（控制理论与控制工程专业论文）重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 摘要 介绍了重碱蒸汽煅烧炉控制系统技术改造的研究，其目的是用先进控制方法 来代替原来传统的控制方法，先进控制方法采用了模糊s m i t h 预估控制策略。 模糊控制作为智能控制的一个重要分支，有着无需知道被控对象的数学模型 和较强的鲁棒性两大特点，而重碱蒸汽煅烧炉是一个大惯性、非线性、纯滞后的 系统，不易得出精确数学模型，因而采用模糊s m i t h 预估控制的方法，实现对重 碱煅烧炉的温度控制，可有效地提高煅烧炉的热效益和纯碱的生产质量。 本系统的设计采用性能优越的过程控制系统s i m a t i cp c s 7 ，对其技术 性能做了研究。其基于p r o f i b u s 现场总线的现场级通讯使其与传统的d c s 相 比具有明显的优势，使改造后的重碱煅烧工序能满足自动化和现代化生产要求。 在模糊s m i t h 预估控制应用仿真中，结合具体的重碱煅烧温度对象介绍了模 糊s m i t h 控制器的设计步骤，然后分析了k e 、k e c 、k u 三个参数的改变对响应曲 线的影响，取得了良好的比较效果。将模糊s m i t h 控制与传统的p i d 控制进行了 比较，并通过改变极点和纯滞后时间检验了模糊s m i t h 控制的鲁棒性。 关键词：模糊控制，s m i t h 预估控制，d c s ，p r o f i b u s 现场总线，煅烧炉 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 t h ea d v 久n c e dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h a n dd e s i g n o fh e a v ys o d as t e a mc a l c i n e r a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o p o s e sa l la d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o lm e t h o du s e dt os u b s t i t u t ef o r t r a d i t i o n a lm e t h o di nt h er e s e a r c hf o rc o n t r o ls y s t e mo fh e a v es o d as t e a mc a l c i n e rb y u s i n gf u z z y s m i t hp r e d i c tc o n t r 0 1 a sa l li m p o r t a n tb r a n c ho fi n t e l l i g e n c ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o lh a st w oc h a r a c t e r s ， o n ei st h a ti t i si n d e p e n d e n to fa c c u r a t e l ym a t h e m a t i cm o d e l ；t h eo t h e ri st h a ti th a s p r e f e r a b l er o b u s tp e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，h e a v ys o d as t e a mc a l c i n e r i sa s y s t e mo fb i gi n e r t i a ，n o n l i n e a r i t ya n ds l o w t i m ev a r i a t i o n ，a n di t s a c c u r a t e l y m a t h e m a t i cm o d e lc a nn o tb eb u i l te a s i l y , s of u z z y - s m i t hc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hc a n e f f e c t i v e l ye n h a n c et h eh e a te f f i c i e n c ya n ds o d aq u a l i t y , i sa p p l i e dt oc o n t r o ls t e a m c a l c i n e r a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，s i m a t i cp c s 7 ，t o g e t h e rw i t hi t sp r o m i n e n t p r o p e r t i e s i se m p l o y e di nt h i ss y s t e m 1 1 1 es p o tc o m m u n i c a t i o n ，b a s e do np r o f ib u s ， m a k