（控制理论与控制工程专业论文）预测控制理论在水泥熟料篦式冷却过程中的应用研究.pdf

济南大学硬士学位论文 摘要 冷却过程是水泥烧成的重要环节，其功能是对高温熟料进行冷却、输送，同时对 热量进行回收。现代化水泥生产线普遍采用篦式冷却方式，篦式冷却过程的控制问题 一直是水泥生产过程自动化的难点之一 本文在合理假设条件下，从篦式冷却过程稳定工况下所表现出的实际特性出发， 分析了篦式冷却过程的工作机理，建立了水泥熟料篦式冷却过程的热力学模型，并依 据现场数据对模型进行了仿真研究。同时以德州大坝水泥厂篦式冷却过程为研究对 象，研究了预测控制系统，并通过o p c 接口将控制系统外挂于d c s ，实现了篦式冷 却过程的自动控制，实际运行表明了该方案的正确性和实用性 根据篦式冷却过程的工艺特点，深入分析了第三代充气梁篦式冷却机的工作机 理，结合现场实际，得到了影响冷却过程的主要因素有料层厚度、料球粒度等，并定 性给出了这些影响因素与冷却效果之间的关系，而到目前为止，这些影响因素还难以 直接测量，但却可以通过篦冷机篦下二室压力的不同变化特性来间接反映。由于篦式 冷却过程参数波动频繁且幅度大，常规预测控制的模型参数难以确定，即使采用改进 的b p 神经网络模型和基于确定点模型克服上述缺陷，得到的模型同实际对象之问仍 存在很大偏差。经研究发现，灰色模型由于其良好的适应性，适合解决这一问题。所 以本文提出了以篦下二室压力为被控量、一段篦速为控制量的基于灰色模型的篦式冷 却过程预测控制方案。 结合大坝水泥厂的实际情况，将在v c + + 环境下编写的预测控制算法通过o p c 接 口与集散控制系统进行数据通讯，强调并采用了模块化结构，增强了算法的通用性和 可移植性，降低了企业成本。实际运行表明，本课题提出的灰色模型预测控制方案对 于篦式冷却过程具有良好的控制效果 关键词：篦冷机，预测控制，冷却机理，例( 1 ，1 ) 预测控制理论在水泥熟科篦式冷却过程中的应用研究 a b s t r a c t c 0 0 1 吨p r o c e s s i si m p o r t a n tt ot h es i n t e r i n gp r o c e s so fc e m e n t i tp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei nc o o l i n g 、c o n v e y i n ga n dr e c l a i mt h eh e a to fc l i n k e r g r a t ec o o l i n gp r o c e s si st h e m o s tp o p u l a rc o o l i n gm e t h o d si nm o d e r nc e m e n tp l a n t , a n di t sa u t o m a t i o nj so n eo ft h e m o s td i f f i c u l tp r o b l e m si nc e m e n tp r o d u c t i o n u n d e rt h er e a s o n a b l ea s s u m p t i o na n dt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r a t ec o o l i n gi n s t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n , t h et h e r m o d y n a m i c sm o d e lo ft h eg r a t ec o o l i n gp r o c e s si sb u i l ta t f i r s t a n dt h e nt h es i m u l a t i o nw a sg i v e no nt h em o d e lc o m b i n e dw i t ht h er e a ld a t a a s s o c i a t e dw i t ht h eg r a t ec o o l i n gp r o c e s sr e a l i t yo fd a b ac e m e n tp l a n ta n dt h ec h a r a c t e r o fd c s ，d e s i g n e dt h eg r a t ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c hu s i n g p r e d i c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do ng r e ym o d