（控制理论与控制工程专业论文）模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 水泥厂球磨机粉磨系统是一个多变量的对象，各个变量之间不仅存在着严重的耦 合，而且一些变量还存在着很大的纯延迟及时变性。对球磨机粉磨系统采用经典的 p i d 控制，很难取得较好的控制效果。所以，长期以来对球磨机粉磨系统一直采用人 工手动控制。如何有效的实现球磨机粉磨系统的自动控制，提高自动控制的水平及粉 磨效率，减小工人的劳动强度，是一个亟待解决的问题。本文从模糊控制的角度对球 磨机粉磨系统的控制进行了深入的研究。 本文依托国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 子课题一软测量、单元级优化控制系 统设计开发及工程应用( 新型干法水泥生产过程集成控制应用) 课题，结合智海集团 一太原粉磨站工程，对球磨机粉磨系统做了深入的研究。针对球磨机具有的纯滞后、 大惯性和非线性、数学模型难以建立且随时间缓慢变化等特点，常规控制方法难以取 得良好的控制效果。而模糊控制策略大多应用于受控对象数学模型难以建立的场合， 具有较好的稳定性和鲁棒性。并结合现场实际情况和操作人员的操作经验，提出了按 提升机电流、磨机主电流和选粉机电流为主要参数，通过专家系统来确定磨机的最佳 负荷点。并设计了一种模糊控制器，来实现磨机最佳负荷点的控制。在研究过程中发 现模糊控制与灰色预测模型的结合，可以取得较好的应用效果，针对这个问题又提出 了模糊灰色预测控制器的设计思路，经试验验证该控制器可以有效的提高磨机控制的 稳定性和鲁棒性，而且算法简便，可以方便的应用于现场控制中。本文结合智海太原 粉磨站d c s 系统，以a b b 公司的c o n t r o lb u i l d e ra c 8 0 0f 集散控制系统为基础，将 本文提出的控制算法应用的实际控制中，并对控制效果进行了分析和研究。并通过 o p c 技术将控制系统与v c + + 程序进行连接，通过外部软件的运算，来实现优化控制 算法的实现。通过对现场控制效果的观察得到良好的控制效果，达到预期的目标，起 到提高产量和节能降耗的目的，能够有效提高粉磨系统运行的经济性和安全性，有着 良好的工程应用前景和价值。 关键词：磨机负荷，模糊控制，灰色预测，g m ( 1 ，1 ) 模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究 a b s t r a c t t h eb a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e mi sam i m os y s t e mw i t hs t r o n gc o u p l i n g ，l o n gt i m e d e l a ya n dt i m ec h a n g i n ga p p a r e n t l y w i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n g r e s u l ti sn o ts os a t i s f y i n g t h u s ，m a n u a lc o n t r o ls y s t e mh a sb e e no u ti n t ou s ef o ral o n g t i m e h o w e v e r , i ti ss t i l la l lu r g e n tp r o b l e mt ob es o l v et h a th o w t or e a l i z et h ea u t o m a t i o n a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，a n dh o wt or e d u c et h ew o r k e r s l a b o ri n t e n s i t y t h i sp a p e r g i v e sat h o r o u g hr e s e a r c hw o r ko nt h ec o n t r o lo ft h es t e e lb a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e m f r o mt h ea n g l eo ft h ei n t e l l e c t u a lc o n t r 0 1 i nt h i s p a p e r , r e l y i n go n n a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 ) s u b - t o p i c s - s o f tm e a s u r e m e n t , o p t i m i z a t i o nu n i t l e v e lc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，d e v e l o p m e n t a