模糊和預(yù)測控制在工業(yè)回轉(zhuǎn)窯控制中的應(yīng)用

蔡永昶

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程系,廣東 佛山 528300)

1 引言

干燥煅燒過程是工業(yè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝,它直接影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)。某廠鋅鋇白的干燥煅燒過程在一個兩段結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)窯完成,傾斜窯體的轉(zhuǎn)動把物料從進(jìn)料口送到出料口,燃油在窯頭燃燒產(chǎn)生熱量,鼓風(fēng)機和抽風(fēng)機使熱空氣從窯頭流向窯尾,給物料提供干燥煅燒所需要的能量,干燥煅燒過程如圖1所示。傳統(tǒng)控制方法為人工控制,工人根據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)燃油的進(jìn)油量以改變窯頭溫度、調(diào)節(jié)干燥窯和煅燒窯的轉(zhuǎn)速從而改變物料的干燥和煅燒時間,由于缺乏科學(xué)有效的控制手段和方法,造成生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,次品率高[1]。為提高產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)廠方要求,開發(fā)回轉(zhuǎn)窯智能控制系統(tǒng)。本項目一期工程初步完成了控制系統(tǒng)的硬件搭建,并運用PID的方法對窯頭溫度進(jìn)行自動控制,同時建立了煅燒過程的人工經(jīng)驗控制模型[2- 3]。一期工程在應(yīng)用中取得一定的效果,但有很多不完善之處,窯頭溫度自動控制采用影響系數(shù)較少的回油量作為控制量,當(dāng)油壓和油質(zhì)變化較大時控制效果不理想,對影響產(chǎn)品指標(biāo)的關(guān)鍵過程—— 物料在鋼膽的煅燒過程的控制只停留在經(jīng)驗方法上,沒有建立科學(xué)有效的控制模型,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性有待提高。本文在一期工程的基礎(chǔ)上,對控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了完善,重點改進(jìn)了窯頭溫度控制系統(tǒng),以及采用預(yù)測控制的方法對煅燒過程進(jìn)行控制。

圖1 鋅鋇白干燥煅燒工藝流程Fig.1 Process flow of lithopone′s drying&ealcination

2 控制系統(tǒng)的組成

考慮到可靠性、穩(wěn)定性、人機界面及數(shù)據(jù)處理的要求,控制系統(tǒng)采用上位機+下位機的控制結(jié)構(gòu),硬件系統(tǒng)的組成如圖2所示,其中在一期工程基礎(chǔ)上增加或改善的硬件包括工控機、進(jìn)油閥及執(zhí)行器、4臺進(jìn)料電機變頻器、D/A和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。工控機升級為穩(wěn)定性較好、性價比較高的研華公司工業(yè)控制計算機,其規(guī)格為IPC610/P4 2.8G/512M/40G。PLC采用帶浮點運算功能的三菱FX2N-16MR,具有程序容量8 000步、16位寄存器數(shù)8 000個、8路開關(guān)輸入以及8路繼電器輸出。數(shù)據(jù)接口模塊采用三菱4通道A/D轉(zhuǎn)換器FX2N-4AD和三菱4通道D/A轉(zhuǎn)換器FX2N-4DA,經(jīng)FX2N-4AD采集的信號有窯頭溫度、煅燒溫度等16個輸入信號,通過FX2N-4DA輸出的控制量有煅燒窯和干燥窯轉(zhuǎn)速控制輸出等8個輸出信號。工控機和PLC采用RS232C串行通訊協(xié)議進(jìn)行通訊,PLC與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器之間采用三菱PLC專用通訊總線連接[4]。

圖2 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diag ram of control system

主要現(xiàn)場信號的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的硬件選型和配置如下:窯頭溫度采用四川峨嵋S型熱電偶(測溫范圍0～1 300℃)測量和珠海萬山WSY-1000型變送器傳輸,煅燒溫度信號采用四川峨嵋K型熱電偶(測溫范圍0～1 000℃)和珠海萬山WSY-1000型變送器測量和傳輸;進(jìn)油閥和回油閥選用四川峨嵋直角球形閥,通過PSL202執(zhí)行器驅(qū)動控制,煅燒和干燥窯電機選用臺灣Rich E-lectric EI-7001變頻器驅(qū)動控制。

