现代过程控制基础_5_烧结生产过程控制系统

1、5 烧结生产过程控制系统 现代过程控制基础信息学院杨为民二一一年九月烧结厂全景5.1 烧结工艺简介5.1.1 烧结工艺的目的烧结工艺： 烧结是炼铁原料准备的中间工序。主要工艺过程是将选矿厂来的精矿粉和回收的含铁尘泥，混以燃料和溶剂，在高温下烧结成块，经破碎、筛分后的烧结矿送入高炉炼铁，筛下的粉末返回烧结燃料系统中心配矿。5.1.1 烧结工艺的目的 烧结的原料：含铁矿粉、焦粉、无烟煤、石灰石及其他冶金废物（如钢渣、含铁尘泥、瓦斯灰、轧钢铁皮等）。 烧结生产过程是把粉矿加入一定比例的熔剂（石灰石），燃料（无烟煤）经过混合后，在一定温度下烧结成高炉需要的原料。烧结工艺是一个连续性的生产过程，环节多，

2、控制对象复杂、滞后时间长、且受干扰影响大，为了保证烧结矿品质稳定。提高产量和降低燃料消耗，必须对生产过程进行自动化控制。 5.1.2 烧结工艺流程(1) 烧结生产工序比较多，因原料条件、生产规模和产品要求的不同，其流程会有一定的不同。烧结生产过程通常包括以下几个部分：含铁原料、燃料和溶剂的接受和储存；原料、燃料和溶剂的破碎筛分；烧结料的配料、混合制粒、布料和烧结；烧结矿的破碎、筛分、冷却和整粒。5.1.2 烧结工艺流程(2)5.1.2 烧结工艺流程(3)5.1.3 烧结过程的特征(1)1烧结过程的大滞后性 烧结原料经过配料、混合制粒和布料点火，然后烧结形成烧结饼，这个过程大约需要1 h。这时仅

3、仅能在机尾定性地观测到某些烧结状况（如烧结均匀性等）；成品烧结矿的获得则还要经过烧结后的热破碎、热筛分、冷却和整粒等工序，这个过程需要约lh。所以，烧结原料从配料到形成烧结矿约需2h。上述过程决定了烧结过程的大滞后性。 此外，烧结矿的产、质量指标，还要经过检验环节才能获得。 我国烧结厂一般每隔2h对烧结矿化验一次，化验过程约需要12 h。因此，烧结前的配料、混合和布料点火等工序的操作情况，要 3-5h才能通过产品的产、质量指标得到定量反应。换句话说，现在烧结矿产、质量出现的波动是3一5h之前的操作波动引起的。5.1.3 烧结过程的特征(2)2.烧结过程的复杂性 （l）烧结过程机理复杂 烧结原料

4、经过布料点火后，由于下部风箱强制抽风，通过料层的空气和烧结料中焦炭燃烧所产生的热量，使烧结混合料经受各种物理化学变化，才形成烧结矿。整个烧结经过了燃料的燃烧反应，烧结料层中的热交换，水分的蒸发和冷凝，化学水的分解，碳酸盐的分解，氧化物的分解、还原和再氧化，烧结过程的固相反应，烧结过程的液相形成与冷凝等过程，它包括热力学、动力学、传热学、流体力学及结晶矿物学等理论基础。因此，其过程和机理十分复杂。5.1.3 烧结过程的特征(3)(2）烧结过程影响因素复杂 从过程控制的角度，可以将烧结看做这样一个系统：一定的原料参数和操作参数作用于设备参数（统称为工艺参数），则有一定的状态参数和指标参数与之相对应

5、，其模型如下图所示：原料参数设备参数操作参数状态参数指标参数工艺参数5.1.3 烧结过程的特征(4)其函数关系式为： （原料参数，设备参数，操作参数）（原料参数，设备参数，操作参数）（状态参数）（状态参数） （指标参数）（指标参数）式中： 原料参数=含铁原料配比，熔剂配比，燃料配比， 操作参数=一次水，二次水，料层厚度台车速度， 设备参数=抽风面积，风机能力，漏风率， 状态参数= 主管负压，废气温度，风箱温度，烧结终点，透气性， 指标参数= 烧结矿化学成分机械强度，还原性，产量， 5.1.3 烧结过程的特征(5) 以上五类参数在总量上达到几十个，反映出了烧结过程影响因素复杂。同时，这种复杂性还

6、体现在各种因素的密切相关。例如，指标参数碱度（R）既与熔剂配比有关，又受含铁原料的成分、下料量、水分含量等多个因素的影响。状态参数烧结终点与台车速度和垂直烧结速度有关，而垂直烧结速度又与透气性有关，透气性又与原料性质、原料水分、混合制粒、布料等许多因素有关。此外，烧结过程的影响因素之间还存在相互制约。如一种原料配比的波动会引起其他原料配比的波动；原料成分、原料本身含水量等因素的波动，又会引起一、二次水的操作波动，等等。 烧结矿的质量指标之间有很大相关性。如烧结矿TFe含量波动，会引起与SIO2含量的波动，进而引起碱度的波动。烧结矿FeO含量既影响其还原性，又影响机械强度，等等。TFe 矿石中的

