（控制科学与工程专业论文）氧化球团烧结回转窑温度控制系统研究.pdf

t h er e s e a r c ho f p e l l e ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mo fr o t a r yk i l n s p e c i al t y ：q 旦殴! s 鱼i 曼廷鱼叟坌匹鱼曼坠g i 坠曼星d 塾g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：l i a oc h a o s u p e r v i s o r ：里煦z h 堑g 旦q c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：l 阻 日期：业年上月丝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：挚导师签名：望篮日期：业年月日 摘要 氧化球团是高炉炼铁的重要精料，随着国内外钢铁产业的不断发 展，其品质的改善对整个生产有着至关重要的作用，是企业在竞争中 处于优势地位的保证。 目前，我国大多数球团厂开始采用链篦机回转窑生产工艺方式， 它生产规模大、效率高。在回转窑焙烧过程中，温度控制是其重要的 一个环节，它对生产的稳定化、产品的质量和产量的提高以及能耗降 低、生产安全等都有着关键的作用。 回转窑焙烧过程热工过程复杂，是一个非线性、大时滞的多变量 系统，其数学模型很难建立。根据生产过程工艺要求，提出了基于自 适应遗传算法优化的b p 神经网络来建立温度预测模型的思想，结合两 者优点对回转窑的烧成带温度进行预测建模，并通过仿真验证了预测 模型具有较好的精度。同时，针对其温度控制要求，提出了基于温度 预测反馈的参数自整定模糊p i d 控制策略，较好地解决了温度控制中 超调量大、调节时间长、稳态精度低等问题。 最后介绍了氧化球团生产线控制系统的硬件结构和软件设计，实 现了球团生产的集中管理和分散控制。同时系统在实际生产中得到了 应用，其运行结果稳定可靠，对“优质、低耗生产目标的实现具有 比较明显的效果，取得了较好的经济效益和社会效益。 关键词：回转窑；自适应遗传算法；b p 神经网络；模糊p i d 控制 a bs t r a c t o x i d ep e l l e t sl sa ni m p o r t a n tf i n eb l a s tf u r n a c ei r o n m a k i n gm a t e r i a l w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t e e l i n d u s t r y ，t h en a t u r ei m p r o v e m e n to ft h eo x i d ep e l l e t sh a sav i t a lr o l ei n e c o n o m i ci n d i c a t o r so ft h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h i si st h eg u a r a n t e e o fd o m i n a n tb u s i n e s sp o s i t i o ni nt h ec o m p e t i t i o n a tp r e s e n t ，m o s to ft h ep e l l e tp l a n t sb e g a nt ou s eg r a t e r o t a r yk i l n p r o d u c t i o np r o c e s s m o d e i tp r o d u c e s l a r g e ，h i g hc a p a c i t y t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o li s a ni m p o r t a n tp r o d u c t i o np r o c e s s e si nt h er o t a r y k i l n sr o a s t i n gp r o c e s s i th a sak e yr o l ei nt h es t a b i l i z a t i o no fp r o d u c t i o n i n c l u d i n gt h eq u a l i t yo ff i n i s h e dp r o d u c t s ，t h ei n c r e a s i n go fp r o d u c t i o n ， t h er e d u c i n go fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h