e l t h ec o n t r o ls y s t e mp r o g r a m m e db yv c + + a n db a s e do n o p c t e c h n o l o g y t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi sc o r r e c ta n dp r a c t i c a l a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fg r a t ec o o l i n g , t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r a n dt h em a i nf a c t o r so fc o o l i n gp r o c e s sw e r ca n a l y z e dd e e p l yt ot h et h i r dt y p eg e n e r a t i o n o fa e r a t i o nb e a m g r a t ec o o l e r t h em a i nf a c t o r si n c l u d et h ec l i n k e rt h i c k e na n dg r a n u l a r i t y e t c , s t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r sa n dg r a t ec o o l i n g p r o c e s s b u tt h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r sc a nh a r d l ym e m ed i r e c t l yu n t i ln o ww h i l e r e f l e c tb yt h ec h a r a c t e ro fc h a n g e so ft h es e c o n dc h a m b e ru n d e rg r a t ec o o l e r p a r a m e t e r so f t h ec l a s s i cp r e d i c t i v ec o n t r o l l e rm o d e lh a v eu s u a l l yb e e nn o ta s c e r t a i n e de a s i l ya st h e p r o c e s sp a r a m e t e r sf l u c t u a t eg r e a t l y a n dt h e n , t h ei m p r o v e db a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t a n db a s e do nf i x c dd a t aw e r eu s e dt om a k em o d e lf o rg r a t ec o o l i n gp r o c e s s b u ti ti sn o u s e f u lt oc o n t r o l l e r t h eg r e ym o d e lh a st h ea d v a n t a g e so fs e l f - a d a p t i v e ，s oi ti sf i tf o r t h e c o n t r o lo fg r a t ec o o l i n gp r o c e s s s o , t h ep a p e rp r o p o s e dt h ep r e d i c t i v ec o n t r o lo fg r a t e c o o l i n gb a s e do ng r e ym o d e l a n di t sc o n t r o l l e dv a r i a b l ei st h ep r e s s u r eo ft h es e c o n d c h a m b e ro fg r a t ec o o l e r , c o n t r o lv a r i a b l ei st h ef i r s td r i v ev e l o c i t y a s s o c i a t e dw i t ht h er e a l i t yo fd a b ac e m e n tp l a n t , t h ep r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m u s i n gv