石灰回轉窯溫度控制系統(tǒng)的研究

【摘 要】本文結合安鋼冶金爐料公司回轉窯項目，提出神經(jīng)網(wǎng)絡建立回轉窯的系統(tǒng)模型。利用模糊控制建立模糊-PI控制器，用以消除回轉窯溫度誤差造成的質量波動。

【關鍵詞】回轉窯 模糊-PI控制器 神經(jīng)網(wǎng)絡Matlab

引言

隨著煉鋼對冶金石灰的要求不斷提高，回轉窯由于產(chǎn)品質量高已成為國內(nèi)優(yōu)質煉鋼用灰的主要來源。在實際的操作中，由于回轉窯具有大慣性、純滯后、非線性等特點，很難實現(xiàn)煅燒過程的自動控制。本文結合安鋼冶金爐料公司回轉窯項目，利用窯尾溫度、煤氣量和上料周期三者的實際數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法進行系統(tǒng)辨識，建立回轉窯的系統(tǒng)模型。再設計一個模糊-PI控制器作為回轉窯的控制系統(tǒng)。使用Matlab軟件對控制系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾性能分別進行了仿真研究，達到了預期的效果，對生產(chǎn)實際中回轉窯窯尾溫度的控制與操作有著積極的指導作用。

一、工藝描述

活性石灰生產(chǎn)工藝就是將石灰石（主要成分是CaCO3）加熱分解為石灰（CaO）和二氧化碳（隨廢氣排出）的過程。其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示：

回轉窯主要由預熱器、回轉窯窯體、冷卻器等三大主機組成。石灰石原料從預熱器由推頭推至窯尾下料皿內(nèi)，并下溜至窯內(nèi)。窯體有3.5%的傾角，不斷旋轉，將石灰石從窯尾送至窯頭，下料至冷卻器冷卻，由振動給料機排到成品鏈斗機提至成品倉。

二、控制系統(tǒng)

安鋼集團冶金爐料公司1號600t/d回轉窯于2007年投產(chǎn)。控制系統(tǒng)的硬件組成主要由一套西門子S7-300 PLC系統(tǒng)及工程師站和操作員站組成。人機接口軟件為WinCC6.0。

三、系統(tǒng)研究

我們參考國內(nèi)冶金石灰回轉窯和水泥回轉窯自動控制的相關文獻，利用神經(jīng)網(wǎng)絡強大的非線性特性和自學習能力，采集窯尾溫度、煤氣量和上料周期三者的實際數(shù)據(jù)，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的回轉窯的系統(tǒng)模型，用于進一步分析回轉窯的控制特性。在回轉窯的控制方面，設計一個模糊-PI切換控制器。以窯尾溫度和設定值的偏差以及該偏差的變化率為輸入量，以煤氣量的增量為控制器的輸出。設計一個PI控制器。當窯尾溫度與設定值的偏差較大時，系統(tǒng)采用模糊控制器以提高系統(tǒng)的響應速度，當偏差較小時，切換至PI控制器，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

四、建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型

我們采集了安鋼冶金爐料公司一周的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。是回轉窯從點火開窯正常生產(chǎn)一段完整的過程，較為全面地反映了各種狀況下的熱工狀況。這一時間段的WinCC記錄的歷史數(shù)據(jù)導出，得到了窯尾溫度、煤氣量和上料周期三者的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。采用三層BP網(wǎng)絡來建立狀態(tài)觀測器，煤氣量、推料周期、窯尾溫度的歷史數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡的輸入，當前窯尾溫度作為網(wǎng)絡輸出。這樣該網(wǎng)絡有多個輸入，單個輸出.在Matlab中建立一個前向型BP網(wǎng)絡，并進行訓練。由于系統(tǒng)未知，采用試湊法，將不同輸入單元個數(shù)的情況做對比，選性能最優(yōu)的作為輸入單元的個數(shù)。經(jīng)過多次運行測試得出結果，隱含層數(shù)為10時，網(wǎng)絡性能最優(yōu)。

五、建立模糊PI控制器

首先設計一個PID控制器，用來分析回轉窯控制特點。當采用模糊控制器對煤氣量進行控制時，我們采用二維模糊控制器，將窯尾溫度差、窯尾溫度變化率作為控制器的輸入，煤氣量的增量作為控制器輸出.

模糊控制規(guī)則選取的基本原則是當偏差為零時，如果偏差的變化量也是零，由輸出控制量的增量為零；當偏差的變化量為正小或正大時，說明溫度正在升高，輸出為負小，煤氣流量漸減；當偏差的變化量為負小或負大時，說明溫度正在降低，輸出為正小，煤氣流量漸增，

六、仿真

采用雙控制模塊的Fuzzy-PI雙?？刂破?。當窯尾溫度與設定值的偏差較大時，采用模糊控制模塊，加快調節(jié)時間，窯尾溫度與設定值的偏差較小時，第二個控制模塊（PI調節(jié)器）投入使用，將系統(tǒng)調節(jié)到穩(wěn)態(tài)。該控制器結構如圖2所示。

在simulink中調用BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練好的模塊和制定的模糊控制器，再調用Matlab中的PI控制器形成圖6中的仿真系統(tǒng)。經(jīng)過仿真試驗，當誤差值的絕對值大于0.05時，采用模糊控制器，當誤差值的絕對值小于0.05時，采用PI控制器，效果較好。

七、結束語

本文通過對回轉窯窯尾溫度控制系統(tǒng)進行建模和分析，提出了Fuzzy-PI雙?？刂破鞯目刂撇呗?，借助Matlab進行仿真分析，得到了比較理想的控制效果。隨著自動化技術的飛速發(fā)展以及冶金石灰回轉窯自動化程度的提高，回轉窯系統(tǒng)控制策略將得到更多的討論與研究，希望本文所作的工作具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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