陳鐵軍，趙 潔

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)過程中連續(xù)進(jìn)出料的高溫?zé)峁ぴO(shè)備，參數(shù)離散，物理化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，而且在生產(chǎn)過程中氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相并存，具有分布參數(shù)特性，是一個非線性、多變量、大滯后、強干擾的復(fù)雜系統(tǒng)［1］.目前不少學(xué)者開展了對回轉(zhuǎn)窯的建模仿真和控制研究［2-5］，但由于水泥回轉(zhuǎn)窯的多變量、非線性、大滯后和強耦合的特性，傳統(tǒng)控制很難獲得滿意的控制效果.近些年有人在水泥生產(chǎn)中運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和專家系統(tǒng)等技術(shù)來提高生產(chǎn)效率，如文獻(xiàn)［6］將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法應(yīng)用到水泥回轉(zhuǎn)窯的建模及優(yōu)化上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能很好的適應(yīng)機組結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變，但它的學(xué)習(xí)算法還有待簡化;文獻(xiàn)［7］采用模糊PID算法設(shè)計控制器，將其應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度控制，雖然取得了一定成效，但它的抗干擾能力較弱，穩(wěn)定時間比較長，控制精度不夠高;Jager等初步將專家系統(tǒng)應(yīng)用在水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中［8］，能夠有效地運用專家多年積累的經(jīng)驗和知識，通過模擬專家的思維過程，解決問題，但太依賴于知識庫知識的獲取和推理機的設(shè)計.

針對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的復(fù)雜特性，筆者提出了通過結(jié)構(gòu)分解，以控制關(guān)聯(lián)鏈描述系統(tǒng)動態(tài)行為關(guān)系的鏈系統(tǒng)方法［9］.通過對水泥回轉(zhuǎn)窯過程的分析，找出影響回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度、窯內(nèi)O2含量和分解爐溫度的主要控制關(guān)系鏈，建立系統(tǒng)本質(zhì)結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)分布式模型，該模型具有強穩(wěn)定性、抗干擾能力和容錯性，通過對該模型設(shè)計預(yù)估算法和控制算法來提高水泥的生產(chǎn)效率.

1 水泥回轉(zhuǎn)窯的分析與建模

1.1 水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的分析

水泥回轉(zhuǎn)窯是一個多變量、非線性、強干擾、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng).在整個水泥的生產(chǎn)過程中，燒成帶溫度直接影響到水泥的產(chǎn)量，而分解爐溫度直接關(guān)乎到碳酸鹽的分解是否充分，繼而影響到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶溫度，O2則是貫穿水泥整個過程的助燃空氣，所以筆者選擇燒成帶溫度、窯內(nèi)O2含量和分解爐溫度作為控制對象.

燒成帶溫度的影響因素

(1)入窯生料量:進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的生料量決定水泥回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量，一般要求穩(wěn)定在水泥回轉(zhuǎn)窯的設(shè)備能力指標(biāo)的范圍內(nèi);

(2)噴煤量:適當(dāng)增加入窯噴煤量有利于燃料燃燒放熱，提高燒成帶溫度，反之則降低;

(3)二次風(fēng)的流量和溫度:提高二次風(fēng)的流量和溫度，使得煤充分燃燒，能夠提高燒成帶溫度;

(4)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速:在窯正常運行時，水泥窯的轉(zhuǎn)速應(yīng)與入窯的生料量有配合關(guān)系;

(5)回轉(zhuǎn)窯設(shè)備條件、原料質(zhì)量:設(shè)備條件越好，原料質(zhì)量越高，燒成帶溫度越高.

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)O2含量的影響因素

(1)窯噴煤量:窯噴煤量過多時，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的O2含量降低，反之則升高;

(2)二次風(fēng)的流量:當(dāng)二次風(fēng)流量增加時，窯內(nèi)的O2含量升高，反之則降低;

(3)窯頭負(fù)壓:控制穩(wěn)定的窯頭負(fù)壓能夠保證二次風(fēng)量的穩(wěn)定.

