球团带式焙烧机温度控制设计

朱丛笑，张诗诗

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

随着技术越来越成熟，带式焙烧机球团生产形势已经优于竖炉与链篦机—回转窑的生产技术。焙烧包括干燥、预热、焙烧、均热和冷却等5个过程。生球在焙烧过程中要经过1200℃以上的高温焙烧，达到一定强度，从而满足高炉生产要求。为避免生球因温度骤升而发生爆裂和保证生球中氧化铁充分氧化，生球要经过一个逐渐升温的预热过程。热源依靠烧嘴燃烧焦炉煤气供应，在生产过程中，可根据不同的工艺要求灵活调整各烧嘴温度，以达到焙烧工艺流程所需的温度和温度梯度。焙烧机温度控制的准确性和稳定性直接影响球团焙烧工艺的效果，最终影响产品质量。

1 影响焙烧机温度控制的主要因素

在实际的工业生产过程中，广泛存在着类似于带式焙烧机温度控制的生产过程，即采用煤气作为燃料，并且同一个煤气总管需要给多台加热炉加热同时供气的生产过程[1]。加热炉借助总管道的煤气的燃烧来保持其炉温的恒定。此时，煤气的压力及流量的变化、进出料的多少等都对炉子温度的控制影响很大，系统中存在着相当严重的一次扰动及二次扰动。当煤气的压力发生变化或者系统内进出料时，加热炉都需要响应的调整煤气流量控制阀的开度来控制煤气流量的相应变化才保证炉温的恒定，由于此类系统不仅惯性大而且其滞后时间较长，因而，传统的单回路PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制难以满足实际的生产需求。带式焙烧机系统流程（图1）存在2种一次扰动和1种二次扰动。

（2）一次扰动。由于烧嘴主要集中在预热区、焙烧区，风机系统的运行保证了其他各工艺段生产所需的温度以及对成品球进行冷却，焙烧机内部的热风、冷风一直保持在流动的状态，因此，这些因素对焙烧机温度的稳定控制也存在着一定的影响；

（3）二次扰动。也是本温度控制系统的主要扰动，厂区内部煤气管道需要给多台加热炉提供燃烧所用燃料，虽然有煤气罐的缓冲作用加之煤气加压机的工作，但煤气管道的压力及流量还是会时常发生波动，当煤气主管道的煤气压力或流量发生波动时对焙烧机温度控制会带来严重的影响。

图1 焙烧系统流程

当扰动发生时，必须快速消除扰动的影响，才能够保证焙烧系统温度控制的稳定。因此，设计焙烧温度控制系统需要解决3个问题：①没有具体的数学模型，控制系统需要选择PID控制，并且整定出能够满足现场实际生产工艺所需的PID参数。②单回路控制系统无法满足控制需求，为此，设计的控制系统必须能够使焙烧机的温度控制能够快速、准确的达到设定值，保证球团矿化学反应所需温度。③在多种干扰存在的情况下，保证焙烧机温度的稳定控制，满足焙烧系统各工艺段的要求。

2 焙烧机温度控制策略研究

在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次控制回路从而能够改善过程动态的特性，提高系统工作频率，合理的构造二次回路，从而减小容量滞后对过程的影响，加快响应的速度，提高其抗干扰能力。串级控制回路主要特点：①串级控制系统改善了对象的动态特性减小了被控对象的等效时间常数。②串级控制系统由于副回路的作用具有较强的抗干扰能力。③串级控制提高了系统的工作频率。

由于申级控制系统具有上述特点，所以当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强且频繁，负荷变化大，传统的单回路控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。

可通过实例证明串级控制系统较之单回路控制系统的优越性[2]，已知系统的主、副传递函数分别为G01（s）=1/（30s+1）（3s+1），G02（s）=1/（10s+1）（s+1）2，主、副控制器分别采用PI和P控制进行整定[3]。

分别根据单回路4∶1衰减曲线法及串级回路的两步整定法，求得单回路控制时P=3.7，积分时间Ti=38；串级回路时，主回路Kp=8.4、积分时间Ti=12.8，副回路Kp=10，得出的阶跃曲线如图2所示；分别在80 s时对2个回路同时增加幅值为3的一、二次扰动后，阶跃曲线如图3所示，串级回路控制较之单回路控制很明显能够提前达到稳态值，且在出现扰动后运行稳定的多。

由此可见，串级控制系统能够很好的满足焙烧系统温度控制的时间滞后及存在多种干扰的特点，为此，采用串级控制思想对焙烧机温度的控制进行设计。据此设计的焙烧机温度控制的方框图如图4所示。焙烧机温度串级控制回路主、副回路的设计如下。