es a f e t yo fp r o d u c t i o na n ds oo n t h e p r o d u c t i o np r o c e s so fr o t a r yk i l ni sac o m p l e xt h e r m a lp r o c e s s a n dt h ep r o c e s si san o n l i n e a r ，l a r g et i m ed e l a yo fm u l t i v a r i a b l es y s t e m i t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sd i f f i c u l tt ob ee s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g o x i d ep e l l e t s p r o d u c t i o np r o c e s st e c h n o l o g y a n ds y s t e m r e q u i r e m e n t s ，ak i n do fb pn e u r a ln e t w o r kt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nm o d e l b a s e do na d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r o p o s e d b o t ho ft h e i r a d v a n t a g e sw e r ec o m b i n e dt oe s t a b l i s ht h et e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nm o d e l o fr e a c t i o nz o n e t h ep r e d i c t i o np r e c i s i o ni si m p r o v e d ，a n di th a sb e e n p r o v e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o ni nt h ep l a t f o r mm a t l a b a c c o r d i n gt ot h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，ap a r a m e t e rs e l f - t u n i n gf u z z yp i d c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf e e d b a c ko ft h et e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nw a s p r o p o s e d t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m sp r o b l e m s ，s u c h a sl a r g e o v e r s h o o t ，l o n gs e t t i n gt i m ea n d l o ws t e a d y - s t a t et i m ea c c u r a c yh a sb e e n s o l v e de f f e c t i v e l y t h ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ec o m p l e t e d t h e c e n t r a l i z e d m a n a g e m e n t a n dd e c e n t r a l i z e dc o n t r o lo ft h e p e l l e t p r o d u c t i o nw e r er e a l i z e d t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e d i np r a c t i c a l p r o d u c t i o n t h ea c t u a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h mh a sg o o d p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b l es t a b i l i t y t h eq u a l i t