7、总含铁量(%),又称全铁;R碱度,即CaO/SiO2的比值 5.1.3 烧结过程的特征(6)3.烧结过程的动态时变性 烧结过程是一个复杂的工业过程，除具有复杂性、时滞性以外，还具有连续性、非线性、时变性和不确定性。5.1.4 烧结过程控制的任务 上料控制系统 配料的控制 混合料添加水控制系统 矿槽料位的自动控制 布料厚度的控制 机速的控制 点火炉燃烧控制系统 烧结终点（BTP）控制系统 5.1.5 烧结过程控制方案(1)1.烧结过程的控制方法 长期以来，烧结过程在很大程度上是由操作工凭经验来控制的。烧结过程控制的基础是大量的实时生产数据，即原料参数、操作参数、设备参数、状态参数和指标参数统称生

8、产参数）。上述生产数据中，有的通过在线检测来采集，如原料瞬时流量、主管负压、台车速度、料层厚度、风箱温度等；有的数据则需要经过化验才能获得如烧结矿化学成分、原料化学成分，等等。由于生产数据采集和检侧中存在的滞后及波动，以及操作者操作知识的差异、判断能力的高低、责任感的强弱，以及生理、心理和环境等诸多因素的形响，人工操作不可避免地导致操作控制的波动，而给生产带来不利的影晌；尤其是随着烧结设备向大型化的发展，这种影响就更大，同时，由于盲目操作，也就把握不住降低成本的良好机会。所以，研究与开发生产控制所需的烧结过程人工智能控制系统对于实现烧结生产的标准化和自动化，进而实现烧结过程的最优化，是非常必要

9、的。5.1.5 烧结过程控制方案(2) 烧结过程的大滞后性决定了对指标参数进行预报的必要性。例如烧结矿化学成分这类指标参数，其主要影响因素是原料参数，可以通过建立烧结矿化学成分与原料参数之间的数学模型以提前预报化学成分来解决大滞后问题。 由于烧结过程错综复杂的特性，使数学摸型在全过程控制的实际应用中受到了限制：有些环节不能用数学模型描述，有些环节仅基于数学模型不能准确控制；复杂的过程模型难以用于在线控制，而简化的模型又带来不确定性，特别是在生产不正常情祝下问题更多。而凭操作者的经验来控制，又容易引起操作的不稳定，所以应用烧结领域专家的经验知识，建立烧结过程人工智能控制系统，可以解决数学模型难以

10、解决的问题；同时，通过生产操作的标准化来避免人为因素引起的操作及生产的波动，可以实现烧结过程的优化控制。因此，烧结过程控制宜采用数学模型与人工智能相结合的控制方法。5.1.5 烧结过程控制方案(3)2烧结过程的控制方案 从过程控制的角度，烧结生产的目的是通过调整原料参数、操作参数和设备参数，使指标参数和状态参数达到最优，状态参数反映了烧结过程的状态，指标参数是指烧结矿的产量和质量指标。质量指标包括烧结矿化学成分、物理性能和冶金性能三个方面，物理性能和冶金性能主要通过调整烧结过程状态，减小中间操作指标波动控制。产量指标的影响因素主要有烧结过程的透气性、成品率和台车速度，而这些参数与烧结过程状态的

11、控制有关。烧结能耗主要与固体燃料的消耗进而与热状态有关。因此，烧结过程控制在总体上可分解为烧结矿化学成分控制、烧结过程状态的控制。烧结过程状态控制主要包括进气性状态控制和热状态控制，同时，由于烧结过程中烧结后的返矿再次被用作烧结料，烧结过程的状态还与其返矿量的变化密切相关。5.2 烧结配料控制 在烧结生产工艺过程中，需要将铁料燃料熔剂返矿等几种原料按一定比例配成混合料，配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响烧结矿质量和经济效益。 配料的目的是将烧结矿的品位、含碳量和碱度控制在指定的范围内。5.2.1 配料控制系统组成(1) 某烧结配料过程如图所示。12个配料槽设有13套定量给料控制系统(生

12、石灰槽设两套)，主要是由配料皮带秤(包括重量传感器和皮带速度传感器等)、电动机调速装置、电动机、圆盘给料机(或螺旋给料机、皮带给料机)以及显示、操作和控制装置等组成。 给矿机配料秤5.2.1 配料控制系统组成(2) 由计算机向各配料子系统的调节器给出设定值，在调节器中的物料流量测量信号与设定值比较，得到的偏差值经PID运算后输出4-20mADC给电动机速度控制装置，控制装置对圆盘给料电动机进行转速控制。5.2.1 配料控制系统组成(3) 另外一套恒速控制装置驱动称量皮带机。皮带速度发信机的输出信号和重量传感器的毫伏信号经放大器输出分别送计算机和调节器。计算机的作用是进行比例计算和按比例给出各配

