篦冷機(jī)的液壓伺服系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化

鄭春籽

摘 要：水泥作為世界各國不斷完善基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的基本原料。然而，現(xiàn)有技術(shù)水平還無法解決其生產(chǎn)過程中暴露出來的高能耗、高污染等現(xiàn)實(shí)難題?，F(xiàn)階段，如何有效降低生產(chǎn)過程中污染排放、最大程度提高生產(chǎn)效率是新型干法水泥迫切待解決的問題。篦式冷卻機(jī)作為水泥生產(chǎn)工藝過程中主要的熟料冷卻與熱量回收的專用設(shè)備，在節(jié)能減排方面起著至關(guān)重要的作用。因此，提升傳統(tǒng)篦式冷卻機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定是當(dāng)前水泥制造過程中的關(guān)鍵之處。本文重點(diǎn)研究篦冷機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的高性能控制。

關(guān)鍵詞：篦冷機(jī);液壓伺服系統(tǒng);PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、篦式冷卻機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

篦冷機(jī)控制系統(tǒng)的控制效率對水泥生產(chǎn)過程中起到?jīng)Q定性作用。篦冷機(jī)是水泥生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，負(fù)責(zé)高溫熟料的驟冷以及熱量的回收和分配。改善篦冷機(jī)的換熱效率對提高水泥質(zhì)量，降低能耗有重要作用。

（一）篦冷機(jī)換熱過程及評價方法

篦式冷卻機(jī)的換熱原理、篦式冷卻機(jī)換熱過程進(jìn)行詳細(xì)的描述;對篦式冷卻機(jī)的系統(tǒng)組成，各個組成部分的工作原理及作用進(jìn)行描述;對篦式冷卻機(jī)的歷史發(fā)展過程包括筒式冷卻機(jī)的發(fā)展，篦式冷卻機(jī)的更新?lián)Q代發(fā)展過程、篦式冷卻機(jī)熱效率評價方法進(jìn)行綜合分析，主要從篦冷機(jī)熱效率、冷卻效率、空氣升溫效率、入窯二次風(fēng)溫度和入爐三次風(fēng)溫、出冷卻機(jī)熟料溫度等評定指標(biāo)對篦冷機(jī)性能進(jìn)行定量衡量[1]。

篦冷機(jī)換熱過程主要是將高溫熟料溫度由1300℃～1400℃快速降至100℃左右，并對高溫進(jìn)行回收利用。本章及主要對篦冷機(jī)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析分析篦冷機(jī)高溫熟料的換熱過程，從工藝角度對整個篦冷機(jī)工作過程進(jìn)行詳細(xì)的描述，對篦冷機(jī)換熱效率給出相應(yīng)的計(jì)算公式給出評價標(biāo)準(zhǔn)。對篦冷機(jī)的發(fā)展過程進(jìn)行描述，對篦冷機(jī)從熱效率、冷卻效率、空氣升溫效率、入窯二次風(fēng)溫度和入爐三次風(fēng)溫、出冷卻機(jī)熟料溫度等方面進(jìn)行綜合評價。

二、篦式冷卻機(jī)換熱過程

篦冷機(jī)是水泥廠熟料燒成系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其主要功能是對水泥熟料進(jìn)行冷卻、輸送;同時為回轉(zhuǎn)窯及分解爐等提供熱空氣，是燒成系統(tǒng)熱回收的主要設(shè)備。篦式冷卻機(jī)是一種驟冷式冷卻機(jī)。熟料由窯進(jìn)入冷卻機(jī)后，在篦板上鋪成一定厚度的料層，鼓入的冷空氣以相互垂直的方向穿過篦床上運(yùn)動著的料層使熟料得以驟冷，可在數(shù)分鐘內(nèi)將熟料由1300℃-1400℃驟冷到100℃以下。傳統(tǒng)的篦式冷卻機(jī)分為回轉(zhuǎn)式、振動式和推動式三種，但由于前兩種已被淘汰，推動式篦冷機(jī)已經(jīng)成為窯外分解窯配套選用的主要水泥熟料冷卻機(jī)機(jī)型。篦床是冷卻機(jī)的主要部件，推動篦板是由一行一行間隔排列的固定篦板和活動篦板組成。

三、篦冷機(jī)控制系統(tǒng)與分析

首先對篦冷機(jī)的液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，從液壓伺服系統(tǒng)工作過程入手根據(jù)其工作原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，從系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)分別對根軌跡、Bode圖等幾個傳統(tǒng)方法對模型穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過分析判斷該系統(tǒng)是否能夠達(dá)到工藝要求，若不能達(dá)到工藝要求，需要采取控制策列對其進(jìn)行校正。

