基于细菌觅食算法的转炉煤气回收系统的控制策略研究

【摘要】在转炉炼钢工艺中，针对转炉炉口差压控制系统对象的大滞后、非线性和大干扰的等特点，提出将细菌觅食算法和PID控制算法相结合的新型炉口差压控制方案，以克服系统的非线性，以提高系统鲁棒性。仿真结果：本文提出的控制算法的性能指标均优于普通PID控制算法，能加强控制系统的抗干扰能力，改善控制系统的动态性能，从而达到较好的煤气回效果。

【关键词】煤气回收;炉口差压;细菌觅食

引言

在转炉钢水冶炼过程中，会产生大量的高温粉尘烟气，主要成分为热值较高的CO，对其进行回收利用，即能缓解大气污染，又能节约大量能源[1]。研究表明：转炉炉口差压控制是影响转炉烟气减排效果与煤气回收的关键。采用单纯常规的PID控制策略，难达到满意的控制效果[2]。细菌觅食算法（BFO）算法，拥有强大的随机搜索能力、易跳出局部最小值。本文中，提出了一种基于细菌觅食算法（BFO）优化PID控制器参数调节算法用于控制炉口微差压。并通过Matlab仿真验证了细菌觅食算法应用于转炉煤气回收系统的控制有效性，能够明显提高微差压调节过程的控制性能，具有较高的实用价值。

1.转炉煤气回收工艺简介

国内外转炉煤气回收的技术主要采用OG（Oxygen Gas Recovery System）装置主要由烟气的集烟罩、冷却装置、净化装置和煤气回收装置及其他设备组成[3]。转炉在吹炼过程中将产生温度高达1600℃的含有大量粉尘和高浓度的CO的烟气。烟气从活动的集烟罩进入全封闭的烟气处理系统，在一级文氏管进行烟气粗除尘、冷却和灭火，随后经重力脱水器完第一次除尘。在第二级文氏管，需根据炉口差压对喉口开度进行自动调节，以控制波动较大的烟气高速通过喉口，进行烟气第二次洗涤除尘（精除尘），使含尘量下降至50mg/m3，温度降至70℃以下。除尘后的较干燥的经检测合格的煤气由鼓风机抽出，通过阀门进入煤气贮气柜;不合格的煤气通过放散烟囱，经高空点火燃烧，放散到大气中。

2.微差压控制算法设计

2.1 细菌觅食算法

细菌觅食优化（BFO）算法是一类新的生物启发的基于模仿大肠杆菌的觅食行为的随机全局搜索技术（定位，处理，和摄取食物的方法）。在觅食过程中，细菌可以表现出两种不同的行为：翻转或游动。翻转动作修改细菌的取向。在游动（趋化步骤），细菌可以在其目前的方向移动。趋化运动是细菌持续到在营养梯度的正方向。一定数量的完整的游动后，一半的细菌进行繁殖，其余部分消除。为了跳出局部最优解，细菌以一个非常小的随机的概率消除离散，并且新更换搜索空间的随机初始化位置[4]。

2.2 基于BFO的PID控制

针对转炉炉口微差压控制系统，本文介绍了利用BFO算法优化PID控制器的参数方法。选择合适的适度函数，从搜索空间中对PID的控制器参数Kp，Ki，Kd进行寻优，控制结构框图如图1所示。

图1 BFO基于I-PD控制器参数整定

图2 常规PID与BFO-PID控制仿真比较

为了提高控制系统的动态性能，防止控制能量过大，选取的适度函数为：

（1）

其中，u（t）为控制器输出，Mp为系统超调量，ts为系统过渡时间e（t）是误差，、、和为惯性权重，（范围从0-1），基于优先级进行大小设置。

3.仿真结果与分析

对转炉炉口差压控制系统被控对象进行模型辨识，其传递函数为：

（2）

在Matlab R2010a 环境下对模型进行仿真。从传递函数可看出，炉口差压控制是二阶纯滞后系统。设定值为单位阶跃信号，采样时间为1s。优化搜索之前，设定算法参数：搜索空间为3;细菌总数为12;趋化步数为5;游动、翻转步骤数长度为4;消除扩散步骤数是2;细菌繁殖数量为6;消除扩散概率值为0.25。PID和BFO控制的仿真，结果如图2所示。

图2可知，基于BFO的PID控制算法的仿真曲线可以看出，控制系统超调量小，调节时间段，控制器的性能明显优于普通PID;并且在t=320s时刻，加入干扰信号，BFO算法动态、静态控制效果性能优秀，控制器能够明显改善控制效果。当应用于现场环境中，BFO控制算法具有较好的控制性能。

4.结论

本文分析了转炉煤气回收工艺和影响煤气回收的主要因素，以炉口差压控制系统为对象，结合PID控制器，提出了基于BFO的炉口差压的控制方案。并对该对象进行系统模型辨识，在此基础上对控制方案进行MATLAB＼Simulink仿真。结果表明：与普通的PID控制方案相比，BFO算法超调量小，系统稳定性强，能够明显地提高差压调节过程的动态品质和抗干扰性能，具有较高的应用价值。

参考文献

[1]Wang A H，Cai J J，Li X P，et a1.Affecting factors and improving measures for converter gas recovery[J].Journal of Iron and Steel Research，International，2006，14（6）：23-26.

[2]章家岩，马中海，李绍铭，等.Smith预估补偿控制策略在转炉煤气回收系统中的应用[J].仪器仪表学报，2011， 32（3）：628-628.

[3]潘秀兰，常桂华，冯士超.转炉煤气回收和利用技术的最新进展[J].冶金能源，2010，29（5）：38-39.

[4]A.Ali and S.Majhi.“Desig n of optimum PI D cont roller by bacterial foraging strategy，”in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology（ICIT'06），pp.601-605，Mumbai，Indian，December 2006.