重碱蒸汽煅烧炉的控制

重碱蒸汽煅烧炉的控制

1煅烧炉的预压制纯碱工业在国民生产中发挥着重要作用。中国是世界上重要的纯碱生产区。重碱煅烧是纯碱生产工艺中的最后工序，煅烧操作的好坏对纯碱的产量、质量及能量消耗有很大的影响。其生产过程具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，难以获得精确的数学模型。目前，国内各纯碱厂大都采用根据现场工人的操作经验，通过人工操作的方式来控制煅烧炉，这种传统的控制策略不易获得满意的控制效果，生产效率低、能耗高、质量不稳定，而且对其的改造主要是在煅烧炉的机械结构方面，而没有涉及到系统的控制方面的改进。Smith预估控制能很好的消除了滞后因素的影响并改善系统的稳定性和响应特性。本文基于重碱煅烧的工艺特点，将模糊控制与Smith预测控制相结合，得到一种新的控制策略，与传统的人工控制相比具有更好的控制效果，很好的满足了重碱煅烧的工艺要求。2对控制器的补偿Smith预估控制的特点是预先估计出过程在干扰作用下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使延迟了τ时间的被控量超前反映到调节器的输入端，使调节器提前动作，从而明显地减少超调量和加速调节过程，其控制系统方块图如图1所示。W(s)表示控制器的传递函数，Gp(s)Gz(s)表示被控对象的传递函数，Gp(s)表示被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，Gz(s)=e-τs为被控对象纯滞后部分的传递函数。Smith补偿原理是与W(s)并联一个补偿环节，用来补偿被空对象的纯滞后部分。这个补偿环节被称为Smith预估器，其传递函数为:由式(3)可以看到，经过补偿后系统的闭环特征方程中不包含纯滞后部分e-τs，所以补偿消除了纯滞后部分对控制系统的影响。根据拉式变换的位移定理，e-τs只是将控制作用在时间坐标上推移了一个时间τ，控制系统的过度过程及其他性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。3ssqp的模糊控制Smith预估控制在解决重碱蒸汽煅烧炉这种大滞后被控系统时，被认为是最有效的途径，但传统的Smith预估控制中的控制器W(s)是一个PID控制器，由于PID控制是基于被控对象精确模型而设计的，因此对于重碱蒸汽煅烧炉这样的缺乏精确模型、参数时变的具有滞后的过程控制难以受到令人满意的控制效果。针对以上特点，本文将模糊控制器引入到Smith预估控制系统中，以弥补Smith控制器的不足，使其满足于具有大滞后特点的重碱蒸汽煅烧炉生产过程。模糊控制是根据现场熟练操作人员的操作经验，以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无须知道被控对象的精确数学模型。用Smith预估方法估计系统的输出，图1中W(s)为模糊控制器的传递函数。用Smith预估控制器补偿系统的纯滞后的同时，针对被控对象模型和预估模型的不精确性，设计模糊控制算法，补偿系统的模型误差，这就构成了FuzzySmith控制系统。选择模糊控制器的输入为炉温误差e及误差的变化率Δe,输出变量为u。由重碱煅烧的工艺要求和模糊控制的基本原理可建立模糊控制规则表，如表1所示。4保压器模型的建立用Simulink和FuzzyLogicToolbox对系统进行仿真。FuzzyLogicToolbox是进行模糊推理和模糊控制器仿真的软件工具包，集成了FIS编辑器、隶属函数编辑器、模糊规则器、规则浏览器等可视化工具。FuzzyLogicToolbox提供的FIS编辑器，给出了有关模糊推理系统的各种信息，利用FIS编辑器窗口的各个菜单选项配合，就能得到需要的模糊推理系统。在Simulink中有相应的FuzzyLogicBlock，将其拷贝到用户建立的Smiulink仿真模块中，并使FuzzyLogicBlock的模糊推理矩阵与用户在MatlabWorkspace建立的模糊推理系统名称相同，即可完成模糊推理系统与Simulink的连接。重碱蒸汽煅烧炉的温度控制过程可以近似的以二阶惯性带纯时滞环节来逼近，选择煅烧炉的近似模型为:由式(1)可得Smith补偿器模型:用Simulink对其进行仿真，将Smith-Fuzzy控制方案与PI-Smith控制方案和PI控制方案进行比较。PI调节器的传递函数为:在同一阶跃信号输入情况下，三系统同接在一个Scope上进行比较，仿真框图如图2所示,仿真结果如图3所示。5控制好重碱煅烧炉控制系统重碱蒸汽煅烧炉是一个带纯滞后、大惯性的非线性环节，且难以建立精确的数学模型，目前，国内纯碱厂大都采用人工控制，控制效果不理想。本文作者创新点：针对蒸汽煅烧炉的生产工艺特点，将Smith预测控制与模糊控制相结合，提出了FuzzySmith新的控制策略运用到重碱煅烧炉的控制系统之中，这兼顾了Smith预估控制与模糊控制的优点，即对煅烧炉内温度控制的纯滞后特性有很好的补偿特性，又对炉内蒸汽温度的变化和重碱量的变化等又较强的适应能力。经过仿真分析得到良好的控制效果，实现了对煅烧炉控制品质的提高，控制精度得以提高，系统的稳态性能和动态性能与传统控制相比得到