（一）篦冷機(jī)液壓系統(tǒng)模型

篦冷機(jī)液壓系統(tǒng)主要是液壓伺服系統(tǒng)主要包括功率放大器、電液伺服閥和液壓缸等組成，本節(jié)主要對液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，從液壓伺服系統(tǒng)工作過程入手根據(jù)其工作原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[2]。

（1） 液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于液壓伺服系統(tǒng)本身存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)的響應(yīng)速迅速、能夠承受大負(fù)載、系統(tǒng)的控制精度高等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。液壓伺服系統(tǒng)是對系統(tǒng)的輸出量如位移，如速度和力等能夠迅速準(zhǔn)確的對其進(jìn)行輸出功率進(jìn)行一定幅度的放大，并且能夠準(zhǔn)確迅速的隨著輸入量的變化而變化。

電液伺服系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3-1所示，電液伺服系統(tǒng)通過其內(nèi)部的功率放大器和電液伺服閥將輸入的小的電壓信號通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換成具有一定放大倍數(shù)的電流信號，并將輸入的電信號通過液壓伺服系統(tǒng)中的內(nèi)部轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械量，由于其內(nèi)部本身是個高精度的環(huán)節(jié)，將機(jī)械量的偏差通過其內(nèi)部的先導(dǎo)級閥和功率級閥的調(diào)節(jié)輸出為流量或者壓力。流量或者壓力控制伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為液壓缸或液壓馬達(dá)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再對液壓伺服系統(tǒng)的的控制對象進(jìn)行驅(qū)動控制，從而使被控系統(tǒng)達(dá)到系統(tǒng)滿足的要求。

（二）系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對數(shù)值化模型進(jìn)行分析，模型存在一個積分環(huán)節(jié)為I型系統(tǒng)，在階躍輸入時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0;對系統(tǒng)的動態(tài)過程的性能指標(biāo)主要由電液控制閥和液壓缸的頻率決定的，它們的大小將會影響系統(tǒng)的動態(tài)過程品質(zhì)。

系統(tǒng)的控制精度、快速性與穩(wěn)定性相互制約。系統(tǒng)的控制精度通常用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量，誤差的大小衡量對系統(tǒng)控制的好壞，系統(tǒng)的控制精度與系統(tǒng)的放大系數(shù)有關(guān)系，一般增大系統(tǒng)的放大系數(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會隨之減小，但是改變放大系數(shù)的大小不能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。在該系統(tǒng)中系統(tǒng)的放大系數(shù) 越大則系統(tǒng)精度越高。上述模型系統(tǒng)的快速性取決于波特中的穿越頻率，穿越頻率越大系統(tǒng)的頻帶越寬，調(diào)節(jié)時間越短。綜上所述該系統(tǒng)的控制精度、頻寬和穩(wěn)定性是相互制約的。

對液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，從液壓伺服系統(tǒng)工作過程入手根據(jù)其工作原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，從系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)分別對根軌跡、Bode圖等幾個傳統(tǒng)方法對模型穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過分析發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不能達(dá)到工藝要求，需要采取控制策列對其進(jìn)行校正。并采用PID控制對其進(jìn)行綜合校正，效果得到明顯提升[3]。

四、結(jié)語

利用機(jī)理建模方式，對液壓伺服系統(tǒng)中的功率放大器、電液伺服閥和液壓缸建立了精確的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步整理得到篦冷機(jī)液壓伺服系統(tǒng)狀態(tài)空間形式的設(shè)計(jì)模型。在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典控制方法中的根軌跡、Bode圖對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析;綜合分析結(jié)果，擬設(shè)計(jì)PID控制器來進(jìn)一步提高、改善液壓伺服系統(tǒng)性能，進(jìn)而提高篦冷機(jī)生產(chǎn)效率[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂鵬，李保明，于新軍.優(yōu)化煤立磨取熱風(fēng)工藝管道改造[J].中國水泥，2019（03）：94-96.

[2]劉彬，張春燃，孫超，顧昕峰，劉浩然.多種群遺傳算法在篦冷機(jī)二次風(fēng)溫預(yù)測中的應(yīng)用[J].計(jì)量學(xué)報，2019，40（02）：252-258.

[3]王開俊，張征，李金柱.LANE型第四代篦冷機(jī)運(yùn)行操作要點(diǎn)[J].水泥工程，2019（01）：21-23.

[4]趙志彪，劉彬.水泥篦冷機(jī)出口熟料溫度自適應(yīng)辨識模型[J].控制理論與應(yīng)用，2019，36（04）：651-658.