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基于模糊控制的水泥分解炉温度控制系统设计

1分解炉温度波动现代水泥生产工艺设备容量大,生产连续性强,各环节协调高。分解炉是预分解系统的核心部分,也是整个水泥生产系统中的重要部分承担了预分解窑系统中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务,使入窑生料的分解率达到60%以上,有的甚至达到90%,大大减轻了回转窑分解系统的分解压力,同时大幅提高了回转窑单位有效容积的产量。碳酸盐的有效分解需要一个相对稳定的温度,太高会造成预热器堵塞;太低则导致碳酸盐分解不充分,加大了窑系统的分解任务。因此分解炉的温度控制对整个水泥生产的分解系统热工制度的稳定至关重要。分解炉的温度是一个纯滞后、大惯性、非线性的复杂控制对象,影响因素很多,各因素之间耦合性强,因而难以用常规控制方法进行控制,实际生产中主要靠操作者凭经验来操控,当温度过低时,需要加大喂煤量,对于一个大时滞的系统,短时间很难看出温度的变化,在温度达到稳定之前,料量、三次风以及主排风机的波动,要求喂煤量作相应的改变,全凭经验操控,导致分解炉温度波动大,从而水泥生产率低,能耗高,质量不稳定。本文综合考虑了料量、三次风以及主排风机与分解炉温度的关系,将三维模糊控制和PID控制结合应用于分解炉温度控制中,模糊控制近似运用了人所特有观察推理,设定分解炉温度偏差,PID对温度进行精确调节,大大提高了分解炉喂煤的控制精度,使分解炉的温度在一个很小的正常范围内波动,实现了分解炉高效率、低能耗、高质量的生产。2国外收割机工艺的介绍和主要控制参数2.1旋转式预热器回转窑窑壁水泥生产一般采用五级旋风预热器,生料粉经过一级旋风预热器、二级旋风预热器、三级旋风预热器、四级旋风预热器加热变为热生料粉,经分解炉吸热分解后随气流进入到五级旋风预热器,气固分离后,已分解的生料粉入窑,此时料的分解率一般控制在90%左右,气体由排气管进入四级旋风预热器中,依次进入到三级、二级、一级旋风预热器中,和物料充分混合加热,预分解的生料经过分解炉分解为90%左右的熟料后进入到回转窑。2.2影响煤粉燃烧效果的因素1)煤粉流量的波动。实际生产表明,在入分解炉空气量保持不变的情况下,适当增加煤粉的流量,会使炉内温度上升;反之,若减少煤粉的流量,会使炉内温度下降。但当输入过量的煤粉时,未燃尽的煤粉进入最下一级旋风筒内继续燃烧,使得旋风筒下部温度比分解炉出口温度都高,炉内温度下降。实践证明,连续准确地对窑系统进行喂煤,是稳定窑的热工制度、降低煤耗、保证设备安全运转的关键因素。2)分解炉生料流量的波动。根据预分解窑的工艺流程,生料粉末在很短的时间内在各级预热器中与热气流充分混合,进行热交换,经四级旋风预热器进入分解炉。而且,当生料瞬时流量过大时,会使炉内温度下降;反之,当生料瞬时流量过小时,会使炉内温度上升。3)入分解炉三次风量的波动。分解炉的三次风来自于篦冷机,通过风管送入分解炉,为煤粉燃烧提供充足的氧气。每根风管送入的风量由风管上装的流量控制阀来控制,三次风风门开度变化对分解炉内燃烧状况的影响较直接。4)最末一级旋风筒的出口温度。正常情况下煤粉在分解炉内燃烧完全,分解炉的出口温度会高于最末一级旋风筒下部及其物料的温度,分解炉内燃料的燃烧速度慢,燃料燃烧不完全,则未完全燃烧的煤粉在旋风筒内继续燃烧,则会使最末一级旋风筒下部及物料的温度比分解炉出口温度还要高。3plc与cs23水泥回转窑分解炉温度的控制是通过调节煤粉制备系统分解炉侧面喂煤计量秤的下料量(t/h)来实现的。温度控制系统由上、下位机完成监控,温度控制系统结构框图如图1所示。上位机(工控机)对整个系统的参数进行监控和设定,通过CS31总线实现与下位机(PLC)之间的信息交换。下位机(PLC)完成数据的采集和处理,接受上位机指令,实现模糊控制。因模糊控制涉及矩阵运算,在PLC上实现困难,所以采用离线计算方式获得模糊控制表,然后将其存入PLC,PLC通过查表完成模糊控制。控制过程中,当温度发生较大波动时控制系统需人工干预,使温度恢复正常后,转入自动控制。工控机选用Advantech研华IPC-610HPIII级原装工控机;PLC选用ABB公司AC500系列产品;热电偶为S型:0-1200℃;变送器为WSY-1200;喂煤计量秤采用德国BMH制造的科里奥利秤。4煤分解炉温度与煤量和料量控制煤粉与最末一级旋风筒的物料进入分解炉,煤粉在分解炉中燃烧,放出大量的热,同时一级旋风筒的顶上接连的高温排风风机,带走五级旋风筒的部分废气和粉尘,以及一些热量,分解炉的温度成了水泥生产中控制的核心内容,在分解炉正常运行情况下,通过对下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差测定,设定分解炉温度调节高温排风风机的速度,调节煤粉的量和物料的量,都能改变分解炉中的温度,建立分解炉温度与煤量和料量的控制框图,如图2所示。