基于模糊PID的礦渣粉磨入口溫度控制

王立佳,李　勇（南京梅寶新型建材有限公司,南京　210039）

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基于模糊PID的礦渣粉磨入口溫度控制

王立佳,李勇
（南京梅寶新型建材有限公司,南京210039）

摘 要:輥磨是礦渣粉磨生產(chǎn)中的主要裝置，包括細(xì)磨、傳送、提升、選粉等一系列工序于一身，是一個(gè)多變量、耦合強(qiáng)的線性系統(tǒng)。物料粉碎的粗細(xì)直接影響生產(chǎn)的成本和品質(zhì)。磨機(jī)入口溫度的高低直接影響著磨內(nèi)壓差、生料的烘干，從而影響著成品的產(chǎn)量。因?yàn)槟C(jī)入口溫度影響因素很多、滯后時(shí)間較長及容易超調(diào)等特點(diǎn)，用一般的控制方法不能滿足工藝的要求，所以本課題采用模糊PID智能控制算法設(shè)計(jì)了溫度控制模型，并在實(shí)際運(yùn)用中，很好地解決了上述問題。

關(guān)鍵詞：輥磨；模糊控制；PID；入口溫度

1　緒論

立磨碾壓是水泥生產(chǎn)過程的重要步驟，其粉磨的粗細(xì)程度和磨機(jī)的工作效率直接影響礦渣水泥生產(chǎn)的成本和品質(zhì)。因此，提高粉磨的產(chǎn)品質(zhì)量和磨機(jī)效率對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)，保證替換水泥部分后的建筑質(zhì)量等，有重要的意義。目前，國內(nèi)許多研究院正在努力對(duì)礦渣粉磨工藝進(jìn)行提升和改造，研發(fā)出現(xiàn)在的新型立磨粉磨，使得我國礦渣粉磨生產(chǎn)效率大大的提高。但是，與國外先進(jìn)的技術(shù)相比，國內(nèi)立磨系統(tǒng)生產(chǎn)線的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益都很差。根據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)的立磨生產(chǎn)效率大約只有國外總體水平的70%。因此，運(yùn)用較好的方式提升立磨運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證立磨生產(chǎn)的連續(xù)性，對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本將帶來十分重要的影響。

2　礦渣粉磨工藝流程

礦渣粉磨系統(tǒng)主要由原料站、傳送機(jī)、熱風(fēng)爐、立磨、收粉器、選粉機(jī)和成品庫等組成。物料站的礦渣經(jīng)過取料機(jī)和皮帶傳送機(jī)進(jìn)入中央緩沖物料倉，料倉下裝有稱量給料稱，由傳送機(jī)送入回轉(zhuǎn)鎖風(fēng)閥，并進(jìn)入磨盤中央，在離心力場(chǎng)的作用下，旋轉(zhuǎn)磨盤上的礦渣被甩出，并形成一定料層厚度，進(jìn)入磨輥區(qū)被碾壓。碾碎后的物料再次被甩到磨盤周邊的環(huán)型風(fēng)環(huán)，快速上升的熱氣流將卷入選粉機(jī)進(jìn)行分選，同時(shí)熱風(fēng)也將物料烘干。合格的細(xì)粉隨氣流進(jìn)入袋式除塵收粉器進(jìn)行收集。收集的粉塵就是成品了，在由空氣傳送斜槽、斗式提升機(jī)進(jìn)入均化庫去儲(chǔ)存。沒有選出的粗粉再次落在磨盤中央碾壓。沒有被熱風(fēng)吹起的物料，由磨機(jī)下面的順流裝置排到立磨外，經(jīng)外循環(huán)的提升機(jī)進(jìn)入除鐵器除鐵，除鐵后的粗粉隨新料一起進(jìn)磨碾壓。

3　礦渣粉磨溫度系統(tǒng)控制策略

燃料在燃燒室煅燒過程中，燃燒效果很大程度上取決于熱效率與燃料配比的關(guān)系。對(duì)此，在溫度模糊PID控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出空燃比模糊控制，最大限度的提高燃燒效率，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

空燃比控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)燃料和助燃空氣的最佳混合比例，既可保證燃料的充分燃燒，又不至于加入過多的空氣，從而帶走過多的熱量，目標(biāo)是尾氣中的含氧量控制在一個(gè)很小的比例。實(shí)際控制中煤氣的流量，經(jīng)模糊PID計(jì)算出空氣的流量。由于熱風(fēng)爐溫度系統(tǒng)的慣性和滯后性，加上磨機(jī)生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整，對(duì)磨機(jī)入口溫度有較高的控制要求。對(duì)通往磨機(jī)入口的熱風(fēng)進(jìn)行溫度檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)溫度與設(shè)定值之間的差值作為溫度模糊控制算法的輸入，然后得出溫度修正系數(shù)，再用煤氣流量數(shù)學(xué)模型，算出理想的煤氣流量值。

4　模糊控制器的空燃比設(shè)計(jì)

