0 引言
为满足现代高炉高效生产的需要，料流调节阀的开启速度不得小于15（°）/s、控制角度误差不大于0.2°。但在实际工程中，由于传统液压比例阀的特点和卢森堡PaulWurth冶金技术有限公司（PW公司)配套控制设备限制等诸多因素的影响，既要保证料流调节阀的控制效果能满足工艺要求，又要保证料流调节阀能在各种复杂的外部条件下长期可靠运行。
结合国内多个大型高炉料流调节阀的实际控制经验和最新发展趋势和技术，首先介绍了液压比例阀驱动的料流调节阀的控制方法、策略和经验，然后介绍了液压伺服阀驱动的新型料流调节阀系统。该系统具有动态响应性好、控制精度高、稳定性好等特点，已成功应用于国内大型高炉，初步解决了高炉控制中的这一问题。
1 基于比例阀的料流调节阀控制系统
目前国内大中型高炉大多采用PW公司提供的材料流量调节阀和驱动装置由液压比例阀驱动，材料流量调节阀采用开关量的高速/低速和停止信号控制。PW该公司的不合理配置使在实际工程应用中实现对物流调节阀的可靠控制成为一个大问题。为了解决这一问题，我们在工程实践中反复研究和实验，总结了前馈和自适应控制模式，基本解决了比例阀驱动的物流调节阀的控制和可靠性问题。
1. 料流调节阀运动过程分析
物流调节阀控制的基本要求是确保位置控制的准确性和可靠性，以确保其高速运行。为了解释物流调节阀的控制原理和方法，有必要首先分析物流调节阀的运动和停止过程。
图1所示为PW高炉炉顶料流调节阀的速度动态响应曲线。
图1 PW料流调节阀速度特性曲线
从图1可以看出，在理想情况下，需要采取以下步骤：
(1)在预定减速角度δj从图1可以看出，发出料流调节阀从高速转换为低速指令，指令约为0.3s之后，料流调节阀的运动速度从15开始（°）/s下降到5（°）/s，在此期间的开度(阀门减速惯性角δhtj）(15-5)/2×0.3=1.5°。
（2）经过一段时间的速度稳定期（响应曲线上约为0.1s），阀门速度稳定在5（°）/s，在此期间，在此期间的运行角度(阀门机械惯性停止角度)δltj）大约为0.5°。
(3)速度稳定后，距离停车角度为δt给出停止指令(速度给定值为0（°）/s），阀门经过约0次.2s在此期间，料流调节阀的运行角度约为(5/2)×0.2=0.5°。
因此，有必要确保料流调节阀的准确停止，并确定适当的减速角度δj和停车角度δt十分重要。
1.2 前馈控制
所谓对料流调节阀停止过程的前馈控制是在停止控制过程中引入适当的减速角度δj和停止角度δt，通过控制这两个角度，准确控制料流调节阀的开度。
由于各高炉料流调节阀系统和液压系统的特点、高炉控制系统和通信方式不同，料流调节阀的减速角度δj和停止角度δt也有所不同。在实际工程设计中，可根据制造商提供的材料流量调节阀特性曲线、高炉控制系统的扫描速度和角度检测系统的通信速度进行预算，然后通过现场实验纠正角度。
δj通常可由式(1)求出：
（1）
式中，δhtf由各种延迟因素决定，δhtf≈（2TS Tti）V1，其中，TS扫描控制器的时间，ms，Tti延迟编码器接口的时间，ms，V一是阀门低速运动的初始速度，（°）/s；δhsw为减速稳定角，工程应根据现场实际情况进行调整，通常调整为3°左右。根据上述计算角度的实际调整，需要确定最佳减速角。
δt通常可由式(2)求出:
（2）
式中，δm为此设置停止角；δltf考虑各种延迟因素，确定料流调节阀附加的停车角。在实际调试中，考虑各种综合因素后，一般采用δltj δltf在3°左右。
采用前馈控制模式后，在机械和液压系统工作正常、工作状态稳定的情况下，物流调节阀基本可保证0.1°左右的控制精度。但高炉投产后，随着时间的推移，阀门的机械及液压系统特性将发生一定的变化，这种变化将使控制产生相应的误差。
1.3 1
