化。随着模糊控制系统的快速发展，可以确定焦炉立火道温度模型。
3.设置优化策略和控制结构的改进，更好的控制策略，以减少由于缓慢的对象时变的进一步提高控制精度的影响造成的不确定性特征[9]。
1.5本文的作用
本课题的主要研究内容包括PID控制和模糊控制研究及其在焦炉立火道上的应用两方面。具体如下：
l.简单PID控制系统、串级比值控制系统和单交叉限幅控制的仿真研究。 2.双交叉限幅控制系统的仿真研究。模糊控制的工作原理研究。 3.模糊控制的工作原理研究，模糊控制的仿真研究。 4.多模态模糊控制系统设计与仿真研究。
通过对目前焦炉立火道温度控制系统的仿真分析，发现其中的缺陷并根据模拟焦炉立火道实际条件，设计了焦炉立火道温度多模态模糊控制系统，通过与传统的PID控制和纯模糊控制相比较，体现出多模态模糊控制系统的优越性。
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第二章 焦炉工艺及焦炉立火道温度的不确定性分析
由于许多行业不断提高对焦炭质量要求，焦炉立火道加热过程存在着许多不确定性因素，因此，焦炉立火道加热燃烧过程控制系统的稳定性和被控对象的动态特性是焦炉立火道加热燃烧过程控制的关键。
本章首先介绍了焦炉的生产工艺，然后对焦炉立火道温度的不确定性进行分析，通过找出立火道温度的主要不确定性的难点以及控制的难点，从而提出焦炉立火道温度控制的基本思想和整体结构的设计。
2.1焦炉结构
图 2.1 焦炉炉体结构
焦炉立火道加热是比较复杂的热工设备，它的工作原理是装煤的炭化室与燃烧室相连在一起，而蓄热室是在炭化室与燃烧室的底部。煤气与空气在燃烧室中按你所设置的比例进行混合燃烧，然后再通过炉墙将热量传递给炭化室中的煤粉，最后成为焦炭，而且，炼焦用煤在炭化室中进行高温蒸馏，混合煤气在燃烧室中进行燃烧产生热量，所产生的热量会使炭化室的温度上升到大约1200℃。焦炉炉体结构主要包括上升管路、炭化室、燃烧室、装煤孔、看火孔、炉顶、立火道、斜道、砖煤气道、蓄热室、小烟道、筛子砖、烟道等部分组成。
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