例如在教学《中国石拱桥》时，为了让学生了解中国桥梁建设的光辉成就，在教学时，我们可以组织学生在阅读文本后回答下面几个问题，如：

图2 单回路控制与串级回路控制的阶跃曲线

图3 增加一、二次扰动后的阶跃曲线

图4 温度控制框图

（1）主回路。主变量选择直接能够影响成品球质量的变量也就是本章的目的所在即温度控制，其测量手段采用热电偶测量；

（2）副回路。副变量选择能够直接影响主变量的变量即煤气的流量控制，包含了整个回路中的主要干扰因素即煤气的流量及压力变化。

采用串级控制回路的控制方式是通过操作员设定的温度跟一定区域的燃烧室反馈的温度的最大值（即最接近值）进行比较得出的偏差之后进行PID调节，其输出结果作为副流量控制器的输入值输入副流量PID调节器，其再通过调节控制阀台上煤气调节阀的开度，实现温度-流量的串级PID调节。

3 温度串级控制PID参数整定

3.1 串级控制两步整定法

实际操作中，对串级回路PID参数进行整定一般采取两步整定法[4]，结合单回路系统中PID参数整定法：经验凑试法、衰减曲线法。先整定副回路，再整定主回路。两步整定法步骤如下[3]。

（1）工艺稳定，主副回路均在纯比例调节规律运行的条件下，将主调节器比例度置于100%，依据流量控制的PID参数经验数值逐渐凑试副调节器的比例度，用单回路控制系统的衰减曲线法，当副回路的反馈值达到4∶1的衰减震荡过程时，记下副调节器的比例度δ2s和过渡周期T2s。

（2）副调节器比例度固定在δ2s，将其作为主回路的一个环节，逐渐调节主调节器的比例度，依据温度控制的PID参数经验值逐步凑试，同样使用单回路控制系统的衰减曲线法，当主回路达到4∶1衰减振荡过程时，记下主调节器的比例度δ1s和过渡周期T1s。

（3）根据求出的 δ2s、T2s、δ1s、T1s，根据表 1 计算出主副调节器的比例度、积分时间和微分时间。

（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的原则，将计算得出的调节器参数加到调节器上。

（5）观察记录曲线，按照凑试的原则（表2，δ表示比例度）进行适当的调整直到满意为止。

3.2 焙烧温度控制系统PID参数的整定

图4所示结构框图，副控制回路为流量控制，主控制回路为温度控制，使用两步法整定其串级系统中PID参数（保证稳定的同时，均选用PI控制）。

（1）先整定副控制回路PID参数。将主回路控制器比例度调节为100%，按照单回路系统的衰减曲线法整定副回路，当副回路达到4∶1的衰减振荡过程时，此时的 δ2s为104.17%，T2s为0.32 min。根据表 1 公式计算得：δ=1.2δ2s=1.2×104.71%≈125%，TI=0.5T2s=0.5×0.32=0.16 min，P=1/δ=0.8，I=0.8/0.16=5。最终，确定副回路的 P=0.8，I=5，D=0。

（2）副调节器比例度固定在104.17%保持不变，将副回路看做是主回路的一个环节，用同样的方法，调节主控制器的比例度，当主回路达到4∶1衰减振荡过程时，记下主调节器的比例度δ1s为277.75%和过渡周期T1s为1.2 min。根据表1公式计算得：

表1 衰减曲线法整定控制器参数经验公式

表2 PID参数的经验值

δ=1.2δ1s=1.2 ×277.75% ≈333.33%，TI=0.5T1s=0.5 ×1.2=0.6 min，P=1/δ=0.3，I=0.3/0.6=0.5。最终，确定副回路的 P=0.3，I=0.5，D=0。

（3）最终效果见图5。

4 结束语

图5 10#烧嘴运行曲线

焙烧机温度控制的快速性、准确性和稳定性直接影响工艺效果，并且直接影响成品球的质量，为了解决焙烧系统温度控制的大延时、容量大滞后及多种干扰同时存在的问题，采用过程控制中的串级控制思想进行设计，对外部运行环境有较好的抗干扰性，自适应特性。串级控制系统能够根据焙烧机温度的变化，快速响应，做出调节，保证焙烧机温度控制过程快速、精准和稳定。效果较好，达到项目的预定目标，并一直使用。

［1］吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，等.基于PID参数自整定的炉温模糊串级控制系统设计［J］.工业仪表与自动化装置，2011（5）：94.

［2］李敏.真实模型Matlab仿真的过程控制系统实验研究［J］.浙江工业大学学报，2011，39（2）：168-173.

［3］刘文定，王东林等.MATLAB/Simulink与过程控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［4］李俊卿，许新军.PID参数整定方法及分析［J］.河南科技，2013，10（9）：84-90.