n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ( n s pi n t e g r a t e d c e m e n tp r o d u c t i o n p r o c e s s c o n t r o l a p p l i c a t i o n s ) i s s u e s t h e b a l l m i l l i n gs y s t e m t ob ed o n ea ni n - d e p t h s t u d yi n t a i y u a n z h i h a ig r o u p - t a i y u a nm i l ls t a t i o nw o r k s t ot h ep r o b l e mt h a tb a l lm i l lo fc e m e n t c o u r s ei sac o m p l e xn o n l i n e a rm u l t i v a r i a b l ep r o c e s s 、析t hs t r o n g l yc o u p l i n ga n dt i m e d e l a y t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o li sd i f f i c u l tt oa p p l yt os u c hs y s t e m m o s to ff u z z yc o n t r o l s t r a t e g ya p p l i e dt ot h eo c c a s i o nt h a t t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ed i f f i c u l tt oe s t a b l i s h m e n t ， t h es t r a t e g yh a sg o o ds t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s t h es c e n ew i t l lt h ea c t u a ls i t u a t i o na n d o p e r a t o r so fo p e r a t i o n a le x p e r i e n c e ，p r o p o s e dt ou p g r a d et h ec u r r e n t ，m i l lo w n e r sc u r r e n t a n dt h es e p a r a t o rc u r r e n tf o rt h em a i np a r a m e t e r s t h ee x p e r ts y s t e mt od e t e r m i n et h eb e s t m i l ll o a dp o i n t d e s i g naf u z z yc o n t r o l l e r , i ti sv e r yw e l lt oa c h i e v et h eb e s tm i l ll o a dp o i n t i nt h ec o u r s eo ft h es t u d y , w ef o u n df u z z yc o n t r o lc a n n o to v e r c o m et h el a gp r o b l e m e f f e c t i v e l y t oa d d r e s st h i ss t r a t e g y , w ed e s i g n saf u z z yg r e yp r e d i c t i o nc o n t r o l l e ri d e a s t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ec o n t r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o n t r o lo ft h em i l l s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，t h es i m p l ea l g o r i t h mc a nb ei m p l e m e n t e do ft h es i m i l a r i t ys c e n e v e r yw e l l i nt h i sp a p e r , w ew i l la p p l yt h ef u z z yp r e d i c t i o nc o n t r o lt ot h et a i y u a nm i l l s t a t i o nd c ss y s t e m i nb a s e o ft h ec o n t r o lb u i l d e ra c 8 0 0fs y s t e m ，w ea p p l yt h em e t h o d t ot h ef i e l