預(yù)測(cè)控制在工業(yè)窯爐溫度控制中的使用

王菲　王超

摘 要：預(yù)測(cè)控制算法有其自身的理論優(yōu)勢(shì)和內(nèi)容，可以將其應(yīng)用于工業(yè)窯爐的溫度控制之中，建構(gòu)工業(yè)窯爐溫度控制的預(yù)測(cè)模型，將動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）應(yīng)用于工業(yè)窯爐溫度控制之中，要以滾動(dòng)優(yōu)化、反饋、調(diào)整、校正為前提，做好工業(yè)窯爐溫度控制的多步預(yù)測(cè)，借助于自動(dòng)在線運(yùn)算的方式和策略，對(duì)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行最大化的獲取、提煉和處理，可以達(dá)到快速抗干擾的應(yīng)用效果，使工業(yè)窯爐溫度控制滿足要求。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)控制；工業(yè)窯爐；溫度控制；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0126-03

Abstract： Predictive control algorithm has its own theoretical advantages and contents， and can be controlled in the industrial kiln temperature. To build a predictive model of industrial kiln temperature control， the application of dynamic matrix control （DMC） in industrial kiln temperature control is based on the premise of rolling optimization， feedback， adjustment and correction， so as to make the multi-step prediction of industrial kiln temperature control. With the method and strategy of automatic on-line operation， the dynamic information can be obtained， refined and processed maximally. The application effect of fast anti-interference can be achieved， and the temperature control of industrial kiln can meet certain requirements.

Keywords： predictive control； industrial kiln； temperature control； application

在科技不斷進(jìn)步和發(fā)展的態(tài)勢(shì)之下，由于被控對(duì)象的復(fù)雜化和不確定性，導(dǎo)致自動(dòng)控制的要求不斷提升，傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論存在極其明顯的遲滯性，引發(fā)工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定或超調(diào)過(guò)大等問(wèn)題，極大地威脅了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。為此，要引入先進(jìn)科學(xué)的預(yù)測(cè)控制技術(shù)和算法，它具有自身獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：多樣動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化的時(shí)序性、自動(dòng)調(diào)整與在線校正、實(shí)用性控制過(guò)程等，使之應(yīng)用于工業(yè)窯爐的溫度控制之中，更好地提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少能耗，降低成本。

1 預(yù)測(cè)控制綜述

1.1 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制是較為先進(jìn)的創(chuàng)新控制算法和技術(shù)，以其動(dòng)態(tài)多樣化、極強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，克服了最小方差控制的弱點(diǎn)，較好地解決系統(tǒng)難于建模的問(wèn)題，使預(yù)測(cè)控制算法能夠更好地適用于工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)，增強(qiáng)其過(guò)程適用的魯棒性，并以動(dòng)態(tài)、調(diào)整、在線校正等反饋信息控制為基本特征。

預(yù)測(cè)控制的主要優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)具體表現(xiàn)為：（1）簡(jiǎn)化了建模過(guò)程。在對(duì)象結(jié)構(gòu)、參數(shù)、環(huán)境條件不斷變化的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制之中，通常難以進(jìn)行最小化的模型辨識(shí)，而預(yù)測(cè)控制則可以建立于精準(zhǔn)的模型基礎(chǔ)之上，成為易于辨識(shí)的預(yù)測(cè)模型，從而極大地節(jié)約成本，提升控制質(zhì)量。（2）預(yù)測(cè)控制算法可以迅速準(zhǔn)確地處理多變量系統(tǒng)，在不同的約束性條件之下進(jìn)行質(zhì)量追蹤，通過(guò)合理的參數(shù)選擇增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。（3）由于預(yù)測(cè)控制算法的在線運(yùn)算是相對(duì)簡(jiǎn)單的非矩陣運(yùn)算，可以借由微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算。

1.2 DMC預(yù)測(cè)控制的基本算法

（1）單輸入、單輸出裝置的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法。在單輸入、輸出預(yù)測(cè)控制算法之中，要先測(cè)定裝置單位階躍響應(yīng)的采樣值at=a（iT），i=1，2，……（T是指采用周期），漸進(jìn)穩(wěn)定的裝置階躍響應(yīng)會(huì)在tN=NT這一時(shí)刻之后逐漸平穩(wěn)，aN接近于階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值aS=a（∞），則裝置的動(dòng)態(tài)信息可以建構(gòu)預(yù)測(cè)控制的模型參數(shù)，用有限集合{a1，a2，……aN}加以表示，N則表示建模時(shí)域。

（2）滾動(dòng)優(yōu)化。對(duì)于每一時(shí)刻k，要確定從該時(shí)刻起的M個(gè)控制作用增量Δu（k），…，Δu（k+M-1），則被控制裝置在未來(lái)P個(gè)時(shí)刻的輸出預(yù)測(cè)值yM（k+i|k）接近于給定的期望值ω（k+i），i=1，…P，其中：M代表控制時(shí)域；P代表優(yōu)化時(shí)域，且M≤P≤N。如圖1所示。

