燒結(jié)混合加水前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、燒結(jié)混合加水前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要:根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)線的一次混合和二次混合的各自特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了 兩套控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為前饋反饋復(fù)合控制，并采用AB公 司的PLC對燒結(jié)混合加水控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)特點(diǎn) ：對一 次混合前含水量檢測不準(zhǔn)的情況進(jìn)行了預(yù)測，濾除干擾及滯后，取得了 良好的控制效果。關(guān)鍵詞:燒結(jié)混合前饋反饋預(yù)測燒結(jié)混合加水是燒結(jié)生產(chǎn)中的重要工藝段之一 ，其中水分含量的 控制是該工藝段控制要求的關(guān)鍵參數(shù)。它與一般的流程生產(chǎn)線控制一 樣，前道工序的關(guān)鍵參數(shù)的控制效果，直接影響了下道工序p控制系統(tǒng) 的輸出為加水調(diào)節(jié)閥開度，開度受到混合后含水量、進(jìn)料速度和混勻 料含水量反

2、饋值相關(guān)。系統(tǒng)的擾動(dòng)量包括：進(jìn)礦量及進(jìn)礦含水率。對于有些燒結(jié)生產(chǎn)線 來說進(jìn)礦量還包括熱返礦和冷返礦，要是有熱返礦的存在會(huì)對加水精 度造成較大影響，因?yàn)闊岱档V的熱量會(huì)造成混合過程中的水分蒸發(fā) ，不 利于精確加水控制。進(jìn)礦含水率主要受到水分傳感器精度的影響，普通的紅外傳感器會(huì)因?yàn)?水霧”造成偏差影響加水精度。2混合加水的控制系統(tǒng)目前國內(nèi)燒結(jié)生產(chǎn)線，尤其是大型生產(chǎn)線一般以二次混合工藝為主。而嚴(yán)格來講，一次混合和二次混合控制系統(tǒng)硬件組成雖然一樣，但控制環(huán)境卻完全不同，進(jìn)而也應(yīng)該根據(jù)各自特點(diǎn)采用不同的控制方 式。2.1 一次混合控制系統(tǒng)一次混合的控制是相對比較困難的，除了混合加水普遍的滯后難 點(diǎn)外,還具

3、有一次混合檢測水分難以準(zhǔn)確的問題。一次混合的水分檢 測不準(zhǔn)，不僅僅是儀表問題，絕大多數(shù)情況是由于工藝環(huán)境的限制。一 次混合前原料還沒有混勻，水分分布不均，而且有些生產(chǎn)線存在熱返礦 就勢必加大控制難度。由于一次混合前的水分不準(zhǔn)，導(dǎo)致無法直接使 用加水公式計(jì)算加水量。基于以上原因，一次混合控制方案如圖2所示。系統(tǒng)可分為內(nèi)外 雙環(huán)控制，外環(huán)為水分環(huán)，內(nèi)環(huán)為流量環(huán)。外環(huán)控制首先對燒結(jié)一次混合加水首先對混合加水過程中的全部儀器儀表測量值進(jìn)行濾波處理，包括混合熱返礦量、熱返礦溫度、 進(jìn)礦量、加水量和一次混合后含水率。然后 ，根據(jù)熱返礦量、熱返礦 溫度、進(jìn)礦量、加水量和混合后水分率，由混前含水率辨識(shí)公式進(jìn)行

4、 計(jì)算,并把計(jì)算的結(jié)果與前四個(gè)周期計(jì)算的混合前含水率采用最小二 乘法線性回歸，由擬合線預(yù)測下一控制周期混合前含水率。最后 ，根據(jù) 混前含水率、目標(biāo)水分率、進(jìn)礦量、熱返礦量、熱返礦溫度計(jì)算最佳加水流量流量控制器、操作器和流量計(jì)構(gòu)成混合加水控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，即流量環(huán)。流量環(huán)的給定為外環(huán)的輸出，流量環(huán)的輸出為調(diào)節(jié)閥的開度 給定?？刂扑惴榈湫偷腜ID控制,可以直接調(diào)用PLC中的控制塊實(shí) 現(xiàn)。系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)控制周期選擇非常重要，這里內(nèi)環(huán)的控制周期要明 顯小于外環(huán)的控制周期。外環(huán)為主，內(nèi)環(huán)為輔，內(nèi)環(huán)主要用于快速調(diào)節(jié) 消除調(diào)節(jié)閥的偏差，得系統(tǒng)更加趨于穩(wěn)定。2.2二次混合控制系統(tǒng)由于一次混合已經(jīng)混合均勻，后沒有

