水泥回转窑烧成带温度多参量控制方式应用研究

张　晓　左为恒

(重庆大学电气工程学院，重庆　400044)



水泥回转窑烧成带温度多参量控制方式应用研究

张晓左为恒

(重庆大学电气工程学院，重庆400044)

摘要：针对水泥生产线回转窑系统实际运行特点，结合温度及负压调节的工艺要求，在稳定旋风预热器出口风负压的基础上，利用预热器出口处含氧量作为回转窑烧成带温度自适应内模控制的前馈信号。通过自适应内模控制器输出控制量与该前馈信号叠加，在线实时控制变频生料给料机的投料量，确保回转窑系统的透气性，进而稳定回转窑烧成带的温度。仿真结果表明，该方法具有较好的控制效果，证实了所提出控制思想的正确性。

关键词：水泥生产回转窑系统烧成带温度多参量控制前馈控制自适应内模控制风负压PID生料投料量透气性

0引言

水泥生产过程是一个复杂的理化反应过程，特别是水泥熟料的煅烧过程具有明显的时滞、大惯性、非线性和干扰不确定性的特点[1]。煅烧时影响烧成带温度的因素很多，稍微控制不好就会出现窑系统风负压或热工波动的情况，将严重影响熟料的品质[2-3]。目前，针对该问题的解决方法是稳定协调窑系统风负压以及确定合适的燃料投放量。为了确保熟料品质合格，必须保证水泥熟料烧成带的反应温度[4]。虽然烧成带的温度主要由燃煤量来控制，但是生料投放量的多少仍然是影响窑温的一个关键因素。因此，控制生料的投放量对于控制水泥烧成带温度具有重要意义。本文提出了在燃煤燃值不变的条件下，主要通过调节生料的投放量，保证窑系统良好的透气性，从而稳定窑温。然而系统预热器出口负压的稳定可由窑尾变频高温风机来实现。为了能够控制好熟料的煅烧过程，在烧成带温度会受系统风负压干扰的情况下，烧成带温度控制系统采用了基于渐近稳定原理的自适应内模控制加含氧量前馈的方法来控制生料滑差电机投料。通过增减料的投放量，进一步稳定窑温。预热器出口气体成分中的含氧量(由水泥生产工艺要求控制在2%～3%)作为前馈信号，在温度还未发生变化之前就提前给出克服干扰的控制量。

1对象过程分析

窑系统的风负压是由压力控制器调节窑尾变频高温风机的转速进行控制的。针对窑系统风负压响应快、时滞小的特点，风负压采用常规PID进行控制。由于烧成带温度控制较风负压控制具有大惯性、大时滞和受系统风量干扰等特点，在燃煤燃值给定稳定的条件下，烧成带温度的控制采用在线自适应参数调整方法，使温度控制系统内部模型参数在自适应律的控制下尽量与对象保持一致，从而实时整定内模控制器参数。在对烧成带温度控制的同时，引入前馈调节机制，将实时检测到的含氧量信号传输到含氧量控制器，经含氧量控制器的计算后输出前馈控制量。这样，内模控制器的输出控制量与含氧量控制器的前馈控制量相叠加后，共同作用于变频生料给料机。当窑系统内部发生物料的拥堵或欠料时，内部含氧量就会低于或者超出设定值，通过与含氧量设定值比较之后由含氧量控制器输出负信号或者正信号来增强或者削减给料量。这样，含氧量前馈控制器便可预先作用于变频生料给料机，以及时调整给料量、维持热工稳定、提高烧成带温度控制的动态与稳态性能，进而加强系统控制的鲁棒性。

2对象模型化

为了对水泥熟料煅烧过程多参数控制系统的思想方法及控制效果作进一步研究，首先应将系统各环节模型化。由于难以建立精确的数学模型，所以只能尽可能地接近所要研究对象的特征。

