烧结混合加水前馈反馈复合控制系统的设计与实现

1、烧结混合加水前馈反馈复合控制系统的设计与实现摘要:根据烧结生产线的一次混合和二次混合的各自特点，设计了 两套控制系统，控制系统总体结构为前馈反馈复合控制，并采用AB公 司的PLC对烧结混合加水控制系统进行开发和实现。系统特点 ：对一 次混合前含水量检测不准的情况进行了预测，滤除干扰及滞后，取得了 良好的控制效果。关键词:烧结混合前馈反馈预测烧结混合加水是烧结生产中的重要工艺段之一 ，其中水分含量的 控制是该工艺段控制要求的关键参数。它与一般的流程生产线控制一 样，前道工序的关键参数的控制效果，直接影响了下道工序p控制系统 的输出为加水调节阀开度，开度受到混合后含水量、进料速度和混匀 料含水量反

2、馈值相关。系统的扰动量包括：进矿量及进矿含水率。对于有些烧结生产线 来说进矿量还包括热返矿和冷返矿，要是有热返矿的存在会对加水精 度造成较大影响，因为热返矿的热量会造成混合过程中的水分蒸发 ，不 利于精确加水控制。进矿含水率主要受到水分传感器精度的影响，普通的红外传感器会因为 水雾”造成偏差影响加水精度。2混合加水的控制系统目前国内烧结生产线，尤其是大型生产线一般以二次混合工艺为主。而严格来讲，一次混合和二次混合控制系统硬件组成虽然一样，但控制环境却完全不同，进而也应该根据各自特点采用不同的控制方 式。2.1 一次混合控制系统一次混合的控制是相对比较困难的，除了混合加水普遍的滞后难 点外,还具

3、有一次混合检测水分难以准确的问题。一次混合的水分检 测不准，不仅仅是仪表问题，绝大多数情况是由于工艺环境的限制。一 次混合前原料还没有混匀，水分分布不均，而且有些生产线存在热返矿 就势必加大控制难度。由于一次混合前的水分不准，导致无法直接使 用加水公式计算加水量。基于以上原因，一次混合控制方案如图2所示。系统可分为内外 双环控制，外环为水分环，内环为流量环。外环控制首先对烧结一次混合加水首先对混合加水过程中的全部仪器仪表测量值进行滤波处理，包括混合热返矿量、热返矿温度、 进矿量、加水量和一次混合后含水率。然后 ，根据热返矿量、热返矿 温度、进矿量、加水量和混合后水分率，由混前含水率辨识公式进行

4、 计算,并把计算的结果与前四个周期计算的混合前含水率采用最小二 乘法线性回归，由拟合线预测下一控制周期混合前含水率。最后 ，根据 混前含水率、目标水分率、进矿量、热返矿量、热返矿温度计算最佳加水流量流量控制器、操作器和流量计构成混合加水控制系统的内环，即流量环。流量环的给定为外环的输出，流量环的输出为调节阀的开度 给定。控制算法为典型的PID控制,可以直接调用PLC中的控制块实 现。系统的内外环控制周期选择非常重要，这里内环的控制周期要明 显小于外环的控制周期。外环为主，内环为辅，内环主要用于快速调节 消除调节阀的偏差，得系统更加趋于稳定。2.2二次混合控制系统由于一次混合已经混合均匀，后没有

5、热返矿，所以二次混合前和混 合后的水分检测都可以认为是精确的。但二次混合的难点在于混合后 水分的精确和稳定性，并且通过前馈控制的方式消除滞后系统的干 扰。烧结二次混合加水首先对混合加水过程中的全部仪器仪表量进 行滤波，包括进矿量、一次混合后含水率和二次混合后含水率。然后 分别计算前馈加水量和反馈加水量，前馈加水量由进矿量、一混后含 水率和目标水分率根据水量守恒原理所推导的前馈加水量计算公式 计算,反馈加水量根据反馈偏差由PID算法进行计算，它们之和为最佳 加水流量。最后，由最佳加水流量和流量计仪表值对调节阀进行 PID 闭环控制。如果反馈加水流量在一定时间内长期存在 ，则根据当前的 进矿量情况

6、把前馈加水的偏差保存到经验表中，以备以后使用。2.3最佳加水量的计算公式最佳实际加水量由前馈加水量和反馈加水量构成。(1) 计算前馈加水量：由于对于一次混合，进矿量检测的皮带秤在混合后，相当于检测出 矿量,所以求进矿量需要由进矿量和加水量进行计算。补偿加水量是由于在混合过程中存在一定的水分损失和检测偏 差等因素，往往实际的含水量与理想计算无法相等，这里就用b作为补 偿。但由于已经通过辨识的方法计算混前含水量，在出现水分损失或者检测偏差时，可以混前含水量的形式补偿，以保证修正这类偏差，所 以，这里计算时b取0。(2) 计算反馈加水量：采用PLC程序的PID模块进行计算，可以计算出相应的反馈加水量

7、。2.4混合前含水量的预测采用辨识的方法预测混合前含水量。利用水分守恒原理，根据公式(2)可计算出当前时期的含水量，但由于系统滞后，直接应用与控制 系统会存在偏差。工程中可采用预测算法，对混合前含水量进行预测 以确保精确控制。(1)平滑指数法。由于该系统为大滞后系统，而且混合前含水量在外界条件没有突 变的前提下不会有较大变化，所以，采用一段时间内由出矿量、加水量、 混合后含水量、计算混合前含水量。计算原理相当于水的守恒原理 辨识时间应该取大于等于半个小时。计算方法：由公式计算出含水量，并用平滑指数法滤波。由公式：这里可以获得相当于一组滞后于当前含水量的数列，为了更准确的反应当前含水量，采用平滑

8、指数法，一方面起到滤波的作用，另一方面还起到一定的预测作用。把这组数列记做w1,w2,wnw1 =w1w2 二a*w2+(-a)w1w3 =a*w3+(-a)w2wn，=a* wn+(1a)wn-1'一般来讲，水分的波动不会太大，所以a的取值一般可以小于0.2。把经过平滑指数发处理后的数列w1 ,w2,wi为经过平滑指数法预测后的混合前含水量。(2)最小二乘法。设x为时间即PLC控制程序执行计算的周期,y为计算后的混前 含水量即公式(3)所计算的,把他们看成一个直线方程，通过辨识k和b, 计算下一时刻的混前含水量。实际应用中,n取5,以每五拍计算一次混合前含水量，用于前馈控 制。3界面

9、开发及仿真曲线用户界面采用AB公司的FactorytalkSE6.0进行开发，界面如图4。201 M和202 M分别表示一次和二次 混合,其他仪表亦如下图所示。界面上方分为操作员参数设及工程师 参数设置,其中操作员参数主要用于生产操作，工程师参数主要用于精 确加水的控制。为了便于显示计算，对混合后含水量进行建模，公式如下：式中Waterper混合后含水量，W(t)为进水流量函数，M(t)为进矿流 量函数。实际建模计算中，采用离散化积分形式。系统仿真如图5所示，界面上方为相关控制参数，下面分别为一次 混合和二次混合的控制曲线，可见二次混合后含水量已经可以满足要 求。4结论采用AB系统的PLC及配套的组态软件，对鞍钢烧结生产线混合 加水系统进行设计，对一次混合和二次混