基于模糊PID的水泥生产中分解炉的炉温控制

1、 智能控制技术 报告题目:基于模糊PID的水泥生产中分解炉的炉温控制院 系： 计算机科学与工程学院 专业班级： 计算机研究生 学 号： 学生姓名： 2013年 04 月 29 日目录1 报告简介32 水泥生产工艺简介32.1 水泥生产原理32.2 水泥生产设备32.2.1 回转窑42.2.2 预分解炉53分解炉主要控制参数54 分解炉温度控制的系统结构65 模糊PID系统设计75.1 三维模糊控制器结构75.2 模糊控制规则85.3 计算模糊控制量96 实验分析97 总结108 报告参考文献101 报告简介随着现在水泥生产工艺的发展，生产中单机容量大生产连续性强，各个环节协调性高。在水泥的一些

2、生产步骤中，需要精细化的控制来控制产品的质量。本报告中所讨论的控制是基于干法水泥生产工艺。主要的控制过程是分解炉的预分解过程中的稳定控制。分解炉是预分解系统的核心部分，也是整个水泥生产系统中的重要部分，承担了预分解窑系统中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务，使入窑生料的分解率达到60以上，有的甚至达到90，大大减轻了回转窑分解系统的分解压力，同时大幅提高了回转窑单位有效容积的产量。碳酸盐的有效分解需要一个相对稳定的温度，太高会造成预热器堵塞：太低则导致碳酸盐分解不充分，加大了窑系统的分解任务。因此分解炉的温度控制对整个水泥生产的分解系统热工制度的稳定至关重要。分解炉的温度是一个纯滞后、大惯性、

3、非线性的复杂控制对象，影响因素很多，各因素之间耦合性强，因而难以用常规控制方法进行控制，实际生产中主要靠操作者凭经验来操控，当温度过低时，需要加大喂煤量，对于一个大时滞的系统，短时间很难看出温度的变化，在温度达到稳定之前，料量、三次风以及主排风机的波动要求喂煤量作相应的改变，全凭经验操控，导致分解炉温度波动大，从而水泥生产率低，能耗高，质量不稳定。本报告综合考虑了料量、三次风以及主排风机与分解炉温度的关系，将三维模糊控制和PID控制结合应用于分解炉温度控制中，模糊控制近似运用了人所特有观察推理，设定分解炉温度偏差，PID对温度进行精确调节，大大提高了分解炉喂煤的控制精度，使分解炉的温度在一个很

4、小的正常范围内波动，实现了分解炉高效率、低能耗、高质量的生产。2 水泥生产工艺简介2.1 水泥生产原理水泥的生产工艺俗称为两磨一烧。即为生料粉磨，生料煅烧，熟料的粉磨生料主要有石灰石、粘土、铁矿粉按一定比例磨细混合。这种混合物进行煅烧，一般温度控制在1450度左右，煅烧后的产物称为熟料。熟料按一定的比例混合石膏磨细混合均匀，这就是普通的硅酸盐水泥。水泥的生产一般分为干法生产和湿法生产 。干法生产：将原料同时烘干并粉磨，或先烘干经粉磨成生料粉后喂入窑内煅烧成熟料的方法。但也有将生料粉加入适量水制成生料球，送入内煅烧成熟料的方法，称之为半干法，仍属干法生产之一。 湿法生产：将原料加水粉磨成生料浆后

5、，喂入湿法窑煅烧成熟料的方法。 2.2 水泥生产设备水泥生产过程中生料的煅烧是主要的生产阶段。 煅烧的设备主要分为立窑和回转窑。立窑：窑筒体立置不转动的称为立窑。分普通立窑和机械化立窑。普通立窑是人工加料和人工卸料或机械加料，人工卸料；机械立窑是机械加料和机械卸料。回转窑：窑筒体卧置（略带斜度，约为3%），并能作回转运动的称为回转窑。 由于现在立窑的使用越来越少，国家大力推广回转窑的生产工艺，主要原因是立窑工艺在生产过程中能耗比较高。所以重点介绍的是回转窑工艺。下面给出了立窑的示意图。图2- 12.2.1 回转窑窑筒体卧置（略带斜度，约为3%），并能作回转运动的称为回转窑。回转窑是新型干法水泥

6、生产线的核心主机设备。生料粉从窑尾筒体高端的下料管喂入窑筒体内。由于窑筒体的倾斜和缓慢地回转，使物料产生一个既沿着圆周方向翻滚，又沿着轴向从高端向低端移动的复合运动，生料在窑内通过分解，烧成等工艺过程，烧成水泥熟料后从窑筒体的低端出，进入冷却机。燃料从窑头喷入，在窑内进行燃烧，发出的热量加热生料，使生料煅烧成为熟料，在与物料热交换过程中形成的热空气，由窑进料端进入窑尾系统，最后由烟囱排入大气。图2-2 回转窑结构简图2.2.2 预分解炉预分解炉是把生料粉分散悬浮在气流中，使燃料燃烧和碳酸钙分解过程在很短的时间内发生的装置。是一种高效率的燃烧式固相-气相热交换装置。在分解炉内，由于燃料的燃烧是在