对于窑系统风负压单闭环控制系统，控制器Gcp(s)采用常规PID控制器，Gv1(s)为变频调速器执行机构环节。由于变频器存在加、减速时间，因此可等效为一阶惯性环节。根据现场运行实际状态，可将窑风负压系统对象的传递函数视为一阶惯性加纯滞后环节，即Gg(s)e-τ1s。对于烧成带温度控制系统而言，为了便于工程实施，前馈环节的前馈控制器仅以对象的静态放大系数作为校正依据，故采用比例控制器。窑温度的控制环节采用内模控制，根据回转窑的热工特性和温度的变化速度，可以将窑温度的被控对象抽象为一阶惯性加纯迟延，即Gw(s)e-τ2s=Kw/(Tws+1)e-τ2s，窑温度的被控对象的内部模型可表示为Gm(s)e-τms=Km/(Tms+1)e-τms，变频生料给料机为执行机构，Gv2(s)可以抽象为一阶惯性环节。τ1、τ2、τm分别为所在环节延迟的时间常数。

3回转窑烧成带温度的内模控制

3.1内模控制器的设计

在风量作为温度控制系统的扰动量、含氧量作为前馈控制预先作用于温度被控对象的基础上，研究窑温度的内模控制。多参数控制结构如图1所示。图1中，ST为回转窑烧成带温度的设定值，被控对象简化模型为Gw(s)e-τ2s=Kw/(Tws+1)e-τ2s，内部模型为Gm(s)e-τms=Km/(Tms+1)e-τms，则内模控制器Qc(s)是由内部模型最小相位的逆构成。为了确保系统的稳定性和鲁棒性，需要在最小相位的逆上增加滤波器F(s)=1/(λs+1)n。其中：n为滤波器的阶数，即内模控制器Qc(s)=F(s)Gm-(s)-1，Gm-(s)为Gm(s)的最小相位部分[5]。λ近似与闭环带宽成正比，λ越大系统鲁棒性越好，但是响应时间会变长，所以应该选择合适的λ。当内部模型与系统对象模型严重失配时，采用固定滤波器时间常数得到的闭环系统的时域响应无法使系统闭环性能达到最优[5-6]。因此，本文从自适应角度出发，寻求合适的自适应律在线实时调整内模控制器参数，增强内模控制器抗模型失配能力和抗干扰能力。

图1　多参数控制结构图Fig.1　Structure of multi-parameter control

3.2自适应律推导

由于自适应内模控制能够在线实时调整内模控制器参数，鲁棒性好[7-10]，故本文采用自适应函数来修正控制器Qc(s)的参数。控制系统结构图如图2所示。

图2　自适应内模控制系统结构图Fig.2　Structure of adaptive internal model control system

由于干扰和时滞只影响系统的鲁棒性，在对模型自适应律的求取过程中，可以暂时不考虑干扰和时滞的作用。图2中，Gv2(s)为一阶惯性环节：

(1)

被控对象的简化数学模型，其一阶惯性环节为：

(2)

内部模型对象的简化数学模型，其一阶惯性环节为：

(3)

Gv2与Gw(s)与同属于窑温度控制过程的前向通道，故前向通道可化为：

(4)

(5)

由于回转窑的热惯性时间常数远大于变频生料给料机的惯性时间常数，即Tw远大于T，且k值较小，开环极点s1=1/T、s2=1/Tw。其中的s2可看作主导极点，因此得到：

(6)

设前馈信号θ，修正函数为φ(t)、ξ(t)，由Laplace逆变换可得微分方程为:

(7)

(8)

假设对象模型与内部模型时滞时间常数相等，即τm=τ2，又令:

(9)

将式(7)和式(8)代入式 (9)，整理得:

ψ(t)μ(t)-δ(t)θ(t)

(10)

其中：

(11)

(12)

式中:r1>0、r2>0，且实际生产过程中km>0、Tm>0，则对于∀t>0，V(t)>0必成立。

Lyapunov函数V(t)的微分形式为:

(13)

式中：θ(t)为前馈信号，作为投料量前向通道的扰动来处理，这样在计算自适应律时可以暂不考虑,故式(13)可以变为:

(14)

(15)