在這個(gè)預(yù)測(cè)控制過(guò)程中，通常要加入一些軟約束性條件，以避免增量Δu（k）變化過(guò)于劇烈的問(wèn)題，可以將k時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)取為：

上式中qi代表跟蹤誤差；ri代表控制量變化的抑制，兩者均屬于權(quán)系數(shù)。

（3）反饋校正。利用預(yù)測(cè)模型可以計(jì)算出k時(shí)刻將控制u（k）實(shí)際施加于裝置的輸出預(yù)測(cè)值，用向量■N1（k）=■N0（k）+a△u（k）加以表示，然而，因?yàn)閷?shí)際操作過(guò)程難免受到諸多內(nèi)外因素的干擾和影響，這就使之建構(gòu)的預(yù)測(cè)模型會(huì)存在不相匹配的問(wèn)題，致使在線預(yù)測(cè)模型運(yùn)算結(jié)果與預(yù)測(cè)的數(shù)值產(chǎn)生較大的偏離，為此要先檢測(cè)裝置的實(shí)際輸出y（k+1），將其與上述模型預(yù)測(cè)輸出值相比較，獲得輸出偏差值，可以用：e（k+1）=y（k+1）-■1（k+1|k）加以表示，在這個(gè)模型之中考慮了各種不確定因素對(duì)輸出的影響，是基于模型的預(yù)測(cè)補(bǔ)充。endprint

2 新型干法水泥工業(yè)回轉(zhuǎn)窯工藝流程分析

2.1 帶窯外分解爐新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯工藝流程

由于工業(yè)窯爐的種類繁多、工藝復(fù)雜、分布較為分散，為此，主要分析操作相對(duì)穩(wěn)定、熟料質(zhì)量好、生產(chǎn)能力高的帶窯外分解爐的水泥回轉(zhuǎn)窯，它也稱為預(yù)分解窯，它主要是通過(guò)在旋風(fēng)預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)窯之間增添分解爐裝置的方式，在其中添入一定比例的燃料，使之處于懸浮的狀態(tài)之下，具體涵括以下兩個(gè)方面的化學(xué)過(guò)程，即：實(shí)現(xiàn)燃料的燃燒放熱過(guò)程、生料的分解吸熱過(guò)程，快速實(shí)現(xiàn)硅酸鹽的分解反應(yīng)，極大地提升窯系統(tǒng)的煅燒率，擴(kuò)大了單機(jī)生產(chǎn)能力，延長(zhǎng)了工業(yè)窯爐的使用壽命和運(yùn)行周期。

（1）窯外預(yù)熱分解。工業(yè)窯爐在其尾部安裝預(yù)熱器，使生料在高溫?zé)煔獾挠酂嶙饔孟骂A(yù)熱，使入窯的生料溫度上升到750-800℃，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、粘土脫水、分解、煅燒，可以較好地提升物料反應(yīng)溫度，降低熟料的熱量損耗。同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)物料的分解，在分解爐中實(shí)現(xiàn)碳酸鈣分解反應(yīng)，使生料顆粒懸浮于分解爐之中，進(jìn)行高速的傳熱和分解反應(yīng)，減輕工業(yè)窯爐的熱負(fù)荷，增加工業(yè)窯爐的生產(chǎn)能力。

（2）窯內(nèi)煅燒?；剞D(zhuǎn)窯系統(tǒng)是燃燒器也是高溫反應(yīng)器，生料在這個(gè)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)完全分解，在不同的溫度和反應(yīng)條件之下，由碳酸鹽分解帶、放熱反應(yīng)帶、燒成帶和冷卻帶等幾個(gè)部分構(gòu)成。

（3）窯尾廢氣處理。在這個(gè)過(guò)程中，由高溫風(fēng)機(jī)抽出廢氣，并對(duì)增濕塔內(nèi)的高溫廢氣進(jìn)行噴水增濕降溫，進(jìn)入到電收塵器進(jìn)行凈化處理，導(dǎo)入到煙囪排入大氣。

（4）熟料冷卻。當(dāng)前主要選用推動(dòng)式篦冷機(jī)換熱裝備，高溫熟料可以在冷卻機(jī)鼓入的高壓風(fēng)條件下快速冷卻，冷卻之后的大小不同的顆粒熟料分別由破碎機(jī)破碎或細(xì)柵條進(jìn)入到輸送設(shè)備之中。

2.2 工業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐操作控制的原則

要在工業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐操作之中，穩(wěn)定工業(yè)窯爐的溫度，確保風(fēng)、煤、料、窯速的平衡，如：風(fēng)煤的合理配置；火焰的位置；喂料的均勻性；物料負(fù)荷率等。在這個(gè)工業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐的操作控制過(guò)程中，主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括有：窯尾氣體溫度及壓力；分解爐出口氣體溫度；燒成帶溫度；窯頭負(fù)壓及溫度；預(yù)熱器各級(jí)的氣體溫度壓力及入窯物料的溫度；窯主電機(jī)的負(fù)荷；窯筒體的溫度等。主要的控制參數(shù)包括有：入窯的生料量；窯轉(zhuǎn)速；窯頭喂煤量；窯尾主排風(fēng)機(jī)風(fēng)量等。