13、料槽的下料量设定值，以及对信号的记录和对各配料量的积算。 5.2.2 配料过程模糊控制 (1)一般模糊控制系统结构：5.2.2 配料过程模糊控制 (2) 根据配料过程的控制方案，选取基本模糊控制器的输入语言变量为物料流量的偏差 EW 和物料流量的变化率 DW 输出的语言变量为给料电机的转速控制值 CN。 分别选择语言变量 EW,DW,和CN 的语言值如下: EW = 正大、正中、正小、零、负小、负中、负大 简记为X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17； DW =正大、正中、正小、零、负小、负中、负大 简记为X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27; CN = 很小

14、、小、稍小、正常、稍大、大、很大 简记为Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17；5.2.2 配料过程模糊控制 (3) 选取各语言变量的基本论域为 EW=-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5 DW=-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5 CN=-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5 各语言变量论域上的Fuzzy子集由隶属函数(x)来描述。函数(x)的确定是基于操作者的实践经验或者可以用Fuzzy统计法，一般按正态型分布函数来选取，在此基础上，建立语言变量EW、DW和 CN 的赋值表。语言变量EW赋值表(x)

15、 EW xX11X12X13X14X15X16X17-510.200000-40.80.700000-30.410.20000-20.10.70.70000-100.2100000000.90.5000+100010.200+20000.50.900+300000.210.4+4000000.70.8+5000000.21语言变量DW赋值表(x) DW xX21X22X23X24X25X26X27-510.200000-40.80.700000-30.410.20000-20.10.70.70000-100.2100000000.90.5000+100010.200+20000.50.900+

16、300000.210.4+4000000.70.8+5000000.21语言变量CN赋值表(x) CN xY11Y12Y13Y14Y15Y16Y17-510.200000-40.80.700000-30.410.20000-20.10.70.70000-100.2100000000.90.5000+100010.200+20000.50.900+300000.210.4+4000000.70.8+5000000.215.2.2 配料过程模糊控制 (7) Fuzzy控制状态表是基于操作者手动控制策略的总结,由各配料子系统的控制经验可分别得出一组Fuzzy条件语句构成的控制规则: 1 IF EW=

17、NB AND DW=PB THEN PM 2 IF EW=NM AND DW=PB THEN PS 3 IF EW=NS AND DW=PB THEN NS . . . . . . 46 IF EW=PM AND DW=NB THEN NS 47 IF EW=PB AND DW=NB THEN NMFuzzy控制状态表(CN) EW DWNBNMNSZEPSPMPBNBPBPMPMPSNSNMNMPBPBPMPSPSZENMNSPBPMPMPSZENSNBZEPBPMPSZENSNSNBPSPBPMZENSNSNMNBPMPMPSNSNSNMNMNBPBPMPSNSNMNMNM5.2.2 配料

18、过程模糊控制 (9) Fuzzy 控制状态包含的每一条 Fuzzy 条件语句都决定一个 Fuzzy 关系，为若A且B则C型，简记为IF A AND B THEN C。它反映双输入单输出过程的一种控制策略。一般 Fuzzy 集合A，B及C分属三个不同的论域。按照推理合成规则分别计算R1、R2、R46、R47。通过47个Fuzzy 关系Ri(i=1,2,.,47)的并运算，可分别获取各配料子系统的物料流量和给料电机的转速控制规则的总的Fuzzy 关系R，即：471251521iiRRRRRR Fuzzy控制器查询表U EW DW-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5-5555543210-1-

19、1-4555443100-1-1-355443210-1-1-1-25443210-1-1-2-2-14433200-1-2-2-20333210-1-2-2-3-3+1222100-2-2-3-3-4+222110-1-2-3-3-4-5+31110-1-2-2-3-4-5-5+41100-1-2-3-4-5-5-5+5110-1-2-3-4-5-5-5-55.2.2 配料过程模糊控制 (11) 把表存放到计算机的存储器中，并编制一个查找查询表的子程序。在实际控制过程中，在每个控制周期中，将采集到的实测误差量和计算的误差变化量分别经量化因子Ke和Kde取得以相应论域元素表征的与查询表对应的值

20、后，通过查表的相应行和列，立即可输出控制量的变化量，再经比例因子Ku，便是实际的控制输出量的变化值。 5.2.3 烧结矿化学成分预测模型 影响烧结矿化学成分稳定的主要因素是原料，而从原料下料到烧结成烧结矿，再经过冷却、整粒，给出烧结矿化学成分的化验结果，需要长达几个小时的时间响应，即存在相当长的时间滞后，所以要稳定烧结矿化学成分，必须对其进行提前预报。5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(1) 应用现代控制理论的观点，在观察和分析问题时撇开其复杂的内部机理，将烧结过程看做一个“灰箱”系统（如下图所示），根据可采集到的系统大量随时间变化的输入输出数据，利用系统辨识的方法，建立时间序列模型。过程