e si ts u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，a n dt h ew o r k i n gp r o c e d u r eo fh e a v ys o d a c a l c i n e rh a sb e e n r e f o r m e d t om e e tt h er e q u i r e m e n to fm o d e ma n da u t o m a t e m a n u f a c t u r e i nt h ea p p l i c a t i o ns i m u l a t i o no ff u z z y s m i t hc o n t r o l ，t h ed e s i g na p p r o a c ho f f u z z y s m i t hc o n t r o l l e r , t o g e t h e rw i t ht e m p e r a t u r eo b j e c t i si n t r o d u c e d n l ee f f e c to f c h a n g e so ft h ep a r a m e t e r - - k e ，k e c ，k uo nr e s p o n s ec u r v ei sa n a l y z e d f u z z y s m i t h c o n t r o lw a sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i de o n t r o la n dw ee x a m i n e dt h er o b u s to f f u z z y s m i t hc o n t r o lb yc h a n g i n gt h ep o l ea n dl a gt i m e k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，s m i t hp r e d i c tc o n t r o l ，d c s ，p r o f i b u s ，c a l c i n e r i l 青岛科技大学研究生学位论文 本论文常用缩写词表 d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 。集散控制系统 f c ：f u z z yc o n t r o l l e r ，模糊控制器 f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统 i 0 i n p u t o u t p u t ，输a 输出 o s ho p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放式系统互联 p c ：p e r s o n a lc o m p u t e r ，个人计算机 p l c ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程序逻辑控制器 p i d ：p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n dd e r i v a t i v e ，比例、积分、微分 p r o f i b u s ：p r o c e s sf i e l db u s ，过程现场总线 a p c ：a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l 。先进过程控制 p c s ：p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，过程控制系统 o l e ：o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 对象连接与嵌入 o p c ；o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 过程控制的对象连接与嵌入 i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委员会 m e s m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，制造执行系统 e r p ：e n t e r p r i s er e s o u r c ep r o g r a m 。企业资源计划 c a n ：c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，控制局域网络 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 1 1 课题来源及其研究意义 第1 章绪论 纯碱是最重要的化工原料之一，广泛应用于化工、玻璃、冶金、造纸、印染、 合成洗涤剂、石油化工、食品、医药卫生等工业，用量大，在国民经济中占有重 要的地位。随着我国房地产市场的不断升温，建筑用玻璃需求量也越来越大，而 玻璃行业的主要原材料之一是纯碱。