3 控制策略

系統(tǒng)的控制目標(biāo)為出料口物料的消色力指標(biāo),目前缺少有效的傳感器在線檢測,需要通過化學(xué)的方法進(jìn)行離線檢驗[1],檢驗周期長。機理分析和試驗結(jié)果表明,物料消色力主要決定于物料流經(jīng)鋼膽時的煅燒過程吸收熱量的多少,此過程主要受窯頭溫度、煅燒溫度、煅燒窯轉(zhuǎn)速、物料平穩(wěn)性等因素的影響,各因素存在耦合關(guān)系[5]?；诮怦钤砗蛯ο蟮慕Y(jié)構(gòu)特點,文章采用的控制方法如下:在把窯頭控制穩(wěn)定和物料流量控制平穩(wěn)的前提下,建立控制目標(biāo)的預(yù)測模型,以煅燒窯轉(zhuǎn)速為控制量,系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)預(yù)測值調(diào)節(jié)煅燒窯的轉(zhuǎn)速,使物料煅燒效果達(dá)到最佳。物料流量平穩(wěn)性的控制主要通過調(diào)節(jié)進(jìn)料電機的轉(zhuǎn)速使其和干燥段轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速成一定比例的方法實現(xiàn),下面主要介紹窯頭溫度控制系統(tǒng)和預(yù)測控制器的設(shè)計方法。

3.1 窯頭溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)

窯頭溫度通過調(diào)節(jié)供給窯頭燃燒噴嘴的進(jìn)油量進(jìn)行控制,供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of oil supply system

影響窯頭溫度的因素主要有進(jìn)油量和回油量,其中,進(jìn)油量是主要的。一期工程僅通過調(diào)節(jié)回油閥對窯頭溫度進(jìn)行控制,在實際運行中,由于油壓和油質(zhì)不穩(wěn)定,僅通過調(diào)節(jié)回油閥來實現(xiàn)窯頭溫度的穩(wěn)定控制效果不理想,會出現(xiàn)窯頭溫度波動較大的情況。為此,采用模糊結(jié)合PID的控制方法對窯頭溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),即當(dāng)窯頭溫度偏差大于目標(biāo)值約5%(目標(biāo)值約為 1 175℃)時,采用模糊控制算法對進(jìn)油閥進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)溫度偏差小于5%時,采用PID控制算法對回油閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。窯頭溫度控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。PID控制器仍采用一期工程抗飽和積分位置式PID算法[6],在此不再介紹。下面主要介紹進(jìn)油閥模糊控制器的設(shè)計。

圖4 窯頭溫度模糊PID控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block diag ram of fuzzy&PID control system for kiln-head temperature

由于燃油燃燒對溫度的影響為一慢過程,取控制周期為1 min。模糊控制器的輸入量為溫度誤差Te及其差分信號ΔTe,輸出量為進(jìn)油閥開度控制量 u2,輸入量和輸出量的范圍分別為[-50,50](℃),[-3,3](℃/min)和[0.3,0.95](%),經(jīng)尺度變換后論域均為[-6,6]。經(jīng)模糊分割后,對 Te定義8個模糊集合,分別是NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB。對ΔTe和 u2定義分別定義7個模糊集合,分別是NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。采用三角形隸屬度函數(shù),如圖5所示。通過總結(jié)熟練工人的實際操作經(jīng)驗得到由52條控制規(guī)則,見表1。模糊化運算采用模糊單點集合,非模糊化運算采用最大隸屬度法。在模糊推理中,采用最大-最小合成法則和模糊蘊含積運算法則[7-8]。

圖5 輸入輸出模糊分割Fig.5 Fuzzy segmentation of input&output

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Rule table of fuzzy control

3.2 預(yù)測控制器的設(shè)計

預(yù)測控制根據(jù)對象歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出,適用于具有滯后、建模困難的對象。由于消色力缺乏在線檢測手段,只能運用化學(xué)反應(yīng)的方法離線檢測,檢測周期長,因此難以實現(xiàn)消色力的及時反饋,本控制系統(tǒng)運用預(yù)測控制的原理,通過分析正常工況下人工控制的窯頭溫度、煅燒溫度、煅燒窯轉(zhuǎn)速、鋼膽前溫度等大量數(shù)據(jù),運用數(shù)據(jù)擬合的方法建立能量--消色力預(yù)測模型如下:

式中:N為建模時域;ai為模型參數(shù)為在k時刻消色力的初始預(yù)測值為在k時刻的未來 N個時刻的消色力預(yù)測值;Δ q(k)為物料煅燒過程吸收能量的增量。

q的大小根據(jù)煅燒過程煅燒溫度對煅燒時間的積累計算如下:

式中:Tds(t)為加熱過程的煅燒溫度;t為煅燒過程的時間,可根據(jù)鋼膽的長度和煅燒窯的轉(zhuǎn)速計算得到;k為轉(zhuǎn)換系數(shù),其大小不影響控制效果,可取1。

式(1)參數(shù)的確定方法如下:經(jīng)過在停窯檢修期間進(jìn)行的投料試驗,測得正常工況下物料煅燒時間,從而確定建模時域,本系統(tǒng)取N=30;模型參數(shù)ai是系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點,本系統(tǒng)根據(jù)人工經(jīng)驗進(jìn)行反復(fù)的實驗,對回轉(zhuǎn)窯在正常工況運行下離線檢測的消色力數(shù)據(jù)和能量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、擬合和驗證得到。