d w es t u d ya n da n a l y s i st h ec o n t r o lt h ee f f e c t t h r o u g ht h ec o n n e c t i o n 谢t l lo p c t e c h n o l o g ya n dv c + + ，w ea c h i e v et ot h er e a l i z a t i o no fo p t i m i z a t i o no fc o n t r o la l g o r i t h m t h r o u g ho n s i t ec o n t r o lo f t h eo b s e r v a t i o n ，c o n t r o l l e r sc a ng e tg o o dc o n t r o l ，c a ni m p r o v e h 济南大学硕士学位论文 t h eo p e r a t i o no ft h ee c o n o m ya n ds e c u r i t yt om i l l i n gs y s t e m t h ea p p l i c a t i o nh a sg o o d p r o s p e c t sa n dv a l u e k e y w o r d s ：m i l ll o a d ，f u z z yc o n t r o l ，g r a yp r e d i c t i o n ，g m ( 1 ，1 ) 。 i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 弛叠 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：勇皴导师签名 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水泥企业自动化发展现状 为适应节能增效的趋势，几十年来人们除了不断对水泥工艺和设备进行优化和改 进，自动控制技术也发挥了越来越重要的作用，从而可以稳定生产过程，提高质量， 增加产量，降低能耗和成本，提高设备运转率和劳动生产率，降低劳动强度，保证了 企业提高经济效益和达产达标。水泥企业自动化的目的主要有两个：一是降低生产过 程的成本，二是提高产品的质量。只有逐步提高自动化水平，逐步实行仪表化、自动 调节和计算机控制，才能逐步提高产品质量。并且，经过4 0 多年的发展，自动控制 经历了从简单仪表指示到自动化调节，从计算机集中控制到集散控制，从单纯的生产 过程控制到控制管理一体化的不断进步和完善提高过程。随着新型干法水泥生产技术 的推广应用，实现生产过程自动化的必要性也愈加明显。这是因为新型干法水泥生产 过程环节多，连续性强，许多工序联合操作，相互影响，相互制约。生产过程本身就 要求具有高度的稳定性、设备运转的可靠性和调节控制的及时性。而这些要求，靠人 工操作是不可能达到的。生产过程自动控制具有反应灵敏、控制及时、调整精确的特 点，是保证现代化连续性大生产安全稳定运行必不可少的工具。 我国水泥企业自动化科技人员早在七十年代中期就己经开始研究计算机在水泥 生产过程中的应用，由于受当时计算机技术水平的限制，实际工业应用还存在许多困 难。进入八十代，一些国外引进的大型水泥生产线配套了计算机集中控制系统，但中 控室监控、操作仍以集中仪表盘为主。八十年代后半期，国外引进的大型水泥生产线 开始配套使用集散控制系统，即d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ( d c s ) 。与此同时，国内自 行设计的水泥生产线也开始采用d c s 控制，但仅仅处于设计、研究阶段，还没有进 入实际运行。八十年代是我国水泥行业计算机控制系统应用的初级阶段。九十年代以 来，国外引进或国内自行设计的大中型水泥生产线绝大多数使用了计算机控制系统， 文献 4 8 】介绍了d c s 在水泥行业的具体应用，其中文献 6 的控制系统还分别结合了 p l c 技术和现场总线技术。进入新世纪，随着计算机技术、网络技术、通信技术、控 制技术的发展，我们可以看出一个明显的水泥自动化新动向，即世界各大水泥制造商 和计算机公司，除了注重d c s 在水泥生产线的应用之外，还特别热衷于水泥生产主 要环节的先进控制软件开发，比如：窑磨专家系统，生料质量优化控制系统和优化软 模糊预测控制在水泥粉屠系统中的应用研冗 ! ! ! ! 苎! ! ! 曼! 曼! ! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 曼! i _ i i i ! ! ! ! 件。 1 2 水泥行业国内外研究动态 水泥生产的自动控制与过程优化是水泥企业增产、节能、降耗的关键所在。而伴 随复杂的物、化反应，水泥生产各主要工艺流程均为多变量、时变、非线性、大时滞 对象，这对水泥生产的过程建模及优化控制都带来了极大的难度，为此，国内外学者 进行了大量的相关研究。 