21、的动态特性必然表现在它变化着的输人输出数据中，因此利用这些数据通过不断修正模型的参数以适应系统随时间的变化，分别建立烧结矿化学成分R(碱度)、Tfe(全铁)、SO2(二氧化硅)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)和FeO(氧化铁)的自适应预报模型。“灰箱”输入数据输出数据u1(t)u2(t)un(t)y1(t)y2(t)ym(t)TFe 矿石中的总含铁量(%),又称全铁;R碱度,即CaO/SiO2的比值 5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(2)1自适应预报模型的建立 烧结过程总要受到程度不同的随机干扰，如对系统本身的干扰（过程噪声），对输人输出量的干扰（测量噪声）等而且往往属于可加性干扰。

22、所以在建立数学模型时，用少量的、集中的随机干扰源来替代多种随机干扰对系统的影响，把集中的干扰以叠加方式加到未受干扰的信号上。对于具有可观测的外加输入信号的烧结过程，用带受控的自回归模型CAR(n)来描述系统。5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(3)多输入单输出(MISO)的CAR(n)模型表示为：式中： Aik(z-1)=1+ai1(k)z-1+ail(k)z-（ni-l）+aimi(k) z-niBijk (z-1)=bij0(k)+bij1(k)z-1+bijl(k)z-(mij-l)+bijnij(k)z-mijyi(k) 系统输出数据； uij(k)系统输人数据； ei(k)零均值

23、高斯白噪声； d-时滞； ail，bijl模型参数；ni，nij 模型阶数；mi 输入数据个数，i=16，分别代表R、TFe、SO2、CaO、MgO和FeOimjidijijkiikkezkuzBkyzA111)()()()()(5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(4) 所谓预报就是在k时刻根据已知的观测值yi(k),yi(k-ni+1)及uij(k),uij(k-nij-d+1)估计未来kd时刻的输出值 ,称作超前d步预报。这种未来时刻的输出预报值应当是已知数据的某种函数，即可表示成：它使得准则函数：)|(kdkyi)1(),.,(),1(),.,()|(dnkukunkykyfkdky

24、ijijijiiiii达到最小值。)|()(2kdkydkyEJii其中：)|(kdkyi为由k时刻向前d步的预报值5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(5)将模型写成：imjiikikdikijdikijkikezAzGzzFkuzzAzBky111111)()()()()()()()(式中：)1()1(1101)1()1(1111111)(.)()()()(.)(1)()(1)()()(nniiiikddiiikikikikdikzkgzkgkgzGzkfzkfzFzAzAzGzzF5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(6)两边乘以zd，并整理得：imjiikijikijkiikidk

25、ezFkuzFzBkyzGdky11111)()()()()()()()(要确定预报模型就是要寻找一个最优预报)|(*kdkyi使得预报误差方差最小，即：22*)|()()|()(kdkydkyEkdkydkyEiiii其中：)|(kdkyi为任意由k时刻向前d步的线性预报值1111111)1()()()()( () ( ) () ()()()imddikikiijkikikikijikikG zG zy kdBzF zzu kF zze kdA zA z11111111)11()()()() () ( )() ()() ( ) ( )()()iimmdikikiijkikijikiijkik

26、ijjikikG zG zy kdBz F z u kF z e kdzBz u ke kA zA z5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(7)由于ei(k)是白噪声序列，因此Fik(z-1)ei(k+d)与Gik(z-1)yi(k)和Bijk(z-1)Fik(z-1)uij(k)独立，所以21121112)()()|()()()()()()|()(dkezFEkdkykuzFzBkyzGEkdkydkyEiijmjiijjkijkiikiii要使其达到最小值，应该选择：)()()()()()|(111*kuzFzBkyzGkdkyijikijkiiki上式为向前d步最优预报器，要得到最优预

27、报yi*(k+d|k)就必须对模型的参数Gik(z-1)和Bijk(z-1)Fik(z-1)进行辨识。5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(8)记)()()()()(.) 1 ()()()()(.)()()(111)1()1(11011)1(1211dkezFdkzFzBzqzqkqzQzGzkpzkpkpzPiikijkijkdndnijijijijkikniniiikijijii得预报模型为：)()()()()()(111dkkuzQkyzPdkyimjijijkiikii)()()()()()(111kzkuzQzkyzPkyidmjijijkdiikii可写为：对它进行辨识，可获得预

28、报模型的参数。5.2.3.1 基于时间序列的预报模型(9)预报模型的输出预报值为：)()()|(kdkkdkyiTii其中：TdnijijiniiTijijijiiiikqkqkpkpkdnkukunkykydkij)(),.,(),(),.,()()1(),.,(),1(),.,()()1(0115.2.3.1 基于时间序列的预报模型(10) 系统辨识就是根据被辨识系统的输入输出数据来估计它的模型。因此输入输出数据是模型辨识的基础。对于以提前预报烧结矿化学成分（R, TFe , Si02, CaO, MgO, FeO）为目的的系统，其输出信号就是各成分的化验值，输入数据则取决于其影响因素。在