yo fo x i d ep e l l e t sw a s i m p r o v e d ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nw a s r e d u c e d i ta c h i e v e d g o o d i i e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n ；a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ；b pn e u r a l n e t w o r k ；f u z z yp i dc o n t r o l i i i 目录 摘要蕈一i j d l 】j i s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题的来源、目的及意义3 1 3 国内外研究发展与现状4 1 4 本文的研究内容与章节安排6 第二章氧化球团烧结生产线工艺分析8 2 1 氧化球团生产工艺8 2 2 回转窑温度影响因素1 0 2 3 回转窑温度测量方法研究1 1 2 4 本章小结1 4 第三章窑温预测算法及其仿真研究1 5 3 1 人工神经网络概述1 5 3 2b p 神经网络18 3 3 自适应遗传算法2 1 3 4 预测建模及其仿真研究2 4 3 5 本章小结2 6 第四章窑温控制算法及其仿真研究2 8 4 1 引言。2 8 4 2 系统总体控制框架2 8 4 2 1 系统控制思想2 8 4 2 2 控制系统结构2 9 4 3p i d 温度控制算法。3 0 4 4 模糊控制算法。3l 4 4 1 模糊控制概述3 1 4 4 2 模糊控制系统组成3 2 4 5 模糊自整定p i d 控制器的设计3 3 4 5 1 模糊自整定p i d 控制器的结构与原理3 3 4 5 2 模糊自整定p i d 控制器的设计3 4 、4 6 仿真研究4 0 i v 4 7 本章小结4 2 第五章氧化球团回转窑温度控制系统实现4 3 5 1 控制系统硬件结构4 3 5 2 控制系统软件结构4 7 5 3 运行结果分析5 0 5 4 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 工作展望5 3 参考文献。5 5 墅i 【谢。6 0 攻读硕士学位期间的主要学术成果。6 1 v 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百t 匕 氧化球团是高炉炼铁重要精料，它的性质改善对整个生产技术经济指标有着 至关重要的作用，在竞争激烈的钢铁企业界中，其改善性质和要求可以用以下六 个字来表达“高、熟、匀、净、小、稳 【1 1 ，高是指高炉入炉铁矿石的品位高，熟 是指入炉原料为氧化球团矿或烧结球团矿的熟料，净匀即粒度均匀，较少杂质， 透气性好，小即球团矿直径不得小于5 m m ，稳是指球团矿的化学组成成分稳定。 随着国内外钢铁产业的不断发展，对氧化球团产品质量的要求也不断提高，企业 能否在激烈的竞争中取得优势地位，其最重要的因素在于“优质、低耗”。尤其 对于我国而言，铁矿资源少，质量品位低，能耗成本高，这三大软肋严重制约了 钢铁企业的较快发展，因此提高铁精矿质量、减低生产能耗成本、提高经济效益 便成了应对客观困难的有效措施。 我国是矿产资源大国，铁矿储量排名全球前十，但人均占有量则排第3 9 位， 因此大部分都是靠进口。非但如此，在铁矿储量中，铁矿资源基本都是贫矿。资 源上的制约是不可避免的，但是如何在生产技术上弥补差距便成了我国钢铁业界 的重大课题。 在我国，高炉入炉炉料基本都是烧结矿和氧化球团矿，它们都是靠烧结法焙 烧而成的，其质量和利用率对我国钢铁工业的发展都产生了重大的影响。目前， 和国外相比，球团矿存在抗压和抗磨指标差，即“强度 不够；铁含量品位低； 产品质量波动性大，不够稳定等差距。其重要原因，与生产工艺和技术指标有着 密切的关联。 目前，我国球团矿生产大部分呈现小而散的生产状态，企业规模小、水平低， 因此要在整体上把握球团矿的质量存在相当大的困难。另外，设备规模小、能耗 高、工作效率低、工艺指标等也制约了其发展。要生产高质量的球团矿，必须做 到以下几点：第一，铁精矿的细磨深选，它不仅能提高铁品位，还能降低铁矿石 的有害元素脉石、硫、磷等含量【2 】，为球团矿生产的质量打下了较好的基础。第 二，添加剂如橄榄石、膨润土、粘结剂的合理添加。第三，生球的制造，生球的 质量好坏决定了其抗压和抗磨指标，它是焙烧系统的重要原料。第四，先进的焙 烧工业设备和技术。在整个生产工艺中，对球团矿质量有直接影响的便是其焙烧 生产工艺，焙烧设备的性能以及热工制度的好坏。