1 2 1 国内研究动态 有关的研究集中体现在文献【9 2 5 】中，具体如下： 文献【9 - 1 3 】对模糊控制、专家系统、r b f 神经网络在水泥回转窑自动控制系统的 应用方面进行了研究与实践；文 1 4 1 5 给出了水泥回转窑的模糊控制模型；文 1 6 1 7 】 则分别研究了回转窑和分解炉的b p 神经网络模型；文献 1 8 - 2 0 在水泥磨、配料过程、 烧成过程的建模与仿真方面做了自己的研究，分别应用了机理推演以及数值仿真等方 法。 分解炉控制系统的研究，体现在文献 2 1 - 2 5 】当中。文【2 1 】、 2 4 研究了分解炉的 模糊预测控制；文 2 2 】、【2 3 研究了基于d c s 环境下的模糊控制在分解炉上的应用情 况；文【2 5 】在建立分解炉模糊控制规则库的基础之上，用b p 神经网络进行优化处理， 研究了分解炉炉温的模糊神经网络控制。 1 2 2 国外研究动态 传统水泥生产的自动控制与过程优化主要是基于操作员经验模型的模糊控制和 专家系统，即是模拟现场操作员工和水泥工艺专家的经验而进行自动控制的，本身从 理论上并不具有优化功能，只是因其模拟的人工经验都是水泥企业生产现场优秀员工 或资深工程师的成熟经验，因此在应用实践中达到了一定的优化目的，操作效果通常 比水泥企业完全手工操作要好的多。 目前国外水泥自动化控制正在由上述单纯的专家系统控制向结合机理模型的专 家控制系统方向发展，希望实现操作的不断优化。文献【2 6 】研究了水泥悬浮预热回转 窑的模糊控制；文献【2 7 】介绍了基于专家系统的水泥回转窑故障诊断问题；文献 2 8 】 是a b b 公司的专家系统在水泥磨、生料磨和回转窑的应用。 2 济南大学硕士学位论文 1 3 磨机控制研究动态 在现代工业生产中粉磨过程一般是指运用外力克服固体物料质点之间的内聚力， 使之分裂，破坏并使其颗粒减小的过程。粉磨过程是现代工业生产中的重要环节，在 水泥生、熟料的生产、火力发电和矿石开采、冶炼等工业过程中都有广泛的应用，并 且直接影响到产品的质和量以及技术经济指标。在实际生产中，粉磨是一种耗能巨大， 效率极低的作业方式。例如文 2 9 提到在水泥生产过程中，水泥的单位电耗约为 1 0 0 1 1 0 k w m ，其中粉磨电耗大约占到6 0 7 0 。表1 1 列举出了水泥生产过程中 各个工艺过程所占的电耗比。 表卜1 水泥生产中各系统电耗比例 工艺过程 电耗比例( ) 矿山和均化 生料粉磨 生料搅拌 熟料烧成及冷却 水泥粉磨 包装及发运 5 2 4 6 2 2 3 8 5 粉磨过程的效率一直以来也是困扰各个水泥企业和科研人员的难点问题。在整个 粉磨过程中，总能量的9 5 9 9 都变为热量而散失。在文 3 0 1 q 丁，作者结合身边各 水泥厂的实际情况进行了相应问题的分析，总结了管球磨机功率测定值和分配比例 - 4 - - 衣。 表卜2 管球磨机功率测定值和分配比例 因此，如何提高粉磨过程的整体性能成为了当今科研工作中一项十分现实而又急 迫的任务。总结文【3 1 3 4 中的内容，可以得出的结论为粉磨过程的整体性能受两个层 面因素的影响： ( 1 ) 粉磨系统的结构和设备选择，如磨机以及选粉机结构的设计，更进一步如磨 机尺寸，内部结构以及选粉机电机选取等； ( 2 ) 基于设备参数的控制策略的选取。 模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究 对于水泥企业来说，合理的选取磨机类型和粉磨设备之间的结构成为了提高粉磨 过程整体性能的先决条件。但是在大多数的实际工程项目中粉磨过程的整体结构和设 备选型已经确立，因此在实际工程中，控制策略的选取以及控制器的设计成为了影响 粉磨过程的最直接因素。伴随着国家节能降耗政策的出台，工业粉磨过程的高能耗与 低能效已经不能符合当今社会的要求，因此寻求一种可行的优化方案使得粉磨过程降 低能耗提高产量成为了当前研究的重中之重。 1 3 1 现代粉磨技术发展 现代粉磨技术发展大体经历两个阶段：第一，2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代钢球磨 机大型化及其匹配设备的优化改进和提高阶段；第二，2 0 世纪7 0 年代至今的挤压粉 磨技术发展完善和大型化阶段。其发展特点如下： ( 1 ) 原料的烘干和粉磨作业一体化，烘干兼粉碎磨机系统得到了广泛的应用。并且 由于结构及材质方面的改进，辊式磨获得新的发展。2 0 世纪9 0 年代中期以来，辊式 磨及辊压机终粉磨已成为首选技术装备。 ( 2 ) 磨机与新型高效的选粉、输送设备相匹配，组成各种新型干法闭路粉磨系统， 以提高粉磨效率，增加粉磨的有效利用率。 ( 3 ) 采用新型耐磨材料，改善磨机部件材质。添加助磨剂，提高粉磨效率。并在粉 磨过程中采用冷却方法，提高粉磨效率，改善出料品质。 ( 4 ) 实现操作自动化。目前水泥粉磨系统已广泛采用电子定量喂料称、自动化仪表 及电子计算机控制生产，实现操作自动化，已进一步稳定磨机生产，提高生产效率。 磨内作业主要利用电耳、提升机负荷、选粉机回粉量和磨内压差等进行磨机的负荷控 制。目前已经有实际产品运用到生产中，并取得了良好的控制效果，获得了良好的经 济效益。 1 3 2 磨机控制的研究方法 从目前阅读的文献中提到的并取得一定实际应用效果的研究方法，大体可以分为 以下几个方向： 一、主要是总结现场的实际操作经验的基础上，发现在磨机负荷控制中的主要变 量加以控制。