2 0 0 4 年平板玻璃和日用玻璃行业增长速度达 到2 0 ，氧化铝行业增长1 5 ，洗涤剂行业增长1 0 ，这促进了我国这几年纯 碱工业的快速发展，目前，我国纯碱行业已达到年产1 2 5 0 万吨的能力，生产能 力在世界处于第l 位k “。 但与此同时，纯碱企业原材料成本压力倍增，原盐、动力煤、无烟煤等主要 原材料价格翻番【4 】，甚至更多。这促使国内各大碱厂千方百计的想降低生产成本， 对生产设备进行技术改造，实现生产过程的自动化，以提高企业的经济效益。现 在。国内碱厂一般都采用了d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ，d c s 中的各工作站 针对不同工序的不同生产设备分别采用不同的控制方案，基本上实现了纯碱的自 动化生产，系统安全可靠、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力得以提高， 为工业过程的计算机控制开创了新方法7 j 。 重碱煅烧是将过滤工序送来的重碱在煅烧炉内加热分解以制得纯碱和炉气， 是纯碱生产工业中的最后一道工序，煅烧操作的好坏对纯碱的产量、质量及能源 消耗有很大的影响【引。对于重碱煅烧生产过程，由于煅烧炉的蒸汽压力、进碱量 等参数时变性大、惯性大、滞后大，难以建立煅烧过程精确的数学模型，到现在 为止还没有一个较好的自动控制方案，仍然由人工来进行调节，导致工人劳动强 度大，并且由于操作工人的经验和技艺的不同，致使调节的精度和准确性不同。 以往为了改进煅烧炉的煅烧质量和降低能耗，主要是从煅烧炉的机械设备方面的 改造入手【5 ，6 1 ，对其控制系统方面的升级改造处于试验和探索阶段，自动化水平还 较低。由于主观和客观方面的原因，对重碱煅烧炉的控制效果并不十分理想。 本课题就是某碱厂生产过程控制系统改造的一个子系统蒸汽煅烧炉控 制系统的改造。整个过程控制系统采用的是德国西门子s i m a t i cp c s 7 过程控制 系统，对煅烧炉的控制采用先进控制方案( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l ，a p c ) 模 糊s m i t h 控制，根据o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 标准其与d c s 相连，o p c 大大 简化了i o 驱动程序的开发1 9 1 0 ，并提高了操作界面系统的性能。通过改造来提高 2 青岛科技大学研究生学位论文 系统的控制精度和稳定性，也提高了系统的智能化水平，基本上可进行无人化操 作，从而对减少工人劳动强度、提高产品质量和降低能耗等都具有十分重要的实 际意义。 1 2d c s 的背景知识与发展趋势 集散控制系统，又俗称分散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 综合 了计算机( c o m p u t e r ) 技术、控$ l j ( c o n t r 0 1 ) 技术、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、c r t 显示技术即4 c 技术。d c s 采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设 计原则j 。自从美国的h o n e y w j u 公司于1 9 7 5 年成功推出了世界上第一套d c s 以来，己更新换代了3 代d c s 。典型的集散控制系统具有两层网络结构，如图1 1 所示。下层负责完成各种现场级的控制任务，上层负责完成各种管理、决策和协 调的任务。 匝困匹匹 上层通讯网络_ l l l 下层通讯网 现场控制单 现场设各 控制和，o 模块测量和启动 图1 1 集散控制系统网络结构示意图 f i g 1 - 1s k e t c hm a po f d c sn e t w o r k 传统的d c s 基于模拟仪表，而模拟仪表的单一功能，使得与工业生产过程打 交道的过程监控站仍是集中的；现场信号的检测、传输与控制还是保留了与常规 仪表相同的方式，即通过传感器或变送器检测物理信号并转换成标准的4 2 0 m a 或0 5 v 信号以模拟方式进行传输。这种方式在检测环节方面存在的问题是精度 低、动态补偿能力差、无自诊断功能：同时由于各d c s 开发商生产自己的专用平 台，使得不同厂商的d c s 不兼容，互操作性差 1 ”。 近年来，随着新技术、新器件、新方法、新应用的相互促进，在d c s 关联领 域有许多新进展，主要表现在如下一些方面： l 、丌放式系统发展1 1 3 1 传统的d c s 的结构是封闭式的，使得不同制造商的d c s 之间不兼容。基于 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 p c 机的d c s 较好的解决了这问题，由于p c 机具有良好的兼容性、低廉的价 格和丰富的软硬件资源，尤其是o p c 标准的制定，大大简化了i o 驱动程序的开 发，并提高了操作界面系统的性能。 2 、智能变送器、远程i o 和现场总线的发展，进一步使现场测控功能下移分 散。 智能现场仪表采用现场总线与d c s 相连，目前大多沿用h a r t 通信协议 1 5 】。 