下表1 1 就目前我国球团焙烧 硕+ 学位论文第一章绪论 竖炉设备简单，投资低， 对材质无特殊要求， 操作维护方便，热效 率高 带式焙烧机全部工艺过程在一台 设备上进行，操作简 单，控制方便，焙烧 周期比竖炉短 均匀加热困难，只能 使用一定热值的燃气 和油，单机生产能力 小，生产规模有限当 焙烧放热效率低的球 团矿时，产量较低 上下料层焙烧制度不 一致，球团矿上下层 质量不均，台车容易 烧损，需要耐热合金 钢较多 链篦机一回转窑设备环节多，调节灵 活焙烧均匀，单机生操作不正确时，回转 产能力大，可使用煤窑容易结圈，引发安 作为燃料，适应各种全事故 原料的球团焙烧 一般，强度指标差 良好 好 上述三种方法，相比较而言，链篦机回转窑是最优生产方式，它能使球团 矿的质量得到更好的保证，但前提是在球团原料较好、设备性能高、各生产环节 无误的情况下才能实现。在我国，作为一个煤矿能源产量大国，采用链篦机回 转窑生产方式有着得天独厚的优势，它可以使用煤作为燃料，而不必采用热值较 高的燃气和油【3 1 。现在，链篦机回转窑已广泛用于我国球团矿生产过程中，且 规模在不断扩大，生产能力达1 0 0 - - - 2 0 0 吨的球团厂越来越多，总年产量也有了很 大的突破，但是却还是不能满足高炉入炉原料的需求，依然存在更广阔的发展空 间【4 】。 链篦机回转窑生产规模大，生产能力高，要使其产品质量可靠稳定，与球 团矿在窑内是否得到均匀的焙烧有着密切的联系，因此对焙烧环节的热工制度的 研究和严格控制成为了重要的一环。烧结过程控制较为复杂，主要与球团的生产 工艺和环境有关，其控制品质决定了下游产品和最终生产产品的质量和企业的生 产效益。 现代球团烧结过程涉及很多复杂的物理化学反应过程，热辐射、热传导、热 对流等热工状态复杂，各参数如温度、压力、流量、速度等之间存在耦合，干扰 因素和不确定的因素较多，同时它也是一个多变量的大时滞系统。如果采用传统 的人工控制，其人为主观因素会造成产品质量不稳定，波动性大，难以满足要求， 因此必须引入自动控制。针对烧结过程自动控制，其主要目标就是结合先进的计 算机控制技术使焙烧生产工艺达到稳定状态，各关键参数得到稳定化控制和最优 2 硕士学位论文第一章绪论 设置，从而实现产品产量大、质量高、能耗低的生产目标，实现生产效益、社会 效益的双突破。 1 2 课题的来源、目的及意义 本课题所研究的是某钢铁集团球团厂的氧化球团生产线回转窑温度控制系 统，系统的研究与开发是为了解决目前制约氧化球团行业生产过程理论和关键技 术发展的各种问题( 如单位产品能耗高、污染严重、产成品性能低等) 而提出的。 回转窑能耗高、热效率低，是我国工业中重要耗能设备。目f j f 全国各类回转 窑约有2 0 0 0 条左右，广泛应用于水泥、氧化球团、氧化铝等原料的生产中【5 】。 回转窑是一个典型的热工过程，对它的运行进行有效的自动控制，具有普遍而良 好的经济效益和社会影响。对回转窑控制的目标包括：稳定产品质量，提高产品 合格率；降低能耗，节约能源；减少对环境的污染。真正实现“优质、安全、低 耗 。 其中稳定产品质量是回转窑控制的首要目标。回转窑具有时变、分布参数、 大滞后、强耦合和非线性特性，是一个典型的复杂过程，因而其控制难度较大。 在氧化球团生产线回转窑控制系统的研究过程中，作者认为有几个方面的内容值 得深入研究： ( 1 ) 回转窑温度测量与数据预处理。温度是回转窑的重要变量，也是进行控 制的重要依据，但由于窑内复杂工况的影响，温度信号混入各种干扰，给建模和 控制带来不利影响，所以，实行自动控制之前，对测量数据进行预处理是必不可 少的。 ( 2 ) 回转窑温度的预测建模与控制。回转窑窑内各温度直接影响了产成品的 质量，温度过高或过低都不利于氧化球团的生产，另外回转窑具有大惯性、大滞 后、非线性等特点，热工制度相当复杂，这都极大地制约了温度的实时控制和精 确控制。 ( 3 ) 过程自动监控。球团烧结自动控制的应用目标包括操作稳定化、过程最 优化两点，从而实现生产成本的最大幅度降低、劳动生产率的提高和劳动强度的 降低。球团烧结自动控制是几大技术的结合体，如自动检测技术、计算机技术、 自动化技术等。随着钢铁企业高炉对球团质量不断提出的新要求以及生产规模、 设备的扩大，自动控制其作用越来越显著，它已成为生产工艺技术先进与否的一 个重要判断标准。 本论文在借鉴同类研究成果的基础上，针对氧化球团生产线烧结过程回转窑 温度的预测建模和控制进行研究，重点就以上几个相互联系的问题展开讨论。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外研究发展与现状 链篦机回转窑氧化球团生产是一个复杂的物理化学反应的工业过程，涉及 到复杂的热工制度以及传质、传热过程。就控制角度而言，回转窑是典型的非线 性系统，存在多变量耦合、大惯性、大滞后和分布参数等特点，建立合适的数学 模型难以达到。对于其烧结过程数学模型，国内外已经有了很多相关研究，即把 其复杂反应过程和现象用数学模型定性定量表示出来，从而用以实现精确的控 制。 