如丹麦s m i t h 公司在朝鲜顺川水泥厂生料磨的负荷控制中，用提升机功 率作为主控信号，以电耳信号作为饱磨、空磨的监控信号：前西德s c h e n c k 公司 以磨音信号为主环，提升机功率为副环构成串级调节的磨机负荷自动控制系统。 4 济南大学硕士学位论文 二、主要是运用理论模型对磨机进行控制，研究人员运用物料平衡等方程模拟出 磨机的运行方程，然后在通过预先设计好的试验对磨机模型的参数进行确定。从而得 到对特定的磨机比较精确的模型，并由此运用最优控制及其它先进控制方法对磨机负 荷进行控制，也取的了很好的控制效果。 1 4 模糊预测控制方法简介 由于构成客观世界的万物是干变万化、错综复杂的，再事务属性、万物间的联 系和施加于事务上的各种“作用因素”等方面均具有模糊性，加上人类对万物的联系 于思维都是极其粗略的，语言表达是暖昧的，逻辑推理是定性的，毫不在乎地容纳着 许多矛盾，因此“模糊概念 更适合人们地观察、思维、理解与决策，这也更适合于 客观现象和事物地模糊性( f u z z i n e s s ) 。与此可见，在智能控制中，如果把“神经网 络 看作是“思维型 优化控制地话，那么“模糊控制”的特色就是一种“语言型” 的决策控制。 模糊集合和模糊算法的概念由美国加利福尼亚大学著名教授查德( l a z a d e n ) 于2 0 世纪6 0 年代，在他的( f u z z ys e t s ) ) 和f u z z ya l g o r i t h m ) ) 等著名论著中首先 提出“f u z z ys e t s ( 模糊集合) 的概念。提出用隶属度函数来描述模糊概念，从而突 破了经典集合论中属于或不属于的绝对关系，标志着模糊数学的诞生。在随后的研究 中，他还进一步发展了语言变量、模糊i f t h e n 规则、模糊映射和模糊图等概念， 为模糊控制和模糊系统建模奠定了良好的基础。 1 4 1 模糊控制发展概况 1 9 6 5 年，扎德发表了f u z z ys e t s ) ) 之后，到1 9 6 6 年，马里诺斯( p n m a r i n o s ) 发表了模糊逻辑的研究报告。严格地说，模糊逻辑这时才真正诞生。后来，扎德又提 出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念。到1 9 7 4 年时，扎德又进行模糊逻辑推理 的研究。从此，模糊逻辑成为人们研究的一个热门课题。 1 9 7 4 年，伦敦的q u e e nm a r y 学院的马丹尼( e h m a m d a n i ) 首次用模糊逻辑和模 糊推理实现了第一个试验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的d d c 控制更好的效果。 它的成功也标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始，从而宣告了模糊控制的问 世。 1 9 7 6 年丹麦高等工业学校的拉森( p m l a r s o n ) 和奥斯特加德( j j o s t e r g a a r d ) 也进 行了热交换器模糊控制的试验，对象是一个双输入双输出系统，并且有很强的耦合作 5 模糊预测控制在水泥粉蘑系统中的厦用研究 用和非线性特性，其控制效果良好。与此同时，英国曼彻斯特大学的拉瑟福德 ( d a r u t h e r f o r d ) 、卡特( g a c a r t e r ) 和黑格( m j h a g u e ) 在英国钢铁公司 m i d d l e s b o r o u g h 的一个烧结厂对原料的湿度进行模糊控制，并实际了卓有成效的烧 结。英国剑桥大学的汤哥( r t o n g ) 把模糊控制用于英国钢铁公司b a t t e r s e a 的一台炼钢 转炉。 1 9 7 9 年，中国的李宝缓，刘志俊等人开始了模糊控制器的研究工作。他们用连 续数字仿真的方法研究了模糊控制器的性能，并和传统的p i 控制器的性能进行了比 较，指出了模糊控制器有响应速度快、过渡时间短，对参数变化不敏感等优点。 1 9 8 2 年，陈永义对模糊逻辑中的模糊算子进行了探讨。朱剑英对磨床研磨表面 光洁度进行模糊控制。邓聚龙、彭国忠等研究了利用模糊数字仿真与辅助设计，解决 多目标模糊积分系统的最优设计问题。李从心在开关式液压位置伺服系统中利用模糊 控制方法，取代多级继电器的控制方法。应行仁对采用最大隶属度决策方法的模糊逻 辑控制器进行了分析。 1 9 8 3 年，日本日光制造厂系统开发研究所的安信等人，用预测模糊控制方法对 电气化铁路列车的运行和停止进行了控制，并达到节能1 l 1 4 的效果。中国的宋大 鹤对模糊控制方法提出了一种新的算法。中国的唐多元和日本的寺野寿郎、管野道夫 用模糊推论的方法建立了过程语言模糊控制的稳定性条件。 1 9 8 5 年，日本九州工业大学的前田、村上等对汽车的速度使用模糊控制，有加 速平滑，上、下坡能稳定行走的效果。荷兰的拉金( ( l i l a t i n ) 对飞机着陆的模糊控制 进行了研究。中国的陈永义，汪培庄提出了模糊逻辑推理中最优模糊蕴涵和近似推理 的直接方法而涂象初等研制出模糊p i d 调节器，并给出了自寻优的方法。 