29、实际生产过程中，影响烧结矿化学成分的主要因素是原料参数。研究实践已证明，用原料参数反映烧结矿化学成分变化的方案是可行的。因此，采用原料参数作为系统的输入数据。5.2.4 烧结矿化学成分的控制5.2.4.1 烧结矿化学成分的闭环控制系统 根据烧结矿化学成分（CaO，Si02，MgO，FeO）的预报模型，可预报2h后的烧结矿化学成分，根据预报成分和目标成分的偏差，计算混合料最佳配比，为了达到既要稳定烧结矿化学成分，又避免配料比出现大的波动的目的进行了下式的最佳配比计算：最小值)()()2(*ttutuBtyyAjjjiii条件：jjjjjUutuLuuttutu)(;)()(max5.2.4.1

30、烧结矿化学成分的闭环控制系统(2)式中： yi*烧结矿中成分的目标含量； 2 h后所生产的烧结矿中成分i 的估计含量； uj(t)一给料比j的瞬时记录值； uj(t-t)给料比j的预测值； Umax给料比j的偏差。 Luj给料比j的下限； Uuj给料比j的上限； Ai，Bj系数。)2(tyi5.2.4.2 化学成分控制专家系统(1) 烧结矿化学成分控制具有如下特点： 烧结矿化学成分（FeO，S除外）的稳定主要受原料参数的影响，与状态参数关系不大。 从原料下料到烧结成烧结矿，再到给出烧结矿化学成分的化验结果，需要长达几个小时的时间响应，即存在相当长的时间滞后。 工艺过程具有动态复杂性和时变特性。

31、 烧结矿化学成分之间有很大的相关性，一种成分发生变化会引起其他成分的改变。 控制烧结矿化学成分相当复杂，一种成分不能满足要求，并不一定是由于该成分本身变化引起的，由这方面原因引起的成分变化，可能要从另一个方面去解决。5.2.4.2 化学成分控制专家系统(2) 根据上述特点采用数学模型与知识模型相结合的控制方法，建立了烧结矿化学成分的时间序列预报模型，开发了基于自适应预报的烧结矿化学成分控制专家系统，其流程如下图所示，其中，u表示输入，y表示输出。u表示经过数据处理后的输入，y表示经过数据处理后的输出，它以2h为l个周期，与烧结矿成分分析周期相对应。5.2.4.2 化学成分控制专家系统(3)基于

32、预报的化学成分控制专家系统流程图5.2.4.2.1烧结矿化学成分控制策略(1)1.区间优化控制策略 （1)区间优化控制策略 点优化是以最优点为优化目标的控制策略。烧结过程控制的特点决定了点优化是可望而不可及的。 烧结过程控制的基础是大量的实时生产数据。由于噪声和不可测干扰等因素的影响，使数据的测量值与实际值之间存在着误差，使得点优化的控制策略难以实现。 点优化将导致过程的频繁调整。由于数据测量的误差以及生产过程的大滞后性，频繁的调整会造成生产上大的波动。其结果是不仅不能实现烧结生产的优化控制而且还可能破坏烧结过程的正常进行。5.2.4.2.1烧结矿化学成分控制策略(2) 区间优化是相对于点优化

33、而言的，特指以围绕最优点的最优区间为优化目标的控制策略。烧结过程控制采用区间优化的策路是适宜的： 区间优化的控制目标是最优区间，可以减小因数据测量的误差引起的控制不准确性；同时也可避免过程控制的频繁调整，实现生产过程的稳定运行。 生产参数的预报结果与实测值之间存在一定的误差在允许范围内）。区间优化可以减小因这种误差而引起的误操作。 所以本系统采用区间优化的控制策略。5.2.4.2.1烧结矿化学成分控制策略(3) (2)区间划分及状态描述 烧结过程的优化以烧结生产的正常进行为基础，是以生产参数的实测数据作为判断依据的。因此，可将生产参数相应地划分为优化区间（记为0）、可行区间（优化区间上限与可行

34、区间的上限之间的区间记为+1，优化区间下限与可行区间下限之间的区间记为-1)及异常区间（超过可行区间上限的区间记为+2，超过可行区间下限的区间记为-2），如下图所示。区间优化控制的目标就是由可行区间获得优化区间。+1+20-1-2最优点优化区间可行区间异常区间5.2.4.2.1烧结矿化学成分控制策略(4)最优点的确定。最优点就是烧结过程的控制对象符合过程优化要求的参数值。对于烧结矿化学成分，最优点就是各成分的规格。对于烧结过程状态参数，最优点要根据具体工艺条件及生产情况而定。例如，主管负压最优点与料层厚度有关：料层变厚，主管负压最优点的值就增大。 区间边界的确定。区间边界就是划分各个区间的临界

35、点。烧结矿化学成分的区间边界是根据一级品、合格品和出格品的指标标准而定的。例如：TFe波动在0.50%范围内为一级品，波动在0. 75%范围内为合格品，超出0.75范围为出格品，则TFe的各区间边界分别为+0.5%，-0.5%，+0.75%，-0.75。 参数状态的描述。参数在可行区间时，+1和-l区间代表两种不同的生产状况，同样，在异常区间处于+2和-2区间也代表两种不同的生产状况。为了能通过生产参数的实时数据准确地判断生产状况，实现区间的优化控制，将各生产参数分别划分为五个状态。以TFe为例其状态描述如下表所示。5.2.4.2.1烧结矿化学成分控制策略(5)烧结矿化学成分TFe状态描述区间