5、熱返礦，所以二次混合前和混 合后的水分檢測都可以認(rèn)為是精確的。但二次混合的難點(diǎn)在于混合后 水分的精確和穩(wěn)定性，并且通過前饋控制的方式消除滯后系統(tǒng)的干 擾。燒結(jié)二次混合加水首先對混合加水過程中的全部儀器儀表量進(jìn) 行濾波，包括進(jìn)礦量、一次混合后含水率和二次混合后含水率。然后 分別計(jì)算前饋加水量和反饋加水量，前饋加水量由進(jìn)礦量、一混后含 水率和目標(biāo)水分率根據(jù)水量守恒原理所推導(dǎo)的前饋加水量計(jì)算公式 計(jì)算,反饋加水量根據(jù)反饋偏差由PID算法進(jìn)行計(jì)算，它們之和為最佳 加水流量。最后，由最佳加水流量和流量計(jì)儀表值對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行 PID 閉環(huán)控制。如果反饋加水流量在一定時(shí)間內(nèi)長期存在 ，則根據(jù)當(dāng)前的 進(jìn)礦量情況

6、把前饋加水的偏差保存到經(jīng)驗(yàn)表中，以備以后使用。2.3最佳加水量的計(jì)算公式最佳實(shí)際加水量由前饋加水量和反饋加水量構(gòu)成。(1) 計(jì)算前饋加水量：由于對于一次混合，進(jìn)礦量檢測的皮帶秤在混合后，相當(dāng)于檢測出 礦量,所以求進(jìn)礦量需要由進(jìn)礦量和加水量進(jìn)行計(jì)算。補(bǔ)償加水量是由于在混合過程中存在一定的水分損失和檢測偏 差等因素，往往實(shí)際的含水量與理想計(jì)算無法相等，這里就用b作為補(bǔ) 償。但由于已經(jīng)通過辨識(shí)的方法計(jì)算混前含水量，在出現(xiàn)水分損失或者檢測偏差時(shí)，可以混前含水量的形式補(bǔ)償，以保證修正這類偏差，所 以，這里計(jì)算時(shí)b取0。(2) 計(jì)算反饋加水量：采用PLC程序的PID模塊進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算出相應(yīng)的反饋加水量

7、。2.4混合前含水量的預(yù)測采用辨識(shí)的方法預(yù)測混合前含水量。利用水分守恒原理，根據(jù)公式(2)可計(jì)算出當(dāng)前時(shí)期的含水量，但由于系統(tǒng)滯后，直接應(yīng)用與控制 系統(tǒng)會(huì)存在偏差。工程中可采用預(yù)測算法，對混合前含水量進(jìn)行預(yù)測 以確保精確控制。(1)平滑指數(shù)法。由于該系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，而且混合前含水量在外界條件沒有突 變的前提下不會(huì)有較大變化，所以，采用一段時(shí)間內(nèi)由出礦量、加水量、 混合后含水量、計(jì)算混合前含水量。計(jì)算原理相當(dāng)于水的守恒原理 辨識(shí)時(shí)間應(yīng)該取大于等于半個(gè)小時(shí)。計(jì)算方法：由公式計(jì)算出含水量，并用平滑指數(shù)法濾波。由公式：這里可以獲得相當(dāng)于一組滯后于當(dāng)前含水量的數(shù)列，為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)當(dāng)前含水量，采用平滑

8、指數(shù)法，一方面起到濾波的作用，另一方面還起到一定的預(yù)測作用。把這組數(shù)列記做w1,w2,wnw1 =w1w2 二a*w2+(-a)w1w3 =a*w3+(-a)w2wn，=a* wn+(1a)wn-1'一般來講，水分的波動(dòng)不會(huì)太大，所以a的取值一般可以小于0.2。把經(jīng)過平滑指數(shù)發(fā)處理后的數(shù)列w1 ,w2,wi為經(jīng)過平滑指數(shù)法預(yù)測后的混合前含水量。(2)最小二乘法。設(shè)x為時(shí)間即PLC控制程序執(zhí)行計(jì)算的周期,y為計(jì)算后的混前 含水量即公式(3)所計(jì)算的,把他們看成一個(gè)直線方程，通過辨識(shí)k和b, 計(jì)算下一時(shí)刻的混前含水量。實(shí)際應(yīng)用中,n取5,以每五拍計(jì)算一次混合前含水量，用于前饋控 制。3界面

9、開發(fā)及仿真曲線用戶界面采用AB公司的FactorytalkSE6.0進(jìn)行開發(fā)，界面如圖4。201 M和202 M分別表示一次和二次 混合,其他儀表亦如下圖所示。界面上方分為操作員參數(shù)設(shè)及工程師 參數(shù)設(shè)置,其中操作員參數(shù)主要用于生產(chǎn)操作，工程師參數(shù)主要用于精 確加水的控制。為了便于顯示計(jì)算，對混合后含水量進(jìn)行建模，公式如下：式中Waterper混合后含水量，W(t)為進(jìn)水流量函數(shù)，M(t)為進(jìn)礦流 量函數(shù)。實(shí)際建模計(jì)算中，采用離散化積分形式。系統(tǒng)仿真如圖5所示，界面上方為相關(guān)控制參數(shù)，下面分別為一次 混合和二次混合的控制曲線，可見二次混合后含水量已經(jīng)可以滿足要 求。4結(jié)論采用AB系統(tǒng)的PLC及配套的組態(tài)軟件，對鞍鋼燒結(jié)生產(chǎn)線混合 加水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對一次混合和二次混