1 9 8 6 年，中国的李东辉开展了对模糊控制规则自调整、模糊控制系统寻优及其 仿真研究。日本的安信等人把模糊控制用于港口集装箱起重机的小车行走和卷扬提升 机的运行控制。彭映斌在高温烧结过程中应用了模糊群控，取得了满意的温度控制稍 度，并可节能1 0 左右。随后，我国模糊控制应用的例子渐渐增加。 1 9 8 8 年，邓聚龙提出了最小信息量的最优模糊控制。1 9 9 0 年，陈常祥提出了自 寻优模糊控制。近年来，日本兴起了模糊控制热，目前，模糊控制已渗透到家用电器。 日本现在已有模糊电饭煲、模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机等在市场上出现。 自2 0 世纪8 0 年代后期开始，模糊控制进入了实用性阶段，并且其应用技术逐渐 去向成熟，应用面也逐渐扩展，国外以日本、美国等国尤为突出。主要反映在： 6 济雨大学硕十学位论文 1 ) 从前期以大型机械设备和连续生产过程为主要对象，发展到大众机电产品， 如以电视摄像机自动聚焦等家用电气的应用为对象。据日本电气公司( n e c ) 在2 0 世纪末统计，松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等家用电器 上普遍应用了模糊控制技术，其普及率超过5 0 ，有的己高达8 0 。 2 ) 向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深方向拓展。 3 ) 在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，并且开发“模糊 控制用的通用系统 。所谓“模糊控制用的通用系统 是指：以模糊推理来决定控制 动作的算法作为控制系统的核心，并且采用任何一条控制规则，均具有相应设定功能 的一种调节作用。同时还把模糊控制用的通用控制器与其他相关的通用软件通称为 “模糊控制用的通用系统”。随着面向特定对象的控制系统开发的迅速增长，以通用 为目标的系统开发要求也趋向迫切。目前对高速、小型、使用简便的模糊器件与以通 用化为目标的模糊控制系统的需求也迅速增长。 1 4 2 灰色理论简述 本文结合实际磨机研磨过程特点，应用模糊控制的基本思想，寻求新的控制理论 在实际复杂控制系统应用中的方法。由于在磨机研究过程中发现，磨机粉磨过程存在 延迟特性，因此我们借用灰色预测理论来对磨机的控制参数进行预测。由于灰色预测 模型可以在线改变模型参数，对数列的预测有很好的效果，而且计算相对简单。因此 在此我们选用灰色预测控制可以有效的减少延迟带来的影响。 灰色理论认为：一个实际运行的系统是一个灰色系统，这个系统部分信息可知， 而有的信息知之不准或完全不知，尽管客观系统表象复杂，数据离散，信息不完全， 但必然潜伏着内在的规律，系统中各因素总是相互联系的。 灰色系统理论是八十年代发展起来的一门新学科，其灰色模型不仅应用于工程技 术、社会、经济、农业、生态和环境等各种系统的预测中，而且在过程控制系统中也 获得了广泛的应用。灰色系统着重外延明确，内涵不明的对象。灰色系统建模方法是 着重系统行为数据间、内在关系间挖掘量化的方法，是内涵外延的方法。灰色系统建 模实际上是一种以数找数的方法，从系统的一个或几个离散数列中找出系统的变化关 系，试图建立系统的连续变化模型。灰色模型的建立机理是根据系统的普遍发展规律， 建立一般性的灰色微分方程，然后通过对数据序列的拟合，求得微分方程系数，从而 获得灰色模型方程。 7 模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究 1 5 本文主要工作 1 5 1 课题来源 本论文研究课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 子课题一软测量、单元 级优化控制系统设计开发及工程应用( 新型干法水泥生产过程集成控制应用) ，特别 针对磨机负荷的优化控制做了深入的研究。 1 5 2 本文主要内容 本课题结合山西智海集团太原粉磨站d c s 项目，该系统于2 0 0 2 年7 月投产，运 用和利时公司m a c s _ 控制系统。由于设备的老化及系统升级的问题，决定于2 0 0 7 年1 0 月更换d c s 控制系统，并借此机会增加磨机负荷的优化控制，以进一步提高产 量。经资深专家和现场操作工人联合分析，影响产量的其中一个很重要的原因是工艺 操作不好，由于回粉量不能精确测量，导致入料量有比较大的波动，在磨况稳定时投 入4 0 t 料量可以稳定运行。但经过一段时间的运行，随着回粉量的增加磨机逐渐趋于 饱磨状态，如操作不能及时减料就会造成饱磨的事故，影响正常的生产。为此需要设 计磨机负荷控制系统，可以使磨机长期稳定运行，并可以保持较高的产量。 因此，本文针对现场运行的三台辊式球磨机，在充分分析其结构和工作机理的基 础上，以出磨提升机电流、回粉量、磨机主电流、选粉机电流和出磨口负压等为控制 变量，首次使用基于模糊灰色预测的控制算法，实现了磨机粉磨过程工作性能的优化 控制。算法的实现是利用s t 语言编制程序，并将开发好的控制模块放入d c s 系统中 运行。经现场实际运行效果验证，该控制器可以取得比较满意的控制效果。 