3 預(yù)測(cè)控制在工業(yè)窯爐溫度控制中的應(yīng)用研究

3.1 建立工業(yè)窯爐溫度控制數(shù)學(xué)模型

（1）主要測(cè)控參數(shù)。主要選取以下參數(shù)作為測(cè)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)窯爐溫度的控制：燒成帶溫度（SW）是直接反應(yīng)燒成帶工況的參數(shù)，正常運(yùn)行的溫度范圍為1300-1500℃；窯尾溫度（WW）是反映窯內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的熱力分布情況，正常運(yùn)行的溫度范疇為950-1050℃。同時(shí)，還選取以下參數(shù)作為控制參數(shù)，即：燃料用量（RY）會(huì)直接影響燒成帶溫度和廢氣中的氧含量；主排風(fēng)機(jī)速度（PS）則主要是改變二次風(fēng)速和窯內(nèi)的溫度分布；回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速（YS）通常應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)。

（2）建模。燒成帶溫度極大地影響熟料的質(zhì)量，可以通過(guò)調(diào)節(jié)喂煤量、排風(fēng)量的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒成系統(tǒng)的過(guò)程控制，一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)增加喂煤量，可以使燒成帶的溫度上升；而減少喂煤量則會(huì)降低燒成帶的溫度?？梢杂萌缦鹿奖磉_(dá)和描述工業(yè)窯爐中不同狀態(tài)量與控制變量之間的傳遞函數(shù)關(guān)系：

上式之中，時(shí)間常數(shù)T主要是反映被控制對(duì)象在受到輸入作用之后，其輸出變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的快慢情況，是一種動(dòng)態(tài)的特性參數(shù)，當(dāng)時(shí)間常數(shù)T增加時(shí)其輸出量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)。滯后時(shí)間τ則是描述被控對(duì)象在受到輸入變量的作用之后，其被控量并不會(huì)馬上改變，而是會(huì)在一段時(shí)間之后發(fā)生變化，顯示出滯后的現(xiàn)象。廣義對(duì)象放大系數(shù)K也即靜態(tài)增益，是被控對(duì)象重新達(dá)到平衡狀態(tài)下的輸出變量與輸入變化量的比值，它不受時(shí)間變化的影響。

（3）辨析模型參數(shù)?？梢圆捎秒A躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法和脈沖響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法作為被控對(duì)象實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，通過(guò)向被控對(duì)象輸入和設(shè)置一定的擾動(dòng)信號(hào)，可以通過(guò)測(cè)量的方式，獲悉輸出變量與時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)性，反映出一定的被控對(duì)象的特性。值得注意的是，要關(guān)注輸入信號(hào)的幅值，由此辨別輸入信號(hào)和隨機(jī)干擾信號(hào)的差異性，以保證狀態(tài)變量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。另外，還要采用基于最小二乘法的參數(shù)辨識(shí)方法，有效地解決一階模型階躍響應(yīng)辨識(shí)的問(wèn)題。

3.2 工業(yè)回轉(zhuǎn)窯爐預(yù)測(cè)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)

這個(gè)控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇是直接影響工業(yè)窯爐控制性能的因素，主要包括：（1）選擇采樣周期Ts和建模時(shí)域長(zhǎng)度N。這兩個(gè)參數(shù)之間具有極其密切的關(guān)聯(lián)性，并表現(xiàn)出Ts越小、N越大、計(jì)算量也越大的規(guī)律性，系統(tǒng)的抗干擾能力也越強(qiáng)；相反，Ts越大、N越小、計(jì)算量也越小，系統(tǒng)的抗干擾能力越弱。為此，可以選取Ts=3s，取N=200延伸到階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)，以提升系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的抗干擾能力。（2）選擇控制時(shí)域長(zhǎng)度M。較小的M值有益于保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然而其動(dòng)態(tài)性能較差；較大的M值則有更多的動(dòng)態(tài)變化，有更為快速的響應(yīng)和控制的靈活性，然其穩(wěn)定性不足。因此，為了保持系統(tǒng)控制處于動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定兼具的狀態(tài)，可以取M為1。（3）預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度P。為了保持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活的動(dòng)態(tài)性，可以將P取值為8。（4）預(yù)測(cè)輸出誤差加權(quán)矩陣Q和控制增量加權(quán)矩陣R，可以取Q和R的值為Ⅰ。

綜上所述，預(yù)測(cè)控制算法可以較好地應(yīng)用于工業(yè)窯爐溫度控制中，它通過(guò)縮短預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間方式加以實(shí)現(xiàn)，在加入擾動(dòng)之后預(yù)測(cè)控制的輸出曲線變化較小，魯棒性較強(qiáng)，適用于大時(shí)滯、大慣性的過(guò)程控制系統(tǒng)?？梢曰陬A(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，建立工業(yè)窯爐的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)窯爐溫度的快速和穩(wěn)定的控制。同時(shí)，還可以極大地增強(qiáng)處理約束的能力，較好地處理各種復(fù)雜的多變量問(wèn)題。

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