c + + l a n g u a g er e a l i z e dd a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hd c sc o n t r o ls y s t e mb yt h eo p c i n t e r f a c e f u r t h e rm o r et h es o f t w a r eo ft h i sp r o j c c te m p h a s i z e da n da c t u a l i z e dt h e m o d u l a r i z a t i o n ，i ti sr e d u c e dt h ec o s tw h i l ee n h a n c e dt h eu n i v e r s a l i t ya n dt r a n s p l a n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i v ec o n t r o lb a s e do ng r e ym o d e lp r o p o s e d , t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o de f f e c to ng r a t ec o o l i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：g r a t ec o o l e r , p r e d i c t i v ec o n t r o l ，c o o l i n gm e c h a n i s m ，g m ( 1 ，1 ) 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： 日期：删 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： 名难期：酬少 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 水泥是建筑工程的重要基本材料之一，水泥工业是国民经济中非常重要的产业。 水泥工业的发展对保证国家建设规划的顺利实施和国民经济的正常运行、人民物质和 文化水平的提高，具有十分重要的意义【同时作为高能耗行业之一，其能源消耗占 全国能源消耗的7 ，能源效率偏低的状况非常突出，与国际先进水平相比，我国每 吨水泥能耗约高4 5 3 ，其他诸如人力资源利用、原材料利用等方面也浪费巨大，十 分不符合集约经济的要求与标准。因此，现阶段在我国水泥工业积极推广先进的生产 工艺和控制技术，将对促进水泥全行业的节支增效具有十分重要的意义。 1 1 水泥企业自动控制发展研究现状 为适应节支增效的趋势，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【2 l 。 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，：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，经过加多年的发展，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f 3 1 。 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已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。 进入八十年代，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 1 预测控翻理论在水泥熟科篦式冷却过程中的应用研究 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 l 笃) 。于此同时，国 内自行设计的水泥生产线也开始采用d c $ 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 】、川的控 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件 1 2 水泥行业先进控制应用研究动态 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 1 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 1 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 s - 2 0 l 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 z l 2 5 】当中。