1 6 本章小结 本章首先深入分析了水泥企业自动控制发展现状，并在研究了国内外磨机负荷控 制基础上，总结了当前水泥回转窑控制现状与不足，得出了对于水泥磨机的应用控制 研究必要性的结论。最后结合课题来源和太原智海集团太原粉磨站生产线实际情况， 给出了本文主要工作。 8 济南大学硕十学位论文 第二章磨机粉磨过程机理研究 水泥工业属于能源密集型制造工业。煤耗、电耗占水泥厂成本的7 0 以上，有的 还要高些。而水泥厂中磨机所占能耗约为3 0 3 5 ，其中球磨机和管磨机的能量利 用率极低，粉磨物料的有用功耗仅占功耗的2 0 旷2 0 之间。球磨机是一种工业生产中 十分重要的制粉设备，它广泛应用于矿山、冶金、化工、建材和电力等行业。球磨机 具有可磨物料种类多、控制简单等特点，但也普遍存在着钢球消耗量大、系统运行自 动化程度低等问题。属于一种高能耗、低效率的设备，在磨机所消耗的电能中只有不 到1 0 的能量被真正用于原料的粉磨，而9 0 以上的能量被转化为振动、发热和噪 声。球磨机是工厂的耗能大户之一，同时也是潜在的节能大户之一。 基于以上原因，我们提出对磨机粉磨进行优化研究。通过对磨机粉磨过程的优化， 我们期望可以保证磨机的稳定运行的同时达到提高磨机产量，同时提高磨机的粉磨效 率，达到节能降耗的优化目的。 2 1 水泥粉磨工艺简介 水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥 熟料( 及缓凝剂、性能调节剂等) 粉磨至适宜的粒度( 以细度、比表面积等表示) ， 形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要 求。 随着预分解窑发展日趋完善，熟料生产热耗大幅度降低，而水泥生产综合电耗长 期居高不下。2 0 世纪8 0 年代以来，人们重点关注粉磨技术的改进和突破。关注利用 挤压粉磨技术代替冲击粉磨技术的研究，以提高粉磨功率的利用率，降低水泥生产综 合电耗。除了关注工艺技术的发展，控制界的专家也同时注意到随着现代控制理论的 发展，在水泥粉磨环节引入先进控制策略，也可以提高产量、降低电耗。因此，水泥 粉磨技术创新，对于提高水泥产品质量、节约能源消耗、降低水泥成本，使新型干法 水泥生产更具经济竞争力，具有重要意义。 在目前的水泥粉磨过程中广泛采用管球磨机作为主要粉磨设备，主要的作业方式 分为开流和圈流两种。相对于圈流磨，开流磨的粉磨效率和产量相对较低，成品中还 夹杂有一定数量的颗粒，因此对于后续工序极为不利，直接影响到产品的质量。其结 构图如图2 1 。所示因此早在上世纪三十年代就出现了最早的圈流粉磨结构应用于实 9 模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究 际现场。其具体结构如图2 2 所示。 图2 1 开流粉磨工艺流程图 图2 2 一级圈流粉磨工艺流程图 物料由进料口进入管球磨机进行粉磨，在磨机内经过研磨体的挤压动作，对物料 进行粉碎。由图2 3 可以看出，磨机的转速必须达到规定值，研磨体才可以在磨内做 抛物线动作，才可以对物料进行有效的研磨。经过研磨的物料在风的带动下，通过篦 板磨机磨细的物料由提升机送至选粉机。经过选粉后，分成细物料流( 出料) 和粗物料 流( 回料) 。细物料直接作为成品输出，粗物料流则返回磨机进料口进行再次粉磨。与 之相对应的还有二级圈流磨并在上世纪5 0 年代后逐步被中卸圈流磨所代替。中卸圈 流磨实质上是将两台磨机合并为一台，保留了二级圈流磨的优点，使系统更为简化， 并且克服了二级圈流磨在两台磨机控制上的缺点，因而得到了广泛的应用。 磨区域 图2 3 研磨体在磨机内运动曲线 上世纪6 0 年代后，一种在单仓球磨和多仓长磨基础上发展起来的双仓中长磨逐 步取代了上述两种磨机载干法水泥厂粉磨过程中的地位。它弥补了单仓球磨循环负荷 大，以及产量要求高时磨径太大的缺点，同时又改进了多仓长磨圈流粉磨效率低的弱 1 0 济南大学硕士学位论文 点因而成为了现代粉磨过程中主要应用的系统设备。 纵观现阶段各个流程工业中对粉磨过程性能的要求，采用此种中长磨的一级圈流 粉磨系统已经可以满足绝大多数企业的要求。因此对于一级圈流粉磨系统的控制及优 化研究具有十分重要的现实意义。再者，对于采用多极圈流粉磨系统的企业来说，多 极圈流粉磨的实质仍然为一级圈流粉磨，因此，对一级圈流粉磨系统的研究具有很强 的代表意义。 2 2 磨况分析 我们以智海集团太原粉磨站作为实际研究对象，对磨机的基本特性进行分析，其 实际操作画面如图2 4 所示。在这里我们选用所有的水泥粉磨设备都具有的几个基础 变量作为磨机分析的基础，并由此得出磨机实际运行的一些基本特性，为后面磨机的 控制器的设计做好准备。 塑= 二 二_ 三工= l f z 虫日墨啊圄圈露翻暖搿鳃臻掰勰躐糍糍貉辫翳鬻瓣雾麓嚣鼍麓管毫警。一n 一二型 气譬卜一i 二i 一： 图2 4 智海集团粉磨站磨机控制画面 根据现场操作人员的经验总结，我们可以把磨机运行过程中出现的情况分为以下 几种典型状况，我们通过现场的参数运行曲线给以实际的说明。在下列图示中，左图 中最上面一条曲线表示磨机电流，中间一条曲线表示出磨提升机电流，最下面一条曲 线表示选粉机电流曲线。右图曲线表示磨机出口负压。 