36、代号+2+10-1-2状态描述太高较高适宜较低太低区间范围 +1.0+1.0 +0.5+0.5 -0.5-0.5 -1.0B，即C=A，信号C和D比较，若C(A)D，低选选中D。显然，FIC-1的设定值不是以A就是D，但是总不能大于D，FIC-1的设定值受到D的限制，使燃料变化(动态过程)平稳，以维持高精度空气过剩率。K2是为防止因空气的波动而产生燃料量的波动系数。 空气 调 节 回路:AAH，低选选中为H,即G=H。G与F比较，G(H) F，G(H)被高选选中，乘以 ，再经限幅(下限)作为FIC-2的设定值，K3是为防止因燃料的波动而导致空气量过小的波动系数。5.5.3.1 系统分析(2)(

37、2) 当TC的输出信号A急减时： 燃料调节回路：ABA，B被高选选中为C。而C=B必然小于D，C=B被选中为FIC-1的设定值。K1为防止因空气波动而引起过大的燃料波动系数。 空气调节回路：AAH，A被低选选中为G，即G=A。G(A)K2，多增加空气量。燃气和空气流量的交替上升使系统很快达到稳定。 当 A减小时，为了维持高精度的空气过剩率，使系统很快稳定，选择K1K3，使燃料减少的多一些，系统稳定时，燃空两个系统均可同时选用，温度调节器TC的输出A作为设定值。 交叉限幅系统可以做到当需要增加燃料时，把空气量多增加一些;反之，要减少燃料时，把燃料量多减一些，使变化过程中燃料量始终不超越空气量(因

38、燃料调节阀动作快，往往空气量调节跟不上而失调，容易冒黑烟)，只要适当选择K1、 K2、K3、K4偏置值即可达到上述目的。5.6 烧结终点控制3.6.1 烧结过程(1) 沿烧结机台车运动方向，在料层下面排列着n个风箱，风机通过这n个风箱对料层吸风。5.6.1 烧结过程(2) 料层经过点火器下面时被点燃，在烧结矿运动中，由于风箱的吸风作用，料由表面向下燃烧，在料面已经烧完了的地方，料开始冷却，形成了冷却层；冷却层下面的料正在燃烧，叫做燃烧层；燃烧层下面还没有燃烧的料层叫做原始料层；空气通过原始料层时，将原始料层中的水份带到了最下面的料中，最下面的料因此含水份过多，形成了过湿层。5.6.1 烧结过程

39、(3) 随着台车的前进，燃烧层逐渐下降，最后烧到料层的最底部，叫做“烧透”。5.6.1 烧结过程(4) 烧结终点就是烧结机烧结带的位置，在此，烧结过程刚好达到烧结带的底部。一般认为BTP（烧透点，或烧结终点） 应当控制在倒数第二个风箱的位置。当BTP 超前，烧结机有效面积没有得到充分利用，利用系数降低；相反地，当BTP 滞后，卸料时烧结料层未能烧透，使返矿量增加，成品率下降。5.6.2 烧结终点的判断烧结生产过程中，典型的风箱废气温度曲线如下图 所示，其卸矿端3 个（4 个或5 个）风箱废气温度近似二次曲线，它的一般式是：T = ax2 + bx + c 式中：T风箱温度（）；X风箱号（WB）

40、；a，b，c系数。5.6.2.1 最小二乘法(1) 检测每一个风箱的温度，燃烧带越低，风箱温度越高，烧透后，风箱温度逐渐变低。台车尾部几个风箱温度曲线可近似为抛物线。2cxbxaT5.6.2.1最小二乘法(2)取台车尾部m个风箱温度，m3，则有：222222111. . . mmmcxbxaTcxbxaTcxbxaT5.6.2.1最小二乘法(3)用最小二乘法，求a、b、cmiiiiTcxbxae122)(miiiiTcxbxaae12)(2miiiiiTcxbxaxbe12)(2miiiiiTcxbxaxce122)(25.6.2.1最小二乘法(4)令0)(12miiiiTcxbxa0)(12

41、miiiiiTcxbxax0)(122miiiiiTcxbxax用高斯主元消去法解三元一次方程，得a、b、c2cxbxaT5.6.2.1最小二乘法(5)求峰值，令：02cxbdxdT得：cbxBTP25.6.2.2 三点法(1)将含有最高温度点在内的相邻三个风箱的温度点（x1，T1）、（x2，T2）、（x3，T3）代入公式:T = a+bx +cx2中，并考虑到：x2=x1+1，x3=x2+1求解系数a、b、c：222232222221) 1() 1() 1() 1(xcxbaTcxbxaTxcxbaTccxbTTccxbTT2223212123两式相减，得：)2(21321TTTc将c代入2