文 2 1 1 、【2 4 1 研究了分解炉的 模糊预测控制：文 2 2 1 “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 2 济南大学硕士学位论文 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1 2 8 1 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 1 3 篦冷机研究动态 篦式冷却过程的重要设备是篦式冷却机，简称篦冷机。作为影响熟料质量和整个 工艺系统热效率的关键设备之一，篦冷机一直是人们研究的重点。然而，由于其系统 的复杂性，目前对篦冷机的研究尚处于半经验阶段，如何使用先进的控制方法和以现 有的显参数有效的控制篦冷机的工作状况，从而使出篦冷机熟料温度达到工艺要求且 便于水泥磨研磨，并且使入窑二次风温和进分解炉的三次风温达到工艺要求温度，为 篦冷机的性能改进、提高工作效率提供依据，都使得本课题的研究有着重要的意义 1 3 1 篦冷机技术发展 自篦冷机发明以来的近7 0 年时问，篦冷机不仅仅用于降低熟料的温度，还用于 改善熟料质量、提高熟料易磨性、提高二次风温度、三次风温度、改善燃料燃烧条件 及节约能源。在当代预分解窑系统中，它与旋风筒、换热管道、分解炉、回转窑等密 切结合，组成了一个完整的新型熟料煅烧装置体系，成为一个具有多重功能的重要装 备，其发展可分为三个阶段嘲： 第一阶段：从2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代。以1 9 3 7 年由f u l l e r 公司提供的第一台 篦式冷却机为代表，之后回转篦式、震动篦式、推动篦式冷却机等相继问世。这一阶 段是薄料层( 料层厚2 0 0 - 3 0 0 m m ) 篦冷机，其特点是单风机统一供风。 第二阶段：从2 0 世纪6 0 年代至年代。以往复推动式篦冷机的诞生为代表。 第二代篦冷机被称作是厚料层( 料层厚5 0 0 - 6 0 0 m m ) 篦冷机，其特点是多风室多风 机供风，与第一代篦冷机之间的差别在于：它分多个风室，每个风室较小，各风室配 独立风机，改进了各风室间的密封，减少了漏风串风，改善了风与熟料的热交换。 第三阶段：从2 0 世纪8 0 年代至今生产迸一步大型化，对节能、环保等方面的 要求更高，在预分解窑对分解炉用三次风的特殊抽取方式的推动下，出现了第三代、 3 馕铡控制理论在水泥熟科售式冷却过程中的应用研究 第四代篦式冷却机 第三代篦冷机被称作是控制流篦冷机，其特点是阻力篦板梁例单独供风，料层厚 度可以达到8 0 0 - 1 0 0 0 m m ，和以前的篦冷机相比，它有两项重大改进：一是把篦床划 分为众多的供风小区，更便于供风调整；二是采用由封闭篦板梁和盒式篦板组成的阻 力篦板冷却单元，使每个阻力篦板冷却单元形成众多的控制气流，从而显著地降低了 单位冷却风量，大幅度提高了冷却效率。 1 9 9 5 年，史密斯和富勒公司开发了第四代推动棒式篦冷机其特点是不同于第 三代篦冷机需要有活动篦板和固定篦板，其篦床完全固定，不再承担输送熟料任务， 而是由推动棒输送熟料。 1 - 3 2 篦冷机研究方法 总的来说，目前针对篦冷机的研究方法可以分为四种： 第一种是针对实际生产中出现的问题进行改造与试验研究，在不断解决问题中发 展篦冷机，如篦板型式、供风系统与进料口的布料、。红河”现象p 、“堆雪人”现象 3 2 - 3 3 l 的解决等。 第二种是针对篦冷机建立数学模型，从理论研究上寻求突破点，篦冷机数学模型 研究的一些成果如下所述： 1 9 8 7 年，h o g a r d e i k 3 4 1 等给出了篦冷机的热效率评价方法，提出了评估冷却机 的标准。 1 9 9 2 年，h p e l k j a e r 和t e n k e g a a r d l 3 5 】提出了评价篦冷机效率的方法，引出了两 个概念：k 因子与标准冷却机损失，给出了两者和热回收之间的关系。 1 9 9 5 年，v o n g l b e r n s t e l n 和e d m o l e s 3 6 1 建立了基于热力学第一定律和能量、 动量、质量守恒定律的数学模型，利用软件计算了熟料层上的气体流场与温度分布， 指出熟料与空气沿篦冷机长度方向的温度分布符合指数衰减规律。 2 0 0 2 年，s a u m i t r a p a l i 明利用软件计算了包括篦冷机在内的整个窑系统的热平衡、 气体平衡和质量平衡。 同年，g l o c h e r 【粥l 在气体通过颗粒床的传热方程式和静止体非稳态传热方程式的 基础上，建立了数学模型，并利用计算机求解，研究了熟料粒径分布、篦床速度、冷 却风分布等对传热的影响。 