分解炉的温度控制采用二级串级控制:第一级采用PID控制(精调),通过调节电动阀门来调节投入分解炉的煤量;第二级采用三维模糊控制(粗调),根据模糊规则库,为第一级提供设定值,如图2所示。PLC装有PID模块,以下主要对模糊控制器进行设计。在此设计中,设计一种三维模糊控制器,模糊控制器的结构及模糊控制规则如下。4.1模糊控制的文本处理三维模糊控制器结构如图3所示。其中下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差为3个输入量,分解炉温度偏差为输出量。用A、B、C和U分别代表下料量偏差、三次风管压力偏差、主排风机风速偏差和分解炉温度偏差,在三维模糊控制器中,先将精确量A、B和C模糊化,变成模糊量和,然后按模糊控制规则决策(运算),得到模糊控制量,最后将转换成精确控制量U去控制被控对象。由求得U的过程称为判决。其中第1部分模糊化的过程与一维和二维模糊控制器类似,可参阅有关文献。因为三维模糊控制器的计算远比一维、二维模糊控制器复杂,为了简化计算,将模糊集合和的论域和他们的模糊语言变量的档次数取少些,在此设计中,和的论域分别取为:[-10t/h,10t/h]、[-25pa,25pa]、[-6Rpm,6Rpm]。而语言变量的词集选为:{NB,NS,ZO,PS,PB}。模糊语言变量赋值表分别如表1、表2所示,的模糊语言变量赋值与相似。第2部分模糊控制算法是根据模糊控制规则计算模糊控制量,这部分是模糊控制器的核心,是设计的关键,将在后面详细讨论。第3部分判决,是将模糊量U%转换成精确量,其方法与一维二维模糊控制器相同,这里不叙述。4.2主排风机风速不变工况下的控制策略模糊控制属于智能控制的范畴。通常生产过程的模糊控制规则,根据人工控制的经验和操作者决策的过程总结出来,可用表格或一组模糊条件语句表示。本文依据模糊控制理论,结合人工控制的经验和现场控制要求,得出模糊控制规则。在主排风机风速偏低的情况下:下料量偏低,三次风压偏低,则降低炉温;下料量偏低,三次风压偏高,则炉温不变;下料量偏高,则提高炉温。在主排风机风速偏高的情况下:三次风压偏低,则提高炉温;下料量偏低,三次风压偏高,则降低炉温;下料量偏高,三次风压偏高,则提高炉温。在主排风机风速不变的情况下:下料量偏低,三次风压偏高,则炉温不变;下料量偏高,则提高炉温。在该控制系统中,涉及3个输入量,一个控制量,由一维和二维的模糊控制理论,推导出一种三维的模糊控制策略,常见的三维模糊控制器的控制规则比较复杂,该设计中采用分页的表格形式描述控制规则,方便直观。如模糊语言变量(模糊化的主排风机风速偏差)有NB、NS、ZO、PS、PB5种状态,则每一种状态可用一页控制规则表描述,从而得到五个控制规则表,表3是为NB状态时的控制规则表,其余4个控制规则表与之类似。控制规则表给出了(模糊化的主排风机风速偏差)为不同状态时,(模糊化的下料量偏差)、(模糊化的三次风管压力偏差)可能出现的状态和相应的控制策略,五个控制规则表构成了三维模糊控制器的全部控制规则。控制规则表中的控制规则用模糊条件语句描述时,表3中的第一行控制规则可用下面两条语句来表示:如此逐行用模糊条件语句表示,则表3的全部控制规则可用15条模糊条件语句表示。经整理其余四个控制规则表分别用15条、13条、14条、13条语句表示,这样全部控制规则共用70条模糊条件语句表示。各语句之间是用“或”的关系。4.3模糊集合模糊的判决由以上语句可求出模糊控制量为:对模糊子集去模糊化,就可判决出一个精确的控制量,判决的方法采用最常用的加权平均法。式中:μU%(ui)为输出模糊集合的隶属度;ui为的论域{-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5}中的元素。5控制效果该系统在湖南韶峰水泥厂试运行。采用三维模糊PID控制系统的分解炉温度12h变化曲线如图4所示,采用单模糊PID控制方式的温度变化曲线如图5所示。图中,分解炉温度的设定值为845℃,数据采样周期为1min。由图4,图5可见,采用三维模糊PID控制系统后,分解炉的温度控制在845℃左右波动非常小;而采用单模糊PID控制方式,炉温有时较长时间处于较低温度,有时较长时间处于较高温度,并且波动范围(820℃~870℃)较大,波动频繁。可见三维模糊PID控制效果明显优于单模糊PID控制效果。因而对分解炉的温度控制采用模糊控制与PID控制相结合的三维模糊PID控制,实现了水泥生产过程的动态监测与控制,大大提高了分解炉喂煤的控制精度,保证了分解炉温度

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