水泥回轉窯燒成帶溫度多參量控制方式應用研究

張　曉　左為恒

(重慶大學電氣工程學院，重慶　400044)

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水泥回轉窯燒成帶溫度多參量控制方式應用研究

張曉左為恒

(重慶大學電氣工程學院，重慶400044)

摘要：針對水泥生產線回轉窯系統實際運行特點，結合溫度及負壓調節的工藝要求，在穩定旋風預熱器出口風負壓的基礎上，利用預熱器出口處含氧量作為回轉窯燒成帶溫度自適應內模控制的前饋信號。通過自適應內模控制器輸出控制量與該前饋信號疊加，在線實時控制變頻生料給料機的投料量，確保回轉窯系統的透氣性，進而穩定回轉窯燒成帶的溫度。仿真結果表明，該方法具有較好的控制效果，證實了所提出控制思想的正確性。

關鍵詞：水泥生產回轉窯系統燒成帶溫度多參量控制前饋控制自適應內模控制風負壓PID生料投料量透氣性

0引言

水泥生產過程是一個復雜的理化反應過程，特別是水泥熟料的煅燒過程具有明顯的時滯、大慣性、非線性和干擾不確定性的特點[1]。煅燒時影響燒成帶溫度的因素很多，稍微控制不好就會出現窯系統風負壓或熱工波動的情況，將嚴重影響熟料的品質[2-3]。目前，針對該問題的解決方法是穩定協調窯系統風負壓以及確定合適的燃料投放量。為了確保熟料品質合格，必須保證水泥熟料燒成帶的反應溫度[4]。雖然燒成帶的溫度主要由燃煤量來控制，但是生料投放量的多少仍然是影響窯溫的一個關鍵因素。因此，控制生料的投放量對于控制水泥燒成帶溫度具有重要意義。本文提出了在燃煤燃值不變的條件下，主要通過調節生料的投放量，保證窯系統良好的透氣性，從而穩定窯溫。然而系統預熱器出口負壓的穩定可由窯尾變頻高溫風機來實現。為了能夠控制好熟料的煅燒過程，在燒成帶溫度會受系統風負壓干擾的情況下，燒成帶溫度控制系統采用了基于漸近穩定原理的自適應內模控制加含氧量前饋的方法來控制生料滑差電機投料。通過增減料的投放量，進一步穩定窯溫。預熱器出口氣體成分中的含氧量(由水泥生產工藝要求控制在2%～3%)作為前饋信號，在溫度還未發生變化之前就提前給出克服干擾的控制量。

1對象過程分析

窯系統的風負壓是由壓力控制器調節窯尾變頻高溫風機的轉速進行控制的。針對窯系統風負壓響應快、時滯小的特點，風負壓采用常規PID進行控制。由于燒成帶溫度控制較風負壓控制具有大慣性、大時滯和受系統風量干擾等特點，在燃煤燃值給定穩定的條件下，燒成帶溫度的控制采用在線自適應參數調整方法，使溫度控制系統內部模型參數在自適應律的控制下盡量與對象保持一致，從而實時整定內模控制器參數。在對燒成帶溫度控制的同時，引入前饋調節機制，將實時檢測到的含氧量信號傳輸到含氧量控制器，經含氧量控制器的計算后輸出前饋控制量。這樣，內模控制器的輸出控制量與含氧量控制器的前饋控制量相疊加后，共同作用于變頻生料給料機。當窯系統內部發生物料的擁堵或欠料時，內部含氧量就會低于或者超出設定值，通過與含氧量設定值比較之后由含氧量控制器輸出負信號或者正信號來增強或者削減給料量。這樣，含氧量前饋控制器便可預先作用于變頻生料給料機，以及時調整給料量、維持熱工穩定、提高燒成帶溫度控制的動態與穩態性能，進而加強系統控制的魯棒性。

2對象模型化

為了對水泥熟料煅燒過程多參數控制系統的思想方法及控制效果作進一步研究，首先應將系統各環節模型化。由于難以建立精確的數學模型，所以只能盡可能地接近所要研究對象的特征。