分解爐溫度影響因素

(1)噴煤量:適當(dāng)提高分解爐喂煤量，分解爐溫度會升高;

(2)生料流量:當(dāng)生料流量突然過大時，會造成分解爐內(nèi)部的溫度下降;反之則會使分解爐的溫度上升;

(3)三次風(fēng)的流量、溫度:三次風(fēng)的流量和溫度升高都會使分解爐中的物料的溫度升高，反之溫度則會降低.

1.2 水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)建模

通過以上分析，依據(jù)主要控制關(guān)系確定3組控制關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)，第一組是燒成帶溫度系統(tǒng)L1，第二組是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)O2含量系統(tǒng)L2，第三組是分解爐溫度系統(tǒng)L3.

設(shè)入窯給料器開度為Z10，窯煤粉量為Z11，燒成帶溫度為Z12，把回轉(zhuǎn)窯設(shè)備條件和轉(zhuǎn)速、原料質(zhì)量等對燒成帶溫度的影響看作擾動 V10，且K1=2，則燒成帶溫度鏈L1為

設(shè)冷卻機電動閥為Z20，助燃空氣流量為Z21，二次風(fēng)量為Z22，窯內(nèi)O2含量為Z23，把窯頭負(fù)壓對窯內(nèi)O2含量的影響看作擾動V20，且K2=3，則回轉(zhuǎn)窯內(nèi)O2含量鏈L2為

設(shè)入爐給料器開度為Z30，爐煤粉量為Z31，分解爐溫度為Z32，把生料流量和溫度等不易調(diào)的因素對分解爐的影響當(dāng)作擾動V30，且K3=2，分解爐溫度鏈L3為

水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)模型框圖如圖1所示，它由7個單元模型、3條控制鏈和3項鏈間關(guān)聯(lián)的模型構(gòu)成.

圖1 水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的模型框圖Fig.1 Cement rotary kiln system model diagram

假設(shè)各子系統(tǒng)Σij的動態(tài)模型取形為

式中:Zij(t)∈Z指該測量變量在t時刻的狀態(tài);Xij是和輸出有關(guān)的變量串集合，它包含對該子單元Σij有直接作用的控制輸入和有關(guān)聯(lián)作用的其它單元的測量輸出;Fij是以Xij為參量的因果轉(zhuǎn)換關(guān)系;dijij-1是 Ζij-1相當(dāng)于 Ζij的滯后步數(shù);Vij是擾動，因此可以得到各單元模型.第一組是燒成帶溫度系統(tǒng)L1

第二組是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)O2含量系統(tǒng)L2

第三組是分解爐溫度系統(tǒng)L3

其中:α1，α2，β1，β2，β3，χ1，χ2，δ1，δ2，ε1，ε2，ε3，φ1，φ2，φ1，φ2由最小二乘法辨識得到.

2 水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的控制算法和仿真

2.1 模型預(yù)估算法

水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)存在大滯后性，克服時滯，提高控制品質(zhì)的有效方法是預(yù)估.它把結(jié)構(gòu)信息和功能信息都分散化，而且各個預(yù)估器之間的信息是通過因果關(guān)系鏈來傳遞的，所以能保證在子系統(tǒng)設(shè)計的預(yù)估算法同時能獲得對整體系統(tǒng)運動特性的預(yù)估.

設(shè)單采樣周期中因變量Ζij-1相對于果變量Ζij的滯后步數(shù)為+1，控制輸入Zi0相對于控制輸出Zij的滯后為，假設(shè)是t時刻對Z(t)的預(yù)估值.根據(jù)11文獻(xiàn)［10］，可以得到燒成帶溫度系統(tǒng)的預(yù)估算法

類似地可以寫出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)O2含量系統(tǒng)的預(yù)估算法

同理可得分解爐溫度系統(tǒng)的預(yù)估算法

2.2 控制算法

式中:A=1-pz-1;B=1-p;p是可調(diào)的待定參數(shù);z-1是延遲算子.由文獻(xiàn)［10］得到燒成帶溫度系統(tǒng)的控制算法

由式(20)、(21)再結(jié)合(12)、(13)可求得系統(tǒng)中燒成帶溫度系統(tǒng)的控制算法則窯內(nèi)O2含量鏈和分解爐溫度系統(tǒng)的控制算法同樣可以通過上述方法得到.