空氣量與燃料量的比值即是空燃比，在燃燒室的通煙道裝有煙氣氧含量在線檢測(cè)儀，來檢測(cè)煙氣中的氧氣含量，由于煙氣的氧氣含量直接反映了空氣與燃料燃燒的程度，煙氣中的氧含量就越低說明燃燒越充分。煙氣中氧含量與空燃比有必然的量化關(guān)系，可以通過煙氣中含氧量來設(shè)值空燃比，以確保燃燒效率高?？杖急瓤刂瓶驁D如圖1。

圖1　空燃比控制框圖

由于熱風(fēng)爐系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和煙氣氧含量的檢測(cè)分析都有純滯后，因此采用模糊控制器來調(diào)節(jié)氧含量調(diào)節(jié)器。其中，輸入端為氧含量偏差值及偏差變化率，輸出端為空燃比的值。

5　熱風(fēng)爐溫度模糊控制

熱風(fēng)爐的溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)利用模糊PID空氣量控制器控制燃料閥，進(jìn)而控制燃料的流量。燃燒室出來的熱風(fēng)含氧量經(jīng)氧氣在線檢測(cè)裝置檢測(cè)反饋給模糊PID空氣量控制器。外環(huán)從燃燒室出來的熱風(fēng)經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)吹入熱風(fēng)爐，熱風(fēng)爐熱風(fēng)的溫度經(jīng)溫度變送裝置反饋給模糊PID溫度控制器，從而對(duì)熱風(fēng)的溫度有較好的控制。

圖2　熱風(fēng)爐溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

5.1 模糊控制規(guī)則的確定

由經(jīng)驗(yàn)我們知道，當(dāng)燃燒室中氧含量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，關(guān)鍵是調(diào)節(jié)燃料流量，減少偏差；當(dāng)燃燒室內(nèi)的氧含量偏差較小時(shí)，主要任務(wù)是防止產(chǎn)生超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。同理，當(dāng)熱風(fēng)的溫度與設(shè)定值的偏差較大時(shí)，經(jīng)模糊PID溫度控制器，與燃燒室里含氧量在線檢測(cè)裝置共同作用，很好的去控制燃料調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量，從而達(dá)到比較理想的控制效果。當(dāng)被控量E和EC越小，不確定量就越小，系統(tǒng)控制精度就越高。

5.2隸屬度函數(shù)的確定

選擇合適隸屬度函數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能有著直接影響，遺憾的是，現(xiàn)在還沒有較好的的方法來解決如何去確定隸屬度函數(shù)?，F(xiàn)在工程上使用很多的是三角形隸屬度函數(shù)，本控制器就用三角隸屬度函數(shù)。

6　輸出信息的解模糊化

在溫度模糊PID系統(tǒng)中,由模糊邏輯推理后,輸出的則是模糊集合,由49條模糊條件語句所得,是一個(gè)模糊量不好直接控制的控制設(shè)備，必須要用合適的辦法將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量,才能很好地應(yīng)用模糊推理的決策效果。清晰化的目標(biāo)就是將模糊集合等效為一個(gè)精確量。在清晰化時(shí)我們運(yùn)用重心法,得到控制量u的被控對(duì)象:

A ( ui)是論域u上集合A的ui個(gè)隸屬度函數(shù)，ui是論域u的第i個(gè)元素。

7　仿真研究

將熱風(fēng)爐被控對(duì)象近似為一階慣性環(huán)節(jié)：

依據(jù)前面所設(shè)定的參數(shù)，以熱風(fēng)爐溫度控制為被控對(duì)象，采用優(yōu)化的模糊PID控制策略進(jìn)行MATLAB仿真。

圖3　單位階躍響應(yīng)對(duì)比曲線

圖3是熱風(fēng)爐溫度控制在不同控制器作用下的響應(yīng)曲線。從上圖可以看出，模糊PID控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的純PID控制，傳統(tǒng)的純PID控制有很大的超調(diào)量，調(diào)節(jié)所需時(shí)間也很長；模糊PID控制性能優(yōu)于常規(guī)PID控制，響應(yīng)快，一下到達(dá)設(shè)定值，還沒有超調(diào)量，而且也有模糊PID的抑制干擾。

8　總結(jié)

本文以礦渣粉磨為研究對(duì)象，針對(duì)熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，通過分析我們知道傳統(tǒng)PID在設(shè)計(jì)中必須依靠系統(tǒng)本身的精確模型才可以整定出PID參數(shù)，可是只有模型改變，PID控制效果就會(huì)很差，必然導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作穩(wěn)定。僅憑操作者經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)，況且這些參數(shù)不能動(dòng)態(tài)變化，對(duì)控制器的控制產(chǎn)生很大影響。把模糊控制與PID相結(jié)合成模糊PID控制器已是控制領(lǐng)域里較為有價(jià)值的研究課題，能夠取長補(bǔ)短，加強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，使系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性好等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]于雋,王彩英.用于高爐礦渣粉磨的立磨工作原理及選型[J].粉煤灰,2008,23(04):46-48.

[2]孫自強(qiáng).基于PCS7的加熱爐燃燒控制策略及仿真研究[J].2012:50-51.

[3]李慶亮,張新成.模糊控制技術(shù)在立式磨系統(tǒng)制中的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,27(01):2961-2963.

[4]陶天全.水泥工業(yè)粉磨工藝及設(shè)備.武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1992(07):102-104.

[5]屈毅.基于模糊PID控制的溫室控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,7(07).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.040