智能远程i ，o 也是使i o 处理能力更接近现场的一项措施，诸多远程i o 也用现 场总线与d c s 的控制器相连，除作i o 处理外，还具有通信和自诊断功能并可 用手持监视器进行i o 组态，将i o 处理功能下移。 3 、d c s 、p l c 、p c c s 相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化分布控 制系统。 4 、现场总线集成于d c s 系统是现阶段控制网络的发展趋势【1 6 i 。 现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能 更加强大。在现阶段使现场总线与传统的d c s 系统尽可能的协同工作，这种集成 方案能够灵活的系统组态，得到更广泛的、富于实用价值的应用。现场总线集成 于d c s 的方式有以下三个方面： 现场总线于d c s 系统i o 总线的集成 现场总线于d c s 系统网络层的集成 现场总线通过网关与d c s 系统并行集成 综上可以预见，未来的d c s 将采用智能化仪表和现场总线技术，从而彻底实 现分散控制，并可节约大量的布线费用，提高系统的易展性。o p c 标准的出现从 根本上解决了控制系统的共享问题，使系统的集成更加方便，从而导致控制系统 价格的下降1 1 7 , 1 8 o 基于p c 机的解决方案将使控制系统更具开放性。i n t e m e t 技术 在控制系统中的应用，将使操作界面更加友好、数据访问更加方便，并且w i n d o w n t 将成为控制系统的优秀平台。总之，d c s 通过不断采用技术将向标准化、开 放化、通用化的方向发展。 1 3 模糊控制的发展与应用 模糊控肯u ( f u z z yc o n t r o l ，f c ) 是一种以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑 推理为基础来模拟人类模糊推理和决策过程的计算机数字控制技术。1 9 6 5 年出生 于前苏联阿塞拜疆的美国学者l a z a d e h 首创了模糊集合论，1 9 6 6 年e n m a r i n o s 发表了模糊逻辑研究报告，1 9 7 3 年z a d e h 又给出了模糊逻辑控制的定义和相关的 定理，1 9 7 4 年英国学者e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把 4 青岛科技大学研究生学位论文 它成功地运用于锅炉和蒸汽机的控制，其采用的模糊推理策略被命名m a m d a n i 推理f 1 9 1 。这一开拓性的工作标志着模糊控制理论和模糊控制技术的诞生。三十 多年来，模糊控制无论从其控制理论和控制技术方面都得到长足的发展，成为自 动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支，特别是近十年来被广泛应用到 工业控制领域睇。 在模糊控制诞生后的最初几年里，这一新的控制思想吸引了各国学者，他们 纷纷在各种应用领域尝试这一新的控制方法并取得了令人振奋的成果。英国的 k i n g 和m a m d a n i 利用模糊控制器控制一个反应炉搅拌池的温度 2 1 , 2 2 】：荷兰学者 k i c k e r t 等利用模糊控制器解决了热交换工程中非线性、时滞和非对称性增益等问 题的控制，收到了最佳p i 控制的效果1 2 3 j ：英国钢铁公司一工厂用模糊控制器对 原料渗透率进行控制，比人工控制减少了4 0 ；英国学者t o n g 对压力容器内的 液面和压力进行模糊控制，有效地克服了非线性、强耦台等控制难点，取得了较 好地控制效果：1 9 7 9 年丹麦s m i d t h 公司成功地将模糊控制技术用于水泥生产 窑的控制，为模糊理论的实际应用开拓了崭新的前景。 从此以后，模糊理论的应用，特别是在工业控制中的应用，得到了迅速的发 展，特别是在日本，日立研究所研制了地铁自动操作的模糊控制系统，并将其投 入到仙台市的地铁运行中：富士电机公司开发了净水工厂药剂投量的自动控制系 统：立石电机公司向市场投放了最早的模糊控制器硬件；三菱电机公司开发了电梯 群运行的管理系统；松下电器推出了全自动的模糊洗衣机、电饭锅等 2 4 1 。目前， 在同本得到空前发展的模糊理论正在向北美、欧洲蔓延。模糊理论在应用中越来 越受到人们的肯定，与此同时，在学术界也受到不同专业的研究工作者的重视。 从7 0 年代末开始，我国学者也在模糊控制理论及其应用方面积极开展研究 工作，理论研究的论文和实际应用的例子屡见报道。尤其计算机控制系统硬件的 不断成熟和价格下降，必将进一步促进模糊控制技术在我国工业生产过程控制、 家电自动化及其他各个方面的应用。 1 9 8 4 年，国际模糊系统学会( i f s a ) 正式成立。并于1 9 8 5 年在西班牙召开了 第一次国际年。目前，有关模糊理论和应用的杂志、特千0 有数十种，论文数千篇， 另外还有数以百计的应用实例，超过一百件以上的商品。1 9 8 5 年i f s a 召开首届 年会，1 9 9 2 年i e e e 召开关于模糊系统的国际会议( f u z z y - i e e e ) 并决定每年召丌 一次，这表明模糊控制己成为举世瞩目的研究领域。正是由于模糊控制在工业过 程中的成功应用，以及模糊控制的特点使我们产生了将模糊控制应用到重碱煅烧 炉温度控制系统中去的想法。 