从七十年代起，国外便开始着手研究，我国的研究是从八十年代开始的，烧 结过程数学建模经历了过程模拟模型阶段、参数优化模型阶段、过程控制模型阶 段。过程模拟模型以澳大利亚m j c u m m i n g 等人为代表，它开发了较为详尽的 烧结模型，其中包括2 4 种物理化学反应、2 6 个输入输出状态变量。但是它并未 对系统各变量用定量关系表示出来，而且模型在计算机的求解时间长达7 个小 时，在工程应用上有很大的限n t 6 1 。参数优化模型又分为统计模型和机理模型， 统计模型是基于数理统计方法，针对实际或实验数据建立而成的，意大利冶金公 司应用风箱废弃样本的成分预测f e o 的含量，同时建立的烧结终点统计模型， 在实际应用中得到了较好的效果 7 1 。t k a w a g u c h i 等人开发了由透气性、传热、 质量等6 个子模型构成的烧结过程模型，该模型应用到了实际生产中，不但使操 作过程得到优化，而且改善了球团矿质量，降低了能耗，取得了一定的成效【8 】。 过程控制模型则采用计算机进行过程控制，获取数学模型。文【9 根据实际生产 情况，通过计算机过程控制，开发了球团焙烧终点控制模型，通过自动切换控制 模式实现了烧结终点的控制。 氧化球团烧结过程具有大滞后、非线性、多变量等特点，生产过程复杂多变， 因此通过建立精确数学模型，难以实现定量控制在实际中的较好应用。直到引入 了智能控制技术，才实现了烧结过程优化控制，取得了满意控制效果。智能控制 是一门综合性学科，它是由计算机科学，控制论、信息论、神经心理学、语言学 等多学科相互渗透并发展起来的【l o 】。它的出现，使得传统控制界面临的不确定 性问题以及复杂的控制对象、环境、目标等难题得以解决。在复杂工业控制中， 智能控制取得了相当大的成果。 智能控制分为专家系统、模糊控制和神经网络三大模块。专家系统式人工智 能最重要的应用领域之一，它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系 统，具有快速决策、分析、诊断、调试等功能。模糊控制是一类应用模糊集合理 论的控制方法，它不依赖精确的数学模型，只需提供工人的操作经验和实际数据。 当受控对象或过程含有不确定性或很难用常规非线性控制理论处理时，模糊控制 4 硕士学位论文第一章绪论 则变得更为有效。目前，它已广泛用于各个领域。人工神经网络是一种基于连接 机制的智能方法，它利用其非线性逼近能力，可以实现被控对象的输入输出直接 建模，有很强的辨识能力、预测能力和自学习能力。对于复杂工业过程控制中的 非线性、不确定性问题和对象，它都能取得很好的效果。 氧化球团回转窑焙烧过程是球团生产中重要的一个环节，同时也是最难控制 的环节。它是一个具有机理复杂，强耦合、大滞后等特点的非线性系统，很难建 立数学模型。在传统控制中，都是以熟练操作工人的经验来控制和调节，控制效 果差，产品质量也低。随着先进控制方法和检测技术以及计算机技术的发展，以 及智能控制的引入，使得回转窑的有效控制得到了解决。 人工智能技术在八十年代最先在日本的烧结球团厂得到了成功应用，其显著 的效果迅速得到了广泛的应用。就专家系统控制而言，国内外烧结工业过程控制 作了以下研究：神户钢铁公司n t a m u r a 等人基于烧结过程传热曲线，通过模拟 烧结过程的数学模型，设计开发了烧结过程操作指导系统，并在神户钢铁公司的 烧结机上得到了成功的应用【l 。而我国的应用始于九十年代，中南大学李桃等 结合鞍钢实际生产系统，利用工人经验和历史数据，设计开发了烧结生产过程专 家控制系统，该系统对烧结矿化学成分控制、透气性控制和诊断控制作了详尽的 阐述，同时将其运用于鞍钢实际生产系统，改善了化学成分和透气性，提高了烧 结矿的质量和产量，同时还降低了能耗【1 2 】。文献 1 3 】基于各传感器测量所获得现 场实际数据，通过判别回转窑温度的趋势，采用模糊技术进行温度数据融合和分 类，建立了回转窑实时温度专家控制系统，具有很强的实用性。文献【1 4 】则提出 了一种新型混合控制策略，它采用了分级递阶结构，运用专家控制技术和模糊神 经网络结合而成。 就模糊控制而言，1 9 8 5 年，丹麦著名的自动化工程师h o m b l a dl p 通过总 结操作人员经验，运用模糊逻辑推理，将其转化成模糊控制语言，首次尝试应用 到回转窑计算机控制上，取得较大的成功【l5 1 。1 9 9 5 年，日本神户大学的n a k a m o r i y 等人对回转窑数据运用模糊聚类识别方法进行分类，同时改进其回归方程，通 过提取一系列优化的模糊控制规则，建立了回转窑模糊预测模型，并在生产中取 得了较好的效果【1 6 】【l 刀。意大利v o e s t - a l p i n ea g 钢铁公司运用模糊逻辑控制，实 现了控制烧穿点的精确控制，成功地改善了烧结厂的生产操作，提高了生产率 【1 8 】。文【1 9 】基于球团焙烧生产工艺，运用实际采集数据，采用t s 模糊模型进行 系统辨识建模，同时运用优化学习算法整定模型参数，通过仿真，该模型能较好 的逼近实际响应过程，料层透气性的估计能力有很大的提高。