2.3 系統(tǒng)仿真

水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)控制指標(biāo)如表1所示.

每隔1 min采集一次數(shù)據(jù)，共采集62組數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法對系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)辨識，然后寫出預(yù)估算法，最后再得出控制算法.再分別對入窯給料器開度、冷卻機電動閥開度、入爐給料器開度在20、30和40處分別加V10、V20和Z30擾動，下面是用MATLAB對上述3條鏈進(jìn)行的仿真.

圖2、圖3和圖4是結(jié)構(gòu)分布式控制仿真圖，仿真結(jié)果表明在有外加擾動的情況下，這種結(jié)構(gòu)分布式的控制模型能夠很好的在要求時間范圍內(nèi)克服擾動誤差，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，這表明該系統(tǒng)有很好的容錯性和抗干擾能力.還可以看出燒成帶溫度受窯內(nèi)O2含量和分解爐溫度的影響不是很明顯，說明該系統(tǒng)變量之間的耦合關(guān)系減弱了.

圖2 水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度鏈控制仿真圖Fig.2 The simulation diagram of cement kiln calcining zone tem perature chain

圖3 水泥回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)O2含量鏈仿真圖Fig.3 The simulation diagram of the O2 content of rotary kiln chain

圖4 水泥回轉(zhuǎn)窯分解爐溫度鏈仿真圖Fig.4 The simulation diagram of the tem perature of decomposing furnace chain

3 結(jié)論

針對水泥回轉(zhuǎn)窯這一典型的多變量、非線性、強干擾、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部之間因果關(guān)系建立結(jié)構(gòu)分布式模型，并設(shè)計了由因果鏈傳遞預(yù)估信息和控制指令的預(yù)估算法和控制算法，這是對水泥回轉(zhuǎn)窯控制方法研究的一種新的探索.這種方法把復(fù)雜的過程分段，這樣每段的特性容易掌握，并且把控制作用也分段，這樣能使控制作用逐級傳遞到受控輸出.預(yù)估算法和控制算法是根據(jù)局部設(shè)計的，所以當(dāng)局部發(fā)生故障時，不會過多的降低全局性能.用該方法控制水泥回轉(zhuǎn)窯這一實際對象，充分證明了它的可行和有效性，而且該方法已在火電廠、生物和化工等復(fù)雜的系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用.

［1］ 劉志江.新型干法水泥技術(shù)［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2005:131-148.

［2］ KAUSTUBH S.M，GANESH K V，SARITA B K，et al.Rotary Cement Kiln Simulator(RoCKS):integrated modeling of pre-heater，calcine，kiln and clinker cooler［J］.Chemical Engineering Science ，2007，62(9):2590-2607.

［3］ DELCOZ J J.Design and finite element analysis of a wet cycle cement rotary kiln［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2002，39:17–42.

［4］ FAN Geng，LIYi-min ，WANG Xin-yong，etal.Simulation of dynamic processes on flexible filamentous particles in the transverse section of a rotary dryer and its comparison with ideo-imaging experiments［J］.Powder Technology，2010，207(1):175–182.

［5］ LIU Xin-yi， SPECHT E.Temperature distribution within the moving bed of rotary kilns:measurement and analysis［J］.Chemical Engineering ＆ Processing:Process Intensification，2010，49(2):147–150.

［6］ 譚新穎，佘乾仲，彭奎，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回轉(zhuǎn)窯建模及其優(yōu)化控制設(shè)計［J］.計算機仿真，2012，29(1):160-163.

［7］ 王蕊，萬健如，王亭津.水泥回轉(zhuǎn)窯溫度模糊 PID控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀表，2005，11(2):32-34.

［8］ 丁蘇博，黃賢林，郭碧君.基于水泥回轉(zhuǎn)窯運行狀況分析的專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國水泥，2008，20(8):78-79.

［9］ 陳鐵軍.結(jié)構(gòu)分散化方法控制理論［M］.新疆:新疆人民出版社，2004.

［10］陳鐵軍，邱祖廉.鏈控制器及其應(yīng)用［J］.自動化學(xué)報，1994，20(3):379-382.