2 0 0 4 年，冯绍航【列建立了篦冷机内部换热的数学模型，开发出用于该模型计算的 程序，并利用该程序研究了骤冷区篦下风速、后冷却区篦下风速、篦床推动速度、熟 4 挤南大学硕士学位论文 料颗粒粒径和床层空隙率等因素对篦冷机工作特性的影响 第三种是c c d 比色测温系统的研究，用于测量篦冷机骤冷区的料层厚度和温度。 电耦合器件。即c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) ，是1 9 7 0 年由美国贝尔实验室的 w s b o y l e 和g e s m i t h 首先提出c c d 比色法是一种有效的温度测量手段，它通过 摄取被测对象的图像，借助光学理论和计算机图像处理技术得到温度分布状况。文献 【4 0 - 4 3 研究了基于c c d 比色测温的熟料温度测量，其中文献1 4 0 的研究成果已得到 初步应用。文献【4 4 】除给出温度测量，还介绍了厚度的测量。 第四种是关于篦冷机控制的研究，包括建模和控制策略的研究。与1 2 节先进控 制算法在其它主要水泥生产环节大量研究相比较，只有为数不多的文献对此进行了研 究，以下详细说明之燕山大学的李海滨嗍利用模糊神经网络针对第四代篦冷机仿真 了以生料量和二室压力为输入、以十字棒推动速度为输出量的篦冷机熟料流动模型。 印度尼西亚的a w a n gn 1 w a r d a n a l 4 6 1 压力和篦冷机速度建立了p i d f u z z y 控制策略 以改进篦冷机工作性能。广西大学的陈益兰利m 用b p 神经网络在m a t l a b 环境下对篦 冷机热工参数作了优化设计仿真。华侨大学的方千山【档】以压力和温度为输入、阀门开 度为输出建立了模糊控制规则表，针对第二代篦冷机做了研究。浙江大学的李常贤【4 9 1 以压力和电流为被控量，通过调节篦速改善篦冷机工作性能。 综上所述，无论是设备的开发研制，还是理论研究，科技工作者所做的工作都越 来越深入，篦冷机的发展也越来越快，其目的都是为了改善篦式冷却过程的性能、优 化生产过程。c c d 比色法还处于研究阶段，即使有少量应用也没有纳入到自动控制 系统内，只是奠定了一定基础。而对于篦冷机控制的研究也处于仿真阶段。因此在提 高热回收效率、降低能耗等方面，先进的控制方法在篦冷机系统的应用有着很大的研 究空间。 1 4 预测控制发展现状 预测控制( m p c , m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 是近几十年来发展起来的一种新型的 计算机控制算法。由于其对模型的依赖性弱、易于实现、控制的综合效果好等诸多优 点，在工业过程控制中得到了广泛的应用l s o - 5 1 1 。 1 4 1 预测控制基本原理 预测控制算法的种类多、表现形式多种多样，但都具有相同的三大本质特征：预 测模型、滚动优化和反馈校正。这三大特征是预测控制区别于其它控制方法的基本点， 预测控制理论在水泥熟科蓖式冷却过程中的应用研究 同时也是预测控制在实际工程应用中取得成功的技术关键。各种预测控制算法具有类 似的计算步骤：在当前时刻，基于过程的动态模型预测未来一定时域内每个采样周期 ( 或按一定间隔) 的过程输出，这些输出为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数 按照基于反馈校正的某个优化目标函数计算当前及未来一定时域的控制量大小。计算 出当前控制量后输出给过程实施控制。至下一时刻，根据新测量数据重新按上述步骤 计算控制量。 ( 1 ) 预测模型 预测模型是预测控制的基础，它的基本功能是根据对象的历史信息和未来的控制 作用对未来的某段时域内的过程输出做出预测。预测模型的概念具有广泛的外延，它 只强调功能，而不强调其结构形式，只要能够预测对象未来输出即可。因此预测模型 可以是；传递函数、状态方程等传统的数学模型对于稳定的线性系统，可以采用有 限脉冲响应或有限阶跃响应等非参数模型，目前大多数商品化模型预测控制软件包采 用的均是这类非参数预测模型。除了以上模型以外。还可以用非线性模型来描述非线 性过程 ( 2 ) 滚动优化 预测控制是一种优化控制算法，它与传统意义上的离散最优控制算法不同，主要 表现在：预测控制的优化是有限时段的优化，其优化性能指标是随着时间的推移而变 化，即在每一采样时刻，优化性能指标只涉及到从该时刻起未来有限时域，而到下一 采样时刻，这一优化时段同时向前推移，这就是滚动式的有限时域优化方法。而离散 最优控制却采用一个不变的全局优化目标。这种滚动式的有限时域优化方法的局限性 使其在理想情况下只能得到全局的次优解，但优化的滚动实施却能顾及由于模型失 配、时变、干扰等引起的不确定性，及时进行弥补，始终把新的优化建立在实际的基 础上，使控制保持实际上的最优。