文 2 0 以水泥回转 窑为控制对象，设计了一种模糊预测控制算法，该算法结合了模糊控制和神经网 络预测，并在回转窑d c s 系统中取得了成功运用。文【2 1 采用基于粗糙集理论 5 硕士学位论文 第一章绪论 的t s 模糊神经网络，建立了回转窑自动喷煤系统。该模型能够很好地反映拓扑 结构，通过知识约简分析，优化工艺参数，建立了f n n 规则表，简化模糊规则。 该文所提出的控制系统用于实际生产过程，取得了较好的效果，不但提高了球团 成品率，而其提高了其物理性能。 在人工神经网络应用方面，主要用于建模、预测、辨识、故障诊断等方面， 解决非线性系统和不确定性问题。文 2 2 建立了基于球团矿化学成分预测的软测 量模型。该模型是通过采样得到系统输入输出的数据，结合生产工艺过程，采用 基于遗传算法优化的神经网络预测建模，同时结合模糊控制实现模糊推理，建立 模糊模型，仿真实验结果表明，该软测量模型有较好的效果。文 2 3 1 通过r s 理 论知识约简选取与焙烧温度有关的测量数据，采用支持向量机的回归算法建立非 线性预测模型，同时采用预测误差在线整定模型参数，将其运用到回转窑焙烧生 产过程，取得了很好的温度预测效果。文 2 4 1 基于神经网络分别建立了温度预测 系统和温度控制系统，首先通过回转窑内燃烧火焰的特征辨识提取相关向量建立 预测模型，基于该模型采用高斯函数建立了神经网络控制系统，该系统用于回转 窑生产实际取得了较好的效果。湖南大学张小刚等结合软计算方法和人工智能， 提出了一种基于图像反馈的氧化球团回转窑温度智能预测控制方法。该方法融合 现场热工信号，运用基于遗传算法优化的r b f 神经网络建立预测模型，同时辨 识提取火焰图像特征，作为反馈信号参与温度闭环预测控制，实现了回转窑温度 的稳定控制【2 5 1 。 1 4 本文的研究内容与章节安排 本文以回转窑为研究对象，通过分析生产过程中回转窑内的生料给量、喷煤 量、主排风速度等因素的影响作用，确保回转窑系统的正常运行和产品质量。为 了解决在难以建立精确数学模型的复杂工业过程的中的温度控制问题，本系统设 计了基于神经网络预测建模反馈的模糊p i d 控制器。 文章首先介绍课题的来源，对国内外链篦机回转窑氧化球团烧结及烧结过 程控制的研究现状进行了论述，并作了全文的章节安排。 第二章简要阐述了氧化球团烧结生产工艺过程及工艺特点，在此基础上，详 细分析了回转窑温度控制过程中的控制要求和影响因素，并介绍了温度测量的几 种常用测量方法，并阐述了本文采用的测量方法。 第三章介绍了窑温预测算法及其仿真研究，采用了基于自适应遗传算法优化 的b p 神经网络预测模型，论述了其基本理论、应用过程和改进优化。 第四章阐述了窑温控制算法及其仿真研究，采用了基于窑温预测的模糊p i d 6 硕士学位论文 第一章绪论 控制。同时在对仿真结果进行分析比较的基础上说明该算法的优越性。 第五章介绍了如何实现氧化球团回转窑生产线控制系统，详细阐述了控制系 统的硬件结构和软件设计，并分析了实际应用结果。 第六章对全文进行总结，并指出下一步的研究工作。 7 硕士学位论文第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 2 1 氧化球团生产工艺 链篦机回转窑环冷机球团生产工艺过程如图2 1 所示。 工艺设备连锁图 图2 1 工艺设备连锁图 链篦机回转窑环冷机球团生产线工艺过程主要包括以下几个部分：制煤系 统、配料系统、干燥系统、造球系统、焙烧系统、润磨系统、除尘系统 2 6 1 。 配料系统主要包括精细矿粉给料仓、膨润土给料仓、圆盘给料机、配料皮带 秤、皮带机五部分。干燥系统由圆筒混合机和干燥机两部分组成。造球系统由圆 盘给料机、造球机、筛分机、皮带秤、上料仓等构成，焙烧系统则主要由辊式布 料机、链篦机、回转窑、环冷机构成，除尘系统包括电除尘、风机、回热风除尘 器【2 7 1 。 氧化球团回转窑其生产过程包括以下几个方面： 送配料过程：精矿原料经圆盘给料机和下料仓控制其下料量，同时配料皮带 秤给与配比量。膨润土给料量是依靠精矿皮带秤发出的信号调整粘结剂配料给定 硕士学位论文 第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 装置来控制其下料量。从皮带运输过来的精矿和粘结剂进入圆筒混合机混匀后， 立即进入干燥机，经由干燥处理后进入下一步工序。 精矿膨润土 图2 2 氧化球团生产工艺流程框图 造球过程：混合料经干燥处理后经皮带运输至圆盘给料仓，调整好下料量后 直接送入圆盘造球机进行造球。造好的球团送入筛分机进行筛分，满足直径要求 的球团经皮带送入辊式布料器进行进一步的筛分，其目的是得到合格粒度的生 球，改变其表面光洁度，进而提高其强度。而筛分出来的不合格粒度矿粉和生球 则再次进入造球工序造球。 