模糊控制理论与应用技术研究至今仅有3 0 多年的时问，目前仍处于方兴未 艾的迅速发展阶段，针对传统模糊控制器存在的缺陷和不足，文献f 2 5 在误差变 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 化率支路上加一个非线性环节，其作用是将误差变化率转换到模糊控制器的输入 论域中，使其即使在有外界扰动的情况下，也能实现控制作用；文献【2 6 】论述了 用插值法来改进模糊控制器，使其稳态性能得到改善；龙升照和汪培庄提出解析 描述的模糊控制规则的自调整方法，为研究自适应模糊控制提供了新途径。这种 方法通过引进一种可调的参数对控制规则进行调整，以便对不同的被控对象都能 获得满意的控制效果1 2 7 1 ：赵明洁等人针对一类常见的非线性系统，基于p o p o v 超 稳定性理论，提出一种模糊自适应控制器设计方案。该方案在模型匹配条件下能 保证闭环系统的稳定性，当模型匹配条件不满足时，通过引入一个辅助控制量， 使系统仍能保持稳定【2 8 l 。 到目前为止，尽管对于模糊控制系统的稳定性研究已经取得了不少成果，但 是至今还没有一个统一和完善的稳定性分析方法。 1 4s m i t h 预估控制及改进算法 对于具有纯滞后的控制对象，采用常规的p i d 控制是很难获得良好的控制量 的。o j m s m i t h 最早在1 9 5 8 年提出了预估控制器，这是一个时滞预估补偿法。 它通过估计对象的动态特性，用一个预估模型g 。( s ) ( 1 一e ”) 进行补偿，从得到一 个没有时滞的被调节量反馈到控制器，使得整个系统的控制有如没有时滞环节。 它的结构是在常规的控制器上并联一个时滞预估器，从而构成了s m i t h 预估控制 器【2 9 】。s m i t h 预估控制系统最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外，使控制品 质大大提高。但是，其最大的缺点就是太过依赖精确的数学模型，当估计模型和 实际对象有误差时，控制品质会显著恶化，甚至发散，而且对于外部扰动也非常 敏感，鲁棒性较差。所以，常规s m i t h 预估控制器难以在实际中得到真正的应用。 为了解决这个问题，很多学者提出了基于常规s m i t h 预估控制器的各种改进方法， 其中文献 3 0 1 引入了二自由度控制理论对传统的s m i t h 预估器进行改进，分别用 两组可调参数来修正闭环系统的输入特性和干扰特性；文献 3 l 】将s m i t h 预估器 的结构等效为内模控制器；文献【3 2 】提出采用不匹配的s m i t h 预估器结构，指出 用低阶的模型可以获得更为优良的响应特性。文献【3 3 ，3 4 ，3 5 通过在线辨识来估 计时变对象的模型。以此优化控制器的参数。文献【3 6 】在结构上进行了改进，它 是c c h a n g 提出的改进型s m i t h 预估器。其主反馈通道的传递函数不是i ，而是 矸7 ，c 、r ：，p 、 函数： 芒2 ：! 鲁。这样的修改实际上是在反馈通道中加了一个滤波器理论 l + w ( s ) c i 一【j j 分析和实践证明，该方法的稳定性和鲁棒性比原来的s m i t h 预估系统要好，它对 青岛科技大学研究生学位论文 模型精度要求明显降低，控制品质也得到了很大的改善。但是当过程参数变化时， 滤波器的参数也要调整，否则不能适应当前的系统 3 7 , 3 8 】。主反馈通道在一定的条 件下可以简化为一个惯性环节，只要对惯性环节中的惯性时间常数进行自调整就 可以动态适应系统的变化。 1 5f u z z y s m i t h 控制策略 智能控制方法的采用，虽然一定程度上克服了s m i t h 预估控制和自适应控制 的缺陷，但它们本身也并不是完美的。模糊控制从它的诞生至今，已从单纯的理 论到成功地应用于工业控制，己为自动控制技术领域中非常有前途的一个分支。 虽然模糊控制己获得了很多成功的应用，但与传统控制理论相比仍然显得不成 熟。主要缺点在于目前尚未建立起有效的方法来分析和设计模糊系统，它还主要 依靠经验和试凑，控制精度不高、自适应能力有限、存在稳态误差、可能引起振 荡。因此现在有许多人正在进行研究，试图把许多常规控制的理论和概念推广到 模糊控制系统，如能控性、稳定性等。将模糊控制与传统控制相结合，一方匝用 传统控制理论中的方法解决控制模糊问题，另一方面用模糊控制的理念为解决各 种控制问题提供新的思路。模糊控制的另一个发展方向是与预测控制、神经网络、 遗传算法等新优化算法相融合【3 9 , 4 0 , 4 1 , 4 2 1 ，作为一类模糊控制的新理论方向进行研 究。 但神经网络控制学习和训练比较费时、对训练集的要求也很高。专家控制则 过度依赖专家的经验，缺乏自学习能力，控制精度不高，而且同样存在稳念误差。 鉴于上述原因，智能控制方法经常相互融合或者和s m i t h 预估器以及自适应控制 相结合，这也正是时变大时滞系统控制方法目前的研究方向。现已提出的方法包 括：神经元自适应p i d 控带l j 4 3 删、专家控制与p i d 控制结合的智能控制器【4 5 】、基 于模糊神经网络的预测控制【4 6 1 、基于模糊预测的问歇p i d 控制器【4 ”、基于神经网 络的非线性s m i t h 预估器【4 8 , 4 9 1 、专家s m i t h 预估控制【5 0 l 等等。 