为了解决机械特性变化影响控制精度的问题，我们在前馈控制的基础上增加了一种叫做自适应控制的分段线性插值法的控制算法。控制理念包括两种控制方法：一是将采用前馈控制方法的料流调节阀系统视为黑匣子，根据黑匣子输入/输出之间的关系建立相应的控制模型；然后，在控制模型的基础上，动态纠正机械特性变化引起的控制误差。
1.3.1 分段插值法
在工程实践中，我们经常遇到这样的情况：对于某个控制对象，在各种控制参数之间存在某个函数y=f（x）虽然我们知道它必须在一定范围内得到解决，但很难或找到它确定的函数关系，只能通过现场实验获得xi与yi对应系列表函数。
对于上述问题，可以使用多种方法来解决相应的函数关系，其中更简单和实用的方法是分段插值法。分段插值法是使用一些简单和已知的函数p（x），在一定范围内近似地表达未知的表函数f（x），通过已知的近似函数p（x）求解可以近似地找到未知函数f（x）解。可替代函数p（x）看看以下一阶线性函数
（3）
用线性函数(3)代替函数f（x）只要知道表函数f（x）任意两点（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)之间的任何点值。
（4）
表函数由此可见f（x）对应关系点（xn，yn）由公式(4)获得的近似值越多y精度越高。
1.3.实现2 控制
建立物流调节阀控制模型，找出物流调节阀设定的开度αs与实际开度αa之间的关系。因此，首先要在料流调节阀的有效控制角度(通常为0~60°）测量一组设定开度αs与实际开度αa列表函数之间，然后将列表函数拟合成函数αs=f（αa），从而获得料流调节阀控制模型。
根据料流调节阀所需的实际开度αa在模型列表函数中找到αs，如果不符合实际开度，可以先找出与实际开度不符的点αa相邻的两点αa与αa，然后定开度αs，控制料流调节阀作为开度设定值。
为了纠正控制误差，控制程序记录了物流调节阀的设定开度αs实际开度αa，并得到（αs，αa）关系数据αs与αa，若差值大于设定的控制误差(例如0.2°）当允许修改控制模型数据时，将使用控制程序αa替换原模型列表函数中的对应值，完成料流调节阀开度精度控制的自适应控制过程。
现场实际应用表明，在前馈控制的基础上，材料流量调节阀的控制通常可以取得令人满意的结果，控制精度一般为0.1°料流调节阀的长期稳定性基本保证。
2 基于比例阀的料流调节阀控制系统存在的缺陷
(1)控制系统的稳定性差
虽然自适应控制分段线性插值法效果良好，通常工作可靠稳定，但当系统不稳定，变化不规则时，如液压系统故障导致系统压力不规则变化，难以正常工作。
(2)难以满足动态调节的需要
有实验证明，在高炉布料过程中，对应于恒定的开度角α，布料流量Q不是恒定的。Q和料批质量P、料的粒度D、比重ρ、罐内料量W等之间的关系可近似用式（5）来描述：
（5）
型，目前的布料P，D，ρ必须的，只有在布料过程中W变化，布料过程中要保证恒定的Q就要改变α。Q变化曲线大致如图2所示2。
图2 罐内剩余物料量与物料流量的关系
要保证Q不变，需要根据图2曲线变化规律进行调整α，研究表明，调整角度一般在±2°即使在5左右，传统比例阀的动态响应特性也很差（°）/s在低速条件下，要进行±2°动态调节也很困难。
(3)对控制系统要求较高
料流调节阀运行速度高低，高速时运行速度不小于15（°）/s，低速时为5（°）/s。假设我们假设控制系统I/O接口板更新速度足够快，忽略了编码器数据通过总线传输的延迟等因素。当控制精度不大于时±0.2°扫描周期应为：
高速时 TS≤（0.2/15）×1000=13（ms）
低速时 TS≤（0.2/5）×1000=40（ms）
可以看出，为了确保控制系统能够区分±0.2° 控制精度至少要求系统CPU扫描周期不大于40ms，如果考虑其他因素，周期通常不应大于20ms。这对高炉控制系统提出了一定的配置要求。采用不同的控制系统时，由于系统性能不同，会对料流调节阀的控制效果产生一定的影响。