9 硕士学位论文第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 焙烧过程：生球通过链篦机的干燥段和预热段进行干燥和预热。生球干燥是 通过抽风机抽取从环冷机出来的热废气进行鼓风干燥。而预热阶段是由预热抽风 机抽取回转窑出来的废气，从下而上直接通过链篦机的内层球团，从而达到加热 目的，其温度可达1 0 0 0 11 0 0 。经由干燥预热后，生球强度有所提高。接着生 球由链篦机尾部的铲料板铲下，通过溜槽进入回转窑的焙烧工序。物料在转速为 0 4 - - 1 o r m i n 的回转窑内翻滚，顺着倾斜度达3 5 的窑轴不断向前移动焙烧， 回转窑焙烧温度一般为ll o f t - - - 1 3 5 0 ，窑内温度主要是由窑头燃烧器燃烧燃料 提供热量，生球在窑内的焙烧时间为3 0 , - 一4 0 分钟，经焙烧后生球的强度基本达到 指标要求。接着便送至环冷机进行冷却，其温度由1 2 0 0 降至1 0 0 ，目的是方 便运输机运送球团产品。在环冷机进行冷却的时候，会产生大量的热风，它可以 作为二次风送入回转窑进行再利用。 润磨过程：在干燥和预热阶段，生球经过链篦机时，细矿粉会自动掉下，它 们经皮带运输至润磨系统的上料仓回收，通过圆盘给料机送入润磨机混合研磨， 使其成球性能、强度、细度得到相应提高，然后再次进入造球工序。 其生产工艺流程框图见图2 2 。 2 2 回转窑温度影响因素 氧化球团的热工过程相当复杂，而且是受多因素、多环节影响，除了必须保 证生料化学成分、喂料量、燃料成分和设备运转稳定的条件外，对回转窑自身的 控制还有其特殊性，这主要由它自身以下几个特点所决定的：复杂的物理化学过 程；存在严重的非线性和大滞后；数学模型难以获得；操作复杂。所以常规控制 方法很难满足控制要求，无法达到很好的控制效果。分析氧化球团的热工过程， 可以看出对回转窑的控制选择中，其中烧成带温度是反映氧化球团焙烧的重要参 数，直接影响到氧化球团的质量，实现对氧化球团回转窑烧成带温度稳定控制是 获得稳定氧化球团质量的必要条件和重要因素。 烧成带温度实际上是一个温度场的问题，包括物料温度、气流温度、火焰温 度等等，它是烧制熟料的重要反应区，球团质量好坏直接与烧成带温度有关，烧 成带的最佳控制温度是在1 2 5 0 左右。 回转窑的工艺参数对回转窑的温度控制起着至关重要的作用，下面就回转窑 的主要控制参数及影响因数进行了一一阐述。 其一为回转窑的转速：窑速的快慢决定了生球在窑内焙烧的时间，相应也影 响了其成品的产量和质量。如果窑速过快，则生料容易跑料；窑速过慢，则容易 造成产量降低。同时，在回转窑正常运行的情况下，窑速应与生料量成一定配比 l o 硕十学位论文第二章氧化球团烧结生产线1 = 艺分析 关系。 其二为入窑的生料量：生料的多少决定焙烧产品的产量，一般要求稳定其在 窑的设备能力指标之内。当窑内生料流量过多时，超过其承受范围，应立即减少 入窑生料量，待窑内工艺稳定后，在慢慢提高生料流量，使产量得到保证。 其三为窑头喂煤量：回转窑焙烧区内的各种反应所需的温度热量主要来源于 窑头的喷煤量，温度的高低、稳定与否决定了球团产品的质量。因而不允许出现 “欠火”“过火 两种燃烧情况。 其四为窑尾主排风量：它主要是通过改变二次风和三次风量输出，从而使风 煤配比达到最优值，且煅烧带和燃烧带的氧含量得到保证。同时它还可以通过改 变回转窑内的温度场分布情况和位置，使煅烧温度得到有效控制。 其五为尾气中c o 含量：它是衡量煤粉是否燃烧充分的重要指标。当煤粉燃 烧不充分时，尾气中的c o 含量升高，不但会造成燃料的浪费，增加能耗值，还 会使产品的s ，g a 含量升高，影响球团质量。 其六为负压控制：它是煅烧带温度控制的基础，合适的负压控制能使二、三 次风控制环节得到稳定的保证。 此外，还有一次风量、二次风温等参数。 总之，在回转窑运行过程中，要保证风、煤、料与窑速之间的良好配合，任 何一个调整不当或调整不及时，整个系统的热工制度将受到破坏，从而会影响到 回转窑系统的整体运行和球团质量。 2 3 回转窑温度测量方法研究 回转窑作为球团焙烧重要生产设备，窑内温度的检测准确与否直接影响焙烧 控制操作，关系产品质量高低与生产安全。由于回转窑在生产过程中不停转动， 这给温度测量系统带来了一些困难。因此，在保证生产顺利进行前提下，选择一 种合适、精准、经济的测温方式变得尤为重要【2 8 1 。 图2 3 为回转窑煅烧区物料温度检测图，之前在工艺介绍也提过氧化球团焙 烧的过程，其焙烧的主要的燃烧设备是燃烧器，亦即烧嘴，它在助燃风的作用下， 通过不断燃烧煤粉产生热量用以保证回转窑内烧成带的焙烧温度。 温度控制是球团生产工艺的关键部分，过高或过低都会影响产品产量和质 量，因此，温度控制波动范围在5 0 ，使温度稳定在1 2 5 0 是工艺最佳状态。 目前，人们控制窑温的准则大多是通过看火参照经验来分析窑内热工状态，判断 温度走势，采取相应的控制规则，这种方式测量不准确，主观因素影响较大，且 不便管理和操作，因此自动检测方式受到了越来越多的关注和应用。