上述控制方法各具特色，也都具有相当不错的控制性能，但是它们并不一定 是最优的，而且各自具有不同的复杂程度，对于大时滞时变系统，有些算法可能 会导致不稳定，许多新型的自适应控制方法和智能控制方法仍然处于理论研究和 仿真研究阶段，用于实际过程控制的不多，时变大时滞系统的智能控制方法仍然 处于发展阶段。 目前对时变大时滞工业过程的控制仍然以传统的s m i t h 预估器和p i d 控制为 主，本论文从模糊控制和s m i t h 预估器相结合的角度，利用模糊控带4 和s m i t h 预 估控制各自的优点，提出f u z z y s m i t h 控制策略应用于重碱蒸汽煅烧炉的控制系 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 统中。研究表明，将模糊控制与s m i t h 预估控制结合起来组成的模糊s m i t h 控制 系统可以明显改善控制效果。文献 5 1 ，5 2 将模糊控制和s m i t h 预估控制相结合， 已取得趣好的应用效果。 1 6 论文主要内容 本论文在介绍了重碱蒸汽煅烧炉工作原理的基础上，针对煅烧工序目前控制 方面存在的问题，提出用改进的f u z z y - s m i t h 控制策略来对煅烧炉进行控制，并 对其进行了仿真研究，仿真结果表明了算法的可行性和有效性。论文一共分四章， 主要内容为： 第一章绪论。阐述了本课题的研究背景和意义。在介绍了模糊控制和s m i t h 预估控制及其改进算法的基础上，提出本课题的研究内容。 第二章介绍了重碱煅烧的工艺流程，是纯碱生产过程中最后一道工序也 是最难控制的一道工序。 第三章根据其工艺流程特点，提出用f u z z y s m i t h 预估控制来对煅烧炉进行 自动控制。介绍了s i m a t i cp c s 7 过程控制系统技术性能，以及p r o f i b u s 现场 级通讯。对基本模糊控制器的设计以及将f u z z y s m i t h 预估控制器用于重碱蒸汽煅 烧炉的控制做了研究，并对f u z z y s m i t h 控制器做了改进。 第四章用m a t l a b6 5 对控制系统进行了仿真研究，并对f u z z y - s m i t h 控制方 案与p i d s m i t h 、f u z z y 和p i d 控制方案进行了仿真比较。 1 7 本章小结 本章介绍了我国纯碱企业的发展现状，重碱煅烧工序目前的控制大都采用 d c s 控制系统，其控制效果不是十分理想，在简单介绍模糊控制发展和s m i t h 预 估控制的基础上，提出了本课题的研究思路；将模糊控制与s m i t h 预估控制相结 合，设计f u z z y - s m i t h 控制器来对重碱煅烧炉进行控制，从而实现重碱煅烧炉的 自动控制。 青岛科技大学研究生学位论文 第2 章重碱煅烧工序工作原理 重碱中不仅含有水分，而且古有加热即可分解的n a h c 0 3 及n h 4 h c 0 3 等物 质，煅烧所得炉气中含有必须回收的c 0 2 及n h 3 ，因此重碱煅烧与一般干燥过程 有较大的区别。一般干燥过程是一种利用热能除去水分的方法，一般以称之为干 燥介质的热空气吹过物料，而使物料颗粒中所含的水分转移到热空气中去，从而 达到干燥的目的，故干燥过程与用作干燥介质的空气的湿含量关系很大；重碱煅 烧则与一般干燥不同，为了保持炉气c 0 2 浓度，不允许使用干燥介质如热空气。 但二者也有相同之处，即二者均同时进行着传热过程( 加热物料) 及传质过程( 水 分等气体产物由固相物料转移到气相) ，所以重碱煅烧的速度既与传质速率有关， 也与传热速率有关。 2 1 重碱蒸汽煅烧工艺流程 重碱煅烧是将过滤工序所得的粗制碳酸氢钠在煅烧炉内分解制碱，同时产生 c 0 2 、n h 3 和水蒸汽，重碱煅烧与纯碱产量及产品质量、能耗及煅烧炉的结构和 操作关系很大。下面介绍下重碱煅烧的工艺流程垆3 j ： 由过滤工序来的重碱经皮带输送机送入圆盘加料器，控制下碱量后，经进碱 螺旋输送机，与返碱螺旋运输机送来的返碱混合进入煅烧炉内停留2 0 3 0 m i n ， 被中压蒸汽间接加热分解，制得的纯碱由炉尾倾入到出碱螺旋运输机，经地下螺 旋运输机喂碱螺旋运输机和埋刮板机至分配螺旋运输机，在此部分纯碱和分离器 所分离出的碱粉作为返碱( 返碱量：产量约3 ：1 ) ，经返碱螺旋运输机返回炉内， 其余部分经过成品螺旋运输机筛上螺旋运输机和圆筒筛筛分后入碱仓包装，圆筒 筛分离出的碱球为次品再返回煅烧炉。 重碱在炉内分离产生的炉气，借压缩机的抽力由炉头抽出，经分离器将其 中大部分碱粉回收，未分离出的碱粉随炉气经水封罐进入炉气总管，经循环热碱 液喷淋洗涤后由冷凝塔顶部入塔，在塔内被自下面而上的冷却水间接冷却，炉气 中的水蒸汽大部分被冷凝，并溶入氨气、二氧化碳和碱粉而形成冷凝液。冷凝液 自冷凝塔底部用泵抽出，一部分送往冷凝塔顶喷淋洗涤炉气，一部分补充热碱液， 余下则送往淡液蒸馏工序回收n h 3 。 热碱液喷淋洗涤炉气后，由总管下侧返回热碱液储槽，用泵循环洗涤炉气， 使热碱液n a c 0 3 含量达到较高浓度的要求，一部分送往碱液蒸氨塔脱氨浓缩后综 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 合利用，其余部分保持循环。 