對于窯系統風負壓單閉環控制系統，控制器Gcp(s)采用常規PID控制器，Gv1(s)為變頻調速器執行機構環節。由于變頻器存在加、減速時間，因此可等效為一階慣性環節。根據現場運行實際狀態，可將窯風負壓系統對象的傳遞函數視為一階慣性加純滯后環節，即Gg(s)e-τ1s。對于燒成帶溫度控制系統而言，為了便于工程實施，前饋環節的前饋控制器僅以對象的靜態放大系數作為校正依據，故采用比例控制器。窯溫度的控制環節采用內模控制，根據回轉窯的熱工特性和溫度的變化速度，可以將窯溫度的被控對象抽象為一階慣性加純遲延，即Gw(s)e-τ2s=Kw/(Tws+1)e-τ2s，窯溫度的被控對象的內部模型可表示為Gm(s)e-τms=Km/(Tms+1)e-τms，變頻生料給料機為執行機構，Gv2(s)可以抽象為一階慣性環節。τ1、τ2、τm分別為所在環節延遲的時間常數。

3回轉窯燒成帶溫度的內模控制

3.1內模控制器的設計

在風量作為溫度控制系統的擾動量、含氧量作為前饋控制預先作用于溫度被控對象的基礎上，研究窯溫度的內模控制。多參數控制結構如圖1所示。圖1中，ST為回轉窯燒成帶溫度的設定值，被控對象簡化模型為Gw(s)e-τ2s=Kw/(Tws+1)e-τ2s，內部模型為Gm(s)e-τms=Km/(Tms+1)e-τms，則內模控制器Qc(s)是由內部模型最小相位的逆構成。為了確保系統的穩定性和魯棒性，需要在最小相位的逆上增加濾波器F(s)=1/(λs+1)n。其中：n為濾波器的階數，即內模控制器Qc(s)=F(s)Gm-(s)-1，Gm-(s)為Gm(s)的最小相位部分[5]。λ近似與閉環帶寬成正比，λ越大系統魯棒性越好，但是響應時間會變長，所以應該選擇合適的λ。當內部模型與系統對象模型嚴重失配時，采用固定濾波器時間常數得到的閉環系統的時域響應無法使系統閉環性能達到最優[5-6]。因此，本文從自適應角度出發，尋求合適的自適應律在線實時調整內模控制器參數，增強內模控制器抗模型失配能力和抗干擾能力。

圖1　多參數控制結構圖Fig.1　Structure of multi-parameter control

3.2自適應律推導

由于自適應內模控制能夠在線實時調整內模控制器參數，魯棒性好[7-10]，故本文采用自適應函數來修正控制器Qc(s)的參數。控制系統結構圖如圖2所示。

圖2　自適應內模控制系統結構圖Fig.2　Structure of adaptive internal model control system

由于干擾和時滯只影響系統的魯棒性，在對模型自適應律的求取過程中，可以暫時不考慮干擾和時滯的作用。圖2中，Gv2(s)為一階慣性環節：

(1)

被控對象的簡化數學模型，其一階慣性環節為：

(2)

內部模型對象的簡化數學模型，其一階慣性環節為：

(3)

Gv2與Gw(s)與同屬于窯溫度控制過程的前向通道，故前向通道可化為：

(4)

(5)

由于回轉窯的熱慣性時間常數遠大于變頻生料給料機的慣性時間常數，即Tw遠大于T，且k值較小，開環極點s1=1/T、s2=1/Tw。其中的s2可看作主導極點，因此得到：

(6)

設前饋信號θ，修正函數為φ(t)、ξ(t)，由Laplace逆變換可得微分方程為:

(7)

(8)

假設對象模型與內部模型時滯時間常數相等，即τm=τ2，又令:

(9)

將式(7)和式(8)代入式 (9)，整理得:

ψ(t)μ(t)-δ(t)θ(t)

(10)

其中：

(11)

(12)

式中:r1>0、r2>0，且實際生產過程中km>0、Tm>0，則對于?t>0，V(t)>0必成立。

Lyapunov函數V(t)的微分形式為:

(13)

式中：θ(t)為前饋信號，作為投料量前向通道的擾動來處理，這樣在計算自適應律時可以暫不考慮,故式(13)可以變為:

(14)

(15)