7、激烈的紊流状态下与物料的吸热反应同时进行，燃料的细小颗粒呈一面浮游，一面燃烧的状态。使整个炉内都变成燃烧区。所以不能形成可见辉焰，而是出于无焰燃烧状态。 分解炉是预分解系统的核心部分，也是整个水泥生产的重要部分，承担了预分解窑系统中的煤粉燃烧、气固交换和碳酸盐分解任务。使入窑的分解率达到百分60，有的达到百分之九十。大大减轻了回转窑分解系统的压力。碳酸盐需要一个相对稳定的温度，太高会造成预的有效分解热器堵塞，太低则导致碳酸盐分解不充分，加大了窑系统的分解任务。因此分解炉的温度控制对整个水泥生产的分解系统热工制度的稳定至关重要。分解炉在系统中的位置如下简图所示。 图2-3 预分解炉在系统中的位置

8、水泥生产一般采用五级旋风预热器，生料粉经过一级旋风预热器、二级旋风预热器、三级旋风预热器、四级旋风预热器加热变为热生料粉，经分解炉吸热分解后随气流进入到五级旋风预热器，气固分离后，已分解的生料粉入窑，此时料的分解率一般控制在90左右，气体南排气管进入四级旋风预热器中，依次进入到三级、二级、一级旋风预热器中，和物料充分混合加热，预分解的生料经过分解炉分解为90左右的熟料后进入到回转窑。3分解炉主要控制参数分解炉的温度是一个纯滞后、大惯性、非线性的复杂控制对象，影响因素很多，各因素之间耦合性强，因而难以用常规控制方法进行控制，过去的实际生产中主要靠操作者凭经验来操控，当温度过低时，需要加大喂煤量，

9、对于一个大时滞的系统，短时间很难看出温度的变化，在温度达到稳定之前，料量、三次风以及主排风机的波动要求喂煤量作相应的改变，全凭经验操控，导致分解炉温度波动大，从而水泥生产率低，能耗高，质量不稳定。其中的料量就是加入的生料的量，三次风中，一次风是用来输送加热煤粉， 使煤粉通过一次风管送入炉膛，同时以满足挥发分的着火燃烧。二次风一般是高温风，配合一次风搅拌混合煤粉， 提供煤粉燃烧所需要的空气量。三次风一般是由制粉系统的乏气从单独布置的喷口送入炉膛，以利用未分离掉的少量煤粉燃烧产生热量。简而言之，一次风输送煤粉，二次风助燃，三次风调整燃烧。煤粉流量的波动。实际生产表明，在人分解炉空气量保持不变的情况

10、下，适当增加煤粉的流量，会使炉内温度上升；反之，若减少煤粉的流量，会使炉内温度下降。但当输入过量的煤粉时，未燃尽的煤粉进入最下一级旋风筒内继续燃烧，使得旋风筒下部温度比分解炉出口温度都高。炉内温度下降。实践证明，连续准确地对窑系统进行喂煤，是稳定窑的热工制度、降低煤耗、保证设备安全运转的关键因素。分解炉生料流量的波动。根据预分解窑的工艺流程，生料粉末在很短的时间内在各级预热器中与热气流充分混合，进行热交换，经四级旋风预热器进入分解炉。而且，当生料瞬时流量过大时，会使炉内温度下降；反之，当生料瞬时流量过小时，会使炉内温度上升。入分解炉三次风量的波动。分解炉的三次风来自于篦冷机，通过风管送人分解炉

11、，为煤粉燃烧提供充足的氧气。每根风管送入的风量由风管上装的流量控制阀来控制，三次风风门开度变化对分解炉内燃烧状况的影响较直接。最末一级旋风筒的出口温度。正常情况下，煤粉在分解炉内燃烧完全，分解炉的出口温度会高于最末一级旋风筒下部及其物料的温度，分解炉内燃料的燃烧速度慢，燃料燃烧不完全，则未完全燃烧的煤粉在旋风筒内继续燃烧，则会使最末一级旋风筒下部及物料的温度比分解炉出口温度还要高。4 分解炉温度控制的系统结构水泥回转窑分解炉温度的控制是通过调节煤粉制备系统分解炉侧面喂煤计量秤的下料量来实现的。温度控制系统由上、下位机完成监控，温度控制系统结构框图如图所示。图4-1 温度控制系统框图上位机对整个

12、系统的参数进行监控和设定，通过CS3 l总线实现与下位机(PLC)之间的信息交换。下位机(PLC)完成数据的采集和处理，接受上位机指令，实现模糊控制。因模糊控制涉及矩阵运算，在PLC上实现困难，所以采用离线计算方式获得模糊控制表，然后将其存入PLC，PLC通过查表完成模糊控制。控制过程中，当温度发生较大波动时，控制系统需人工干预，使温度恢复正常后，转入自动控制。5 模糊PID系统设计煤粉与最末一级旋风筒的物料进入分解炉，煤粉在分解炉中燃烧，放出大量的热，同时一级旋风筒的顶上接连的高温排风风机，带走五级旋风筒的部分废气和粉尘，以及一些热量，分解炉的温度成了水泥生产中控制的核心内容，在分解炉正常运