冷却后的炉气从冷凝塔下部出来进入洗涤塔下部，在洗涤塔内呈逆流用净 氨洗水或清水直接洗涤，以回收炉气中残余的n h 3 和碱粉，进一步降低炉气温度， 洗涤后的炉气由洗涤塔顶引出入压缩机升压后回到碳酸化工序制碱，洗涤液用泵 送至渡过工序作为洗水。 重碱煅烧用的中压蒸汽由热力管网来，经减温减压器调整到煅烧所需的压 力和温度，由炉尾进汽中心套筒，经汽室分配进入加热管内，蒸汽放热后冷凝为 水，由原路回汽室，入进汽轴外套筒。利用高位进入储水槽并自压入扩容器，闪 发出的二次蒸汽入低压蒸汽管网，闪发后的冷凝水返回锅炉储水槽回收利用。 该煅烧工艺流程示意图如图2 1 所示： 重碱 n a h c d 3 一。一叫预混器 2 1 1 返碱煅烧技术 成品 机_ 叫凉碱 n ac 0 3 ， lj 一炉气洗涤塔卜旦斗 图2 - 1 重碱煅烧工艺流程图 f i g 2 - 1f l o wd i a g r a mo f h e a v ys o d ac a l c i n e 目前国内各制碱厂使用的纯碱锻烧炉主要有外返碱炉和自身返碱炉两种炉 型，由于其各有特点都获得了不同程度的研究应用和发展。外返碱蒸汽煅烧炉由 于重碱与返碱强制混合充分，一水化程度较高，炉内传热效果好，因而具有单位 容积生产能力高，炉气温度高、浓度高、夹带碱尘少，技术成熟等优点，被各大 型制碱厂广泛采用。设计规模为6 0 万吨年纯碱的某纯碱厂所使用的煅烧炉是由 原民主德国斯塔斯福特化机厂生产的外返碱带前置组合预混器的蒸汽回转煅烧 炉。 2 1 2 煅烧炉工艺流程特点 重碱煅烧炉的工艺流程具有以下特点： 1 、采用外返碱炉前预混工艺。预混器与煅烧炉有机地连为一个整体，将混 1 0 垫 固一 青岛科技人学研究生学位论文 料与进料两设备合二为一，混合气直接引入炉气出气箱中。 2 、锻烧炉出碱采用星形下料器密封卸料。 3 、返碱通道上设置了两道气封卸料装置( 星形下料器) 。第一道为无级变速星 形下料器，主要起定量调节返碱量的作用；第二道主要起密封作用，炉气旋风分 离器下灰并入其上。 4 、重碱进料通进上设有电磁振动给料器均匀布料于喂料电子皮带秤上，计 量后经重碱星形下料器入预混器。 5 、炉气旋风分离器采用左、右旋向各的高效组合分离器。 6 、炉头真空气动调节蝶阀前设有水封装置。 7 、中压蒸汽冷凝水采用两级减压闪发。一级闪发汽1 2 7 m p a ( 表) 供重灰缎烧 炉使用，二级闪发汽0 3 4 m p a ( 表) 并低压管网去蒸馏。两台炉共用一台一次闪发 槽和一台二次闪发槽。 8 、采用卧式贮水槽，提高疏水位差。 9 、进炉中压蒸汽管道上设有美国进口的快速切断阀。 1 0 、每台炉设一台返回刮板机。 2 2 外返碱蒸汽煅烧炉的主要检测参数 纯碱蒸汽煅烧炉作为特种干燥设备，生产能力是其主要的经济技术指标，影 响纯碱蒸汽煅烧炉生产能力的因素很多，分析影响因素及其规律，是纯碱蒸汽煅 烧炉系列化设备工艺设计的前提条件，也是能否保证设备生产能力的关键。 1 、煅烧温度对能力的影响 出碱温度习惯上理解为煅烧温度，出口温度低意味着传热温差大，因而，炉 的能力也大。但是，出口温度过低，影响烧失量，使产品质量下降，因而出碱温 度的下限不能低于1 7 0 0 1 2 。出口温度高可保证产品的质量，但是，出碱温度太高 会导致能耗增加，锻烧炉的能力下降，凉碱热负荷增大等不利的影响。但实际上 提高锻烧温度可以缩短重碱在炉内的停留时问，同样意昧着锻烧炉生产能力的提 高。在相同条件下，锻烧温度从1 6 0 c 提高到2 0 5 * ( 3 ，锻烧时间大约缩短一半，意 味着锻烧炉的生产能力提高一倍，因此工艺设计时都采用较高的锻烧温度。保持 适宜的锻烧温度是锻烧炉工艺设计的关键，锻烧炉最佳的出碱温度，应控制在 1 7 0 1 9 0 之间。 2 、 蒸汽温度和冷凝水排出对能力的影响 从换热的角度分析，重碱锻烧所需的热量来自于蒸汽冷擞放出的潜热，蒸汽 压力越高其饱和温度也随之增高，从而保证有足够的传热温差和热量传递。在相 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 同条件下，采用压力2m p a 蒸汽与采用压力为3m p a 的蒸汽相比，其生产能力降 低约4 0 。 冷凝水的顺利排出是保证传热速率的重要条件，对生产能力产生直接影响。 冷凝水排出与进汽轴和汽室结构、炉体斜度及炉体转速有关。平板结构的汽室和 采用三螺旋式结构的进汽轴可保证疏水畅通；炉体斜度i 为0 0 1 5 时，对满足排 水要求实践证明已经足够；炉体转速提高，能增加单位时间冷凝水的排出次数， 对顺利排水有利。同时在设备布置上，要考虑冷凝水出水口与储水槽之间要有足 够的垂直高度，保证排水动力。 3 、 重碱水分含量对能力的影响 重碱水分含量的高低，直接影响到锻烧过程耗热量的多少和返碱用量，从而 对锻烧炉的生产能力产生影响，对于外返碱蒸汽锻烧炉，降低重碱水分含量对降 低蒸汽消耗和提高锻烧炉生产能力都具有一定的影响。在相同条件下，重碱水分 含量增加1 ，返碱用量约需增加0 2 4 4 t ，蒸汽耗量约需增加0 3 1 h 纯碱。 2 3 本章小结 本章详细介绍了重碱煅烧的工艺流程，重碱煅烧为纯碱生产的最后道工 序，对纯碱的质量起着至关重要的地位。由其工艺流程可知，重碱煅烧工序是纯 碱生产过程中最难控制的一环。因为其生产过程中煅烧所用的蒸汽压力、重碱的 量等参数是时变的，所以难以建立精确的数学模型：而且煅烧炉温度控制过程具 有大滞后、大惯性、非线性等特点，所以到目前为止重碱煅烧炉的控制仍是较难 解决的一个问题。 