对于实际的复杂工业过程来说，模型失配、时变、 干扰等引起的不确定性是不可避免的，因此建立在有限时段上的滚动优化策略反而更 加有效。 ( 3 ) 反馈校正 预测控制是一种闭环的控制算法。其采用的预测模型通常只能粗略描述对象的动 态特性，由于实际系统存在非线性、时变、干扰等因素的影响，在预测控制算法中的 预测模型就存在着失配问题，从而会引起预测模型的预测输出与对象实际输出之间存 在着一定的偏差，称为预测误差。为了克服这个问题，一般采用反馈校正的办法。因 6 骄南大学硕士学位论文 此，预测控制算法在通过优化确定了一系列未来的控制作用后，为了防止模型失配或 环境干扰引起控制对理想状态的偏离，并不是把这些控制作用逐一全部实施，而只是 实现当前时刻的控制作用。到下采样时刻，首先检测对象的实际输出，并通过各种 反馈策略，修正预测模型或加以补偿，然后再进行新的优化。 反馈校正的形式有多种多样，它可以是在维持预测模型不变的基础上，对未来的 误差做出预测并补偿，如模型算法控制( m a c ) ，动态矩阵控制( d m c ) ，预测函数 控制( p f c ) 等；也可以利用在线辨识的原理直接对预测模型加以校正，如广义预测 控制( g p c ) 。不管采用何种形式，反馈校正的目的是使模型预测输出尽可能地接近 实际对象输出。 1 4 2 发展概况 1 9 7 8 年r i c h a l e t 、c l i t 舻冽首次阐明建立在脉冲响应基础上的模型预测启发控 制( m o d e lp r e d i c t i v eh e u r i s t i cc o n t r o l ，简称m p h c ) 或称模型算法控制( m o d e l a l g o r i t h m i cc o n t r o l ，简称m a c ) 产生的动因、机理及其在工业过程中的应用，就在电 力、炼油、化工等领域获得了广泛的应用。模型预测启发控制( m p h c ) 问世，一方 面是受到计算机技术发展的推动，另一方面也来自复杂工业实践向商层优化与控制提 出的挑战。c u t l e r l 5 3 1 于1 9 8 0 年提出了建立在阶跃响应基础上的动态矩阵控f 0 j ( d y n a m i c m a t r i xc o n t r o l 。简称d m c ) ，它应用具有积分性能的增量模型，引入控制时域的概念。 1 9 8 2 年g a f i c m 酬等研究了内模控制( i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ，简称i m c ) ，从结构的角 度对预测控制作深入研究。 r i c h a l e t 、席裕庚嘲等描述了预测控制算法产生的动因。经过二十年的发展，理 论上各种预测控制方法已是异彩纷呈，而且在许多应用领域预测控制成功应用的报道 也是层出不穷。预测控制成为控制领域尤其是过程控制领域关注的热点其中， g p c l 5 6 1 、d m c 5 7 i 等预测控制的常规算法一出世就受到广泛注意，很快有许多成功的 应用。 1 4 3 研究现状 预测控制的出现是为了克服现代控制理论与其工业应用之间的不协调，本质是反 映系统输入输出关系的预测模型和有限时域的滚动优化。由于其对模型要求低、在线 计算量小、控制综合质量好，故十分适合于对象状态模型难于辨识、实时计算要求高、 环境参数变化大的复杂工业过程的控制。 7 预爵i 空制理论在水泥熟料篦式冷却过程中的应用研究 在这一方法从提出到现在的几十年里，它在工业过程控制中取得了许多成功的应 用，己被公认为是工业过程最有前途的先进控制策略。目前，世界许多著名软件公司 已推出了预测控制商品化软件，并在炼油、石化等行业推广应用，预测控制在过程控 制领域发挥了重要作用近年来，国内外对预测控制的研究和应用日趋广泛，包含有 预测控制的多变量优化控制算法已在国外许多大公司得到应用。在我国，近年来也有 许多单位开展了预测控制的研究，取得了不少新的成绩，并在工业过程中获得了成功 的应用。 随着工业的发展，常规算法不能满足实际需要。理论上出现了各种预测控制方法； 比如多变量系统的预测控制方法、预测控制的参数优化设计、分段多模型法、结合其 它控制策略的方法。其中，在结合其它控制策略的方法中，神经网络理论应用较为广 泛。 1 4 4 灰色理论简述 本文结合实际篦式冷却过程特点，应用预测控制的基本思想，寻求新的控制理论 在实际复杂控制系统应用中的方法。由于常规预测控制在实际应用中模型参数整定方 面存在很大缺陷，绪论中已提及。因此本文选用灰色理论建立了灰色模型，将其与预 测控制相结合，以改善常规预测控制算法的性能。灰色模型在实际工作过程中不需要 调整参数，且是在线建立模型，是一种变参数不变结构的自适应模型。 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。 