为克服上述缺点，中冶赛迪工程技术有限公司开发了基于液压伺服阀控制的物流调节阀控制系统。
3 基于伺服阀的料流调节阀控制系统
3.1 伺服阀特性
液压伺服阀动态响应速度快，控制精度高，广泛应用于轧机压力控制等高精度、快速响应。图3显示了伺服阀和比例阀的响应曲线。
图3
通过分析可以得出以下结论：
(1)比例阀对阶跃信号的响应延迟约为20ms，伺服阀约为0.5ms，因此，伺服阀对输入信号的灵敏度约为比例阀的40倍；
(2)比例阀对阶跃信号的响应约为0~100%ms，而伺服阀用时大约为9ms，因此，伺服阀的调节速度约为比例阀的9倍；
(3)伺服阀的动态响应速度约为比例阀的7倍。
从以上结论可以看出，伺服阀在死区、动态响应和快速调节方面比比例阀更有优势。
3.2 硬件组成
我们采用高炉主控PLC控制料流调节阀系统，系统框图如图4所示，图1为PLC控制器本体，要求PLC的CPU32采用带浮点运算单元b正常扫描周期不超过20个ms，确保伺服阀服阀的快速准确控制；2为控制器电源接口，包括外部输入电源接口，控制器为外部设备供电，如外部阀门放大器板和编码器；3PLC伺服阀芯位移反馈的输出速度控制指令和模拟量信号接口（该模拟量接口采用高速模块）；4为料流调节阀阀位检测编码器7和8PLC通信之间的高速网络接口；6是液压伺服阀驱动的料流调节阀，可根据主控系统输出4~20mA控制信号控制阀门的速度，并将阀芯位移信号反馈给主控制系统。
图4 伺服阀控制系统构成框架图
从图4可以看出，控制系统具有快速高精度控制所需的高速控制器和高速信号接口，可以高速处理各种信号和控制程序。该系统采用网络方式，通过网络方便快速地将各种信号发送到控制系统。
3.3 控制软件
图4中的5是料流调节阀的位置控制模块，是料流调节阀控制的核心控制模块。其特点是可以快速、准确地定位和跟踪控制料流调节阀的位置，而无需超调。控制模块将料流调节阀的开启控制过程分为两个阶段：第一阶段是驱动料流调节阀的高速开启阶段。在此阶段，模块将根据料流调节阀的实际开启和设定开启之间的关系，产生高速开启信号，使料流调节阀快速开启。当料流调节阀的目标值小于一定值时，料流调节阀的控制进入第二阶段；在第二阶段，在模块算法的控制下，阀门速度随目标的接近而降低。当开启小于设定误差时，料流调节阀进入设定值的跟踪状态。控制模块控制精度高，阀门响应速度快，不受阀门机械特性和影响液压系统特性变化的影响可以保证系统的长期可靠运行。
3.4 控制效果
图5是我国某大型高炉伺服阀控制系统的料流阀动作曲线图。从图5可以看出:
(1)料流调节阀设定开度角46.5°，伺服阀驱动的料流调节阀从动作指令发送到阀门到46.305°(不超过工艺要求0.2°控制精度)约需2次.2s。传统的比例阀驱动的料流调节阀通常需要4s以上。由此可见，伺服阀驱动的料流调节阀的调节速度是比例阀驱动的料流调节阀的1.8倍。
(2)从速度设定曲线可以看出，在料流调节阀打开过程中，启动速度设定为最大值，阀门全速打开。当阀门打开到一定角度(由模块算法计算给定)时，在控制模块的控制下，速度设定迅速降低到较小值，使料流调节阀快速减速，然后慢慢跟随设定速度的动作状态，从而保证阀门动作过程的快速性、准确性和可靠性。
图5 液压伺服阀驱动的料流调节阀控制效果
4 结论
从上述讨论中得出结论：控制系统在运动速度、控制灵敏度、控制精度和可靠性方面比基于比例阀的物流控制系统具有更大的优势。用于控制高炉物流调节阀，可完全满足快速准确的工艺控制要求。
液压伺服阀驱动的料流调节阀及其控制系统于2009年应用于中国大型高炉，在快速性、准确性和稳定性方面取得了良好的效果。我们将继续进一步研究和实践伺服阀控制系统，以满足高炉恒流布的要求。
参考文献：
1雷仲贤。料流调节阀的精确控制J2002(3):37-40.钢铁技术
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