42、，得)2()(212312213212TTTxTTbccxTTb45.6.2.2 三点法(2)则二次曲线的峰点坐标为：)2(22312132TTTTTxcbxBTP)2()(21312213TTTxTTb)2(21321TTTc例如，若烧结机有18 个风箱，且以最后3个风箱废气温度拟合曲线，则烧结终点的计算公式为：)2(2171816171618TTTTTxBTP5.6.2.3 其它检测方法 根据台车尾部某一风箱温度判断 根据尾部图像判断5.6.3用于长期控制的烧结工艺模型 烧结工艺模型是通过建立燃烧带模型模拟烧结过程的长期特性，用点火罩下的数据预测该料层烧结完成所需的时间（BTT），然后再根

43、据设定的烧结终点（BTPS）计算出一个烧结机速PSC，作为机速调整的参考值，通过控制烧结机速来实现烧结终点的稳定控制。5.6.3.1 燃烧带模型(1) 在烧结过程中，燃烧带的垂直推进速度和台车水平移动速度，决定烧结终点的位置。而作用在燃烧带的主要因素是主风机的负压和混合料的料层阻力，如图所示。燃烧带与时间的关系5.6.3.1 燃烧带模型(2)由此推导出燃烧带的模型如下：0dtdy(0) H;y(0) ;)()(22AtBydttyd式中：y(t)燃烧带的位置；t 时间（t=0 时为初始时间）；A主风机产生的压力，可用烧结机的总废气流量来表示；B混合料内部阻力，定义为装入混合料透气性的函数；H料

44、层厚度，一般不变。5.6.3.1 燃烧带模型(3) 因为在正常工艺条件下，参数A、B 变化很慢且很小，所以可以假定A 和B 是与时间无关的函数，则上述方程的解为： 燃烧带接近到达料层底部所需的时间为T，T 是烧透时间（BTT），在时间T 到达的位置叫烧结终点（BTP），则： y(T ) = 0 BAtBBAHty)cos()()(5.6.3.1 燃烧带模型(4) 为了使模型既适合于正常生产情况，又适合于在长期停机以后烧结机的启动，需对参数A、B 进行如下处理： A = aFR B= b/PR 式中： a,b稳定情况的预测参数； FR，PR偏离稳定废气流量和透气性的偏差，在稳定情况下，FR 和P

45、R 都等于1。5.6.3.2 台车速度控制模型(1)台车速度总控制模型如下图所示。BBT废气温度PS台车速度H料层厚度F废气流量P透气性5.6.3.2 台车速度控制模型(2)（1）烧透时间（BTT）的计算 烧透时间采用实际烧结终点（根据风箱废气温度测定值计算）和台车速度PS 进行计算，如果烧结过程在t=0 时开始，并在时间T 时结束，则：TBTPdttPS0T)(BTT )(5.6.3.2 台车速度控制模型(3)（2）参数估计 参数a、b 是按稳定情况在线估计的，如果烧透时间为T，可得：若使用一个附加参数 ，可得到参数a 和b 的关系是：b = k 2/ T 2a = Hbcos (k )/(

46、cos (k )1)常数K0，影响废气流量的强度分布和燃烧带的透气过程。0)cos()()(baTbbaHTyTbk 5.6.3.2 台车速度控制模型(4)（3）参数偏差参数偏差FR 和PR 可用下式计算：FR =(F/FS)P PR = (P/PS)q式中：F、P实际值;FS、PS恒定的或缓慢变化的平均值;p、q可调控增益系数。5.6.3.2 台车速度控制模型(5)（4）台车速度模型 根据以上分析可预测刚通过点火炉的混合料的烧透时间BTT，该计算中需要的参数为料层厚度(H)、废气流量偏差（FR）、透气性偏差（PR）和预测参数（a、b）。根据预测的烧透时间和设定的烧结终点来计算台车速度，作为其

47、调整的参考值。5.6.4 用于短期控制的温度模型 温度模型就是根据烧结机中部风箱的温度曲线判断该料层的烧结终点情况，给出烧结机速的修正值，达到稳定烧结终点的目的。5.6.4.1正常拐点位置、温度的确定 正常拐点是指烧结生产正常、烧结终点稳定时的风箱温度曲线的拐点。其具体确定方法如下： 以某烧结厂为例，在生产正常情况下，每隔5min 取一批风箱的温度（每一系列15 个风箱），连续取3 天；然后从中剔除异常点，分别计算每个风箱的平均温度，绘出风箱废气温度曲线。可以确定，正常拐点为10 号风箱，正常拐点的温度为12010左右，这些数据和现场专家的操作经验基本吻合。5.6.4.2 烧结机速调整值的确定