8 折甫大学硕士学位论文 1 5 研究的内容和方法 篦式冷却过程的先进控制应用研究来源于国家发改委2 0 0 4 年工业自动化高技术 产业化专项德州晶华集团大坝有限公司水泥生产过程综合自动化系统高技术产业化 示范工程基于f c s 的水泥熟料生产过程综合自动化系统子项目。 德州晶华集团大坝有限公司的水泥生产线d c s 系统2 0 0 5 年7 月已经成功实施。 生产初期，回转窑产量低，篦冷机冷却效果尚可。但随着产量的提高，篦冷机冷却效 果明显降低，熟料链斗机里经常出现红料，以至于熟料库的熟料由于温度过高将输送 胶带烧毁，影响到水泥粉磨系统的正常运行。并且，= 次风温和三次风温也偏低，达 不到工艺要求，相应增加了资源消耗。经资深专家和现场操作工人联合分析，其中一 个很重要的原因是工艺操作不好，篦冷机二室压力过低，只有3 6 - 4 0 k p a ，篦床熟料 厚度不够，从而导致熟料冷却效果差。为此，需要将二室压力提高到4 “7 k p a 。并 坚持厚料层( 约达8 0 0 r a m ) 操作。 因此，本文针对天津水泥工业设计院设计的t c - 1 1 6 4 第三代充气梁篦式冷却机， 在充分分析其结构和工作机理的基础上，以篦下二室压力和一段篦速为控制变量，首 次使用基于灰色模型的预测控制算法，实现了篦式冷却过程工作性能的优化控制。算 法的实现是利用v c 高级语言编制程序，通过o p c 接口与d c s 进行数据通讯，然后 将指令下达到d c s 相应控制模块，达到控制目的。 1 6 本章小结 本章在深入分析课题背景和篦冷机的发展趋势及对水泥企业影响的基础上，得出 了对篦式冷机过程进行先进控制研究并将其应用到工业现场势在必行的结论。对德州 大坝水泥厂生产过程中冷却环节的现状及存在的问题进行了分析和总结，结合基于灰 色模型的预测控制算法的优势，给出了研究的内容和方法。 9 预测控制理论在水泥热料管式冷却过程中的应用研究 第二章篦冷机熟料冷却过程机理研究 水泥生产自1 8 2 4 年诞生以来，生产技术历经多次变革。作为水泥熟料的煅烧设 备，开始是间歇作业的土立窑，1 8 8 5 年出现了回转窑1 9 3 0 年德国伯力鸠斯公司研 制了立波尔窑，用于半干法生产，1 9 5 0 年联邦德国洪堡公司研制成功悬浮预热窑， 称洪堡窑，1 9 1 年日本石川岛公司和秩父水泥公司研制成功预分解法，称s f 法。七 十年代初，窑外分解技术出现后，更加受到世界各国的重视，并且很快出现了许多各 具特点的预分解技术。与此同时，生料制各、水泥粉磨等各种水泥生产技术装备，也 与之配套，同步发展，现代电子技术及科学管理方法在水泥工业中也得到了广泛应用。 以悬浮预热和窑外分解技术为核心的新型干法水泥生产，采用了现代最新的水泥生产 工艺和装备，正在逐步取代湿法、老式干法及半干法生产，把水泥工业生产推向一个 新的阶段1 1 1 本课题的研究针对的是新型干法水泥生产过程，以下主要介绍新型干法水泥的生 产工艺流程 2 1 水泥生产工艺简介 新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把现代科学技术和 工业生产成就，广泛地应用于水泥干法生产的全过程，使水泥生产具有高效、优质、 低耗、符合环保要求和大型化、自动化的特征的现代化水泥生产方法新型干法水泥 生产包含了一整套现代化水泥生产新技术和与之适应的现代化科学管理方法。与传统 的湿法、干法、半干法水泥生产相比，新型干法水泥生产具有均化、节能、环保、自 动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系。 整个水泥生产工艺流程大致由原料烘干与破碎、生料制备、熟料煅烧、窑头冷却、 煤粉制备、水泥制备和水泥包装几部分组成。具体组成部分见图2 1 。 其中熟料煅烧部分也就是烧成部分是水泥生产非常重要的一个环节，这部分主要 由预热器、分解炉、回转窑、篦冷机四部分组成。生料经过预热器预热，到分解炉分 解，气固分离后，已分解的生料入窑，此时料粉的分解率一般控制在9 0 左右。气体 由下向上，生料在分解炉中分解所需的热量部分由入分解炉的煤粉提供，所需助燃空 气一部分来自三次风，温度在7 0 0 1 2 8 7 0 1 2 ；另一部分来自窑尾烟室的气体。预分解 的生料入回转窑，由于窑体倾斜放置且不断旋转，预分解的生料不断向窑头运动，在 窑内被高温逆向流动的气体加热而烧成熟料，最后经窑头罩下端落入篦冷机，冷却后 1 0 济南大学硕士学位论文 入熟料库。熟料回转窑的助燃空气由一次风和二次风提供，煤粉剧烈燃烧提供的热量 可使烧成带的煅烧温度达到1 5 0 0 1 2 左右 图2 1 水泥生产流程图 新型干法回转窑的烧成系统结构如图2 2 所示。