青岛科技大学研究生学位论文 第3 章重碱煅烧炉温度控制系统方案设计 31 控制方案的整体设计思路 3 1 1s i m a t i cp c s 7 过程控制系统用于重碱煅烧工序 采用s i m a t i cp c s 7 作为碱厂的过程控制系统。s i m a t i cp c s 7 过程控制系 统是当今世界上最先进的d c s 之一，它将现场总线技术与d c s 相融合，对于大 型化工行业而言，是一款性能优越的过程控制系统。利用它可根据具体要求，建 立面向项目的解决方案。 整个系统由处于中央控制室的工程师站、操作员站和o p cs e r v e r 等设施以及 通讯网络和现场自动化智能设备三大部分组成。通讯网络包括工业以太网和 p r o f i b u s 现场总线网络。整个系统的结构图如图3 1 所示。 t 操作：员站ll 勋龉) l| ”翔l ，一j 【一 一曲高 圈i ! 竺i l 壶1醒匿 广 蝴广 ”i 附m 哪口 图3 - 1 过程系统结构图 f i g 3 - 1s t r u c t u r a lc h a r to f p r o c e s ss y s t e m 使用工程师站( e s ) 建立项目，工程师站由各种应用程序组成，所有应用程序 都提供一个图形化的用户界面，用它可以简单控制和直观显示组态数据。其应用 重碱蒸汽煅烧炉先进控制系统的研究与设计 程序主要有： 1 、s i m a t i cm a l l a g e r 核心应用程序，使用它可访问所有其他用以建立 p c s 7 项目的应用程序，是建立整个项目的起点。 2 、h wc o n f i g 用以组态一个系统的全部硬件。 3 、c f c 和s f c 编辑器用以建立连续功能图和顺序功能图。 4 、带有各种编辑器的p c s 7o s 用以操作员站( o s ) 的组态。 在工程师站中建立控制系统程序，并下载到c p u 中，c p u 可处理装载的程 序。并返回过程值。程序下载通过c p 4 4 3 1 ( 通讯处理器) 。 在各操作员站，工厂操作员在过程模式下控制和监视纯碱厂的各个工序。在 重碱煅烧工序，我们设置了一个操作员站，来对煅烧工序的生产过程进行控制。 在组念煅烧工序时，需要进行以下步骤： 进行硬件设置 启动s i m a t i cm a n a g e r , 并建立p c s 7 项目 建立c f c 功能图 建立s f c 功能图 下载和测试项目 组态和编译p c s 7 0 s 建立过程图像 使用模拟过程值更改过程模式 其具体的组态过程本论文不做详细介绍。 目前工厂操作员是根据操作员站从o p cs e r v e r 读来的数据，凭自己的经验和 操作规范对变化了的检测数据做出适时的调整。在实际的操作过程中，一般调重 碱的进碱量，而不调蒸汽的量。煅烧炉的控制主要由操作工人人工调节来完成， 自动化水平还不高，这直接决定了控制效果并不是很好。本课题就是想设计一个 重碱煅烧炉先进控制系统将代替传统控伟系统中操作员的大部分控制功能，从而 实现自动控制。 3 1 2 一先进控制思想的提出 传统的控制方式，一般先设定目标值，根据被控对象的特性变化和环境干扰 等，通过负反馈原理不断进行调节，以达到对所设定的目标值的跟踪。故要设计 一个满足控制目标的控制器，就必须要有控制数学模型，即输入到输出的一个映 射关系或者某种函数关系，以对被控对象的物理系统做数学抽象。数学模型越精 确，就越能获得较好的控制效果。但在实际工程中，能用传统的数学描述被控对 青岛科技大学研究生学位论文 象内在特性及其变化规律的并不多，甚至在原则上说就没有。传统控制方法在对 一些简单控制对象进行处理时一般是做某种简化，忽略这类控制对象中的次要影 响因素，从而抽象出其数学模型，实际上使用精确的数学形式对真实的物理系统 所做的近似描述。而对于那些复杂的非线性系统、多因素的时变系统，建立其数 学模型就相当困难。即使做出简化的数学模型，要么因为这种数学模型仍然很复 杂以至于不能在有意义的时间内求解，无法实现实时控制；要么因为这种简化在 整个控制过程中精确度不够而难以在整个控制过程中达到满意结果。还有些系 统，我们甚至不能确定其控制目标，其参变量也无法测量，这种系统的控制过程 具有高度非线性、时变性。传统的控制方式对此类问题几乎束手无策。 例如：传统的p i d 控制方法，以其简单、稳定性好、可靠性高而广泛用于控 制过程1 6 1 , 6 2 】。但p i d 控制器各个参数的整定，决定着p i d 控制器的调节效果。由 于常规的p i d 控制器不能在线熬定参数，故对于非线性、时变的复杂系统和模型 不确定的系统，不能很好的控制。 重碱蒸汽煅烧炉温度控制系统模型具有非线性特征，另外，煅烧工序在工作 过程中参数变化较大、影响因素较多，若采用p i d 控制，控制效果会并不十分理 想，所以考虑应用智能模糊控制的理论来实现恒温度控制。本课题结合煅烧工序 的工艺过程，提出f u z z y s m i t h 预估控制方案，设计一个f u z z y s m i t h 预估控制器， 对煅烧炉进行自动控制。 f u z z y s m i t h 预估控制器与o p cs e r v e r 建立通讯连接，并根据o p cs e r v e r 从 现场读来的数据进行模糊逻辑运算，得出一输出结果，再通过o p cs e r v e r 将这一 结果输出到