式(15)即為所求自適應律微分方程。

3.3自適應內模控制器設計

為了保證回轉窯燒成帶溫度系統的魯棒性，對內部模型的參數進行實時在線修正是十分必要的，修正之后的內部模型為:

(16)

把式(3)代入式(16)，整理得修正后的內模控制器為：

(17)

利用反饋控制器與內模控制器之間的關系，得反饋控制器為C(s)：

(18)

對于一階過程，濾波器F(s)階次一般取n=1，所以把式(16)、式(17)代入式(18)，整理化簡得：

(19)

4控制系統仿真分析

為了更好地檢驗系統的魯棒性，在對回轉窯燒成帶溫度的自適應內模加含氧量控制系統進行仿真時，采用階躍方波輸入信號。設定模型參數k=kw=1、T=1，Tw=100、λ=2、τm=τ2=45，自適應內模自適應律中修正系數r1=0.000 2、r2=0.000 5，模型失配即時滯時間增加20%(由試驗中干擾性質確定)，慣性時間常數增加10%。為了能夠直觀地反映跟蹤設定值的效果，以回轉窯燒成帶檢測溫度YT的歸一化值作為縱軸，以仿真時間作為橫軸，仿真曲線如圖3所示。

圖3　控制效果仿真比較示意圖Fig.3　The comparison of control effect simulation

由圖4可知，當溫度設定值ST隨方波信號變化時，可知帶含氧量前饋的自適應內模響應曲線YT1，能夠較目前較常用的常規內模控制YT2和不加含氧量前饋的自適應內模控制YT3預先作用于被控對象，迅速改變水泥生料投料量，進而快速穩定燒成帶溫度，且具有較強的跟蹤能力和較好的抗模型失配能力。各項控制性能指標對比如表1所示，對比可知帶含氧量前饋的自適應內模具有良好的控制效果。因此，在以自適應內模控制穩定燒成帶溫度的同時，輔以含氧量前饋作

為窯內透氣性反映的策略，提高了回轉窯控制系統對于擾動和模型失配的適應能力。

表1　控制方式性能指標比較Tab.1　Comparison of performance indexes of control mode

5結束語

本文基于某日產量4 000 t/d水泥生產線窯系統的特點和實際生產工藝要求，在穩定窯系統風負壓的基礎上，提出了利用前饋加自適應內模控制調節投料量，以保證窯系統的透氣性，進而穩定回轉窯燒成帶的溫度。該方法的優點在于利用了含氧量前饋快速響應的特點，能及時反映窯內水泥物料的狀況；結合了自適應內模控制對難以建立精確模型的大慣性、大時滯環節有效控制和能夠較好降低模型失配的特點。綜合而言，該方法可以達到較好的控制效果，具有廣闊的工程應用前景。

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上海市“科技創新行動計劃”高新技術領域基金資助項目(編號：15111106800)；

上海市“科技創新行動計劃”國際科技合作基金資助項目(編號：15510722100)；

上海市科學技術委員會工程技術研究中心基金資助項目(編號：14DZ2251100)。

中圖分類號：TH-3;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607021

Research on the Application of Multi-parameter Control Method for the Temperature of Burning Zone in Cement Rotary Kiln

Abstract：Regarding the practical operating features of cement rotary kiln production line,combining with the requirement of technological process for temperature and negative pressure,on the basis of stabilizing the outlet negative pressure of cyclone preheater, using oxygen content at outlet of preheater as the feedforward signal for adaptive internal model control the temperature of burning zone.Through superimposing the output control of adaptive internal controller with its feedforward signal,the feeding amount of VF raw material feeder is controlled online in real time,to keep suitable amount of raw material,and guarantee the air permeability of rotary kiln system,and thus stabilizing the temperature of burning zone.The simulation shows that this method provides better control effects; and the correctness of the control concept is verified.

Keywords:Cement productionRotary kiln systemBurning zone temperatureMultiple parameter controlFeedforward controlAdaptive internal model controlWind negative pressurePIDRaw material feeding amountAir permeability

修改稿收到日期：2016-01-01。

第一作者張曉(1989—)，男，現為重慶大學電氣控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生；主要從事控制理論與控制工程方向的研究。