其中，预热器是系统的热交换装 置，分解炉使生料进一步加温并提前分解，回转窑是烧成过程的核心设备，窑内经过 一系列复杂的物理化学反应生成高温熟料。篦冷机接收由回转窑出来的高温熟料，对 其进行冷却。篦冷机还应保证熟料质量，增强易磨性；提高二次风温，改善窑内火焰 燃烧条件；保证三次风温，提高分解炉分解率，节约能源 2 2 篦冷机系统组成及工作原理 2 2 1 熟料冷却目的及性能 由图2 2 可以看出，熟料冷却在水泥生产中占据重要地位，对于熟料性能、水泥 品质以及生产工艺都有着很大影响，作用主要表现如下： ( 1 ) 便于熟料输送：如果输送高温的熟料，则须用耐高温材料制造输送设备，不 利于减少成本，且容易磨损。 ( 2 ) 改善熟料质量：急冷熟料的液相来不及完全结晶，一部分呈玻璃相，一部分 解生成阿利特晶粒，这种熟料可制成优质水泥，具有很好的安定性和很高的强度。急 冷水泥熟料还具有很多微裂纹，更易粉磨且电耗低【5 哪 1 1 预蔫控制理论在水泥熟料篦式冷却过程中的应用研究 图2 2 新型干法回转窑烧成系统示意图 ( 3 ) 热量回收：急冷熟料可从中回收大量热能，供窑内燃烧、分解炉预分解、 余热发电或烘干物料之用，大大降低生产成本。 作为主要冷却装置，篦冷机以空气为介质，使其从高温熟料中通过，对熟料进行 急速冷却，同时回收大量热量。并将得到的热风作为二次、三次风以及烘干热风返回 水泥生产系统，提高窑热效率从热工及工艺角度衡量，对冷却机的具体性能要求如 下： ( 1 ) 回收的热量应尽量多，二次风及三次风温度须尽量高且稳定。 ( 2 ) 冷却熟料应时间短，速度快。 ( 3 ) 冷却后熟料温度应低于一定限值。 c 4 ) 冷却单位质量熟料的空气消耗量要少。 ( 5 ) 对篦冷机本身，则须结构简单，操作方便，维修便宜，且运转效率高。 2 2 2 篦冷机的工作原理 热熟料从窑口卸落到篦床上，在往复推动的篦板推送下，沿篦床全长分布开，形 成一定厚度的料床，冷却风从料床下方向上吹入料层内，渗透扩散，对热熟料进行冷 却。冷却熟料后的冷却风成为热风，热端高温热风作为燃烧空气入窑及分解炉( 预分 解窑系统) ，部分热风还可作烘干之用。热风利用可达到热回收，从而降低系统热耗 的目的；多余的热风经收尘处理后排入大气。冷却后的小块熟料经过栅筛落入篦冷机 济南大学硕士学位论文 后的输送机中；大块熟料则经过破碎、再冷却后汇入输送机中：细粒熟料及粉尘通过 篦床的篦缝及篦孔漏下进入集料斗，当斗中料位达到一定高度时，由料位传感系统控 制的锁风阀门自动打开，漏下的细料便进入机下的输送机中而被输送走。当斗中残存 的细料尚能封住锁风阀门时，阀板即已关闭而保证不会漏风例 对于t c 型两段篦冷机，第一段篦床又分为如下三部分； 高温区；即熟料淬冷区和热回收区，在该区域采用t c 型“充气梁”装置，其中 前段五排采用“固定式充气梁”，倾斜面1 5 。；后续四排为“活动式充气梁”，倾斜3 。高温区采用t c 型“充气梁”装置是t c 篦冷机达到高冷却效率的根本保证应 该强调在最高温区采用“固定式充气梁”装置，最大优点是大大降低了热端篦床的机 械故障率，这能充分保证篦冷机的运转率由于正对窑下料口区域的篦床采用“固定 式充气梁”装置，热熟料易于堆积，虽可调节冷却风量来对积料厚度加以控制，但为 防“雪人”和大块熟料球的堆积，在端部壳体上加装了一组空气炮，按实际需要间断 地“开炮”，适时清理过多的积料，以保证稳定安全的操作。 中温区：采用低漏料篦板，该篦板有集料槽和缝隙式通风口，因冷却风速较高而 具有较高的篦板通风阻力，因而具有降低料层阻力不均匀影响的良好作用，有利于熟 料的进一步冷却和热回收。 低温区：即后续冷却区，经过前端t c 篦板区和低漏料篦板区的冷却，熟料已显 著降温，故该区仍采用改进型通用富勒篦板，这足以实现对该机性能的要求。 活动篦床由许多与水平面成一定角度并交叠排列的篦板组成。篦板分活动篦板及 固定篦板，它们按“活动”、“固定”、“活动”相间排列，并通过活动和固定篦板 梁分别支承在活动框架和侧框架上。活动框架通过与其相连的滑块轴，由曲柄连杆机 构传动，使其沿托轮导轨作往复直线运动，从而带动活动篦板往复移动，推动物料前 进。非充气篦床的篦下各隔室( 冷风室) 均于冷却机外侧配置各自的风机，以送入冷 却空气。为保证各室良好的气密性，在活动框架穿过隔墙板处、轴穿过壳体处均设有 必要的密封装置，防止室间窜风和向机外漏风，以保证各室冷却空气有效地对料层进 行冷却，卸料端装有锤式熟料破碎机，小于预定尺寸的熟料( 一般为2 5 毫米以下) 通过栅筛篦条卸到熟料输送机上运走。而大块熟料则落入破碎机破碎，并抛回篦床再 冷却，再破碎直到要求的粒度为止。在破碎机前方的上壳体上悬挂垂直链幕，避免破 碎机将熟料块抛回篦床时抛得过远，减少不必要的熟料再冷却循环，在破碎机打击区 两侧壳体设有冲击板。 1 3 预测控制理论在水泥熟料篝式冷却过程中的应用研究 为了避免篦板漏料在篦下隔室中过分堆积，底板上设有若干下料口