48、（1）温度模型 输入参数是912 号风箱温度、烧结机速、10 号风箱温度的设定值TS（范围值）；输出参数是烧结机速的校正值，根据风箱温度控制烧结机速。（2）机速调整值的计算 根据正常条件下的平均温度拟合曲线，通过垂直移动温度曲线找出温度设定值的目标曲线（TTC），再找出TTC 的最大梯度位置X0（拐点），取其左边风箱位置X1及实际温度T1；计算布料点到X1 所需的时间t1；计算烧结机方向上T1 和TTC 之间的距离x；v=x/t1 或+/-L，L 为烧结机速的控制极限。5.6.5 烧结终点的模糊控制3.6.5.1 烧结终点控制的模糊特性 烧结终点控制系统是一类典型的模糊系统，系统的模糊特性包括

49、系统信息的不完整性、不确定性和模糊性，具体表现为：（1）烧结终点及对烧结终点有直接影响的参数无法直接检测；（2）不同的操作者调节终点的经验各有差异；（3）经验的继承有很大的不确定性；（4）烧结终点人工判断依据的模糊性；（5）烧结终点状态的自然语言描述具有明显模糊性。5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(1)（1）烧结终点模糊控制输入变量的确定 作为模糊控制器输入参数的偏差E 是指终点预报值与终点设定值的偏差，偏差变化EC 是指预报值与设定值的偏差的变化趋势和变化速度，作为输出参数的控制量UC 是机速的变化量（调节量）。（2）烧结终点模糊控制规则的设计 描述模糊控制器的输入变量E的状态用大、中

50、、小三个词汇，加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有八个词汇（八个模糊子集），即： 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(2) 描述模糊控制器的输入变量EC的状态用大、中、小三个词汇，加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇（七个模糊子集），即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 描述模糊控制器的输出变量UC的状态用大、中、小三个词汇，加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇（七个模糊子集），即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(3) 烧结终点预报器的输出作为模糊控制器的

51、输入，经过计算，得到输入变量偏差和偏差变化。离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量采用三角形隶属函数，烧结终点偏差、偏差变化、机速控制量的模糊变量的赋值分别示于下表。 烧结终点模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，即基于操作者的经验，如“若终点超前且终点有继续超前的趋势，则加快机速。”将这些经验用模糊集合来描述出来。5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(4)烧结终点偏差模糊量赋值表 eE-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6PB0000000000.10.40.81.0PM000000000.20.71.00.70.2PS00000000.81.00.5000PO0000001

52、.00.60.10000NO00000.10.61.0000000NS000.10.51.00.80000000NM 0.20.71.00.70.200000000NB1.00.80.40.10000000005.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(5)烧结终点偏差变化模糊量赋值表 ecEC-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6PB0000000000.10.40.81.0PM000000000.20.71.00.70.2PS00000000.91.00.70.200O000000.51.00.50.10000NS000.20.71.00.90000000NM 0.20.71.00

53、.70.200000000NB1.00.80.40.10000000005.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(6)机速控制量变化模糊量赋值表 ucUC-7-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6+7PB000000000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.20PS00000000.41.00.80.40.1000O0000000.51.00.5000000NS0000.10.40.81.00.40000000NM00.20.71.00.70.2000000000NB1.00.80.40.1000000000005.6.5.2烧结终点模糊控制

54、器的设计(7) 取烧结终点偏差E 的语言变量词集为NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB；偏差变化EC 和机速调节量UC 的语言变量词集为NB，NM，NS，O，PS，PM，PB。现将烧结过程操作者在控制终点时遇到的各种可能出现的情况，以及相应的控制策略用下述21 条模糊条件语句来描述：（1）if E=NB or NM and EC=NB or NM then uc = PB（2）if E=NB or NM and EC=NS or O then uc = PB（3）if E=NB or NM and EC=PS then uc = PM（4）if E=NB or NM and EC=P

55、M or PB then uc = O5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(8)（5）if E=NS and EC=NB or NM then uc = PM（6）if E=NS and EC=NS or then uc = PM（7）if E=NS and EC=PS then uc = O（8）if E=NS and EC=PM or PB then uc = NS（9）if E=NO or PO and EC=NB or NM then uc = PM（10）if E=NO or PO and EC=NS then uc = PS（11）if E=NO or PO and EC=O t

56、hen uc = O（12）if E=NO or PO and EC=PS then uc = NS（13）if E=NO or PO and EC=PM or PB then uc = NM（14）if E=PS and EC=NB or NM then uc = PS5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(9)（15）if E=PS and EC=NS then uc = O（16）if E=PS and EC=O or PS then uc = NM（17）if E=PS and EC=PM or PB then uc = NM（18）if E=PM or PB and EC=NB or

57、 NM then uc = O（19）if E=PM or PB and EC=NS then uc = NM（20）if E=PM or PB and EC=O or PS then uc = NB（21）if E=PM or PB and EC=PM or PB then uc = NB 上述条件句构成了描述烧结终点控制的模糊模型，汇总为烧结终点模糊控制规则表如下表所示。5.6.5.2烧结终点模糊控制器的设计(10)烧结终点模糊控制规则表（UC） ECENBNMNSOPSPMPBNBPBPBPBPBPMOONMPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSNOPMPMPSONSNMNMPOPMPMP