一、正常运行状况 由图2 5 可以看到，当磨况稳定时各个变量的运行趋势比较平稳，没有明显的上 模糊预测控制在水泥粉磨系统中的应用研究 升或下降趋势。这就表明磨况稳定，这时一般可以考虑适当增加入料量，以提升产量。 图2 5 磨机稳定时的趋势图 二、饱磨状况 图2 6 曲线表示的是饱磨时的各变量变化趋势。图中变化最为明显的是出磨提升 机电流的变化。当出磨提升机电流呈持续上升趋势，并且无法自行恢复平稳时，根据 现场人员操作经验我们认为磨机趋于饱磨。这时磨机主电流也有所下降，这与图2 8 提到的当饱磨状态发生时，磨机功率下降是吻合的。同时选粉机电流也呈持续上升趋 势，说明选粉机中的物料也有所增加。综合上面的因素我们认为磨机趋于饱磨状态， 应及时减少入料量，使磨机尽快恢复稳定状态。图中的第二条曲线急剧下降表明操作 人员减少入料量，以使磨机尽快恢复稳态运行。同时磨机主电流上升，选粉机电流也 相应的有所下降。作为另一个参数磨机出磨口负压也明确的表明饱磨状态的发生，由 图中可以看出，负压值一直增大，这就说明磨内物料增多，通风状态差，有饱磨的趋 势。 图2 6 磨机趋于饱磨时的趋势图 三、堵磨状况 图2 7 曲线表示堵磨状态时的各变量趋势，图中变化最为明显的是磨机主电流的 变化。这种情况极少出现，因为现场操作人员的操作失误才出现了下面这种情况。不 过由此我们可以看出，在正常运行期间，当磨机主电流有下降趋势时，可以代表磨内 负荷正在增加。这时如不及时采取措施，就会发生磨机电流急剧下降，表示磨内堵磨 济南大学硕士学位论文 严重。而这时出磨提升机电流没有明显的下降，只是变化趋势变缓，说明出磨物料减 少。而选粉机电流有少许下降，这都可以表明堵磨现象严重，无物料进入选粉机。同 时出磨口负压快速增加，也同时说明磨内发生堵磨状况。磨内发生严总堵磨状况，磨 内无法通风，负压急剧上升。 i 豫错豁# 【棼端黼掣铆瓣鬻躲* 糍渺搿辑搿冽蹴嚣一- 一搿带，瓣k 精僦蟛1 黔i 学 o # 3 嚣珊俐城嚣拼瓣， _ 瓣裕# 瓣麟搿缀氍嚣黜瓣靴i 张髀# 女。辑# 蕊端僦辨# 稿h g 嬲 搿燃饼珊饕”j t 黜“- # # ，鹪镕糍鞋籀舅群嬲 量纛鬟霪熏鍪蒸黧霍霾黛霆蘩鬻蒸熏 黝蕊僦黜黝# # 蜊憾州瓣端# 蛳僦徽j l 瞄i 謦苷；4 蛾g 城瓣徽嚣删黼糍舰。一。j 撕燃g l 铺搿靴“ _ 镛嘏# g 糍镕瑚韶搿j 粥编稀掰栅聊能嚣撼j 游# 辩# 绺# # 瓤蛾* 别i i 鳓o g # 槲# 蹦赣镕糖嬲缚m j 一船 - 硝* 镕$ l 蝴瓣翟獬、捌# _ 蝣。v # # 搿端强o # # 黼j 锄o 彬二凇黜蟛瓣镕搿黼翳# ? 繁2 9 # 努嚣女l 日删* 辑删端群镕糍# 缀糍# 璐鞲张o - # l “，# 瓣s 蕊 搿辩戳鼢勰 _ 雌施耘m ， 7 ，t i _ j i 川 + f “4 磷搿搿。群$ # 掰i 缓o 。籀s 女# # j 一擀$ “粕撕，t 。堪o g 蕊# # 张张卿t 张瓣镕群嚣嚣撼施o * 一* 一g ；瓣# 勰瓣_ 麓嬲臻辩$ 勰擀辫# 麓僦，浮 。，膏”+ 孳苎毪# 燃# 日船。0 * 甜# _ 瓣黼麟瓣 就黼粥# 黪琵疆女镕蝴榭船船 黜 “g - 揣摭鸯嚣s g _ 鼻* 搿4 端$ m 黼$ 嚣蛳粼蝌虢。麓”9 3 黼1 j 1 黼* 搿“ 一例瓣# 鳓# g 辫# 黼珊搿虢潍；凇# 撼删。拣霸豁徽* 鞲蛾辩搿_ 麓崩嚣j _ 獬# 榭g 黼惭# “辨= 怒。t 城# 燧4 獬。，鲐端$ 黜= _ 戮糕缀瓣甏纛羲豳蘸蘸隧纛溪瓣熬 黝缀黪辫瓣黧粼囊熬豳曩蒸黝蘸纛荔豢霾簇 2 3 控制参数选取 图2 7 磨机堵磨时的趋势图 由上面的分析，我们可以看到，在磨机的运行中，选用磨机主电流，出磨口负压， 提升机电流、选粉机电流这几个主要变量，可以有效的分析出磨机的运行情况。在这 里我们运用专家知识将磨机运行状况分为几种典型的情况，并以此为依据来为后面的 控制环节提供设定值。 磨况一、正常生产工况。此时磨机处于自稳状态，不需要人为的进行控制，磨机 可以比较好的运行在稳定工况下，但是这时磨机运行效率低，无法达到最优生产的要 求，是目前大多数企业运行较多的工况。 磨况二、空磨和堵磨等严重影响生产的工况。这种工况在正式生产中一般不会出 现，这种工况出现会认为是一种事故状态。所以在这种工况下，自动控制无法起作用， 只能在这种状况发生前做出应有的警告，由现场操作员来及时进行手动调节。 磨况三、最优控制工况。这种工况下，磨机运行的总功率变化不大，但无功功率 下降，而有功功率明显上升。这就确保了在同样的功耗下，磨机的产量明显上升。很 好的达到了节能降耗的控制目的。但在这种工况下磨机已经不在自稳状态下了，这就 需要设计相应的控制器对其进行有效的调节，以保证磨机长期稳定的运行在最优工况 下。 由前一节的现场实际数据的分析我们可以得到，出磨提升机电流与选粉机电流同 趋势变化，而出磨提升机电流变化要明显的多，所以我们选用提升机电流作为主要变 量参数表示磨机的负荷，参与磨机的控制。磨机主电流与出磨负压也同趋势变化，而 模糊预测控制在水泥粉膊系统中的应用研究 磨机主电流更能反映磨机的实际运行状态，所以我们这里选用磨机主电流作为主要控 制参数。由于两个电流中以出磨提升机电流变化最为明显，所以在这里，我们选用出 磨提升机电流作为表明磨机负荷的主要