以下是应用 硕士学位论文第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 得较为常见的几种测温方式。 窑尾冷却风机 图2 3 回转窑煅烧区的物料温度检测 蓖机 方式一：红外线测温。该方法是通过红外线测量回转窑简体温度，利用简体 温度与窑内温度的关系，间接得到要窑内温度。它的最大优点是安装方便，结构 简单，价格适中，测量准确。但是该方式具有较大的滞后性，经扫描仪计算处理 后存在一定的温度误差【2 9 】。 方式二：滑环测温。这是目前应用的较多的测温方式，该方式主要是通过热 电偶对窑内温度进行测量。热电偶的连接方式为：两端与不同滑环连接，而滑环 与固定在连杆上的碳刷相连。1 个热电偶的热端( 正极) 只能接一个滑环，但是几 个热电偶的冷端( 负极) 可以共用1 个滑环。如果要求窑温测量准确，得到窑内温 度模拟图时，至少需要上百个热电偶配套滑环进行测量，这样便变得不切实际， 因此，在应用中，一般只是测量窑内三个关键部分的物料温度，即预测带、烧成 带和保温带，用三个滑环即可。 滑环测温主要优点是结构简单，能直接测量窑内温度，但同时它也存在一些 缺陷，表现在：回转窑的不断和转动，会使碳刷不断随之跳跃，从而容易造成传 导信号的丢失；回转窑工作环境复杂恶劣，烟雾灰尘多，滑环易受干扰，加上热 电偶长期受窑内物料的粘附，测量精度降低，且寿命不长。 方式三：比色测温仪。它主要是用于测量窑头的温度。其测量原理是由两个 独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。它适应于烟雾、尘埃和颗粒较多的环 境，具有较强的抗干扰能力。对于目标细小，没有充满视场的运动物料而言，它 能保证测量的精准度，因此它对温度测量的改进，烧成带温度的控制有着很好的 效果。但是它的投资高，而且只能对窑内的小部分进行测量，能够接收不可见红 外光的辐射，稳定性不够。 方式四：图像处理。该测温方式的原理是通过图像采集设备采集的火焰图像， 经由计算机处理后，得出实际窑内温度，实现在线检测。处理方式是对图像实现 1 2 硕十学位论文第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 光电转换，即有光信号转变成模拟电信号。系统检测到温度后，反馈到d c s 用 于闭环控制，稳定生产。此种测量方式的设备包括用于工业的彩色高温电视机、 计算机、c c d 摄像机、图像采集卡、扫描仪等多媒体【3 0 】【”】。 与比色测温仪相比，它能够测量较大范围的温度，同时，它也能适应窑内工 况复杂的环境，能够有效消除干扰。基于图像测量能够实现温度测量的智能化， 改善了操作人员的劳动条件。但是该系统对多媒体采集设备、图像处理有很高的 技术要求，且投资成本高，要想实现广泛推广，需要一段时日。 方式五：尾气n o 含量。这种测量方式是通过采集窑尾烟气，检测其n o 含 量，通过数学模型推导计算回转窑焙烧温度。不但测量仪表相当昂贵，而且温度 推算所借助的数学模型也要精确，技术不够成熟，因此国内较少使用。 方式六：红外温度计测温法。此种测温方式是结合非接触式测温和接触式测 温两种方式，各取其优点，实现温度的较好测量。如图2 - 4 ( 1 ) 所示，采用了红外 温度计和感温元件热电偶结合的模式。安装方式是沿窑体的直径方向安装一个圆 管形的热电偶，同时将红外温度计安装在与它呈水平直线的轴向上，并保持相应 的调整量。为了准确测量窑内实际温度，预先要调整红外温度计的辐射系数以补 充测量误差，是红外温度计测量结果与感温元件测量结果一致。 在实际测量过程中，得到的温度测量曲线如图2 - 4 ( 2 ) 所示。温度输出曲线为 脉冲信号，窑温值即为脉冲信号的峰值。在窑速不变的情况下，峰值之间的距离， 即转动周期也不变。因此通过连接各峰值点可以得到平滑的回转窑温度变化曲 线。目前此种测量方式已经得到成功应用，投资少，并且能满足测量和生产控制 要求，不受恶劣环境限制。 p 苗 魁 赠 h如 h 时闻如 ( a ) 回转窑测温示意图( b ) 红外温度计测量曲线 图2 - 4 回转窑烧成带温度检测方式 由于回转窑内的复杂工况，其控制系统是一个典型的多变量、时变的非线性 系统，红外线筒体扫描温度测量系统有较大的滞后，很难准确测量窑内温度。直 接利用非接触式温度计( 红外、光学高温计等) 测量，存在着由于光路污染而造 成测量不可靠的问题，并且只能对窑中一小块面积的温度进行测量。计算机图像 处理测温方法对于回转窑内恶劣环境以及复杂工况也是无能为力。滑环和电刷系 统虽然能有效的反映回转窑内温度，但是它有致命的缺点，一是滑坏和电刷系统 容易磨损，需经常更换；二是高温下物料对热电偶保护管会产生较强的冲击、磨 硕士学位论文 第二章氧化球团烧结生产线工艺分析 损、腐蚀作用，导致热电偶保护管的使用寿命很短。窑尾n o 含量测量