根據(jù)熟練工人的操作經(jīng)驗,每10 min觀察一次出料口物料的顏色(藍(lán)、微藍(lán)、微紅、紅、紅黑),從而對消色力指標(biāo)作出判斷和預(yù)測,以及時調(diào)整窯速,為此,可取控制時域M和優(yōu)化時域P分別為10,由此可得式(1)的向量形式為

其中

控制中不希望控制增量Δq變化過于激烈,優(yōu)化性能指標(biāo)可取為

其中

其中,λ,γ分別為對跟蹤誤差和控制變量變化進(jìn)行抑制的權(quán)系數(shù),取值范圍為0～1,本控制系統(tǒng)中,λj,γj取值分別為 λj=0.9-0.5j,γj=0.1+0.5j。

通過式(3)、式(4),利用求極值的方法可得到ΔqM的最優(yōu)值,本系統(tǒng)只取即時的控制增量構(gòu)成實際控制,到下一個采樣時刻,再次用同樣的方法求出新的控制增量作用于對象,實現(xiàn)滾動優(yōu)化。由于實際生產(chǎn)過程的不確定性和存在模型失配等未知因素,由式(3)所得的預(yù)測值可能偏離實際值,本系統(tǒng)由人工通過人機界面定期輸入消色力目測數(shù)據(jù),采用時間序列的加權(quán)法,對預(yù)測模型進(jìn)行修正,實現(xiàn)反饋校正[8-10]。能量--消色力預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 煅燒過程預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of predictive control system for calcination process

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)及運行效果

下位機采樣和控制程序用PLC梯形圖編程語言編寫,主要完成數(shù)據(jù)的采樣和處理、掉電保護(hù)、執(zhí)行控制算法、控制輸出和掉電保護(hù)等功能,該程序存儲于PLC中,可獨立于上位機運行。上位機監(jiān)控管理程序基于VC和SQL SERVER平臺開發(fā),主要完成數(shù)據(jù)通訊管理、過程監(jiān)視、控制算法管理等功能。為提高實時性,模糊控制任務(wù)由PLC通過查表的方式執(zhí)行,即預(yù)先算出模糊控制器所有輸入組合對應(yīng)的控制輸出,并存在PLC中供實際運行中查表調(diào)用。預(yù)測控制算法在上位機實現(xiàn),通過動態(tài)鏈接庫(DLL)供主程序調(diào)用,通訊管理程序把運算結(jié)果實時傳給PLC,控制煅燒窯的轉(zhuǎn)速。

圖7為窯頭溫度控制系統(tǒng)改進(jìn)前和改進(jìn)后連續(xù)運行24 h的控制曲線,窯頭溫度采樣時間為1 min,共1 440組數(shù)據(jù)。由圖7可知,系統(tǒng)改進(jìn)前和改進(jìn)后的窯頭溫度的平均值(目標(biāo)值)分別為1 175.1℃和1 175.6℃,大小相近;系統(tǒng)運行中因油質(zhì)和油壓的改變使窯頭溫度突然下降,表現(xiàn)為2條曲線的最大溫差分別為45℃和15℃,分別是目標(biāo)值的3.83%和1.27%,可見改進(jìn)后的系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力。圖8分別為煅燒過程基于經(jīng)驗控制和應(yīng)用預(yù)測控制某粉料連續(xù)生產(chǎn)10 d的消色力指標(biāo)對比曲線,橫坐標(biāo)為指標(biāo)檢驗數(shù)據(jù)的次序,檢驗周期為2 h,共120組數(shù);縱坐標(biāo)為消色力數(shù)值,通過離線檢驗得到,消色力數(shù)值越大表明性能指標(biāo)越好,大于102為及格。2條曲線消色力平均值分別為108.2和108.4,均為較優(yōu),由圖8可見,應(yīng)用預(yù)測控制后的曲線更加平穩(wěn),穩(wěn)定性更好。

圖7 窯頭溫度控制效果對比圖Fig.7 Comparative diag ram of control effect for kiln-head temperature

圖8 產(chǎn)品性能指標(biāo)對比圖Fig.8 Comparative diagram of product Performance index

5 結(jié)論

論文結(jié)合鋅鋇白生產(chǎn)轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)流程和對象特點,應(yīng)用模糊和預(yù)測控制的方法對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善,現(xiàn)場運行表明,關(guān)鍵工況參數(shù)窯頭溫度穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減少,產(chǎn)品性能指標(biāo)的穩(wěn)定性和質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。工控機+PLC的高可靠性、穩(wěn)定性和強大的人機界面較好地滿足系統(tǒng)運行的需要。論文提出的預(yù)測控制方法為解決缺乏檢驗手段的慢工業(yè)過程的控制問題提供一種新的方法,對化工、石油等傳統(tǒng)工業(yè)的智能控制改造具有很好的參考價值。

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