13、行情况下，通过对下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差测定，设定分解炉温度调节高温排风风机的速度，调节煤粉的量和物料的量，都能改变分解炉中的温度，建立分解炉温度与煤量和料量的控制框图如下图所示。图5-1 模糊控制与PID控制的算法款图分解炉的温度控制采用二级串级控制：第一级采用PID控制(精调)，通过调节电动阀门来调节投入分解炉的煤量；第二级采用三维模糊控制(粗调)，根据模糊规则库，为第一级提供设定值，如上图所示。PLC装有PID模块，以下主要对模糊控制器进行设计。5.1 三维模糊控制器结构三维模糊控制器结构如下所示。其中下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差为3个输入量，分解

14、炉温度偏差为输出量。用A、B、C和U分别代表下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差和分解炉温度偏差。 先将精确量A、B和C模糊化，变成模糊量、B，然后按模糊控制规则决策(运算)，得到模糊控制量U，最后将U转换成精确控制量U去控制被控对象。由U求得U的过程称为判决。 图5-2 三维模糊控制器结构其中第l部分模糊化的过程与一维和二维模糊控制器类似。因为三维模糊控制器的计算远比一维、二维模糊控制器复杂，为了简化计算，将模糊集合A、B、C和U的论域和他们的模糊语言变量的档次数取少些，在此设计中，A、B和C的论域分别取为：A的论域为-10t/h,10t/hB的论域为-25pa,+25paC的论域

15、为-6Rpm,+6Rpm 而语言变量的词集选为：NB，NS，ZO，PS，PB。A，B糊语言变量赋值表分别如表1、表2所示，C的模糊语言变量赋值与A、B相似。第2部分模糊控制算法是根据模糊控制规则计算模糊控制量，这部分是模糊控制器的核心，是设计的关键，将在后面详细讨论。第3部分判决，是将模糊量U转换成精确量，其方法与一维二维模糊控制器相同，这里不叙述。5.2 模糊控制规则本报告依据模糊控制理论，结合人工控制的经验和现场控制要求，得出模糊控制规则。在主排风机风速偏低的情况下：下料量偏低，三次风压偏低，则降低炉温；下料量偏低，三次风压偏高，则炉温不变；下料量偏高，则提高炉温。在主排风机风速偏高的情况

16、下：三次风压偏低，则提高炉温；下料量偏低，三次风压偏高，则降低炉温；下料量偏高，三次风压偏高，则提高炉温。在主排风机风速不变的情况下：下料量偏低，次风压偏高，则炉温不变；下料量偏高，则提高炉温。在该控制系统中，涉及3个输人量，一个控制量，由一维和二维的模糊控制理论，推导出一种三维的模糊控制策略，常见的三维模糊控制器的控制规则比较复杂，该设计中采用分页的表格形式描述控制规则，方便直观。如模糊语言变量e(模糊化的主排风机风速偏差)有NB、NS、ZO、PS、PB5种状态，则每一种状态可用一页控制规则表描述，从而得到五个控制规则表，下表是c为NB状态时的控制规则表，其余4个控制规则表与之类似。5.3

17、计算模糊控制量由以上语句可以求出模糊控制量为：U=u1+u2+up+u69U1=minunb(i);maxunb(j);unsb(j);uzob(j);unbc(k);upba(z)U2= minunb(i);maxupsb(j);psb(j);uzob(j);unbc(k);upba(z)U70= minupba (i);maxuzob(j);psb(j);upbb(j);upbc(k);unba(z)对模糊子集U去模糊化，就可以判决出一个精确的控制量，判决的方法采用平常最常用 的加权平均法。6 实验分析该系统在水泥厂试运行。采用三维模糊PID控制系统的分解炉温度12 h变化曲线如图1所示，

18、采用单模糊PID控制方式的温度变化曲线如图2所示。图中，分解炉温度的设定值为845，数据采样周期为l min。图6-1 采用三维模糊PID控制分解炉温度变化曲线图6-2 采用单模糊PID控制分解炉温度变化曲线而采用单模糊PID控制方式，炉温有时较长时间处于较低温度，有时较长时间处于较高温度，并且波动范围(820。C870)较大，波动频繁。可见三维模糊PID控制效果明显优于单模糊PID控制效果。7 总结通过对分解炉生产工艺的分析，建立了分解炉温度控制的数学模型，并设计了一种适用于回转窑分解炉温度控制的三维模糊控制器，在此基础上，设计了分解炉温度控制系统，使计算机按照规定的控制算法对煤粉阀门进行控制，从而使分解炉的温度保持在恒定的范嗣内。实际运行结果表明，该控制系统稳定可靠，控制效果良好，能满足现代生产工艺的要求。8 报告参考文献【