式(15)即为所求自适应律微分方程。

3.3自适应内模控制器设计

为了保证回转窑烧成带温度系统的鲁棒性，对内部模型的参数进行实时在线修正是十分必要的，修正之后的内部模型为:

(16)

把式(3)代入式(16)，整理得修正后的内模控制器为：

(17)

利用反馈控制器与内模控制器之间的关系，得反馈控制器为C(s)：

(18)

对于一阶过程，滤波器F(s)阶次一般取n=1，所以把式(16)、式(17)代入式(18)，整理化简得：

(19)

4控制系统仿真分析

为了更好地检验系统的鲁棒性，在对回转窑烧成带温度的自适应内模加含氧量控制系统进行仿真时，采用阶跃方波输入信号。设定模型参数k=kw=1、T=1，Tw=100、λ=2、τm=τ2=45，自适应内模自适应律中修正系数r1=0.000 2、r2=0.000 5，模型失配即时滞时间增加20%(由试验中干扰性质确定)，惯性时间常数增加10%。为了能够直观地反映跟踪设定值的效果，以回转窑烧成带检测温度YT的归一化值作为纵轴，以仿真时间作为横轴，仿真曲线如图3所示。

图3　控制效果仿真比较示意图Fig.3　The comparison of control effect simulation

由图4可知，当温度设定值ST随方波信号变化时，可知带含氧量前馈的自适应内模响应曲线YT1，能够较目前较常用的常规内模控制YT2和不加含氧量前馈的自适应内模控制YT3预先作用于被控对象，迅速改变水泥生料投料量，进而快速稳定烧成带温度，且具有较强的跟踪能力和较好的抗模型失配能力。各项控制性能指标对比如表1所示，对比可知带含氧量前馈的自适应内模具有良好的控制效果。因此，在以自适应内模控制稳定烧成带温度的同时，辅以含氧量前馈作

为窑内透气性反映的策略，提高了回转窑控制系统对于扰动和模型失配的适应能力。

表1　控制方式性能指标比较Tab.1　Comparison of performance indexes of control mode

5结束语

本文基于某日产量4 000 t/d水泥生产线窑系统的特点和实际生产工艺要求，在稳定窑系统风负压的基础上，提出了利用前馈加自适应内模控制调节投料量，以保证窑系统的透气性，进而稳定回转窑烧成带的温度。该方法的优点在于利用了含氧量前馈快速响应的特点，能及时反映窑内水泥物料的状况；结合了自适应内模控制对难以建立精确模型的大惯性、大时滞环节有效控制和能够较好降低模型失配的特点。综合而言，该方法可以达到较好的控制效果，具有广阔的工程应用前景。

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上海市“科技创新行动计划”高新技术领域基金资助项目(编号：15111106800)；

上海市“科技创新行动计划”国际科技合作基金资助项目(编号：15510722100)；

上海市科学技术委员会工程技术研究中心基金资助项目(编号：14DZ2251100)。

中图分类号：TH-3;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607021

Research on the Application of Multi-parameter Control Method for the Temperature of Burning Zone in Cement Rotary Kiln

Abstract：Regarding the practical operating features of cement rotary kiln production line,combining with the requirement of technological process for temperature and negative pressure,on the basis of stabilizing the outlet negative pressure of cyclone preheater, using oxygen content at outlet of preheater as the feedforward signal for adaptive internal model control the temperature of burning zone.Through superimposing the output control of adaptive internal controller with its feedforward signal,the feeding amount of VF raw material feeder is controlled online in real time,to keep suitable amount of raw material,and guarantee the air permeability of rotary kiln system,and thus stabilizing the temperature of burning zone.The simulation shows that this method provides better control effects; and the correctness of the control concept is verified.

Keywords:Cement productionRotary kiln systemBurning zone temperatureMultiple parameter controlFeedforward controlAdaptive internal model controlWind negative pressurePIDRaw material feeding amountAir permeability

修改稿收到日期：2016-01-01。

第一作者张晓(1989—)，男，现为重庆大学电气控制理论与控制工程专业在读硕士研究生；主要从事控制理论与控制工程方向的研究。